大陆坡地震勘探影响范围内鱼类垂直分布的微妙变化

《Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences》：Subtle shift in depth distribution of fish within the impact range of seismic surveying along a continental slope

　　本刊推荐：为解决海洋地震勘探对渔业生态系统影响评估不足的问题，研究人员在纽芬兰大陆坡商业渔场开展了为期100天的实地监测。研究通过被动声学监测和主动回声探测技术，发现地震勘探船在60公里范围内且声压级>122 dB re 1 μPa2时，50-350米水层的鱼类会下潜至更深水域（最大深度差40米），而浮游动物未现显著行为变化。这表明深海工业地震勘探对鱼类行为的影响范围（最远70公里）远超既往认知，为海洋噪声管理提供了关键科学依据。

　　

在广阔的海洋中，人类活动产生的噪声正日益成为影响海洋生物的重要环境因素。其中，海洋油气勘探中使用的地震空气枪阵列会向水中发射高强度、低频率的声波，其峰值声压级（SPL）可高达260 dB re 1 μPa²。这种人为噪声对海洋生物，尤其是商业鱼类和基础食物链的浮游动物会产生何种影响，是渔业管理者、科研人员和环保组织共同关注的焦点问题。然而，现有研究结论存在很大差异，有的报告显示鱼类丰度显著减少或行为发生显著改变，有的则发现影响甚微或无法测量。这种差异可能源于实验设计、声源特性、暴露时间以及研究海域环境的不同。特别是，针对真实工业规模（空气枪阵列体积通常大于3000立方英寸）、长时间（可达数月）海上地震勘探对海洋生物影响的实地研究尤为缺乏。为了填补这一知识空白，并评估在重要商业渔场进行地震勘探的潜在生态风险，一项在加拿大纽芬兰和拉布拉多省外海大陆坡区域开展的创新性研究得以实施。

这项研究发表在《Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences》上，由Hannah Hynes、Khanh Q. Nguyen、Maxime Geoffroy、S. Bruce Martin和Corey J. Morris共同完成。研究团队利用部署在东北纽芬兰斜坡海洋保护区（MR）海底的先进声学设备，对2021年夏季一次持续100天的工业三维地震勘探进行了实时、连续的生态效应监测。

研究人员综合运用了几项关键技术方法。首先是被动声学监测，使用海底系泊的Acoustic Long-Term Observatory (ALTO) 着陆器搭载的自主多通道声学记录仪（AMAR G4-UD），连续记录8.9–8900 Hz频段的声压级（SPL），以精确量化地震勘探产生的噪声水平。其次是主动声学探测，利用同平台配置的宽带自主收发器（WBAT），其配备的38 kHz（主要用于探测鱼类）和333 kHz（主要用于探测浮游动物）换能器，以每分钟工作30分钟的节律，主动发射声波并接收回波，从而获取水体中生物的数量（通过积分 nautical area scattering coefficient, NASC）、垂直分布（通过中心质心, CM）、分布范围（通过比例占用, PO）和聚集行为（通过聚集指数, AI）等关键指标。此外，研究还进行了单目标跟踪分析，通过38 kHz分束波束对连续几个声脉冲中的单个鱼类目标进行三维追踪，以检测是否存在惊吓反应（通过目标强度TS、垂直速度VS和深度变化CD来衡量）。研究区域位于东北纽芬兰斜坡海洋保护区，该区域水深250-500米，旨在保护珊瑚和海绵，但允许进行油气勘探活动。地震勘探由PGS（现属TGS）公司的Ramform Titan号船只执行，使用体积为4130立方英寸的空气枪阵列。研究人员通过分析2021年7月19日至9月9日期间（此阶段勘探船频繁接近监测设备）收集的数据，并采用分段回归、广义线性混合模型（GLMM）和广义可加混合模型（GAMM）等统计方法，深入探究了地震噪声与海洋生物响应之间的关系。

