绿色科技 | 智能监测技术在海洋生态监测中的应用与实践

一、前言

海洋生态环境监测是客观评价环境质量状况、反映污染治理成效、实施环境管理与决策的基本依据。近年来，随着监测技术手段的创新发展，我国海洋生态环境监测技术体系不断发展，改变了长期以手工操作为主的监测手段，实现海洋监测自动化的历史性跨越。海水水质自动监测技术、基于环境DNA（以下简称eDNA）技术的海洋生物多样性监测、无人机遥感监测技术等，被广泛应用于海洋生态环境监测工作，对于助推现代化生态环境监测体系建设发挥了重要作用。 

二、海洋生态环境监测新技术的发展与应用

（一）海水水质自动监测技术

海水水质自动监测是通过传感器技术、自动测量技术、实时传输技术，实现对海洋生态环境要素的长时间、高频率、自动化监测，精准分析研判海洋生态环境要素的动态变化过程。自动监测技术在海洋生态环境监测中的应用，可对近岸海域水质情况在空间和时间上进行全面掌握，构建高度信息化的海洋自动监测体系，以实现对近岸海域海水水质情况及变化的动态化、精细化监测监管，及时识别、发现突发环境风险和海洋生态环境问题。此外，通过自动监测技术，可节省大量人力资源，特别是在部分危险性较高的突发环境事件中，可充分保障监测人员安全。

自动监测可以依托浮标、海上平台等开展定点连续监测，或者依托监测船舶、水下潜标、无人船等开展走航监测。目前可以实现海洋环境自动监测的参数包括盐度、pH值、溶解氧、浊度、叶绿素、营养盐、石油类等近20项，大多数参数监测频率可以达到每4小时1次以上，部分参数可以实现实时连续监测。在海洋突发事故应急监测中，结合无人船等技术手段，自动监测可以实现空间和时间上的高分辨率、实时动态跟踪监测。

目前，我国沿海省（区、市），生态环境监测机构已建设海水水质自动监测浮标78套，主要布放在河口、重点海湾、保护区、旅游区和养殖区等环境敏感区，监测参数涵盖了常规水质参数、营养盐或石油类参数以及水文气象参数等。海水水质自动监测浮标在我国近岸海域环境监管中发挥了重要作用，主要应用于水质变化趋势分析，实现对湾区水质情况及变化的动态化、精细化监测监管；及时识别、发现突发环境风险和生态环境问题；对赤潮等海洋灾害辅助预测以及海洋生态环境突发事件应急响应。

（二）海洋生物多样性监测eDNA技术

eDNA是指存在于环境样本中的遗传物质，海洋生物的eDNA来源包括生物排泄物、脱落的细胞、死亡的细胞、主动释放到环境中的胞外DNA等。eDNA技术可以在直接提取DNA片段后进行高通量测序，通过与已知数据库比对来识别与样本中的DNA片段相匹配的物种，以确定生物种类及其数量分布，这是对传统生物分析手段的革新性补充。

 

eDNA技术在海洋生物多样性保护领域的应用包括以下三个方面：一是在群落和生态系统层面，通过分析水中的eDNA，可以高效监测到水环境中存在的物种，有助于了解生物季节性分布、食物链和食物网关系、生态功能及对环境变化的响应等；二是在目标物种层面，采用eDNA靶向物种定量PCR检测方法，对濒危、稀有物种和入侵物种进行定量监测与评价监测；三是在种群和个体层面，通过分子技术方法检测种内遗传变异的潜力，从而进行群体遗传和环境样本丰度评估，可用于遗传多样性研究。

为了更有效地了解海洋生物多样性的分布和变化趋势，在传统的监测方法中纳入eDNA技术，可以提升海洋生物多样性监测的精度与效率。在自动采样系统与检测技术不断创新和测序成本逐步下降的条件下，eDNA技术已在我国海洋生态监测中发挥着关键作用。

eDNA技术的兴起代表了科学技术发展和海洋生态监测的协同创新，可以实现对海洋生物多样性更全面的评估。建立一套适用于我国海域的eDNA监测标准，改进eDNA技术灵敏度、分辨率和高通量性，规范采样、保存、提取、测序、分析、质控等全链条技术，对于实现海洋eDNA自动化监测具有重要意义。

（三）无人机遥感监测技术

遥感技术是利用传感器远距离探测地物的电磁波，获取海洋表面、海岸带以及海洋大气的物理、化学和生物特征信息的一种手段，按传感器搭载平台可分为航空、航天和近地面3类。航空卫星在海洋生态环境监测中的作用不言而喻，而无人机航天遥感技术具有机动灵活、高分精细、低成本的独特优势，针对人迹罕至的海岸带、海岛、河口、滨海湿地、红树林、海草床等近岸海域，可以可控成本定制获取实时连续多维遥感数据，是“空—天—海”立体监测的重要一环，已成为海洋生态环境监测现代化进程中的重要创新手段。

在海洋生态环境监测中，与卫星遥感类似，无人机应用于海洋生态、海洋污染监测、海洋气候变化等多个方面。无人机与卫星手段监测对象相同，并扩展至海洋生物（鲸类、海龟和海鸟）、红树林、海草床等；监测指标比卫星遥感更为精准和精细，如生态系统群落种类分布格局、碳汇和碳通量参数、温排水温升范围、海面溢油实时动态等。其中，针对海洋垃圾污染监测，无人机遥感技术实现了“0”的突破，大大扩展了人工监测覆盖范围，与其互补形成天地一体的监测模式，在支撑第三次海洋污染基线调查、美丽海湾建设、沿海城市海洋垃圾清理行动等生态环境部重点工作中，建立了较为成熟的监测技术流程，走在了国际前列。

未来，随着无人机设备的持续迭代和技术集成，以及人工智能与大数据技术的不断融合，无人机将为海洋生态环境现代化监测带来更多突破性进展，尤其在海洋垃圾监测、海洋生物群落和碳监测、核电温排水等方面应用潜力巨大，并应推动其向集群化、自动化、智能化方向发展。 

三、展望

随着科技的不断发展，海洋生态监测技术也在不断进步和完善。海洋生态监测技术将朝着自动化和智能化、高精度和实时性、综合化和系统化、生态化和环保化、空间化和远程化的方向发展。通过自动化设备、传感器、人工智能、卫星遥感、通信技术和数据处理等技术，实现海洋环境的自动监测、数据的实时传输以及监测数据的自动分析和处理；将多种监测手段和技术相结合，实现全方位、多层次的监测，获取更全面的海洋环境信息，提高监测效率，减少人力成本，同时避免人为因素对监测结果的影响。

未来海洋监测技术的发展方向和趋势是多方面的，技术的发展将有助于我们更好地了解海洋环境的变化情况，及时采取应对措施，保护海洋生态系统的健康和可持续发展。

 

作者：

孙艺、赵冬梅、周超，国家海洋环境监测中心

庄彤晖，浙江省海洋生态环境监测中心

本文来源于《世界环境》2024.05期绿色科技栏目