玻璃鋼水槽內大黃魚養殖環境噪聲測量與分析

殷雷明，陳雪忠，張旭光，李靈智，黃洪亮

（1.上海海洋大學海洋科學學院，上海 201306；2.中國水產科學研究院東海水產研究所，農業部東海與遠洋漁業資源開發利用重點實驗室，上海 200090；3.上海海洋大學海洋生物系統和神經科學研究所，上海 201306）

玻璃鋼水槽內大黃魚養殖環境噪聲測量與分析

殷雷明1，2，陳雪忠2，張旭光3，李靈智2，黃洪亮2

（1.上海海洋大學海洋科學學院，上海 201306；2.中國水產科學研究院東海水產研究所，農業部東海與遠洋漁業資源開發利用重點實驗室，上海 200090；3.上海海洋大學海洋生物系統和神經科學研究所，上海 201306）

利用水下聲音測量系統，分別記錄了開放式圓形玻璃鋼水槽內養殖環境噪聲和大黃魚（Larimichthys crocea）攝食過程聲音，并進行聲壓級（sound pressure levels，SPL）計算和頻譜特征分析。結果表明：（1）養殖環境噪聲SPL約為110.27 dB（dB re：1μPa），包括主頻率峰值為100 Hz的養殖工作設備與水槽內壁的低頻共振噪聲、1 250 Hz的表層水體氣泡噪聲、1 600～2 500 Hz的曝氣石、增氧機、空氣壓縮機工作噪聲；（2）增氧機和曝氣關閉時，大黃魚攝食過程聲音SPL約為92.65 dB，高于背景噪聲SPL，主要為游泳聲音70～500 Hz、吞食產生的水體表面攪動與氣泡破裂的聲音1 000～2 000 Hz、咀嚼顆粒餌料聲音2 000～4 500 Hz；（3）增氧機和曝氣開啟時，背景噪聲SPL略高于攝食聲音約17.62 dB，且攝食聲音無法區別于背景噪聲，但并未影響魚類攝食行為。

養殖環境噪聲；玻璃鋼水槽；攝食聲音；大黃魚

近年來，關于人為噪聲對水生生物影響的研究越來越多［1-6］，研究者們提出了福利養殖與人道養殖的觀點［7-8］，呼吁養殖者在封閉式或開放式水產養殖水槽內，要考慮養殖設備噪聲對魚類健康的影響，為水產養殖魚類謀取適宜生長的聲音環境福利。

養殖水體有混凝土水池、玻璃鋼水槽、池塘等，與自然環境不同，它們屬于小水體。這些小水體在高密度的養殖環境中需要各種各樣的設備來維持，包括空氣壓縮機、增氧機、通風裝置、水泵、過濾設備、水循環設備以及其它維持設備，這些設備的使用大大增加了養殖環境的噪聲水平。BART等［9］和CRAVEN等［10］分別測量了混凝土水池和封閉循環玻璃鋼水槽養殖環境噪聲，結果表明：高頻噪聲（1～2 kHz）一般來源于電動機、增氧機、空氣壓縮機、水泵等電動設備；而水流、地面震動、水池墻體震動等均為低頻噪聲（25～1 000 Hz），存在于所有的養殖水體中，它們的頻率范圍包括了大部分曾經研究過的硬骨魚類的聽力敏感范圍（50～1 000 Hz）［11］。

在高強度噪聲短暫暴露下，魚類會產生暫時性失聰（即聽覺閾值偏移或改變，temporary threshold shift）、應激水平提高［12］、引起血液循環系統和神經組織的損傷［13-14］，同時還會引起魚類行為的改變，如趨避噪聲源、逃離攝食和產卵場所等［15］。一般情況，噪聲不會導致魚類的直接死亡，然而長期的噪聲暴露則可能會降低魚類的攝食轉換效率［16］、生長率、免疫力［17］、存活率和繁殖率等［18-21］，最終影響到養殖產量。

魚類的攝食聲音是生物噪聲的一種［22］，它包括魚類捕食時產生的游泳水動力噪聲、咀嚼食物的噪聲［23-24］和部分發聲魚類伴隨發出的叫聲［25］。一方面，魚類利用攝食過程產生的生物噪聲進行聲通訊交流［26］。另一方面，研究者可以根據攝食生物噪聲判斷養殖魚類的攝食情況從而進行餌料投喂調控［23，27-29］。

