安西極旱荒漠國家級自然保護區(qū)冰洞子溝區(qū)域野生動物紅外相機監(jiān)測初報

王 亮，裴鵬祖，任廷鋒，田瑞祥，李 果

(1.甘肅安西極旱荒漠國家級自然保護區(qū)管理局,甘肅 瓜州 736100 ；2.中國環(huán)境科學研究院生物多樣性研究中心，北京 100012)

野生動物多樣性監(jiān)測是生物多樣性資源管理的關(guān)鍵，也是自然保護區(qū)開展保護管理工作的基礎(chǔ)[1]。開展區(qū)域野生動物野外監(jiān)測有助于了解區(qū)域野生動物物種多樣性，其監(jiān)測信息不僅能反映該保護區(qū)生物多樣性的動態(tài)變化，有利于保護與管理珍稀瀕危物種，而且也能為保護生物多樣性以及保護區(qū)管理規(guī)劃等工作提供基礎(chǔ)資料[2-3]。近年來，紅外觸發(fā)相機技術(shù)能進行全天候持續(xù)監(jiān)測，廣泛應用于陸生脊椎動物(獸類和鳥類)的監(jiān)測、保護與管理，極大地促進了野生動物監(jiān)測工作的開展[4-7]。紅外相機調(diào)查技術(shù)是一種非損傷性技術(shù)手段，避免了因調(diào)查或者采集樣本等直接傷害動物，具有“準確性、長期性、非損傷性”等優(yōu)點，已成為野生動物本底資源調(diào)查和生物多樣性監(jiān)測的重要手段[8-9]，尤其在山區(qū)野生動物監(jiān)測中能夠發(fā)揮很大的作用。在具有一定數(shù)量設(shè)備和人員的前提下，通過持續(xù)的監(jiān)測能夠獲得更多直觀、準確的野生動物物種信息，尤其是可以記錄到許多隱蔽性強、活動范圍廣的物種[10-12]。因此，紅外相機技術(shù)目前已經(jīng)廣泛應用于野生動物生態(tài)學和保護學的野外研究[13-14]。

安西極旱荒漠國家級自然保護區(qū)地處甘肅河西走廊西端，主要保護對象為極旱荒漠生態(tài)系統(tǒng)，自1987年6月成立以來，先后3次采用傳統(tǒng)調(diào)查方法對保護區(qū)內(nèi)的動物種類和數(shù)量進行了全面調(diào)查[15-17]。2012年6月，在保護區(qū)冰洞子溝、巴爾峽、長山子3個區(qū)域共布設(shè)了20部紅外觸發(fā)相機，開展了紅外相機技術(shù)在荒漠山區(qū)野生動物監(jiān)測中的應用研究，獲取了大量野生動物影像資料，探討紅外觸發(fā)相機技術(shù)在荒漠山區(qū)野生動物調(diào)查中的優(yōu)缺點[10]。此后，保護區(qū)陸續(xù)在多處野生動物重點棲息區(qū)域布設(shè)了紅外相機，至目前區(qū)內(nèi)累計布設(shè)紅外相機85部。本研究通過紅外相機技術(shù)對保護區(qū)內(nèi)野生動物重點棲息地“冰洞子溝”一帶鳥獸資源現(xiàn)狀進行系統(tǒng)調(diào)查，選擇2017年5月—2019年9月布設(shè)20部紅外相機進行監(jiān)測，摸清了該區(qū)域內(nèi)大中型哺乳動物和地面活動鳥類的種類、數(shù)量、分布以及人為影響等情況，評估其物種多樣性以及生物多樣性保護成效，為保護區(qū)野生動物監(jiān)測和保護管理提供參考[18]。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

