枸杞島貽貝筏式養(yǎng)殖海域水下噪聲測(cè)量與分析

陳 佳，王逸廷，張旭光，2，劉 鑫，郭弘藝，李 超，彭 堯

（1.上海海洋大學(xué)國家海洋生物國際聯(lián)合研究中心，上海 201306；2.上海海洋大學(xué)海洋牧場(chǎng)工程技術(shù)研究中心，上海 201306；3.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所，上海 200090；4.中國三峽新能源（集團(tuán)）股份有限公司江浙公司，江蘇鹽城 224000）

隨著人們對(duì)高品質(zhì)水產(chǎn)品需求量的增加，海水筏式原位養(yǎng)殖的規(guī)模越來越大。海水筏式養(yǎng)殖是指通過浮筏和錨繩在海洋水體中固定多個(gè)養(yǎng)殖網(wǎng)箱或垂下式養(yǎng)殖繩的養(yǎng)殖模式［1］。筏式養(yǎng)殖設(shè)施往往占據(jù)一定的水體厚度，并在不同程度上改變了海洋水體的空間結(jié)構(gòu)，為各種附著和游泳生物提供了棲息、攝食和避敵的場(chǎng)所［2－4］。浙江省嵊泗枸杞島是典型的島礁型海島，面積約5.6 km2，其附近海域不僅是魚類的重要棲息地，也是我國重要的貽貝（Mytilusedulis）筏式養(yǎng)殖示范區(qū)，養(yǎng)殖面積已達(dá)10 km2，接近本島面積的兩倍［3］。目前，針對(duì)枸杞島筏式養(yǎng)殖海域已展開了許多方面的科學(xué)研究，如汪振華等［2，5］對(duì)筏式養(yǎng)殖海域生物組成方面進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，在貽貝養(yǎng)殖場(chǎng)，水域生境的生物結(jié)構(gòu)由小黃魚（Larimichthyspolyactis）、皮氏叫姑魚（Johnius belangerii）、褐菖鲉（Sebastiscusmarmoratus）及附生的海藻等構(gòu)成；在營養(yǎng)運(yùn)輸方面，王旭等［6］的研究表明，成熟期和幼苗期的貽貝會(huì)對(duì)水體的健康以及水體溶解碳分布格局產(chǎn)生不同影響；畢遠(yuǎn)溥等［7］研究了養(yǎng)殖貝類對(duì)筏式養(yǎng)殖區(qū)水質(zhì)環(huán)境的影響；LIN等［3］針對(duì)枸杞島貽貝筏式養(yǎng)殖設(shè)施對(duì)海洋水文動(dòng)力的影響進(jìn)行了分析。高密度的連片式筏式養(yǎng)殖設(shè)施不僅會(huì)改變海洋水文動(dòng)力特征［3－4］，還可能改變水下聲音的傳播和衰減的程度，從而形成筏式養(yǎng)殖區(qū)域特定的水下聲境特征。但筏式養(yǎng)殖海域的水下噪聲研究還鮮見報(bào)道。海洋環(huán)境噪聲對(duì)魚類的洄游［8］、棲息地選擇［9］、生殖和生長(zhǎng)發(fā)育［10］都具有極其重要的影響，而不同類型的筏式養(yǎng)殖海域水下噪聲可能對(duì)魚類的分布、生長(zhǎng)和行為產(chǎn)生影響［8－11］。本文利用被動(dòng)聲吶技術(shù)監(jiān)測(cè)了浙江省枸杞島貽貝筏式養(yǎng)殖海域的水下噪聲，旨在了解筏式養(yǎng)殖海域水下噪聲的垂直分布特征，以進(jìn)一步確定筏式養(yǎng)殖設(shè)施對(duì)海洋聲境的影響及筏式養(yǎng)殖噪聲對(duì)魚類資源分布和聲訊交流的影響。

1 材料與方法

1.1 測(cè)定站點(diǎn)

