陳寧特，韓沉花，鄭旻輝，周建平

（1.自然資源部第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；2.自然資源部海洋觀測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300112）

全球海洋熱液區(qū)集中分布在大洋中脊、弧后盆地等板塊運(yùn)動(dòng)活躍的深海區(qū)域。根據(jù)洋中脊全球數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計(jì)，目前已在全球發(fā)現(xiàn)700余個(gè)熱液區(qū)，多分布在水深2 000～4 000 m[1-2]。1979年，“Alvin”號載人深潛器在東太平洋海隆現(xiàn)場探測深海熱液噴口及生物群落，發(fā)現(xiàn)深海熱液噴口附近分布著大量貽貝、蝦、蟹和管狀蠕蟲等底棲生物[3]，以及硫氧化菌、氫氧化菌和金屬氧化菌等化學(xué)自養(yǎng)微生物群落[4]。通過對熱液微生物和底棲生物的共生機(jī)制和能量來源研究[5]，認(rèn)為熱液流體中的還原性物質(zhì)是熱液生態(tài)系統(tǒng)的能量來源，能夠催生出獨(dú)特的熱液生態(tài)系統(tǒng)，其物種豐度和密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于同一海域中的海底非熱液區(qū)。熱液底棲生物群落中的主要生物為甲殼類、雙體軟殼類、軟體腹足類和多毛類等，盲蝦、深海蟹和貽貝等是熱液區(qū)的典型優(yōu)勢物種[6-11]。熱液區(qū)生態(tài)環(huán)境具有高溫、低氧和富含重金屬等特點(diǎn)，高溫?zé)嵋嚎蛇_(dá)200～350℃[12]，微生物及底棲生物為適應(yīng)這種極端環(huán)境，往往進(jìn)化出適應(yīng)極端環(huán)境的獨(dú)特的生存機(jī)制，具有巨大的生物基因資源研究價(jià)值。探測深海熱液區(qū)的底棲生態(tài)環(huán)境及生物活動(dòng)特點(diǎn)，可以幫助探索熱液底棲生態(tài)系統(tǒng)的形成機(jī)制、演化規(guī)律等科學(xué)問題。

同時(shí)，深海熱液區(qū)存在豐富的多金屬硫化物資源，隨著新能源技術(shù)對金屬礦產(chǎn)資源的需求增加，以及深海采礦技術(shù)的逐漸成熟，深海礦藏資源的勘探和開發(fā)被加拿大、澳大利亞和日本等國加快推進(jìn)。然而深海采礦過程不可避免地會對深海底棲生態(tài)環(huán)境造成影響，如何進(jìn)行綠色可持續(xù)地開采成為深海采礦的核心問題[13]。普遍觀點(diǎn)認(rèn)為，深海采礦活動(dòng)不可避免地會危害深海底棲生態(tài)系統(tǒng)，且原有生態(tài)系統(tǒng)的平衡被破壞后，需要長時(shí)間恢復(fù)或難以恢復(fù)[14]。因此，發(fā)展深海熱液底棲生態(tài)環(huán)境探測技術(shù)，能夠幫助我們定性和定量地了解深海采礦對底棲生態(tài)的影響，從而更好地指導(dǎo)綠色可持續(xù)性礦產(chǎn)資源采礦活動(dòng)。

