張國勝，顧曉曉，邢彬彬，韓家波

(1.大連海洋大學(xué)遼寧省海洋牧場工程技術(shù)研究中心，遼寧大連116023;2.遼寧省海洋水產(chǎn)科學(xué)研究院，遼寧大連116023)

海洋環(huán)境噪聲是水聲信道中的一種干擾背景場，是在海洋中由水聽器接收到的除自噪聲以外的一切噪聲，包括海洋噪聲、生物噪聲、地震噪聲、雨噪聲、人為噪聲 (航海、工業(yè)、鉆探等噪聲)等。在海洋環(huán)境噪聲場中，聲波來源廣泛，既有自然聲源，也有人為聲源;不同聲源場產(chǎn)生不同頻率和聲級的噪聲，同一頻率范圍的噪聲可能由一個或多個聲源產(chǎn)生。

近年來，隨著人類對海洋的探索，人為的水下噪聲正在威脅著許多魚類及海洋哺乳動物的健康和生殖能力，尤其是一些高強度的噪聲會導(dǎo)致海洋動物聽覺缺失，甚至死亡。導(dǎo)致水底噪音增加的原因主要包括航運船只、聲納和沿岸建筑施工的增多，以及海上鉆井作業(yè)和海上風(fēng)電場的增加等。本研究中，作者搜集了人為活動及自然過程對海洋環(huán)境噪聲影響的相關(guān)資料，并對現(xiàn)有文獻進行綜述與歸納，將環(huán)境噪聲按聲源的發(fā)聲頻率進行分類，旨在說明各頻率段部分聲源及其水下噪聲的水平，呼吁人們在改進沿岸及海上的工作方法，降低人為噪聲;另一方面，也為改善水產(chǎn)養(yǎng)殖動物的水聲環(huán)境、提高沿海水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量及保護野生海洋動物(尤其是海洋哺乳動物)提供參考資料。

1 海洋環(huán)境噪聲分類

1.1 極低頻噪聲

1.1.1 深海環(huán)境極低頻噪聲 地球的地殼運動是海洋中極低頻噪聲的主要來源。有一種很強烈且?guī)缀跏沁B續(xù)的震動形式就是微震，其具有1/7 Hz的準周期性［1］;單次大地震和遠處火山爆發(fā)等間歇地震動也是深海低頻噪聲的來源。

除地殼運動外，潮汐、海洋湍流、波浪的海水靜壓力效應(yīng)等聲源也是水下聲場的貢獻因子。如反向傳播的海面波浪非線性相互作用會產(chǎn)生頻率為5～10 Hz以下的環(huán)境噪聲，海洋湍流所產(chǎn)生的聲譜在1～20 Hz的十倍頻程內(nèi)。湍流是由海洋中或大或小的無規(guī)則水流形成，它會使水聽器、電纜顫動或作響，其內(nèi)部壓力產(chǎn)生聲效應(yīng)。湍流壓力的變化還會輻射到一定距離外，即在湍流以外的海水中產(chǎn)生噪聲。

另外，水下生物聲源部分也是海洋中極低頻噪聲源的構(gòu)成因素，部分海洋哺乳動物，如須鯨類可發(fā)出低頻呻吟聲。Cummings等［2］和 Watkins［3］曾記錄了藍鯨 Balaenoptera musculus和長須鯨 Balaenoptera physalus的發(fā)聲信號頻率為 10～20 Hz。Thompson等［4］曾在1979年測出了以上兩物種以10～25 Hz的低頻發(fā)聲，并估計聲源級 (距離聲源1 m 處)可達190 dB(0 dB re 1 μPa)。

1.1.2 大氣聲源 大氣中發(fā)出的聲波能夠耦合進入水下聲場，大氣聲源的性質(zhì)和傳播特性［5］決定了其對水下聲場的貢獻限定在極低頻頻率與超低頻頻率。其中雷鳴聲可產(chǎn)生30 Hz以下的極低頻聲譜，并在10 Hz以下能探測其能量［6］。

