灯光罩网是20世纪90年代初在南海北部出现并迅速发展起来的一种新型渔具渔法, 主捕头足类及趋光性鱼类^[1-2]。点斑原海豚(Stenella attenuata)作为国家二级保护动物, 广泛分布于中国南海海域, 夜间常常聚集在罩网渔船周围进行捕食活动^[3]。随着罩网渔业的快速发展, 该海豚被罩网兼捕死亡的现象时有发生。以南海水产研究所的罩网渔船生产调查为例: 2015年3月在南沙群岛海域共有20头点斑原海豚被兼捕死亡, 2017年8月在南海西部共有18头点斑原海豚被兼捕死亡; 此外在渔民中走访调查发现, 多数罩网渔船在南海兼捕过该海豚。针对点斑原海豚在罩网渔业中的兼捕现状, 有必要开展相应的驱赶研究: 一方面, 可减少罩网渔船的兼捕, 保护其种群规模; 另一方面, 可减少该海豚对罩网渔获物的驱赶与捕食, 提高渔获产量, 实现生态效益和经济效益的双赢。

减少渔业活动对海豚的兼捕主要有以下3种方法: (1)建立自然保护区, 限制渔船进入作业(如珠江口中华白海豚自然保护区)^[4]; (2)改变渔船作业类型或改进网具(如金枪鱼围网部分网段使用大网目尺寸)^[5]; (3)使用声波驱赶海豚(如国外刺网渔业使用的声波驱豚装置)^[6]。从可行性与成本角度综合考虑, 使用声波驱赶海豚是渔民最为接受的方式, 可在不增加网具改进成本的同时, 减少海豚兼捕^[6]。

国外研究人员使用声波驱豚设备, 发射声波干扰信号, 使海豚受到“惊吓”, 驱赶其远离渔船^[7-10]。但由于不同种类、不同地区的海豚对声波信号的敏感度差异较大^[11], 即直接引进国外驱豚设备并应用于中国南海, 其实际效果有待商榷。因此, 本研究参考国内外相关文献^[12-13], 研发声波驱豚系统, 通过一系列海上试验, 定量评估驱豚效果, 以期为减少罩网渔船的兼捕、推动声波驱豚在罩网渔业中的广泛应用奠定技术基础。

海上试验依托海洋渔业调查船“中渔科301”, 主机功率800 kW, 总吨位398 Gt, 总长42.8 m, 型宽8 m, 型深5.2 m。调查船白天航行, 夜间进行罩网作业, 根据作业时的点斑原海豚聚集情况决定是否试验。本研究共进行了2次试验, 时间分别为2019年5月19日与5月28日, 位置详见图1。

图1

图1 　海上声波驱赶海豚试验位置示意图 Fig. 1 Test stations for deterrent Stenella attenuate

在查阅国内外相关文献的基础上^[11-13], 联合厦门大学水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室, 设计并制作了声波驱豚系统, 包括信号发生控制器、A/D转换器、功率放大器和换能器(图2), 其中信号发生控制器基于Labview编写的信号产生及控制程序, 可实现信号的类型选择以及信号参数的自由设置与编辑。功率放大器用于提升发射声波的功率, 保证驱赶设备达到足够大的源级。换能器用于实现将模拟电信号转化为声信号并辐射于水环境中。本系统发射的信号为线性调频(LFM)信号, 功率放大器最大输出功率为80 W, 水声换能器发射声功率为12 W, 由于使用的是宽带功率放大器, 在DC~1 MHz频带内均有良好放大作用, 因此发射的各频段声信号的声源级大小基本相同, 实测可达180 dB re 1 µPa; 所用水声换能器组包括2个水声换能器, 工作频段分别是20 Hz~20 kHz与20~40 kHz, 可发射的声波频带范围覆盖20 Hz~40 kHz; 各换能器水平方向均无指向性, 垂直方向指向角为±40°。