安西極旱荒漠國家級自然保護區(qū)(以下簡稱“保護區(qū)”)位于甘肅省瓜州縣境內(nèi)，由南北2片組成，總面積80萬hm2，海拔 1 300～3 300 m，主要由低山丘陵、剝蝕準平原地形和山前沖積平原3種地貌組成。保護區(qū)地處中亞內(nèi)陸，氣候極端干旱，年均降水量52 mm。境內(nèi)現(xiàn)有高等植物63科210屬455種，主要以典型的中亞四大荒漠植物泡泡刺(Nitrariasphaerocarpa)、紅砂(Reaumuriasoongorica)、合頭草(Sympegmaregelii)、珍珠豬毛菜(Salsolapasserina)及裸果木(Gymnocarposprzewalskii)為保護對象。脊椎動物29目65科210種，列入《國家重點保護野生動植物名錄》的有普氏野馬(Equusprzewalskii)、蒙古野驢(Equushemionus)、雪豹(Unciauncia)、北山羊、金雕、白唇鹿(Gervusalbirostris)、鵝喉羚(Gazellasubgutturosa)、巖羊(Pseudoisnayaur)、盤羊等35種[15-17,19-20]。

冰洞子溝地處保護區(qū)北片緩沖區(qū)，位于東經(jīng)95°36′55″～ 95°42′40″,北緯41°22′20″～ 41°19′15″，東西長8 km，南北寬6 km,面積約 3 700 hm2，屬低山丘陵地帶，海拔 2 030～2 220 m。區(qū)域內(nèi)植物資源豐富，主要植被類型為灌草叢，主要優(yōu)勢種有戈壁針茅(Stipagobica)、芨芨草(Achnatherumsplendens)、合頭草、松葉豬毛菜(Salsolalaricifolia)、短葉假木賊(Anabasisbrevifolia)、白皮錦雞兒(Caraganaleucophloea)、彎刺薔薇(Rosabeggeriana)和寬苞水柏枝(Myricariabracteata)等。周邊大中型動物有普氏野馬、蒙古野驢、北山羊、鵝喉羚、盤羊、赤狐、狼等。

1.2 相機布設(shè)

1.2.1相機布設(shè)方案

在冰洞子溝觀測樣地，通過GIS軟件制成1×1 km2網(wǎng)格，網(wǎng)格之間盡量保持連續(xù)，預設(shè)相機位點通常為每個網(wǎng)格的中心點，在地圖上標注坐標位點。根據(jù)監(jiān)測區(qū)域的行走路線確定相機布設(shè)的路徑，預設(shè)相機位點坐標置入GPS導航儀。通過GPS導航找到預設(shè)相機位點，并以此位點為圓點，在200 m為半徑的圓內(nèi)尋找合適相機安放的位置，不同網(wǎng)格之間的2個相機相隔距離不得小于500 m。通常設(shè)置在動物痕跡(糞便、足跡和遺落物等)較多的地點(獸徑、水源點等)。研究區(qū)相機布設(shè)信息見表1和圖1。

圖1 保護區(qū)功能分區(qū)及相機位點布設(shè)

表1 冰洞子溝區(qū)域紅外觸發(fā)相機布設(shè)信息

1.2.2相機布設(shè)方法

相機固定于離地面50～ 80cm 的鐵支架上，相機鏡頭基本與地面平行或略往下，均朝向西北或北，以防止陽光直射對相機成像的影響。相機安裝前先拍攝一張照片，檢查是否能正常工作，安裝和取卡時，均需要拍攝一張有相機位點信息(相機位點編號、日期)的白板照片。同時還需記錄相機放置的日期、GPS 位點、海拔、 坡度、坡向和動物痕跡、人為干擾、植被類型等其它生境信息。

1.2.3相機參數(shù)設(shè)置

布設(shè)的相機型號為LTL6210MC和東方紅鷹E1B型紅外觸發(fā)相機，使用前需要對其有關(guān)參數(shù)進行設(shè)置。重要參數(shù)包括：日期和時間(相機安放當前日期)、相機拍攝模式(設(shè)定為3連拍或3連拍+10s視頻)、圖片像素(12MP)、視頻像素(720P)、視頻長度(10s)、時間間隔(5s)、密碼(關(guān))、靈敏度(獵科為中，東方紅鷹為低)、定時(關(guān))。每隔5～7個月對相機進行檢查，并收集數(shù)據(jù)，適時更換電池和內(nèi)存卡。