1.1.3 淺海水下爆破施工 隨著人類對近海岸的開發(fā)利用，爆破施工成為目前港口工程建設(shè)的重要手段之一［7］。進行水下爆破時，爆炸瞬間的聲波頻率受炸藥性質(zhì)及裝藥量的輕微影響，頻率為4～10 Hz;隨后受水的摩擦力和黏滯力的影響，沖擊波逐漸鈍化為聲波，頻率也會發(fā)生改變，變化后卓越頻率為 10 ～105 Hz［8］。

1.2 超低頻、甚低頻噪聲

1.2.1 低頻超電磁噪聲 目前，海洋環(huán)境中出現(xiàn)的超低頻電磁噪聲多與潛艇相關(guān)。潛艇周圍的電磁噪聲主要由軸頻電場和工頻電場在超低頻頻段內(nèi)的分量產(chǎn)生，并與潛艇航速有直接關(guān)系［9］，但由于保密性，國外公開的文獻中并無具體數(shù)值可參考。已知對潛艇通信的有效手段主要以甚低頻 (3～30 kHz)和超低頻 (30～300 Hz)通信為主［9］，潛艇進行水下超低頻通信時會受到工頻噪聲的干擾［10］，可推斷出潛艇周圍的電磁噪聲為超低頻電磁噪聲。

1.2.2 船舶航行與地震勘探 測量結(jié)果表明，在船舶航行頻繁的海區(qū)，在5～500 Hz頻率范圍內(nèi)，自然噪聲譜與船舶的輻射噪聲譜極大值相當(dāng)符合，在此低頻內(nèi)，船舶航行是全球海洋噪聲的主要來源。每一艘船都具有獨特的聲紋，并隨船速、船況、船載、船上活動甚至船舶航行通過的水體性質(zhì)而發(fā)生變化，目前已有對某些水面船舶種類的輻射噪聲測量數(shù)據(jù)庫，如倫敦Lloyd's注冊數(shù)據(jù)庫［11］，它收集了對深海商船輻射噪聲的測量數(shù)據(jù)，可查閱到某些商船的有效聲紋信息。但軍艦的聲紋數(shù)據(jù)源被列為機密，由美國海軍研究署等政府部門持有，不能用于科學(xué)研究。

地質(zhì)勘探也是海洋低頻聲音的一個貢獻因子，它是探測海底礦物儲量的主要手段，廣泛應(yīng)用于石油和天然氣工業(yè)，還被用來研究海底和地殼的地質(zhì)、地震及火山活動等。在地質(zhì)勘探中使用的空氣槍，產(chǎn)生的噪音主要以超低頻率 (5～300 Hz)為主。

1.2.3 中低頻聲納、魚雷 聲納是使用聲能來展示水下物體的物理性質(zhì)并能定位該物體，其應(yīng)用范圍廣泛，適應(yīng)工程指標和布放策略的變化。目前聲納系統(tǒng)兼?zhèn)滠娒駪?yīng)用，分為低頻 (＜1 kHz)、中頻 (1～10 kHz)、高頻 (＞10 kHz)。通常軍用聲納具備所有頻率范圍，而民用聲納限于較高頻。

軍用聲納一般限于全球一小部分特定海區(qū)使用［12］。除了戰(zhàn)爭狀態(tài)，軍用聲納的使用海區(qū)、活動水平、活動時間均有明確限定。美國海軍拖曳陣列低頻主動監(jiān)視系統(tǒng) (SURTASS-LFA)在100～500 Hz頻率范圍工作的垂直陣列中使用，該陣列多達18個聲源發(fā)射器，每個聲源器的工作聲源級為215 dB左右［13］。美國的一種新型軍用主動探測聲納，工作頻率小于500 Hz，噪聲譜級峰值高達220 dB［14］。此外，據(jù)報道:美國海軍艦殼AN/SQS-53C戰(zhàn)術(shù)聲納在1～5 kHz頻帶發(fā)射脈沖，工作聲源級為235 dB;AN/SQS-56聲納在5～10 kHz頻帶發(fā)射脈沖，工作聲源級為223 dB［15］。根據(jù)不同應(yīng)用，商用聲納一般工作在中心1～200 kHz或更高的窄頻帶，某些聲納換能器的聲源級高達250 dB［16］。

