南海深海聲學(xué)散射層垂直分布和晝夜變化初步研究

劉世剛，湯 勇，陳國寶，張 俊，姚 壯，郭 禹，劉華波

(1.大連海洋大學(xué) 海洋科技與環(huán)境學(xué)院，遼寧 大連 116023; 2.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院 南海水產(chǎn)研究所，廣東 廣州 510300;3.農(nóng)業(yè)部 南海漁業(yè)資源環(huán)境科學(xué)觀測試驗(yàn)站，廣東 廣州 510300;4.中國海監(jiān) 威海市文登區(qū)大隊(duì)，山東 威海 264400)

南海深海聲學(xué)散射層垂直分布和晝夜變化初步研究

劉世剛1,2，湯 勇1，陳國寶2,3*，張 俊2,3，姚 壯1,2，郭 禹1,2，劉華波4

(1.大連海洋大學(xué) 海洋科技與環(huán)境學(xué)院，遼寧 大連 116023; 2.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院 南海水產(chǎn)研究所，廣東 廣州 510300;3.農(nóng)業(yè)部 南海漁業(yè)資源環(huán)境科學(xué)觀測試驗(yàn)站，廣東 廣州 510300;4.中國海監(jiān) 威海市文登區(qū)大隊(duì)，山東 威海 264400)

2013-09利用船載Simrad EK60科學(xué)魚探儀(38 kHz)對南海深海聲學(xué)散射層進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測，并結(jié)合變水層拖網(wǎng)采樣分析了其垂直分布和晝夜變化。結(jié)果表明，南海深海存在2個明顯的聲學(xué)散射層，特征深度分別為0～100 m和350～700 m，并且2個散射層間存在較為明顯的晝夜垂直移動現(xiàn)象。其隨時間變化情況為：16∶00-19∶00，350～700 m散射層中的部分生物逐漸向上移動到0～100 m散射層；04∶00-07∶00，這部分上升的生物又逐漸移回至350～700 m散射層。變水層拖網(wǎng)采樣結(jié)果發(fā)現(xiàn)，白天0～100 m散射層內(nèi)漁獲物數(shù)量較少，夜間0～100 m散射層內(nèi)漁獲物較多，驗(yàn)證了聲學(xué)映像所檢測到的2個散射層間確實(shí)存在晝夜移動的現(xiàn)象。

南海；深海散射層；垂直分布；晝夜變化

深海散射層是大洋深水中普遍存在的生物聚居的水平層，最早于1942年在太平洋首次被發(fā)現(xiàn)[1]，一般認(rèn)為浮游動物是散射層的主要形成者[2-4]。由于各種海洋生物都有特定活動規(guī)律和空間分布的特征，而且一般都與大尺度的環(huán)境條件有關(guān)，故可把深海散射層的探測作為研究海洋生態(tài)學(xué)和監(jiān)測海洋環(huán)境的手段，因此散射層的特性和分布規(guī)律受到眾多海洋生物和海洋物理學(xué)家的重視[5-8]。隨著南海近海漁業(yè)資源衰退，我國日益重視南海外海漁業(yè)資源的研究和開發(fā)[9-10]。深海散射層蘊(yùn)藏著豐富的魚類資源，可能是未來人類重要的蛋白來源[6-7]。深海浮游動物和魚類晝降夜升的習(xí)性能夠?qū)⒑Ｑ笊蠈拥奶紟У缴詈?，對全球海洋碳的循環(huán)和流通有重要意義[11]。此外，深海散射層研究是評估中層和深海魚類資源量的基礎(chǔ)，亦有助于更準(zhǔn)確地分析評估南海外海上層魚類資源。

近年來，漁業(yè)水聲學(xué)技術(shù)在我國得到快速發(fā)展，但主要是對漁業(yè)聲學(xué)的基礎(chǔ)性研究[12-13]和近岸、淡水及島礁魚類研究[14-16]，關(guān)于深海魚類和散射層聲學(xué)研究的報告不多見[8]。本文利用Simrad EK60科學(xué)魚探儀和中層拖網(wǎng)對0～100 m和350～700 m水層24 h內(nèi)聲學(xué)反向散射強(qiáng)度的變化進(jìn)行了連續(xù)現(xiàn)場觀測和研究，分析了南海南部1 000 m以淺的深海散射層的垂直分布和晝夜變化特征，并研究了單目標(biāo)回波強(qiáng)度與深度的關(guān)系，旨在為南海外海漁業(yè)開發(fā)和深海魚類研究積累資料。