图2

图2 　声波驱赶点斑原海豚系统终端设备 Fig. 2 Acoustic dolphin deterrent system

夜晚调查船开灯后, 点斑原海豚常常聚集在周围, 部分海豚离船10~30 m, 驱豚声波信号发射后, 可根据对海豚行为的直接观察来定性评估信号驱豚效果。将信号发收模块置于水下5 m深度处, 当观测到点斑原海豚聚集后, 发射一定频段的脉冲信号(如1~10 kHz、10~20 kHz、20~30 kHz等)。参考牛富强等^[14]的研究, 每个频段信号连续发射20 min, 观察记录这期间的海豚行为。如果海豚没有明显远离调查船, 则记录该频段无效, 然后继续测试下个频段。如果海豚远离调查船(从观察视野中消失), 则记录该频段为潜在有效频段, 然后关闭系统30 min^[14], 观察点斑原海豚是否重新聚集。若海豚重新聚集则再次测试该信号频段, 根据海豚是否再次远离来验证试验频段的有效性; 若不聚集则结束本次试验, 待下次驱豚试验是再进行验证。

在定性评估的基础上, 本研究还基于2个方向的声学映像以定量评估驱豚效果, 其中垂直方向的声学映像基于船载EK60探鱼仪采集(38 kHz、120 kHz), 通过对比系统开关前后20 min, 罩网作业深度内(10~50 m)的声学散射系数NASC (nautical area scattering coefficient, NASC, m²/nmi²)来定量评估。水平方向的声学映像基于便携式EY60 (120 kHz)探鱼仪采集(部分映像如图3), 本研究设计了换能器水平固定装置, 以确保映像的成功采集(图4); 通过对比系统开关前后20 min, 点斑原海豚的单体信号数目及离船平均距离来定量评估。2套探鱼仪均使用国际通用的“标准球”法进行校正^[15], 校正时间为2018年8月16日, 地点为广东省万山岛海域。EK60与EY60探鱼仪的主要参数详见表1与表2。

图3

图3 　EY60探鱼仪采集的点斑原海豚部分声学映像 Fig. 3 Part of the dolphin ecogram collected by EY60 transducer

图4

图4 　换能器水平固定装置 Fig. 4 Transducer horizontal fixture device

表1

表1 　EK60换能器参数设置 Tab. 1 Main settings of EK60 transducer 参数parameter 换能器设置transducer setting 换能器型号 transducer type ES38B ES120-7C 波束频率beam frequency 38k Hz 120 kHz 脉冲宽度/ms pulse length 1.024 1.024 脉冲间隔/s pulse duration 1 1 功率/W power 2000 500 波束等效立体角/dB equivalent beam angle –21.00 –21.00 换能器增益/dB transducer gain 26.8 27 吸收系数/(dB/m) absorption coefficient 0.007 0.043

表1 　EK60换能器参数设置 Tab. 1 Main settings of EK60 transducer

表2

表2 　EY60换能器参数设置 Tab. 2 Main settings of EY60 transducer 参数 parameter 换能器设置 transducer setting 换能器型号 transducer type ES120-7C 波束频率/kHz beam frequency 120 脉冲宽度/ms pulse length 1.024 脉冲间隔/s pulse duration 1 功率/W power 500 波束等效立体角/dB equivalent beam angle –21.00 换能器增益/dB transducer gain 27 吸收系数/(dB/m) absorption coefficient 0.045

表2 　EY60换能器参数设置 Tab. 2 Main settings of EY60 transducer

使用Ecoview (v6.1, Echoview Software Pty. Ltd., 澳大利亚)软件处理120 kHz的声学映像。根据2套探鱼仪的吃水深度与罩网作业深度, 本研究选取10~50 m范围内的垂直声学映像与6~120 m范围内的水平声学映像, 使用多种过滤变量去除噪声^[16]。垂直映像去噪后, 划分为2 min× 10 m的积分单元, 输出每个单元的NASC值, 然后使用Kolmogorov-Smirnov (K-S)检验和Kruskal-Wallis (K-W)检验分析系统开关前后NASC的差异性; 显著性水平均为0.05, 当2种检验结果均显著时(P<0.05), 认定存在显著性差异。水平映像去噪后, 提取点斑原海豚的单体信号。

设定不同目标强度阈值, 使用“单体检测(single target detection)”变量, 提取水平映像中的点斑原海豚单体信号, 检测方法为“分裂波束–方法2 (split beam-method 2)”, 检测参数详见表3^[17]。

