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海洋遥测——跟踪海洋生物

编译：Whitehead

原文来源：Konowe, Celia.  Marine Telemetry：Shedding Light Below the Waves.    https://www.marine- technologynews.com/news/marine-telemetry-shedding-light-628841.   June 13，2023

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海洋遥测（marine telemetry）技术可以在气候变化的情况下帮助物种保护和管理。

2022年底对世界各地的气候活动家、科学家、政策制定者和两个联合国气候公约来说可能是一个重要的时刻——在埃及举行了第27届气候变化大会（27th Climate Change Conference，COP27）和在加拿大举行的第15届生物多样性大会（Biodiversity Conference）。但这两次大会都没有体现出许多人所期望且认为是必要的关键变化，普遍存在的不满情绪痛苦地提醒人们，许多主要污染国仍需采取行动。尽管缺乏政府间的承诺，全球的环保主义者仍在努力了解气候变化对海洋和生物多样性的影响。

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面对气候变暖，生物多样性正在下降，因为生物栖息地因人为和自然破坏而丧失，许多生物试图迁移到气候更舒适的地方。在当地无法适应的物种面临灭绝，随之而来的遗传多样性减少使许多生物面临疾病风险，包括人类赖以生存的生物。仅在海洋中，气候变化就会影响海平面、酸化、洋流和温度。因此，在全球层面上更好地理解和管理海洋生物多样性趋势变得越来越重要。虽然大量的海洋数据收集曾被认为很难依靠，但科学家们现在有了一个答案：海洋遥测。

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1.追寻真相

海洋野生动物遥测有两种常见的形式：水声和卫星。声学标签（acoustic tags）是基于一个发射器系统，要么植入动物体内，要么附着在动物身上。当生物进入预先放置的接收器的范围内时，它们的声音信号被记录下来，然后研究人员可以识别被标记的动物，以及深度或温度等数据（如果标签配备了这些传感器）。Innovasea Systems是一家水生物解决方案公司，专门从事水产养殖业务和野生鱼类跟踪，该公司总裁Mark Jollymore认为，水声遥测技术需要考虑两个因素：首先，声学标记受限于接收器的数量和位置，位置局限于更小、更明确的区域内；其次，发射器的大小决定了哪些物种被标记，以及该项技术的工作时间。

他解释说：“我们最大的发射器有一根手指大小，被放入鲨鱼、金枪鱼或大鲑鱼等动物体内。最小的发射器只有口香糖大小的一小部分，并被放入鲑鱼幼崽中。最大的发射器可能工作10年或更久，但较小的发射器可能只能工作4~6个月。”

图1.  为监听土耳其爱琴海（Aegean Sea）中的声学标记鱼类而部署声学接收器（图片来源：©Aytaç Özgül）

图2.    在葡萄牙的欧洲追踪网（European Tracking Network）的成员给一条稀有的大西洋白姑鱼（argyrosomus regius）安装声学标签后将其释放。（图片来源：© João Rodrigues）

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图3.    安装声学接收器    （图片来源：©Innovasea）

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图4.    南非海域中的一只身上被固定了声学标签的蝠鲼（图片来源：©Ryan Daly）

另一方面，卫星标签附着在动物的外部，并在动物浮出水面换气时（如果它是哺乳动物）、或当标签最终脱落并浮到水面时传输收集到的数据。作为一项重要的技术，卫星标签有时也与水声遥测技术一起使用，以扩大数据收集的规模，但卫星标签要昂贵得多，而且由于它们只能附着在外部，很可能会脱落。

根据最近的一篇博客文章，Innovasea公司还在研究一种新颖的无标签鱼类探测跟踪技术，该技术结合了“光学相机、成像声呐和人工智能，可以实时探测、计数和分类鱼群”。最近在新斯科舍省（Nova Scotia）白石大坝（White Rock Dam）进行的试验监测了灰西鲱的迁徙模式，取得了很好的效果。

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图5.   Innovasea公司在新斯科舍省（Nova Scotia）白石坝（White Rock Dam）的无标签跟踪项目中，在鱼梯顶部用摄像机对鱼进行计数。（图片来源：©Innovasea）

Innovasea公司的其它项目还包括沿人类居住的海岸线和海滩跟踪鲨鱼，向救生员提供鲨鱼活动的实时数据，并监测海洋保护区（marine protected areas，MPAs）内的鱼类活动，以确定它们的放置是否对物种产生积极影响。

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图6.   作为Innovasea公司在加拿大新斯科舍省白石大坝的无标签跟踪项目的一部分，一款跟踪鱼类探测活动的手机App。（图片来源：©Innovasea）