目前國內關于結合石首魚科（Sciaenidae）魚類水槽內攝食聲音，測量分析開放式圓形玻璃鋼水槽背景噪聲的研究尚未見發表。本實驗通過測量不同條件下，圓形玻璃鋼循環水槽內的背景噪聲和石首魚科大黃魚（Larimichthys crocea）攝食聲音，分析了養殖設備噪聲和攝食聲音的聲壓級強度（sound pressure level，以下簡稱SPL，單位dB：re 1μPa）和頻率特征，并討論了對魚類健康潛在的影響。旨在為今后魚類福利養殖、改善室內養殖聲音環境、利用魚類攝食聲音進行投餌調控等研究提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 測量點與生產設備布局

本實驗于2016年6月在福建省福鼎市東海水產研究所福鼎養殖試驗中心進行。工廠化養殖車間占地1 500 m2。養殖車間內主要生產設備包括：空氣壓縮機（ROOTS BLOWER RZ-50，銘豐，中國），靜壓3 000 mmAq，容量1 m3·min-1；三相異步電動機（BEIDE 1TL001，西門子，德國），功率3 kW，位于測量點30 m處，用于整個車間玻璃鋼水槽曝氣；增氧機，三相異步電動機（YE2-90-L-4，滬源，中國）功率1.5 kW，位于測量點15 m處，用于混凝土池內曝氣。此外，所有水槽內給排水聚乙烯管道埋藏于混凝土中與測量點外100 m處的沉淀池連接。

實驗水槽為圓形開放式玻璃鋼水槽，直徑3 m、高1 m、水深0.7 m。水槽底部有6個直徑60 mm、高60 mm、氣孔目8 mm的曝氣石與空氣壓縮機連接。底部排水管連接于混凝土排水溝。實驗用大黃魚為30 ind，3月齡，體長8～9 cm，體質量20～40 g，并暫養15 d，餌料為直徑2～3 mm的膨化顆粒餌料。實驗水溫為28℃，鹽度20。

參照CRAVEN等［10］的方法，根據水槽深度以及大黃魚日?；顒铀畬?，測量點設置在垂直于水槽圓心的兩個位置，分別為：表層，距離水面0.2 m處（大黃魚攝食活動水層）；底層，距離水面0.6 m處（大黃魚日常游泳水層）。

實驗分別測量了：增氧機開啟和關閉條件下水槽內的背景噪聲、增氧機和曝氣石關閉條件下大黃魚攝食過程聲音。

1.2 聲音采集與分析方法

采集水下聲音信號時，利用內置前置放大器靈敏度為：-178 dB：re 1V·μPa-1的水聽器（ST 1030型，OKI，日本），連接帶有帶寬濾波器和功率放大功能的聲級計（SW 1030型，OKI，日本）進行聲壓均值顯示和AD轉換。通過專業數字式錄音機（納格拉SD，AST，瑞士）以比特率16 bits· s-1、48 kHz采樣頻率存儲為WAV聲音文件（以上實驗裝置均使用電池操作），最后進行離線分析。

根據石首科魚類聽覺敏感頻率范圍（100～1 000 Hz）［30］以及BART等［9］和CRAVEN等［10］的實驗方法，本次實驗測量頻段范圍為20 Hz～24 kHz。排除了24 kHz以上對魚類影響較少的帶寬［31］。每個測量位置進行5次間隔10 min以上的重復測量，每次測量時間長度為2 min。

聲音文件首先由Praat軟件（6.0，阿姆斯特丹大學，荷蘭）進行回放辨聽。然后采用PULSE Reflex Core軟件（19，B＆K，丹麥）對水下背景噪聲進行快速傅立葉（FFT）轉換并繪制頻率圖譜。并針對背景噪聲頻譜特性（25～2 500 Hz）［9-10］、石首科魚類聽覺的頻譜特性（100～1 000 Hz）［30］和魚類攝食顆粒餌料的頻譜特性（100～5 000 Hz）［28，32］，對聲音頻譜分別進行1／3倍頻程分析和時頻聲壓級計算（計算參量：時間常量為0.125 s，時間間隔為0.01 s，頻率帶寬為20～24 kHz，平均時間120 s）。

2 結果與分析

2.1 水槽內背景噪聲分析

增氧機關閉時，實驗水槽內背景噪聲頻率FFT分析結果如圖1所示，實驗水槽內不同水層的背景噪聲SPL在高低頻率段范圍內均出現了不同的噪聲峰值。表層SPL約為87.48 dB，低頻段主峰值在60～70 Hz，高頻段主峰值在1 200～2 500 Hz；底層SPL約為90.65 dB，低頻段主峰值在100～120 Hz，次峰值在60～70 Hz，高頻率段主峰值在1 500～2 500 Hz，次峰值在3 000～4 000 Hz。

