1、本科毕业论文（20 届）浮游生物水下遥测方法研究所在学院 专业班级 海洋技术 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I摘要随着人类社会的不断进步，陆地资源被不断地开发和消耗，已经所剩无几了，所以必须寻找新的资源。而海洋覆盖了地球 71%的面积，拥有几乎陆上的所有资源。为了突破陆上资源匮乏的限制，世界上很多国家都意识到了开发海洋的重要性，并开始投身到海洋经济的发展中。对海洋进行开发，必然会对海洋生态系统和生态环境造成了相应的破坏和影响；同样的，海洋生态环境发生变化也肯定会使人类开发利用海洋的活动产生一定的影响。所以对海洋生态环境进行监测是非常重要的。这样做既有利于保持海洋生态平衡，也
2、能为人们更好的开发利用海洋提供有用的信息。浮游生物在海洋生态系统中占有主导作用，所以对海洋浮游生物的监测是海洋生态环境监测的一项非常重要的内容。然而浮游生物的传统的调查方法通常是采用现场取水样和拖网采样,这方法存在很多缺点和不足。本课题将应用声学方法对浮游生物进行调查取样，并通过选取一些对于渔业和海洋生态系统有特别贡献的浮游生物，分析研究其声学散射规律及散射特性，并最终拟将声学调查方法作为海洋调查方法的一个有益补充或者是一种直接方法来使用，实时测量在海洋中浮游生物的种类及分布情况。 关键词：海洋生态环境；海洋浮游生物；声学方法；海洋调查IIAbstractWith the developing
3、 of human society, land resources are exploited and consumed to run out, so we have to look for new resources to replace immediately.71% of the earth is covered by the marine, which almost has all the resources on the land. In order to bloke it, a lot of countries in the world have realized that the
4、 marine resources are so important that they devote themselves to develop marine economy. On the one hand, with the exploiting of marine, the marine environment will be impacted and damaged; on the other hand, Changes of the marine environment will effect humans marine activities, Therefore, monitor
5、ing of the marine environment is very important. It not only helps to maintain the marine ecological balance, but also provides useful information to guide people to use marine in a better way. Plankton plays a dominant role in marine ecosystem, so monitoring of marine plankton is a very important p
6、art of monitoring the marine environment. The traditional method for plankton is trawl sampling, on-site water samples and etc., this method has some shortcomings and deficiencies. This issue investigates plankton by sampling in an acoustic way, and analyses the acoustic scattering regular and patte
7、rn through selecting some plankton which specially contributes to marine fisheries and ecosystems, and finally use acoustic method as a supplement or more direct way of marine investigate methods to monitor the kinds and distribution of marine plankton in real time.Key words: Marine ecological envir
8、onment; marine plankton；Acoustic method；marine investigationIII目录1 引言 .11.1 浮游生物 .21.2 浮游植物 .21.3 浮游动物 .41.4 浮游生物的重要性 .51.5 研究意义 .62 传统的浮游生物调查方法 .72.1 微微型、微型浮游生物的调查 .72.2 小型微生物调查 .72.3 大中型浮游生物的调查 .82.4 传统的浮游生物测量方法存在的问题 .83 理论分析 .93.1 散射强度计算 .93.2 回波混响级 .104 遥测系统的设计 .114.1 总体结构设计 .114.2 发射频率及发射功率设计 .