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图7.    Innovasea公司的 HR2 receiver.（图片来源：© Innovasea）

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图8.   比利时，植入欧洲石斑鱼（Dicentrarchus labrax）的声学标签。（图片来源：©Jérôme Bourjea）

2. 对蝠鲼的研究

海洋保护区是保护迁徙物种、生物多样性丰富的水域和脆弱生态系统免受资源开采和开发等人类活动压力的基本保护工具。然而，目前一些问题已经摆在面前：未来的保护措施应在哪里实施；目前的海洋保护区是否对它们的物种和栖息地产生了积极的影响，特别是在数据缺乏和管理稀疏的地区。

Megafauna基金会的研究经理、位于哈利法克斯（Halifax）的达尔豪斯大学（Dalhousie University）的博士候选人Nakia Cullen说：“如你所知，我们并不知道海洋物种大部分时间都在哪里度过，也不知道海洋保护区是否有效，这就是它背后的动机”。Cullen在莫桑比克的Zavora生活和工作，这是一个鲨鱼和蝠鲼（manta rays）丰富的地区，但数据不足，缺乏必要的广泛管理。虽然 Cullen的研究是从水下视觉调查开始的，但在过去的几年里，受其他非洲南部海洋研究者的启发，她已经能深入研究遥测技术了。

 Cullen利用水声和卫星遥测技术来增加对物种运动的了解。卫星标签提供了广泛的范围和更多的数据，而声学跟踪使研究人员能够在一个重要区域和较长时间内跟踪更精细尺度上的运动。此外，每个物种需要不同的遥测方法，记档的卫星标签对不经常浮出水面的蝠鲼特别有用，在水下的这段时间里，标签可以收集和存储大量关于蝠鲼活动的数据。

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Cullen解释说：“我发现了一些非常有趣的事，我认为这是凸显这些关键领域的一个很好的工具。例如，在南非，蝠鲼在保护区里闲逛，它们在那里似乎受到很好的保护。而在莫桑比克，我们没有太多的海洋保护措施，我们的蝠鲼数量正在迅速减少。所以，重要的是能够向政府提供这些信息，并告诉他们这一领域真的非常重要。”

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3.抓取数据

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随着海洋因前所未有的人为压力和水生物种难以适应（或完全无法适应）这种压力而发生变化，遥测技术愈加成为了解未知世界以及如何进行保护和管理的重要工具。遥测技术除了收集野生动物活动的信息外，还能捕获环境条件数据。

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海洋跟踪网（Ocean Tracking Network，OTN）是一个全球水生物研究、数据管理和合作平台，总部位于达尔豪西大学（Dalhousie University），运营着一只自主航行器队伍——10台Teledyne Webb Slocum水下滑翔机和4台Liquid Robotics波浪滑翔机。前者是电驱动的，收集物理、生物和化学信息；而后者是太阳能和海浪驱动的，收集天气和海面状况数据。此外，OTN还保持了一些可供租借的Innovasea Vemco声学接收器装置储备，供学术界、政府、非营利组织和工业界使用。

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图9. “海洋跟踪网”（OTN）的Teledyne Webb Research公司的Slocum 水下滑翔机 （图片来源：©Nicolas Winkler）

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图10.    “海洋跟踪网”（OTN）的Liquid Robotics波浪滑翔机（图片来源：©Nicolas Winkler）

通信经理Anja Samardzic称，该组织也是OTN数据中心（OTN Data Centre，OTNDC）的所在地，OTNDC连接了一个全球研究人员社区，培训其他人使用开源数据分析工具，并为全球数据标准的开发做出贡献。她解释说：“OTN与世界各地的几个声学遥测网合作，共同维护相互兼容的数据节点。一个OTN节点是OTN水声遥测数据库结构的副本，它允许每个地区遥测共享社区的数据持有者之间直接交叉引用。”作为一个迁移数据储存库，OTNDC在全球范围内以及与区域跟踪网合作，协助收集、汇总、保存和分发水生物遥测数据。

OTN的一项关键合作是与芬迪海洋能源研究中心（Fundy Ocean Research Centre for Energy，FORCE）合作，该中心正在米纳斯海峡（Minas Passage）测试水流潮汐涡轮机，据估计有70种鱼类游经该海峡。Samardzic说：“作为Fundy先进传感器技术（Fundy Advanced Sensor Technology）项目的一部分，FORCE提供了监测当前速度和湍流、环境噪音和水质的锚系装置，上面还装有用来探测被标记动物的OTN接收器。”这项工作的意义包括评估河流潮汐能对周围环境的潜在影响以及潮汐涡轮机与海洋生物之间的相互作用。