1.3 數(shù)據(jù)處理

相機拍攝的照片下載到計算機后，記錄拍攝的時間、照片中的動物種類、數(shù)量等數(shù)據(jù)，按照相機編號建立文件夾，分別將所拍攝的照片存入對應的文件夾，以使照片與相機相對應。物種鑒定主要參考《中國獸類野外手冊》和《中國鳥類野外手冊》。對于同一個地點紅外相機拍攝的照片，將時間間隔小于1h的同一種動物的連續(xù)照片算作1張，作為1次拍攝，即為1張獨立照片(independent photograph,IP)。

通過計算獸類和鳥類相對豐富度指數(shù)(relative abundance index,RAI)來衡量區(qū)域內(nèi)獸類和鳥類的相對種群數(shù)量，公式計算為：

式中，RAI為物種相對豐富度；Ai為第i類(i=1,2,3…)動物出現(xiàn)的相片數(shù)；N為相片總數(shù)[21]。

采用動物的拍攝率(capture rate,CR)作為其相對多度的指標，公式計算為：

式中，Ni為拍攝的第i類動物(i=1,2,3… )個體的獨立照片總數(shù)；T為總有效拍攝日，指相機在監(jiān)測期間總天數(shù)中除去相機維護損壞卡滿的天數(shù)[22]。

為探究本次調(diào)查在時間上是否滿足物種多樣性調(diào)查的強度，采用EstimateS軟件，基于整個調(diào)查期內(nèi)所拍攝到物種數(shù)的頻次建立統(tǒng)計模型，估計、比較基于抽樣數(shù)據(jù)的物種組合的多樣性和組成狀況[23-25]。本次調(diào)查將所拍攝到鳥獸物種總數(shù)以30個相機日(1月)為1次積累調(diào)查，并相應統(tǒng)計各物種出現(xiàn)的頻次(出現(xiàn)為1，未出現(xiàn)為0)，結(jié)果生成矩陣導入EstimateS軟件，隨機運行 1 000次，得到以時間為自變量，物種數(shù)為應變量的稀疏曲線的樣本數(shù)據(jù)，在Excel中繪制物種稀疏曲線。

2 結(jié)果與分析

經(jīng)統(tǒng)計，監(jiān)測樣地20部相機的總工作日為 10 367 天，共拍攝照片 36 510 張，其中，動物照片 12 061 張(33.03%)，未發(fā)現(xiàn)目標動物的空白照片 20 899(57.24%)，牲畜和人為干擾等照片 2 033 張(5.57%)，分析后獲取有效獨立照片 2 167 張?？梢钥闯觯张谋壤^高，超過總照片的半數(shù)。經(jīng)鑒定，共拍攝到15種動物，隸屬2綱8目12科14屬(表2)。

表2 監(jiān)測獸類和鳥類的物種名錄

物種稀疏曲線結(jié)果顯示(圖2)，獸類監(jiān)測物種數(shù)在3個月內(nèi)快速增長，并隨后變?yōu)橐粷u近線，于9個月時達到實際監(jiān)測物種數(shù)(7種)。鳥類監(jiān)測物種數(shù)在6個月內(nèi)快速增長，10個月后變?yōu)橐粷u近線，于17個月時達到實際監(jiān)測物種數(shù)(8種)。這表明本次鳥獸監(jiān)測均取樣充分，在時間尺度上已滿足物種多樣性調(diào)查的強度。

圖2 獸物種稀疏曲線Fig.2 Species rarefaction curve of birds and mammals

3 討論

本研究采用紅外相機監(jiān)測技術(shù)對安西極旱荒漠國家級自然保護區(qū)冰洞子溝一帶的鳥獸資源進行調(diào)查，初步摸清了該區(qū)域的鳥獸種類,但是由于此前針對該區(qū)域未開展過同類調(diào)查，無歷史數(shù)據(jù)資料，所以無法與以往的記錄進行對比，無法分析該區(qū)域內(nèi)野生動物種類和數(shù)量的動態(tài)變化趨勢，本研究僅為現(xiàn)狀調(diào)查和資料補充。