圖1 水槽內背景噪聲頻譜特性FFT分析Fig.1 FFT analysis for the spectrum charactcristics of the background noise in the tank

由于增氧機為混凝土池的獨立增氧系統，并未與實驗水槽直接連接，因此，增氧機開啟時，實驗水槽內僅測量表層背景噪聲，其分析結果如圖1所示，SPL約為110.27 dB，低頻段主峰值在60～70 Hz，高頻段主峰值在1 500～2 500 Hz，SPL比增氧機關閉條件下增加約22.79 dB。

根據圖1所得結果，將20～2 500 Hz的背景噪聲進行1／3倍頻程分析，結果如圖2所示。增氧機開啟時，表層低頻段主峰值的中心頻率為63 Hz，高頻段為1 600 Hz；增氧機關閉時，表層在低頻段主峰值的中心頻率為63 Hz，高頻段為1 250 Hz；底層在低頻段主峰值的中心頻率為100 Hz，高頻段為1 600 Hz。

圖2 增氧機開啟和關閉條件下水槽內中層背景噪聲1／3倍頻程分析Fig.2 One-third octave analysis on the background noise in them iddle laryer of the empty tank during the aerator work

2.2 水槽內攝食聲音分析

增氧機和水槽內曝氣石氣閥關閉條件下，將大黃魚攝食顆粒餌料聲音在頻率帶寬20～5 000 Hz進行1／3倍頻程分析，分析結果如3所示。整個攝食過程中SPL約為92.65 dB，略高于同條件無魚水槽中的背景噪聲。在低頻率段主峰值的中心頻率為100 Hz，高頻率段中心頻率為2 500 Hz。

圖3 大黃魚攝食過程聲音1／3倍頻程分析Fig.3 One-third octave analysis on the feeding sound of Larim ichthys crocea

投餌后大黃魚攝食行為加速游動到表層吞食。通過Praat分析大黃魚攝食過程聲音結果如圖4所示。集中在低頻率段70～500 Hz的共振峰，主要為大黃魚幼魚游泳聲音［33］；1 000～2 000 Hz的共振峰，為幼魚吞食產生的水體表面攪動與氣泡破裂的聲音；在2 000～4 500 Hz的共振峰為幼魚咀嚼顆粒餌料發出的“喀嚓”的清脆響聲。

同時，同頻率無魚條件下，增氧機和曝氣石氣閥開啟后的背景噪聲SPL（圖1）依次為：70～500 Hz，105.05 dB；1 000～2 000 Hz，90.03 dB；2 000～4 500 Hz，97.88 dB?？係PL高于攝食聲音約17.62 dB。

由于水槽內底層排水管與混凝土中養殖車間的工作設備相連接，且曝氣石與水槽底部接觸。通過以上比實驗可知，水槽內養殖環境噪聲依次為：主頻率為63 Hz的水槽壁內反射噪聲、100 Hz的養殖工作設備與水槽內壁的低頻共振噪聲、1 250 Hz的表層水體氣泡噪聲、1 600～2 500 Hz的池底曝氣石、增氧機、空氣壓縮機的工作噪聲。

圖4 Praat分析大黃魚咀嚼顆粒餌料聲音振幅與共振峰示意圖Fig.4 Praat analysis sample of the amplitude and formant during Larim ichthys crocea chew ing pellet feeds.

3 討論

3.1 不同水層背景噪聲差異分析

本實驗結果與BART等［9］測得的養殖設備主要噪聲來源一致。即高頻噪聲（1～2 kHz）來源于電動機、增氧機、空氣壓縮機等電動設備；低頻噪聲（25～1 000 Hz）來源于水流、地面震動、水池墻體震動等。但與CRAVEN等［10］測得的結果不同，其背景噪聲在不同深度的主峰值均在187.5 Hz，噪聲頻率沒有隨著水深的增加而產生變化。原因是CRAVEN等［10］所使用的養殖設備以及實驗水槽為封閉型有蓋的玻璃鋼水槽，本實驗為開放式玻璃鋼水槽。

在封閉水體中聲音的傳輸和衰減與開放條件下有著明顯差異：在封閉水槽中，如CRAVEN等［10］測得的背景噪聲，雖然SPL從底層到表層逐漸減弱，但主峰值頻率均在187.5 Hz無變化。而在開放式水槽中，養殖設備噪聲由空氣向水中傳輸會產生衰減［34］，因此出現以下結果：表層反射噪聲（63 Hz）SPL最高，高頻噪聲SPL相對較高；底層養殖工作設備低與水槽內壁的頻共振噪聲（100 Hz）SPL最高，高頻噪聲相對較低。

