綠色科技 | 智能監(jiān)測(cè)技術(shù)在海洋生態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用與實(shí)踐

一、前言

海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)是客觀評(píng)價(jià)環(huán)境質(zhì)量狀況、反映污染治理成效、實(shí)施環(huán)境管理與決策的基本依據(jù)。近年來(lái)，隨著監(jiān)測(cè)技術(shù)手段的創(chuàng)新發(fā)展，我國(guó)海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)體系不斷發(fā)展，改變了長(zhǎng)期以手工操作為主的監(jiān)測(cè)手段，實(shí)現(xiàn)海洋監(jiān)測(cè)自動(dòng)化的歷史性跨越。海水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)、基于環(huán)境DNA（以下簡(jiǎn)稱(chēng)eDNA）技術(shù)的海洋生物多樣性監(jiān)測(cè)、無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)等，被廣泛應(yīng)用于海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)工作，對(duì)于助推現(xiàn)代化生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)體系建設(shè)發(fā)揮了重要作用。 

二、海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

（一）海水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)

海水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)是通過(guò)傳感器技術(shù)、自動(dòng)測(cè)量技術(shù)、實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境要素的長(zhǎng)時(shí)間、高頻率、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，精準(zhǔn)分析研判海洋生態(tài)環(huán)境要素的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)在海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，可對(duì)近岸海域水質(zhì)情況在空間和時(shí)間上進(jìn)行全面掌握，構(gòu)建高度信息化的海洋自動(dòng)監(jiān)測(cè)體系，以實(shí)現(xiàn)對(duì)近岸海域海水水質(zhì)情況及變化的動(dòng)態(tài)化、精細(xì)化監(jiān)測(cè)監(jiān)管，及時(shí)識(shí)別、發(fā)現(xiàn)突發(fā)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和海洋生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。此外，通過(guò)自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，可節(jié)省大量人力資源，特別是在部分危險(xiǎn)性較高的突發(fā)環(huán)境事件中，可充分保障監(jiān)測(cè)人員安全。

自動(dòng)監(jiān)測(cè)可以依托浮標(biāo)、海上平臺(tái)等開(kāi)展定點(diǎn)連續(xù)監(jiān)測(cè)，或者依托監(jiān)測(cè)船舶、水下潛標(biāo)、無(wú)人船等開(kāi)展走航監(jiān)測(cè)。目前可以實(shí)現(xiàn)海洋環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)的參數(shù)包括鹽度、pH值、溶解氧、濁度、葉綠素、營(yíng)養(yǎng)鹽、石油類(lèi)等近20項(xiàng)，大多數(shù)參數(shù)監(jiān)測(cè)頻率可以達(dá)到每4小時(shí)1次以上，部分參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)。在海洋突發(fā)事故應(yīng)急監(jiān)測(cè)中，結(jié)合無(wú)人船等技術(shù)手段，自動(dòng)監(jiān)測(cè)可以實(shí)現(xiàn)空間和時(shí)間上的高分辨率、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤監(jiān)測(cè)。

目前，我國(guó)沿海省（區(qū)、市），生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)已建設(shè)海水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)78套，主要布放在河口、重點(diǎn)海灣、保護(hù)區(qū)、旅游區(qū)和養(yǎng)殖區(qū)等環(huán)境敏感區(qū)，監(jiān)測(cè)參數(shù)涵蓋了常規(guī)水質(zhì)參數(shù)、營(yíng)養(yǎng)鹽或石油類(lèi)參數(shù)以及水文氣象參數(shù)等。海水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)在我國(guó)近岸海域環(huán)境監(jiān)管中發(fā)揮了重要作用，主要應(yīng)用于水質(zhì)變化趨勢(shì)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)灣區(qū)水質(zhì)情況及變化的動(dòng)態(tài)化、精細(xì)化監(jiān)測(cè)監(jiān)管；及時(shí)識(shí)別、發(fā)現(xiàn)突發(fā)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和生態(tài)環(huán)境問(wèn)題；對(duì)赤潮等海洋災(zāi)害輔助預(yù)測(cè)以及海洋生態(tài)環(huán)境突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)。

（二）海洋生物多樣性監(jiān)測(cè)eDNA技術(shù)

eDNA是指存在于環(huán)境樣本中的遺傳物質(zhì)，海洋生物的eDNA來(lái)源包括生物排泄物、脫落的細(xì)胞、死亡的細(xì)胞、主動(dòng)釋放到環(huán)境中的胞外DNA等。eDNA技術(shù)可以在直接提取DNA片段后進(jìn)行高通量測(cè)序，通過(guò)與已知數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)來(lái)識(shí)別與樣本中的DNA片段相匹配的物種，以確定生物種類(lèi)及其數(shù)量分布，這是對(duì)傳統(tǒng)生物分析手段的革新性補(bǔ)充。

 

eDNA技術(shù)在海洋生物多樣性保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用包括以下三個(gè)方面：一是在群落和生態(tài)系統(tǒng)層面，通過(guò)分析水中的eDNA，可以高效監(jiān)測(cè)到水環(huán)境中存在的物種，有助于了解生物季節(jié)性分布、食物鏈和食物網(wǎng)關(guān)系、生態(tài)功能及對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)等；二是在目標(biāo)物種層面，采用eDNA靶向物種定量PCR檢測(cè)方法，對(duì)瀕危、稀有物種和入侵物種進(jìn)行定量監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)；三是在種群和個(gè)體層面，通過(guò)分子技術(shù)方法檢測(cè)種內(nèi)遺傳變異的潛力，從而進(jìn)行群體遺傳和環(huán)境樣本豐度評(píng)估，可用于遺傳多樣性研究。

