北太平洋中部长须鲸歌声12年演化规律及其种群生态学意义

《Frontiers in Marine Science》：Twelve years of fin whale song evolution in the central North Pacific

本文系统分析了2011-2023年北太平洋中部夏威夷海域长须鲸歌声的演化规律，通过水听器阵列实现个体追踪与声学信号量化，揭示其歌声模式（含A/B音符类型及间歇时长INI）的时序变化。研究发现A-B双音节间隔持续增长且双音间隔趋近，提出歌声模式可作为种群连通性指标，为鲸类保护策略提供关键生态学依据。

　　

引言

长须鲸（Balaenoptera physalus）通过低频歌声进行通讯与环境感知，其歌声由规律重复的音符类型配对（A/B音符）及间歇时长（Inter-note Interval, INI）构成。在北太平洋中部，长须鲸使用两种下行扫频音符（A音低频窄带，B音高频宽带），通过单音节（singlet）与双音节（doublet）INI模式交织成复杂歌声。由于种群规模、结构及分布信息匮乏，歌声监测成为填补生态认知空白的关键手段。本研究基于太平洋导弹靶场（Pacific Missile Range Facility, PMRF）水听器阵列，拓展至12年（2011–2023）的声学数据分析，重点解析近5.5年（2017–2023）的歌声演化规律。

方法

研究区域位于夏威夷考艾岛西北的PMRF海域，33个水听器组成21 km×58 km矩形阵列，深度范围1,500–4,700米。通过广义功率律（Generalized Power-Law, GPL）探测器在10–50 Hz频段识别音符，结合互相关时差定位（Time Difference of Arrival, TDOA）与半自动追踪算法，从331条长须鲸轨迹中提取130,402个音符。采用Raven-X软件平台实现大规模声学数据并行处理，优化子阵列配置以应对2017年后的设备故障。音符按能量分布分类（A音：10–23 Hz能量占比>0.83），INI峰值通过高斯模型拟合判定单/双音节模式，并计算沿轨迹鸣叫率（cue rate）。人工验证显示误检率0.3%、误分类率2.6%、漏检率6.2%。

结果

歌声模式以A-B双音节为主导（INI峰值15/22秒），伴随A-A单音（30秒）、A-A双音（17/32秒）、B-B单音（34秒）、B-B双音（16/23秒）等五类模式。72.5%的轨迹存在多模式交织，例如图3展示的A-B主导轨迹（INI 16/22秒）与图4的B-B主导轨迹（弱A音穿插）。2011–2023年间，A-B间隔以0.5秒/年速率显著增长（95% CI[0.4,0.5]），B-A间隔增速较缓（0.3秒/年），双音间隔差值缩小。B-B单音INI变异度最高（34秒±较大离散），而沿轨迹鸣叫率中位数稳定于134音符/小时。季节性监测显示歌声仅出现于秋末至春初（11月–4月），阵列配置变更未对模式识别产生显著影响。

讨论

长须鲸歌声间隔的长期增长与全球多海域观测一致（如东太平洋^[43]），但本研究首次发现双音间隔趋近现象，提示歌声演化可能反映种群级行为适应。弱A音在B-B主导模式中的频繁出现（图4）可能源于发声强度调控或探测遗漏，需进一步声源级分析验证其生物学意义。多模式交织与个体追踪结果不支持“不同歌声模式代表不同种群”的假说^[38]，反而表明同一鲸体能灵活切换模式。歌声模式的时空稳定性（如A-B主导模式自2014年持续至今）为北太平洋种群连通性研究提供比对基准，未来可结合跨海域数据解析文化传播（如座头鲸^[31]）与随机漂变对歌声演化的相对贡献。

结论

长须鲸歌声的精细结构（音符类型+INI）演化规律是监测种群动态的重要生物指标。12年的声学观测不仅揭示了INI的时序漂移与模式更替，更凸显了声学追踪技术在鲸类生态学研究中的潜力。后续研究需整合跨太平洋歌声数据库，推动歌声模式作为种群标识在保护管理决策中的应用。