海洋动物遥测新技术的创新应用.doc

海洋动物遥测新技术的创新应用港口海龟洄游卫星追踪试验取得成功 王文质 1966年毕业于南开大学数学系，现任中国科学院南海海洋研究所研究员、博士生导师。主要从事海洋学科学计算(包括统计计算和数值模拟)领域的研究，运用海洋调查和数值模拟技术为科学研究和国民经济服务。多年来，先后承担并完成各级各类项目20多项，其中主持和参与国家基金课题10项，参与东海、南海、西太平洋等海域的海洋综合科学调查20多个航次。发表论文和研究报告70多篇，取得7项院级重要成果，其中用于南海的第三代海浪模式和三维环流模式达到较高水平。3项成果获中国科学院和广东省科技奖。1983年，在国内较早运用风暴潮数值模拟技术，主持完成了“广东省大亚湾核电站海滨处台风增水数值模拟计算”课题，为核电站工程设计提供了科学数据，取得了较好的经济效益和社会效益，受到国内外专家的好评。2001年以来，在我国大陆首次利用卫星传输遥测系统新技术开展追踪海龟在大海中洄游习性的科学试验，取得了可喜成果，为我国海洋动物遥测新技术的创新和发展做出了贡献。海龟是一种濒临灭绝的国际性海洋保护珍稀物种，我国将海龟定为国家二级濒危保护动物，并制定了保护海龟的法律，在广东省惠东县港口镇海龟湾建立了国家级海龟自然保护区。海龟有洄游的习性，一旦选定了产卵的海滩，以后都会回到那个海滩产卵。海龟在产卵期要产48窝卵，每产一窝卵需要回到大海中休息半个月，产完卵后又开始在大海中洄游。了解海龟的生活习性和生存环境，可以使保护海龟的措施制定得更加科学，因此必须对海龟的洄游习性和环境进行充分的调查监测。过去，科技工作者通常采用“标志性放流”的方法，即在海龟背上安装一块刻有编号的金属标志，然后放归大海，待再次捕获它们时，才得到它们用了多长时间游到了什么地方的信息。这种方法的可靠性没有保证，而且所获的信息量少，最大的缺陷是人们无法知道海龟在海上迁徙的具体行程路线。后来，人们用传统的生物遥测方法，即在海龟身体上附着微型的超声波或无线电波发报器，由建立在水面或陆地上的接收站远距离接收来自发报器的信号，经专门处理得到有用的信息。该技术称为生物遥测型标志性放流系统。这种系统复杂、昂贵，遥测的范围不大、距离不长，且不宜长期使用。近10多年来，世界上一些国家和地区利用以卫星传送测量数据为主要特征的现代生物遥测方法，即在动物身体上附着一种卫星链接发报器，通过卫星接收并传送信息，使长期的、大范围内的动物追踪成为可能，从而全面提升了生物遥测的技术和水平。由于该技术具有国际合作、多种技术集成和多学科交叉发展的特点，因而颇具挑战性，并越来越受到生物学工作者的青睐，特别是在动物迁徙路线的追踪研究方面，国外已普遍用于麋鹿、北极熊、海龟和鸟类等物种，在我国还没有利用该技术进行同类试验。2000年10月，中国科学院南海海洋研究所王文质研究员和王东晓研究员，在中科院知识创新工程重要方向项目的资助下，启动了“生物遥测和海龟保护综合技术” 试验研究，并于2001年8月，与广东省海洋与渔业局、华南濒危动物研究所合作，在惠东市港口镇海龟湾开展了“港口海龟洄游卫星追踪试验”。他们利用海龟爬上海滩产卵的机会，在三只雌性绿海龟(港口1号、2号、3号)背上分别安装卫星链接发报器，再将它们送归大海。海龟在大海中洄游，每当海龟浮出水面呼吸时，发射器就会自动打开，将海龟所在的位置及所测得的环境信息一一发出，再通过人造卫星接收来自发报器的实时信息信号，追踪海龟适时所在地理位置，从而获得详细的海龟迁徙路径和环境参数序列数据。经过几个月的追踪遥测，课题组已获得了三个海龟在海上迁徙的实时路径和环境参数测量数据。通过对海龟洄游路线和环境测量数据的分析研究，掌握了海龟的生活习性和活动规律，从而为保护海龟栖息地的生存环境和制定保护措施提供科学依据。