1 海底生物取樣和光學(xué)影像調(diào)查方法

1.1 船基海底生物取樣調(diào)查

深海底棲生態(tài)系統(tǒng)的探測、監(jiān)測與評估多采用“現(xiàn)場取樣—實(shí)驗(yàn)室分析”的傳統(tǒng)方式。海底取樣是底棲生物多樣性調(diào)查的常規(guī)調(diào)查方法，是獲取海底生物資源的主要方式。目前已有多種類型的海底生物取樣裝備（表1）。其中，桁拖網(wǎng)適用于大型淺海底棲生物，通常以相對較低的速度和較短的時(shí)間間隔對海底表層動(dòng)物進(jìn)行采樣，能夠捕獲附著在貝殼、石頭或沙之中的淺海底棲生物，用于后期分析底棲生物物種豐度[15]。電視抓斗是一種配有攝像頭的液壓鏟斗，通常用來觀察海底，以及采集沉積物和底棲生物樣品等。保壓取樣器在獲取深海生物活體樣本方面更具有優(yōu)勢。王鈺巖等[16]設(shè)計(jì)一種帶有網(wǎng)底管保壓系統(tǒng)的取樣器，由轉(zhuǎn)角油缸控制球閥開閉，從而控制保壓筒內(nèi)壓力，可通過科考船拖曳的方式采集深海生物幼體活體樣品。李瑋等[17]應(yīng)用三活塞柱塞泵和多級膜過濾的方案改進(jìn)并設(shè)計(jì)了多級過濾保壓取樣器，可保真保壓采集深海微生物樣品。然而，海底生物取樣調(diào)查分析通常采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法獲得調(diào)查海域內(nèi)底棲生物的豐度和生物量，其結(jié)果往往依賴于選取的測線、取樣站位的取樣量及取樣頻率，且拖網(wǎng)作業(yè)會引起海底沉積物擾動(dòng)、底棲生物被清除等問題，導(dǎo)致獲得的樣品失真、統(tǒng)計(jì)結(jié)果有誤[18-19]。另一方面，如果取樣量大或取樣頻次高，取樣調(diào)查則不可避免地會對調(diào)查區(qū)原有底棲生態(tài)環(huán)境造成破壞。

表1 海底生物取樣裝備

海底取樣后實(shí)驗(yàn)室分析的方法雖然是底棲生態(tài)環(huán)境探測的常規(guī)方法，但仍存在某些缺陷，譬如：海底熱液流體的溶解性氣體由于溫、壓等環(huán)境參數(shù)變化，導(dǎo)致探測值偏離與實(shí)際值。即使采用保壓取樣，也會由于溫度和壓力改變引起深海生物的生理活動(dòng)改變及微生物反應(yīng)等因素，導(dǎo)致熱液流體各組分的真實(shí)濃度無法測出。

1.2 水下潛器海底生物取樣調(diào)查

水下潛器是進(jìn)入深海不可或缺的重要運(yùn)載作業(yè)裝備，它可以下潛到海底直接觀察底棲生物群落，也可用于底棲生物取樣。水下潛器主要有載人潛器（Human Occupied Vehicle，HOV）、無人遙控潛器（Remotely Operated Vehicle，ROV）和無人自治潛器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）。載人潛水器可實(shí)現(xiàn)海底親臨現(xiàn)場觀察、分析和評估，并利用機(jī)械手實(shí)現(xiàn)高效作業(yè)。無人纜控深潛器由甲板控制人員通過遙控機(jī)械手和視像觀察，信息傳輸實(shí)時(shí)、可以長時(shí)間在水下定點(diǎn)作業(yè)。無人無纜自治深潛器不依賴母船提供動(dòng)力，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、活動(dòng)范圍大，根據(jù)預(yù)編程可實(shí)施長距離、大范圍的搜索和探測任務(wù)，不受海面風(fēng)浪的影響，特別適用于區(qū)域性詳細(xì)調(diào)查。潛水器取樣調(diào)查的優(yōu)勢在于：一方面利用機(jī)械臂精準(zhǔn)取樣，另一方面能夠減少對深海底棲生態(tài)環(huán)境的影響。

在無人潛水器迅猛發(fā)展的今日，為進(jìn)一步深入探測和認(rèn)識深海，載人潛水器研制技術(shù)的發(fā)展和更迭受到世界各國的高度重視。美國“Alvin”號載人潛水器首先開創(chuàng)了人類探測海洋資源的歷史。1977年“Alvin”號在加拉帕戈斯（Galapagos）斷裂帶首次發(fā)現(xiàn)海底熱液和熱液生物群落。法國具有代表性的潛水器是1985年研制的6 000 m級“鸚鵡螺（Nautile）”號，其主要工作是深海礦產(chǎn)探查和海底生態(tài)環(huán)境調(diào)查等。俄羅斯1987年建成的“和平Ⅰ（MIR-Ⅰ）”號和“和平Ⅱ（MIR-Ⅱ）”號兩艘6 000 m級潛水器帶有12套探測深海環(huán)境參數(shù)的先進(jìn)設(shè)備，在太平洋、印度洋、大西洋和北極海底進(jìn)行了海底熱液硫化物礦床、深海生物及浮游生物的調(diào)查和取樣等。日本1989年建成的“SHINKAI6500（深海6500）”潛水器主要用于6 500 m深海地質(zhì)探查，目前日本正在研制用于海洋資源探測和深海生物調(diào)查的“SHINKAI12000（深海12000）”潛水器[20-23]。

