过去，为了掌握白鱀豚、长江江豚和中华白海豚等珍稀水生生物的声学习性，许多科研人员长年累月地站在船头，头戴耳机，静静地追寻它们在水下发出的各种声音。现在，通过网络化和实时化的被动声学监测，科研人员可以实时掌握这些动物的分布和活动情况，更好地保护它们。![]()
中华白海豚母幼间依赖声音通信联系，幼豚背部呈灰黑色，成年后为白色或粉红色，腹部始终为白色 （郑锐强 供图）
淡水豚和海豚分别生活在大型河流和海洋中，是一类非常特殊的水生生物，其发声能力和听觉能力是诸多其他水生生物望尘莫及的。在我国被列为国家一级保护野生动物的淡水豚有白鱀豚和长江江豚，生活在长江中下游；海豚有中华白海豚，生活在东南沿海。这三种豚的外耳廓完全消失，仅在头部左右两侧各残留一个针眼大小的外耳孔。外界的声音，包括声呐信号的回声主要通过它们的下颌骨以及头部左右两颊（包括外耳孔周围组织）传导至内耳。虽然水下光线暗淡，生物的视觉受限，但声音在水中的传播速度远快于空气中。独特的生物声呐能力是豚类长期适应水下生活的结果，也是它们应对从陆生到水生的环境改变，在感觉能力方面做出的最重要的演化和适应。![]()
长江江豚头部钝圆，声呐信号通过额隆传输（王小强 供图）
依靠独特的生物声呐系统，豚类可以在水下准确地定位目标，在巡游时躲避水下的障碍物，以及搜寻、定位和捕捉小型鱼类作为食物等。它们的声呐信号在时间和频率上非常有特点。以长江江豚和中华白海豚为例，虽然它们的生活环境完全不同，但声呐信号却具有很多共同特征，如峰值频率均超过100千赫兹，单个声呐脉冲的持续时间只有几十微秒，相邻单脉冲的时间间隔从十几毫秒至几十毫秒不等，单个脉冲串通常由十几个或几十个单脉冲组成，等等。上述参数是它们探测水下目标时发出的声呐信号的基本特征，根据与目标距离的远近，这些参数通常也会改变，如当目标较远时，脉冲间隔会延长；当目标较近时，脉冲间隔会缩短。这是因为它们需要接收到上一个脉冲的回声后再发射新的脉冲，目标的远近决定了探测脉冲及其回声传播时间的长短。虽然人们发现海豚具有像蝙蝠一样的生物声呐系统的时间并不长，也就是20世纪40年代末至50年代初的事情，但是对豚语的探索却取得了较快的进展。早在2000多年前，《尔雅·释鱼》就记述了白鱀豚“鼻在额上，能作声”。1916年，美国人霍伊（Hoy）在洞庭湖口射杀了一头白鱀豚，并将标本送给了美国国家博物馆。他在书信和谈话中描述了白鱀豚的声音，“当它被射中时，它发出了像水牛犊一样的叫声”。事实上，霍伊听到的是白鱀豚浮出水面呼吸的声音，并非豚语。豚类的发声及听觉与其头部结构密切相关，尤其是鼻道中的气囊、前额、下颚、两颊和外耳周边。只不过在发现海豚具有声呐能力之前，人们并未将这些结构与其发声和听觉相关联。最早较完整地描述白鱀豚鼻道气囊形态的学者是英国博物学者辛顿（Hinton）和皮克拉夫特（Pycraft）。他们解剖了一头从汉口水域获得并送到大英博物馆的雌性白鱀豚标本，于1922年发表了《关于白鱀豚属亲缘关系的初步记述》一文。![]()
白鱀豚的长吻和接收声呐回声的下颌（王小强 供图）
1927年，美国博物学者豪厄尔（Howell）解剖了收藏于美国国家博物馆的一头江豚标本，发表了《对中国江豚的解剖学贡献》一文。他对江豚的鼻道气囊、前额和外耳等进行了详尽的记述，并绘制了精细的图谱。这件标本是从江苏吴淞获得的，极有可能是长江江豚，而非东海的东亚江豚。虽然豪厄尔并不知道江豚的前额与发声有关，但注意到这里的脂肪要比头部其他部位更柔软。他在文中写道，江豚头部前额的皮下有一层“软脂肪”沉积。到了20世纪50—60年代，我国学者对白鱀豚开展了一些形态学和解剖学研究，不过与声学相关的描述仅为白鱀豚的外耳道特征，如1965年，邢湘臣记述白鱀豚“耳无耳壳，外耳道很小，且末端封闭，不与中耳相通”。20世纪70年代末至80年代初，得益于中国科学院水生生物研究所（以下简称“水生所”）饲养白鱀豚成功，有关白鱀豚的声学研究进入了快速发展期。当时，多家研究所和大学合作，在人工环境中日夜记录一头名叫“淇淇”的白鱀豚的声音，分析其声音的时频特征和波束特征、测量听觉能力。淇淇当时被饲养在一个直径约15米的水泥池中，科研人员将水听器放在水下，水听器通过线缆与放在水池边的录音仪器相连接。站在水池边的科研人员一边观察淇淇在水中的游动行为一边操作录音仪器，并戴着耳机监听声音。科研人员将白鱀豚的声音分为两类，一类是哨叫声，能在耳机里监听到，频率通常较低，只有几千或十几千赫兹，因为哨叫声有较丰富的谐波，所以听起来很悦耳，像是人们吹口哨的声音；另一类是声呐信号，是超声，虽然在耳机中也能听到一连串“嗒…嗒…嗒…”的声音，但这并不是单个声呐脉冲本身，因为是一串连续脉冲形成的低频信号，而单个脉冲持续时间极短、频率非常高，远远超出了人耳的时间分辨能力和听觉频率范围。![]()
