深海熱液區底棲生態環境探測技術研究進展

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重點實驗室，天津 300112）

全球海洋熱液區集中分布在大洋中脊、弧后盆地等板塊運動活躍的深海區域。根據洋中脊全球數據庫統計，目前已在全球發現700余個熱液區，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場探測深海熱液噴口及生物群落，發現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自養微生物群落[4]。通過對熱液微生物和底棲生物的共生機制和能量來源研究[5]，認為熱液流體中的還原性物質是熱液生態系統的能量來源，能夠催生出獨特的熱液生態系統，其物種豐度和密度遠遠高于同一海域中的海底非熱液區。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的典型優勢物種[6-11]。熱液區生態環境具有高溫、低氧和富含重金屬等特點，高溫熱液可達200～350℃[12]，微生物及底棲生物為適應這種極端環境，往往進化出適應極端環境的獨特的生存機制，具有巨大的生物基因資源研究價值。探測深海熱液區的底棲生態環境及生物活動特點，可以幫助探索熱液底棲生態系統的形成機制、演化規律等科學問題。

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

1 海底生物取樣和光學影像調查方法

1.1 船基海底生物取樣調查

深海底棲生態系統的探測、監測與評估多采用“現場取樣—實驗室分析”的傳統方式。海底取樣是底棲生物多樣性調查的常規調查方法，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間間隔對海底表層動物進行采樣，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勢。王鈺巖等[16]設計一種帶有網底管保壓系統的取樣器，由轉角油缸控制球閥開閉，從而控制保壓筒內壓力，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]應用三活塞柱塞泵和多級膜過濾的方案改進并設計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，海底生物取樣調查分析通常采用統計學方法獲得調查海域內底棲生物的豐度和生物量，其結果往往依賴于選取的測線、取樣站位的取樣量及取樣頻率，且拖網作業會引起海底沉積物擾動、底棲生物被清除等問題，導致獲得的樣品失真、統計結果有誤[18-19]。另一方面，如果取樣量大或取樣頻次高，取樣調查則不可避免地會對調查區原有底棲生態環境造成破壞。

表1 海底生物取樣裝備

海底取樣后實驗室分析的方法雖然是底棲生態環境探測的常規方法，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、壓等環境參數變化，導致探測值偏離與實際值。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改變及微生物反應等因素，導致熱液流體各組分的真實濃度無法測出。

1.2 水下潛器海底生物取樣調查

水下潛器是進入深海不可或缺的重要運載作業裝備，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）。載人潛水器可實現海底親臨現場觀察、分析和評估，并利用機械手實現高效作業。無人纜控深潛器由甲板控制人員通過遙控機械手和視像觀察，信息傳輸實時、可以長時間在水下定點作業。無人無纜自治深潛器不依賴母船提供動力，機動性強、活動范圍大，根據預編程可實施長距離、大范圍的搜索和探測任務，不受海面風浪的影響，特別適用于區域性詳細調查。潛水器取樣調查的優勢在于：一方面利用機械臂精準取樣，另一方面能夠減少對深海底棲生態環境的影響。

在無人潛水器迅猛發展的今日，為進一步深入探測和認識深海，載人潛水器研制技術的發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）斷裂帶首次發現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探查和海底生態環境調查等。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套探測深海環境參數的先進設備，在太平洋、印度洋、大西洋和北極海底進行了海底熱液硫化物礦床、深海生物及浮游生物的調查和取樣等。日本1989年建成的“SHINKAI6500（深海6500）”潛水器主要用于6 500 m深海地質探查，目前日本正在研制用于海洋資源探測和深海生物調查的“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[24]、西南印度洋脊熱液區[25]進行科考，可使用機械臂、取樣網等裝備進行生物取樣（圖1）和光學影像拍攝，在南海海底陸續發現了玻璃海綿、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指標與性能參數

