羅 麗,侯亞男,楊敬元,于新文,高靈旺,歐陽(yáng)萱,楊銘倫,高家軍,郭安琪,劉昱坤

(1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所,北京 100091;2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院,北京 100083;3.成都東軟學(xué)院計(jì)算機(jī)與軟件學(xué)院,四川 成都 611844;4.神農(nóng)架國(guó)家公園管理局科學(xué)研究院,湖北 神農(nóng)架林區(qū) 442421;5.國(guó)家林業(yè)和草原局林業(yè)遙感與信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100091)

生物多樣性對(duì)人類的生存和發(fā)展具有十分重要的意義,2021年10月的《昆明宣言》[1]指出,過(guò)去10年的生物多樣性戰(zhàn)略計(jì)劃取得了一定的進(jìn)展,但這些進(jìn)展不足以實(shí)現(xiàn)生物多樣性目標(biāo)[2]。因此,在全球氣候變暖、自然景觀日益破碎化的情況下,開發(fā)有效的大規(guī)模生物多樣性監(jiān)測(cè)方法是保護(hù)和研究生物多樣性的重要環(huán)節(jié)[3]。

聲音是生物之間交流的重要手段,包含著重要的生態(tài)信息,不僅可以作為物種識(shí)別的特征,也可以傳達(dá)有關(guān)物種的行為、豐度、位置、體型等線索[4]?？焖俾晫W(xué)調(diào)查(rapid acoustic survey,RAS)[5]是近年來(lái)提出的以一種非侵入性的、具有成本效益的快速生物多樣性評(píng)估方法,通過(guò)對(duì)大規(guī)模野外聲音的采集和計(jì)算,分析和推斷大時(shí)空尺度下的物種多樣性。目前,生態(tài)聲學(xué)領(lǐng)域?qū)τ诼曇魯?shù)據(jù)的分析主要分為兩個(gè)方向:一是運(yùn)用或者改良現(xiàn)有的語(yǔ)音識(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域的技術(shù)達(dá)到識(shí)別、分類動(dòng)物聲音的目的[6-7],與傳統(tǒng)生物多樣性調(diào)查方法類似,此種研究方法所使用的數(shù)據(jù)往往是非連續(xù)的、片段式的;二是基于聲景生態(tài)學(xué)(soundscape ecology)[8]方法,使用聲學(xué)指數(shù)(acoustic indices)[9]或者根據(jù)實(shí)際的研究對(duì)象和數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)新的聲學(xué)指數(shù)來(lái)評(píng)估生物多樣性及其動(dòng)態(tài)變化情況,運(yùn)用此方法的數(shù)據(jù)往往是長(zhǎng)時(shí)間(>24 h,甚至是大 于1月)的連續(xù)音頻數(shù)據(jù)。因此,基于聲學(xué)指數(shù)的方法,能夠反映生物多樣性連續(xù)的變化特征。此外,聲學(xué)指數(shù)通常被認(rèn)為是快速評(píng)估生物多樣性水平的生態(tài)指標(biāo)[10-11]。聲學(xué)指數(shù)是根據(jù)聲音的振幅強(qiáng)度、時(shí)間/頻率或振幅的復(fù)雜程度、聲景的異質(zhì)性來(lái)評(píng)估聲音群落的強(qiáng)度、相對(duì)豐度、豐富度、異質(zhì)性以及人為干擾對(duì)聲學(xué)群落的影響[12],大致可以分為α聲學(xué)指數(shù)和β聲學(xué)指數(shù)兩類,前者用于評(píng)估聲景或動(dòng)物群落的生物多樣性和復(fù)雜性,后者用于評(píng)估不同動(dòng)物群落或同一群落不同時(shí)間段內(nèi)聲音多樣性的差異。目前大多數(shù)研究集中于探究聲學(xué)特征與鳥類[13-14]、兩棲動(dòng)物[15-16]和昆蟲[17-18]多樣性的相關(guān)性,鮮有研究利用聲音來(lái)探索生物多樣性的整體變化特征。

