原位监测技术在西沙群岛珊瑚礁生态系统中的应用＊

李元超，于洋，王道儒，黄强

（1．海南省海洋与渔业科学院 海口 570125；2．山东恒诚检测科技有限公司 莱州 261437）

最近几十年来，为评价珊瑚礁的健康状况，世界珊瑚礁国家纷纷实施珊瑚礁生态系统监测计划，如美国从2000 年开始实施国家珊瑚礁生态监测项目（National Coral Reef Ecosystem Monitoring Program）［1］、珊 瑚 礁 健 康 与 监 测 计 划（Coral health and Monitoring Program）［2］、珊瑚礁监视计划（Coral Reef Watch）［3］等，对10个珊瑚礁区域开展长期监测，以评价珊瑚礁受到人类活动和全球气候变化影响的状况。监测方式包括建立海上观测站、近岸区域断面站和遥感技术，为美国实施珊瑚生态管理、保护区建设、珊瑚礁生态研究提供科学依据［4－5］。

澳大利亚在珊瑚礁生态监测方面的研究起步也较早，制订了珊瑚礁救援监测计划（Reef Rescue Marine Monitoring Program）［6］、珊瑚礁水质保 护 计 划（Reef Water Quality Protection Plan）［7］、珊 瑚 礁 样 地 计 划（Paddock to Reef）［8］等，各种监测方法也相继提出并得到发展。

我国从2004 年起实施珊瑚礁生态监测计划，每年对海南岛东部、西沙珊瑚礁生态进行监测［9］。

目前，国内外珊瑚礁的监测方法，主要是参照Reef Check的方法［10］，即专业潜水员执行穿越线法，通过拍摄录像，记录调查范围内的珊瑚生长情况、健康状况、白化的比例、大型底栖生物以及藻类等信息。这些监测技术可以对监测区域的珊瑚礁做详细的调查，因此被国内外监测珊瑚礁的组织机构采用了多年。但由于不能连续监测，无法监测到如风暴、低温和生物暴发等突发事件对珊瑚礁生态的影响。再由于不能定点对某一个珊瑚礁群落进行监测，数据分析存在较大局限性。随着自动化技术的发展，可以把多种水质传感器和高分辨率水下摄像机整合于一个系统内，同时完成实时在线远距离传输，从而构建珊瑚礁生态系统的原位监测系统。

1 系统构件及原理

原位监测系统主要由4部分组成：数据采集部分、数据传输部分、基站和远程终端。

主要原理是：水质传感器及摄像机获得的数据，通过数据采集装置进行采集、放大和加密后，由无线微波发射装置发射到基站，再由基站的无线微波接收装置接收、解码、放大，最后通过网络传输到远程终端。

2 实验海域

实验海域位于西沙群岛赵述岛海域（图1）。采用水中支架的方式安装，安装水深6m，水下部分主要是各种水质传感器及水下摄像机，水上部分主要是发电机、数据采集器及发射装置。

图1 实验海区站位

3 结果及讨论

3．1 水质传感器监测结果

（1）pH 值。根据水质监测系统的连续监测结果，赵述岛潟湖内示范区的pH 值大约为8．13～8．09，数值早晚存在波动，振幅在0．04左右。

根据西沙珊瑚礁生态监控区数据，该海区的pH 值在8．2～8．3，实测pH 值略低。

（2）盐度。监测数据显示赵述岛潟湖内的盐度在33．0～33．5，数值早晚波动，振幅在0．2～0．3左右。

根据西沙珊瑚礁生态监控区数据，该海区的盐度为33．68左右，基本与实测值保持一致。

（3）叶绿素。监测数据显示赵述岛潟湖内的叶绿素浓度在0．01～0．05μg／L，数值早晚有波动，最大值出现在中午过后，最小值出现在早晚。

根据西沙珊瑚礁生态监控区数据，该海区的叶绿色浓度为0．02～0．03μg／L，与实测值基本保持一致。叶绿素结果显示，该海区的初级生产力是相对较低的。

（4）溶解氧饱和度。数据显示赵述岛潟湖内的溶解氧饱和度在50%～60%之间，数值早晚有波动。

根据西沙珊瑚礁生态监控区数据，该海区的溶解氧浓度在6．5～6．6mg／L，溶解氧饱和度基本在80%以上，实测潟湖内溶解氧饱和度偏低。

（5）浊度。监测数据显示赵述岛潟湖内的浊度一般在1．14NTU 左右，水质透明度较高。

（6）水环境评价。根据原位监测系统的水质观测值对珊瑚礁生态系统水环境健康指数进行评价（评价标准为《中华人民共和国海洋行业标准HY／T 087－2005：近岸海洋生态健康评价指南》）。根据实测值，pH 值在8．08～8．14，为一级水平；浊度小于2NTU，悬浮物浓度小于2 mg／L，为一级水平；活性磷酸盐和无机氮根据本底资料，也处于一级水平；溶解氧饱和度为50%～60%，处于二级水平；叶绿素含量为0．01～0．03 μg／L，也处于一级水平。所以水环境健康指数（Water health index，记作Iw）为14．17。

