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2019-12-20離岸風機噪音對於魚類可能的影響
456 期
Author 作者
張顥議、邵奕達／國立臺灣海洋大學海洋生物研究所。
風機與海： 魚類生活恐面臨鉅變？
大部分的風力發電廠都建立在岸邊，或是在離岸數公里的淺水區海床（約5~30 公尺深）。然而，這些海域也同時是魚類攝食及產卵的主要場所，提供許多海洋生物的卵及幼體生存的棲地，因此具有高度的生態重要性及敏感性。國際自然保育聯盟（IUCN）曾出版報告，論述離岸風機區對海洋生物可能的時間與空間影響及程度，當中值得注意的是，大部分在風力發電廠附近的海洋生物生態環境，在監測項目和調查研究上都只以「現況調查」的方式進行評估，很少針對人為因子造成生物潛在影響程度的方式加以探討。
相較於視覺，聽覺對魚類而言可提供更好的感知能力，且可避免海水低能見度的限制，提供海洋生物非常廣闊的「視野」。魚類的聽覺，實際上與震動感知能力的靈敏度及形態演化息息相關，不同類群的動物對噪音或震動的敏感程度，也有相當大的差異。過去50年間，人為活動所製造的水下噪音大幅增加，然而，人們對水下噪音帶給海洋生物的影響所知不多。在墨西哥坎昆所召開的第13屆《生物多樣性公約》締約方會議中，也將海洋噪音汙染列為特別討論的議題並作成多項決議，包括呼籲各國政府要加強此方面的研究工作。
噩夢降臨： 噪音與震動帶來的困擾
臺灣現在推行的離岸風力發電廠計畫，當中產生的噪音可能會造成魚類的生理影響，並波及當地賴以為生的養殖漁業。同理，離岸風機的低頻噪音，也可能會改變周遭海洋魚類的群聚組成，或鯨豚及其他大型洄游魚類的攝食行為與遷徙路徑。離岸風力發電所產生的人為噪音，大致上可分為「興建」與「營運」兩個時期。興建期間主要的噪音源為發電機組鋪設基臺時的打樁（piling）工程。傳統的打樁方法牽涉到瞬間能量由打樁機透過樁柱對土地的釋放，這個時候會產生寬頻、高能量的震波而向四方傳導。相較於聲音，打樁時因牽涉到能量在瞬間釋放而且重複性頻繁，因而打樁所造成的震動是最應該被重視的因子。雖然，興建期間的人為擾動（音壓、震動）強度較營運時期強，影響生物的層面預測也較直接，然而，興建期間的打樁工程在時間上並不會持續很久， 在樁柱設立後就不會再發生。
另一方面，營運時期的噪音主要來自葉片運行時壓縮空氣的聲音與線圈及軸承運轉時的摩擦聲，因此風力發電機組的運轉噪音與風力的強弱（葉片運轉速度）、葉片本身的氣動特性與電機元件的設計有關。根據德國西門子公司設立於松德蘭海峽 （Öresund）的離岸風力發電廠而言，主要是127與508赫茲（Hz）的低頻運轉噪音 （圖一），且裝置音壓也不會太高，但運轉噪音是長期而不間斷的。
圖一：離岸風力發電廠運轉噪音的相對音壓圖及聲譜圖。（作者提供）噪音帶來的聽覺損害
離岸風力發電廠投入運轉後的營運時間可以長達數十年，在這段時間之內運轉噪音將不會消失；因此，這項運轉噪音對於魚類的潛在影響，將可能是長期且連續性水下噪音對生物的影響，自然與「距離」和生物的「聽覺靈敏度」有關。動物的對噪音反應可分為幾個的不同的影響區間，其中有不同的干擾影響和可能發生的傷害，包括生理傷害與聽力喪失、行為與急性生理反應、訊號屏蔽以及慢性干擾，是從聲源中心向外延伸而定義的區間（圖二）。這些區域可能沒有明顯的界限，也不一定會實際發生，但是必然與噪音源的音頻與強度以及物種聽力特性相關。
圖二：水中動物對噪音反應的不同的影響區間，星號標記為噪音源位置。
本圖左側為興建時期打樁噪音的可能影響情況，右側為營運時期噪音的可能影響。
值得注意的是，因為營運時期運轉噪音的強度不如打樁噪音，因此內圈的生理傷害或急性行為改變並不一定發生。
所謂生理傷害與聽力喪失，是發生在當暴露在足夠強度的人為水下噪音中，可能會導致魚類或其他生物短暫臨時閾移（temporal threshold shift）或永久閾移 （permanent threshold shift）聽力損失，甚至死亡。這是因為高強度的寬頻噪音，例如打樁或空氣槍，會損害內臟器官導致死亡，或內耳器官內的感覺髮細胞損傷。此一現象在實際的打樁工程中也有觀察到，例如，在奧勒蘭大橋興建初期的打樁工程中就發現近距離內的美洲鯷（Engraulis mordax）、太平洋鯡（Clupea pallasii） 與白顯齒海鯽（Phanerodon furcatus）出 現鰾的撕裂及腹側與眼瞼微血管出血。此外，連續而長時間的環境噪音，更會造成無法回復的失聰，這是因為聽覺細胞在長期刺激下，會因受到過氧化作用而釋放活氧性自由基，進而造成損害。
群體的行為與溝通亦受牽連