2018—2019年中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院研究團(tuán)隊(duì)在神農(nóng)架國(guó)家公園大龍?zhí)恫渴鹆艘巴饴曇舨杉O(shè)備,基于聲學(xué)指數(shù)對(duì)長(zhǎng)時(shí)間序列的聲音數(shù)據(jù)進(jìn)行了聲景分析和鳥類多樣性檢測(cè)[19-21],發(fā)現(xiàn)聲學(xué)復(fù)雜性指數(shù)(acoustic complexity index, ACI)、生物聲學(xué)指數(shù)(bioacoustic index, BI)和歸一化聲景差異指數(shù)(normalized difference soundscape index, NDSI)與該地區(qū)鳥類多樣性的相關(guān)性較好,能反映出當(dāng)?shù)芈暰白兓?。但該研究?jī)H局限在大龍?zhí)缎^(qū)域內(nèi),難以反映大區(qū)域尺度的生物多樣性變化情況。本研究在此基礎(chǔ)上,在更大的空間尺度上部署了相同的聲音采集設(shè)備,利用物種鳴叫數(shù)量較多、活躍程度較大的夏季的聲音數(shù)據(jù),分析上述3個(gè)指數(shù)在神農(nóng)架國(guó)家公園內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,一是為了繼續(xù)探索聲學(xué)指數(shù)對(duì)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)動(dòng)物鳴聲多樣性的響應(yīng),二是為了探究聲學(xué)指數(shù)在神農(nóng)架國(guó)家公園夏季的動(dòng)態(tài)變化特征,旨在為當(dāng)?shù)氐膭?dòng)物多樣性調(diào)查和監(jiān)測(cè)提供一種適用性的技術(shù)途徑,同時(shí)為國(guó)內(nèi)其他保護(hù)區(qū)開展生物多樣性的量化研究提供參照。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于神農(nóng)架國(guó)家公園內(nèi)。聲音采集設(shè)備部署范圍為110°00′～110°41E, 31°41′～31°53″N,覆蓋面積約200 km2。研究區(qū)內(nèi)多高山,氣候?qū)儆诒眮啛釒Ш团瘻貛У倪^(guò)渡區(qū)域,受山脈影響,氣溫垂直分帶明顯,年降水量800～2 500 mm,降水量隨海拔升高而增加。

1.2 采樣方法

1)采樣點(diǎn)設(shè)置。相較于在大龍?zhí)秴^(qū)域的研究[19-20],本研究共設(shè)置了9個(gè)采樣點(diǎn),覆蓋的空間尺度更大,分布在區(qū)域內(nèi)的坡底、坡中、坡頂、溝谷、溪流等不同生境類型內(nèi)、采樣點(diǎn)之間最小距離為2 150.51 m,最大距離為 38 601.83 m,采樣點(diǎn)覆蓋的海拔梯度為1 396～3 011 m,如表1所示。

表1 各采樣點(diǎn)基本信息

2)數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理。錄音設(shè)備安裝在距地面適宜高度的樹干上,使用外部電池可以連續(xù)工作2個(gè)月,采用立體聲錄音,采樣率為24 kHz,量化位數(shù)為16位的WAV格式自動(dòng)保存在存儲(chǔ)卡上。圖1為9個(gè)采樣點(diǎn)中2號(hào)觀音洞采樣點(diǎn)的采樣設(shè)備及周圍環(huán)境。采樣設(shè)備連續(xù)工作,全天候不間斷,聲音數(shù)據(jù)每2 h存儲(chǔ)1次,一天共獲取12條2 h的聲音數(shù)據(jù)。本次實(shí)驗(yàn)選取了2021年5月21日—7月17日樣點(diǎn)的聲音數(shù)據(jù),在每個(gè)采樣點(diǎn)收集了740條錄音數(shù)據(jù)。其中,采樣點(diǎn)7數(shù)據(jù)丟失,其余采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)完整,故采用8個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析,共5 920條,總時(shí)長(zhǎng)為1 480 h,大小為952 G。

圖1 2號(hào)觀音洞采樣點(diǎn)及其周圍環(huán)境Fig. 1 Sampling sites of No. 2 and its surrounding environment

每個(gè)原始聲音文件時(shí)長(zhǎng)2 h,為避免數(shù)據(jù)冗余,使用Python腳本在音頻每10 min截取開始前2 min生成小的聲音文件,經(jīng)過(guò)處理獲得144個(gè)2 min的聲音文件,以表示一整天的聲音環(huán)境。本研究在每個(gè)采樣點(diǎn)截取了7 488條(144×52 d)2 min的錄音數(shù)據(jù),共計(jì)59 904條(7 488×8個(gè)采樣點(diǎn)),大小為718 GB。

使用Adobe Audition 2019軟件對(duì)聲音文件進(jìn)行人工監(jiān)聽和頻譜圖掃描,確定采集到的聲音主要分布在0～8 kHz范圍內(nèi),其中(0,2] kHz的聲音主要來(lái)自錄音設(shè)備運(yùn)行噪聲,(2,6] kHz范圍內(nèi)的主要由鳥類鳴聲構(gòu)成,兼具少數(shù)其他動(dòng)物聲音,(6,8] kHz范圍內(nèi)的聲音主要出現(xiàn)在夜間,來(lái)源于少數(shù)夜間活動(dòng)的鳥類或昆蟲。由于在野外采集不可避免會(huì)存在設(shè)備底噪,為了增強(qiáng)生物聲音,對(duì)聲音數(shù)據(jù)中設(shè)備底噪進(jìn)行樣本捕捉后,使用譜減法分別對(duì)每條聲音數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理。

