殷雷明,黄洪亮,张旭光,李灵智,陈雪忠
(1.上海海洋大学海洋科学学院,上海 201306;2.中国水产科学研究院东海水产研究所,农业部东海与远洋渔业资源开发利用重点实验室,上海 200090;3.上海海洋大学海洋生物系统和神经科学研究所,上海 201306)
网箱养殖大黄鱼水下声音与行为反应
殷雷明1,2,黄洪亮2,张旭光3,李灵智2,陈雪忠2
(1.上海海洋大学海洋科学学院,上海 201306;2.中国水产科学研究院东海水产研究所,农业部东海与远洋渔业资源开发利用重点实验室,上海 200090;3.上海海洋大学海洋生物系统和神经科学研究所,上海 201306)
利用水下声音测量系统(带宽20 Hz~24 kHz)分别记录了浙江省象山县西沪港和福建省福鼎市沙埕港网箱养殖大黄鱼的水下声音和行为反应,并对声音数据进行频谱分析和声压级(SPL,dB:re 1μPa)计算。结果显示:(1)网箱周围水下声音主要为,自然环境噪声(风、波浪,500 Hz~24 kHz)、大黄鱼生物噪声(惊扰发声主峰值630 Hz、摄食发声主峰值800 Hz、游泳噪声50~400 Hz、摄食噪声20~2 200 Hz)和人为噪声(船舶噪声50~500 Hz);(2)船舶噪声SPL(约87.68 dB)低于部分石首鱼科听觉阈值(94.9~99.6 dB:re 1 μPa),不影响大黄鱼声通讯和摄食行为;(3)网箱内生物噪声声压级强度:惊扰状态>摄食状态>背景噪声。结果表明,大黄鱼生物噪声频率主峰值和声压级强度与行为反应有关,即行为反应程度越激烈,频率主峰值越低,声压级强度越高。
大黄鱼;网箱养殖;水下声音;生物噪声;行为反应
声音对于许多海洋生物极为重要,研究者们[1-3]通常将水下声音分为三部分:地球物理学声音、动物的声音(又称为生物噪声,biological noise)和人为声音。其中,鱼类的生物噪声包括:游泳噪声[4](swimming sound)、生物发声[5](bioacoustics)和摄食噪声[6](feeding sound),它们是鱼类用于导航和定位的线索,也是个体与配偶、后代及其它同伴进行交流的通讯方式[7]。
大黄鱼(Larimichthys crocea),隶属鲈形目(Perciformes),石首鱼科(Sciaenidae),黄鱼属,是中国近海主要经济鱼类。石首鱼科鱼类一般可通过发声肌肉收缩带动鱼鳔振动而发出声音[8-9],通常至少可发出两种类型的声音:生殖发声(reproductive calls)和惊扰发声(disturbance calls)[9]。关于大黄鱼发声的研究,1979年齐孟鹗等[10]录制了大黄鱼产卵场内的叫声,频率范围在130 Hz~4 kHz,主峰值在630~800 Hz。陈毓桢[11]研究了在产卵场大潮汛时大黄鱼群体叫声。粘宝卿等[12]提出了对声屏障圈养大黄鱼的展望。任新敏等[13]研究指出大黄鱼觅食及产卵时的叫声频谱特性一致,主峰值约为800 Hz,认为叫声频率与鱼鳔的结构特性有关,而与行为关系较小。刘贞文等[14]采用3种不同规格(分别为1 cm、10 cm和20 cm)的大黄鱼作为研究对象测得了在自由状态和惊扰状态下的叫声频谱,实验结果表明:大黄鱼的发声频率峰值为550~750 Hz。魏翀等[15]运用分段指数振荡函数合成大黄鱼声信号。而关于利用网箱内养殖大黄鱼的生物噪声反馈行为状态的研究却少见发表。
本实验通过测量不同条件下网箱养殖大黄鱼在惊扰和摄食过程产生的生物噪声(游泳噪声、生物发声、摄食噪声)和网箱外水下环境噪声的频谱特性,结合部分石首鱼科鱼类的听觉阈值[9,16-17],分析了水下声音与大黄鱼行为反应的关系,旨在为今后分析评估大黄鱼日常摄食和活动状态提供参考依据。
1.1 水下声音测量点
2016年3月20~22日、6月19~21日,分别对浙江省象山县西沪港(29°31′59″N、121°45′5″E)、福建省福鼎市沙埕港(27°13′37″N、120°23′40″E)网箱养殖大黄鱼周围的水下声音进行测量并观察记录网箱内大黄鱼的行为反应。网箱内大黄鱼体长约17~20 cm,体质量约100~150 g,年龄16个月。象山港和沙埕港大黄鱼实验网箱规格分别为3 m×3 m×3 m和8 m×4 m ×4 m,养殖密度分别约为25 ind·m-3和30 ind·m-3。水下声音测量时,将装有防撞击装置的水听器用重锤悬垂稳定于水下1 m处,防止水流扰动和鱼类直接撞击。为避免人为干扰,选取网箱外5 m处为水下背景噪声参考测量点。而网箱内日常投饵位置则作为大黄鱼生物噪声的测量点。
实验期间,3月20~22日在象山县西沪港大黄鱼养殖区测量时,风速为2.6 m·s-1,海况2级,水温16℃,温度较低,大黄鱼活性较差,网箱附近有挖沙船作业和渔船经过;6月19~21日在福鼎市沙埕港大黄鱼养殖区测量时,风速为1.3 m·s-1,海况小于2级,水温27℃,温度适宜,大黄鱼活性正常。