1 材料與方法

1.1 聲學(xué)數(shù)據(jù)采集

聲學(xué)數(shù)據(jù)由“南峰號”科考船所載Simrad EK60科學(xué)魚探儀采集于南海南部，其換能器工作頻率包括38 kHz和120 kHz，主要技術(shù)參數(shù)見表1。為保證聲學(xué)調(diào)查原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，采用國際通用的標(biāo)準(zhǔn)球法對聲學(xué)儀器進(jìn)行了校正[17]。由于120 kHz換能器探測能力達(dá)不到本次研究的深度，只采用38 kHz換能器所采集的數(shù)據(jù)。此次對南海南部的調(diào)查時間為2013-09-05-10-03，在近一個月的航行中對南海深海海域的生物垂直分布進(jìn)行了觀測，在整個航次中散射層深度基本不變，生物的晝夜遷移規(guī)律也相同，只是遷移時間會隨著緯度的變化稍有變動。由于航行中風(fēng)浪較大，噪音較多，因此進(jìn)行了漂流監(jiān)測以獲得較好數(shù)據(jù)。本文所用數(shù)據(jù)為漂流監(jiān)測期間所采集，時間為2013-09-28T00∶00-29T24∶00，位置為117°34′～117°50′E，12°13′～12°35′N,海域深度變化較平緩，平均深度為3 500 m，漂流速度為1.2 n mile/h。

表1 Simrad EK60魚探儀主要技術(shù)參數(shù)

聲學(xué)數(shù)據(jù)由Echoview 4.9軟件進(jìn)行處理，研究深度設(shè)置為0～1 200 m，最小航程積分單元為600聲脈沖。通過設(shè)置閾值、虛擬變量法和手動法消除噪聲[18]。積分閾值和目標(biāo)強(qiáng)度閾值根據(jù)研究目標(biāo)分別設(shè)置為-75 dB和-65 dB[19-20]。

為研究不同水層生物單體目標(biāo)強(qiáng)度的分布特點(diǎn)及變化規(guī)律，利用Echoview 4.9中的單目標(biāo)探測功能，對漂流監(jiān)測期間白天和夜間的0～700 m水層內(nèi)的單體回波信號進(jìn)行了分析。所用數(shù)據(jù)為2013-09-29T10∶00-12∶00和22∶00-24∶00分布較為穩(wěn)定時的數(shù)據(jù)。表2為檢測單體目標(biāo)相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。

表2 單體檢測的參數(shù)設(shè)置

1.3 生物學(xué)樣品采集

為獲取散射層生物組成信息，進(jìn)行了變水層拖網(wǎng)采樣，網(wǎng)具參數(shù)如表3所示。拖網(wǎng)深度由Simard PI44 網(wǎng)位儀監(jiān)測，網(wǎng)位儀置于網(wǎng)具上綱。拖網(wǎng)水層分別是兩個水層中聲學(xué)回波較強(qiáng)的70 m和420 m。實(shí)驗(yàn)中共進(jìn)行了3次拖網(wǎng)，分別為白天70 m、夜晚70 m和夜間420 m。所有漁獲物全部速凍帶回陸地實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行鑒定和測量。

表3 采樣網(wǎng)具主要技術(shù)參數(shù)

2 結(jié) 果

2.1 散射層垂直分布

早上和傍晚散射層部分體積反向散射強(qiáng)度(volume backscattering strength,SV)映像如圖1。SV值越大反向散射強(qiáng)度越強(qiáng)，生物密度越高。夜間聲學(xué)映像主要集中在100 m水層以淺，400～500 m水層也存在大量聲學(xué)映像。到清晨05∶00左右，映像開始從100 m水層內(nèi)下降到350 m以下，主要體現(xiàn)在第3 000～3 600聲脈沖。白天，聲學(xué)映像集中在350～700 m，100 m水層以淺仍有部分較弱映像；傍晚，部分映像又從350～700 m水層上升到100 m水層以內(nèi)，主要體現(xiàn)在第9 600～10 200聲脈沖，但仍有部分映像留在此水層內(nèi)。在遷移過程中所有映像并不是同時遷移，有先后之分。

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圖1 清晨(05∶05-06∶40)和傍晚(17∶12-18∶15)散射層變動聲學(xué)映像圖Fig.1 Echograms showing movement of scattering layers in the morning(05∶05-06∶40) and at dusk(17∶12-18∶15)

