水下噪声作为海洋污染物：量化、评估方法、监管框架与潜在生态毒理学效应

《Marine Environmental Research》：Underwater noise as a marine pollutant: Quantification, assessment methods, regulatory framework and potential ecotoxicological effects

　　

噪声污染是一种普遍存在却常被忽视的环境压力源，对人类健康和生态完整性均有显著影响。事实上，人为水下噪声正日益被视为一种实质性海洋污染物，其生态威胁程度可与化学污染物及塑料碎片相提并论。 在此，研究人员将人为水下噪声纳入既有的污染物风险框架，整合了量化方法学、声景表征及生态毒理学评估方面的最新进展。本工作进一步评估了监测与管理实践的演变格局，强调了基于证据的综合方法的必要性。研究人员还综合了测量技术、传播建模及剂量-反应关系方面的现有知识，旨在为减缓与监管策略提供依据。 尽管声学传感技术取得了显著进步，国际政策工具也已出现，但在精确量化噪声暴露及实施有效减缓方案方面，仍存在重大的方法论与概念性挑战。弥补这些不足对于确保海洋生态系统抵御这种隐蔽性污染的长期韧性至关重要。

水下噪声作为海洋污染物：量化、评估方法、监管框架与潜在生态毒理学效应——论文解读

一、研究背景与问题提出

海洋环境曾被认为是一片宁静的水下世界，但实际上它是一个充满活力的声学景观，声音在无数生物的生命活动中扮演着基础性角色。然而，过去一个世纪以来，人类活动日益改变这一自然声景，使人为水下噪声逐渐被认定为一种重要的海洋污染物。历史上，由于空气-海水界面对声音的显著屏障作用，人类海上活动及其产生的声响在很大程度上被忽视。直到20世纪70年代，科学界才开始关注人为噪声对海洋哺乳动物的潜在影响。随后五十年间，海洋环境噪声水平显著上升，尤其在低频（低于1000 Hz）和中频（1-20 kHz）范围内，这主要由商业航运、地球物理勘探和军事活动的加剧所驱动。据估算，从1950年到2000年，低频噪声整体增加了16 dB，相当于每十年噪声功率翻一番，即年均增长约7%。尽管声学传感技术和国际政策工具（如欧盟《海洋战略框架指令》MSFD）已取得进展，但在精确量化噪声暴露和实施有效减缓方案方面仍存在重大方法论与概念性挑战。因此，亟需将水下噪声纳入既有的污染物风险评估框架，整合量化方法学、声景表征及生态毒理学评估的最新成果，以支撑基于证据的管理与监管策略。

二、主要关键技术方法

研究人员采用了多种关键技术方法：首先，利用被动声学监测（PAM）系统部署水听器进行长期、非侵入性的水下声音记录与分析；其次，应用声学建模技术，包括抛物线方程模型、简正波模型、波数积分和射线模型等，结合测深数据、地声信息、海洋学参数和边界粗糙度模型来预测声场分布；再次，采用自动识别系统（AIS）追踪船舶数据，并与声学检测数据配对推导船舶噪声指标；此外，运用机器学习与深度学习算法（如隐马尔可夫模型HMMs、卷积神经网络CNNs）对大量被动声学数据进行自动化检测与分类；最后，开展声景制图与前瞻性模拟，包括区域声图绘制、后报与预报声场生成、热点识别及累积暴露场分析。

三、研究结果

1. 水下噪声作为污染物

研究人员指出，水下噪声已被逐步确认为全球性污染物，符合联合国海洋法公约（UNCLOS）关于海洋环境污染的定义，即涵盖物质或能量直接或间接排入海洋环境造成的有害影响。噪声污染与化学污染物类似，具有弥漫性强、可远距离传播、覆盖广阔区域的特点，并能引发从生理应激和行为改变到直接损伤和死亡等一系列负面效应。声音在水中的传播速度约为空气中的4.5倍，传播距离远超光或气味，因此成为水下最可靠、最远距离的感觉模态。海洋生物经过数百万年进化，高度依赖声音进行通信、环境感知、觅食、交配、导航和躲避捕食者等关键生命活动。人为噪声的引入直接改变了自然声景，干扰了这些声学依赖功能，从而构成栖息地质量的直接退化。

2. 水下噪声的特征

海洋声学介质是自然与人为声音的复杂混合体。若不考虑航运，自然力量（风、海况、涌浪模式）是所有频率上长期时间平均海洋噪声的主要来源。例如，破浪可在10 Hz至10 kHz宽频范围内使水下声级升高超过20 dB；冰盖可将环境噪声降低10-20 dB，而冰裂则可使噪声增加高达30 dB。其他自然贡献者包括气泡分布、海流湍流、地震活动、降水及海洋生物自身发出的声音。这种固有的动态性与复杂性使得确定和评估人为噪声面临重大挑战，因为仅测量孤立的人为噪声水平是不够的，必须全面评估人为噪声如何改变或超越动态的自然基线。

3. 噪声污染来源

人为水下声音分为瞬态（脉冲性）和连续两大类。商业航运是低频水下声音最大的人为来源，其宽带声源级通常在180-190 dB re 1 μPa之间。地球物理勘探（地震调查）使用气枪产生高强度脉冲声音，范围通常为190-250 dB re 1 μPa峰值-峰值，能量集中在200 Hz以下。施工活动（尤其是打桩）产生极高声压级。国防相关活动（声纳和爆炸）的声源级可超过230 dB。其他来源包括小型休闲船只、飞机飞越及声学驱赶装置（ADD）。这些来源覆盖从10 Hz以下到100 kHz以上的广泛频率范围，且兼具持续性和脉冲性特征，凸显了人为噪声在海洋环境中的主导性和弥漫性。

