冰覆与开阔水域下斯瓦尔巴特弓头鲸声学存在与发声行为差异及其对气候变化的响应

《Scientific Reports》：Differences in acoustic presence and vocal behavior of Spitsbergen’s bowhead whales under ice-covered and open-water conditions

本研究针对北极特有种弓头鲸(Balaena mysticetus)面临的海冰急剧消退问题，通过被动声学监测(PAM)结合卷积神经网络(CNN)分析，对比了斯瓦尔巴特西北部（常年冰覆）与弗拉姆海峡东部（开阔水域）两个生态位点的鲸类声学活动。结果显示冰覆区域声学出现更连续、丰富，且检测到繁殖期特有歌声，表明该地为重要越冬繁殖场；而开阔水域仅存在简单呼叫，暗示其功能或为迁徙通道。研究首次揭示海冰退缩可能驱动鲸群向残余冰区聚集，为预测气候变化下该濒危种群分布格局提供关键生态学依据。

　　

北极，这片曾经被厚重海冰覆盖的白色世界，正经历着前所未有的变化。随着全球气候变暖，海冰以前所未有的速度消融，生活在其中的北极特有物种面临着严峻的生存挑战。斯瓦尔巴特弓头鲸种群，作为北极海洋生态系统的指示物种之一，其命运与海冰的存续息息相关。这种鲸鱼曾因历史上的过度捕猎而濒临灭绝，如今种群数量仅存数百头，保护工作刻不容缓。然而，在极端环境条件下，传统的视觉调查方法常常因漫长的极夜和广袤的海冰而受限，使得科学家难以全面了解这一神秘巨兽的生态习性。

面对这一挑战，德国阿尔弗雷德·韦格纳研究所的海洋声学研究团队另辟蹊径，利用鲸鱼在水下的“歌声”来追踪它们的行踪。弓头鲸是海洋中最具音乐天赋的生物之一，它们能发出复杂多变的叫声和旋律优美的歌声，这些声音在黑暗的冰下世界传播，成为研究者窥探其生态奥秘的窗口。发表在《Scientific Reports》上的这项研究，通过对比分析冰覆区和开阔水域弓头鲸的声学行为，揭示了海冰变化如何影响这一濒危种群的分布模式。

研究人员在2012年至2023年间，在斯瓦尔巴特西北部(81.5°N)和弗拉姆海峡东部(约79°N)布设了多个被动声学记录仪，收集了长达3541天的水下声音数据。为高效处理海量数据，团队开发了两套定制化的卷积神经网络(CNN)，分别针对两个区域的声学特征进行训练，实现了对弓头鲸叫声的自动识别。CNN在验证集上表现出色，灵敏度超过80%，假阳性率低于1%，确保了检测结果的可靠性。

研究团队通过分析声学数据中的出现模式、叫声类型和歌声复杂性，系统比较了两个生态位点的鲸类活动差异。关键技术方法包括：利用定制卷积神经网络(CNN)对长期声学数据进行自动检测；基于被动声学监测(PAM)技术收集斯瓦尔巴特和弗拉姆海峡多个位点的水下录音；结合卫星遥感海冰数据（海冰浓度和冰缘距离）分析栖息地特征；对检测到的声学信号进行人工验证和歌曲分类分析。

CNN性能

两种CNN模型均表现出优异的验证性能，CNN_No（针对斯瓦尔巴特西北部数据）达到81%的灵敏度和0.7%的假阳性率，而CNN_Ea_Ce（针对弗拉姆海峡东部和中部数据）达到83%的灵敏度和0.7%的假阳性率。对单个记录仪的逐小时性能评估显示，经过部分假阳性控制后，大多数记录仪的灵敏度≥80%，假阳性率≤1%，确保了检测结果的可靠性。

声学存在

弓头鲸在所有地点和所有部署年份的秋季至春季均被检测到。2022/2023年部署期的数据显示，斯瓦尔巴特西北部与弗拉姆海峡东部的弓头鲸声学存在模式存在明显差异。斯瓦尔巴特西北部，零星叫声最早于9月21日被检测到，随后从10月到4月呈现连续的声学存在。声学存在水平普遍较高，最高可达每天24小时，但在10月下旬至11月初、3月有所下降，并于4月下旬停止。该记录仪总共记录了182天内的3035小时弓头鲸声学存在。

相比之下，弗拉姆海峡东部的规律性声学存在于11月至3月或4月初出现，呈现双峰模式，峰值出现在11月至12月以及1月至2月，中间被声学存在减少的时期隔开。两个记录仪分别记录了51天内的310小时和82天内的592小时弓头鲸声学存在。海冰数据表明，斯瓦尔巴特西北部的记录仪在弓头鲸声学存在期间被海冰覆盖，海冰浓度在60%至100%之间，到冰缘的最短距离为10至196公里。而弗拉姆海峡东部的两个记录仪在弓头鲸声学存在期间位于开阔水域，到冰缘的最短距离为18至150公里。