9、124.3 信号发射端部件选择及发射信号设计 .134.4 接收信号处理部分 .134.5 数据存储、分析 .154.6 辅助测量系统 .164.6.1 浮游生物采集装置 .164.6.2 多功能水质测量分析仪器 .164.6.3 其他海洋调查仪器 .175 小结 .17参考文献 .1811 引言在现今的地球上陆地资源日益匮乏，人们都开始关注海洋资源的开发，毕竟地球百分之七十一的面积被海洋覆盖着，由于人们生活生产过程中的对于海洋环境的保护意识缺失，导致海洋的生态环境和生态资源都受到了不同程度上的破坏和影响。例如工业污水对海洋环境污染、渔业的过度捕捞、围海造田对生物栖息地的破坏、全球变暖引起的海
10、平面上升等都对海洋生态系统的结构产生了重大影响。而海洋生态系统发生的各种变化，同样会影响我们对海洋资源开发和利用，特别海洋生态系统的影响尤为突出，保护海洋环境已经刻不容缓。海洋浮游生物在整个海洋生态结构组成结构中所占有的作用是至关重要的，它们的物种种类繁多、生物数量巨大且在海洋中的分布很广，对于海洋生态系统的正常运转起着非凡的作用和影响。主要体现在它们的组合结构上，海洋浮游生物由作为一级生产力的浮游植物和作为二级生产力的浮游动物组成，因此如果浮游生物的物种结构发生变化会就会影响整个海洋生态系统的食物链的生态结构以及生物间能量的传递和有机物质的通量。而且浮游生物的物种、数量、分布发生变化时还会影
11、响到整个海洋生态系统结构和功能变化，甚至还会影响到全球气候的变化。因此浮游生物在时空分布上的退化，会直接导致其他海洋生物的种群数量下降。为了更好的利用海洋，我们必须加大生态环境保护与海洋资源可持续利用，深入研究浮游生物的生物种类，生物数量，生物分布变化是非常必要。所以世界各国都非常关注对于海洋浮游生物研究，海洋浮游生物研究其实是以观测为主的，提高它的研究水平必须是连续的、系统的、高时空分辨率的观测数据与资料积累的过程，所以对于浮游生物的在实验室中的观测技术和在海洋中的现场探测的技术的深入研究和开发，对于开拓浮游生物研究新的领域、获取源头信息、取得原创性成果是至关重要的。1.1 浮游生物定义：浮
12、游生物属于植物界和动物界大多数门类，它们体积一般较小缺乏发达的运动器官，游泳能力很弱或没有，通常是悬浮在水层中常随着水流流动而移动的海洋生物，它们种类繁多；但绝大部分个体都很小，大多数一般肉眼是看不见的必须要在显微镜下才能看到它们的构造，绝大多数只有千分之几至百分之几厘米大小，可是它们的繁殖能力非常强， 在条件适宜的环境下，单个2浮游生物的个体， 一般在较短的时间内就能够充满整个水体， 哪怕在受到各种恶劣的自然环境限制和约束下， 它们数量也非常大，分布也很广，世界各大洋和海域几乎都有。浮游生物种类组成：浮游生物包括浮游动物和浮游植物两个大类。1.2 浮游植物浮游植物是浮游生物的主要组成成员，在
13、数量和种类上它们占了绝大多数，它们结构较简单， 只有一个细胞， 是地球上较为古老的一种低等生物。虽然它们数量很多， 种类繁杂， 但其中最主要的种类是硅藻， 它差不多占了浮游植物的 60%， 其它还包括硅鞭藻、海球藻、腰鞭藻、颗石藻等等。地球生命起源的那个古老时代，在各种极其恶劣的原始条件下，生命链的之初只能用藻类这种形式多变结构简单的机体。在现今的这个时代，在各种恶劣条件的环境中也生活着各种藻类，有的藻类能在天寒地冻的极地气候生存，有的藻类能在几近沸点的高温泉水里生存，有的藻类能在比海水咸数十倍的咸水湖中生存，有的藻类能在极端干旱的沙漠岩石上生存。硅藻的细胞结构很有趣， 它就像透明的水晶，又好
14、比墙壁上雕刻得花纹。它们通常一个一个彼此相连， 组合成各种各样形状的群体， 通常在显微镜下看到的呈表带状、大头针状、扁平的圆盘状、铁锚状 ， 就是这种硅藻。3浮游植物靠利用太阳光光合作用和吸收水中的营养盐生存。每当明亮而又温暖的阳光射入水中时便使这些微小的浮游植物充满生机。适宜的光照和海水环境， 能带给海洋中的浮游植物的很好的生长所需条件，这样它们就迅猛的繁殖。只需一段时间， 它们就可以将宽广的水面铺满。在没有阳光的条件下， 浮游植物是不可能生存的， 因此它们主要分布在可以被阳光照射充足的表层水体。它们的特殊结构可以使它们呆在水体表层而不会沉到水底去。它们有的身体很薄却富含水分，一般水含量达