图11.    Nakia Cullen在非洲南部海洋的卫星遥测研究计划（图片来源：© Cullen）

图12. Cullen正在检查一个水声接收器（图片来源：©Anna Flam）

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4. 跨洋合作

多年来，欧洲各地的科学家一直在追踪鱼类，以了解它们的行为和运动模式，从而形成了欧洲跟踪网（European Tracking Network，ETN）。ETN的最新合作形式是“改善欧洲海洋动物跟踪战略基础设施”（Strategic Infrastructure for Improved Animal Tracking in European SeasSTRAITS）项目。丹麦技术大学（Technical University of Denmark）研究员、ETN和STRAITS的科学传播者（science communicator）Kim Birnie-Gauvin指出，STRAITS的目标是“探测欧洲的所有‘十字路口’（‘four corners’），覆盖欧洲大陆上一些最重要的水道中的水生物的运动。”“十字路口”被确定为具有不同栖息地的不同海域（因此对应不同的管理区）之间的区域。

图13. 用于跟踪的“十字路口”（“four corners”）被确定为STRAITS的一部分（图片来源：© STRAITS Project）

STRAITS基础设施将主要由两部分组成：第一，用于探测标记鱼的水声接收器，工作频率在63~77 kHz；第二，被动水声接收器，如C-PODs和SoundTraps，可监听鲸类动物的声音。Birnie-Gauvin解释道：“C-PODs通过探测和分析一连串的回声定位滴答声来监测有齿鲸目动物的存在和活动。借助于自动数据分析软件，C-PODs可以在很远的地方识别海豚（dolphins）、鼠海豚（porpoises）和回声定位的鲸目动物（抹香鲸除外）。SoundTraps是一种水声记录器，可以听到鲸类动物发出的声音，也可以听到噪音污染，包括船舶活动、地震勘探活动。”（译注：监测鲸类等鱼群在军事上亦有重要意义。据国外公开文献：在1982年马岛海战中, 为了确保航母、运兵船等高价值平台的安全, 英国临时将“确认再开火”的交战原则改为“可疑即开火”, 在短期内向疑似潜艇目标先后发射了约200件各类反潜武器，包括36枚鱼雷, 迅速耗尽了舰队的反潜武库, 但却一无所获。战后分析表明, 当时的疑似目标大多是鲸鱼等海洋生物。美国海军早就开始利用声学标签来研究声呐对鲸类等海洋生物的影响。有人认为，除了保护海洋动物的作用外，其潜在军事意义也是明显的，比如: 若能通过声呐信号处理技术提取出鲸类和鱼群等的独特运动特征，就有助于识别水下目标；不同海洋生物对不同类型的主动声激励信号可能会有不同反应，从而表现出不同行为特征，如通过实验观察掌握了这些规律，同样有助于识别水下目标；了解海洋生物迁徙规律，亦可能是战场准备的潜在内容之一。）

Birnie-Gauvin说：“鱼类和鲸目动物的运动不受限制——它们看不到边界，在广阔的海洋中漫游，在如此广阔的海域追踪它们的运动是一项挑战。如果我们要真正评估这些物种面临的需求和威胁，就需在更长的时间尺度和更大的空间尺度上监测它们。我们还可将运动信息与环境数据、人为威胁（如捕捞压力或污染事件）相结合，以了解它们对这些因素的反应。”除了结合不同趋势和因素的数据外，STRAITS还与其他全球跟踪网（包括OTN）密切合作，共享数据。除此之外，也识别他们所谓的“孤儿标签”（“orphan tags”），即探测来自他们各自地区以外的带标签的鱼类。

5. 完成拼图

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正如Samardzic所说，水生动物保障了全球粮食安全，贡献数十亿美元的社会经济价值和生态系统服务，并具有公共和文化意义。随着气候变暖和海洋变化，物种被迫迁徙和适应环境，它们随后的行为和运动模式对保护和管理至关重要。Cullen兴奋地说：“我认为至少对迁徙物种来说，这是一个神奇的工具。我们对这些动物正在做什么有了很多深入的了解，比如晚上去500 m的地方觅食，然后沿着海岸游800公里，上帝知道为什么。这就如同完成拼图。”

遥测技术是应对这一挑战以及大规模数据收集挑战的一种解决方案。Jollymore说：“我认为，未来我们将从海洋、河流和湖泊的更多地点获取更多信息。我们必须想办法将数据从水中传递到资源管理者、研究人员、监管机构和公众手中。”

Birnie-Gauvin强调说：“我们总会有一些惊喜——毕竟野生动物是野生的——但如果我们想要得到更全面的海洋图像，就需要更多的永久性基础设施。考虑到地球的现状及其变化速度，这样做势在必行。”

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