本研究區(qū)域位于浙江省嵊泗枸杞島的貽貝筏式養(yǎng)殖海區(qū)。貽貝的筏式養(yǎng)殖設(shè)施主要由浮繩、苗繩和錨繩組成，掛滿貽貝的苗繩在浮繩浮力的作用下懸掛于水體中，苗繩長(zhǎng)為3～5 m。枸杞島貽貝養(yǎng)殖場(chǎng)主要分布在4個(gè)片區(qū)，其中島西北方向的2個(gè)片區(qū)最大，也是長(zhǎng)期穩(wěn)定的養(yǎng)殖區(qū)（圖1）。分別在貽貝養(yǎng)殖海域內(nèi)設(shè)置監(jiān)測(cè)站點(diǎn)M1（122°44′35″E、30°43′16″N）和養(yǎng)殖海域外設(shè)置測(cè)定站點(diǎn)M2（122°45′10″E、30°43′00″N）進(jìn)行測(cè)量，M1和M2點(diǎn)相距1 km左右，以保證在一個(gè)平潮期內(nèi)完成測(cè)量，且M1和M2位于10 m的等深線，具有相似的海底底質(zhì)特征［3］，以減少流場(chǎng)環(huán)境和地理環(huán)境差異對(duì)水下噪聲影響。

圖1 貽貝養(yǎng)殖海域水下噪聲測(cè)定站點(diǎn)Fig.1 Measure sites for underwater noise in mussel farming waters

1.2 數(shù)據(jù)采集與處理

2019年8月3—5日租用當(dāng)?shù)嘏菽瓭O船進(jìn)行水下噪聲調(diào)查。泡沫漁船長(zhǎng)12 m，動(dòng)力采用16 kW柴油發(fā)動(dòng)機(jī)（洋馬，3TNV88，日本），為典型的枸杞島海域作業(yè)漁船。泡沫漁船吃水較淺，可以減少海浪撲打船舷產(chǎn)生的噪聲。在進(jìn)行貽貝筏式養(yǎng)殖海域水下噪聲調(diào)查前，首先對(duì)漁船發(fā)動(dòng)機(jī)的水下噪聲進(jìn)行記錄。漁船拋錨后，分1～3個(gè)由低到高檔位，在貽貝場(chǎng)外（M2）定點(diǎn)記錄漁船發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)水深5 m和10 m處的噪聲，以確定漁船發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)的水下噪聲特征。

在監(jiān)測(cè)站點(diǎn)進(jìn)行調(diào)查時(shí)，漁船拋錨固定，并關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)避免記錄時(shí)船上人為活動(dòng)的干擾。被動(dòng)聲吶系統(tǒng)由水聽器（Reson TC4032，靈敏度：－170 dB；參考聲壓1μPa；頻率響應(yīng)：5～120 kHz）和采集模塊（BK 3050）組成。測(cè)量時(shí)，通過泡沫浮球和鐵墜將2個(gè)水聽器垂直固定于水深5 m和10 m處，水下噪聲信號(hào)通過水聽器采集后，保存在電腦中以進(jìn)行離線分析。監(jiān)測(cè)站點(diǎn)（M1和M2）距離較近，每個(gè)位點(diǎn)的水下噪聲連續(xù)記錄1 h左右，并確保2個(gè)測(cè)定站點(diǎn)在測(cè)量時(shí)處于相似的潮流環(huán)境。為了確定風(fēng)關(guān)噪聲，在水下噪聲測(cè)量過程中，利用手持風(fēng)速儀（Prova，AVM-01）每隔5 min測(cè)量1次4個(gè)不同方向的風(fēng)速。