考察队员用望远镜搜寻白鱀豚和长江江豚（高宝燕 供图）
至20世纪80年代中期，水生所又饲养了另外一头白鱀豚“珍珍”，于是科研人员有了记录淇淇和珍珍声通信的机会。当时淇淇和珍珍被分别饲养在两个水池中，水池之间有一处较狭窄的水道，科研人员将水听器放在水道中间，同时记录淇淇和珍珍的声信号。科研人员发现，淇淇和珍珍会借助这个水道进行声通信和声交流。经过几天的交流后，它们熟悉了彼此的声音，珍珍甚至主动穿过水道，进入淇淇的水池中，开始了集群生活。20世纪80年代，长江中尚有白鱀豚。当时科研人员也多次尝试记录它们的声音，但是在长江上见到白鱀豚的机会很有限，搭载设备的渔船和录音仪器的机动性也差，一直未能记录到白鱀豚声信号。直到90年代中后期，为了开展白鱀豚的迁地保护，水生所的科研人员从长江干流捕获了一头老年白鱀豚，并将它转运到湖北长江天鹅洲白鱀豚国家级自然保护区的石首天鹅洲迁地保护区中。为了记录这头白鱀豚的声信号，科研人员将笨重的录音仪器和电瓶搬到小渔船上。白鱀豚声呐信号的方向性非常强，只有当它正对着小渔船游过来时才能有效记录到其声信号。这样的工作持续了多天，科研人员终于记录到了自然环境中白鱀豚的声呐信号和哨叫声。![]()
考察队员从水下回收长江江豚声学记录仪器（王克雄 供图）
但天鹅洲终究不是长江。2006年冬，抱着最后一丝希望的包括水生所在内等国内外多家单位的研究人员在长江上联合开展了为期38天的长江淡水豚考察。虽然科研人员做了充分的准备，也一直持续记录水下的声音，但是并没有记录到白鱀豚的声音，那时白鱀豚已经接近消失了。2007年，白鱀豚被宣布功能性灭绝（指某个或某类生物在自然条件下，种群数量减少到无法维持种群繁衍的状态）。直至今日，水生所的科研人员在长江中再也没有见过白鱀豚的身影。为避免重蹈白鱀豚的覆辙，从20世纪90年代末期开始，水生所的科研人员开始关注长江江豚的濒危状况和保护，并启动了长江江豚的系统性声学研究。他们在人工环境、迁地保护区和长江干流中记录并深入分析了大量长江江豚的声信号，包括母豚和幼豚的声信号。科研人员发现，长江江豚出生后即能发出声信号，并且发声伴随其整个生命周期。长江江豚每时每刻都会发出声呐信号，即使有时在几秒时间内暂时停止发声，它们也会提前用声呐对停止发声期间可能巡游的范围进行目标探测，以免存在风险。它们甚至在出水呼吸前，也会先用声呐探测水面，以确认是否安全。在捕食阶段，声呐信号的脉冲间隔会从几十毫秒有规律地缩短到约10毫秒或更短，这意味着长江江豚正从较远的地方快速向猎物靠近。![]()
白鱀豚（王小强 供图）
生活在大海里的中华白海豚与白鱀豚的外形很相似，二者都有长吻和背鳍，体色有差异， 在网络上，甚至一些出版物上，常将中华白海豚的照片误用为白鱀豚。广东省珠江口水域是中华白海豚最重要的分布区，也是该物种全球最大种群的分布区。珠江口中华白海豚国家级自然保护区位于珠江口水域，港珠澳大桥横穿保护区的核心区。为了减少大桥建设和运行对中华白海豚的不利影响，水生所的科研人员于2000年左右开始了较为系统的中华白海豚生物声学研究，研究结果为港珠澳大桥在设计、建设以及运行中如何保护中华白海豚提供了重要的科学技术支撑。虽然科研人员在人工环境和野外记录了大量淡水豚和海豚的声信号，但是这种记录方式存在不足。在人工环境中，动物的活动范围受到限制，群体大小和结构也难有变化，动物的发声和行为日渐单调。例如，到20世纪90年代后期，白鱀豚“淇淇”在水池中发声已经非常少了，用于通信的哨叫声更是很难被记录到。而在野外记录这些移动性非常强的动物的声信号时，由于录音仪器和船只缺少良好的机动性，记录到的声信号存在很大的随机性。因此，为了更有效地研究长江江豚和中华白海豚的声信号，被动声学监测应运而生。最早针对长江江豚开展的被动声学监测是在石首天鹅洲迁地保护区进行的。水生所的科研人员与来自日本国立水产工学研究所的科研人员一道，对录音仪器进行了最大限度的集成。