圖1 載人深潛器海底生物取樣

水下潛器在海洋資源與環境勘查作業發揮了很大作用。我國研制的“發現”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”系列遙控水下機器人、“潛龍”系列自主水下機器人等潛水器相繼投入使用，也已用于大洋資源勘探、海底環境綜合考察等。

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

1.3 光學影像調查

光學影像調查的設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]利用海底光學拖體調查了馬里蘭州近海岸風電場區域1 000 m水深處的底棲生物物種種類和分布等情況。電視抓斗或光學拖體在拖曳作業過程中可能會觸底，引起海底沉積物受到擾動，從而導致視像模糊。此外，光學影像調查過程會產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，圖像識別算法應運而生。李海菊等[27]基于卷積神經網絡算法，構建了深海生物圖片樣本庫，應用R-FCN_ResNet算法完成900余張海底現場照片的底棲物種識別，并驗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、分段測量算法、匹配算法等可實現水下魚類體長、鰭長等體型特征測量，試驗結果具有較高的水下測量精度。

2 深海生態環境原位探測傳感器及裝置

2.1 深海生態環境原位探測傳感器

隨著生態環境原位探測技術和裝備向深海發展，電化學、光學等深海原位探測傳感器已在海洋科考調查航次中得到應用（表3）。LUTHER G W等[29]采用鍍金甘汞固態伏安電極在熱液活動區對H2S和FeS進行了定量測量。2001年，丁抗等[30-31]采用固態探頭，用金、銀硫化物電極（Ag2S）首次在安得維爾地區水深2 200 m，370℃熱液環境下探測了熱液流體中溶解態H2和H2S的濃度。2018年，秦華偉等[32-34]研制的原位多參數電化學傳感器（圖2（a）），易于被微型化，做成探針式結構，便于集成，可用于高溫高壓環境下Eh、H2S濃度、pH等參數的在線探測。該電化學傳感器可搭載光學攝像拖體等，多次應用于大洋航次西南印度洋洋中脊熱液異常調查，探測深海熱液噴口附近的Eh、H2S濃度、pH等水體環境化學指標，并且pH值、SO42-和CO32-等參數的測量精度分別可達0.015 81 g/L、0.011 55 g/L和0.020 82 g/L。吳懷超[35]設計的熱液pH值原位探測系統原型樣機，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環境探測的角度來講，需要類型廣泛的電化學傳感器，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。當然這就對高溫高壓環境下測試的材料和技術提出了更高的要求。除此之外，水體化學參數的分布規律還需要有長時間序列的流體流速分析來配合。

圖2 部分深海生態環境原位探測傳感器

表3 部分深海生態環境原位探測傳感器及性能參數

海底原位光學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]通過研究微弱光學信號測量方法，設計了一種原位濁度傳感器，葉綠素探測靈敏度可達0.008 1μg/L，濁度探測靈敏度可達0.007 8 FTU。THORNTON B等[37]設計了深海原位多元素化學分析光譜儀（圖2（b）），由“Hyper-Dolphin”號ROV機械手攜帶，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]設計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行了4 800 m水深剖面探測，根據微流道內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行深海天然氣水合物探測、熱液活動探測等，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，實現深海底棲生境長期監測、生物樣品誘捕及光學影像拍攝等工作。多種著陸探測平臺可聯合組建海底網絡，從而實現原位長期實時連續的綜合性底棲生態環境探測是深海著底探測平臺的發展趨勢。

2015年，LINLEY T D等[42]應用深海著陸器搭載深海相機（圖3（a）），調查北極、大西洋東北、地中海等海底的冷水珊瑚區，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，搭載環境探測傳感器可用于4 000 m以下的海底生態系統長期探測。2017年，陳俊等[44]研制了“天涯”號深淵著陸器，在馬里亞納海溝進行科考應用，采集了微生物和端足類等生物樣本。2018年，FEDERICO 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循環。2019年，李彬等[46]研制了一種自返式深海生態過程長期定點監測著陸器系統，并通過該系統探測到南海冷泉區溫度、鹽度、深度、溶解氧等生態環境信息和冷泉生物群落的活動情況。2020年，鄭旻輝等[47-48]研制了一種人工誘導的深海生態系統長期觀測裝置，該裝置能原位培養深海微生物、現場實時探測并記錄數據和圖像資料，同時可以誘捕底棲動物。2021年，WHEELER A J等[49]開發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環境的高分辨率精準探測。