水下噪聲數(shù)據(jù)由BK Connect（2018）軟件進(jìn)行離線分析，利用30 s時(shí)間窗隨機(jī)截取10個(gè)聲音文件進(jìn)行1／3倍頻程聲壓級(jí)（1／3-octave sound pressure level，SPL）計(jì)算；為確定風(fēng)速與峰值信號(hào)聲壓級(jí)關(guān)系，截取采集風(fēng)速時(shí)間前后各15 s的聲音文件進(jìn)行1／3倍頻程聲壓級(jí)計(jì)算?；隰~類聽覺敏感范圍（100～1 000 Hz）［11］，本次測(cè)量分析的頻率帶寬上限設(shè)置為2 500 Hz，F(xiàn)FT線數(shù)2 500，頻率分辨率為1 Hz，漢寧窗（Hanning window）時(shí)間計(jì)權(quán)，重疊率75%（BK Connect）。不同測(cè)量組間的差異性由SigmaPlot軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（ANOVA）。

2 結(jié)果與分析

2.1 貽貝筏式養(yǎng)殖場(chǎng)海域水下噪聲特征

如圖2所示，貽貝養(yǎng)殖場(chǎng)海域水下噪聲的1／3倍頻程聲壓級(jí)隨著頻率的增加而下降，在10～2 500 Hz內(nèi)，平均聲壓級(jí)（87.7±13.7）dB，其中低頻段（10～1 000 Hz）平均聲壓級(jí)為（91.2±11.8）dB，高頻段（＞1 000 Hz）平均聲壓級(jí)為（68.9±5.5）dB。

圖2 貽貝養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)外水下噪聲聲壓級(jí)Fig.2 SPL of underwater noise inside and outside mussel farming waters

如圖3所示，貽貝養(yǎng)殖場(chǎng)海域的水下噪聲1／3倍頻程聲壓級(jí)中存在63、250、500 Hz 3個(gè)明顯的峰值，在不同深度均表現(xiàn)為貽貝養(yǎng)殖區(qū)外（M2）平均聲壓級(jí)高于貽貝養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)（M1），其中63 Hz在不同深度的平均聲壓級(jí)在M1和M2分別為（87.9±0.5）dB和（102.8±1.9）dB，250 Hz的平均聲壓級(jí)分別為（85.7±0.9）dB和（100.7±1.9）dB，500 Hz的平均聲壓級(jí)分別為（82.1±0.9）dB和（93.4±2.0）dB。

由圖3可知，在10～25 Hz頻率范圍內(nèi)，貽貝養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)（M1）和養(yǎng)殖區(qū)外（M2）水深10 m處的平均聲壓級(jí)均顯著大于水深5 m處（P＜0.05，ANOVA）。63 Hz在M1和M2不同深度處的聲壓級(jí)均沒有顯著性差異（P＞0.05）；250 Hz在M1站點(diǎn)不同深度處的聲壓級(jí)沒有顯著性差異（P＞0.05），但250 Hz在M2站點(diǎn)水深5 m處聲壓級(jí)（105.6±2.2）dB顯著大于水深10 m處（95.7±2.7）dB（P＜0.05）；500 Hz在M1站點(diǎn)水深10 m處的聲壓級(jí)（85.3±0.5）dB顯著大于水深5 m處（79.4±0.9）dB（P＜0.01），但500 Hz在M2站點(diǎn)不同深度的聲壓級(jí)沒有顯著性差異（P＞0.05）。

圖3 貽貝養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)外聲壓級(jí)比較Fig.3 Comparison of SPL inside and outside mussel farming waters

2.2 漁船的水下噪聲特征

在養(yǎng)殖區(qū)外，對(duì)泡沫漁船發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的水下噪聲進(jìn)行了測(cè)量分析。不同檔位的發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲在相同深度的差異不顯著（水深5 m：P＞0.05；水深10 m：P＞0.05；Kruskal-Wallis ANOVA）。在10～25 Hz的頻率范圍內(nèi)，水深5 m處的平均聲壓級(jí)顯著小于水深10 m處（P＜0.01），但在80～500 Hz的頻率范圍內(nèi)，水深5 m處的聲壓級(jí)顯著大于水深10 m處（P＜0.01）。在漁船水下噪聲的頻譜圖中存在2個(gè)明顯的峰值，分別是250 Hz和500 Hz。250 Hz在水深5 m處的聲壓級(jí)（114.7±1.7）dB顯著大于水深10 m處（97.4±0.9）dB（P＜0.01），但500 Hz的聲壓級(jí)在水深5 m和10 m處無顯著性差異（P＞0.05），平均聲壓級(jí)為（102.0±0.9）dB。