声音压力水平在地震勘探区域的变化

监测数据显示，地震勘探船与声学系泊设备之间的距离在0公里（正下方）到152公里（调查边界）之间变化，对应的60秒平均声压级（SPL）在160 dB re 1 μPa² 到 90 dB re 1 μPa² 之间。声压级与距离呈显著负相关。分段回归模型确定了一个“断点”位于60公里处（±1.1标准误）。在60公里以内的高影响区，声压级随距离对数下降，方程为 SPL₁ = 172 – 26.2 log₁₀d；超过60公里后，声压级下降缓慢，方程为 SPL₂ = 148 – 12.7 log₁₀d。在0至60公里范围内，模型平均声压级从160 dB迅速降至122 dB re 1 μPa²；而在60至152公里范围内，声压级变化平缓，从122 dB降至112 dB re 1 μPa²，接近或低于渔船产生的噪声水平。

昼夜垂直迁移（DVM）的影响

声学数据分析揭示了鱼类和浮游动物不同的行为模式。38 kHz探测到的鱼类目标显示，夜间生物量更集中在较浅水层（正常的DVM），而333 kHz探测到的浮游动物目标则显示白天生物量集中在较深水层（可能为逆向DVM或因探测范围有限所致）。这表明在研究期间，生物本身存在规律的昼夜垂直移动行为。

地震勘探对鱼类和浮游动物在距离上的影响

统计分析表明，地震勘探距离对38 kHz和333 kHz探测到的NASC（丰度代理）、PO（分布范围）和AI（聚集程度）均无显著影响。然而，38 kHz探测到的中心质心（CM，即生物量垂直分布的中心位置）与地震噪声源距离存在显著相关性。无论是白天还是夜间，当地震勘探船在60公里范围内活动时，鱼类在水柱中的位置显著更深。模型预测，在强噪声区（0公里）和环境噪声区（>60公里）之间，鱼类垂直分布深度差异最大可达40米。模型进一步表明，地震勘探对鱼类垂直移动的影响距离可能远至70公里。对13461条单个鱼类轨迹的分析未发现惊吓反应的证据：目标强度（TS）、鱼体速度（VS）和短时间内深度变化（CD）均与地震船距离无显著相关性，个体轨迹的深度变化平均仅为0.25米，表明鱼类的下潜是渐进的而非突然的。

地震勘探对鱼类和浮游动物在噪声水平上的影响

与距离分析结果一致，声压水平（SPL）对NASC、333 kHz的CM、PO和AI均无显著影响。但38 kHz的CM再次显示出显著效应：无论是白天还是夜间，当声压级较高时（SPL ≥ 122 dB re 1 μPa²），鱼类位于水柱中更深处。统计分析确认，白天环境噪声期（SPL < 120 dB）与强噪声期（SPL ≥ 120 dB）的鱼类平均深度差异为32米，夜间为24米，差异均极显著。

研究结论与意义

本研究通过长时间、大范围的实地监测，揭示了工业地震勘探对大陆坡深海鱼类行为产生了显著但微妙的影响。核心结论是：地震勘探会导致50-350米水层的鱼类下潜至更深水域，最大深度差可达40米，这种响应在勘探船进入60公里范围内（声压级>122 dB re 1 μPa²）时发生，且影响范围可能延伸至70公里，这比许多在沿海或浅水区进行的研究所报告的距离要远得多，可能与深海环境中声音传播更远的特性有关。重要的是，这种行为变化在长达数周的暴露期间持续存在，未见鱼类产生适应性（习惯化）。然而，研究并未观测到鱼类丰度、聚集行为的显著变化，也未发现个体层面快速的惊吓反应，表明鱼类的响应是相对温和且渐进的。同时，在250-350米水深范围内（333 kHz探测器的有效范围），未检测到浮游动物的丰度或行为受到地震勘探的显著影响。

这项研究的意义在于它首次在真实的工业地震勘探条件下，系统评估了其对大陆坡深海生态系统的长期影响。研究结果强调了在评估海洋噪声影响时，必须考虑具体环境（如深海 vs. 浅海）、噪声暴露持续时间以及所研究物种的特性。所观察到的鱼类垂直分布变化虽然微妙，但若长期或频繁发生，可能通过改变捕食者-猎物相遇率、能量消耗等途径，对个体 fitness 和种群动态产生潜在生态后果。该研究为渔业管理者、监管机构和工业界制定更科学、更具区域针对性的海洋噪声减缓措施提供了关键的数据支持，并凸显了在重要商业渔场进行生态系统水平监测的必要性。研究也表明，需要结合多种技术手段（如声学、光学）来更全面地理解复杂海洋环境中人类活动产生的噪声对生物多样性和生态系统功能的影响。