1.2 声音采集与分析方法
为了获取大黄鱼在不同状态下的行为反应和生物噪声频谱,实验分为两部分:早7时,在网箱内起网捕鱼时采集大黄鱼鱼群惊扰时的声音频谱;晚17时,在网箱内投饵时采集大黄鱼摄食过程的声音频谱。每次实验前先在网箱外采集背景噪声作为参照值。整个实验过程人员安静无走动,机械设备关闭。
水下声音信号利用水听器(ST 1030型,OKI,日本),内置前置放大器灵敏度为:-178 dB:re 1V·μPa-1,连接带有带宽滤波器和功率放大功能的声级计(SW 1030型,OKI,日本)进行声压均值显示和AD转换,通过专业数字式录音机(纳格拉SD,AST,瑞士)以比特率16 bits·s-1、48 kHz采样频率存储为WAV声音文件(以上实验装置均使用电池操作),最后进行离线分析。该实验测量频率带宽为20 Hz~24 kHz,每个测量站点进行3次间隔10 min的重复测量,每次测量时间长度为2 min,各站点重复3 d测量。
声音文件首先由Praat软件(6.0,阿姆斯特丹大学,荷兰)进行回放辨听,并参照AMORIM等[18]对摄食声音进行振幅和时频共振峰分析。然后,采用PULSE-Reflex-Core软件(19,B&K,丹麦)对水下背景噪声进行快速傅立叶(FFT)转换并绘制频率图谱,并针对鱼类生物噪声的频宽特性[6,19]进行1/3倍频程分析和时频声压级计算(sound pressure level,以下简称SPL,单位dB:re 1 μPa,计算参量:时间常量为0.125 s,时间间隔为0.01 s,频率带宽为20 Hz~24 kHz,平均时间120 s),最后结合WENZ[3]谱分析各个测量点的频谱特性。
2.1 网箱周围水下声音频谱分析
2016年3月20~22日,在象山县西沪港大黄鱼养殖区测量点测得网箱内、外水下声音频谱(图1-a)。结合WENZ[3]谱分析得出水下声音主要来源为:50~500 Hz的海上船舶噪声、500~24 kHz左右的风成和海面粗糙度(波浪)噪声和5 000~7 000 Hz的峰值,可能是挖沙船机械作业的工业噪声[3]。而网箱内,由于水温较低,大黄鱼不摄食、无叫声、活性低,仅有鱼群零星游动产生的游泳噪声和表面波浪噪声出现在200~1 000 Hz左右[20],其余部分与网箱外环境噪声基本一致。
2016年6月19~21日,在福鼎市沙埕港大黄鱼养殖区测量点测得水下声音频谱图(图1-b),结合WENZ[3]谱和Praat时频共振峰分析(图2)得出水下声音主要来源为:(1)网箱外环境噪声,主要噪声来源为养殖户的小型船舶噪声50~500 Hz,500~24 kHz左右的风成和海面粗糙度(波浪)噪声;(2)网箱内生物噪声频率范围在20~2 200 Hz,包括:起网捕鱼过程中大黄鱼的惊扰声(逃逸游泳噪声、惊扰发声、起网产生的表面波浪),投饵过程中的摄食噪声(觅食游泳噪声、摄食发声、吞食产生的水体表面搅动与气泡破裂声)(图2)。
图1 网箱养殖大黄鱼水下声音频谱对比(a:西沪港;b:沙埕港)Fig.1 Comparison of underwater sounds spectrum around net cages of Larimichthys crocea(a:Xihu bay;b:Shacheng bay)
图2 大黄鱼摄食声音Praat分析示意图(a:振幅;b:共振峰)Fig.2 Analysis of Larimichthys crocea at feeding state by Praat(a:amplitude;b:form ant)
2.2 大黄鱼生物噪声1/3倍频程分析
由图1-b和图2-b可知,大黄鱼的发声频率范围在200~2 100 Hz[14],网箱内鱼群自由游泳声音频率在50~400 Hz[20-22],大黄鱼网箱内摄食过程产生的声音频率在20~2 200 Hz左右,因此,将声音样本的频率段截取20~2 500 Hz进行1/3倍频程分析(图3)。
由图3可知,大黄鱼在摄食过程中产生的摄食发声频率主峰值在800 Hz,惊扰发声主峰值在630 Hz,惊扰发声SPL略高于摄食发声。在声音样本中(图2-b),摄食发声与大黄鱼摄食行为产生的水体表面搅动与气泡破裂的“噗通”声在1 000~1 250 Hz的共振峰有叠加,因此,在该频率段上的SPL高于惊扰状态。
图3 惊扰和摄食发声1/3倍频程分析Fig.3 Disturbance calls and feeding calls with 1/3 octave band analysis
2.3 行为反应与生物噪声声压级分析
由图1-a和表1可知,象山县西沪港网箱内大黄鱼处于低温低活性状态,无发声和摄食行为,各频率段内噪声的SPL与背景噪声基本一致。