表3

表3 　单体目标检测参数 Tab. 3 Single target detection parameters 参数 parameter 设置 setting 目标强度阈值/dB minimum TS threshold –35/–30/–25 脉冲宽度确定水平/dB pulse length determination level 6 最小标准脉宽 minimum normalized pulse length 0.75 最大标准脉宽 maximum normalized pulse length 1.5 最大波束补偿/dB maximum beam compensation 4 最小回波长度 minimum echo length 0.8 最大回波长度 maximum echo length 1.8 最大相位偏差 maximum phase deviation 8 单体检测方法 single target detection method 分裂波束–方法2

表3 　单体目标检测参数 Tab. 3 Single target detection parameters

5月19日的试验结果表明: 30~40 kHz、20~ 30 kHz, 10~20 kHz频段的调频信号无明显驱豚效果; 1~10 kHz的调频信号发射后海豚迅速远离调查船, 20 min后关闭系统, 之后未见海豚重新聚集。在第1次试验的基础上, 5月28日进行了第2次试验, 重点测试1~10 kHz的调频信号, 结果表明: 点斑原海豚在信号发射后迅速远离调查船, 关闭系统约30 min后海豚重新聚集, 再次发射该频段信号, 海豚再次远离。

水平声学映像处理结果表明: 2次驱赶试验, 系统开启前20 min内的海豚单体信号数目大于开启后, 而离船平均距离小于开启后(表4), 且5月28日系统开启后没有检测到单体信号, 即在离船120 m范围内, 无点斑原海豚存在。垂直声学映像处理结果表明: 系统开启前后20 min内垂直映像积分单元的平均NASC值存在显著性差异(P<0.05), 且开启前的NASC小于开启后(表5)。

表4

表4 　系统开启前后20 min点斑原海豚单体信号 Tab. 4 Signal of Stenella attenuata within 20 min before and after the system work 试验日期 date TS阈值/dB TS threshold 系统开启前20 min 20 min before system work 系统开启后20 min 20 min after system work 单体信号 数目/个single number TS 范围/dB TS range 离船距离 范围/m range from vessel 平均 距离/m mean range 单体信号 数目/个 single number TS 范围/dB TS range 离船距离 范围/m range from vessel 平均 距离/m mean range 5月19日 May 19 –35 10 –33– –17 27–95 54 4 –31– –29 73–117 95 –30 8 –32– –20 27–68 47 3 –31– –29 73–117 97 –25 5 –24– –20 41–68 55 0 – – – 5月28日 May 28 –35 11 –30– –22 11–103 60 0 – – – –30 10 –26– –22 11–103 56 0 – – – –25 8 –24– –22 11–96 52 0 – – –

表4 　系统开启前后20 min点斑原海豚单体信号 Tab. 4 Signal of Stenella attenuata within 20 min before and after the system work

表5

表5 　系统开启前后20 min垂直积分单元的平均NASC Tab. 5 mean NASC of vertical units within 20 min before and after the system work　m2/nmi2 时间 date 系统开启前20 min 20 min before system work 系统开启后20 min 20 min after system work 差异性 difference 5月19日 May 19 19.44 36.70 P<0.05 5月28日 May 28 18.58 32.41 P<0.05

表5 　系统开启前后20 min垂直积分单元的平均NASC Tab. 5 mean NASC of vertical units within 20 min before and after the system work　m2/nmi2

国外在渔业领域中的海豚驱赶与保护研究开展较早^[18], 主要集中在刺网渔业, 如加利福尼亚湾刺网渔业、缅因湾刺网渔业, 丹麦北海刺网渔业等^[19-21]。灯光罩网是南海的一种主要作业方式, 捕捞过程中时常兼捕到点斑原海豚。本研究使用声波驱豚系统, 进行海上驱豚试验, 发现1~10 kHz的线性调频信号对点斑原海豚有一定的驱赶作用。

试验过程中, 通过对海豚行为的直接观察, 可定性评估驱豚效果, 但是要建立一种科学的驱豚方法, 还需要有定量的评估结果。刺网渔业中, 研究人员采用多种方法定量评估声波驱赶效果: (1)使用水听器采集驱豚仪附近的海豚回波定位信号, 对比驱豚前后的信号数目及信号与驱豚仪的平均间距定量评估^[22]; (2)通过研究人员的视觉观察与经纬仪, 记录驱豚仪白天一定时空范围内的海豚数目及运动轨迹, 对比驱豚前后的海豚个数及海豚与驱豚仪的最小间距(closest observed approach, COA)来定量评估^[23]; (3)对比驱豚前后的刺网渔获情况来定量评估, 但本方法的受限因素较多, 准确性较差^[24]。由于罩网渔船在夜晚作业, 即无法通过视觉观察的方法定量评估; 本研究2次试验结束后没有再次进行罩网作业, 也不能根据渔获情况的对比来定量评估; 此外本研究使用的水听器也没有采集到充足有效的点斑原海豚回波定位信号, 可能是因为试验时间较短或水听器性能有限, 未来可延长试验时间以便于信号采集。