1.3 生態(tài)聲學(xué)指數(shù)計(jì)算

指數(shù)計(jì)算均使用一個(gè)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的python腳本實(shí)現(xiàn)(https://github.com/patricguyot/Acoustic_Indices),與以R語(yǔ)言中seewave/soundecology包的計(jì)算結(jié)果等效。前期研究發(fā)現(xiàn),ACI、BI、NDSI與當(dāng)?shù)伉B類物種豐富度顯著相關(guān),因此,使用了ACI、BI和NDSI指數(shù)進(jìn)行分析。其中,ACI、BI指數(shù)是基于同一個(gè)聲譜圖計(jì)算的,該聲譜圖計(jì)算為FFT的平方幅度,窗口和跳躍大小分別為512幀和256幀,指數(shù)的具體計(jì)算公式見文獻(xiàn)[22-24]。

聲學(xué)復(fù)雜度指數(shù)(ACI)[22]通過(guò)計(jì)算音頻中強(qiáng)度的變異性來(lái)直接量化景觀的復(fù)雜性。受背景噪聲影響較小,可以用來(lái)反映復(fù)雜聲音的頻率和振幅的快速變化,數(shù)值越大,表明物種鳴叫數(shù)量越多、活躍程度越大。生物聲學(xué)指數(shù)(BI)[23]用來(lái)衡量群落水平的動(dòng)物聲音多樣性,計(jì)算頻譜圖中一定頻率范圍內(nèi)、某一閾值以上的聲強(qiáng)。BI用來(lái)反映物種群落的豐富度,數(shù)值越大,表明物種越多,低值表明很少或沒(méi)有聲學(xué)活動(dòng)。歸一化聲景差異指數(shù)(NDSI)[24]在景觀尺度上描述人類活動(dòng)對(duì)聲景的干擾,取值范圍為[-1, 1],NDSI值高代表生物聲在該生境中占主導(dǎo)地位,反之代表人類活動(dòng)占主導(dǎo)地位。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Mann-Kendall檢驗(yàn)法對(duì)長(zhǎng)時(shí)間序列的ACI、BI和NDSI指數(shù)進(jìn)行了趨勢(shì)分析和突變性檢驗(yàn)。Mann-Kendall是一種時(shí)間尺度下的變化趨勢(shì)性檢驗(yàn),屬于一種非參數(shù)檢驗(yàn)方法,可以統(tǒng)計(jì)評(píng)估變量隨時(shí)間變化是否有單調(diào)上升或下降的趨勢(shì),單調(diào)上升(下降)意味著變量隨時(shí)間序列增加(減少)。Uk為正序統(tǒng)計(jì)量,它是按時(shí)間序列X順序X1,X2,…,Xn計(jì)算出的統(tǒng)計(jì)量序列,計(jì)算公式如下:

(1)

聲學(xué)指數(shù)的時(shí)間序列作圖與箱線圖的制作在Origin 2019b中進(jìn)行,聲學(xué)指數(shù)的Mann-Kendall檢驗(yàn)在Matlab 2016b中實(shí)現(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 神農(nóng)架夏季聲學(xué)指數(shù)的動(dòng)態(tài)變化特征

為了探索ACI、BI和NDSI指數(shù)在夏季對(duì)聲學(xué)活動(dòng)的動(dòng)態(tài)變化響應(yīng),對(duì)2021年5月21日—7月17日采集的聲學(xué)指數(shù)進(jìn)行了連續(xù)性動(dòng)態(tài)分析,為方便比較,各指數(shù)值均已進(jìn)行Min-Max歸一化處理,統(tǒng)一映射到[0, 1]區(qū)間上,結(jié)果如圖2所示。

圖2 各采樣點(diǎn)夏季ACI、BI和NDSI指數(shù)的動(dòng)態(tài)變化 Fig. 2 Changes of ACI, BI and NDSI at each sampling site in summer of Shengnongjia National Park

從圖2可以看出,1號(hào)采樣點(diǎn)的ACI指數(shù)值變化呈現(xiàn)多峰變化,BI和NDSI指數(shù)值變化趨勢(shì)相似,生物聲變化呈現(xiàn)先增加后下降的變化趨勢(shì)。2號(hào)采樣點(diǎn)ACI指數(shù)保持較小值且變化趨勢(shì)不大,BI指數(shù)在7月初出現(xiàn)一個(gè)峰值,NDSI指數(shù)在7月初出現(xiàn)短暫的下降趨勢(shì),說(shuō)明在這段時(shí)間內(nèi)2～8 kHz出現(xiàn)的聲學(xué)活動(dòng)較少。3號(hào)采樣點(diǎn)ACI與NDSI指數(shù)變化趨勢(shì)相似,在7月7日ACI出現(xiàn)低的峰值而NDSI出現(xiàn)了高的峰值。9號(hào)采樣點(diǎn)ACI指數(shù)5月至6月中旬變化趨勢(shì)不大,6月末至7月呈下降趨勢(shì),BI、NDSI指數(shù)在5月至6月中旬呈上升趨勢(shì),6月末到7月呈下降趨勢(shì)。