而在温度适宜活性正常的福鼎市沙埕港网箱内,大黄鱼的生物噪声SPL随其行为反应的改变而产生变化(图3,表1)。
捕鱼过程大黄鱼的行为反应:在起网捕鱼过程中,大黄鱼出现惊吓逃逸反应,个别鱼在水面呈跳跃状爆发式游动,鱼群伴随发出“咕噜”(grunts)[23]的叫声。鱼群在受到惊扰后产生爆发式游泳行为,游泳噪声SPL为96.36 dB,高于同频率条件下网箱外背景噪声10 dB左右;大黄鱼惊扰发声频率主峰值在630 Hz,SPL为101.11 dB,高于同频率条件下背景噪声约16 dB左右。
投饵过程中大黄鱼的行为反应:在投饵前鱼群自由游动,投饵片刻后大量鱼群逐渐浮出水面,并做出吞食动作,同时鱼群发出“咯咯”(croaks)[23]的叫声,水面伴随鱼群吞食产生的水体表面气泡破裂声。由表1可知,鱼群摄食的游泳噪声SPL为91.12 dB;高于同频率背景噪声约3.48 dB;大黄鱼摄食发声主峰值在800 Hz,SPL为100.78 dB,高于同频率背景噪声约17.96 dB;吞食产生的水体表面搅动与气泡破裂的声音峰值SPL为99.11dB,高于同频率背景噪声约19.93 dB。
表1 网箱内养殖大黄鱼生物噪声频率与声压级分析结果Tab.1 Analysis results of biological noises in cage-culture of Larimichthys crocea for frequency and SPL
3.1 环境噪声对大黄鱼行为的影响
根据HORODYSKY等[24]所测得石首鱼科鱼类的听觉敏感频率在100~1 000 Hz,因此,该实验测量频率带宽采用20~24 kHz,排除了对石首鱼科鱼类影响较小的20 kHz以上的超声[25]。声压级强度大小对鱼类的影响可分为[26]:听觉区域(又称感知区域)、反应区域(正反应或负反应以及生理反应)、遮蔽区域、伤害区域和致死区域。
在大黄鱼听觉敏感频率范围内的人为噪声,主要为50~500 Hz的船舶噪声,SPL约88 dB,低于部分石首鱼科鱼类的听觉阈值[9,16-17](94.9~99.6 dB,dB:re 1μPa)。因此,船舶噪声对两个测量站点网箱内大黄鱼听觉能力无影响。与此同时,沙埕港测量站点,大黄鱼的叫声SPL约为101.11 dB(惊扰发声630 Hz)和100.78 dB(摄食发声800 Hz),均高于同频率条件下背景噪声,且略高于部分石首鱼科听觉阈值[9,16-17],且实验观察所得大黄鱼的逃逸反应和摄食反应表现正常,因此,认为该观测点网箱养殖环境噪声对大黄鱼的声通讯和摄食行为无影响。
3.2 网箱内大黄鱼的生物噪声与行为关系
本实验测得网箱内大黄鱼的生物噪声,包括:游泳噪声(自由状态、惊吓逃逸状态、摄食状态)、生物发声(惊扰发声和摄食发声)、摄食噪声。
NURSALL[27]指出鱼类在加速和转弯时产生的水动力游泳噪声最大,且使用水听器可以接收到。藤枝繁等[20]对网箱内养殖的真鲷(Pagrus major)、五条鰤(Seriola quinqueradiata)、黄尾鰤(Seriola lalandi)、高体鰤(Seriola dumerili)、红鳍东方鲀(Takifugu rubripes)游泳噪声进行了测量,结果为:高密度鱼群自由游泳噪声频率在50~400 Hz;200~1 000 Hz附近有鱼类零星的游动产生的游泳噪声和表面波浪噪声。该实验测得的结果(表1),在50~400 Hz频率范围内,大黄鱼惊扰状态下的游泳噪声SPL>摄食游泳噪声SPL>背景噪声SPL,与NURSALL[27]和藤枝繁等[20]所得结果一致,说明大黄鱼受惊扰状态下游泳活动较激烈,通过监测对比不同状态下游泳噪声SPL的变化可以反应大黄鱼的行为状态,即游泳行为越激烈,游泳噪声声压级越高。此外,由于大黄鱼摄食行为产生的水面搅动波浪以及吞食产生的水体气泡破裂声,在1 000~1 250 Hz同频率条件下,摄食状态SPL>惊扰状态SPL>背景噪声SPL,因此推测,在此频率段结合Praat共振峰分析(图2)和大黄鱼游泳噪声SPL变化,可能反应出大黄鱼的摄食状态是否正常。
本实验测得大黄鱼发声频谱如图3所示,惊扰发声频率峰值在630 Hz,摄食发声频率峰值在800 Hz,与任新敏等[13]和刘贞文等[14]所测结果一致。CONNAUGHTON等[28]指出主导鱼叫声频率主峰值的是发声肌肉收缩持续时间,体长与叫声主频峰值成反比,即体长越长,发声肌肉收缩力量越大,收缩持续时间越长,叫声主频率越低。该实验鱼体长均在17~20 cm,年龄均为16个月,排除年龄与体长对发声的影响因素,但鱼类在受到惊扰时,心率会增加、血液内皮质醇以及肾上腺素会上升[29],从而导致鱼体肌肉收缩能量增加,因此,发声肌肉收缩持续时间也会相对变长,最终使得发声频率变低[28]。由此可推断,大黄鱼的发声峰值与行为反应也有直接关系。
