摘要

底棲大型無脊椎動物是河湖水質、水生態健康評價的重要指示生物，抓斗、彼得森采泥器等傳統底棲采樣方式采集底泥樣本，底棲生物離開原生棲息環境，易造成個體損傷，且無法觀測生物在底泥表面原生棲息狀態。本文采用搭載水下微距攝像模塊的底棲生物圖像采集儀，依托100米線纜、船載手持終端、便攜式電池供電方案，探頭下放至湖底，近距離原位拍攝底棲生物、底泥界面高清微距圖像，無擾動獲取底棲生物原生棲息影像，實現底棲生物非采樣式原位調查。通過野外河湖現場試驗，驗證微距成像設備識別螺類、水生昆蟲幼蟲、貝類等常見底棲生物的能力；探討原位成像調查在底棲生物多樣性快速篩查、生境觀測方面應用潛力，為底棲生態調查開辟無擾動可視化新路徑。

關鍵詞：底棲生物；微距水下成像；原位觀測；生物多樣性；河湖生態；無擾動采樣；水下圖像識別；水生態監測

1 傳統底棲生物采樣調查存在的短板

底棲大型無脊椎動物廣泛生活在河湖底泥?水界面，對水體污染敏感，是水生態健康評價重要指示生物。國內常規底棲生物調查主要依靠彼得森抓斗、埃克曼采泥器采集底泥樣本，將底泥帶回船上，通過篩洗得到底棲生物個體，帶回實驗室開展物種鑒定、計數統計 。

傳統采樣方法存在若干短板：第一，抓斗下落抓取底泥過程會劇烈擾動底泥表層，破壞底棲生物原生棲息生境；第二，生物被采集之后脫離原生環境，篩洗過程容易造成個體破損，丟失生物行為、棲息位置信息；第三，無法直接觀察到底棲生物在底泥表面真實棲息狀態，無法觀察生物與底質之間的相互關系；第四，抓斗采樣會對生態修復區域底棲生境造成人為擾動，不適合修復區高頻次重復監測。

潛水員水下目視觀測可以實現原位觀察，但潛水作業成本高，水深、風浪條件限制大，難以大面積推廣。水下微距成像技術，依靠光學近距離拍攝，不需要采集底泥樣本，能夠原位獲取底泥?水界面生物圖像，有望彌補傳統調查手段的不足。本文基于底棲生物微距圖像采集儀，開展河湖底棲生物原位調查試驗研究。

2 底棲生物微距圖像采集系統硬件構成

底棲生物圖像采集儀硬件主要包含水下微距攝像模塊、可調LED環形補光單元、耐壓耐腐蝕密封殼體、水密接插件；配套100米綜合線纜、船載手持控制終端、便攜式鋰電池供電單元，最大作業水深20m。

微距攝像模塊專門針對底泥表面小型生物優化，鏡頭支持近距離對焦，適合拍攝螺類、河蜆、水生昆蟲幼蟲等毫米?厘米級底棲生物；環形LED補光均勻照射拍攝區域，減少拍攝陰影，提升微小生物細節清晰度；殼體采用耐腐蝕材料，O型圈雙重密封，IP68防護；100米線纜實現信號與電力傳輸，船上手持終端實時顯示微距畫面，完成拍照錄像，保存底棲生物原位影像。設備作業時探頭接近湖底，但不觸碰底泥，全程無擾動。

3 底棲生物原位成像野外調查試驗設計

選擇典型平原湖泊開展野外試驗，設置22個監測點位，底質包含淤泥底、泥沙混合底、砂質底等常見河湖底質類型，水深范圍2.3?18.1m。每個監測點位同時開展兩種調查：①水下微距成像原位調查，探頭下放至湖底上方合適距離，拍攝底泥?水界面微距圖像與視頻；②同步開展彼得森抓斗采樣，實驗室完成底棲生物鑒定計數。對比兩種調查手段得到的生物檢出情況，評估微距成像系統對常見底棲生物識別能力；同時記錄水體濁度、底質類型，分析環境條件對微距成像識別效果的影響。

4 水下微距影像底棲生物識別效果分析

野外試驗結果表明，在水體濁度較低點位，微距成像系統可以清晰識別田螺、環棱螺、河蜆、蜉蝣幼蟲、搖蚊幼蟲等河湖常見大型底棲生物，能夠觀察生物在底泥表面棲息姿態、活動行為，觀察底泥表面孔洞、生物擾動痕跡。砂質底、泥沙混合底點位成像識別效果整體優于厚淤泥底點位；厚淤泥底遇到水流擾動容易泛起懸浮物，造成畫面渾濁，識別難度上升。

部分個體微小、埋藏在底泥內部的底棲生物，微距成像無法識別；只有棲息在底泥表面、表層的生物可以被鏡頭捕捉。原位成像可以記錄生物原生棲息場景，這是傳統抓斗采樣無法實現的優勢。

5 原位成像調查與抓斗采樣結果對比

抓斗采樣優勢：可以采集埋藏在底泥內部的生物樣本，帶回實驗室完成精確物種鑒定、個體計數，獲取生物豐度、生物量定量數據，是目前底棲生物調查的基準方法。抓斗采樣劣勢：擾動底泥，丟失原生棲息行為信息，重復采樣會破壞底棲生境。

水下微距原位成像優勢：無擾動，保留底泥?水界面完整原生狀態，直觀獲取生物棲息行為影像，作業效率高，適合高頻次、大面積快速篩查；劣勢：只能識別底泥表層生物，無法獲取埋藏于底泥內部個體；僅依靠圖像，部分近緣物種難以精確區分；難以直接得到生物量、豐度精確定量數據。

兩種技術屬于互補關系，原位成像不能全替代抓斗采樣。可以采用“微距成像大面積快速篩查，重點點位輔以抓斗采樣鑒定"的組合調查模式。

6 底泥?水界面原位觀測價值分析

底泥?水界面是底棲生物生存、物質交換的關鍵界面。傳統抓斗采樣把底泥整體取出，破壞界面結構，無法觀察底泥表面生物洞穴、生物擾動痕跡、生物棲息分布格局。水下微距成像可以直接獲取底泥界面真實狀態，觀察底棲生物活動痕跡，對于研究底棲生境完整性、評估底棲生態修復效果具備獨價值。對于生態修復示范區，不擾動的原位觀測手段，可以避免反復采樣對修復底棲生境造成二次破壞。

7 原位成像調查技術局限性與改進方向

技術局限性：水體高濁度條件下成像質量下降；埋藏型底棲生物無法識別；單純依靠圖像物種識別存在局限；難以直接輸出豐度、生物量定量結果。

后續改進方向：優化微距鏡頭與補光方案，提升高濁度水體適應性；構建河湖底棲生物圖像數據集，引入人工智能圖像識別算法，輔助完成生物識別統計；探索圖像結合AI估算底棲生物相對豐度的技術路徑。

8 結論

本文采用搭載微距攝像模塊的底棲生物圖像采集儀，開展河湖底棲生物原位成像野外調查試驗。設備可以無擾動獲取底泥?水界面微距影像，有效識別螺類、貝類、水生昆蟲幼蟲等表層棲息底棲生物，觀察生物原生棲息狀態。原位微距成像調查與傳統抓斗采樣各有優劣，二者互為補充。該技術適合河湖底棲生物多樣性快速篩查、底棲生境完整性評估，為河湖底棲生態調查提供新的可視化技術路徑。

參考文獻

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