南海深海声学散射层垂直分布和昼夜变化初步研究

刘世刚，汤 勇，陈国宝，张 俊，姚 壮，郭 禹，刘华波

(1.大连海洋大学 海洋科技与环境学院，辽宁 大连 116023; 2.中国水产科学研究院 南海水产研究所，广东 广州 510300;3.农业部 南海渔业资源环境科学观测试验站，广东 广州 510300;4.中国海监 威海市文登区大队，山东 威海 264400)

南海深海声学散射层垂直分布和昼夜变化初步研究

刘世刚1,2，汤 勇1，陈国宝2,3*，张 俊2,3，姚 壮1,2，郭 禹1,2，刘华波4

(1.大连海洋大学 海洋科技与环境学院，辽宁 大连 116023; 2.中国水产科学研究院 南海水产研究所，广东 广州 510300;3.农业部 南海渔业资源环境科学观测试验站，广东 广州 510300;4.中国海监 威海市文登区大队，山东 威海 264400)

2013-09利用船载Simrad EK60科学鱼探仪(38 kHz)对南海深海声学散射层进行了连续监测，并结合变水层拖网采样分析了其垂直分布和昼夜变化。结果表明，南海深海存在2个明显的声学散射层，特征深度分别为0～100 m和350～700 m，并且2个散射层间存在较为明显的昼夜垂直移动现象。其随时间变化情况为：16∶00-19∶00，350～700 m散射层中的部分生物逐渐向上移动到0～100 m散射层；04∶00-07∶00，这部分上升的生物又逐渐移回至350～700 m散射层。变水层拖网采样结果发现，白天0～100 m散射层内渔获物数量较少，夜间0～100 m散射层内渔获物较多，验证了声学映像所检测到的2个散射层间确实存在昼夜移动的现象。

南海；深海散射层；垂直分布；昼夜变化

深海散射层是大洋深水中普遍存在的生物聚居的水平层，最早于1942年在太平洋首次被发现[1]，一般认为浮游动物是散射层的主要形成者[2-4]。由于各种海洋生物都有特定活动规律和空间分布的特征，而且一般都与大尺度的环境条件有关，故可把深海散射层的探测作为研究海洋生态学和监测海洋环境的手段，因此散射层的特性和分布规律受到众多海洋生物和海洋物理学家的重视[5-8]。随着南海近海渔业资源衰退，我国日益重视南海外海渔业资源的研究和开发[9-10]。深海散射层蕴藏着丰富的鱼类资源，可能是未来人类重要的蛋白来源[6-7]。深海浮游动物和鱼类昼降夜升的习性能够将海洋上层的碳带到深海，对全球海洋碳的循环和流通有重要意义[11]。此外，深海散射层研究是评估中层和深海鱼类资源量的基础，亦有助于更准确地分析评估南海外海上层鱼类资源。

近年来，渔业水声学技术在我国得到快速发展，但主要是对渔业声学的基础性研究[12-13]和近岸、淡水及岛礁鱼类研究[14-16]，关于深海鱼类和散射层声学研究的报告不多见[8]。本文利用Simrad EK60科学鱼探仪和中层拖网对0～100 m和350～700 m水层24 h内声学反向散射强度的变化进行了连续现场观测和研究，分析了南海南部1 000 m以浅的深海散射层的垂直分布和昼夜变化特征，并研究了单目标回波强度与深度的关系，旨在为南海外海渔业开发和深海鱼类研究积累资料。

1 材料与方法

1.1 声学数据采集

声学数据由“南峰号”科考船所载Simrad EK60科学鱼探仪采集于南海南部，其换能器工作频率包括38 kHz和120 kHz，主要技术参数见表1。为保证声学调查原始数据的准确性，采用国际通用的标准球法对声学仪器进行了校正[17]。由于120 kHz换能器探测能力达不到本次研究的深度，只采用38 kHz换能器所采集的数据。此次对南海南部的调查时间为2013-09-05-10-03，在近一个月的航行中对南海深海海域的生物垂直分布进行了观测，在整个航次中散射层深度基本不变，生物的昼夜迁移规律也相同，只是迁移时间会随着纬度的变化稍有变动。由于航行中风浪较大，噪音较多，因此进行了漂流监测以获得较好数据。本文所用数据为漂流监测期间所采集，时间为2013-09-28T00∶00-29T24∶00，位置为117°34′～117°50′E，12°13′～12°35′N,海域深度变化较平缓，平均深度为3 500 m，漂流速度为1.2 n mile/h。

