原位監(jiān)測技術(shù)在西沙群島珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)中的應(yīng)用＊

李元超，于洋，王道儒，黃強(qiáng)

（1．海南省海洋與漁業(yè)科學(xué)院 ?？?570125；2．山東恒誠檢測科技有限公司 萊州 261437）

最近幾十年來，為評價(jià)珊瑚礁的健康狀況，世界珊瑚礁國家紛紛實(shí)施珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測計(jì)劃，如美國從2000 年開始實(shí)施國家珊瑚礁生態(tài)監(jiān)測項(xiàng)目（National Coral Reef Ecosystem Monitoring Program）［1］、珊 瑚 礁 健 康 與 監(jiān) 測 計(jì) 劃（Coral health and Monitoring Program）［2］、珊瑚礁監(jiān)視計(jì)劃（Coral Reef Watch）［3］等，對10個(gè)珊瑚礁區(qū)域開展長期監(jiān)測，以評價(jià)珊瑚礁受到人類活動和全球氣候變化影響的狀況。監(jiān)測方式包括建立海上觀測站、近岸區(qū)域斷面站和遙感技術(shù)，為美國實(shí)施珊瑚生態(tài)管理、保護(hù)區(qū)建設(shè)、珊瑚礁生態(tài)研究提供科學(xué)依據(jù)［4－5］。

澳大利亞在珊瑚礁生態(tài)監(jiān)測方面的研究起步也較早，制訂了珊瑚礁救援監(jiān)測計(jì)劃（Reef Rescue Marine Monitoring Program）［6］、珊瑚礁水質(zhì)保 護(hù) 計(jì) 劃（Reef Water Quality Protection Plan）［7］、珊 瑚 礁 樣 地 計(jì) 劃（Paddock to Reef）［8］等，各種監(jiān)測方法也相繼提出并得到發(fā)展。

我國從2004 年起實(shí)施珊瑚礁生態(tài)監(jiān)測計(jì)劃，每年對海南島東部、西沙珊瑚礁生態(tài)進(jìn)行監(jiān)測［9］。

目前，國內(nèi)外珊瑚礁的監(jiān)測方法，主要是參照Reef Check的方法［10］，即專業(yè)潛水員執(zhí)行穿越線法，通過拍攝錄像，記錄調(diào)查范圍內(nèi)的珊瑚生長情況、健康狀況、白化的比例、大型底棲生物以及藻類等信息。這些監(jiān)測技術(shù)可以對監(jiān)測區(qū)域的珊瑚礁做詳細(xì)的調(diào)查，因此被國內(nèi)外監(jiān)測珊瑚礁的組織機(jī)構(gòu)采用了多年。但由于不能連續(xù)監(jiān)測，無法監(jiān)測到如風(fēng)暴、低溫和生物暴發(fā)等突發(fā)事件對珊瑚礁生態(tài)的影響。再由于不能定點(diǎn)對某一個(gè)珊瑚礁群落進(jìn)行監(jiān)測，數(shù)據(jù)分析存在較大局限性。隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，可以把多種水質(zhì)傳感器和高分辨率水下攝像機(jī)整合于一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)，同時(shí)完成實(shí)時(shí)在線遠(yuǎn)距離傳輸，從而構(gòu)建珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的原位監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)構(gòu)件及原理

原位監(jiān)測系統(tǒng)主要由4部分組成：數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)傳輸部分、基站和遠(yuǎn)程終端。

主要原理是：水質(zhì)傳感器及攝像機(jī)獲得的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)采集裝置進(jìn)行采集、放大和加密后，由無線微波發(fā)射裝置發(fā)射到基站，再由基站的無線微波接收裝置接收、解碼、放大，最后通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程終端。

2 實(shí)驗(yàn)海域

實(shí)驗(yàn)海域位于西沙群島趙述島海域（圖1）。采用水中支架的方式安裝，安裝水深6m，水下部分主要是各種水質(zhì)傳感器及水下攝像機(jī)，水上部分主要是發(fā)電機(jī)、數(shù)據(jù)采集器及發(fā)射裝置。

圖1 實(shí)驗(yàn)海區(qū)站位

3 結(jié)果及討論

3．1 水質(zhì)傳感器監(jiān)測結(jié)果

（1）pH 值。根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的連續(xù)監(jiān)測結(jié)果，趙述島潟湖內(nèi)示范區(qū)的pH 值大約為8．13～8．09，數(shù)值早晚存在波動，振幅在0．04左右。

根據(jù)西沙珊瑚礁生態(tài)監(jiān)控區(qū)數(shù)據(jù)，該海區(qū)的pH 值在8．2～8．3，實(shí)測pH 值略低。

（2）鹽度。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示趙述島潟湖內(nèi)的鹽度在33．0～33．5，數(shù)值早晚波動，振幅在0．2～0．3左右。

根據(jù)西沙珊瑚礁生態(tài)監(jiān)控區(qū)數(shù)據(jù)，該海區(qū)的鹽度為33．68左右，基本與實(shí)測值保持一致。

（3）葉綠素。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示趙述島潟湖內(nèi)的葉綠素濃度在0．01～0．05μg／L，數(shù)值早晚有波動，最大值出現(xiàn)在中午過后，最小值出現(xiàn)在早晚。