15、90% 以上;有的则是长满了突起物和刚毛， 就像球形， 或者像降落伞似的， 都是尽可能的是身体的表面积变大， 借此用以便增加自身的浮力或和水面的摩擦力， 它们通过这种方式使自己可以很轻松的长期漂浮在水体表层。虽然浮游植物的个体都非常的微小，但它们却是水中的初级生产者， 如果没有它们的存在， 水里的绝大部的生命是不可能生存的。特别是硅藻这类浮游植物， 它们不但营养丰富， 而且非常容易被消化吸收， 不仅仅是水中的浮游动物、贝类、小虾最爱的食物，也是很多鱼类的直接食物。所以一般某海域的浮游生物的多寡， 可以决定该海域的鱼类的产量， 这是毫无疑问的。每年的春季，由于我国渤海、黄河口一带的海域风平浪静，
16、 水温适宜， 浮游生物非常丰富的缘故，会有大量的对虾和大量的鱼类来这产卵和生活。据此可以充分说明浮游生物对渔业的重要性。1.3 浮游动物游泳能力很弱或缺乏的只能随水流而漂动的小型动物。它与浮游植物一起构成浮游生物。几乎是海洋里的所有动物的食物来源。浮游动物可以分为很多4种类，从微小原生动物、栉水母、腔肠动物、甲壳动物、轮虫和腹足动物等低等动物到尾索动物等高等动物，这其中以数量巨大、种类繁多、分布又广范的桡足类为代表。此外还包括了一些阶段性浮游动物，比如某些游泳动物的幼仔、底栖动物的浮游幼虫和一些稚鱼等。浮游动物在水层中的分布也十分的广范。在海水的浅层和深层都有分布，并且也都有非常典型的代表。浮
17、游动物从单细胞的放射虫和有孔虫到鲱、蟹和龙虾的卵或幼虫它们的食物来源，一般都是浮游动物吃比他们更小的动植物，当然食物主要还是植物，毕竟植物的光合作用是能量的最基础的嘛。这些食物中主要包括有藻类，细菌，桡足类和一些食物碎屑。终生浮游生物是以浮游生物的形式度过全部生命的，暂时性浮游生物或季节浮游生物是在变成成体而进入栖息场所以前以浮游生物形式生活和摄食。 浮游动物是中上层水域中鱼类等经济动物的主要食物，同样有些也直接作为我们人类的直接食物。在渔业的发展中占有主要作用。浮游动物中有很多种动物的分布与气候有一定的关系，所以其中一些也可以当作暖流和寒流的指示动物。另外还有不少种浮游动物可作为水污染的指示
18、动物，例如在富营养化的水体中有些浮游动物一般形成优势种群，例如裸腹溞、剑水蚤、臂尾轮虫等。有些浮游动物在毒性毒理试验中可以用来作为实验动物，如梨形四膜虫、大型溞等。1.4 浮游生物的重要性浮游生物在生态系统中所占的地位与所起的作用占着非常重要的位置。首先浮游植物是初级生产者，它们可以通过光合作用，制造出有机物，成为食物链的第一营养阶层。浮游植物的数量（初级生产）决定着植食性浮游动物的数量（次级生产） ，而后者又影响着肉食性小型动物的数量（三级生产）和肉食性大型动物的数量（终级生产） 。这 4 级生产的种群数量逐级减少，构成了生物数量的金字塔。所以说浮游生物的数量（包括初级和次级生产）是的基础，
19、在很大程度上决定着鱼类等经济水产动物的产量。同样在能量流动中，浮游植物把吸收的太阳光光能通过光合作用转变为化学能储存起来，而植食性浮游动物捕食了浮游植物后便获得其所存的能量，并通过食物链将能量一个环节一个环节的传递下去，逐级减少，行成能量金字塔。所以说浮游生物在海洋生态系统的能量流动中起着极其重要的作用。还有构成浮游生物的每个单细胞机体除了在进行自身的生命运转还能同时进行其他好几项功能，协助周围其他生物的生存。比如蓝藻除了自身生活活动外还能起到固氮的作用。它们通过固氮的过程，将大气中的氮元素转化成便于吸收的硝酸盐，使周边的浮游植物更加容易的吸收。并且浮游植物中有一种藻叫硅藻，它具有一种硅质膜，
20、而这种硅质就是组成黄沙和石英的主要成分的二氧化硅。当硅藻失去生命后，其中含有二氧化硅的细胞硬壁便会大量地沉入海5底，一般只要经过千百年时间的演变，就会沉积成硅藻土。硅藻土是科学研究中极其重要的过滤材料，而且还能广泛用于炼糖过滤、制造金属抛光剂、油漆等。太阳关射入水层，到达的水层的色光是不同的，所以为了可以得到自己所需的色光，浮游植物需要浮到适合自己色光的海层，因此它们都具有各自的悬浮能力。第一为了可以自由起浮，这些浮游生物的身体中的水分含量通常含 90%以上;再者是它们体内一般都含有脂肪泡或油泡或气泡。对这些单细胞浮游生物来说，体内的油泡、气泡的作用和鱼体内的那个鱼缥以及潜水艇的主要设施特种水