總的來(lái)說(shuō),ACI指數(shù)值在8個(gè)采樣點(diǎn)變化的總體趨勢(shì)不明顯;BI指數(shù)值隨時(shí)間變化大致呈現(xiàn)雙峰變化,5月末開始上升,到6月中旬開始下降,7月初開始上升,7月中旬下降,說(shuō)明采樣點(diǎn)在2～8 kHz的頻率范圍內(nèi),聲強(qiáng)變化呈現(xiàn)先上升后下降再上升的趨勢(shì);NDSI指數(shù)對(duì)生物聲和人為活動(dòng)聲較敏感,變化幅度較大,大致呈現(xiàn)3峰/4峰變化趨勢(shì),5月21日至6月初、6月初至6月末、7月初至7月17日呈先上升后下降趨勢(shì)。

2.2 聲學(xué)指數(shù)的突變性檢驗(yàn)及其在突變?nèi)掌诘娜兆兓卣?/h3>

圖3 ACI、BI和NDSI指數(shù)的Mann-Kendall突變性檢驗(yàn)Fig. 3 Mann-Kendall mutation tests for ACI, BI and NDSI

4號(hào)采樣點(diǎn)ACI指數(shù)、BI指數(shù)和NDSI指數(shù)均發(fā)生了突變,且NDSI指數(shù)在該采樣點(diǎn)發(fā)生了多次突變。5號(hào)采樣點(diǎn)ACI指數(shù)在5月21—27日期間發(fā)生多次突變,在突變前顯著上升,突變后顯著下降,BI指數(shù)在6月8日15:00之前和7月12日0:00之后發(fā)生多次突變,NDSI指數(shù)發(fā)生突變的時(shí)間為6月16日2:00(X= 125.5),6號(hào)采樣點(diǎn)BI指數(shù)與5號(hào)采樣點(diǎn)BI指數(shù)變化相似。

綜上所述,指數(shù)值的變化趨勢(shì)較大,均有顯著上升和顯著下降的趨勢(shì),說(shuō)明區(qū)域內(nèi)動(dòng)物鳴叫有顯著性的變化,受溫度的影響,動(dòng)物的鳴叫行為會(huì)出現(xiàn)顯著增加和顯著減少的變化。

根據(jù)突變性檢驗(yàn)結(jié)果,對(duì)聲學(xué)指數(shù)的突變?nèi)掌谶M(jìn)行深入分析,探究造成突變的原因。ACI指數(shù)在4號(hào)、5號(hào)、8號(hào)采樣點(diǎn)突變?nèi)掌诘娜兆兓厔?shì)如圖4a所示,其中在5號(hào)采樣點(diǎn)多次發(fā)生突變,選取了5月22、23、26日作日變化分析;BI指數(shù)與NDSI指數(shù)的突變?nèi)掌谌鐖D4b、4c所示。

圖4 ACI、BI和 NDSI指數(shù)在8個(gè)采樣點(diǎn)突變?nèi)掌诘?日變化趨勢(shì)Fig. 4 Diurnal variation trend of ACI, BI and NDSI at sampling points with mutation dates

結(jié)合突變性檢驗(yàn)的結(jié)果可知,4號(hào)采樣點(diǎn)ACI值在5:00出現(xiàn)最大值,也是突變發(fā)生的時(shí)刻,通過(guò)對(duì)原音頻監(jiān)聽發(fā)現(xiàn),由于天氣變化,物種在當(dāng)日鳴叫活動(dòng)減少,突變性檢驗(yàn)也有同樣印證(Uk<0)。5號(hào)采樣點(diǎn)在突變時(shí)刻受大雨天氣影響,生物鳴叫活動(dòng)受到雨聲、風(fēng)聲的掩蓋,開始顯著減少。8號(hào)采樣點(diǎn)發(fā)生突變當(dāng)日天氣晴朗,凌晨生物鳴叫活動(dòng)增加。由圖4b可知,BI指數(shù)多在夏季開始和結(jié)束時(shí)發(fā)生突變,3號(hào)采樣點(diǎn)在突變?nèi)盏镍Q叫規(guī)律較不明顯,結(jié)合音頻分析,該采樣點(diǎn)靠近交通道路,鳥類鳴叫容易受汽車?guó)Q笛聲影響。而4號(hào)采樣點(diǎn)BI指數(shù)發(fā)生突變是因?yàn)槭艽笥晏鞖庥绊?生物鳴叫行為減少。這種情況在5、6號(hào)采樣點(diǎn)也有體現(xiàn)。由圖4c可知,NDSI指數(shù)在各采樣點(diǎn)突變?nèi)掌诰煌?1號(hào)采樣點(diǎn)NDSI指數(shù)發(fā)生突變的原因主要是5月29日后,金絲猴研究基地內(nèi)人工飼養(yǎng)活動(dòng)增加,對(duì)聲景產(chǎn)生影響。4號(hào)采樣點(diǎn)在夏季開始和結(jié)束時(shí)多次發(fā)生突變,主要是由于惡劣天氣使得生物聲在聲景中的占比減小,并且在突變后,NDSI指數(shù)值呈顯著下降趨勢(shì),生物活動(dòng)減少。5號(hào)采樣點(diǎn)夜間蟬鳴聲較明顯,6號(hào)采樣點(diǎn)晚間兩棲動(dòng)物鳴叫聲較明顯。

