给大海做“体检”！原位成像系统破解赤潮预警难题

你是否想过，大海也会“生病”？赤潮，这个让沿海养殖户闻之色变的海洋生态灾害，正随着气候变化和人类活动变得愈发频繁。如何在大规模赤潮暴发前发出预警，成为全球海洋科学家致力攻克的难题。

近年来，一项发表于国际期刊《生态指标》（Ecological Indicators）的研究成果引发业界关注。来自清华大学深圳国际研究生院等机构的科研团队，利用自主研发的浮游生物原位成像仪PlanktonScope，成功记录并提前预警了深圳大鹏湾的一次夜光藻赤潮事件^[1]。这项研究虽是数年前的积累，但其背后所验证的监测思路与关键技术，至今仍在为近海生态预警提供重要支撑。

给浮游生物拍“高清写真”

夜光藻，俗称“夜光虫”，是华南沿海常见的赤潮生物。当夜光藻大量爆发时，夜晚的海水在海浪拍打等刺激下会泛起浅蓝色的荧光，也就是所谓的“蓝眼泪”。它们虽然美丽，却会消耗大量氧气，威胁海洋生物生存。 

传统的赤潮监测依赖人工采样和显微镜观察，费时费力，且难以捕捉瞬息万变的海洋动态。清华大学研产的浮游生物原位成像仪就像一台水下“高清相机”，能够对40μm-5cm的浮游生物进行连续拍照，每小时可采集数百张图像，每幅图像覆盖1.08升水体。 

2016年春季，在深圳大鹏湾部署的首台原位成像设备经过连续两周工作，完整记录了一场夜光藻从零星出现、到大规模暴发、再到自然消退的全过程。通过原位观测可视化并计数水体中的夜光藻丰度，相比传统的人工显微镜方法可减少人力需求^[1]。

AI识别+数学模型=赤潮预报

海量的图像数据如何变成有效信息？研究团队开发了智能识别算法，让机器学会从成千上万张生物图像中快速“揪出”夜光藻。在此基础上，他们建立了资源限制型种群增长模型，成功推算出大鹏湾夜光藻的“环境承载力”约为174.61×10³ind./m³，而当密度达到一半（87.31×10³ ind./m³）时，赤潮将进入最快暴发期，这正是发布预警的最佳时机^[1]。

除此之外，采样频率同样至关重要。藻类可能在短短数天内暴发，采样间隔太长很容易错过关键节点；加上浮游生物天然存在聚集和斑块分布现象，丰度波动本就剧烈，低频率采样更难捕捉真实变化。高频监测则能更精准地追踪藻类动态，帮助我们理解种群与环境之间的相互作用。

这套思路最终落地为一套完整的预警系统。研究证明，PlanktonScope的数据可与环境传感器、自动识别软件、种群模型等结合，构建起近乎实时的赤潮监测方案^[1]。

从实验室走向应用

作为国家重点研发计划“海洋浮游生物监测传感器的研制及系统优化”项目的联合单位，绿洲光生物正致力于将这一技术推向实用化。在此基础上推出的商用化浮游生物原位成像系统PlanktonScope与PhytoScope系列，相比首台原位成像设备实现了跨越式升级。

硬件层面，设备采用高倍率放大远心光学镜头与远心光源，配合高精度同步脉冲驱动技术，最小目标物识别尺寸从40um下探至10um，能捕捉更微小的浮游生物，设备适应浊度范围较国外同类产品扩大20倍以上。算法层面，深度学习特征库包含了不同海域的海量生物图像特征，配合PlanktonID智能分割识别软件，可识别种类拓展至100+，识别效率大幅提升。

这套“硬件+算法”的组合拳，让系统真正实现从清澈外海走向近岸浑浊海域的全海域全天候监测。无论是台风过境后的泥沙搅动，还是养殖区的饵料残渣，设备都能稳定捕捉浮游生物动态，为核电冷源监测、海水养殖、海洋环境监测提供全天候在线的“水下哨兵”。

“未来的海洋监测，将像气象预报一样及时、精准。”项目参与者表示，原位成像系统不仅适用于夜光藻，还可扩展至其他有害藻华的预警，甚至用于评估海洋生物多样性。

正是这一技术路径的拓展，让“中国智造”的海洋监测技术从单一赤潮预警走向更广阔的生态保护领域，持续为全球海洋生态贡献智慧。当赤潮来袭时，我们或许能提前一周甚至更早获得预警，为保护“蓝色家园”赢得宝贵时间。

参考文献

[1] Song, J., Bi, H., Cai, Z., Cheng, X., He, Y., Benfield, M. C., & Fan, C. (2020). Early warning of Noctiluca scintillans blooms using in-situ plankton imaging system: An example from Dapeng Bay, P.R. China. Ecological Indicators, 112, 106123. DOI: 10.1016/j.ecolind.2020.106123