第一章 生态农牧场环境监测关键技术与装备
海岸带生态农牧场环境监测是生态农牧场建设的重要内容，贯穿于生态农牧场建立、管理、效益提升和安全保障等多个环节。发展海岸带生态农牧场环境监测关键技术与装备是支撑和保障海岸带生态农牧场健康发展的关键环节。近年来，我国海洋牧场环境监测技术与装备取得了一定进展，监测手段逐渐丰富，监测结果的评价方法不断改进、完善，并逐步建立起由海洋监测台站、浮标、调查船、卫星遥感及航空遥感等组成的海洋环境立体监测网络，极大地提高了现代化海洋牧场建设装备的工程化和自动化及现代化海洋牧场管理的科学性和规范性。本章分别从生态农牧场水体、土壤和大气环境监测3个方面阐述目前生态农牧场环境监测关键技术与装备的现状及未来发展趋势，对生态环境关键指标（溶解氧、 pH、盐度、温度、浊度、化学需氧量、营养盐、重金属、氮氧化物等）从概念、监测方法到装备研制及应用进行了详细介绍。同时，本章在总结当前海洋牧场生态系统监测技术与装备的基础上，还对未来生态农牧场环境监测的关键技术与装备的发展趋势进行了展望，指出目前仍存在的问题和提出未来发展建议，以期为海岸带生态农牧场环境监测关键技术与装备的研究和发展提供科学参考。
第一节 引言
海岸带是海陆之间交互作用强烈的过渡地带，是地球上海、陆、气系统之间物质、信息和能量交换*频繁、*集中的区域，也是具有独*陆、海双重属性的动态且复杂的多界面生态系统（骆永明，2016）。同时，海岸带自身区位优势非常明显，且自然资源丰富，一直以来被认为是实现海岸与海洋资源可持续开发和利用的重要前沿阵地。中国是海洋大国，也是世界第一渔业大国（辛建军，1999）。中国的大陆海岸线长1.8万 km以上，岛屿海岸线长约1.4万 km，海岸带资源得天独厚。然而，当前中国海岸带面临着海水富营养化、海洋污染加剧和渔业资源衰退等突出问题，导致海岸带资源可持续利用性和可持续发展受到严重影响（杨红生等，2019）。
海岸带生态农牧场是基于生态学原理，利用现代工程技术，陆海统筹构建盐碱地生态农牧场、滩涂生态农牧场和浅海生态牧场，营造健康的海岸带生态系统，形成“三场连通”和“三产融合”的海岸带保护与利用新模式（杨红生，2017）。
现代化生态农牧场，是兼顾海岸带环境保护和高效产出的海洋资源开发和保护新业态，重视生态利益、经济利益和社会利益的平衡发展，是我国海岸带产业转型升级的新动力。
海岸带生态农牧场监测评估是海洋牧场建设的重要内容，贯穿于生态农牧场建立、管理、效益提升和安全保障等多个环节。海岸带生态农牧场监测评价涉及环境监测及预测、生物资源及其补充过程的监测和预测、生态系统结构和功能评估、生态承载力评估等不同层次的内容（刘辉等，2020）。而海岸带生态农牧场环境监测贯穿于整个海岸带生态农牧场建立、管理、效益提升和安全保障等多个环节，是海岸带生态农牧场构建的重要组成部分，也是海岸带生态农牧场健康发展的重要技术支撑。
海岸带生态农牧场环境监测与传统海洋环境监测类似，是在设计好的时间和空间分布内，使用统一的、可比的采样和监测手段，获取海岸带环境质量要素和陆源性入海物质资料，以阐述其时空分布、变化规律及其与海岸带开发、利用和保护的关系的全过程。其中，风速、风向、流速、流向、气温、水温、气压、波浪等海洋水文气象参数，溶解氧、 pH、盐度、化学需氧量、叶绿素 a含量、有机物含量等水质生物状态参数，pH、硫化物、有机质、粒度组成等沉积物、土壤参数，以及营养盐、重金属等物理化学参数均是海岸带生态农牧场环境监测的重要内容，也是影响海岸带生态农牧场选址、生产和评估的重要依据。对海岸带生态农牧场环境进行有效监测符合生态农牧场以生态优先的原则，有助于进一步认知自然规律，真正做到与自然共建（杨红生，2018）。
第二节 国内外环境监测研究进展
一、水体环境监测
（一）常规五参数