綜上所述,引起突變的原因主要有兩種:一是因?yàn)閻毫犹鞖獾挠绊?導(dǎo)致生物活躍程度減小,鳴叫行為減少;二是人為活動(dòng)的影響,汽車?guó)Q笛聲、敲擊聲對(duì)聲景造成較大的影響,這主要體現(xiàn)在1號(hào)采樣點(diǎn)和3號(hào)采樣點(diǎn)。此外,BI、NDSI指數(shù)受氣候影響較大,惡劣氣候極易影響指數(shù)的變化,ACI指數(shù)受氣候影響較小,發(fā)生突變較少。

2.3 神農(nóng)架聲學(xué)指數(shù)夏季日動(dòng)態(tài)變化特征

為了探究每個(gè)采樣點(diǎn)在神農(nóng)架大時(shí)空尺度內(nèi)的日動(dòng)態(tài)變化特征,根據(jù)一天所選時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)對(duì)各采樣點(diǎn)的3個(gè)指數(shù)分別進(jìn)行平均,最后得出ACI、BI和NDSI指數(shù)在一天時(shí)間序列中的變化趨勢(shì),并繪制了8個(gè)采樣點(diǎn)聲學(xué)指數(shù)的日變化序列圖,如圖5所示。

圖5 不同采樣點(diǎn)的生態(tài)聲學(xué)指數(shù)日動(dòng)態(tài)變化特征Fig. 5 Diurnal dynamic changes of ecoacoustic indices at different sampling sites

從圖5a可以看出,各采樣點(diǎn)ACI指數(shù)變化趨勢(shì)不一致。ACI指數(shù)最高值出現(xiàn)在6:30的4號(hào)采樣點(diǎn),最低值出現(xiàn)在0:10的5號(hào)采樣點(diǎn),大部分鳴叫動(dòng)物夜間休息,早上逐漸蘇醒并開始活動(dòng)。2號(hào)采樣點(diǎn)ACI值在夜間趨于平穩(wěn),黎明迅速上升,白天保持高值,傍晚下降,符合鳥類黎明/黃昏合唱的習(xí)性,說(shuō)明在該采樣點(diǎn)有高水平的鳥類活動(dòng)。4號(hào)、9號(hào)采樣點(diǎn)的日變化趨勢(shì)有夜間指數(shù)值趨于平穩(wěn)、黎明迅速上升、白天下降、傍晚出現(xiàn)暫時(shí)高值的特點(diǎn),這是因?yàn)槔杳鞔蠛铣哪芰?物種會(huì)在合唱后進(jìn)行覓食,從而減少了鳴叫行為[25]。3、4、9號(hào)采樣點(diǎn)的ACI值變化幅度較大,鳴叫物種的數(shù)量較不穩(wěn)定;而 1、6、8號(hào)采樣點(diǎn)的ACI值在一天中變化幅度不大,聲音的頻率和振幅變化不大,物種數(shù)量及活躍程度在這些采樣點(diǎn)較穩(wěn)定。

從圖5b可以看出,BI值在8個(gè)采樣點(diǎn)的變化趨勢(shì)相同,均符合夜間指數(shù)值較低、黎明迅速上升、白天保持高值、傍晚下降的特點(diǎn),BI指數(shù)的日動(dòng)態(tài)變化準(zhǔn)確捕捉到了鳥類鳴唱活動(dòng)。在日動(dòng)態(tài)變化中,BI指數(shù)最高值出現(xiàn)在5:00的2號(hào)采樣點(diǎn),最低值出現(xiàn)在21:00的6號(hào)采樣點(diǎn)。5號(hào)采樣點(diǎn)夜間BI指數(shù)也保持較高的值,說(shuō)明在該采樣點(diǎn),夜間物種鳴叫聲音振幅高,頻帶間變化最小。

