枸杞岛贻贝筏式养殖海域水下噪声测量与分析

陈 佳，王逸廷，张旭光，2，刘 鑫，郭弘艺，李 超，彭 尧

（1.上海海洋大学国家海洋生物国际联合研究中心，上海 201306；2.上海海洋大学海洋牧场工程技术研究中心，上海 201306；3.中国水产科学研究院东海水产研究所，上海 200090；4.中国三峡新能源（集团）股份有限公司江浙公司，江苏盐城 224000）

随着人们对高品质水产品需求量的增加，海水筏式原位养殖的规模越来越大。海水筏式养殖是指通过浮筏和锚绳在海洋水体中固定多个养殖网箱或垂下式养殖绳的养殖模式［1］。筏式养殖设施往往占据一定的水体厚度，并在不同程度上改变了海洋水体的空间结构，为各种附着和游泳生物提供了栖息、摄食和避敌的场所［2－4］。浙江省嵊泗枸杞岛是典型的岛礁型海岛，面积约5.6 km2，其附近海域不仅是鱼类的重要栖息地，也是我国重要的贻贝（Mytilusedulis）筏式养殖示范区，养殖面积已达10 km2，接近本岛面积的两倍［3］。目前，针对枸杞岛筏式养殖海域已展开了许多方面的科学研究，如汪振华等［2，5］对筏式养殖海域生物组成方面进行了研究，结果表明，在贻贝养殖场，水域生境的生物结构由小黄鱼（Larimichthyspolyactis）、皮氏叫姑鱼（Johnius belangerii）、褐菖鲉（Sebastiscusmarmoratus）及附生的海藻等构成；在营养运输方面，王旭等［6］的研究表明，成熟期和幼苗期的贻贝会对水体的健康以及水体溶解碳分布格局产生不同影响；毕远溥等［7］研究了养殖贝类对筏式养殖区水质环境的影响；LIN等［3］针对枸杞岛贻贝筏式养殖设施对海洋水文动力的影响进行了分析。高密度的连片式筏式养殖设施不仅会改变海洋水文动力特征［3－4］，还可能改变水下声音的传播和衰减的程度，从而形成筏式养殖区域特定的水下声境特征。但筏式养殖海域的水下噪声研究还鲜见报道。海洋环境噪声对鱼类的洄游［8］、栖息地选择［9］、生殖和生长发育［10］都具有极其重要的影响，而不同类型的筏式养殖海域水下噪声可能对鱼类的分布、生长和行为产生影响［8－11］。本文利用被动声呐技术监测了浙江省枸杞岛贻贝筏式养殖海域的水下噪声，旨在了解筏式养殖海域水下噪声的垂直分布特征，以进一步确定筏式养殖设施对海洋声境的影响及筏式养殖噪声对鱼类资源分布和声讯交流的影响。

1 材料与方法

1.1 测定站点

本研究区域位于浙江省嵊泗枸杞岛的贻贝筏式养殖海区。贻贝的筏式养殖设施主要由浮绳、苗绳和锚绳组成，挂满贻贝的苗绳在浮绳浮力的作用下悬挂于水体中，苗绳长为3～5 m。枸杞岛贻贝养殖场主要分布在4个片区，其中岛西北方向的2个片区最大，也是长期稳定的养殖区（图1）。分别在贻贝养殖海域内设置监测站点M1（122°44′35″E、30°43′16″N）和养殖海域外设置测定站点M2（122°45′10″E、30°43′00″N）进行测量，M1和M2点相距1 km左右，以保证在一个平潮期内完成测量，且M1和M2位于10 m的等深线，具有相似的海底底质特征［3］，以减少流场环境和地理环境差异对水下噪声影响。

图1 贻贝养殖海域水下噪声测定站点Fig.1 Measure sites for underwater noise in mussel farming waters

1.2 数据采集与处理

2019年8月3—5日租用当地泡沫渔船进行水下噪声调查。泡沫渔船长12 m，动力采用16 kW柴油发动机（洋马，3TNV88，日本），为典型的枸杞岛海域作业渔船。泡沫渔船吃水较浅，可以减少海浪扑打船舷产生的噪声。在进行贻贝筏式养殖海域水下噪声调查前，首先对渔船发动机的水下噪声进行记录。渔船抛锚后，分1～3个由低到高档位，在贻贝场外（M2）定点记录渔船发动机运行时水深5 m和10 m处的噪声，以确定渔船发动机相关的水下噪声特征。