由此可知，室內開放式圓形玻璃鋼養殖水槽內，主要噪聲來源為：增氧機、池底曝氣石、以及養殖工作設備與水槽內壁的低頻共振噪聲。因此，我們在室內養殖場地規劃時，應該考慮如何科學地使用和布局養殖設備以及池底減震結構設計，避免產生干擾魚類健康的低頻噪聲。

3.2 攝食聲音與養殖環境噪聲

影響攝食聲音頻譜峰值的主要因素：（1）餌料屬性（軟硬程度）。魚類咀嚼魚肉塊、肉泥、顆粒硬餌料及顆粒膨化餌料所產生的攝食聲音主頻率峰值均有所不同。竹村暘等［32］測得投喂魚肉的五條鰤（Seriola quinqueradiata）攝食聲音，其主頻率峰值在2～5 kHz，而投喂硬顆粒餌料的鯉魚（Cyprinus carpio）則在4～10 kHz。（2）攝食方式（攝食游泳速度和攝食水層）。LAGARDèRE等［35］通過投喂顆粒餌料，測得了加速游泳到表層吞食的褐鱒（Salmo trutta）和虹鱒（Oncorhynchus mykiss）攝食聲音，它們的主頻率峰值分別在2 500～4 000 Hz和2 000～5 000 Hz，游速較慢且底層吞食的大菱鲆（Scophthalmusmaximus）則在3 000～9 000 Hz。

本次實驗采用的是膨化顆粒餌料，實驗魚攝食方式為加速游到表層吞食，其攝食聲音主頻率峰值在2 000～4 500 Hz與LAGARDèRE等［35］所測結果一致。

區別于背景噪聲的攝食聲音可用于判斷養殖魚類的攝食情況，從而制定投餌策略達到自動投餌調控的目的［23，27-29］。

本次實驗，實驗魚的攝食聲音與養殖設備噪聲在不同頻率段上均出現了頻率疊加：攝食游泳噪聲（70～500 Hz）與養殖設備共振噪聲（100 Hz）、吞食噪聲（1 000～2 000 Hz）與氣泡噪聲（1 250 Hz）、咀嚼顆粒餌料噪聲（2 000～4 500 Hz）與空氣壓縮機、增氧機和曝氣石工作噪聲（1 600～2 500 Hz）。

但是在增氧機和曝氣石氣閥關閉時，實驗魚攝食聲音SPL高于背景噪聲，可以區分。而增氧機開啟后，各頻率段上的養殖環境噪聲SPL均高于攝食聲音，無法區分攝食聲音。因為該養殖車間的增氧機是為混凝土培育池單獨供氧所用，位于測量點15 m處，且與整個混凝土池底連接，池底低頻噪聲共振傳導率高［9］。

因此，今后在研究利用攝食聲音進行自動投餌調控時，養殖水槽增氧機的位置、傳輸管道布局和池底傳導材料都要考慮減震設計。

3.3 養殖環境噪聲對魚類的影響

由實驗結果可知，在增氧機開啟后，背景噪聲SPL約為110.27 dB，增加了約22.79 dB，雖然不會引起魚類明顯的反應和石首魚科魚類聽覺閾值（93～99 dB）［30］位移等現象，但長期暴露在100～1 000 Hz低頻強噪聲下，則會影響魚類的生理健康，例如降低魚類的攝食轉換效率、生長率、聽覺敏感度［36］、免疫力［17］、存活率和繁殖率［18-20］，同時提高應激水平［37］、染病率和死亡

率［38］。

孫耀等［18-20］在現場模擬了鉆井噪聲對玻璃鋼水池暫養的草魚（Ctenopharyngodon idellus）和鯉攝食、生長的影響。研究結果表明，噪聲對鯉、草魚的攝食、生長均有顯著影響。但沒有出現組織器官損傷，而且在噪聲消失后，生長率恢復，說明影響是可逆的。SMITH等［37］研究了噪聲對金魚（Carassius auratus）的影響，結果表明在經過白噪聲（160～170 dB re 1μPa）暴露10 min后，金魚血液中的皮質醇激素和葡萄糖含量比暴露前顯著提高。WYSOCKI等［39］通過船舶噪聲錄音回放研究了其對鯉、鮈（Gobio gobio）和歐洲河鱸（Perca fluviatilis）的影響，研究結果表明3種魚類的皮質醇分泌增多，應激水平均有顯著提高。FILICIOTTO等［17］通過回放近海和室內養殖環境噪聲，研究了在聲暴露40 d后金頭鯛（Sparus aurata）幼魚的血液生理指標，結果表明金頭鯛血液內的氧化狀態、溶菌酶活性、抗蛋白酶活性和白血球總量大幅度提高，而白蛋白與球蛋白的比率下降，最終導致魚類免疫功能下降。

