近年我國漁業資源聲學評估研究進展

李 哲，朱文斌，陳 峰，李德偉，劉連為，張洪亮

（浙江海洋大學海洋與漁業研究所，浙江省海洋水產研究所，浙江舟山 316021）

漁業資源聲學評估是聲學理論和技術的重要應用方向之一，通常指利用水聲學方法對漁業資源量與種群變動進行評估與評價[1]。該方法適用于集群性較強、資源結構較為簡單的中上層魚類[2]。與傳統的資源評估相比，漁業資源聲學評估具有便捷、高效、對海洋生態環境友好等優點，是漁業資源研究領域的重要方法[3-4]。我國自1984 年引入漁業資源聲學評估以來[5]，迄今為止已應用該方法超過35 年。從東、黃海鳀魚Engraulis japonicus[5]、太平洋狹鱈Gadus chalcogrammus[6]，到內陸水域的淡水魚類[7]，再到南極海域的磷蝦Euphausia superba[2]，聲學評估方法在我國的漁業資源調查和評估中發揮了重要作用，具有廣泛的應用前景。為了今后開展漁業資源聲學評估的深入研究提供參考，有必要對近年我國漁業資源聲學評估研究現狀做出梳理和總結。

1 漁業資源聲學評估的基本原理

1.1 魚探儀的基本工作原理

魚探儀依賴生物體與水介質間物理性質的差異來實現回聲探測。魚探儀的發射機（transmitter）產生的特定頻率（例如38 kHz、70 kHz、120 kHz 等）的電信號，經換能器（transducer）轉換為聲波信號并在水中傳播。在傳播過程中，部分聲波被單個或多個目標生物反向散射，部分散射的聲波又被換能器接收并被還原為電信號。這部分電信號經接收機（receiver）中的電子電路放大，投映到顯示器上，從而表明目標生物的大小或密度。

1.2 水生生物的目標強度

水生生物的目標強度（target strength,TS）是漁業資源聲學評估中用來表征水生生物對聲波反射能力的一個物理量。有鰾魚的目標強度大小通常受到其體長和魚鰾形狀的影響[8]。目標強度的物理定義式[9]為：

式中，TS 是目標生物的目標強度，單位是dB；Ii是入射聲強，單位是W·m-2；Ir是距離目標生物的聲學中心1 m 處的反射聲強，單位是W·m-2。一般地，魚類的目標強度被定義[10]為：

式中，σbs是目標的聲學反向散射截面，是一個無法直接測量的物理量，單位是m2。同時，目標強度也可被定義[11]為：

通常，將σbs與目標對象的可測量生物學特征聯系起來，如體長等?？山⒛繕藦姸?體長經驗公式[12]：

式中，L 是目標魚體體長，單位是cm；a、b 是回歸系數。

1.3 水生生物資源量的評估方法

目前，水生生物的資源量聲學評估方法主要有回波記數法和回波積分法?；夭ㄓ嫈捣ㄊ菍β暡ǚ秶鷥然ハ喾蛛x的單體魚計數后，根據聲波掃描水域的體積，求得該水域體積內的平均分布密度。回波積分法適用于目標生物集結成群，互相重疊時的資源量評估。其原理是在水平（航向）方向上，將垂直方向上的所有回波信號進行累加。

1.4 調查設計

資源聲學調查一般包括儀器校正、航線設計、生物學采樣、聲學數據處理等多個環節。儀器校正一般采用標準銅球，在風平浪靜的港灣或海流較為穩定的地點完成。航線設計則根據實際調查站位確定具體的走航路線，如“之”字形或平行斷面型等形式且以垂直于岸線為主。生物學采樣則根據調查水域的具體情況，采用傳統的生物學取樣方法，如拖往、刺網取樣；聲學數據的處理則需要使用數據分析軟件完成，如Echoview（Echoview Software Pty.Ltd.,Australia）和BioSonics Visual Analyzer（BioSonics,Inc，USA）等。

1.5 聲學數據后處理

回聲信號除了目標生物的反射聲波信號外還包含背景噪聲和非目標生物的聲學信號，因此，聲學數據處理首先要盡可能設置合理的積分閾，排除非目標回聲信號的干擾。積分閾是納入回波積分的最弱回聲信號的體積反向散射強度，即對回聲信號進行積分的臨界值[1,10]。例如，在水聲學映像數據分析中，將積分閾設置為-80 dB,以排除浮游生物等弱散射體的信號干擾[11-12]。張俊等[13]利用聲學數據后處理系統Echoview中的虛擬變量模塊功能，嘗試消除背景噪音并探討了扣除背景噪音后對聲學映像、海里面積散射系數、體積反向散射強度等結果的影響。聲學數據處理還包括映像分析和積分值分配。映像分析是根據生物學采樣資料和聲學映像本身特征來推斷產生回波映像的目標生物種類,積分值分配是將每一個基本積分航程單元（比如5 n mile）的總積分值分配到每一生物種類。這兩項聲學數據后處理工作密不可分，需同時進行。