以不同航速行駛的魚雷，產(chǎn)生的寬頻帶輻射噪聲譜也有所不同。魚雷雖然有多種推動系統(tǒng)，但研究發(fā)現(xiàn)，在1 kHz頻段上，螺旋槳空化的輻射噪聲為海洋甚低頻噪聲源的有效貢獻因子。

1.2.4 工業(yè)和建設(shè)活動 從位于海邊的電廠到打樁、疏浚、造船、運河水閘結(jié)構(gòu)作業(yè)以及港口的日常活動，其類別相當(dāng)廣泛。人們對進入海洋環(huán)境中的這種能量 (陸基到海岸線水域的結(jié)合)耦合了解的很少。許多活動 (如沖擊式打樁、電廠工作、工業(yè)機械運轉(zhuǎn)、疏浚中的機械運動、風(fēng)力發(fā)電等)產(chǎn)生各種聲源級和聲圖案，已有文獻給出了對這些聲源發(fā)出水下聲波的測量結(jié)果［17］。

油氣工業(yè)采用的鉆探技術(shù)需要許多設(shè)備，如鉆探船、鉆塔、鉆探平臺及鉆探時的補給船、飛機等，在所有使用的鉆探設(shè)備中鉆探船產(chǎn)生的噪聲是最嘈雜的，其跨越頻帶為10 Hz～10 kHz(其中10～30 Hz頻率段為極低頻)［17］，聲源級高達190 dB。

1.2.5 海面粗糙度 在頻率為500 Hz～25 kHz范圍內(nèi)，自然噪聲級與海況有直接關(guān)系，并與用水聽器測量期間當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)速有關(guān)，因此，在此頻率范圍內(nèi)，海面粗糙度產(chǎn)生的噪聲為甚高頻段自然噪聲的噪聲源。

海面降雨對海洋中的聲波也有貢獻。研究發(fā)現(xiàn)［1］，在1～10 kHz頻段，暴雨的噪聲譜近于“白噪聲”，而在10 kHz處，暴雨的噪聲級超過無雨時18 dB;在幾百赫茲至20 kHz以上的寬廣頻率范圍，降雨噪聲級能增加自然環(huán)境噪聲水平達35 dB。

1.2.6 大氣聲源、地質(zhì)聲源與海冰效應(yīng) 雷鳴是海洋噪聲天然出現(xiàn)的一種大氣聲源，不僅包括30 Hz以下的極低頻聲譜，還包括30 Hz～1 kHz以上的超低頻與甚低頻聲譜。

地殼運動能產(chǎn)生極低頻噪聲，其中，地震的水下聲波在短距離內(nèi)可將頻率延伸至100 Hz以上，并能持續(xù)幾秒至幾分鐘。除地殼運動外，海底海流的運動引起沉積物運動，能產(chǎn)生頻率從1～200 kHz以上的環(huán)境噪聲譜［18］。

海面上的冰蓋能從根本上改變海洋噪聲場。附近冰塊的相對運動可在大塊浮冰內(nèi)產(chǎn)生聲波，剛性冷冰的機械應(yīng)力引發(fā)的爆裂釋放出更高強度的聲波，冰川的冰裂和冰皺產(chǎn)生的機械噪聲水平也非常高。如Buck等［19］在離活動冰脊的距離為100 m、水深為30 m處，在聲波頻率為10～100 Hz間測得聲壓譜的密度級為97 dB。

1.2.7 生物發(fā)聲 目前生存的魚類遠遠超過25 000種，人們在某種程度上知道大約有100種(僅占0.4%)魚類的聲行為［20］。海洋哺乳動物發(fā)聲涵蓋了10～200 kHz以上非常寬廣的頻率。在繁育季節(jié)，各種發(fā)聲魚類和海洋哺乳動物對海洋噪聲所起的作用會顯著增加。