圖2是對數(shù)坐標(biāo)系下白天和夜間海里面積散射系數(shù) (Nautical Area Scattering Coefficient,NASC)值隨深度的變化，采用數(shù)據(jù)為2013-09-28,2013-09-29 2 d數(shù)據(jù)的均值，反映了生物的垂直分布。NASC值是海里面積散射系數(shù)，又稱“積分值”，即單位平方海里水域內(nèi)魚的聲學(xué)截面面積，與資源量成正比[21-22]。白天生物主要集中在350～700 m，沒有出現(xiàn)明顯的峰值，但425～475 m水層的NASC值要明顯高于其他深度，在550～700 m內(nèi)分布較平均；夜間，生物主要在0～100 m和350～600 m水層，2個峰值的深度分別為75 m和450 m，且前者NASC值遠(yuǎn)大于后者，NASC最大值出現(xiàn)在夜間的0～100 m水層內(nèi) (圖2)。

圖2 NASC值隨深度的變化圖Fig.2 Vertical distribution of NASC

圖3 白天與夜間資源量比Fig.3 Ratio of daytime NASC versus nighttime NASC

圖3是白天與夜間資源量之比。在深度一定時，比值大于1說明白天資源量比夜間多，比值小于1說明夜間資源量比白天多。0～150 m和250～450 m 水層內(nèi)夜間生物量明顯高于白天， 450～900 m水層白天資源量明顯高于夜間，這是由于夜間下層生物向上層垂直移動所引起 (圖3)。150～200 m水層白天資源量也高于夜間，可能是由于白天部分生物生活在這部分水層，夜間移動到上層，而從下層移動上來的生物很少停留在該水層所引起。

2.2 散射層晝夜變化

根據(jù)NASC隨深度的變化，分別對白天和夜間生物較為集中的0～100 m散射層和350～700 m散射層48 h內(nèi)的變化進(jìn)行了分析 (圖4)。圖中2 d數(shù)據(jù)變動趨勢基本一致，28日350～700 m的NASC值比29日略大。

0～100 m散射層在00∶00-03∶00NASC值較高，約為1 300 m2/n mile2；04∶00時，NASC出現(xiàn)一個峰值1 600 m2/n mile2；然后開始下降，直到07∶00穩(wěn)定在150 m2/n mile2左右；整個白天NASC值基本不變。傍晚17∶00時NASC值開始上升，08∶00后穩(wěn)定在1 100 m2/n mile2左右；夜間，NASC均值約為白天的8倍 (圖4)。

350～700 m散射層凌晨時NASC值較低，約為600 m2/n mile2；至凌晨04∶30時NASC值開始上升, 07∶30后穩(wěn)定在1 000 m2/n mile2左右；白天基本不變。15∶30時出現(xiàn)一個峰值后下降；白天NASC均值約為夜間的2倍 (圖4)。

一個散射層NASC值下降，到另一個散射層NASC值上升的時間延遲約為1 h，即生物從一個散射層移動到另一個需要約1 h(圖4)。

圖4 2013-09-28-29 2個散射層內(nèi)NASC值的連續(xù)變動Fig.4 Variations of NASC of the two deep scattering layers on 2013-09-28-29

2.3 單體目標(biāo)強(qiáng)度隨深度變化

圖5為2013-09-29T10∶00-12∶00和22∶00-24∶00分布較為穩(wěn)定時單體目標(biāo)強(qiáng)度(Target Strength, TS)隨深度的分布圖。白天,在上層中(200 m以淺)檢測到的生物TS大都較小，小于-40 dB；下層中(350～700 m)檢測到的生物TS都較大，大于-40 dB，而且生物在下層中分布較均勻。夜間，生物上升之后，100 m以內(nèi)檢測出的單體數(shù)量明顯增加，并且檢測出一些TS值在-45～-40之間的較大個體 (圖5)。

不同水層生物單體目標(biāo)強(qiáng)度的分布表明，白天，生物基本呈現(xiàn)隨單體目標(biāo)強(qiáng)度增大，其深度加深的規(guī)律。傍晚，生物向上遷移時，下層散射層中有一部分沒有離開散射層，只是集中在層內(nèi)較淺的深度(400～500 m)，與SV映像一致。