4. 噪声传播

声音在水中的传播受温度、盐度和压力（深度）等多种环境因素影响，形成不同的声层和声道。著名的声发测距（SOFAR）声道位于中纬度约500-1000米深处，捕获其中的声音可传播极远距离。海面与海底边界对声传播起散射、反射或衰减作用。海洋酸度的增加可能使低频声音传播更远，振幅增幅可达5 dB。为预测声场，研究人员采用多种声学建模技术。欧洲的“每周地图”计划和美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的SoundMap倡议等制图行动，通过建立噪声登记册来描述噪声的空间和时间分布。核心声学度量包括声压级（SPL）、声暴露级（SEL）、功率谱密度（PSD）、百分位声级、频带限制声级、占空比及音调-宽带比。

5. 噪声污染的影响

人为水下噪声对海洋生物产生广泛的生态毒理学影响。对哺乳动物而言，影响包括听觉效应（暂时性阈值偏移TTS和永久性阈值偏移PTS）、掩蔽效应、行为紊乱（发声模式改变、迁移路径偏移、搁浅事件）和生理应激（应激激素水平升高、代谢率增加、免疫应答受损）。对鱼类而言，影响涉及行为改变（惊跳反应、反捕食防御下降、觅食效率降低）、听觉损伤、生理效应（皮质醇水平升高、易感性增加）以及发育影响（体型畸形、死亡率升高、生长速率减慢）。对无脊椎动物而言，影响包括行为与生理变化（摄食潜伏期延长、攻击性增强、繁殖行为减少）以及发育影响（幼虫体型变小、发育延迟、胚胎畸形）。在生态系统尺度上，噪声污染可导致物种多样性下降、营养级联效应（通过食物链波及顶级捕食者）以及生态系统服务受损（如水过滤、沉积物混合和生物灌溉功能受扰），进而影响渔业活动和粮食安全。

6. 噪声评估与监测

有效的管理需要健全的评估与监测框架。驱动力-压力-状态-影响-响应（DPSIR）框架被广泛应用于理解人类活动与噪声排放之间的因果关系。欧盟MSFD在第11项描述符中明确将水下噪声列为法律约束对象，要求成员国实现“良好环境状态”（GES），并通过两个主要指标进行监测：D11C1针对“响亮、低中频脉冲声音”，D11C2针对“连续低频声音”。连续噪声评估采用以63 Hz和125 Hz为中心的三分之一倍频程频带作为航运噪声代理指标；脉冲噪声则以“脉冲块日单位”报告活动强度。监测技术方面，PAM系统可长期远程收集数据，但存在只能检测发声个体、测距困难等问题。水听器校准需遵循国际标准，不同噪声源和物种需匹配相应带宽。AIS数据与声学检测的配对分析有助于推导船舶噪声指标，而针对未开启AIS的“未跟踪船舶”，声学特征分析成为重要补充手段。机器学习和深度学习算法的应用显著提升了大规模数据处理能力。

7. 减缓策略与监管框架

减缓策略涵盖技术、操作和政策三个层面。技术层面，“静音化”措施包括优化螺旋桨设计以减少空泡噪声（如“PressurePores”技术可实现高达17 dB的降噪效果）、机械隔离与减振设计、船体线型优化及新型材料应用。操作层面，自愿性船舶减速计划可有效降低水下辐射噪声（降幅可达2-12 dB），同时减少濒危鲸类碰撞风险；战略性航线调整可避开生态敏感区；在海洋保护区内设立安静时段或“安静区域”有助于保持栖息地声学质量。政策与监管层面，国际海事组织（IMO）于2014年发布了首个减少商业航运水下噪声的自愿指南（MEPC.1/Circ.833），并于2023年修订；欧盟MSFD则是区域层面最具约束力的法律文书，要求成员国制定实现GES的策略。尽管如此，自愿性指南尚未对总体航运噪声水平产生显著效果，且工程解决方案的广泛应用面临成本高昂、缺乏财政激励及全尺寸验证数据不足等挑战。

四、讨论与结论

尽管在声学传感技术和国际政策工具方面取得了显著进展，但水下噪声污染的研究与管理仍面临重大挑战。方法论上，精确量化噪声暴露需要克服声传播对环境参数的敏感性、自然背景噪声的动态变异性以及不同物种听力差异带来的复杂性。概念上，将观测到的噪声压力稳健地链接到种群或生态系统尺度的特定生态影响仍存在困难。研究人员强调，需要综合的、基于证据的方法来弥合这些差距，包括改进声学模型与实际测量的比对验证、发展跨区域连续噪声数据的集成能力、以及拓展研究范围以涵盖更多非哺乳类海洋生物（如无脊椎动物对颗粒运动的敏感性）。研究结论指出，确保海洋生态系统长期抵御这种隐蔽性污染的关键在于：推动源头降噪技术的商业化应用与全尺寸验证、强化国际监管框架的执行力、并将水下噪声管理纳入更广泛的海洋空间规划与生态系统管理体系中。