1)魚及海洋無脊椎動物。許多種魚可通過各種機制發(fā)出聲波，聲波大小隨不同的生態(tài)系統(tǒng)及日間、季節(jié)等時間尺度發(fā)生變化，發(fā)出的聲波為5 Hz～5 kHz，大多數(shù)為1 kHz以下的脈沖信號，主要用于通信、捕食、游泳以及其它行為［20］。與魚類相比，海洋無脊椎動物的發(fā)聲種類較少，研究較多的是海膽 Echinoidea與鰲蝦 Synalpheus regalis。海膽攝食時，牙齒磨擦珊瑚礁能發(fā)出幾百赫茲左右的聲音，同時其硬殼也會讓聲音產(chǎn)生共鳴，這種噪音能導(dǎo)致海膽身上的刺以一定頻率振動，可使周圍環(huán)境噪聲級提高20～30 dB。鰲蝦［21-23］在其聚居地可發(fā)出2～200 kHz頻帶范圍的聲音，其中30～200 kHz范圍為高頻噪聲。

2)海洋哺乳動物。雖然海洋哺乳動物發(fā)聲頻率涵蓋較廣，但根據(jù)已知文獻的描述，其發(fā)聲頻率主要集中在30 Hz～30 kHz。大多數(shù)的大型須鯨類［17］，如南露脊鯨Eubalaena australis、北極鯨Balaena mysticetus、灰鯨 Eschrichtius robustus、座頭鯨Megaptera novaeangliae可記錄到1 kHz以下、聲源級在180 dB以上的發(fā)聲。Au等［24-25］在2000年3月初 (繁育季節(jié))記錄到鯨豚的發(fā)生頻率為100～150 Hz、250～350 Hz、600～650 Hz的最高聲級。齒鯨類 (海豚和齒科鯨)可發(fā)出1～25 kHz的哨音［26］，部分種類的海豚 Delphinidae［27-32］也可發(fā)出129 Hz～30 kHz的哨音。

1.3 高頻噪聲

1.3.1 高頻聲納 高頻軍用聲納 (10 kHz以上)應(yīng)用于數(shù)十至數(shù)千米距離的武器和反武器場合，獵雷系統(tǒng)所用的高頻聲納從數(shù)十千赫的探測到數(shù)百千赫的定位，系統(tǒng)使用脈沖信號并且指向性很強。與軍用聲納相比，民用聲納一般在更高的頻率下工作，其中商用聲納設(shè)計用于特殊用途，如測障礙物、測深、探魚等。根據(jù)不同應(yīng)用，商用聲納一般在中心頻率為1～200 kHz或更高的窄頻帶內(nèi)工作。

1.3.2 熱噪聲 由分子擾動產(chǎn)生的熱噪聲是深海自然環(huán)境高頻噪聲的主要噪聲源，通過對Wenz譜級圖［33］的分析可以得出，熱噪聲頻率在10 kHz以上的頻譜帶上且主要集中在30 kHz以上。

1.3.3 生物發(fā)聲 能進行高頻發(fā)聲的海洋生物大多限于海洋哺乳動物，關(guān)于海洋非哺乳動物高頻發(fā)聲的文獻報道較少，其中有介紹鰲蝦［21-23］在其聚居地可發(fā)出頻帶為30～200 kHz的高頻噪聲。海洋哺乳動物發(fā)出高頻聲音主要用于回音定位，齒鯨(海豚和齒科鯨)能發(fā)出種群特有的咔噠聲，峰值能量遠高于100 kHz，并能發(fā)出諧波高達100 kHz的哨音［26］。根據(jù)錄音調(diào)查記錄顯示，斑海豹Phoca largha在空氣中能發(fā)出40 kHz的高頻聲音，海豚在水下使用頻率在200～350 kHz以上的超聲波進行“回音定位”。