隨著音壓的下降，在距音源稍遠處的壓力改變雖然不足以導致生物的瞬間傷害。但是，海洋生物遠離聲源的行為的改變與生理上的急性緊迫，可被視為噪音對水中生物的另一項指標。例如，模擬施工噪音會引起像是鰨（Solea solea）、 大西洋鱈（Gadus morhua）與歐洲海鱸 （Dicentrarchus labrax）等生物的逃避行為，並瓦解黍鯡（Sprattus sprattus）與大西洋鯖（Scomber scombrus）等迴游魚 類的群游模式。此外，驟然暴露在噪音之中也會引起生物的緊迫反應，這類不規律船舶引擎噪音，會暫升河鱸（Perca fluviatilis）、鰷魚（Gobio gobio）、大吻 異線鳚（Heterostichus rostratus）與高鯉 （Cyprinus carpio）血液中腎上腺皮質醇 （cortisol）濃度。
此外，在聽覺範圍內較強度的噪音下（如風力發電機組的運轉噪音與繁忙航道中船舶引擎的噪音），可能會掩蔽個體之間的溝通，或者干擾對其他環境信號的接收。在環境噪音的干擾下，信噪比（signalto-noise ratio）的降低將會大幅度減少聽覺偵測的距離；尤其是當環境噪音的主要頻率與重要環境聲學訊號的頻率相似或重疊 時，這樣的屏蔽效應會更加明顯。
長年累積下的慢性化生理影響
若噪音干擾持續更久，在噪音強度已經相當接近動物的聽覺閥值（幾乎聽不到）時，也可能對生理造成慢性的干擾。最近以虱目魚（Chanos chamos） 與黑鯛（Acanthopagrus schlegelii）為實驗動物，針對風力發電的運轉噪音對魚類長期緊迫與能量代謝相關的相關研究顯示：暴露在較強的風力發電運轉噪音（接近風力發電機組的位置）中的虱目魚有顯著高於控制組與遠離風力發電機組100公尺外的運轉噪音的血液皮質醇濃度（圖三）。然而，即使噪音導致的皮質醇濃度升高並未維持超過3天。在後續的時間點裡，此研究發現噪音組的虱目魚頭腎中與皮質醇合成相關的類固醇生成急性調控蛋白（steroidogenic acute regulatory protein, star）的基因表達量快速上升，並伴隨著代謝皮質醇成為可體松 （cortisone）的第二11－β－羥基類固醇脫氫酶（11-β-hydroxysteroid dehydrogenase 2, hsd11b2）表達量增加（圖四）。
圖三：風力發電運轉噪音的實驗中，虱目魚血液中皮質醇的濃度變化。
深色虛線為控制組，淺色虛線為模擬距機組100 公尺的音壓強度，實線為緊臨著機組的音壓強度。
圖四：風力發電運轉噪音的實驗中，虱目魚頭腎中（A）hsb11b2 的表達量變化，以及頭腎中star（B）的表現量變化。
深色虛線為控制組，淺色虛線為模擬距機組 100 公尺的音壓強度，實線為緊臨著機組之音壓強度。
這代表著在長期噪音暴露下，虱目魚皮質醇的合成量與分解量同時上升（higher turn-over rate），此時雖然血液中皮質醇濃度無顯著改變，但是會對於其他刺激更加敏感，也代表著面臨的緊迫狀態。魚類在如此慢性緊迫中，長期下來，能量的代謝與分配也會受到影響。在黑鯛的實驗中，筆者等也發現長期處於低頻的風力發電運轉噪音中，會增加血漿中活性氧化物質（reactive oxygen species）的含量（圖五）。活性氧化物質的濃度可視為慢性緊迫的指標，過高的活性氧化物濃度可能會引起氧化壓力，使魚體細胞造成傷害。
圖五：黑鯛與風力發電運轉噪音實驗期間，黑鯛血漿中活性氧化物質濃度。未完待續：魚類資源檢測與相關研究仍待完善
緊鄰臺灣西部重要河川出水口的這塊海域，是許多魚類的重要產卵場所。兩年後在此區域內預估已有部分的風力發電廠設置完成並投入運作。未來在此大範圍的設立風力發電廠勢必須要有更完善的魚類資源監測，以建構的噪音影響區間的實質影響作用。
延伸閱讀
1. M. H. Andersson, Offshore wind farms-ecological effects of noise and habitat alteration on fish. Stockholm University PhD thesis, 2011.
2. A. N. Popper and M. C.Hastings, The effects of anthropogenic sources of sound on fishes, Journal of fish biology, 2009. 3. W. J. Richardson and C. I. Malme, Zones of noise influence, Marine mammals and noise, 1995.