從圖5c可以看出,NDSI值在2～9號(hào)采樣點(diǎn)內(nèi)日動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)相似,其中,2號(hào)采樣點(diǎn)NDSI指數(shù)值較高,白天指數(shù)值接近1,該采樣點(diǎn)海拔位置相對(duì)較高,人為活動(dòng)較少,生物聲在該聲景中占主導(dǎo)地位。1號(hào)采樣點(diǎn)的NDSI值變化沒(méi)有明顯的規(guī)律,該采樣點(diǎn)在國(guó)家林業(yè)和草原局神農(nóng)架金絲猴研究基地內(nèi),人為活動(dòng)較頻繁,NDSI指數(shù)對(duì)人類活動(dòng)較敏感,因此變化幅度較大。5號(hào)采樣點(diǎn)20:00至5:00間,NDSI值 <1,說(shuō)明該采樣點(diǎn)夜間聲景受到人類干擾。

結(jié)合圖5來(lái)看,在更大的區(qū)域內(nèi),一天中BI和NDSI指數(shù)值的變化趨勢(shì)相同,5:00左右迅速上升,白天保持較高值,18:00左右開始下降,夜間趨于平穩(wěn)。指數(shù)的變化符合鳥類黎明合唱和黃昏合唱的習(xí)性,說(shuō)明在研究區(qū)域內(nèi)聲學(xué)指數(shù)的變化主要來(lái)自鳥類鳴叫。結(jié)合指數(shù)值的變化趨勢(shì)可以推斷,物種黎明合唱的時(shí)間為5:00左右,黃昏合唱的時(shí)間為18:00左右。5號(hào)采樣點(diǎn)ACI值較低但BI值較高,這與該采樣點(diǎn)螽斯類和蟋蟀類昆蟲鳴聲明顯有關(guān),重復(fù)且響亮的鳴聲導(dǎo)致ACI值較低而BI值較高。

2.4 神農(nóng)架聲學(xué)指數(shù)隨海拔梯度的變化特征

由于本研究采樣點(diǎn)的海拔差異較大,為了對(duì)指數(shù)的空間差異進(jìn)行研究,根據(jù)時(shí)間序列的日變化趨勢(shì),選取聲學(xué)活動(dòng)活躍程度較高的5:00和18:00的時(shí)刻,來(lái)探究聲學(xué)指數(shù)與海拔之間的關(guān)系,并按照海拔梯度升序?qū)Ω鞑蓸狱c(diǎn)進(jìn)行排序分析,結(jié)果如圖6所示。為了檢測(cè)聲學(xué)指數(shù)與海拔梯度之間的相關(guān)性,還計(jì)算了ACI、BI和NDSI指數(shù)與海拔的Spearman秩相關(guān)系數(shù)。

圖6 神農(nóng)架晨昏兩個(gè)時(shí)刻(5:00和18:00)聲學(xué)指數(shù)值隨海拔梯度的變化Fig. 6 Acoustic index values as a function of altitude gradient at 5:00 and 18:00 in Shengnongjia National Park

從圖6可以看出,ACI指數(shù)在5:00和18:00呈現(xiàn)相似的變化趨勢(shì),沿著海拔梯度呈現(xiàn)先上升后下降再上升,且在中海拔地區(qū)具有最高的聲學(xué)指數(shù)值的變化規(guī)律,這與Colwell等[26]認(rèn)為物種豐富度在海拔梯度分布呈現(xiàn)的駝峰形格局的規(guī)律一致。BI指數(shù)沿著海拔梯度均呈現(xiàn)先下降后上升再下降的變化規(guī)律,也是在中海拔地區(qū)具有最高值,但規(guī)律性不如ACI指數(shù)明顯。NDSI指數(shù)隨著海拔梯度的升高沒(méi)有明顯的變化規(guī)律。此外,從5:00和18:00的聲學(xué)指數(shù)值看,5:00的聲學(xué)指數(shù)值普遍高于18:00,說(shuō)明黎明物種合唱時(shí)的生物多樣性和活動(dòng)性高于黃昏合唱,并且黎明合唱時(shí)是高值的采樣點(diǎn)在黃昏合唱時(shí)同樣也是高值。ACI、BI和NDSI指數(shù)在2號(hào)采樣點(diǎn),也就是2 375.36 m處出現(xiàn)最高值,說(shuō)明在研究區(qū)域內(nèi)海拔2 400 m左右的鳴叫物種豐富度較大。

計(jì)算可知,ACI指數(shù)與海拔相關(guān)性顯著,相關(guān)性系數(shù)為0.762,而BI、NDSI和海拔相關(guān)系數(shù)分別為0.262、0.214,相關(guān)性不顯著,因此,這3個(gè)指數(shù)中,僅ACI指數(shù)在本研究區(qū)域內(nèi)可以較好地解釋海拔梯度與聲學(xué)豐富度之間的關(guān)系。

