綠色科技 | 智能監(jiān)測技術在海洋生態(tài)監(jiān)測中的應用與實踐

一、前言

海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測是客觀評價環(huán)境質量狀況、反映污染治理成效、實施環(huán)境管理與決策的基本依據(jù)。近年來，隨著監(jiān)測技術手段的創(chuàng)新發(fā)展，我國海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測技術體系不斷發(fā)展，改變了長期以手工操作為主的監(jiān)測手段，實現(xiàn)海洋監(jiān)測自動化的歷史性跨越。海水水質自動監(jiān)測技術、基于環(huán)境DNA（以下簡稱eDNA）技術的海洋生物多樣性監(jiān)測、無人機遙感監(jiān)測技術等，被廣泛應用于海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測工作，對于助推現(xiàn)代化生態(tài)環(huán)境監(jiān)測體系建設發(fā)揮了重要作用。 

二、海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測新技術的發(fā)展與應用

（一）海水水質自動監(jiān)測技術

海水水質自動監(jiān)測是通過傳感器技術、自動測量技術、實時傳輸技術，實現(xiàn)對海洋生態(tài)環(huán)境要素的長時間、高頻率、自動化監(jiān)測，精準分析研判海洋生態(tài)環(huán)境要素的動態(tài)變化過程。自動監(jiān)測技術在海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中的應用，可對近岸海域水質情況在空間和時間上進行全面掌握，構建高度信息化的海洋自動監(jiān)測體系，以實現(xiàn)對近岸海域海水水質情況及變化的動態(tài)化、精細化監(jiān)測監(jiān)管，及時識別、發(fā)現(xiàn)突發(fā)環(huán)境風險和海洋生態(tài)環(huán)境問題。此外，通過自動監(jiān)測技術，可節(jié)省大量人力資源，特別是在部分危險性較高的突發(fā)環(huán)境事件中，可充分保障監(jiān)測人員安全。

自動監(jiān)測可以依托浮標、海上平臺等開展定點連續(xù)監(jiān)測，或者依托監(jiān)測船舶、水下潛標、無人船等開展走航監(jiān)測。目前可以實現(xiàn)海洋環(huán)境自動監(jiān)測的參數(shù)包括鹽度、pH值、溶解氧、濁度、葉綠素、營養(yǎng)鹽、石油類等近20項，大多數(shù)參數(shù)監(jiān)測頻率可以達到每4小時1次以上，部分參數(shù)可以實現(xiàn)實時連續(xù)監(jiān)測。在海洋突發(fā)事故應急監(jiān)測中，結合無人船等技術手段，自動監(jiān)測可以實現(xiàn)空間和時間上的高分辨率、實時動態(tài)跟蹤監(jiān)測。

目前，我國沿海省（區(qū)、市），生態(tài)環(huán)境監(jiān)測機構已建設海水水質自動監(jiān)測浮標78套，主要布放在河口、重點海灣、保護區(qū)、旅游區(qū)和養(yǎng)殖區(qū)等環(huán)境敏感區(qū)，監(jiān)測參數(shù)涵蓋了常規(guī)水質參數(shù)、營養(yǎng)鹽或石油類參數(shù)以及水文氣象參數(shù)等。海水水質自動監(jiān)測浮標在我國近岸海域環(huán)境監(jiān)管中發(fā)揮了重要作用，主要應用于水質變化趨勢分析，實現(xiàn)對灣區(qū)水質情況及變化的動態(tài)化、精細化監(jiān)測監(jiān)管；及時識別、發(fā)現(xiàn)突發(fā)環(huán)境風險和生態(tài)環(huán)境問題；對赤潮等海洋災害輔助預測以及海洋生態(tài)環(huán)境突發(fā)事件應急響應。

（二）海洋生物多樣性監(jiān)測eDNA技術

eDNA是指存在于環(huán)境樣本中的遺傳物質，海洋生物的eDNA來源包括生物排泄物、脫落的細胞、死亡的細胞、主動釋放到環(huán)境中的胞外DNA等。eDNA技術可以在直接提取DNA片段后進行高通量測序，通過與已知數(shù)據(jù)庫比對來識別與樣本中的DNA片段相匹配的物種，以確定生物種類及其數(shù)量分布，這是對傳統(tǒng)生物分析手段的革新性補充。