為了更有效地了解海洋生物多樣性的分布和變化趨勢(shì)，在傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法中納入eDNA技術(shù)，可以提升海洋生物多樣性監(jiān)測(cè)的精度與效率。在自動(dòng)采樣系統(tǒng)與檢測(cè)技術(shù)不斷創(chuàng)新和測(cè)序成本逐步下降的條件下，eDNA技術(shù)已在我國(guó)海洋生態(tài)監(jiān)測(cè)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

eDNA技術(shù)的興起代表了科學(xué)技術(shù)發(fā)展和海洋生態(tài)監(jiān)測(cè)的協(xié)同創(chuàng)新，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋生物多樣性更全面的評(píng)估。建立一套適用于我國(guó)海域的eDNA監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，改進(jìn)eDNA技術(shù)靈敏度、分辨率和高通量性，規(guī)范采樣、保存、提取、測(cè)序、分析、質(zhì)控等全鏈條技術(shù)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)海洋eDNA自動(dòng)化監(jiān)測(cè)具有重要意義。

（三）無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)

遙感技術(shù)是利用傳感器遠(yuǎn)距離探測(cè)地物的電磁波，獲取海洋表面、海岸帶以及海洋大氣的物理、化學(xué)和生物特征信息的一種手段，按傳感器搭載平臺(tái)可分為航空、航天和近地面3類(lèi)。航空衛(wèi)星在海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中的作用不言而喻，而無(wú)人機(jī)航天遙感技術(shù)具有機(jī)動(dòng)靈活、高分精細(xì)、低成本的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，針對(duì)人跡罕至的海岸帶、海島、河口、濱海濕地、紅樹(shù)林、海草床等近岸海域，可以可控成本定制獲取實(shí)時(shí)連續(xù)多維遙感數(shù)據(jù)，是“空—天—海”立體監(jiān)測(cè)的重要一環(huán)，已成為海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)現(xiàn)代化進(jìn)程中的重要?jiǎng)?chuàng)新手段。

在海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中，與衛(wèi)星遙感類(lèi)似，無(wú)人機(jī)應(yīng)用于海洋生態(tài)、海洋污染監(jiān)測(cè)、海洋氣候變化等多個(gè)方面。無(wú)人機(jī)與衛(wèi)星手段監(jiān)測(cè)對(duì)象相同，并擴(kuò)展至海洋生物（鯨類(lèi)、海龜和海鳥(niǎo)）、紅樹(shù)林、海草床等；監(jiān)測(cè)指標(biāo)比衛(wèi)星遙感更為精準(zhǔn)和精細(xì)，如生態(tài)系統(tǒng)群落種類(lèi)分布格局、碳匯和碳通量參數(shù)、溫排水溫升范圍、海面溢油實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)等。其中，針對(duì)海洋垃圾污染監(jiān)測(cè)，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)實(shí)現(xiàn)了“0”的突破，大大擴(kuò)展了人工監(jiān)測(cè)覆蓋范圍，與其互補(bǔ)形成天地一體的監(jiān)測(cè)模式，在支撐第三次海洋污染基線調(diào)查、美麗海灣建設(shè)、沿海城市海洋垃圾清理行動(dòng)等生態(tài)環(huán)境部重點(diǎn)工作中，建立了較為成熟的監(jiān)測(cè)技術(shù)流程，走在了國(guó)際前列。

未來(lái)，隨著無(wú)人機(jī)設(shè)備的持續(xù)迭代和技術(shù)集成，以及人工智能與大數(shù)據(jù)技術(shù)的不斷融合，無(wú)人機(jī)將為海洋生態(tài)環(huán)境現(xiàn)代化監(jiān)測(cè)帶來(lái)更多突破性進(jìn)展，尤其在海洋垃圾監(jiān)測(cè)、海洋生物群落和碳監(jiān)測(cè)、核電溫排水等方面應(yīng)用潛力巨大，并應(yīng)推動(dòng)其向集群化、自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。 

三、展望

隨著科技的不斷發(fā)展，海洋生態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)也在不斷進(jìn)步和完善。海洋生態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)將朝著自動(dòng)化和智能化、高精度和實(shí)時(shí)性、綜合化和系統(tǒng)化、生態(tài)化和環(huán)保化、空間化和遠(yuǎn)程化的方向發(fā)展。通過(guò)自動(dòng)化設(shè)備、傳感器、人工智能、衛(wèi)星遙感、通信技術(shù)和數(shù)據(jù)處理等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)海洋環(huán)境的自動(dòng)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)分析和處理；將多種監(jiān)測(cè)手段和技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)全方位、多層次的監(jiān)測(cè)，獲取更全面的海洋環(huán)境信息，提高監(jiān)測(cè)效率，減少人力成本，同時(shí)避免人為因素對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響。

未來(lái)海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向和趨勢(shì)是多方面的，技術(shù)的發(fā)展將有助于我們更好地了解海洋環(huán)境的變化情況，及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施，保護(hù)海洋生態(tài)系統(tǒng)的健康和可持續(xù)發(fā)展。

 

作者：

孫藝、趙冬梅、周超，國(guó)家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心

莊彤暉，浙江省海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心

本文來(lái)源于《世界環(huán)境》2024.05期綠色科技欄目