2012年，我國研制的“蛟龍”號載人深潛器突破7 000 m潛深，之后相繼在南海冷泉區(qū)[24]、西南印度洋脊熱液區(qū)[25]進(jìn)行科考，可使用機(jī)械臂、取樣網(wǎng)等裝備進(jìn)行生物取樣（圖1）和光學(xué)影像拍攝，在南海海底陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了玻璃海綿、貽貝、蠕蟲和阿爾文蝦等底棲生物。2020年，我國研制的“奮斗者”號載人深潛器在馬里亞納海溝下潛突破10 000 m深度。

表2 典型載人深潛器的技術(shù)指標(biāo)與性能參數(shù)

圖1 載人深潛器海底生物取樣

水下潛器在海洋資源與環(huán)境勘查作業(yè)發(fā)揮了很大作用。我國研制的“發(fā)現(xiàn)”號無人有纜深潛器、“彩虹魚”號載人深潛器、“深海勇士”號載人深潛器、“海龍”系列遙控水下機(jī)器人、“潛龍”系列自主水下機(jī)器人等潛水器相繼投入使用，也已用于大洋資源勘探、海底環(huán)境綜合考察等。

然而，水下潛器平臺由于負(fù)載限制導(dǎo)致所攜帶的采樣設(shè)備數(shù)量和容量有限，采樣成功率和探測效率較低。通常保壓取樣的樣品需經(jīng)過避光前處理和實(shí)驗(yàn)室測試，并且避免與空氣接觸，防止環(huán)境改變所帶來的測量誤差。

1.3 光學(xué)影像調(diào)查

光學(xué)影像調(diào)查的設(shè)備通常會搭載拖曳式海底滑車、電視抓斗、深潛器等拍攝視頻與靜態(tài)照片，用于直接分析底棲生物多樣性及其物種豐度等。譬如：WILMELIE C M等[26]利用海底光學(xué)拖體調(diào)查了馬里蘭州近海岸風(fēng)電場區(qū)域1 000 m水深處的底棲生物物種種類和分布等情況。電視抓斗或光學(xué)拖體在拖曳作業(yè)過程中可能會觸底，引起海底沉積物受到擾動(dòng)，從而導(dǎo)致視像模糊。此外，光學(xué)影像調(diào)查過程會產(chǎn)生大量的視頻和圖像，為提高底棲生物的物種識別和特征探測效率，圖像識別算法應(yīng)運(yùn)而生。李海菊等[27]基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，構(gòu)建了深海生物圖片樣本庫，應(yīng)用R-FCN_ResNet算法完成900余張海底現(xiàn)場照片的底棲物種識別，并驗(yàn)證了算法與人工識別的符合程度。李海超等[28]將立體視覺算法用于深海生物物種外形特征提取，利用水下相機(jī)、分段測量算法、匹配算法等可實(shí)現(xiàn)水下魚類體長、鰭長等體型特征測量，試驗(yàn)結(jié)果具有較高的水下測量精度。

