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.上海海洋大學海洋牧場工程技術研究中心，上海 201306；3.中國水產(chǎn)科學研究院東海水產(chǎn)研究所，上海 200090；4.中國三峽新能源（集團）股份有限公司江浙公司，江蘇鹽城 224000）

隨著人們對高品質(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構，為各種附著和游泳生物提供了棲息、攝食和避敵的場所［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10 km2，接近本島面積的兩倍［3］。目前，針對枸杞島筏式養(yǎng)殖海域已展開了許多方面的科學研究，如汪振華等［2，5］對筏式養(yǎng)殖海域生物組成方面進行了研究，結果表明，在貽貝養(yǎng)殖場，水域生境的生物結構由小黃魚（Larimichthyspolyactis）、皮氏叫姑魚（Johnius belangerii）、褐菖鲉（Sebastiscusmarmoratus）及附生的海藻等構成；在營養(yǎng)運輸方面，王旭等［6］的研究表明，成熟期和幼苗期的貽貝會對水體的健康以及水體溶解碳分布格局產(chǎn)生不同影響；畢遠溥等［7］研究了養(yǎng)殖貝類對筏式養(yǎng)殖區(qū)水質(zhì)環(huán)境的影響；LIN等［3］針對枸杞島貽貝筏式養(yǎng)殖設施對海洋水文動力的影響進行了分析。高密度的連片式筏式養(yǎng)殖設施不僅會改變海洋水文動力特征［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道。海洋環(huán)境噪聲對魚類的洄游［8］、棲息地選擇［9］、生殖和生長發(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魚類的分布、生長和行為產(chǎn)生影響［8－11］。本文利用被動聲吶技術監(jiān)測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，以進一步確定筏式養(yǎng)殖設施對海洋聲境的影響及筏式養(yǎng)殖噪聲對魚類資源分布和聲訊交流的影響。

1 材料與方法

1.1 測定站點

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，苗繩長為3～5 m。枸杞島貽貝養(yǎng)殖場主要分布在4個片區(qū)，其中島西北方向的2個片區(qū)最大，也是長期穩(wěn)定的養(yǎng)殖區(qū)（圖1）。分別在貽貝養(yǎng)殖海域內(nèi)設置監(jiān)測站點M1（122°44′35″E、30°43′16″N）和養(yǎng)殖海域外設置測定站點M2（122°45′10″E、30°43′00″N）進行測量，M1和M2點相距1 km左右，以保證在一個平潮期內(nèi)完成測量，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］，以減少流場環(huán)境和地理環(huán)境差異對水下噪聲影響。

圖1 貽貝養(yǎng)殖海域水下噪聲測定站點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?shù)嘏菽瓭O船進行水下噪聲調(diào)查。泡沫漁船長12 m，動力采用16 kW柴油發(fā)動機（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。在進行貽貝筏式養(yǎng)殖海域水下噪聲調(diào)查前，首先對漁船發(fā)動機的水下噪聲進行記錄。漁船拋錨后，分1～3個由低到高檔位，在貽貝場外（M2）定點記錄漁船發(fā)動機運行時水深5 m和10 m處的噪聲，以確定漁船發(fā)動機相關的水下噪聲特征。

在監(jiān)測站點進行調(diào)查時，漁船拋錨固定，并關閉發(fā)動機，同時避免記錄時船上人為活動的干擾。被動聲吶系統(tǒng)由水聽器（Reson TC4032，靈敏度：－170 dB；參考聲壓1μPa；頻率響應：5～120 kHz）和采集模塊（BK 3050）組成。測量時，通過泡沫浮球和鐵墜將2個水聽器垂直固定于水深5 m和10 m處，水下噪聲信號通過水聽器采集后，保存在電腦中以進行離線分析。監(jiān)測站點（M1和M2）距離較近，每個位點的水下噪聲連續(xù)記錄1 h左右，并確保2個測定站點在測量時處于相似的潮流環(huán)境。為了確定風關噪聲，在水下噪聲測量過程中，利用手持風速儀（Prova，AVM-01）每隔5 min測量1次4個不同方向的風速。

