琼州海峡水下噪声对鲸类动物移动屏障效应的声学机制研究

《Water Biology and Security》：Underwater noise as a potential contributing factor to the barrier effect of straits on cetacean movement: A case study of the Qiongzhou Strait

本研究针对繁忙航道水下噪声可能对鲸类动物移动产生屏障效应这一关键科学问题，在琼州海峡开展了系统的静态被动声学监测。研究人员通过测量不同位点的声压级(SPLrms)和累积加权声暴露级(CWSEL)，评估了噪声对三类听觉敏感型鲸类（VHF、HF、LF）的潜在影响。研究发现海峡噪声对VHF和LF鲸类的影响显著，其CWSEL在多数试验中超过TTS起始阈值，揭示了水下噪声作为海峡屏障效应潜在机制的重要证据，为全球海峡区域噪声管理和鲸类保护提供了科学依据。

　　

在全球海洋生态系统中，海峡作为连接不同海域的重要水文通道，不仅是全球航运贸易的命脉，更是海洋生物迁徙的关键廊道。然而，随着海上交通日益繁忙，这些天然通道正面临着前所未有的挑战——持续不断的水下噪声污染。琼州海峡作为中国南部最繁忙的海上交通要道之一，同时又是多种海洋哺乳动物的重要栖息地，其独特的地理位置和生态环境使其成为研究水下噪声对海洋生物影响的天然实验室。

长期以来，科学家们观察到琼州海峡可能对中华白海豚等鲸类动物的种群交流构成地理障碍，但这一屏障效应背后的机制始终未能明确。海洋哺乳动物高度依赖声音进行导航、觅食、交流和繁殖，水下噪声的干扰可能严重影响它们的生存能力。特别是在海峡这种船舶交通密集的区域，持续的高强度噪声可能改变鲸类行为、阻碍个体迁移，甚至导致种群隔离。

为了深入探究这一问题，研究团队在2018年至2019年间，在琼州海峡的三个关键位置部署了高性能水下录音设备，开展了累计12-21天的连续声学监测。通过分析采集的声学数据，研究人员首次系统评估了该区域水下噪声水平对不同听觉类型鲸类的潜在影响。

研究采用了先进的声学分析技术，包括计算宽带声压级(SPL_rms)和累积加权声暴露级(CWSEL)，并参照国际公认的听觉影响阈值进行评估。特别值得关注的是，研究团队应用了机器学习TreeNet算法，深入解析了噪声的时空变异规律，为理解噪声分布的复杂模式提供了新视角。

关键技术方法

研究采用自主开发的水声信号处理协议，在MATLAB R2025平台上实现。通过部署SoundTrap ST300 HF录音系统，在288 kHz采样率下连续记录水下声音。数据分析包括计算1/3倍频程功率谱，应用海洋哺乳动物听觉加权函数（VHF、HF、LF三类），并评估噪声水平相对于有效安静阈值(EQT)、临时听阈偏移(TTS)起始阈值和听觉损伤(AUD INJ)阈值的风险。研究还结合了自动识别系统(AIS)的船舶交通密度数据，分析噪声与航运活动的关系。

研究结果

3.1. 声压水平

研究发现琼州海峡的平均SPL_rms值在131-146 dB之间波动。除S06-2019试验外，所有试验中的平均SPL_rms均超过VHF鲸类的可能EQT（140 dB re 1 μPa），但未达到HF鲸类的阈值（150 dB re 1 μPa）。这一结果表明，海峡噪声环境对高频听觉敏感的鲸类构成较大压力。

3.2. 声暴露水平

声暴露水平(SEL)在不同试验间存在显著差异，表现出明显的时空变异特征。S06-2018试验记录的SEL水平最高，而S06-2019试验则显著较低。通过统计检验证实，各试验间的SEL和加权SEL(WSEL)均存在极显著差异（p < 0.001），表明琼州海峡的水下噪声环境具有高度动态变化的特性。

3.3. 累积声暴露水平

累积声暴露水平的分析揭示了更为深入的规律。对于VHF鲸类，50%试验中的平均CWSEL超过了TTS起始阈值；对于LF鲸类，这一比例达到75%。相比之下，HF鲸类在所有试验中的平均CWSEL均低于TTS阈值。值得注意的是，所有三类鲸类的CWSEL都超过了各自的EQT，但均低于AUD INJ阈值，表明噪声暴露虽未造成直接听觉损伤，但已构成潜在的行为干扰风险。

3.4. 时空变异特征

机器学习分析揭示了水下噪声参数显著的时空变异规律。年份被确定为SEL_uw的最重要预测因子，其次是监测点位、日期、小时和昼夜周期。不同听觉类型的鲸类对噪声的敏感因子存在差异：对于SEL_vhf，点位的重要性排名第一，其次是年份、小时、日期和昼夜周期；SEL_hf表现出相同的因子重要性排序。研究还发现了空间（点位）与时间（日期、小时、年份）变量之间强烈的交互作用，表明噪声影响是多重因素共同影响的结果。

3.5. 1/3倍频程声压级

频谱分析显示，琼州海峡的1/3倍频程SPL具有明显的点位特异性。除S06-2019试验外，其他试验的中位数1/3倍频程SPL在10 Hz至30 kHz频率范围内均超过LF鲸类的估计听阈图。对于VHF鲸类，噪声水平在200 Hz至126 kHz频率范围内超过其听阈，而HF鲸类仅在较窄的频带内受到影响。这表明不同听觉类型的鲸类在海峡噪声环境中的暴露风险存在差异。

研究结论与意义

本研究通过系统监测琼州海峡的水下噪声环境，首次定量评估了噪声污染对三类听觉敏感型鲸类的潜在影响。研究发现，海峡中的水下噪声水平对VHF和LF鲸类构成较大风险，其累积声暴露在多数情况下超过临时听阈偏移的起始阈值。这一发现为解释琼州海峡可能存在的鲸类移动屏障效应提供了声学机制层面的证据。

研究的创新之处在于将噪声监测与鲸类听觉特性相结合，建立了从物理声学到生物影响的完整评估链条。通过应用机器学习方法，研究还揭示了噪声时空变异的复杂规律，为精准预测噪声影响提供了方法论基础。

值得注意的是，本研究记录的噪声数据是在航运淡季（8-11月）获得的，实际航运旺季的噪声水平可能更高，对鲸类的影响可能更为严重。因此，研究结果可能低估了海峡噪声环境的实际影响程度。

从保护管理角度看，研究结果强调了对海峡区域航运活动实施噪声管控的必要性。通过限制船舶速度、优化航线设计、设立噪声减缓区等措施，可以有效降低水下噪声对鲸类动物的影响。同时，研究建立的评估框架也可推广至其他繁忙海峡区域，为全球海洋噪声管理和鲸类保护提供科学支持。

未来研究需要结合鲸类分布监测、个体行为观察和种群遗传学分析，进一步验证噪声屏障效应的生态后果，为海峡生态系统的综合管理提供完整科学依据。这项发表于《Water Biology and Security》的研究，不仅增进了我们对水下噪声生态影响的理解，也为海洋保护政策的制定提供了重要科学支撑。