常规五参数是指溶解氧（dissolved oxygen，DO）、pH、温度、盐度和浊度5个因子，是海水环境质量评价的基本指标，可反映海水水体质量的变化情况，是表征海洋环境的重要因素。
1.溶解氧
溶解氧是指通过化学反应或者生化反应而在水体中溶解的氧气。溶解氧含量通常用每升水里氧气的毫克数（mg/L）和饱和百分比（%）表示。海水中的溶解氧含量是评价海水水质状况、海水污染程度、海水自净能力的重要指标。当海水中的溶解氧含量低于4mg/L时，会导致鱼类因为缺乏足够的氧气而呼吸困难，甚至窒息死亡，从而对海洋生命活动和海洋养殖造成严重影响。现有的溶解氧传感器的种类多样，按照其检测原理不同，可分为化学类、电化学类和光学类三种类型。目前在环保监测、污染治理、化工行业、水产养殖、酿酒发酵和临床医学领域应用*为广泛的两种溶解氧传感器为电化学类 Clark型溶解氧传感器和光学类基于荧光猝灭法的溶解氧传感器。
2. pH
pH是表征溶液酸碱度的重要参数，被定义为氢离子活度的负对数，它是水质监测*常用和*重要的参数之一。pH测定仪器有 pH玻璃电极、 pH离子选择场效应晶体管（pH-ISFET）和光纤 pH传感器。pH玻璃电极是*传统、使用*广泛的 pH测量电极，其测量结果准确、灵敏、响应快、操作简单，但是其内阻高、易污染和破碎、受温度等环境因素影响电位漂移严重，因此需要定期清洗和校准。离子选择场效应晶体管（ISFET）是一种利用半导体表面场效应原理测定溶液中离子活度的化学敏感器件。pH-ISFET电极体积小、全固态化、输出阻抗低、响应时间短、易集成和微型化。但 ISFET器件存在温漂、时漂、滞后、噪声等问题，在器件制造工艺、离子敏感膜稳定性和灵敏度、封装技术方面也有待提高（肖文静和吴开华，2009）。光纤 pH传感器的原理是将对 pH敏感的化学物质（如酸碱指示剂或荧光指示剂）固定在光纤的顶端，当接触待测溶液时化学物质会产生不同的光谱特性，然后以光波作为换能媒体，以光纤作为传光介质构成传感器。该传感器探头结构简单、信号稳定、抗干扰性强、可远距离传输，但是易受环境光干扰、检测范围狭窄。
3.温度
海水温度是体现海水状态的*重要参数，几乎海洋中发生的所有现象和过程都与海水温度有关。精确的海水温度时空分布可用于海洋对气候影响的研究，海洋中尺度系统特性研究，海面-空气交互作用模型的构建，天气和气候变化的准确预测，以及海冰和赤潮等的预报及动态监测。不仅如此，适宜的海水温度是海洋生物生存和繁殖的基本条件，海水的温度分布对海洋生物的区系分布和生活习性具有很大的影响，所以海水温度监测对海洋渔业资源开发也具有十分重要的意义。按照观测点位置不同，可将海水温度观测分为岸站观测、浮标观测、船舶走航观测、卫星遥感、航空遥感等方式；按照测量方式不同，可将海水温度测量技术大致分为接触式测量和非接触式测量两大类。长期以来，海水温度测量只能依靠船载常规仪器和定点站位进行接触式测量（李星蓉和李永倩，2011；徐海东等，2012；焦冰等，2012；张旭等，2016；Polton et al.，2011；Nguyen et al.，2011），具有很多无法克服的缺点，如测量时间长、测点不连续、同步性差、覆盖面小、测量费用高、水下仪器容易污损等。
4.盐度
1902年，克纽森（Knudsen）等首次建立了海水盐度的定义。*初根据海水中无机盐的组分，使用氯元素的含量来研究盐度，具体定义为：“1kg海水中溴化物和碘化物被等当量的氯化物置换，所有碳酸盐被等当量氧化物置换后溶解无机盐的质量（克）。”早期基于氯度的盐度标准下，盐度基本上是通过实验室测量方式来获取的，其获取是一个相当烦琐的过程。而在电导率盐度的标准出现后，盐度的获取方法较之前有了明显的简化。基于这一盐度标准，国外许多仪器厂商开发了众多测量仪器与设备，这些技术设备的应用大大丰富了盐度数据的获取方式，也极大地推动了海洋科学的发展（刘赛，2015）。