2012年至2021年更早部署期的数据显示出年际变化，弓头鲸声学存在的主要时期通常从11月持续到2月或3月。部分记录仪在10月就首次检测到叫声，另有三个记录仪记录到 sporadic 叫声延续到4月或5月。记录仪之间的比较未显示一致的模式，而是揭示了多个不规则的声学存在峰值，最高达每天24小时，其间穿插着低或无声学存在的时期。

发声行为与歌曲分析

手动审查样本数据集发现，存在简单叫声、叫声序列和歌曲。斯瓦尔巴特西北部与所有弗拉姆海峡位点的发声存在显著差异：西北部的发声主要是歌曲的组成部分，以重复序列排列，具有复杂的频率调制，并经常包含2 kHz以上的能量。谐波和两种不同声音同时出现（双声部歌唱）也很常见。相比之下，弗拉姆海峡的发声主要是1 kHz以下的简单调频(FM)叫声，单独出现或成串出现，表明是单一声叫或叫声序列的一部分。振幅水平相对较低，通常只有部分叫声或序列可见。在弗拉姆海峡位点未检测到符合定义的歌曲。

在斯瓦尔巴特西北部数据的歌曲分析中，研究人员识别出12首不同的歌曲。对于歌曲2，序列结构微弱且从未完全可见，难以清晰区分是歌曲还是叫声序列。在四首歌曲（歌曲1、3、4、5）中，观察到相同单元结构的显著变异。研究人员还观察到歌曲之间的逐渐过渡，这在歌曲1中尤为明显。随着时间的推移，歌曲1的A单元逐渐分裂成两部分，最终形成歌曲3的A和B单元。歌曲4可能从歌曲3演化而来，保留了其A单元；歌曲5可能从歌曲4演化而来，保留了其A单元；歌曲9可能从歌曲3演化而来，保留了其B单元。

歌曲相继出现和消失，并存在部分时间重叠。首次出现后，大多数歌曲并非被连续检测到，而是间歇性出现，其存在被持续数天甚至数周未被检测到的时期中断。被检测最频繁的歌曲是歌曲3（65天）和歌曲1（53天）。每月独特歌曲的数量从10月的一首逐渐增加到2月的八首，然后在3月减少到三首，4月减少到一首。同样，每天独特歌曲的数量在2月达到峰值（每天最多四首歌曲），这与海冰退缩使冰缘接近记录仪的时间相吻合。

研究结论与意义

本研究结果表明，与弗拉姆海峡东部的开阔水域相比，斯瓦尔巴特西北部冰覆区域的弓头鲸出现更为频繁，表现为更高且更连续的声学存在。斯瓦尔巴特西北部全年检测到歌曲，强烈支持该地区作为斯瓦尔巴特弓头鲸种群冬季繁殖地的功能定位，这与该种群向北部繁殖地迁徙的已知模式一致。歌曲多样性的峰值出现在2月，可能与当时斯瓦尔巴特北部海冰退缩导致鲸群向西北部聚集有关，反映了动物丰度的增加或繁殖竞争的加剧。

弗拉姆海峡东部开阔水域的声学存在虽然水平较低，但2012年至2023年连年检测到，表明该区域被定期利用。然而，该处仅发现简单叫声和叫声序列，缺乏歌曲，表明其并非主要繁殖地，而可能作为迁徙通道、特定性别或年龄组个体的栖息地，或提供摄食机会。

研究揭示了海冰对于斯瓦尔巴特弓头鲸种群的关键生态意义：它们倾向于在冰覆区域进行繁殖，海冰可能提供免受虎鲸(Orcinus orca)捕食的庇护所。持续的海冰消退可能导致其栖息地丧失和捕食压力增加。研究表明，弓头鲸可能会追随变化的冰缘，在残余海冰区聚集，这意味着未来的分布将向存留的海冰区域转移。然而，向北的栖息地扩张可能受到大陆架边缘以外猎物资源减少的限制，因此弗拉姆海峡区域的残余海冰栖息地对该种群的生存至关重要。

这项研究不仅增进了对斯瓦尔巴特弓头鲸种群生态学的理解，更重要的是，为评估和预测气候变化及海冰消退对该濒危种群的影响提供了科学依据。研究所采用的自定义CNN和声学分析方法为未来大规模被动声学监测数据的处理提供了有效工具。作者强调，需要国际协作来标准化和整合不同地点的PAM工作，并结合声学、标记、观测和遗传等多种数据类型，以全面了解该种群的生态和 demographic 特征，从而为制定有效的保护策略奠定基础。