当5≤Iw＜8时，水环境为不健康；当8≤Iw＜11时，水环境为亚健康；当11≤Iw≤15时，水环境为健康。所以实验海区的水环境状况是健康的。

3．2 水下摄像机监测结果

水下录像内可以判读的信息非常多，如珊瑚覆盖率、珊瑚生长率、珊瑚种类、珊瑚数量、珊瑚病害、鱼类密度、鱼类种类、大型藻类覆盖率，大型底栖生物种类及密度等，甚至是显示涨潮、退潮及风暴潮等不同海况下，各类海洋生物的活动情况（觅食、领地等）。本研究仅以一个摄像机的2011年11月和2012年4月的数据为例，分析实验海区的珊瑚礁生态系统变化情况。

2011年11 月实验区域内珊瑚覆盖率为36%，2012 年4 月实验区域内珊瑚覆盖率为55%。经过6 个月的时间，珊瑚覆盖率提高了19%。

以前实验区域内珊瑚个数为9个，现在珊瑚个数为11个。经过6个月的时间，珊瑚个数增加了2个。以前鱼类密度为10 条／min，现在鱼类密度为11 条／min。大型底栖动物和大型藻类未变。

同时对比了佳丽鹿角珊瑚的生长速度，佳丽鹿角珊瑚在6 个月的时间内枝杈伸长了5～6cm，基本可以达到每月生长1cm 的速度。

通过这6个月的视频资料，可以初步判断该实验区域的珊瑚礁生态系统正在恢复，珊瑚覆盖率提高，数量增多，鱼类密度也有所提高。鹿角珊瑚生长速度较快，可以在短时间内重建珊瑚礁生态系统的三维结构，为其他礁栖生物提供更多的生境。

4 结论

通过对原件监测系统数据的初步分析，可以了解赵述岛实验海区的珊瑚礁生态系统在一段时间内的变化情况，如水质的波动情况、珊瑚的生长情况、鱼类的变化情况等，而不像以前每年只监测一次，数据单一，不能真实反映珊瑚礁生态系统的实际情况。

通过赵述岛实验海区的实验，笔者认为该原位监测系统的监测数据是比较可信的，数据获得和传输也比较稳定，所以该原位监测系统能够满足对西沙群岛珊瑚礁生态系统监测的需要。

可以构建原位监测系统，建立西沙群岛珊瑚礁立体监测，监控站点可以覆盖整个西沙群岛的岛礁，而不局限于永兴岛附近海域，监控数据可以服务于珊瑚礁生态恢复、保育和资源利用。

但该原位监测系统也有一些不足，如在高温高盐的西沙群岛海域如何防腐蚀，如何保证信号传输的进一步稳定，如何对系统进行快速维修等问题，都需要在今后的应用推广中进行改进。

［1］WADDELL J，MONACO M，CLARKE A．National coral reef ecosystem monitoring program－coral reef ecosystem monitoring grants［EB／OL］．（2012－10－18）［2013－07－03］．http：／／ccma．nos．noaa．gov／ecosystems／coralreef／coral＿grant．aspx．

［2］HENDEE J，CARLTON R，ENOCHS I．Coral health and monitoring program ［EB／OL］．（2013－05－16）［2013－07－03］．http：／／www．coral．noaa．gov／．

［3］LIU G，SCOTT F，HERON C，et al．Coral reef watch［EB／OL］．（2002－01－01）［2013－07－03］．http：／／coralreefwatch．noaa．gov／satellite／index．php．

［4］LESSIONS H．Diadema antillarum populations in Panama twenty years following mass mortality［J］．Coral Reefs，2005，24（1）：125－127．

［5］MIllER R J，ADAMS A J，OGDEN N B．Diadema antillarum 17years after mass mortality：is recovery beginning on St．Croix［J］．Coral Reefs，2003，22（2）：181－187．

［6］REICHELT R．Reef rescue marine monitoring program［EB／OL］．（2003－10－01）［2013－07－03］．http：／／www．gbrmpa．gov．au／about－the－reef／how－the－reefs－managed／reef－rescue－marine－monitoring－program．

［7］CRAIK W．Reef water quality protection plan（Reef Plan）［EB／OL］．（2013－09－25）［2013－11－04］．http：／／www．reefplan．qld．gov．au／index．aspx．

［8］CRAIK W．Paddock to reef program［EB／OL］．（2013－09－23）［2013－11－04］．http：／／www．reefplan．qld．gov．au／index．aspx．

［9］吴钟解，王道儒，涂志刚，等．西沙生态监控区造礁石珊瑚退化原因分析［J］．海洋学报，2011，33（4）：140－145．

［10］GREGOR H．Reef Check：the first step in community－based management［J］．Bulletin of Marine Science，2001，69（2）：861－868．