除了上述方法之外, 本研究根据探鱼仪采集的声学映像来定量评估驱赶效果。罩网作业时, 点斑原海豚常常聚集在渔船周围驱赶与捕食渔获物, 当其被驱离时, 渔获物会在灯光的吸引下重新聚集在渔船下方, 本研究中系统开启前垂直映像积分单元的平均NASC值要小于开启后, 表明罩网作业深度内的鱼类数量有所增加; 此外, 系统开启前水平映像中的海豚单体信号数目大于开启后, 离船平均距离小于开启后, 表明海豚被驱离了调查船。单体信号检测的关键是确定检测阈值, Au等^[12]使用EK60探鱼仪(70 kHz、120 kHz与200 kHz)采集了大西洋宽吻海豚的声学映像, 通过检测海豚的单体信号, 得到3个频率下的海豚平均目标强度分别为–26 dB、–34 dB、–40 dB。张波等^[13]采用比较法测得鼠海豚对75 kHz的声波反向散射目标强度为–25.8 dB。本研究参考上述文献, 设定了3个检测阈值(–35 dB、–30 dB, –25 dB), 检测结果均表明了驱豚的有效性(表4), 但未来还需要进行更多次的试验予以完善。

国外刺网渔业使用的声波驱豚设备的声源级范围为132~174 dB re 1µPa, 频率范围20~160 kHz^[6], 本研究所用设备的声源级为180 dB re 1µPa, 工作频率为20 Hz~40 kHz。本设备的声源级高于国外驱豚设备, 表明本设备发射的声波信号强度更大, 对海豚的驱赶效果更明显; 但信号频率范围相比较窄, 无法发射高频信号, 不能研究高频信号是否对点斑原海豚有驱赶效果, 将来可通过加装高频换能器以完成高频信号的驱豚试验。

国外研究表明海豚对驱赶信号有一定的适应性, Palka等^[25]在美国华盛顿州海域进行了3个月的刺网驱豚试验, 共兼捕了12头港湾鼠海豚(Phocoena phocoena), 其中的11头兼捕发生在试验的最后2周, 表明本海域的港湾鼠海豚可能已经适应了驱赶信号。Cox等^[26]使用Netmark 1000驱豚仪(中心频率10 kHz)持续驱赶港湾鼠海豚, 发现该海豚的驱赶距离在第4天时减少了一半, 到第11天时已经完全适应了驱赶信号。Carlström等^[8]进行了类似研究, 发现随着刺激时间的延长, 港湾鼠海豚在驱豚仪附近出现的频次增加, 表明该海豚对驱赶信号已经形成了一定的适应。本研究的试验时间较短, 未来可进行更长时间的试验以研究南海点斑原海豚的声信号适应性。

驱豚仪对海豚的驱赶, 可能导致其远离栖息地, 然而在大尺度范围上, 这种驱赶影响并不显著, 如Larsen等^[21]发现, 丹麦北海的刺网渔业只影响到了<1%的港湾鼠海豚栖息地, Northridge等^[27]的研究表明, 英格兰西南部的刺网即使全部使用驱豚仪器, 也只能影响<1%的海豚栖息地, 且每个驱豚仪的影响范围≤2 km。因此, 大尺度范围的海豚驱赶对其栖息地的影响可忽略不计。罩网渔船通常在外海开阔海域作业, 且点斑原海豚的活动范围也较广, 即本研究不会影响到该种群的正常栖息。

海洋哺乳动物在渔业中的驱赶是当今研究热点, 也是国际水产品进出口谈判的关键, 具有重要的科学意义^[28-30]。本研究可弥补我国在渔业领域声波驱豚方面的不足, 具有一定的可行性, 未来通过实验室或水族馆条件下的驱赶试验的补充, 可完善建立基于声波信号的点斑原海豚的驱赶技术, 并在罩网渔业中广泛推广使用。