声音是大量海洋动物偏爱的传感介质,几乎所有海洋脊椎动物都在某种程度上依靠声音来发挥各种各样的生物学功能。鱼类利用生物噪声可以进行定位、求偶、避开捕食者、发现猎物以及进行声通讯交流。同样,我们也可以利用网箱内生物噪声来反馈鱼类行为。因此,今后在网箱养殖生产管理及研究工作中,一方面,要加强监测海洋环境噪声对鱼类健康状态的影响;另一方面,要利用网箱内养殖鱼类的生物噪声,通过提取有效声音信息来分析评估鱼类日常摄食和活动状态。
本实验以网箱养殖大黄鱼为例,论证了生物噪声与行为反应的关系,生物噪声是直接有效的反馈鱼类行为状态的依据,利用水声设备远程监控鱼类行为的方法在深海网箱和大型围网养殖业中有广阔的应用前景。但本实验仍然有不足之处,今后仍需更多结合鱼类的电生理实验以及水槽行为实验等方法进行深入研究。
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Underwater sound and behavior response of Larimichthys crocea in cage-culture
YIN Lei-ming1,2,HUANG Hong-liang2,ZHANG Xu-guang3,LI Ling-zhi2,CHEN Xue-zhong2
(1.Collage of Marine Sciences,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China;2.Key Laboratory of East China Sea and Oceanic Fishery Resource Exploitation,Ministry of Agriculture,East China Sea Fisheries Research Institute,Chinese Academy of Fishery Sciences,Shanghai 200090,China;3.Institute for Marine Biosystem and Neuroscience,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China)
This paper is to provide references for studying the relationship between biological noises(swimming sound,bioacoustics and feeding sound)and behavior responses of large yellow croaker(Larimichthys crocea),and also for extracting effective sound information to analyze and assess their daily feeding and behaviors.Underwater ambient noises and biological noises of large yellow croaker in cage-culture were recorded in Xihu Bay of Xiangshan,Zhejiang and Shacheng Bay of Fuding,Fujian by passive acoustic monitoring system with a measuring frequency bandwidth from 20 Hz to 24 kHz from March 20thto 22ndand June 19thto 20th,2016.The impact of ambient noise on fish behaviors was analyzed by referring to the auditory thresholds of some Sciaenidae fish.The sounds data were recorded by a portable hydrophone(ST 1030,OKI,Japan)and connected to an underwater sound pressure meter(SW 1030,OKI,Japan)with bandwidth filtering and power amplification functions to record the sound pressure level(SPL,dB:re 1μPa)and AD