根據(jù)西沙珊瑚礁生態(tài)監(jiān)控區(qū)數(shù)據(jù)，該海區(qū)的葉綠色濃度為0．02～0．03μg／L，與實(shí)測值基本保持一致。葉綠素結(jié)果顯示，該海區(qū)的初級生產(chǎn)力是相對較低的。

（4）溶解氧飽和度。數(shù)據(jù)顯示趙述島潟湖內(nèi)的溶解氧飽和度在50%～60%之間，數(shù)值早晚有波動。

根據(jù)西沙珊瑚礁生態(tài)監(jiān)控區(qū)數(shù)據(jù)，該海區(qū)的溶解氧濃度在6．5～6．6mg／L，溶解氧飽和度基本在80%以上，實(shí)測潟湖內(nèi)溶解氧飽和度偏低。

（5）濁度。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示趙述島潟湖內(nèi)的濁度一般在1．14NTU 左右，水質(zhì)透明度較高。

（6）水環(huán)境評價(jià)。根據(jù)原位監(jiān)測系統(tǒng)的水質(zhì)觀測值對珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)水環(huán)境健康指數(shù)進(jìn)行評價(jià)（評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為《中華人民共和國海洋行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HY／T 087－2005：近岸海洋生態(tài)健康評價(jià)指南》）。根據(jù)實(shí)測值，pH 值在8．08～8．14，為一級水平；濁度小于2NTU，懸浮物濃度小于2 mg／L，為一級水平；活性磷酸鹽和無機(jī)氮根據(jù)本底資料，也處于一級水平；溶解氧飽和度為50%～60%，處于二級水平；葉綠素含量為0．01～0．03 μg／L，也處于一級水平。所以水環(huán)境健康指數(shù)（Water health index，記作Iw）為14．17。

當(dāng)5≤Iw＜8時(shí)，水環(huán)境為不健康；當(dāng)8≤Iw＜11時(shí)，水環(huán)境為亞健康；當(dāng)11≤Iw≤15時(shí)，水環(huán)境為健康。所以實(shí)驗(yàn)海區(qū)的水環(huán)境狀況是健康的。

3．2 水下攝像機(jī)監(jiān)測結(jié)果

水下錄像內(nèi)可以判讀的信息非常多，如珊瑚覆蓋率、珊瑚生長率、珊瑚種類、珊瑚數(shù)量、珊瑚病害、魚類密度、魚類種類、大型藻類覆蓋率，大型底棲生物種類及密度等，甚至是顯示漲潮、退潮及風(fēng)暴潮等不同海況下，各類海洋生物的活動情況（覓食、領(lǐng)地等）。本研究僅以一個(gè)攝像機(jī)的2011年11月和2012年4月的數(shù)據(jù)為例，分析實(shí)驗(yàn)海區(qū)的珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)變化情況。

2011年11 月實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)珊瑚覆蓋率為36%，2012 年4 月實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)珊瑚覆蓋率為55%。經(jīng)過6 個(gè)月的時(shí)間，珊瑚覆蓋率提高了19%。

以前實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)珊瑚個(gè)數(shù)為9個(gè)，現(xiàn)在珊瑚個(gè)數(shù)為11個(gè)。經(jīng)過6個(gè)月的時(shí)間，珊瑚個(gè)數(shù)增加了2個(gè)。以前魚類密度為10 條／min，現(xiàn)在魚類密度為11 條／min。大型底棲動物和大型藻類未變。

同時(shí)對比了佳麗鹿角珊瑚的生長速度，佳麗鹿角珊瑚在6 個(gè)月的時(shí)間內(nèi)枝杈伸長了5～6cm，基本可以達(dá)到每月生長1cm 的速度。

通過這6個(gè)月的視頻資料，可以初步判斷該實(shí)驗(yàn)區(qū)域的珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)正在恢復(fù)，珊瑚覆蓋率提高，數(shù)量增多，魚類密度也有所提高。鹿角珊瑚生長速度較快，可以在短時(shí)間內(nèi)重建珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的三維結(jié)構(gòu)，為其他礁棲生物提供更多的生境。

4 結(jié)論

通過對原件監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的初步分析，可以了解趙述島實(shí)驗(yàn)海區(qū)的珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)在一段時(shí)間內(nèi)的變化情況，如水質(zhì)的波動情況、珊瑚的生長情況、魚類的變化情況等，而不像以前每年只監(jiān)測一次，數(shù)據(jù)單一，不能真實(shí)反映珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的實(shí)際情況。

通過趙述島實(shí)驗(yàn)海區(qū)的實(shí)驗(yàn)，筆者認(rèn)為該原位監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)是比較可信的，數(shù)據(jù)獲得和傳輸也比較穩(wěn)定，所以該原位監(jiān)測系統(tǒng)能夠滿足對西沙群島珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測的需要。

可以構(gòu)建原位監(jiān)測系統(tǒng)，建立西沙群島珊瑚礁立體監(jiān)測，監(jiān)控站點(diǎn)可以覆蓋整個(gè)西沙群島的島礁，而不局限于永興島附近海域，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)可以服務(wù)于珊瑚礁生態(tài)恢復(fù)、保育和資源利用。

但該原位監(jiān)測系統(tǒng)也有一些不足，如在高溫高鹽的西沙群島海域如何防腐蝕，如何保證信號傳輸?shù)倪M(jìn)一步穩(wěn)定，如何對系統(tǒng)進(jìn)行快速維修等問題，都需要在今后的應(yīng)用推廣中進(jìn)行改進(jìn)。

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