表1 Simrad EK60鱼探仪主要技术参数

声学数据由Echoview 4.9软件进行处理，研究深度设置为0～1 200 m，最小航程积分单元为600声脉冲。通过设置阈值、虚拟变量法和手动法消除噪声[18]。积分阈值和目标强度阈值根据研究目标分别设置为-75 dB和-65 dB[19-20]。

为研究不同水层生物单体目标强度的分布特点及变化规律，利用Echoview 4.9中的单目标探测功能，对漂流监测期间白天和夜间的0～700 m水层内的单体回波信号进行了分析。所用数据为2013-09-29T10∶00-12∶00和22∶00-24∶00分布较为稳定时的数据。表2为检测单体目标相关参数的设置。

表2 单体检测的参数设置

1.3 生物学样品采集

为获取散射层生物组成信息，进行了变水层拖网采样，网具参数如表3所示。拖网深度由Simard PI44 网位仪监测，网位仪置于网具上纲。拖网水层分别是两个水层中声学回波较强的70 m和420 m。实验中共进行了3次拖网，分别为白天70 m、夜晚70 m和夜间420 m。所有渔获物全部速冻带回陆地实验室进行鉴定和测量。

表3 采样网具主要技术参数

2 结 果

2.1 散射层垂直分布

早上和傍晚散射层部分体积反向散射强度(volume backscattering strength,SV)映像如图1。SV值越大反向散射强度越强，生物密度越高。夜间声学映像主要集中在100 m水层以浅，400～500 m水层也存在大量声学映像。到清晨05∶00左右，映像开始从100 m水层内下降到350 m以下，主要体现在第3 000～3 600声脉冲。白天，声学映像集中在350～700 m，100 m水层以浅仍有部分较弱映像；傍晚，部分映像又从350～700 m水层上升到100 m水层以内，主要体现在第9 600～10 200声脉冲，但仍有部分映像留在此水层内。在迁移过程中所有映像并不是同时迁移，有先后之分。

《中国储运》由《中国学术期刊 ( 光盘版 ) 》、《中国期刊网》（《知网》）、中国期刊全文数据库、CEPS中文电子期刊数据库、中国核心期刊（遴选）数据库全文收录。

图1 清晨(05∶05-06∶40)和傍晚(17∶12-18∶15)散射层变动声学映像图Fig.1 Echograms showing movement of scattering layers in the morning(05∶05-06∶40) and at dusk(17∶12-18∶15)

图2是对数坐标系下白天和夜间海里面积散射系数 (Nautical Area Scattering Coefficient,NASC)值随深度的变化，采用数据为2013-09-28,2013-09-29 2 d数据的均值，反映了生物的垂直分布。NASC值是海里面积散射系数，又称“积分值”，即单位平方海里水域内鱼的声学截面面积，与资源量成正比[21-22]。白天生物主要集中在350～700 m，没有出现明显的峰值，但425～475 m水层的NASC值要明显高于其他深度，在550～700 m内分布较平均；夜间，生物主要在0～100 m和350～600 m水层，2个峰值的深度分别为75 m和450 m，且前者NASC值远大于后者，NASC最大值出现在夜间的0～100 m水层内 (图2)。

图2 NASC值随深度的变化图Fig.2 Vertical distribution of NASC

图3 白天与夜间资源量比Fig.3 Ratio of daytime NASC versus nighttime NASC

图3是白天与夜间资源量之比。在深度一定时，比值大于1说明白天资源量比夜间多，比值小于1说明夜间资源量比白天多。0～150 m和250～450 m 水层内夜间生物量明显高于白天， 450～900 m水层白天资源量明显高于夜间，这是由于夜间下层生物向上层垂直移动所引起 (图3)。150～200 m水层白天资源量也高于夜间，可能是由于白天部分生物生活在这部分水层，夜间移动到上层，而从下层移动上来的生物很少停留在该水层所引起。

