MARLEY：一种无废自主观测站，用于长期监测冷水珊瑚的健康与行为

《Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers》：MARLEY: A waste-free autonomous observatory for long-term monitoring of cold-water coral health and behaviour

　　•零废弃部署：MARLEY采用可逆压载系统，避免使用沉重的一次性配重，在部署和回收过程中确保海底零污染足迹。•高频多参数传感：该平台设计为自主运行一年，连续记录温度、盐度、溶解氧、海流、浊度及高分辨率视频，提供全面的环境和生物数据集。•自动化珊瑚虫行为分析：基于超过12000张人工标注图像训练的卷积神经网络对珊瑚虫状态（伸展、可见、收缩）进行分类，实现大规模行为监测。•公民科学整合：项目整合了“海洋间谍”平台，动员超过450名公民科学家对相关动物群进行标注，验证了处理大规模深海影像的可扩展方法。引言由于其广阔和偏远，深海仍然知之甚少，特别是关于其多样化生态系统的功能和动态。仅有不到0.01%的深海区域被采样过（Ramirez-Llodra等，2010），不到0.001%被视觉观测过（Bell等，2025）。深海生态系统的时间动态比其空间分布更缺乏特征描述，只有少数站点在十多年里至少每年被监测一次（Glover等，2010；Matabos等，2016）。然而，这种偏远性并不能使深海生态系统免受人为压力的影响，包括气候变化的影响（Levin和Le Bris，2015；Ramirez-Llodra等，2011）。例如，深海捕捞始于数十年前，而脆弱栖息地如冷水珊瑚礁在被识别之前就已严重退化（Foss?等，2002）。深海底栖生态系统因此迫切需要管理关注。为此，在国际协议框架内已提出若干标准，以帮助确定深海保护优先事项（CBD，2009；FAO，2009）。这些标准具有若干共同特征——包括稀有性、功能重要性、低恢复力和对威胁的脆弱性——将保护努力导向旗舰栖息地，如冷水珊瑚礁和珊瑚园、海绵场以及热液喷口（Gollner等，2021；Maldonado等，2015；Roberts等，2016）。就其本质而言，这些深海生态系统本身就十分脆弱，且日益受到多重压力的威胁。因此，通常应避免使用侵入性和破坏性采样技术，包括在国家管辖范围以外的未受监管区域，因为其环境影响未知。然而，出于科学、管理和/或监管目的，这些栖息地需要被监测。全球海洋观测系统（GOOS）和地球观测生物多样性观测网络（GEO BON）已确立了监测最佳实践，分别定义了基本海洋变量（EOVs）和基本生物多样性变量（EBVs）（Miloslavich等，2018a；Muller-Karger等，2018a）。这些变量的准备程度因学科和环境而异。物理化学参数可以通过具有良好记录准确度和精度的传感器以高时间分辨率进行常规监测。同样，某些浮游生物变量可以通过自动化方法进行常规评估——例如用于估算浮游植物生物量的原位叶绿素荧光测量，或用于量化鱼类和浮游动物生物量的声学技术。在近岸沿海区域，卫星遥感为评估栖息地覆盖提供了有价值的工具，包括珊瑚礁和藻类群落。然而，在深海底栖环境中，生物EOVs的监测——包括珊瑚覆盖度、微生物生物量和多样性，以及底栖动物群的丰度和空间分布——仍然具有挑战性。目前的方法通常依赖于有限自主性的平台（如船只、ROV、AUV），并且可能需要物理采样，限制了观测频率。因此，仍然迫切需要开发传感器和生物指标，以实现对深海海底生态系统健康的高频、非侵入性监测。在现有技术中，成像系统——特别是基于摄像机的平台——已成为评估海底生物多样性模式和动物群分布的关键工具（Durden等，2016）。当作为长期观测站的一部分部署时，成像系统能够连续、高分辨率地监测生物过程和生态动态（Matabos等，2025a，2016；Osterloff等，2019）。