这是我国大陆首次利用卫星遥测技术追踪海龟在大海中洄游习性的科学实验。这次试验的成功，不仅标志着我国利用高新技术促进海龟保护研究上了一个新的台阶，而且对于探索南海绿海龟生态习性与生存环境的相互关系、完善南海绿海龟保护措施、发展海洋动物遥测物理环境参数及其数据处理与解释技术、进一步开发用于海洋动物遥测的卫星链接发报器等均具有重要的意义。这次海龟洄游卫星追踪试验的数据传输借助于美、法两国制造的利用人造卫星追踪地球上移动物体的商业化技术产品全球Argos卫星遥测系统。该系统由四大部分组成：人造卫星、地面接收站、卫星链接发报器和发报器附着平台。由于该技术可追踪世界范围内迁徙且人力难以追踪的物体，所以20多年来在全世界得到广泛应用。20世纪80年代，该技术首先用于跟踪海上浮标和船舶，后来广泛用于对野生动物的追踪，近10多年才用于海龟的洄游追踪。运用全球Argos系统追踪海龟的过程可简单描述为：将一个带有足量电源的小型水密发报器粘附在海龟背上，当海龟浮出水面呼吸时，数据被传送到卫星上的接收器之中，然后被迅速地转送到地面站，再转送到处理中心，计算出海龟的实时位置，并初步处理每个传感器上的其它相关数据，然后，按约定时间在因特网上将这些结果传送给用户，供绘图和研究之用。在港口海龟洄游卫星追踪试验中，课题组于2001年4月在国内率先向Argos公司注册，同时与Argos公司签订了使用美国3颗低高度极地轨道环境卫星的协议，订购了3台卫星链接发报器。这些发报器不仅可实时定位，还可记录海面温度和海龟潜水活动的部分信息，其中港口1号就配置有压力传感器，可较详细地记录海龟潜水过程信息。此次试验预定港口1号和3号发报器电源维持3个月以上，运行(获取数据)持续1个月以上；港口2号预定工作6个月以上，运行(获取数据)3个月以上。课题组战胜了各种困难，连续观测6个多月，从2001年8月至2002年1月，每天都能收到三只海龟的信息，其中港口1号和3号分别运行了37天和46天，港口2号运行了6个月以上，于2002年4月在日本冲绳岛附近误入渔网后才停止工作。此项追踪试验获得圆满成功，总体上达到了国际同类试验研究的最好水平。根据收到的测量数据，课题组绘出了三只海龟在海上洄游迁徙的路径图，并进行分析研究 ，撰写了3篇论文在国内外学报上发表。2003年3月，课题组应邀参加了在美国马里兰州举行的Argos动物追踪讨论会，在会上作了题为利用绿海龟卫星追踪获取环境数据的学术报告，并对这项交叉学科和综合技术今后的应用发展发表了看法，赢得了与会专家的赞许和关注。此次海龟洄游卫星追踪试验同时获得了海龟生理数据及其生存环境数据，可谓一举两得。海龟卫星追踪研究作为一项现代生物遥测技术，既是监测海龟本身的工具，也是监测海龟生存环境的一种手段，课题组的主要目标既要获取海龟生活习性(如迁徙路径)的科学数据，同时也要直接或间接获取物理环境数据(如水温、海流等)。因为海龟自游能力相对较弱，一般情况下只会借助海流的力量漂游，科研人员从海龟移动路线中将海龟自游的成分分离出来，就可以间接地获得定量的海流流速场的第一手信息。如果在发报器中内置特定功能的传感器，就能获得相应的各种物理环境数据信息。因此，海洋动物卫星追踪将是现代海洋环境监测的一个不可忽视的补充手段。此次港口海龟卫星追踪试验作为生物遥测实践是一个良好的开端，取得了较高显示度的成果：在国内首次获得南海绿海龟洄游迁徙路径；取得了一批有价值的海洋环境监测数据，初步展示了生物遥测的环境监测功能。目前，现代海洋动物遥测技术已越来越受到物理海洋学界和海洋监测部门的重视，为了获取更多的海洋环境变化数据，开发我国其它海洋动物的遥测资源，课题组正在加强与地方的合作，继续开展此项试验，于2003年和2004年又分别投放了3