21、柜所起的潜浮作用是一样的。有部分科学家根据研究和探测认为，浮游生物体内的这种油泡和脂肪泡很有可能是很多海底石油矿藏的形成原因。还有一些不是这种结构的浮游生物它们用以浮游到它们所需要水层的方法是靠它们自身的某些器官或触须来做到起浮。就比如像鞭毛浮游生物，它们天生拥有一根触须，能借助它进行上下游动，最特别的是它们还是当今世界所了解的唯一既可以靠光合作用吸收营养、还能靠合成作用发育成长、也能腐生微生物的生物。现在，医药里许多抗生素和抗癌药物，生活中的油漆、照相显影剂和化妆用品，甚至核能源铀，都是可以从浮游生物中摄取到的。或许随着科技的发展和浮游生物的研究，对于生物有这种取之不尽、用之不竭的可再生生物
22、能源，蛋白质含量常常高达 88%的藻类将有可能作为我们人类的粮食储备。1.5 研究意义浮游生物是物种繁多、生物量巨大的海洋生物，对它们的进行研究对于海洋开发是非常重要的，特别是能根据研究获得信息来指导渔业的生产，对于海洋科学理论基础也是一种重要的补充。它们有的可以做经济鱼类的饵料， 因此可以利用的浮游生物中的哲水蚤，可以根据它们的数量分布来了解鱼群索饵洄游的路线，据此可以寻找到渔场，并可以确定该地区的渔期。有的浮游生物它们本身就是一种渔业资源，比如象海蜇、毛虾和磷虾等可以作为人类直接食物，还有的可以加工制作成的虾酱供我们食用，比如桡足类和糠虾等。我们还可以进行大量的人工培养经济水产动物的饵料，
23、来满足需要。有些浮游生物，我们可以根据它们的生活环境来确定不同海流，比如生活在不同温度和不同盐度浮游生物，就可以据此作为不同海流的指示种。浮游生物中的硅藻、钙板金藻等物种的遗骸沉积物可作为海洋中的石油资源的勘探以及地层划分的重要标志，对于我们更好的了解海洋地质史和古海洋环境由重要帮助。同样有利也有弊，海洋中的一些浮游植物，当该海域富营养化时就会过度繁殖，使局部水域变色是水中的溶解氧迅速下降，对该海域的经济海产动物6造成重大危害。对于浮游生物的研究不仅仅对于海洋开发有重大意义对于海洋军事活动也有重要意义，比如当某些浮游动物在较深水层大量密集时，就会干扰或阻碍声波在该水层的传播，使声呐失去作用，如
24、磷虾类、管水母类等。还有有些发光浮游生物的大面积密集时，会引起海水发光，影响海军在海洋中的军事作战， 对海洋的开发，如夜光虫等。所以说对浮游生物的研究有相当多的实践意义：1、浮游植物光合作用的生理生化机制。2、浮游生物生态系统的现场观察实验（包括提高生产力方法，浮游生物在氮、磷、碳循环中的作用及能量的流动） 。3、赤潮浮游生物分泌毒素的生理机制和生化组成，以及预测和防治赤潮的方法。4、浮游生物对污染物质的吸收、富集、解毒、净化的生理生化过程。5、浮游生物的大量培养(工厂化)。6、利用浮游生物作为捕捞经济鱼类及勘探海底石油资源的标志。7、浮游蓝藻的固氮作用。8、可作为海流指示种，对探索海流流向有
25、一定帮助。9、有孔虫沉积物可作为勘探海底石油资源的一个标志。 10、有些发光浮游生物（特别是夜光虫）的大面积发光对海军在夜间作战不利，因发光可以暴露军舰的航行路线。11、磷虾类、管水母类等浮游动物大量密集在一起，形成声散射层，可以阻碍或干扰声波在水中的传播。12、硅藻、放射虫、有孔虫和翼足类等死后外壳大量沉积在海底，成为海洋底质的重要组成部分。这些生物的沉积物对研究古代海洋环境和海洋地质史有很大的帮助。13、有些浮游生物因具有富集放射性同位素的能力，可以作为水域被放射性同位素污染的指标。14、有些浮游动物（如海蜇、毛虾等）是重要海产品。由于在理论上和实践上的重要性以及陆上资源的日益匮乏，对于浮
26、游生物的研究将会是未来科学研究的重要领域。2 传统的浮游生物调查方法研究在海洋生态系统中占有重要作用的浮游生物时，主要是对它们的繁殖、生长周期和消亡过程变化的进行观测调查。传统的浮游动物调查方法一般是采用人工生物拖网取样和现场取样，需要耗费大量的人工和时间对数据进行分析和统计而且误差也比较大。2.1 微微型、微型浮游生物的调查对于微微型浮游生物的调查用有机玻璃 2.5dm3 采水器，采集 50200cm3 水样 1%的多聚甲醛溶液，液氮保存。于室内落射荧光显微镜和流式细胞仪，根据其所含有的色素的荧光特性区分蓝细菌和聚球藻。计数异养细菌、聚球藻、远绿球藻和真核球藻。对于微型浮游生物的调查，采水器方式采集预定水层微型金澡、微型甲藻、微型硅藻、无纤毛虫和领鞭虫等样品。用孔径 20um 的筛绢预过滤去除大于20um 的生物，样品用鲁格时液固定，每 1dm3 水样加入 1015 cm3 ，根据样