conversion,and a professional digital recorder(NAGRA SD,AST,Switzerland)with 16 bits·s-1and 48 kHz sample rate saved as WAV was used,and then an off-line data analysis was done.The amplitude and time frequency formant of feeding sounds were analyzed by Praat(6.0,University of Amsterdam,Netherlands),then PULSE-Reflex-Core(19,B&K,Denmark)was used to FFT analyze and draw the frequency spectrums.Considering the acoustics characteristics of fish biological noises,one-third octave band analysis was used in frequency peak and SPL calculations,and compared to the WENZ frequency spectrum to analyze the characteristics of frequency in all monitoring stations.The results showed that:(1)The underwater sounds around the cages were from the natural environment noise(wind and wave,500 Hz to 24 kHz),the biological noises of large yellow croaker(disturbance calls frequency peak was at 630 Hz and feeding calls was at 800 Hz,swimming sound frequency bandwidth was from 50 Hz to 400 Hz and feeding sound was from 20 Hz to 2200 Hz),and anthropogenic noise(boat noise was from 50 Hz to 500 Hz).(2)The SPL of boat noise(87.68 dB)was lower than the auditory thresholds of some Sciaenidae fish(94.9-99.6 dB:re 1μPa),which did not affect the sounds communication and feeding behaviors of the fish.(3)The SPL in the cages was in the order of the disturbance state>feeding state>background noise.These results concluded that the dominant frequency peak and SPL intensity of the biological noise were connected with the large yellow croaker behaviors,the more reaction they were,the higher the SPL was,but the lower the dominant frequency peak was.Therefore,this study can be applied to monitor the biological noises of large yellow croaker to feedback their behaviors in cage-culture.
Larimichthys crocea;cage-culture;underwater sound;biological noise;behavior response
S 965.322
:A
1004-2490(2017)01-0092-08
2016-07-26
公益性行业(农业)科研专项“201203018”
殷雷明(1985-),男,在读博士研究生,研究方向:鱼类行为学。E-mail:yin_leiming@163.com
陈雪忠,研究员。E-mail:xuezhong@eastfishery.ac.cn