2.3 貽貝養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)風(fēng)速對(duì)水下噪聲的影響

在貽貝養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)進(jìn)行水下噪聲記錄時(shí)，每隔5 min進(jìn)行1次4個(gè)方向（東E、南S、西W、北N）的風(fēng)速測(cè)量，在1 h內(nèi)共記錄11組風(fēng)速數(shù)據(jù)，平均風(fēng)速為N：（1.3±0.4）m·s－1；S：（1.5±0.3）m·s－1；E：（6.3±0.6）m·s－1；W：（4.1±0.4）m·s－1。表1為3個(gè)峰值信號(hào)（63、250、500 Hz）與4個(gè)方向風(fēng)速的線性擬合結(jié)果。由表1可知，不同頻率的峰值與風(fēng)速均無顯著的相關(guān)性（R2＜0.8；P＞0.05），這表明養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)的這些頻率的噪聲并非風(fēng)關(guān)噪聲。

表1 聲壓級(jí)與風(fēng)速相關(guān)性Tab.1 Correlation between SPL and wind speed

3 討論

海洋環(huán)境噪聲由風(fēng)、浪、降雨、生物發(fā)聲等自然活動(dòng)和航運(yùn)等人類活動(dòng)共同形成［12－14］。在海洋環(huán)境噪聲的研究中，普遍認(rèn)為航運(yùn)產(chǎn)生的水下噪聲和風(fēng)浪引起的水下噪聲（風(fēng)關(guān)噪聲）是影響海洋環(huán)境噪聲的兩大主要聲源，前者以低頻噪聲為主（100～500 Hz），后者主要是較高頻段的噪聲（500～25 000 Hz）［13－16］。本文對(duì)枸杞島貽貝筏式養(yǎng)殖海域的水下噪聲進(jìn)行了分析研究，結(jié)果表明，在10～2 500 Hz范圍內(nèi)，貽貝筏式養(yǎng)殖場(chǎng)水下噪聲的聲壓級(jí)隨著聲音頻率升高而下降，為明顯的低頻噪聲，主要存在63、250、500 Hz 3個(gè)頻率峰值。聲壓級(jí)與風(fēng)速的線性擬合結(jié)果表明，這3個(gè)頻率的聲壓級(jí)與風(fēng)速均無明顯相關(guān)性。因此，推測(cè)上述頻率的噪聲可能是貽貝筏式養(yǎng)殖設(shè)施相關(guān)的噪聲或漁船噪聲，而非風(fēng)關(guān)噪聲［18］。

一般來說，海洋表層風(fēng)關(guān)噪聲的聲壓級(jí)與風(fēng)速大小有著明顯的正相關(guān)性［16－20］，且由于聲音在水中傳播的能量衰減，風(fēng)關(guān)噪聲或表層水下噪聲的聲壓級(jí)隨著水深的增加而降低［20－21］，即表層的聲壓級(jí)大于底層深水處。本文對(duì)漁船發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的水下噪聲進(jìn)行分析，結(jié)果表明，其頻率存在250 Hz和500 Hz 2個(gè)峰值。250 Hz的聲壓級(jí)在水深5 m處明顯大于水深10 m處，但500 Hz在水深5 m和10 m處的聲壓級(jí)沒有明顯差異。漁船發(fā)動(dòng)機(jī)作為表層聲源，其水下噪聲向下傳播時(shí)存在明顯的能量衰減［19］。因此，筆者認(rèn)為250 Hz是由漁船發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的主要頻率。王超等［17］對(duì)我國南海夏季海洋水下噪聲的長(zhǎng)期研究也表明，30～300 Hz頻率范圍內(nèi)的噪聲為航船噪聲，其聲壓級(jí)與風(fēng)速的相關(guān)性較弱，本文的研究結(jié)果與其相一致。