由本實驗結果可知，同頻率條件下，增氧機工作噪聲的SPL高于大黃魚攝食聲音的SPL約17.62 dB。但關閉增氧機后，投喂大黃魚仍可以進行正常攝食，說明增氧機工作噪聲未影響大黃魚的攝食行為。由于實驗條件有限，本次實驗只使用了魚類行為水槽觀察的方法，今后應結合魚體生理指標，如血液內皮質醇和葡萄糖含量、電鏡觀察側線組織細胞和聽覺組織細胞等，從行為生理學方面進行進一步的研究養殖設備噪聲對魚類的影響。

綜上所述，在水產養殖中，應當對養殖設施采取一系列措施使噪聲對魚類的影響降到最低，以提高養殖產量。對于玻璃鋼養殖水槽可以采取以下措施：（1）進水管避免接觸水槽內壁；（2）出水管與主排水管道分離；（3）水槽下方的出水管避免與墻壁接觸；（4）水槽要固定在減震材料上。其它類型的養殖環境，如混凝土水池、露天池塘等，可以在電動設備外加裝消聲設備。今后在養殖車間設計建造時應盡量將噪聲影響降低，為養殖魚類謀取良好的聲音環境福利，使養殖魚類更加健康，產量更高。

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［38］ WYSOCK L E.Diversity in ambient noise in European freshwater habitats：noise levels，spectral profiles，and impact on fishes［J］.Journal of the Acoustical Society of America，2007，121（5）：2559 -2566.

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M easurement and analysis of the aquaculture noise for Larimichthys crocea in the fiberglass fish tank

YIN Lei-ming1，2，CHEN Xue-zhong2，ZHANG Xu-guang3，LILing-zhi2，HUANG Hong-liang2
（1.Collage of Marine Sciences，ShanghaiOcean University，Shanghai 201306，China；2.Key laboratory of East China Sea and Oceanic Fishery Resources Exploitation，Ministry of Agriculture，East China Sea Fisheries Research Institute，Chinese Academy of Fishery Sciences，Shanghai 20009；3.Institute for Marine Biosystem and Neuroscience，ShanghaiOcean University，Shanghai 201306，China）

In recent years，researchers have focused on the welfare and the ethical treatment in aquaculture and thus，considered the effects of the aquaculture facilities noises on the health of the breading fishes.In general conditions，the noise would not lead to the death of fish directly，but the fish exposed to a high intensity noise for a short time would cause temporary threshold shift，stress level increase，blood circulation system and nerve tissue damage.Moreover，itwould also cause fish behavior changing，such as escaping from the feeding place or spawning place for the noises.More seriously，the fish feeding conversion，growth efficiency rates，survival and reproduction rate would reduce in a long time noises exposure to the noises and ultimately affect the breeding production.The aquaculture ambient noise and the feeding sound of large yellow croaker（Larimichthys crocea）in the open fiberglass fish tanks were monitored by a passive acoustic monitoring system.The results showed that：（1）The SPL of the aquaculture ambientnoisewas about110.27 dB（dB re：1μPa）.They were mainly the aquaculture facilities working sound in the low frequency bandwidth（100 Hz），surface bubbling sound（1 250 Hz），as well as the air-stones，air compressor and aeration facility working sound in the high frequency bandwidth（1 600 Hz to 2 500 Hz）；（2）When the aeration and air-stone were turned off，the SPL of the Larimichthys crocea feeding sound was about92.65 dB，including swimming sound（70 Hz to 500 Hz），water surface agitation and bubble burst sound produced by swallowing（1 000 Hz to 2 000 Hz）and chewing pellet feeds sound（2 000 Hz to 4 500 Hz）；（3）When the aeration and air-stone were turned on，the SPL of the aquaculture ambient noise was 17.62 dB，higher than the feeding sounds，but could not be distinguished，and the fish feeding behavior was not affected.The experimentwas designed to provide references for developing a healthy soundscape for the indoor aquaculture by equiping shock absorption and noise reduction aquaculture facilities，and also for the study on the future development of ethical treatment and automatic feeding control for the dense aquaculture tanks.

aquaculture ambient noise；fiberglass fish tank；feeding sound；Larimichthys crocea

P 733.22

A

1004-2490（2017）03-0314-08

2016-11-11

公益性行業（農業）科研專項“201203018”

殷雷明（1985-），男，在讀博士研究生，研究方向：魚類行為學。E-mail：yin_leiming＠163.com

黃洪亮（1964-），研究員。E-mail：ecshhl＠163.com