这些测量仪器有应用于实验室测量的电极式盐度计（AUTOSAL 8400B），也有应用于现场参数获取的温盐深测量仪（SeaBird CTD）。国内也有一些相关的电导率盐度研究设备，相关产品如 SYA2-2型实验室盐度计、HD-2型实验室海水盐度计均达到了当时的国际先进水平，目前也仍在不断发展当中（McDougall et al.，2012）。由于盐度标准又一次发生了变化，根据实用盐标发展而来的电导率盐度测量方法无法完全满足新盐标的要求（Grosso et al.，2010）。研究新的技术来替代或者是补充电导率盐度测量方法是有必要的。在实际盐度测量上，研究人员发现，光学方法测量盐度受到温度的影响远小于电导率测盐度的方法（Feistel，2008）。另外，光学方法基于光测量方式，能够避免受到复杂电磁环境的干扰，这也是其在应用上的一大优势。这类测量方法在一般情况下非常适用于海洋现场测量，一方面装置测量精度高，另一方面装置紧凑，受温度影响小。但是，这类测量方法在近岸海域的测量容易受到影响。
5.浊度
在近海岸区域，尤其是河口区域，受到河流挟带的泥沙和营养盐等物质的影响，海水的浑浊程度明显偏高（王志丹，2016；McDougall et al.，2012；Sugiyama and Anderson，1997）。在海洋学中，通常使用浊度来评价海水的浑浊程度。根据国际标准《水质——浊度的测定》（EN ISO 7027-2:2019）对浊度的定义，浊度是指水中不溶颗粒物对光线照射所产生的妨碍程度。水中悬浮的不溶颗粒物对光线的吸收与散射使得通过水体的光线光强被削弱。通过对光线透射和散射的测量，就能够反映出水体悬浮颗粒对光线的阻碍程度，从而获得水体中悬浮颗粒的含量（Liu et al.，2014）。从计量的角度，使用浊度来表征这一测量结果。因此，浊度是水体中悬浮颗粒物光学性质的综合反映。在近岸海域海洋环境中，浊度*高可达近300NTU（Hou et al.，2012）。在这种情况下，常规的基于折射法的光学盐度测量方法受到装置测量原理的限制，光路需要穿过一段距离的待测海水。在浑浊干扰的情况下，测量往往会受到非常大的影响（陈中华，2012）。因此，有必要研究新的能够适应海洋现场盐度测量的光学方法，来弥补光学方法在近岸海域和河口海域这类浊度较大的特定应用场景的测量不足。
（二）化学需氧量和生化需氧量
化学需氧量（chemical oxygen demand，COD）是指在一定环境下，使用强氧化剂降解水体中有机物的过程中所消耗的氧化剂的量，折算成所测水体全部被氧化后需要的氧的毫克数，以 mg/L表示。它反映了水体受到有机污染的程度。生化需氧量（biochemical oxygen demand，BOD）是指在需氧条件下，水体中含有的还原性物质特别是有机物由于微生物的作用而被氧化降解时所消耗的溶解氧的量，以 mg/L来表示。COD与 BOD都是水质检测的重要指标。
由于 BOD检测具有耗时较长、受干扰严重等固有缺陷，而 COD的检测比 BOD的检测相对简单，因此通常采用 COD来表示水体中污染物质降解所需的氧气量。目前对于水体 COD的检测方法众多，常见的有湿化学方法、电化学方法、化学发光法、光谱法等。
1. BOD检测
BOD的检测一般是在20℃含氧条件下培养5d，测量由于水中固有的微生物氧化水体中的有机物所消耗的溶解氧的量，称为五日生化需氧量，用 BOD5表示。传统的 BOD5检测方法耗时较长且操作复杂，近年来很多学者针对缩短 BOD测量所需时间进行研究，并提出了很多新方法，常见的有微生物传感器法、压差法、活性污泥曝气降解法等（杜美等，2016）。
微生物传感器法是一种快速检测水体 BOD的方法，该方法原理为：把能够降解有机物的微生物菌落制作成微生物膜，将由微生物膜制作的电极与氧电极一起制作成传感器，通过测
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