在监测站点进行调查时，渔船抛锚固定，并关闭发动机，同时避免记录时船上人为活动的干扰。被动声呐系统由水听器（Reson TC4032，灵敏度：－170 dB；参考声压1μPa；频率响应：5～120 kHz）和采集模块（BK 3050）组成。测量时，通过泡沫浮球和铁坠将2个水听器垂直固定于水深5 m和10 m处，水下噪声信号通过水听器采集后，保存在电脑中以进行离线分析。监测站点（M1和M2）距离较近，每个位点的水下噪声连续记录1 h左右，并确保2个测定站点在测量时处于相似的潮流环境。为了确定风关噪声，在水下噪声测量过程中，利用手持风速仪（Prova，AVM-01）每隔5 min测量1次4个不同方向的风速。

水下噪声数据由BK Connect（2018）软件进行离线分析，利用30 s时间窗随机截取10个声音文件进行1／3倍频程声压级（1／3-octave sound pressure level，SPL）计算；为确定风速与峰值信号声压级关系，截取采集风速时间前后各15 s的声音文件进行1／3倍频程声压级计算。基于鱼类听觉敏感范围（100～1 000 Hz）［11］，本次测量分析的频率带宽上限设置为2 500 Hz，FFT线数2 500，频率分辨率为1 Hz，汉宁窗（Hanning window）时间计权，重叠率75%（BK Connect）。不同测量组间的差异性由SigmaPlot软件进行统计分析（ANOVA）。

2 结果与分析

2.1 贻贝筏式养殖场海域水下噪声特征

如图2所示，贻贝养殖场海域水下噪声的1／3倍频程声压级随着频率的增加而下降，在10～2 500 Hz内，平均声压级（87.7±13.7）dB，其中低频段（10～1 000 Hz）平均声压级为（91.2±11.8）dB，高频段（＞1 000 Hz）平均声压级为（68.9±5.5）dB。

图2 贻贝养殖区内外水下噪声声压级Fig.2 SPL of underwater noise inside and outside mussel farming waters

如图3所示，贻贝养殖场海域的水下噪声1／3倍频程声压级中存在63、250、500 Hz 3个明显的峰值，在不同深度均表现为贻贝养殖区外（M2）平均声压级高于贻贝养殖区内（M1），其中63 Hz在不同深度的平均声压级在M1和M2分别为（87.9±0.5）dB和（102.8±1.9）dB，250 Hz的平均声压级分别为（85.7±0.9）dB和（100.7±1.9）dB，500 Hz的平均声压级分别为（82.1±0.9）dB和（93.4±2.0）dB。

由图3可知，在10～25 Hz频率范围内，贻贝养殖区内（M1）和养殖区外（M2）水深10 m处的平均声压级均显著大于水深5 m处（P＜0.05，ANOVA）。63 Hz在M1和M2不同深度处的声压级均没有显著性差异（P＞0.05）；250 Hz在M1站点不同深度处的声压级没有显著性差异（P＞0.05），但250 Hz在M2站点水深5 m处声压级（105.6±2.2）dB显著大于水深10 m处（95.7±2.7）dB（P＜0.05）；500 Hz在M1站点水深10 m处的声压级（85.3±0.5）dB显著大于水深5 m处（79.4±0.9）dB（P＜0.01），但500 Hz在M2站点不同深度的声压级没有显著性差异（P＞0.05）。

图3 贻贝养殖区内外声压级比较Fig.3 Comparison of SPL inside and outside mussel farming waters

2.2 渔船的水下噪声特征

在养殖区外，对泡沫渔船发动机运行时产生的水下噪声进行了测量分析。不同档位的发动机噪声在相同深度的差异不显著（水深5 m：P＞0.05；水深10 m：P＞0.05；Kruskal-Wallis ANOVA）。在10～25 Hz的频率范围内，水深5 m处的平均声压级显著小于水深10 m处（P＜0.01），但在80～500 Hz的频率范围内，水深5 m处的声压级显著大于水深10 m处（P＜0.01）。在渔船水下噪声的频谱图中存在2个明显的峰值，分别是250 Hz和500 Hz。250 Hz在水深5 m处的声压级（114.7±1.7）dB显著大于水深10 m处（97.4±0.9）dB（P＜0.01），但500 Hz的声压级在水深5 m和10 m处无显著性差异（P＞0.05），平均声压级为（102.0±0.9）dB。

