綠色科技 | 智能監測技術在海洋生態監測中的應用與實踐

一、前言

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

二、海洋生態環境監測新技術的發展與應用

（一）海水水質自動監測技術

海水水質自動監測是通過傳感器技術、自動測量技術、實時傳輸技術，實現對海洋生態環境要素的長時間、高頻率、自動化監測，精準分析研判海洋生態環境要素的動態變化過程。自動監測技術在海洋生態環境監測中的應用，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測體系，以實現對近岸海域海水水質情況及變化的動態化、精細化監測監管，及時識別、發現突發環境風險和海洋生態環境問題。此外，通過自動監測技術，可節省大量人力資源，特別是在部分危險性較高的突發環境事件中，可充分保障監測人員安全。

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

目前，我國沿海?。▍^、市），生態環境監測機構已建設海水水質自動監測浮標78套，主要布放在河口、重點海灣、保護區、旅游區和養殖區等環境敏感區，監測參數涵蓋了常規水質參數、營養鹽或石油類參數以及水文氣象參數等。海水水質自動監測浮標在我國近岸海域環境監管中發揮了重要作用，主要應用于水質變化趨勢分析，實現對灣區水質情況及變化的動態化、精細化監測監管；及時識別、發現突發環境風險和生態環境問題；對赤潮等海洋災害輔助預測以及海洋生態環境突發事件應急響應。

（二）海洋生物多樣性監測eDNA技術

eDNA是指存在于環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，通過與已知數據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量分布，這是對傳統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：一是在群落和生態系統層面，通過分析水中的eDNA，可以高效監測到水環境中存在的物種，有助于了解生物季節性分布、食物鏈和食物網關系、生態功能及對環境變化的響應等；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測與評價監測；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，在傳統的監測方法中納入eDNA技術，可以提升海洋生物多樣性監測的精度與效率。在自動采樣系統與檢測技術不斷創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監測中發揮著關鍵作用。

eDNA技術的興起代表了科學技術發展和海洋生態監測的協同創新，可以實現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監測標準，改進eDNA技術靈敏度、分辨率和高通量性，規范采樣、保存、提取、測序、分析、質控等全鏈條技術，對于實現海洋eDNA自動化監測具有重要意義。

（三）無人機遙感監測技術

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。航空衛星在海洋生態環境監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多維遙感數據，是“空—天—海”立體監測的重要一環，已成為海洋生態環境監測現代化進程中的重要創新手段。

在海洋生態環境監測中，與衛星遙感類似，無人機應用于海洋生態、海洋污染監測、海洋氣候變化等多個方面。無人機與衛星手段監測對象相同，并擴展至海洋生物（鯨類、海龜和海鳥）、紅樹林、海草床等；監測指標比衛星遙感更為精準和精細，如生態系統群落種類分布格局、碳匯和碳通量參數、溫排水溫升范圍、海面溢油實時動態等。其中，針對海洋垃圾污染監測，無人機遙感技術實現了“0”的突破，大大擴展了人工監測覆蓋范圍，與其互補形成天地一體的監測模式，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環境部重點工作中，建立了較為成熟的監測技術流程，走在了國際前列。

未來，隨著無人機設備的持續迭代和技術集成，以及人工智能與大數據技術的不斷融合，無人機將為海洋生態環境現代化監測帶來更多突破性進展，尤其在海洋垃圾監測、海洋生物群落和碳監測、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、智能化方向發展。 

三、展望

隨著科技的不斷發展，海洋生態監測技術也在不斷進步和完善。海洋生態監測技術將朝著自動化和智能化、高精度和實時性、綜合化和系統化、生態化和環保化、空間化和遠程化的方向發展。通過自動化設備、傳感器、人工智能、衛星遙感、通信技術和數據處理等技術，實現海洋環境的自動監測、數據的實時傳輸以及監測數據的自動分析和處理；將多種監測手段和技術相結合，實現全方位、多層次的監測，獲取更全面的海洋環境信息，提高監測效率，減少人力成本，同時避免人為因素對監測結果的影響。

未來海洋監測技術的發展方向和趨勢是多方面的，技術的發展將有助于我們更好地了解海洋環境的變化情況，及時采取應對措施，保護海洋生態系統的健康和可持續發展。

 

作者：

孫藝、趙冬梅、周超，國家海洋環境監測中心

莊彤暉，浙江省海洋生態環境監測中心

本文來源于《世界環境》2024.05期綠色科技欄目