易科泰样芯分析技术应用案例(十二) 高光谱成像研究波兰Żabińskie湖万年沉积物

易科泰样芯分析技术应用案例(十二)

高光谱成像研究波兰Żabińskie湖万年沉积物

2008到2010年，我国处于富营养的湖泊数量已占多数，占调查总数的78.7%，其中，处于轻度富营养、中度富营养和重度富营养湖泊数量分别占调查总数的50.7%、21.3%和6.7%；处于中营养的湖泊数量占调查总数的14.6%，且不断向富营养化湖泊转变；处于贫营养状态的湖泊数量只占调查总数的 6.7%，主要分布于青藏高原湖区与云贵高原湖区，我国湖泊富营养化形势已非常严峻。

——《湖库富营养化FZ技术政策》

上一期《易科泰样芯分析技术应用案例》, 我们介绍了利用XRF和HSI研究波兰东北部Jaczno半混合湖全新世光养生物群落和缺氧动态的案例，本期将介绍利用这两大技术应用于波兰Żabińskie湖沉积物推断全新世10,800年间水体初级生产力及混合状况的案例。

全世界湖泊的富营养化和缺氧现象正在增加，但是人类对数千年来湖泊初级生产力和缺氧变化的理解却很有限，需要长期记录以了解湖泊生态系统的自然变异性，并增进对生产力和缺氧驱动因素的了解。瑞士伯尔尼大学地理与Oeschger气候变化研究中心的科研人员采用的多代理方法，将高分辨率高光谱成像（HSI）获得的色素数据、XRF数据与超高效液相色谱叶绿素、类胡萝卜素和细菌叶绿素等数据相结合，以研究波兰Żabińskie湖沉积物万年尺度内的营养状态变化和缺氧演变。研究结果发表于2020年《Science of the Total Environment》（A high-resolution record of Holocene primary productivity and water-column mixing from the varved sediments of LakeŻabińskie, Poland）。

注：Oeschger气候变化研究中心是伯尔尼大学ZY的跨学科气候研究中心，该中心成立于2007年，以现代气候研究的先驱Hans Oeschger的名字命名，在许多领域处于国际研究的前沿。

ü由10,800年沉积物样芯推断水体生产力和缺氧状况

ü使用高光谱成像（HSI）对湖泊沉积物色素进行定量

ü在人类砍伐森林之前，全新世期间缺氧状况持续存在

ü高光谱成像重建亚年级（季节）尺度生产力和缺氧状况

1）在过去的10,800年中，水体初级生产力和氧气浓度如何变化？

2）自然和人类影响在推动初级生产力或湖泊变化方面发挥了什么作用？

该研究使用ITRAX XRF CORSCANNER在伯尔尼大学对样芯进行扫描（铬管，曝光时间20s，30kV，50mA）,样芯2.1-0.8m的扫描分辨率为0.5mm，19.4-2.5m的扫描分辨率为2mm。所有XRF数据均以每秒计数（cps）计算，然后均质化，以使重叠样芯部分中每个元素的标准偏差和均值相等。根据数据质量和关注点选择关键的XRF元素进行分析,解析遵循Davies等人（2015年）利用XRF对湖泊沉积物所作的研究以及Żarczyński等人（2019年）的研究成果。将钾、锆和钛元素作为集水区成岩输入的代理物，铁、锰、硫和磷作为氧化还原条件改变的指标，铜和磷作为水生产量或有机物含量的指标，钙/钛比率作为内生性方解石的代理物，硅/钛比率作为生物硅的代理物（硅藻和金藻的丰度）。

高光谱成像（HSI）则使用SPECIM PFD-CL-65-V10E推扫式高光谱相机按照Butz等人的方法完成（2015）,相对吸收带深度（RABD）指数用于量化与沉积色素相关的吸收特征，以60×60μm（像素）分辨率进行测量。RABD_655–685max指数代表TChl-a（叶绿素a及其衍生物），并作为总藻类丰度的代表；RABD₈₄₅指数代表Bphe-a（细菌叶绿素），作为紫色硫细菌（PSB）的特定生物标记。PSB生活在分层水体的化跃层，需要光和还原后的硫才能进行光合作用，因此，Bphe-a表明该含氧/缺氧边界存在于该湖的光合带内。通过分光光度计测量值与样品位置的平均RABD指数值进行线性回归，将RABD指数值换算为真实浓度（μg/g干沉积物）。

l常规方法分析色素费钱费力，将其用于全新世或较大尺度的沉积物分析时，分辨率很低。

lHSI技术能够以亚毫米分辨率（即60×60μm像素大小）对大量色素基团进行快速定量，并且这项技术已被用于湖泊历史生产力和氧气浓度调查，表现出的时间分辨率。

lHSI检测到Bphe-a在季节尺度内10倍浓度变化，这是其它技术（低分辨率）无论如何也无法实现的。

l与HPLC测量相比，TChl-a的HSI测量受样本保存问题的影响更小。

l在亚年级分辨率下，沉积物样芯的HSI指数具有推断过去环境变化的潜力，未来的研究可以利用这种方法调查变化率、主控因素转换以及其他需要高分辨率技术解决的问题。

研究结果见下图：

ü高分辨率样芯（芯体）扫描成像分析，全面反映二维密度/质地和化学成分分布

ü岩矿样芯、海洋湖泊沉积样芯、树木年轮样芯等

üRGB扫描成像与CT技术密度扫描成像

ü高光谱扫描成像分析

üXRF元素扫描分析

ü高通量、非损伤

ü可选配LIBS元素分析

ØSisuROCK多样芯高通量高光谱成像扫描分析系统

ØSisuSCS单样芯高光谱成像扫描分析系统

ØSisuCHEMA高光谱成像分析系统

ØSpectraScan高光谱成像扫描分析系统

ØITRAX CoreScanner样芯密度与元素扫描分析系统

ØITRAX XRF Scanner 岩矿/湖海样芯元素扫描分析系统

ØITRAX MultiScanner树木年轮分析系统

ØVIS-NIR P4000土壤样芯理化性质勘测系统