2 海洋環(huán)境噪聲對海洋動物的影響

許多海洋動物依靠敏銳的聽覺和復(fù)雜的發(fā)音系統(tǒng)進行日常活動［34］，如導(dǎo)航、定位、覓食、逃避天敵、個體間交流等，而這些活動必須依賴于聲音。Wartzok等［35］的研究表明，海洋動物總體上在10 Hz～200 kHz范圍具備功能性聽力，主要分為3種:次聲弓頭鯨科 (功能聽力的可能范圍在15 Hz～20 kHz，其中在20 Hz～2 kHz有良好的靈敏度);高頻聲波物種 (在100 Hz～100 kHz的可變峰值寬帶譜);超聲主流物種 (靈敏度在200 Hz～200 kHz，峰值譜在16～120 kHz)。

2.1 海洋環(huán)境噪聲對野生海洋動物的影響

人類進入工業(yè)化社會后，海洋噪聲的增長主要與商業(yè)航運有關(guān)。Andrew等［36］綜合以往的研究進行分析比較，結(jié)果表明，在過去33年時間里，加利福尼亞某地收集的頻段噪聲數(shù)據(jù)在20～80 Hz，增長約10 dB，他們將這種變化歸因于商船數(shù)量和總噸位的增加。部分商用測深儀和魚探儀工作在50 kHz和200 kHz兩種頻率下，50 kHz頻率正好在海洋哺乳動物的聽力靈敏度范圍內(nèi)，有些魚探儀在深海和淺海的生物繁殖區(qū)工作，將會直接影響到海洋動物。

2.1.1 對個體的影響 暴露在高強度的聲音之下可能導(dǎo)致海洋哺乳動物出現(xiàn)暫時性聽覺缺失，或暫時性的聽覺靈敏度減弱，從而降低其覓食的效率，或阻礙彼此間的溝通。聲級足夠高時，會導(dǎo)致海洋哺乳動物聽力永久性缺失，或聽力的靈敏度永久減弱。曾經(jīng)在地中海［37］、巴哈馬新普羅維登斯海峽［15］發(fā)生的大規(guī)模喙鯨Hyperoodontidae擱淺事件，在時空上與正在進行的軍事演習(xí)所使用的聲納有關(guān)聯(lián)，被懷疑是喙鯨聽力損傷所致。

噪聲干擾的增加會使海洋動物改變浮游和潛水規(guī)律，改變發(fā)音的形式 (音量和節(jié)奏)，甚至與船只發(fā)生碰撞。對人為噪聲和其它干擾，海洋哺乳動物中的白鯨Delphinapterus leucas反應(yīng)最為強烈，距離破冰船和深槽作業(yè)船舶50 km時，白鯨會產(chǎn)生一系列行為反應(yīng)［38-40］，如迅速游離船舶至80 km以外，游出水面呼吸，改變潛水模式，改變種群組成，改變發(fā)聲等。

噪聲增加而使聲音難以被聽到時會出現(xiàn)聲音屏蔽，這會干擾海洋哺乳動物利用聽力進行溝通:干擾個體間的聲通訊，尤其是母仔間的聲通訊，甚至導(dǎo)致幼仔與母體失去聯(lián)系;干擾交配季節(jié)雌、雄個體間的聲通訊，導(dǎo)致失去潛在配偶，影響正常交配，對個體繁殖產(chǎn)生影響;無法偵測到天敵，對海洋哺乳動物的生存不利。如海上油田建設(shè)期間噪聲可能會對斑海豹的某些行為造成短期的有害影響，并且可能導(dǎo)致成年海豹與幼仔的隔離［34］。

2.1.2 對群體的影響 如果海洋動物無法忍受噪聲的滋擾，將完全改變其活動范圍。如環(huán)境噪聲會使它們集體遷移，放棄重要棲息地，從而影響正常的生態(tài)系統(tǒng)。噪音干擾的增加還會造成部分海洋哺乳動物的大規(guī)模擱淺等［15，37］。通常情況下，受到影響的海洋動物將被迫調(diào)整其活動范圍，一些群體的活動空間將受到限制或壓縮。如動物在休息時比參加集群活動時更容易受到噪聲干擾，處于休息狀態(tài)的海豚往往回避船舶，覓食中的海豚不理睬船舶，參加集群活動的海豚可能會靠近船舶［17］。