2 深海生態(tài)環(huán)境原位探測傳感器及裝置

2.1 深海生態(tài)環(huán)境原位探測傳感器

隨著生態(tài)環(huán)境原位探測技術(shù)和裝備向深海發(fā)展，電化學(xué)、光學(xué)等深海原位探測傳感器已在海洋科考調(diào)查航次中得到應(yīng)用（表3）。LUTHER G W等[29]采用鍍金甘汞固態(tài)伏安電極在熱液活動(dòng)區(qū)對H2S和FeS進(jìn)行了定量測量。2001年，丁抗等[30-31]采用固態(tài)探頭，用金、銀硫化物電極（Ag2S）首次在安得維爾地區(qū)水深2 200 m，370℃熱液環(huán)境下探測了熱液流體中溶解態(tài)H2和H2S的濃度。2018年，秦華偉等[32-34]研制的原位多參數(shù)電化學(xué)傳感器（圖2（a）），易于被微型化，做成探針式結(jié)構(gòu)，便于集成，可用于高溫高壓環(huán)境下Eh、H2S濃度、pH等參數(shù)的在線探測。該電化學(xué)傳感器可搭載光學(xué)攝像拖體等，多次應(yīng)用于大洋航次西南印度洋洋中脊熱液異常調(diào)查，探測深海熱液噴口附近的Eh、H2S濃度、pH等水體環(huán)境化學(xué)指標(biāo)，并且pH值、SO42-和CO32-等參數(shù)的測量精度分別可達(dá)0.015 81 g/L、0.011 55 g/L和0.020 82 g/L。吳懷超[35]設(shè)計(jì)的熱液pH值原位探測系統(tǒng)原型樣機(jī)，可在2 400 m水深的深海工作6 h，其pH值的測量精度小于0.1。從長期海洋底棲生態(tài)環(huán)境探測的角度來講，需要類型廣泛的電化學(xué)傳感器，如CO2、甲烷、鹵素（Cl-、Br-、I-等）離子、鐵、錳金屬離子和硅酸鹽離子傳感器。當(dāng)然這就對高溫高壓環(huán)境下測試的材料和技術(shù)提出了更高的要求。除此之外，水體化學(xué)參數(shù)的分布規(guī)律還需要有長時(shí)間序列的流體流速分析來配合。

圖2 部分深海生態(tài)環(huán)境原位探測傳感器

表3 部分深海生態(tài)環(huán)境原位探測傳感器及性能參數(shù)

海底原位光學(xué)傳感器可用于探測原位葉綠素、H2S、CH4、硝酸鹽等在水體中的濃度。胡軼[36]通過研究微弱光學(xué)信號測量方法，設(shè)計(jì)了一種原位濁度傳感器，葉綠素探測靈敏度可達(dá)0.008 1μg/L，濁度探測靈敏度可達(dá)0.007 8 FTU。THORNTON B等[37]設(shè)計(jì)了深海原位多元素化學(xué)分析光譜儀（圖2（b）），由“Hyper-Dolphin”號ROV機(jī)械手?jǐn)y帶，測得沖繩海域北部1 006 m深海中Na、K、Ca、Li等元素的濃度。BEATON A D等[38]設(shè)計(jì)了微流控深海原位硝酸鹽和磷酸鹽傳感器，搭載于采水器上在西北大西洋進(jìn)行了4 800 m水深剖面探測，根據(jù)微流道內(nèi)海水對紫光的吸收分析出硝酸鹽和磷酸鹽的含量，對硝酸鹽的平均檢出限為0.03 pM，對磷酸鹽的平均檢出限為0.016 pM。杜冉冉等[39]研制了一種深海激光誘導(dǎo)熒光傳感器，可用于探測海水中的色氨酸等天然芳香族氨基酸的濃度。WHITE S N等[40]研制的深海原位激光拉曼光譜儀DORISS（圖2（c）），多次搭載水下遙控潛器進(jìn)行深海天然氣水合物探測、熱液活動(dòng)探測等，可用于測量水體中CO2、H2S和CH4等溶解氣體濃度。BREIER J A等[41]研制的一種低成本的深海原位激光拉曼光譜儀（圖2（d）），可用于探測熱液噴口處Fe、Mn等化合物。

2.2 深海著底原位探測平臺

深海著底原位探測平臺可以搭載多種類型的傳感器，實(shí)現(xiàn)深海底棲生境長期監(jiān)測、生物樣品誘捕及光學(xué)影像拍攝等工作。多種著陸探測平臺可聯(lián)合組建海底網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)原位長期實(shí)時(shí)連續(xù)的綜合性底棲生態(tài)環(huán)境探測是深海著底探測平臺的發(fā)展趨勢。