 

eDNA技術在海洋生物多樣性保護領域的應用包括以下三個方面：一是在群落和生態(tài)系統(tǒng)層面，通過分析水中的eDNA，可以高效監(jiān)測到水環(huán)境中存在的物種，有助于了解生物季節(jié)性分布、食物鏈和食物網關系、生態(tài)功能及對環(huán)境變化的響應等；二是在目標物種層面，采用eDNA靶向物種定量PCR檢測方法，對瀕危、稀有物種和入侵物種進行定量監(jiān)測與評價監(jiān)測；三是在種群和個體層面，通過分子技術方法檢測種內遺傳變異的潛力，從而進行群體遺傳和環(huán)境樣本豐度評估，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，在傳統(tǒng)的監(jiān)測方法中納入eDNA技術，可以提升海洋生物多樣性監(jiān)測的精度與效率。在自動采樣系統(tǒng)與檢測技術不斷創(chuàng)新和測序成本逐步下降的條件下，eDNA技術已在我國海洋生態(tài)監(jiān)測中發(fā)揮著關鍵作用。

eDNA技術的興起代表了科學技術發(fā)展和海洋生態(tài)監(jiān)測的協(xié)同創(chuàng)新，可以實現(xiàn)對海洋生物多樣性更全面的評估。建立一套適用于我國海域的eDNA監(jiān)測標準，改進eDNA技術靈敏度、分辨率和高通量性，規(guī)范采樣、保存、提取、測序、分析、質控等全鏈條技術，對于實現(xiàn)海洋eDNA自動化監(jiān)測具有重要意義。

（三）無人機遙感監(jiān)測技術

遙感技術是利用傳感器遠距離探測地物的電磁波，獲取海洋表面、海岸帶以及海洋大氣的物理、化學和生物特征信息的一種手段，按傳感器搭載平臺可分為航空、航天和近地面3類。航空衛(wèi)星在海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中的作用不言而喻，而無人機航天遙感技術具有機動靈活、高分精細、低成本的獨特優(yōu)勢，針對人跡罕至的海岸帶、海島、河口、濱海濕地、紅樹林、海草床等近岸海域，可以可控成本定制獲取實時連續(xù)多維遙感數(shù)據(jù)，是“空—天—海”立體監(jiān)測的重要一環(huán)，已成為海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測現(xiàn)代化進程中的重要創(chuàng)新手段。

在海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中，與衛(wèi)星遙感類似，無人機應用于海洋生態(tài)、海洋污染監(jiān)測、海洋氣候變化等多個方面。無人機與衛(wèi)星手段監(jiān)測對象相同，并擴展至海洋生物（鯨類、海龜和海鳥）、紅樹林、海草床等；監(jiān)測指標比衛(wèi)星遙感更為精準和精細，如生態(tài)系統(tǒng)群落種類分布格局、碳匯和碳通量參數(shù)、溫排水溫升范圍、海面溢油實時動態(tài)等。其中，針對海洋垃圾污染監(jiān)測，無人機遙感技術實現(xiàn)了“0”的突破，大大擴展了人工監(jiān)測覆蓋范圍，與其互補形成天地一體的監(jiān)測模式，在支撐第三次海洋污染基線調查、美麗海灣建設、沿海城市海洋垃圾清理行動等生態(tài)環(huán)境部重點工作中，建立了較為成熟的監(jiān)測技術流程，走在了國際前列。

未來，隨著無人機設備的持續(xù)迭代和技術集成，以及人工智能與大數(shù)據(jù)技術的不斷融合，無人機將為海洋生態(tài)環(huán)境現(xiàn)代化監(jiān)測帶來更多突破性進展，尤其在海洋垃圾監(jiān)測、海洋生物群落和碳監(jiān)測、核電溫排水等方面應用潛力巨大，并應推動其向集群化、自動化、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)測技術也在不斷進步和完善。海洋生態(tài)監(jiān)測技術將朝著自動化和智能化、高精度和實時性、綜合化和系統(tǒng)化、生態(tài)化和環(huán)保化、空間化和遠程化的方向發(fā)展。通過自動化設備、傳感器、人工智能、衛(wèi)星遙感、通信技術和數(shù)據(jù)處理等技術，實現(xiàn)海洋環(huán)境的自動監(jiān)測、數(shù)據(jù)的實時傳輸以及監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動分析和處理；將多種監(jiān)測手段和技術相結合，實現(xiàn)全方位、多層次的監(jiān)測，獲取更全面的海洋環(huán)境信息，提高監(jiān)測效率，減少人力成本，同時避免人為因素對監(jiān)測結果的影響。

未來海洋監(jiān)測技術的發(fā)展方向和趨勢是多方面的，技術的發(fā)展將有助于我們更好地了解海洋環(huán)境的變化情況，及時采取應對措施，保護海洋生態(tài)系統(tǒng)的健康和可持續(xù)發(fā)展。

 

作者：

孫藝、趙冬梅、周超，國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心

莊彤暉，浙江省海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心

本文來源于《世界環(huán)境》2024.05期綠色科技欄目