他们将滤波器、存储器、处理器和电池等集成到一个防水的、仅有250毫升矿泉水瓶子大小的铝合金盒子里，水听器通过防水接口与盒子连接在一起，然后通过橡皮吸杯将盒子吸附到长江江豚身体的一侧，并靠近其头部方向。由于体积小、重量轻，长江江豚可以带着这台叫“A-tag”的录音设备在保护区水域里自由活动。这台仪器可以连续记录长江江豚的发声，一旦由于水的阻力或动物身体扭动导致仪器脱落，它就会漂浮在水面上，并不停发出无线电信号。通过追踪无线电信号，科研人员就可以回收仪器，下载数据。这种记录声音的方式可以连续记录3个昼夜。科研人员还给一群长江江豚中的每一头都吸附上一台该仪器，从回收的多台仪器中不仅能分析出每头动物的声音，还能搞清这些动物之间的声互动关系。![]()
长江江豚母幼通过声音通信（王小强 供图）
不过，A-tag也有缺陷：首先，捕捞长江江豚存在导致其受伤的风险；其次，该仪器连续记录的时间有限，电池很难连续工作5天或更长时间；再次，橡皮吸杯的固定方式虽然对动物非常友好，但吸附的牢固度较低，容易脱落。针对这些缺陷，科研人员对该仪器进行了改造，包括修改外观、增大电池容量和数据存储容量、增加1个水听器变成立体声录音仪器，改造后的A-tag被命名为“T-tag”。但是，T-tag也有缺点，它太重、太大，不适合吸附在长江江豚身体上，只能固定在水底或船舶上使用，用于长期定点记录附近水域长江江豚的声信号，也可以长距离移动记录长江江豚的声信号。这种被动声学监测方法很快得到了推广，除在长江干流、洞庭湖和鄱阳湖等淡水水域应用外，还在东南沿海用于记录中华白海豚和布氏鲸的声信号，甚至走出国门，在缅甸伊洛瓦底江和柬埔寨湄公河记录伊河豚的声信号，促进了国际合作交流。近十年来，水生所的科研人员先后在长江中下游、洞庭湖、鄱阳湖、东南沿海，甚至柬埔寨湄公河等水域布置了几十台被动声学监测仪器，其他一些单位在渤海、黄海和南海水域也布置了不少的被动声学监测仪器。但是，这些监测位点的仪器均是独立运行，每个月需要定期到各位点回收仪器、下载数据和更换电池，维护和运行成本较高，并且所有位点的监测结果都需要等待至少30天以后才能分析出来，时效性非常差。为了克服这些缺陷，近几年，水生所和广东珠江口中华白海豚国家级自然保护区、武汉品度科技公司、武汉白鱀豚保护基金会等单位，联合建设了网络化和实时化的被动声学监测平台，并且在珠江口和长江中下游针对中华白海豚和长江江豚种群及栖息地监测开展了长期的规模化应用。针对中华白海豚的网络化监测平台包括15个海上监测点和1个陆地监测站，监测点沿着港珠澳大桥北侧布置，从珠江口西岸的珠海市一直到东岸与香港水域交界处，相邻监测点的距离约2千米。每个监测点均布置了1套实时声监测仪器（RPCD）和1套影像仪器，能基于所记录的水下声信号实时识别出中华白海豚的声信号，从所记录的影像中按照时间标志截取中华白海豚的影像片段，并及时将声音和影像通过海上4G网络传送到监测站。在监测站，可以在地图上实时显示中华白海豚的影像和实时播放降频后的中华白海豚声音，以及中华白海豚活动的大致位置等信息。经注册的手机用户还能在手机上查看监测点和监测站上中华白海豚的声音频谱、影像和统计数据。来自不同监测位点的声影像信息在监测站汇总，保护区管理人员和科研人员基于这些信息可以及时掌握所监测水域里中华白海豚的分布和活动情况，分析它们的时空分布规律和对栖息地的选择性，促进中华白海豚的保护。![]()
中华白海豚依赖声呐系统生存（郑锐强 供图）
淡水豚和海豚的被动声学监测网络化和实时化运行，虽然一次性投入高，但是运行成本低、时效性强，获得的数据丰富、完整，是未来重要的应用和科研方向。![]()
![]()
![]()
![]()
![]()
![]()
本文为《大自然》杂志2024年第3期原创文章，未经授权不得转载或建立镜像。
排版：冯雪
编辑：罗蓉
审核：曾朝辉
![]()
![]()
▲ 点击图片查看原文
进入中国邮政网上营业厅 (11185.cn)官网，搜索“大自然”订购
直达链接：
https://mall.11185.cn/web/detailsBk?id=103552&shopId=&businessId=BK&udcSrc=BK_search
点击文末蓝字“阅读原文”即可跳转至有赞商城购买页面
淘宝店铺“杂志铺图书专营店”店内搜索“大自然”下单
![]()
扫描二维码关注《大自然》头条号，解锁更多精彩内容