聲音屏蔽使動物無法偵查到獵物或動物合作狩獵時不能有效溝通，覓食就會受到影響，從而影響群體的生存。

2.2 工程爆破對水產(chǎn)養(yǎng)殖動物的影響

近年來，人類在近海岸進行的各種建設(shè)施工活動影響了附近海域水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展及野生海洋動物的生存環(huán)境。工程爆破作為港口工程建設(shè)的重要手段且由于爆破點多在近海岸或水下，對附近水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)和水下生態(tài)環(huán)境的影響最大。

爆炸物爆炸時，會在瞬間變成高溫高壓的氣體，隨后產(chǎn)生強大的沖擊波。這種沖擊波會使周圍產(chǎn)生瞬時的高壓，并以波動的形式向外傳播，對波及到的生物產(chǎn)生影響。在水中爆炸時，沖擊波最容易損傷的是魚類的膘，除此之外，還有魚類的肝、脾、腎等內(nèi)部器官。當(dāng)魚離爆炸源比較近時，除了對魚類的內(nèi)部器官造成損害以外，對魚的身體外部也會造成損傷。研究表明，魚卵只有在距離爆破點20 m以外時，爆破產(chǎn)生的沖擊波才不會對魚卵有明顯的傷害。

針對水下爆破，李文濤等［41］得出這樣的結(jié)論:爆炸中導(dǎo)致魚類死亡的主要原因是魚鰾破裂 (對于有鰾魚類來說)，除了魚鰾以外，其它內(nèi)部器官也容易受到損傷。魚類離爆炸地點的距離越大，受爆炸的影響就會越小。對于無鰾魚類來說，同樣條件下存活的機會要大得多。而對于同種魚類來說，魚的體質(zhì)量越輕，受爆炸的影響就會越大。

另外，水下爆破會影響海水渾濁度和懸浮體，產(chǎn)生的濁水團會影響爆破點附近的生態(tài)系統(tǒng)，從而威脅海洋生物資源［42］。在國內(nèi)外諸多研究中［43-50］還間接闡述了爆炸產(chǎn)生的沖擊波對漁業(yè)生物的影響。蔣玫等［51］通過炸礁爆破試驗，研究了水下爆破沖擊波對漁業(yè)生物造成的影響效應(yīng)，并根據(jù)沖擊波的衰減規(guī)律，對漁業(yè)生物所受的損害進行了較深入的研究。

3 存在的問題及建議

近年來，由于人類對海洋動物的過度捕殺，導(dǎo)致部分海洋動物瀕臨滅絕，甚至已有部分海洋哺乳動物絕跡。目前，國內(nèi)外還沒有一個完整的將海洋聲學(xué)與海洋動物的發(fā)聲行為學(xué)相結(jié)合的體系，關(guān)于海洋噪聲對海洋動物影響的相關(guān)觀測非常有限。關(guān)于海洋環(huán)境噪聲和可識別聲源對海洋哺乳動物短期和長期的影響，人們還了解甚少。也沒有確切的資料證明，海洋噪聲是影響海洋哺乳動物生理學(xué)變化的因素之一。另一方面，在環(huán)境噪聲和人為噪聲同時存在的情況下，海洋哺乳動物會改變其發(fā)聲方式，但環(huán)境噪聲對海洋動物發(fā)聲方式的影響程度還不明確。筆者建議，今后應(yīng)收集各種人為噪聲和水生動物的聲紋信息，建立人為噪聲與水生動物發(fā)聲相結(jié)合的有效體系，研究環(huán)境噪聲對水生動物的短期和長期效應(yīng)及其存在的因果關(guān)系，以期為制定保護水生動物的法律法規(guī)提供科學(xué)依據(jù)。

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