圖5 單體檢測Fig.5 Single target detection

2.4 散射層漁獲樣品組成

中層拖網(wǎng)主要漁獲樣品組成信息見表4。白天對上層散射層70 m拖網(wǎng) (網(wǎng)次1) 基本沒有漁獲物。夜間下層散射層部分映像移動到上層以后，在同樣的深度進(jìn)行拖網(wǎng) (網(wǎng)次2)，捕獲到較多的漁獲物，其中有大量的深海魚類，主要屬于燈籠魚科和鉆光魚科，另外也捕獲到一些蝦類和頭足類。這些生物白天生活在深水，夜間到上層覓食。傍晚從下層散射層上升的映像是由這些深海魚類引起的。400 m水層進(jìn)行的拖網(wǎng) (網(wǎng)次3)，采集到的樣品主要是深海魚類，大多屬于燈籠魚科和巨口魚科，但個體普遍比第2網(wǎng)中樣品大，另外也捕獲到一些頭足類。因此下層散射層中不上升的聲學(xué)映像，是由這些沒有遷移習(xí)性的生物組成，這些生物以其他浮游動物和小型深海魚類為食。

中層拖網(wǎng)漁獲組成表明，夜間深海散射層部分生物移動到100 m以淺，白天通常移動到350 m以深，這與聲學(xué)映像數(shù)據(jù)分析結(jié)果一致。

表4 采樣數(shù)據(jù)

3 討 論

3.1 深海生物晝夜垂直移動規(guī)律分析

很多研究將深海散射層的整體的移動作為研究對象，認(rèn)為散射層是整體變動，將垂直移動的這部分生物認(rèn)為是散射層的全部組成[23-24]。但本研究表明南海深海散射層除了有進(jìn)行晝夜垂直移動生物，可能還包括不進(jìn)行晝夜垂直移動的生物，而進(jìn)行遷移的生物也有先后順序，并不是同時遷移，這可能與物種生活習(xí)性不同有關(guān)。南海深海聲散射層主要存在于兩個深度，分別為0～100 m和350～700 m，并且2個散射層內(nèi)生物呈現(xiàn)出有規(guī)律的晝夜變化。白天生物主要活動在下層散射層內(nèi)，分布較為均勻。夜間下層散射層內(nèi)部分生物開始上升，集中在上層散射層內(nèi)。夜間各個散射層的內(nèi)部生物呈現(xiàn)不均勻分布，0～100 m散射層內(nèi)，70 m左右生物最密集，NASC均值可達(dá)800 m2/n mile2；350～700 m散射層內(nèi)，450 m左右生物最密集，NASC均值為140 m2/n mile2。

在生物晝夜遷移的過程中遷移速度也不是恒定的，從圖1中可以看出：下降時開始較快，然后速度減慢；而上升時開始較為緩慢，然后加快。也就是說，在垂直遷移過程中，深度越深遷移速度越慢，深度越淺遷移速度越快。從圖3中可以看出，一個散射層NASC值減少到另一個散射層NASC值增加的時間延遲約為1 h，即生物從一個散射層遷移到另一個層的時間為約1 h。如果按照平均上升高度為400 m計(jì)算，那么上升的平均速度約為6.6 m/min，與其他海域的研究結(jié)果相似[2]。生物垂直遷移呈周期性，周期為1 d；這種遷移變動受到光照的影響，隨著緯度和季節(jié)變化而變動。研究海域當(dāng)天的日出與日落時間分別為05∶59和18∶02，即生物向下遷移開始時刻約為日出前2 h，到日出時基本全部遷移；向上遷移開始時刻約為日落前1 h，日落后生物開始陸續(xù)到達(dá)上層散射層內(nèi)。

3.2 南海散射層晝夜垂直移動對中上層魚類聲學(xué)評估的影響

目前我國正對南海漁業(yè)資源進(jìn)行新一輪調(diào)查，漁業(yè)聲學(xué)是其中一種重要調(diào)查方法，調(diào)查對象主要是中上層魚類。夜間從深層遷移到中上層的生物，會使中上層生物資源量驟然增加；而這些生活在深層的生物不在調(diào)查范圍內(nèi)，會導(dǎo)致評估的中上層魚類資源量大大增加。因此，在調(diào)查設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)后處理中必須考慮散射層晝夜垂直移動對中上層魚類評估的影響，如選擇合適的調(diào)查時段或?qū)σ雇淼臄?shù)據(jù)進(jìn)行修正。