2.2 散射层昼夜变化

根据NASC随深度的变化，分别对白天和夜间生物较为集中的0～100 m散射层和350～700 m散射层48 h内的变化进行了分析 (图4)。图中2 d数据变动趋势基本一致，28日350～700 m的NASC值比29日略大。

0～100 m散射层在00∶00-03∶00NASC值较高，约为1 300 m2/n mile2；04∶00时，NASC出现一个峰值1 600 m2/n mile2；然后开始下降，直到07∶00稳定在150 m2/n mile2左右；整个白天NASC值基本不变。傍晚17∶00时NASC值开始上升，08∶00后稳定在1 100 m2/n mile2左右；夜间，NASC均值约为白天的8倍 (图4)。

350～700 m散射层凌晨时NASC值较低，约为600 m2/n mile2；至凌晨04∶30时NASC值开始上升, 07∶30后稳定在1 000 m2/n mile2左右；白天基本不变。15∶30时出现一个峰值后下降；白天NASC均值约为夜间的2倍 (图4)。

一个散射层NASC值下降，到另一个散射层NASC值上升的时间延迟约为1 h，即生物从一个散射层移动到另一个需要约1 h(图4)。

图4 2013-09-28-29 2个散射层内NASC值的连续变动Fig.4 Variations of NASC of the two deep scattering layers on 2013-09-28-29

2.3 单体目标强度随深度变化

图5为2013-09-29T10∶00-12∶00和22∶00-24∶00分布较为稳定时单体目标强度(Target Strength, TS)随深度的分布图。白天,在上层中(200 m以浅)检测到的生物TS大都较小，小于-40 dB；下层中(350～700 m)检测到的生物TS都较大，大于-40 dB，而且生物在下层中分布较均匀。夜间，生物上升之后，100 m以内检测出的单体数量明显增加，并且检测出一些TS值在-45～-40之间的较大个体 (图5)。

不同水层生物单体目标强度的分布表明，白天，生物基本呈现随单体目标强度增大，其深度加深的规律。傍晚，生物向上迁移时，下层散射层中有一部分没有离开散射层，只是集中在层内较浅的深度(400～500 m)，与SV映像一致。

图5 单体检测Fig.5 Single target detection

2.4 散射层渔获样品组成

中层拖网主要渔获样品组成信息见表4。白天对上层散射层70 m拖网 (网次1) 基本没有渔获物。夜间下层散射层部分映像移动到上层以后，在同样的深度进行拖网 (网次2)，捕获到较多的渔获物，其中有大量的深海鱼类，主要属于灯笼鱼科和钻光鱼科，另外也捕获到一些虾类和头足类。这些生物白天生活在深水，夜间到上层觅食。傍晚从下层散射层上升的映像是由这些深海鱼类引起的。400 m水层进行的拖网 (网次3)，采集到的样品主要是深海鱼类，大多属于灯笼鱼科和巨口鱼科，但个体普遍比第2网中样品大，另外也捕获到一些头足类。因此下层散射层中不上升的声学映像，是由这些没有迁移习性的生物组成，这些生物以其他浮游动物和小型深海鱼类为食。

中层拖网渔获组成表明，夜间深海散射层部分生物移动到100 m以浅，白天通常移动到350 m以深，这与声学映像数据分析结果一致。

表4 采样数据

3 讨 论

3.1 深海生物昼夜垂直移动规律分析

很多研究将深海散射层的整体的移动作为研究对象，认为散射层是整体变动，将垂直移动的这部分生物认为是散射层的全部组成[23-24]。但本研究表明南海深海散射层除了有进行昼夜垂直移动生物，可能还包括不进行昼夜垂直移动的生物，而进行迁移的生物也有先后顺序，并不是同时迁移，这可能与物种生活习性不同有关。南海深海声散射层主要存在于两个深度，分别为0～100 m和350～700 m，并且2个散射层内生物呈现出有规律的昼夜变化。白天生物主要活动在下层散射层内，分布较为均匀。夜间下层散射层内部分生物开始上升，集中在上层散射层内。夜间各个散射层的内部生物呈现不均匀分布，0～100 m散射层内，70 m左右生物最密集，NASC均值可达800 m2/n mile2；350～700 m散射层内，450 m左右生物最密集，NASC均值为140 m2/n mile2。