在貽貝筏式養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)，500 Hz的聲壓級(jí)在水深5 m處的聲壓級(jí)小于水深10 m處，表明500 Hz的噪聲源來自底層而非表層。LIN等［3］對(duì)貽貝養(yǎng)殖場(chǎng)流速的模擬研究表明，貽貝養(yǎng)殖場(chǎng)筏式養(yǎng)殖設(shè)施能明顯降低海域內(nèi)的流速，其中表層速度降低75%～90%，但底層的流速只下降45%。因此，在貽貝筏式養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)，最大流速出現(xiàn)在水深10～15 m的底層，而非表層［3］。10～30 Hz頻率范圍的低頻噪聲一般是由風(fēng)產(chǎn)生的海洋湍流引起［17－18，21］。由圖3可以看出，在10～20 Hz頻率范圍內(nèi)，養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)水深10 m處的平均聲壓級(jí)大于水深5 m處，這從側(cè)面印證了LIN等［3］闡述的貽貝養(yǎng)殖場(chǎng)筏式設(shè)施有表層阻流的效應(yīng)，使筏式設(shè)施下層產(chǎn)生更多的海洋湍流。貽貝養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)水深10 m處的流速大于水深5 m處，也可能導(dǎo)致水深10 m處對(duì)應(yīng)的低頻段噪聲的聲壓級(jí)相應(yīng)增大。然而，在貽貝養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)，水深10 m處的500 Hz的聲壓級(jí)也大于水深5 m處。一般來說，由于風(fēng)浪的作用，表層（淺水）的聲壓級(jí)要大于中、底層（深水）［20］?；谫O貝養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)水下噪聲聲壓級(jí)隨著深度增加而增加的現(xiàn)象（垂直分布相反）［3，20］，筆者認(rèn)為，養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)水下噪聲中500 Hz的信號(hào)可能來源于貽貝筏式養(yǎng)殖設(shè)施?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，高密度的連片式筏式養(yǎng)殖設(shè)施可能改變了表底層海水流速，并通過懸掛在水體中貽貝苗繩的擺動(dòng)形成新的噪聲源，或通過改變聲音的反射路徑，形成一種筏式養(yǎng)殖海域特有的水下噪聲特征。貽貝筏式養(yǎng)殖設(shè)施在水下產(chǎn)生的500 Hz信號(hào)的物理機(jī)制仍需要進(jìn)一步的研究探索。