3 討 論

生態(tài)聲學(xué)生態(tài)位假說(shuō)和聲學(xué)適應(yīng)假說(shuō)解釋了物種間的競(jìng)爭(zhēng)會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)位發(fā)聲,動(dòng)物發(fā)出的聲音會(huì)根據(jù)所處的環(huán)境做出改變,因此,探究動(dòng)物發(fā)聲是評(píng)估物種多樣性的有效工具之一,而聲學(xué)指數(shù)是被證明與錄音中生物聲音多樣性和豐富度密切相關(guān)。本研究基于生態(tài)聲學(xué)的方法,對(duì)神農(nóng)架動(dòng)物鳴聲連續(xù)時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行了量化研究,分析了聲學(xué)指數(shù)夏季時(shí)間序列的連續(xù)動(dòng)態(tài)及日變化趨勢(shì),通過(guò)Mann-Kendall突變性檢驗(yàn)的方法分析了指數(shù)變化特征。此外,還分析了聲學(xué)指數(shù)隨海拔梯度空間變化的特征。結(jié)果表明:①在所觀測(cè)的夏季3個(gè)月時(shí)間內(nèi),ACI指數(shù)沒(méi)有顯著的變化規(guī)律,BI指數(shù)大致呈現(xiàn)雙峰變化,NDSI指數(shù)呈現(xiàn)3峰/4峰變化;②Mann-Kendall突變性檢驗(yàn)以及對(duì)突變?nèi)掌诘娜兆兓治霭l(fā)現(xiàn),神農(nóng)架國(guó)家公園內(nèi)ACI指數(shù)在各采樣點(diǎn)發(fā)生突變的次數(shù)較少,BI指數(shù)和NDSI指數(shù)突變發(fā)生次數(shù)較多,發(fā)生突變的主要原因是氣候的變化和人為活動(dòng)的干擾;③在大區(qū)域下,ACI指數(shù)沒(méi)有明顯的日變化趨勢(shì),BI指數(shù)和NDSI指數(shù)的日變化趨勢(shì)符合動(dòng)物黎明/黃昏合唱的習(xí)性;④ACI指數(shù)隨海拔先上升后下降,在中海拔區(qū)域具有最大值,并且與海拔相關(guān)性顯著,BI指數(shù)也在中海拔區(qū)域具有最大值,NDSI指數(shù)沒(méi)有顯著的變化趨勢(shì);物種黎明合唱時(shí)的生物多樣性和活動(dòng)性高于黃昏合唱。

RAS方法可超越物種水平,在景觀水平上分析動(dòng)物群落的聲音特征,得到整體聲景觀多樣性的定量描述,避免傳統(tǒng)方法所必需的物種形態(tài)鑒定過(guò)程,既不需要鑒定物種,也不需要識(shí)別表型特征,而是估計(jì)群落所產(chǎn)生的復(fù)合聲景的時(shí)間和頻率的異質(zhì)性,考慮了聲源、環(huán)境、氣候等因素影響聲音多樣性變化,能夠快速對(duì)研究區(qū)域內(nèi)的生物多樣性做出評(píng)估。本研究的ACI指數(shù)連續(xù)動(dòng)態(tài)變化沒(méi)有表現(xiàn)出顯著的變化規(guī)律,而BI指數(shù)呈雙峰變化,NDSI指數(shù)呈3峰/4峰變化,結(jié)合Mann-Kendall突變性檢驗(yàn)和突變?nèi)掌谌兆兓治鼋Y(jié)果發(fā)現(xiàn),對(duì)比3個(gè)指數(shù),ACI指數(shù)對(duì)惡劣天氣較不敏感,BI和NDSI指數(shù)較敏感。此外,BI和NDSI指數(shù)對(duì)人類干擾也較敏感。因此,ACI指數(shù)在少數(shù)采樣點(diǎn)發(fā)生突變,而BI和NDSI指數(shù)幾乎在每個(gè)采樣點(diǎn)都發(fā)生了突變。結(jié)合突變?nèi)掌诘娜兆兓治鰜?lái)看,造成聲學(xué)指數(shù)在夏季發(fā)生突變的原因主要有惡劣天氣和人為干擾。游海林等[27]基于Mann-Kendall突變性檢驗(yàn)的方法利用BI指數(shù)對(duì)鄱陽(yáng)湖進(jìn)行鳥類多樣性監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn),突變發(fā)生的主要原因是受人類活動(dòng)導(dǎo)致,本研究指數(shù)發(fā)生突變的原因與此相似。此外,本研究連續(xù)性分析結(jié)果與Mann-Kendall突變性檢驗(yàn)結(jié)果一致,證實(shí)了生物多樣性特征及其活動(dòng)習(xí)性會(huì)隨著氣候變化、人為活動(dòng)增加等外部環(huán)境因素的變化而變化[4]。