然而，长期观测站的部署和维护带来了显著的环境足迹（Juniper等，2019；Leroux等，2025）。一个显著的因素是科学废物的积累（Van Dover，2014），包括用于将仪器部署到海底的配重。这些配重通常由混凝土或钢制成，是深海作业中自由落体着陆器的标准压载物。回收时，声学释放机制将着陆器与其配重分离，使仪器组件上升到水面，而沉重的压载物留在海底。钢质配重可诱导铁氧化细菌的增殖，并超出细菌群落范围，局部改变小型底栖生物群落的结构和组成（Soltwedel等，2023）。尽管腐蚀钢的直接影响仅限于距源约1米的半径范围内，但随着时间的推移，死配重的积累，特别是在脆弱和受保护的栖息地中，可能引起管理关注。在长期观测站框架下，废物积累的问题不仅限于生态改变，还包括美学和文化价值的退化（Juniper等，2019）。2016年，法国生物多样性办公室启动了LIFE综合项目Marha（2017-2025），以维持或恢复具有共同利益海洋栖息地的保护状态。与此同时，在比斯开湾陆架坡折处划定了一个大型近海Natura 2000场地，涵盖七个致力于保护海底峡谷内深海珊瑚礁的区域。在Marha框架下，我们设计了一系列研究航次，以测试长期、非侵入性监测这些珊瑚礁栖息地的策略和方法。尽管该近海场地的管理计划尚未确定，且科学活动未受监管，但我们的主要目标是尽量减少监测工作的环境足迹。为此，我们开发了自主观测站“MARLEY”（Monitoring deep-seA coRaL EcosYstems，即深海珊瑚生态系统监测），用于冷水珊瑚健康监测，具有三个关键目标：（1）作为无废物系统运行；（2）从珊瑚影像中提取健康相关指标；（3）自动化图像处理，实现高频、常规的珊瑚健康评估。关于健康相关指标，考虑了两个尺度：单个珊瑚群体，重点在于珊瑚虫行为；以及珊瑚邻域，重点在于相关动物群。行为变化代表了在短时间尺度上发生的表型反应，使生物体能够调整其与非生物和生物环境因素的相互作用。因此，这些行为反应可能作为人类活动引起的应激的早期预警信号（Feugere等，2021；Hellou，2011）。尽管对珊瑚行为的原位观测有限，但几项研究已记录到珊瑚虫活动主要响应潮汐、昼夜或季节循环（Buhl-Mortensen等，2015；Girard等，2022；Osterloff等，2019；Prado等，2023；Purser，2015）。因此，这些自然活动模式的破坏可能表明应激反应。实验室实验已证明对化学污染、沉积或升温的行为反应（例如Baussant等，2018；Chapron等，2021；Larsson等，2013）。生物相互作用的性质和强度也被视为潜在生物指标。冷水珊瑚寄居着由专性和兼性共生体组成的多样化群落（Buhl-Mortensen和Buhl-Mortensen，2004）以及潜在的珊瑚捕食者，如海胆（Stevenson和Rocha，2013）和腹足类（Hoffman等，2019）。这种相关动物群的多样性和丰度可能反映这些生态系统工程师的功能作用。此外，冷水珊瑚的健康可能取决于宿主、共生体和捕食者之间复杂的相互作用动态。例如，Mortensen（2001）报道，多毛类Eunice norvegica作为Desmophyllum pertusum和其他群体石珊瑚的兼性共生体，保护其宿主免受珊瑚食性海胆Cidaris cidaris的侵害。因此，基于影像的珊瑚虫行为和相关动物群落监测可能为评估冷水珊瑚健康提供全面且非侵入性的框架。此处描述了观测站开发和部署的理由、其技术规格以及头几个月的运行情况。章节片段研究地点新的观测站“MARLEY”已部署在朗波尔峡谷（比斯开湾，东北大西洋），位于法国西海岸外200公里处（图1）。选址基于多项标准：Natura 2000场地的分布、冷水珊瑚的存在、峡谷地貌以及历史捕捞努力量。研究地点对应于“Banc de la Chapelle”珊瑚礁的位置（47°30'–48°10'N）。Le Danois（1948）首次将该特征描述为一座山丘。