圖3 部分深海著陸器

3 海洋生物被動聲學探測技術

相較于海底取樣調查方法，基于海洋生物聲信號模式識別的生物群落聲學探測方法，具有對調查區環境要求低、可長期原位探測等優點，并且海洋生物活動聲信號的生物群落探測是一種非接觸式無損探測方法，對底棲生態環境不會造成影響，是一種更環保的底棲生態系統探測方法。

3.1 海洋發聲物種識別技術

海洋生物聲學識別技術主要利用被動采集的海洋生物聲學的大數據進行深度學習，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體進行識別，平均識別準確率可達95.5%。2016年，URAZGHILDIIEV I R等[51]針對西北大西洋鱈魚的呼嚕聲設計了兩階段假設驗證算法，提取了信號對數和、時域特征組合等特征，信噪比大于10 dB情況下，識別準確率可達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，篩選最具價值的特征，使用4個平行前饋神經網絡的組合對進行了分類研究，識別準確率可達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聲信號分解到128個頻段，提取頻帶的能量特征，使用線性判別和隨機子空間判別分類器的識別準確率均達到了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）進行分類，識別準確率分別為99.2%、99.1%和94%。

表4 海洋發聲物種識別算法及識別率

3.2 被動聲學技術在蝦蟹類棲息地生境探測中的應用

探測生態環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的聲信號，調查、研究和分析這些生物的分布情況、特征和生活習性等，或可間接地反映熱液/冷泉生態系統的發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食過程中產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食量。BUTLER J等[57]在佛羅里達灣使用水聽器記錄蝦棲息地的底棲生境聲信號，基于改進的圓柱形擴展模型對這些聲信號進行處理，可估算蝦的種群密度及其棲息地發展的健康程度。

4 結論與展望

深海熱液區底棲生態環境探測需要從水體環境要素、生物物種類別與分布兩個方面進行探測與調查。目前，潛器進行海底生物取樣和深海光學影像，可以實現深海熱液區生物物種類別與分布的調查任務，但存在作業時間短、調查效率低的問題。電化學、高光譜等深海原位探測傳感器等技術已經可以進行pH、H2S濃度等水體環境調查，可在此基礎上結合深海著陸平臺進一步發展長期原位探測裝備。

著眼于深海熱液底棲生態的科學需求和未來海底采礦的環保需求，未來針對深海熱液底棲生態環境探測技術的發展可圍繞以下幾點。

（1）深海取樣和光學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環境探測的主要方式。對于大規模應用的海底取樣裝備，需要針對減少海底擾動、減輕生態破壞等做出改進。深潛器具有直接觀察深海底棲生態環境的能力，目前可做到全海深探測，且活動靈活，是深海科考不可或缺的重要裝備。

（2）潛器攜帶深海生態環境原位探測傳感器進行深海信息探測是一種前沿技術，當前已發展出電化學、光學等傳感器，在今后的發展上，一是要優化自身結構從而便于搭載潛器，二是提高探測精度、靈敏度和穩定性等傳感器探測性能，如實現微小變量測量、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，對深海底棲生態系統進行長期探測。

（4）被動聲學探測技術有應用于深海底棲生態環境探測的潛在價值。發展原位聲學探測裝置，探測熱液底棲生態中蝦蟹類生物的聲信號，應用模式識別算法或可得到熱液生態環境中的物種種類信息，應用生境評估技術或可反映熱液底棲生態系統的發展狀況。