2015年，LINLEY T D等[42]應(yīng)用深海著陸器搭載深海相機(jī)（圖3（a）），調(diào)查北極、大西洋東北、地中海等海底的冷水珊瑚區(qū)，評估其對魚類多樣性和密度的影響。2016年，EDUARDO S等[43]研制的混合型著陸器（圖3（b）），是一種可在深海著底的AUV，搭載環(huán)境探測傳感器可用于4 000 m以下的海底生態(tài)系統(tǒng)長期探測。2017年，陳俊等[44]研制了“天涯”號深淵著陸器，在馬里亞納海溝進(jìn)行科考應(yīng)用，采集了微生物和端足類等生物樣本。2018年，F(xiàn)EDERICO S等[45]研制了一種深海沉積物取樣著陸器AMERIGO（圖3（c）），可用于6 000 m以下的海底沉積物取樣，可用于分析生物地球化學(xué)循環(huán)。2019年，李彬等[46]研制了一種自返式深海生態(tài)過程長期定點(diǎn)監(jiān)測著陸器系統(tǒng)，并通過該系統(tǒng)探測到南海冷泉區(qū)溫度、鹽度、深度、溶解氧等生態(tài)環(huán)境信息和冷泉生物群落的活動(dòng)情況。2020年，鄭旻輝等[47-48]研制了一種人工誘導(dǎo)的深海生態(tài)系統(tǒng)長期觀測裝置，該裝置能原位培養(yǎng)深海微生物、現(xiàn)場實(shí)時(shí)探測并記錄數(shù)據(jù)和圖像資料，同時(shí)可以誘捕底棲動(dòng)物。2021年，WHEELER A J等[49]開發(fā)了集成有多普勒聲速剖面儀和沉積物收集器等裝置的小型底棲著陸器（圖3（d）），可搭載ROV用于海底冷水珊瑚棲息地等微區(qū)環(huán)境的高分辨率精準(zhǔn)探測。

圖3 部分深海著陸器

3 海洋生物被動(dòng)聲學(xué)探測技術(shù)

相較于海底取樣調(diào)查方法，基于海洋生物聲信號模式識別的生物群落聲學(xué)探測方法，具有對調(diào)查區(qū)環(huán)境要求低、可長期原位探測等優(yōu)點(diǎn)，并且海洋生物活動(dòng)聲信號的生物群落探測是一種非接觸式無損探測方法，對底棲生態(tài)環(huán)境不會造成影響，是一種更環(huán)保的底棲生態(tài)系統(tǒng)探測方法。

3.1 海洋發(fā)聲物種識別技術(shù)

海洋生物聲學(xué)識別技術(shù)主要利用被動(dòng)采集的海洋生物聲學(xué)的大數(shù)據(jù)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，通過模式識別算法，跟蹤和研究不同海洋生物物種，從而幫助了解海洋生物分布的位置、密度和數(shù)量（表4）。2015年，VIEIRA M等[50]基于隱式馬爾科夫模型的模式識別方法，采集魯斯塔尼亞蟾蜍魚的聲音對其個(gè)體進(jìn)行識別，平均識別準(zhǔn)確率可達(dá)95.5%。2016年，URAZGHILDIIEV I R等[51]針對西北大西洋鱈魚的呼嚕聲設(shè)計(jì)了兩階段假設(shè)驗(yàn)證算法，提取了信號對數(shù)和、時(shí)域特征組合等特征，信噪比大于10 dB情況下，識別準(zhǔn)確率可達(dá)93%。RUBEN G F等[52]提取了露脊鯨科、海豚科、鞘翅目、毛茛科等4類共8種海洋生物聲信號的1/6倍頻處理特征，篩選最具價(jià)值的特征，使用4個(gè)平行前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的組合對進(jìn)行了分類研究，識別準(zhǔn)確率可達(dá)90%。陳德昊等[53]使用小波包分解將黃花魚、大米魚和黃姑魚的發(fā)聲信號分解到128個(gè)頻段，提取頻帶的能量特征，使用線性判別和隨機(jī)子空間判別分類器的識別準(zhǔn)確率均達(dá)到了100%。王宸等[54]采集了廈門灣寬吻海豚、廈門灣中華白海豚、雷州灣中華白海豚等脈沖聲信號，提取其倒頻譜特征，分別使用KNN算法、決策樹、分類回歸樹算法（CRAT）和樸素貝葉斯算法（BS）進(jìn)行分類，識別準(zhǔn)確率分別為99.2%、99.1%和94%。