水下噪聲數(shù)據(jù)由BK Connect（2018）軟件進行離線分析，利用30 s時間窗隨機截取10個聲音文件進行1／3倍頻程聲壓級（1／3-octave sound pressure level，SPL）計算；為確定風速與峰值信號聲壓級關系，截取采集風速時間前后各15 s的聲音文件進行1／3倍頻程聲壓級計算?；隰~類聽覺敏感范圍（100～1 000 Hz）［11］，本次測量分析的頻率帶寬上限設置為2 500 Hz，F(xiàn)FT線數(shù)2 500，頻率分辨率為1 Hz，漢寧窗（Hanning window）時間計權，重疊率75%（BK Connect）。不同測量組間的差異性由SigmaPlot軟件進行統(tǒng)計分析（ANOVA）。

2 結果與分析

2.1 貽貝筏式養(yǎng)殖場海域水下噪聲特征

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

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

如圖3所示，貽貝養(yǎng)殖場海域的水下噪聲1／3倍頻程聲壓級中存在63、250、500 Hz 3個明顯的峰值，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的平均聲壓級分別為（85.7±0.9）dB和（100.7±1.9）dB，500 Hz的平均聲壓級分別為（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均沒有顯著性差異（P＞0.05）；250 Hz在M1站點不同深度處的聲壓級沒有顯著性差異（P＞0.05），但250 Hz在M2站點水深5 m處聲壓級（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站點水深10 m處的聲壓級（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站點不同深度的聲壓級沒有顯著性差異（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，對泡沫漁船發(fā)動機運行時產(chǎn)生的水下噪聲進行了測量分析。不同檔位的發(fā)動機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（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的聲壓級在水深5 m和10 m處無顯著性差異（P＞0.05），平均聲壓級為（102.0±0.9）dB。

2.3 貽貝養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)風速對水下噪聲的影響

在貽貝養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)進行水下噪聲記錄時，每隔5 min進行1次4個方向（東E、南S、西W、北N）的風速測量，在1 h內(nèi)共記錄11組風速數(shù)據(jù)，平均風速為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個峰值信號（63、250、500 Hz）與4個方向風速的線性擬合結果。由表1可知，不同頻率的峰值與風速均無顯著的相關性（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關噪聲。

表1 聲壓級與風速相關性Tab.1 Correlation between SPL and wind speed

3 討論

海洋環(huán)境噪聲由風、浪、降雨、生物發(fā)聲等自然活動和航運等人類活動共同形成［12－14］。在海洋環(huán)境噪聲的研究中，普遍認為航運產(chǎn)生的水下噪聲和風浪引起的水下噪聲（風關噪聲）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］。本文對枸杞島貽貝筏式養(yǎng)殖海域的水下噪聲進行了分析研究，結果表明，在10～2 500 Hz范圍內(nèi)，貽貝筏式養(yǎng)殖場水下噪聲的聲壓級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個頻率峰值。聲壓級與風速的線性擬合結果表明，這3個頻率的聲壓級與風速均無明顯相關性。因此，推測上述頻率的噪聲可能是貽貝筏式養(yǎng)殖設施相關的噪聲或漁船噪聲，而非風關噪聲［18］。