2 我國漁業水聲學研究現狀

2.1 內陸水域

內陸水域主要包含河流、湖泊、水庫等水域。內陸水域魚類資源的水聲學評估有其自身特點，例如：（1）魚類品種多，大小不一，無法憑借目標強度經驗判斷物種；（2）江河水流造成的混響與噪聲降低探測的準確性[14]；（3）湖泊中的水草等易干擾探測[15-16]。此外，由于內陸水域可能較淺，可能需要結合水平探測和垂直探測[17]。

漁業資源聲學評估方法被廣泛應用于湖泊和水庫漁業資源的調查，研究內容主要包括魚類資源量[17-22]、空間分布[21-24]、種群行為[25-26]等，同時也實際應用于漁業相關領域。張贊等[27]對遼寧省大伙房水庫實施了水聲學調查，評估了庫區魚類資源量和季節性分布變化。李斌等[7,28]利用水聲學方法調查了黃河小浪底與三門峽水庫的魚類資源量和垂直分布情況?；谒晫W的調查表明，廣東省北江石角水庫的魚類在夏冬季節出現相反的水平和垂直洄游行為[26]。在上述以探究魚類資源量為重心的水聲學研究基礎上，水聲學方法的實際應用也值得關注。結合水聲學調查與傳統生物學取樣，評估放流魚苗的增殖效果[29]、保護區的時效性[30]、禁漁期效果[31]以及中華鱘Acipenser sinensis Gray 等瀕危動物保護[32]等方面。這些研究表明，我國的聲學資源評估技術已經從單純的漁業資源調查領域拓展至與漁業相關的實際應用領域。

2.2 近海水域

近年，我國近海水域的漁業資源聲學評估研究多在南海海域開展。在廣東近海水域，漁業資源聲學評估的研究著重于資源分布和密度。例如，李娜娜等[33]結合水聲學方法與拖網生物采樣，調查了大亞灣人工魚礁區域內的水生生物分布和資源量密度；廣東南澳島臨近海域的魚類資源評估調查也采用了水聲學與傳統生物學取樣（拖網和刺網）結合的方法[24-36]。在南海中南部的深水海域，科學魚探儀與燈光罩網取樣相結合，估計黃鰭金槍魚Thunnus albacares[37]和鳶烏賊Symplectoteuthis oualaniensis的資源量和分布[38]，建立鳶烏賊的目標強度與胴長的經驗公式[39]。同時，使用雙頻率換能器的科學魚探儀獲得的聲學數據可對鳶烏賊目標強度與胴長的經驗公式進行優化[40-41]。在實際應用方面，漁業資源聲學評估也被運用于北黃海海洋牧場人工魚礁效果評價[42]。

利用水聲學方法調查漁業資源時，生物學采樣方式除了受目標魚種的影響，還可能與水深的影響相關。在南沙南部陸架海域和南海中南部的中層魚類聲學資源調查中，研究人員分別采用了底層和中層拖網獲取200 m 以淺和200 m 以深的生物樣本[11,43]。在南海南部的深海海域的水聲學調查中，劉世剛等[44]采用變水層拖網實現了對深達420 m 水層的生物采樣。因此，資源聲學調查時需考慮目標魚種及其棲息水深范圍，采用合適的漁具漁法進行生物取樣。

2.3 大洋水域

在大洋水域，南極磷蝦是今后我國遠洋漁業的主要捕撈對象，其聲學資源評估方法也是重要的研究方向[45]。南極磷蝦個體?。?.6～6 cm），大規模集群生活[46-47]，有晝夜垂直遷移習性[40]，屬無鰾弱散射體[48-49]且信噪比（signal-to-noise ratio）小，散射聲波的能力弱，容易受外部噪音干擾，因此探測準確性易受環境影響[50]。對南極磷蝦進行聲學探測時，既要考慮探測時間，又要考慮剔除背景和船體噪聲[51]。相比于內陸和近海水域的魚類資源聲學調查，南極磷蝦聲學調查因其生物學特征和棲息環境的特殊性而尤為困難。

當前，關于南極磷蝦資源的聲學調查研究聚焦于其空間分布及資源密度。2016 年秋季，根據水聲學方法判斷，南極布蘭斯菲爾德海峽磷蝦群體的晝夜垂直移動與光強和海底深度相關[52]。王騰等[45]調查了2017年夏季南奧克尼群島磷蝦資源的密度分布情況，表明其晝夜垂直移動與光照強度相關。萬樹杰等[53]以深度、長度、厚度、面積及密度為集群特征值，結合水聲學數據，指出2018 年夏季南奧克尼群島南極磷蝦群體的深度分布和密度與集群類型有關。