通過2年多的紅外相機監(jiān)測，雖然拍攝到了大量的野生動物照片和視頻，但種類不多，其原因是紅外相機適合拍攝大中型哺乳動物和地棲鳥類，一些小型獸類由于體型較小，且移動速度快、多為夜間活動，紅外相機無法被觸發(fā)獲得影像或者影像質(zhì)量差，導致無法鑒定物種，比如嚙齒目鼠科(Muridae)動物，此次未將其統(tǒng)計在內(nèi)。同時，很多鳥類拍攝率和相對豐富度都很低，是因為很多體型小、飛行快的鳥類很難被紅外相機捕捉到或者拍攝不到清晰影像[26]。所以，將紅外相機技術(shù)與傳統(tǒng)的樣線調(diào)查等方法相結(jié)合對鳥類資源進行調(diào)查才能更有效。

保護區(qū)冰洞子溝區(qū)域地形復雜、屬低山丘陵地帶，本次調(diào)查僅針對該區(qū)域進行系統(tǒng)調(diào)查，未能覆蓋保護區(qū)其他生境類型(沖擊平原、高山山地等)。而該區(qū)域若按照公里網(wǎng)格全覆蓋布設(shè)相機，至少需要40部，本次相機安裝主要集中在該區(qū)域的東部和北部，西部和南部地區(qū)無相機，屬空白地區(qū)，可能會導致一些物種未能調(diào)查到。因此，可以在該區(qū)域設(shè)置更多的紅外相機監(jiān)測點，開展長期調(diào)查和監(jiān)測，來摸清鳥獸種類和數(shù)量的變化情況，并開展重要物種的活動節(jié)律研究。

此次調(diào)查雖然監(jiān)測時間長，但拍攝到動物照片僅占全部照片的33.03%，尤其是空白照片占了57.24%。其原因是個別紅外相機不穩(wěn)定，尤其是多部東方紅鷹E1B型相機不穩(wěn)定，連續(xù)空拍照片較多，靈敏度設(shè)置為“低”時仍然有大量空白照片。同時，相機鏡頭前雜草晃動也可能導致相機虛假觸發(fā)，這類情況發(fā)生率較高。另外，相機有效工作日僅占設(shè)置相機理論總工作日的60%，其原因是個別相機連續(xù)拍照(空白照片)情況下，僅1～2個月時間內(nèi)存卡就存滿，或者個別相機損壞、電池沒電而未獲得數(shù)據(jù)(2018年3部，2019年4部)。牲畜活動對野生動物也存在一定的影響，從多部相機捕捉到的影像來看，該區(qū)域內(nèi)存在家馬活動的現(xiàn)象，與野生動物爭奪水源和食物。因此，建議在相機布設(shè)時盡可能清理鏡頭前方5 m以內(nèi)的雜草，并測試相機工作是否穩(wěn)定，同時進一步加強區(qū)域內(nèi)禁牧工作力度，避免野生動物受到牲畜和人為活動的影響。

在物種多樣性調(diào)查中，物種稀疏曲線已逐步用于抽樣量充分性的判斷以及物種豐富度的估計[27]。本次研究僅是針對保護區(qū)的冰洞子溝物種重點保護小區(qū)而開展調(diào)查，所以只是利用物種稀疏曲線在時間尺度上分析是否滿足物種多樣性調(diào)查的強度，物種稀疏曲線還可從空間尺度上(包括海拔梯度)對取樣強度進行評估[28]，同時其外推曲線也可預測物種豐富度，待今后再進一步深入研究。

本文通過采取公里網(wǎng)格法布設(shè)紅外相機對保護區(qū)冰洞子溝區(qū)域獸類和鳥類資源進行調(diào)查，所獲得的數(shù)據(jù)和信息基本上反映了區(qū)域內(nèi)鳥獸本底信息，補充了保護區(qū)生物多樣性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，但仍需紅外相機和其它常規(guī)調(diào)查方法進行長期連續(xù)監(jiān)測，才能科學地掌握和反映區(qū)內(nèi)生物多樣性演變趨勢及保護成效，為今后的保護管理和科研監(jiān)測提供數(shù)據(jù)支持和指導。

致謝：感謝中國科學院動物研究所肖治術(shù)研究員和蘭州大學生命科學學院包新康副教授，李建亮、馬東輝2名研究生對保護區(qū)野生動物紅外相機監(jiān)測工作給予的指導和幫助。