一般來說，海洋表層風關噪聲的聲壓級與風速大小有著明顯的正相關性［16－20］，且由于聲音在水中傳播的能量衰減，風關噪聲或表層水下噪聲的聲壓級隨著水深的增加而降低［20－21］，即表層的聲壓級大于底層深水處。本文對漁船發(fā)動機產(chǎn)生的水下噪聲進行分析，結果表明，其頻率存在250 Hz和500 Hz 2個峰值。250 Hz的聲壓級在水深5 m處明顯大于水深10 m處，但500 Hz在水深5 m和10 m處的聲壓級沒有明顯差異。漁船發(fā)動機作為表層聲源，其水下噪聲向下傳播時存在明顯的能量衰減［19］。因此，筆者認為250 Hz是由漁船發(fā)動機產(chǎn)生的主要頻率。王超等［17］對我國南海夏季海洋水下噪聲的長期研究也表明，30～300 Hz頻率范圍內(nèi)的噪聲為航船噪聲，其聲壓級與風速的相關性較弱，本文的研究結果與其相一致。

在貽貝筏式養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)，500 Hz的聲壓級在水深5 m處的聲壓級小于水深10 m處，表明500 Hz的噪聲源來自底層而非表層。LIN等［3］對貽貝養(yǎng)殖場流速的模擬研究表明，貽貝養(yǎng)殖場筏式養(yǎng)殖設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)殖場筏式設施有表層阻流的效應，使筏式設施下層產(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，也可能導致水深10 m處對應的低頻段噪聲的聲壓級相應增大。然而，在貽貝養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)，水深10 m處的500 Hz的聲壓級也大于水深5 m處。一般來說，由于風浪的作用，表層（淺水）的聲壓級要大于中、底層（深水）［20］。基于貽貝養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)水下噪聲聲壓級隨著深度增加而增加的現(xiàn)象（垂直分布相反）［3，20］，筆者認為，養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)水下噪聲中500 Hz的信號可能來源于貽貝筏式養(yǎng)殖設施。現(xiàn)場監(jiān)測結果表明，高密度的連片式筏式養(yǎng)殖設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)殖設施在水下產(chǎn)生的500 Hz信號的物理機制仍需要進一步的研究探索。

漁船發(fā)動機產(chǎn)生的水下噪聲中存在2個峰值頻率，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的聲壓級在5 m處大于10 m處，但500 Hz的聲壓級在5 m和10 m處沒有明顯的差異，說明漁船噪聲500 Hz的信號可能受到了筏式養(yǎng)殖噪聲中500 Hz信號的疊加影響，使得水深10 m處的船舶噪聲中500 Hz的聲壓級增加，從而表現(xiàn)為500 Hz的聲壓級與深度無關。如果沒有筏式養(yǎng)殖設施影響，500 Hz和250 Hz的聲壓級都會隨著深度增加而減小，即在10 m處應低于5 m處。這是因為聲音信號從表面（發(fā)動機位置）向水下傳播時存在傳播能量損失［19－20］。由圖3還可知，筏式養(yǎng)殖設施頻譜中也存在250 Hz的信號，在貽貝養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)250 Hz聲壓級在5 m和10 m處沒有明顯的差異，但在養(yǎng)殖區(qū)外250 Hz的聲壓級在5 m處大于10 m處。在貽貝養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)，遠方漁船的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聲壓級在表層加強，表現(xiàn)為養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)250 Hz聲壓級在不同深度無顯著性差異（如果沒有漁船影響，表層噪聲聲壓級應低于底層）。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，因而筏式養(yǎng)殖噪聲底層的聲壓級大于表層；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，因而船舶噪聲表層的聲壓級大于底層；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沒有差異。

貽貝養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)、外噪聲的比較測量表明，養(yǎng)殖區(qū)外的聲壓級要顯著大于養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)。一方面，養(yǎng)殖區(qū)外沒有成片的筏式養(yǎng)殖設施（M2站點直接與外海相通），無阻流效應［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)殖設施，降低了表層流速，而且水體中高密度的浮繩結構對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)殖設施雖然對底層環(huán)境的空間結構影響不大，但由于對潮汐流的阻流效應，筏式養(yǎng)殖設施對水下噪聲環(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，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)殖設施以及其相關的水下噪聲如何影響該海域中的魚類或其他水生動物，還需要進一步的研究。