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,我國沿海省(區、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