漁船發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的水下噪聲中存在2個(gè)峰值頻率，分別為250 Hz和500 Hz，其中250 Hz峰值較高為主要頻率，而500 Hz峰值較低為次要頻率。250 Hz的聲壓級(jí)在5 m處大于10 m處，但500 Hz的聲壓級(jí)在5 m和10 m處沒有明顯的差異，說明漁船噪聲500 Hz的信號(hào)可能受到了筏式養(yǎng)殖噪聲中500 Hz信號(hào)的疊加影響，使得水深10 m處的船舶噪聲中500 Hz的聲壓級(jí)增加，從而表現(xiàn)為500 Hz的聲壓級(jí)與深度無關(guān)。如果沒有筏式養(yǎng)殖設(shè)施影響，500 Hz和250 Hz的聲壓級(jí)都會(huì)隨著深度增加而減小，即在10 m處應(yīng)低于5 m處。這是因?yàn)槁曇粜盘?hào)從表面（發(fā)動(dòng)機(jī)位置）向水下傳播時(shí)存在傳播能量損失［19－20］。由圖3還可知，筏式養(yǎng)殖設(shè)施頻譜中也存在250 Hz的信號(hào)，在貽貝養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)250 Hz聲壓級(jí)在5 m和10 m處沒有明顯的差異，但在養(yǎng)殖區(qū)外250 Hz的聲壓級(jí)在5 m處大于10 m處。在貽貝養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)，遠(yuǎn)方漁船的250 Hz噪聲與筏式養(yǎng)殖的250 Hz噪聲相互疊加，使得養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)的250 Hz聲壓級(jí)在表層加強(qiáng)，表現(xiàn)為養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)250 Hz聲壓級(jí)在不同深度無顯著性差異（如果沒有漁船影響，表層噪聲聲壓級(jí)應(yīng)低于底層）。不同類型水下噪聲相互疊加影響的方式可能為：1）250 Hz的船舶噪聲與筏式養(yǎng)殖噪聲疊加影響后，其表層和底層的聲壓級(jí)沒有差異；2）500 Hz的船舶噪聲與筏式養(yǎng)殖噪聲疊加影響后，由于500 Hz是筏式養(yǎng)殖噪聲主導(dǎo)，因而筏式養(yǎng)殖噪聲底層的聲壓級(jí)大于表層；3）250 Hz的船舶噪聲與筏式養(yǎng)殖噪聲疊加影響后，由于250 Hz是船舶噪聲主導(dǎo)，因而船舶噪聲表層的聲壓級(jí)大于底層；4）500 Hz的船舶噪聲與筏式養(yǎng)殖噪聲疊加影響后，其表層和底層的聲壓級(jí)沒有差異。

貽貝養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)、外噪聲的比較測(cè)量表明，養(yǎng)殖區(qū)外的聲壓級(jí)要顯著大于養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)。一方面，養(yǎng)殖區(qū)外沒有成片的筏式養(yǎng)殖設(shè)施（M2站點(diǎn)直接與外海相通），無阻流效應(yīng)［3］，其區(qū)域內(nèi)海水的整體流速較大，尤其表層流速更大。因此，在養(yǎng)殖區(qū)外水下噪聲聲壓級(jí)明顯高于養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)。另一方面，在養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)，不僅有成片的筏式養(yǎng)殖設(shè)施，降低了表層流速，而且水體中高密度的浮繩結(jié)構(gòu)對(duì)外界噪聲也可能有一定的屏障作用［3］。

作為一種人工生境，貽貝筏式養(yǎng)殖設(shè)施雖然對(duì)底層環(huán)境的空間結(jié)構(gòu)影響不大，但由于對(duì)潮汐流的阻流效應(yīng)，筏式養(yǎng)殖設(shè)施對(duì)水下噪聲環(huán)境的改變卻可能影響一些底層的聲訊交流魚類［27］。枸杞島附近海域是一些發(fā)聲魚類的主要棲息地［2，5，22］，聲音信號(hào)在它們的攝食、生殖等行為中有著重要的作用［23－25］。汪振華等［2］對(duì)貽貝養(yǎng)殖海域的魚類組成研究證明，近底層的魚類小黃魚在該海域中已轉(zhuǎn)為表層的優(yōu)勢(shì)種。小黃魚的棲息水層深度的改變是否受到筏式養(yǎng)殖噪聲的驅(qū)動(dòng)，目前尚不清楚。但筏式養(yǎng)殖噪聲頻率與部分魚類的聽覺頻率范圍重疊［25－28］，說明這類筏式養(yǎng)殖噪聲可以被魚類感知，并可能影響它們的聲訊交流［28－30］。枸杞島附近筏式養(yǎng)殖面積已達(dá)10 km2，接近本島面積的兩倍，如此規(guī)模龐大的筏式養(yǎng)殖設(shè)施以及其相關(guān)的水下噪聲如何影響該海域中的魚類或其他水生動(dòng)物，還需要進(jìn)一步的研究。