2.3 贻贝养殖区内风速对水下噪声的影响

在贻贝养殖区内进行水下噪声记录时，每隔5 min进行1次4个方向（东E、南S、西W、北N）的风速测量，在1 h内共记录11组风速数据，平均风速为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为3个峰值信号（63、250、500 Hz）与4个方向风速的线性拟合结果。由表1可知，不同频率的峰值与风速均无显著的相关性（R2＜0.8；P＞0.05），这表明养殖区内的这些频率的噪声并非风关噪声。

表1 声压级与风速相关性Tab.1 Correlation between SPL and wind speed

3 讨论

海洋环境噪声由风、浪、降雨、生物发声等自然活动和航运等人类活动共同形成［12－14］。在海洋环境噪声的研究中，普遍认为航运产生的水下噪声和风浪引起的水下噪声（风关噪声）是影响海洋环境噪声的两大主要声源，前者以低频噪声为主（100～500 Hz），后者主要是较高频段的噪声（500～25 000 Hz）［13－16］。本文对枸杞岛贻贝筏式养殖海域的水下噪声进行了分析研究，结果表明，在10～2 500 Hz范围内，贻贝筏式养殖场水下噪声的声压级随着声音频率升高而下降，为明显的低频噪声，主要存在63、250、500 Hz 3个频率峰值。声压级与风速的线性拟合结果表明，这3个频率的声压级与风速均无明显相关性。因此，推测上述频率的噪声可能是贻贝筏式养殖设施相关的噪声或渔船噪声，而非风关噪声［18］。

一般来说，海洋表层风关噪声的声压级与风速大小有着明显的正相关性［16－20］，且由于声音在水中传播的能量衰减，风关噪声或表层水下噪声的声压级随着水深的增加而降低［20－21］，即表层的声压级大于底层深水处。本文对渔船发动机产生的水下噪声进行分析，结果表明，其频率存在250 Hz和500 Hz 2个峰值。250 Hz的声压级在水深5 m处明显大于水深10 m处，但500 Hz在水深5 m和10 m处的声压级没有明显差异。渔船发动机作为表层声源，其水下噪声向下传播时存在明显的能量衰减［19］。因此，笔者认为250 Hz是由渔船发动机产生的主要频率。王超等［17］对我国南海夏季海洋水下噪声的长期研究也表明，30～300 Hz频率范围内的噪声为航船噪声，其声压级与风速的相关性较弱，本文的研究结果与其相一致。

在贻贝筏式养殖区内，500 Hz的声压级在水深5 m处的声压级小于水深10 m处，表明500 Hz的噪声源来自底层而非表层。LIN等［3］对贻贝养殖场流速的模拟研究表明，贻贝养殖场筏式养殖设施能明显降低海域内的流速，其中表层速度降低75%～90%，但底层的流速只下降45%。因此，在贻贝筏式养殖区内，最大流速出现在水深10～15 m的底层，而非表层［3］。10～30 Hz频率范围的低频噪声一般是由风产生的海洋湍流引起［17－18，21］。由图3可以看出，在10～20 Hz频率范围内，养殖区内水深10 m处的平均声压级大于水深5 m处，这从侧面印证了LIN等［3］阐述的贻贝养殖场筏式设施有表层阻流的效应，使筏式设施下层产生更多的海洋湍流。贻贝养殖区内水深10 m处的流速大于水深5 m处，也可能导致水深10 m处对应的低频段噪声的声压级相应增大。然而，在贻贝养殖区内，水深10 m处的500 Hz的声压级也大于水深5 m处。一般来说，由于风浪的作用，表层（浅水）的声压级要大于中、底层（深水）［20］。基于贻贝养殖区内水下噪声声压级随着深度增加而增加的现象（垂直分布相反）［3，20］，笔者认为，养殖区内水下噪声中500 Hz的信号可能来源于贻贝筏式养殖设施。现场监测结果表明，高密度的连片式筏式养殖设施可能改变了表底层海水流速，并通过悬挂在水体中贻贝苗绳的摆动形成新的噪声源，或通过改变声音的反射路径，形成一种筏式养殖海域特有的水下噪声特征。贻贝筏式养殖设施在水下产生的500 Hz信号的物理机制仍需要进一步的研究探索。