在大區(qū)域下聲學(xué)指數(shù)的日變化趨勢(shì)不同于在小區(qū)域內(nèi)所得出的結(jié)論[19],對(duì)比3個(gè)指數(shù)的日變化趨勢(shì)來(lái)看,ACI指數(shù)不同于其他兩個(gè)指數(shù),沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的日變化模式。分析認(rèn)為,這可能是因?yàn)樵诖髤^(qū)域內(nèi),ACI指數(shù)與生物多樣性的變化關(guān)系不強(qiáng)。在很多研究中,ACI指數(shù)都顯示出與其他指數(shù)不同的日變化趨勢(shì),如Bradfer-Lawrence等[28]使用7個(gè)聲學(xué)指數(shù)探索在巴拿馬中部人類改良景觀中的日變化和季節(jié)變化的結(jié)果一致,ACI指數(shù)是唯一沒(méi)有表現(xiàn)出明顯晝夜模式的指數(shù)。由于ACI指數(shù)可以有效地過(guò)濾掉一致的聲音,比如重復(fù)的昆蟲叫聲[5],而這些聲音是BI和NDSI指數(shù)產(chǎn)生晝夜差異的基礎(chǔ)。ACI指數(shù)在生物多樣性評(píng)估中表現(xiàn)也不一致,如Towsey等[29]發(fā)現(xiàn)ACI不能準(zhǔn)確地代表(澳大利亞)布里斯班郊區(qū)的生物多樣性,Doser 等[30]在研究密歇根州(美國(guó))的生物多樣性時(shí)得出了相同的結(jié)論。本研究結(jié)果與前人的研究結(jié)果一致。BI指數(shù)和NDSI指數(shù)準(zhǔn)確反映了物種黎明/黃昏合唱,這是在溫帶森林中鳥類保衛(wèi)繁殖區(qū)域、試圖吸引伴侶或召集同伴的生態(tài)活動(dòng),說(shuō)明在神農(nóng)架國(guó)家公園內(nèi)的生物聲是由鳥類主導(dǎo)。

對(duì)于聲學(xué)指數(shù)空間變化,有研究證明,樣地跨越不同的景觀或海拔梯度,對(duì)動(dòng)物群落有強(qiáng)、弱或中等影響[23],如海拔會(huì)對(duì)一些區(qū)域生物多樣性產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響,海拔升高生物多樣性呈線性下降[31],或者在中海拔具有最大的多樣性[32],大多數(shù)聲學(xué)指數(shù)支持動(dòng)物聲音復(fù)雜性隨海拔升高而降低的觀點(diǎn),但是支持這一觀點(diǎn)的研究主要是在熱帶和亞熱帶地區(qū)進(jìn)行[33-34]。本研究是在溫帶森林中進(jìn)行,結(jié)果顯示ACI在中海拔區(qū)域具有最大值,并且與海拔相關(guān)性顯著,BI指數(shù)也是在中海拔區(qū)域有最大值,但規(guī)律不如ACI指數(shù)明顯,而NDSI指數(shù)沒(méi)有明顯的變化規(guī)律。因此,本研究中只有ACI指數(shù)能較好地支持聲學(xué)指數(shù)沿海拔梯度有較顯著空間變化特征的觀點(diǎn)。由于缺乏神農(nóng)架國(guó)家公園不同海拔的物種豐富度的數(shù)據(jù),在今后研究中將會(huì)考慮物種豐富度與海拔的相關(guān)性,驗(yàn)證上述結(jié)論的科學(xué)性。

本研究結(jié)果說(shuō)明BI、NDSI指數(shù)能較好地反映動(dòng)物鳴聲活動(dòng)隨時(shí)間變化的特征,而ACI指數(shù)能較好說(shuō)明動(dòng)物鳴聲活動(dòng)隨海拔梯度空間變化的特征。因此,生態(tài)聲學(xué)方法可以有效地幫助公園管理者對(duì)保護(hù)區(qū)內(nèi)生物多樣性進(jìn)行快速地量化評(píng)估,為未來(lái)使用生態(tài)聲學(xué)方法來(lái)監(jiān)測(cè)保護(hù)區(qū)內(nèi)的生物多樣的變化提供技術(shù)參考。隨著科學(xué)儀器硬件技術(shù)的發(fā)展,在未來(lái)研究中,將聲學(xué)指數(shù)計(jì)算結(jié)合到前端聲音傳感器中進(jìn)行實(shí)現(xiàn),將大大提高生物多樣性評(píng)估速度。