表4 海洋發(fā)聲物種識別算法及識別率

3.2 被動(dòng)聲學(xué)技術(shù)在蝦蟹類棲息地生境探測中的應(yīng)用

探測生態(tài)環(huán)境的聲信號可得到底棲生物的生境信息，通過探測和分析貽貝、盲蝦、鎧甲蝦和深海蟹等不同海底熱液底棲生物活動(dòng)的聲信號，調(diào)查、研究和分析這些生物的分布情況、特征和生活習(xí)性等，或可間接地反映熱液/冷泉生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)育和演化等生境信息。研究表明，利用水聽器能夠記錄南美洲白對蝦進(jìn)食過程中產(chǎn)生的寬帶脈沖聲信號[55-56]，通過分析這些聲信號能夠推測出南美洲白對蝦的進(jìn)食量。BUTLER J等[57]在佛羅里達(dá)灣使用水聽器記錄蝦棲息地的底棲生境聲信號，基于改進(jìn)的圓柱形擴(kuò)展模型對這些聲信號進(jìn)行處理，可估算蝦的種群密度及其棲息地發(fā)展的健康程度。

4 結(jié)論與展望

深海熱液區(qū)底棲生態(tài)環(huán)境探測需要從水體環(huán)境要素、生物物種類別與分布兩個(gè)方面進(jìn)行探測與調(diào)查。目前，潛器進(jìn)行海底生物取樣和深海光學(xué)影像，可以實(shí)現(xiàn)深海熱液區(qū)生物物種類別與分布的調(diào)查任務(wù)，但存在作業(yè)時(shí)間短、調(diào)查效率低的問題。電化學(xué)、高光譜等深海原位探測傳感器等技術(shù)已經(jīng)可以進(jìn)行pH、H2S濃度等水體環(huán)境調(diào)查，可在此基礎(chǔ)上結(jié)合深海著陸平臺進(jìn)一步發(fā)展長期原位探測裝備。

著眼于深海熱液底棲生態(tài)的科學(xué)需求和未來海底采礦的環(huán)保需求，未來針對深海熱液底棲生態(tài)環(huán)境探測技術(shù)的發(fā)展可圍繞以下幾點(diǎn)。

（1）深海取樣和光學(xué)影像記錄的方法具有不可替代的作用，仍會是深海熱液底棲生態(tài)環(huán)境探測的主要方式。對于大規(guī)模應(yīng)用的海底取樣裝備，需要針對減少海底擾動(dòng)、減輕生態(tài)破壞等做出改進(jìn)。深潛器具有直接觀察深海底棲生態(tài)環(huán)境的能力，目前可做到全海深探測，且活動(dòng)靈活，是深?？瓶疾豢苫蛉钡闹匾b備。

（2）潛器攜帶深海生態(tài)環(huán)境原位探測傳感器進(jìn)行深海信息探測是一種前沿技術(shù)，當(dāng)前已發(fā)展出電化學(xué)、光學(xué)等傳感器，在今后的發(fā)展上，一是要優(yōu)化自身結(jié)構(gòu)從而便于搭載潛器，二是提高探測精度、靈敏度和穩(wěn)定性等傳感器探測性能，如實(shí)現(xiàn)微小變量測量、抑制漂移、降低檢出限等。

（3）深海著陸器可攜帶多種深海原位探測傳感器，對深海底棲生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行長期探測。

（4）被動(dòng)聲學(xué)探測技術(shù)有應(yīng)用于深海底棲生態(tài)環(huán)境探測的潛在價(jià)值。發(fā)展原位聲學(xué)探測裝置，探測熱液底棲生態(tài)中蝦蟹類生物的聲信號，應(yīng)用模式識別算法或可得到熱液生態(tài)環(huán)境中的物種種類信息，應(yīng)用生境評估技術(shù)或可反映熱液底棲生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r。