渔船发动机产生的水下噪声中存在2个峰值频率，分别为250 Hz和500 Hz，其中250 Hz峰值较高为主要频率，而500 Hz峰值较低为次要频率。250 Hz的声压级在5 m处大于10 m处，但500 Hz的声压级在5 m和10 m处没有明显的差异，说明渔船噪声500 Hz的信号可能受到了筏式养殖噪声中500 Hz信号的叠加影响，使得水深10 m处的船舶噪声中500 Hz的声压级增加，从而表现为500 Hz的声压级与深度无关。如果没有筏式养殖设施影响，500 Hz和250 Hz的声压级都会随着深度增加而减小，即在10 m处应低于5 m处。这是因为声音信号从表面（发动机位置）向水下传播时存在传播能量损失［19－20］。由图3还可知，筏式养殖设施频谱中也存在250 Hz的信号，在贻贝养殖区内250 Hz声压级在5 m和10 m处没有明显的差异，但在养殖区外250 Hz的声压级在5 m处大于10 m处。在贻贝养殖区内，远方渔船的250 Hz噪声与筏式养殖的250 Hz噪声相互叠加，使得养殖区内的250 Hz声压级在表层加强，表现为养殖区内250 Hz声压级在不同深度无显著性差异（如果没有渔船影响，表层噪声声压级应低于底层）。不同类型水下噪声相互叠加影响的方式可能为：1）250 Hz的船舶噪声与筏式养殖噪声叠加影响后，其表层和底层的声压级没有差异；2）500 Hz的船舶噪声与筏式养殖噪声叠加影响后，由于500 Hz是筏式养殖噪声主导，因而筏式养殖噪声底层的声压级大于表层；3）250 Hz的船舶噪声与筏式养殖噪声叠加影响后，由于250 Hz是船舶噪声主导，因而船舶噪声表层的声压级大于底层；4）500 Hz的船舶噪声与筏式养殖噪声叠加影响后，其表层和底层的声压级没有差异。

贻贝养殖区内、外噪声的比较测量表明，养殖区外的声压级要显著大于养殖区内。一方面，养殖区外没有成片的筏式养殖设施（M2站点直接与外海相通），无阻流效应［3］，其区域内海水的整体流速较大，尤其表层流速更大。因此，在养殖区外水下噪声声压级明显高于养殖区内。另一方面，在养殖区内，不仅有成片的筏式养殖设施，降低了表层流速，而且水体中高密度的浮绳结构对外界噪声也可能有一定的屏障作用［3］。

作为一种人工生境，贻贝筏式养殖设施虽然对底层环境的空间结构影响不大，但由于对潮汐流的阻流效应，筏式养殖设施对水下噪声环境的改变却可能影响一些底层的声讯交流鱼类［27］。枸杞岛附近海域是一些发声鱼类的主要栖息地［2，5，22］，声音信号在它们的摄食、生殖等行为中有着重要的作用［23－25］。汪振华等［2］对贻贝养殖海域的鱼类组成研究证明，近底层的鱼类小黄鱼在该海域中已转为表层的优势种。小黄鱼的栖息水层深度的改变是否受到筏式养殖噪声的驱动，目前尚不清楚。但筏式养殖噪声频率与部分鱼类的听觉频率范围重叠［25－28］，说明这类筏式养殖噪声可以被鱼类感知，并可能影响它们的声讯交流［28－30］。枸杞岛附近筏式养殖面积已达10 km2，接近本岛面积的两倍，如此规模庞大的筏式养殖设施以及其相关的水下噪声如何影响该海域中的鱼类或其他水生动物，还需要进一步的研究。