3 目標強度的研究

目標強度是定量反映目標反射聲波強度的物理量[1]，也是由回聲積分值轉換為絕對資源量的關鍵參數，很大程度上決定了魚類資源評估的準確性[54]。因此，精確測量魚類目標強度具有重要的研究意義。魚類目標強度的測量方法主要分為實驗測定法和模型評估法[55]；實驗測定法又可分為現場測定和控制測定[56]。目前國內學者已對白令海狹鱈[57]、黃海帶魚Trichiurus haumela[58]、長江中華鱘[59]、鳙Aristichthys nobilis[60]等魚類的目標強度進行了“現場”測定并得到目標強度與體長的經驗公式。然而這些“現場”測定法仍有區別：狹鱈和帶魚的目標強度測定在開放性水域實施，魚體狀態自然；而長江中華鱘和鳙的目標強度測定在網箱內實施，相對于自然開放水域，網箱內的魚體狀態仍可能受到空間限制。

在應用控制測定法的研究中，魚體反射截面影響目標強度的測定。在使用繩系控制法或/和網箱控制法分別測定黃斑藍子魚Siganus oramin[61]、長鰭藍子魚Siganus canaliculatus[62]、青石斑魚Epinephelus awoara和絲背細鱗鲀Stephanolepis cirrhifer[63]、鯉Cyprinus carpio和鳙[64]等魚類的單體目標強度時，均以魚體背向為反射截面，即聲波垂直入射魚體背部，建立目標強度與體長的經驗公式。然而，魚類目標強度還受到入射聲波方向的影響[65]。在常見淡水魚類瓦氏黃顙魚Pelteobagrus vachelli、鱖魚Siniperca chuatsi、鯽魚Carassius auratus、草魚Ctenopharyngodon idellus中，單體魚目標強度與聲波入射角成cos 三次方函數關系，體側向和背腹向的目標強度主要受體長、鰾長及鰾長/鰾高的影響[56]。

模型評估法是將單體魚視為幾何模型，再根據聲波的散射原理模擬計算出魚類的近似目標強度的研究方法。與實驗測定法相比，模型評估法具有靈活方便，受實驗條件限制少等特點。先前研究認為，有鰾魚類的鰾是反射聲波的主要器官，其聲散射貢獻率可占到90%～95%[66]。然而，根據近似橢球體模型法（approximately ellipsoid model）模擬魚鰾和魚體來測定黃海鳀魚[67]、東海大黃魚、小黃魚和銀鯧[68]目標強度的結果均表明，魚鰾對于目標強度的貢獻率低于先前研究的估計，因此推斷還有其他器官對目標強度影響較大。今后的相關研究應盡可能地考慮到魚體各個部分的反射貢獻。

由于體長相近的雙室鰾魚類目標強度大于單室鰾魚類[56]，利用理論模型估計魚類目標強度時，根據鰾室數量采用不同的理論模型可能更為合適[69]：許氏平鲉Sebastes schlegel和花鱸Lateolabrasx japonicus等單室鰾魚類適合使用回轉橢圓模型（prolate-spheroid,modal-series,scattering model），而鰱Hypophthalmichthys molitrix和鳙等雙鰾室魚類則適合使用基爾霍夫近似模型Kirchhoff-Ray mode scattering model。然而，基爾霍夫近似模型已經被應用于多種鰾室魚類目標強度的測定中，且模型測定結果與網箱控制法取得的結果沒有明顯差異[30]，其應用范圍也因此可能更為廣泛。這些模型評估法的研究，作為實驗測定法的重要補充，為提高聲學資源評估的準確性和可信度提供了科學依據。

目前，研究人員已采用現場測定法對鳶烏賊的現場目標強度[39，41]和單體目標強度[70]進行了研究，但是對頭足類目標強度的模型研究相對較少。鑒于頭足類是當今最具開發潛力的漁業資源種類之一[71]，對頭足類目標強度的模型研究也應持續跟進。

4 總結與展望

漁業資源聲學技術在我國的研究與利用跨越內陸、近海、遠洋等水域，尤其在島礁等特殊水域[72]，憑借其優勢在漁業資源評估中發揮著越來越重要的作用。從近年的研究內容來看，我國的漁業資源聲學評估以魚類資源量為研究中心，對魚類單體目標強度研究較少，對有開發潛力物種（如頭足類和南極磷蝦）的研究尚不充分。這可能降低今后水聲學調查研究的準確性以及我國對待開發漁業資源的主動性。因此，為提高漁業資源評估技術的應用水平和范圍，既要從研究基礎等方面進行準確細致的探索，又要根據調查海域和目標生物的特點逐步推進相應的調查研究工作。

致謝：感謝浙江省海洋水產研究所漁業資源與生態實驗室全體工作人員在論文撰寫期間給予的幫助，謹致謝忱！