MARLEY观测站的技术规格在2.5年的开发期间，观测站被设计为满足特定的环境和运行标准：（1）零废弃压载设计，防止回收期间海底污染；（2）能够承受高达1.2米/秒的洋流；（3）一年电池自主运行；（4）与Ifremer的混合ROV“Ariane”兼容，以优化维护成本。这些约束确保了可持续且具有成本效益的监测解决方案（Lagadec和Moreau，2024）。视频数据处理MARLEY观测站的主要目标是对珊瑚虫活动、珊瑚园内的相关动物群以及同步环境参数进行时间监测。在2021-2022年首次部署期间获取的视频数据用于建立量化珊瑚虫活动的方法。在此期间，观测协议包括每天四次3分钟的视频记录，以6小时间隔拍摄，使用特写焦点设置来分析珊瑚虫行为。此外，还进行了运行测试海底观测站于2020年7月组装。2020年8月在布雷斯特的Ifremer进行的水下试验成功验证了系统在20米深试验池中的压载和性能。随后，在2020年9月的MOMARSAT航次期间，于大西洋中脊Lucky Strike站点在1700米深度进行了海上试验（Sarradin和Legrand，2020）。这次作业提供了一个关键机会来评估部署和压载系统在环境友好型观测站MARLEY观测站被开发为一个自主、多参数平台，设计用于高频监测冷水珊瑚健康，同时将环境影响降至最低。一个主要设计目标是将着陆器在海底的显著足迹（4×2米）降至最低，特别是在脆弱栖息地内。为实现这一目标，轻型摄像系统与主着陆器节点解耦。这种配置允许将较大的平台部署在沉积边缘。结论利用海底观测站进行长期观测对于增进我们对深海生态系统功能的理解以及获取标准化、可互操作数据以实现脆弱栖息地的有效管理和保护至关重要。MARLEY观测站代表了在实现这些目标方面迈出的一步，同时通过可逆压载技术消除死配重，最小化科学活动在海洋保护区内的累积环境足迹。CRediT作者贡献声明Léna?ck Menot：写作-审阅与编辑，验证，监督，项目管理，方法论，资金获取，数据管理，概念化。Marin Marcillat：写作-审阅与编辑，方法论，调查，正式分析。Bertrand Moreau：写作-审阅与编辑，软件，方法论，调查。Ricardo Silva Jacinto：写作-审阅与编辑，方法论，调查。Jean-Romain Lagadec：写作-审阅与编辑，方法论，调查。Julie未引用的参考文献Pistoia，2007；Porzio和Scown，2022。利益冲突声明作者声明，他们没有任何已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本论文中报告的工作。在手稿准备过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明在准备本工作期间，作者使用了Qwen VL 30B和GPT OSS 20B模型来协助改进本手稿的英语语言和清晰度。使用这些模型后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对已发表文章的内容承担全部责任。资金MARLEY观测站由欧洲LIFE综合项目Marha（LIFE16 IPE FR001）资助。ChEReef航次由法国海洋船队资助。利益冲突声明? 作者声明，他们没有任何已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本论文中报告的工作。致谢我们要感谢海洋研究船R/V Thalassa的船长和船员在MARLEY观测站首次部署期间所表现出的灵巧和精确，以及HROV“Ariane”和ROV“Victor 6000”的船员在ChEReef 2021和2022航次期间在海底所做的工作。Julie Tourolle|Bertrand Moreau|Marin Marcillat|Jean-Romain Lagadec|Ricardo Silva Jacinto|Léna?ck Menot