在生物昼夜迁移的过程中迁移速度也不是恒定的，从图1中可以看出：下降时开始较快，然后速度减慢；而上升时开始较为缓慢，然后加快。也就是说，在垂直迁移过程中，深度越深迁移速度越慢，深度越浅迁移速度越快。从图3中可以看出，一个散射层NASC值减少到另一个散射层NASC值增加的时间延迟约为1 h，即生物从一个散射层迁移到另一个层的时间为约1 h。如果按照平均上升高度为400 m计算，那么上升的平均速度约为6.6 m/min，与其他海域的研究结果相似[2]。生物垂直迁移呈周期性，周期为1 d；这种迁移变动受到光照的影响，随着纬度和季节变化而变动。研究海域当天的日出与日落时间分别为05∶59和18∶02，即生物向下迁移开始时刻约为日出前2 h，到日出时基本全部迁移；向上迁移开始时刻约为日落前1 h，日落后生物开始陆续到达上层散射层内。

3.2 南海散射层昼夜垂直移动对中上层鱼类声学评估的影响

目前我国正对南海渔业资源进行新一轮调查，渔业声学是其中一种重要调查方法，调查对象主要是中上层鱼类。夜间从深层迁移到中上层的生物，会使中上层生物资源量骤然增加；而这些生活在深层的生物不在调查范围内，会导致评估的中上层鱼类资源量大大增加。因此，在调查设计和数据后处理中必须考虑散射层昼夜垂直移动对中上层鱼类评估的影响，如选择合适的调查时段或对夜晚的数据进行修正。

3.3 深海散射层的形成

从散射层的特点和分布看，浮游动物似乎是散射层的主要形成者，因为不少浮游动物，特别是磷虾类和管水母类，具有分布广、数量大，并常密集在一起的现象，并且它们一般都有昼夜垂直移动的特性[24-25]。但更多的海上调查研究发现，有些游泳动物如鱼类 (灯笼鱼等) 和头足类 (乌贼等)，在散射层的形成中也起着相当重要的作用[26-27]。本文中层拖网渔获信息也印证和支持以上结论。

本文研究结果表明南海的主要散射层在白天为350～700 m。其他海域白天散射层分布的研究结果为：美国西岸的加利福尼亚州沿海为280～460 m，太平洋热带和亚热带海域为 280～830 m，北冰洋为25～200 m，大西洋东部海域为 350～600 m[28]。有些海域白天可以观察到多个散射层，如红海可以观察到4个散射层，分别为0～100,150～300,400～600,600～800 m[29]，本文也发现白天在0～100 m的较弱散射层中SV值较小，且只检测到TS很小的单体，拖网中也没有渔获物;初步分析认为这个散射层由浮游生物、鱼卵和仔鱼引起。深层散射层的深度随海区不同而异，这可能跟各海区的深度及生物组成等的不同有关[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

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助项目——南海外海大洋性头足类声学评估技术(2013ZD03)和频差技术在南海外海多鱼种映像差别中的应用研究(2014TS18); 国家科技支撑计划项目——南海外海捕捞技术与新资源开发(2013BAD13B06); 农业部财政重大专项项目——南海渔业资源调查与评估(NFZX2013); 国家财政专项项目——南海海洋捕捞信息动态采集网络(E935)

刘世刚(1989-),男,黑龙江哈尔滨人，硕士研究生，主要从事渔业资源和渔业声学方面研究. E-mail: lsgsounder@163.com

*通讯作者:陈国宝(1975-),男，广东徐闻人，研究员，硕士，主要从事渔业资源与渔业声学方面研究. E-mail: chenguobao@scsfri.ac.cn

(张 骞 编辑)

S932.4

A

1671-6647(2015)02-0173-09