3.3 深海散射層的形成

從散射層的特點(diǎn)和分布看，浮游動物似乎是散射層的主要形成者，因?yàn)椴簧俑∮蝿游?，特別是磷蝦類和管水母類，具有分布廣、數(shù)量大，并常密集在一起的現(xiàn)象，并且它們一般都有晝夜垂直移動的特性[24-25]。但更多的海上調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，有些游泳動物如魚類 (燈籠魚等) 和頭足類 (烏賊等)，在散射層的形成中也起著相當(dāng)重要的作用[26-27]。本文中層拖網(wǎng)漁獲信息也印證和支持以上結(jié)論。

本文研究結(jié)果表明南海的主要散射層在白天為350～700 m。其他海域白天散射層分布的研究結(jié)果為：美國西岸的加利福尼亞州沿海為280～460 m，太平洋熱帶和亞熱帶海域?yàn)?280～830 m，北冰洋為25～200 m，大西洋東部海域?yàn)?350～600 m[28]。有些海域白天可以觀察到多個散射層，如紅?？梢杂^察到4個散射層，分別為0～100,150～300,400～600,600～800 m[29]，本文也發(fā)現(xiàn)白天在0～100 m的較弱散射層中SV值較小，且只檢測到TS很小的單體，拖網(wǎng)中也沒有漁獲物;初步分析認(rèn)為這個散射層由浮游生物、魚卵和仔魚引起。深層散射層的深度隨海區(qū)不同而異，這可能跟各海區(qū)的深度及生物組成等的不同有關(guān)[26-28]。

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Received: April 10, 2014

Vertical Distribution and Diurnal Movement of the Deep Scattering Layer in the South China Sea

LIU Shi-gang1,2, TANG Yong1, CHEN Guo-bao2,3, ZHANG Jun2,3, YAO Zhuang1,2,GUO Yu1,2, LIU Hua-bo4

(1.SchoolofMarineTechnologyandEnvironment,DalianOceanUniversity, Dalian 116023,China;2.SouthChinaSeaFisheriesResearchInstitute,ChineseAcademyofFisherySciences, Guangzhou 510300, China;3.KEYFieldScientificExperimentalStationofSouthChinaSeaFisheryResourceandEnvironment,MinistryofAgriculture, Guangzhou 510300, China;4.ChinaMarineSurveillanceTeamofWendengCounty, Weihai 264400, China)

The vertical distribution and diurnal movement of the deep scattering layer in the South China Sea were analyzed based on continuous monitoring of shipborne Simrad EK60 scientific echosounder (38 kHz) and biologically samples collected with pelagic trawl in September 2013. The results showed that two deep scattering layers exist in the deep water of the South China Sea and their typical depths are 0～100 m and 350～700 m, respectively. The scattering layers show an obvious diurnal vertical movement: from 16:00 to 19:00, some organisms in the 350～700 m layer move up to the 0～100 m layer; from 04:00 to 07:00, the organisms that once moved up to the 0～100 m layer move back into the 350～700 m layer. The sampling results of pelagic trawl also show that, the catches in the 0～100 m scatting layer during daytime are less than during nighttime. This confirms the phenomenon of diurnal movement between the two scattering layers detected by echogram.

the South China Sea；deep scattering layer；vertical distribution；diurnal movement

2014-04-10

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目——南海外海大洋性頭足類聲學(xué)評估技術(shù)(2013ZD03)和頻差技術(shù)在南海外海多魚種映像差別中的應(yīng)用研究(2014TS18); 國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目——南海外海捕撈技術(shù)與新資源開發(fā)(2013BAD13B06); 農(nóng)業(yè)部財(cái)政重大專項(xiàng)項(xiàng)目——南海漁業(yè)資源調(diào)查與評估(NFZX2013); 國家財(cái)政專項(xiàng)項(xiàng)目——南海海洋捕撈信息動態(tài)采集網(wǎng)絡(luò)(E935)

劉世剛(1989-),男,黑龍江哈爾濱人，碩士研究生，主要從事漁業(yè)資源和漁業(yè)聲學(xué)方面研究. E-mail: lsgsounder@163.com

*通訊作者:陳國寶(1975-),男，廣東徐聞人，研究員，碩士，主要從事漁業(yè)資源與漁業(yè)聲學(xué)方面研究. E-mail: chenguobao@scsfri.ac.cn

(張 騫 編輯)

S932.4

A

1671-6647(2015)02-0173-09