国际鸟类监测项目抽样策略及对我国的启示

张文文 雍 凡 崔 鹏

(环境保护部南京环境科学研究所，国家环境保护生物安全重点实验室，南京，210042)稿件运行过程

国际鸟类监测项目抽样策略及对我国的启示

张文文 雍 凡 崔 鹏*

(环境保护部南京环境科学研究所，国家环境保护生物安全重点实验室，南京，210042)稿件运行过程

鸟类；监测；随机抽样；分层抽样；系统抽样

全球生物多样性正在持续丧失，亟须建立大尺度的生物多样性监测网络，获得实时、准确的就地监测数据来识别威胁因素，评估保护进展，降低全球生物多样性丧失速率。鸟类是生物多样性监测的重要指示类群，国际上鸟类监测已有100多年的历史。我国开展了沿海水鸟同步调查、鸟类环志监测等部分鸟类监测项目，并开展了国家尺度的鸟类监测试点工作。抽样设计是影响监测网络能否成功的关键因素，本文通过分析国际上大尺度繁殖鸟类监测项目的抽样设计及其优劣，提出了适合我国繁殖鸟类监测项目的分层抽样设计法，期望对我国国家尺度的繁殖鸟类监测网络的建立具有借鉴价值。

生物多样性监测是对生物的种群数量和分布面积进行长期系统地重复测量的过程。通过监测可以找出面临的威胁因素，评估保护成效，并据此制定针对性的保护措施[1-2]。鸟类是生物多样性监测的重要指示类群，国际上大尺度的鸟类监测项目已有100多年的历史，我国近年来也在探索建立国家尺度的鸟类监测网络[3-6]。对越冬水鸟和迁徙鸟类的监测来说，监测点选择主要是鸟类集中分布的区域。对繁殖鸟类监测来说，更多是针对常见广布的鸟类物种，那么抽样设计策略就成为决定监测结果有效性的关键因素[7]。抽样设计主要是确定样本量，以及样本在空间的分布，以尽可能降低空间变异性和可探测率这两个因素带来的估计误差[8]。当前，许多区域和国家尺度的监测项目都致力于扩大监测类群及其生境的覆盖范围，获得更加清晰的种群动态及其生境的细微变化数据。为满足以上的要求，需要采用适当的抽样设计和监测方法，提高抽样样本对整个目标区域的代表性和降低可探测率的差异[8-9]。

简单随机抽样、分层抽样、系统抽样是常见的生物多样性监测项目抽样方法[10]。其中，简单随机抽样法可以根据抽样样本的调查数据有效地推断目标总体，并对总体参数进行可信度估计，是生物多样性监测较为理想的抽样方法，但由于交通条件和地形地势的限制，导致在很多区域缺乏可操作性[11]。在实际操作中，随机抽样法往往结合分层抽样一起使用，通过结合分层抽样的方法可以提高每个分层样本内调查的精确度，这样就达到每个分层内的数据变异远小于分层间的数据变异。

斯幸峰等综合分析了欧美陆地鸟类监测的历史、现状，发现当前大尺度(区域尺度、国家尺度)的鸟类监测项目主要集中于北美和欧洲，且在该区域内还建立了许多尺度相对较小(省域尺度)的监测项目[4]。崔鹏等对我国鸟类监测的现状和问题进行了分析，并就监测人员、监测时间、监测对象与指标、监测样地设置和监测方法等几个方面针对性地提出了建立国家鸟类监测网络的建议[5]。以上两项研究均认为英国繁殖鸟类监测采用的分层随机抽样法最适合于我国繁殖鸟类监测网络构建的抽样策略，但未具体提出我国繁殖鸟类监测网络的抽样方法。本文通过综合分析国际上不同大洲大尺度鸟类监测项目的抽样策略，对我国繁殖鸟类监测网络的抽样方法提出了具体建议。

1 国际鸟类监测项目抽样设计分析

当前国际上的大尺度鸟类监测项目的抽样设计大致可以分为以下5种：(1)随意抽样(free choice)，许多早期的鸟类监测网络都是随意抽样，如法国[12]；(2)简单随机抽样(simplified random sampling)，例如法国繁殖鸟类监测项目[12]；(3)分层随机抽样(stratified random sampling)，如英国的BBS[9]；(4)系统抽样法(systematic sampling)，如瑞士鸟类监测项目(http：//www.biodiversitymonitoring.ch/en/home.html)；(5)非抽样法，如加拿大Alberta省鸟类监测[13]。

1.1 随意抽样法

随意抽样法是由调查人员根据自己的意愿选择调查样线(样点)，该方法最大限度地允许志愿者参与监测工作，但是由于志愿者多倾向于选择鸟类物种丰富和交通便利的调查地点，因此，造成调查样线(样点)在分布区域和生境类型选择上存在偏差。在鸟类监测工作最初开展的时期，多数国家的鸟类监测项目都采用随意抽样法，以便让更多的鸟类志愿者参与项目。

瑞典的鸟类监测项目基本反映了整个欧洲鸟类监测项目的现状，瑞典繁殖鸟类监测项目始于1975年，在1996年以前该项目采用随意抽样法。在瑞典北部区域鸟类调查人员稀少，导致北部区域被调查样地的数量很少，而且随着人员的大量往城市迁移，这个趋势还将加剧。此外，调查志愿者往往倾向于选择鸟类较为丰富的生境，导致样线在分布区域和生境类型选择上存在偏差。所以，即使在样线比较多的区域，可能也缺乏足够的代表性[14]。奥地利繁殖鸟类监测项目也采用随意抽样法选择调查地点，该项目采用样点法进行鸟类计数，在1998～2008年间，约140位志愿者每年在175个地点收集数据[15]。

1.2 简单随机抽样法

随机抽样设计可以对总体参数进行可信度评估，并可以把结论从抽样区域推断到总体目标区域[11]。简单随机抽样是其他抽样方法的基础，在理论上最容易实现，但是当抽样总体较大时，采用简单随机抽样得到的样本单元较为分散，调查花费的时间和资金将增大，调查实施难度也将增大。

法国繁殖鸟类监测项目( French Breeding Bird Survey )开始于1989年，最初采用随意抽样的方法，自2001年起，采用随机抽样选择样方，以确保抽样的生境具有代表性：在调查前为每个观察者提供一个10 km半径范围的区域，在该区域内随机选择一个2 km×2 km的样方(相当于在80个可能的样方内随机选择一个样方)进行调查[12]。

1.3 分层随机抽样法

分层随机抽样可以测量每层的特征并比较各层之间特征参数的大小，如果分层均匀还可以提高每层和总体的估计精度，采用分层还可以将更多的生境类型纳入调查范围内。因此，分层随机抽样是鸟类监测中采用最多的调查方法。该方法可以按照行政区域、监测人员分布、生境类型等不同属性进行分层。

1.3.1 根据行政区域分层

英国繁殖鸟类监测是较为成熟的国家尺度鸟类监测项目之一，该项目采用分层随机抽样法，按照县级行政区域分层设置调查样地[9]。在全国划分1 km×1 km栅格，作为随机抽样的样本。将全国的83个县级行政区域作为分层，在每个区域内按调查志愿者的密度确定该区域内抽取的样本数。在区域尺度，由英国鸟类信托基金会(BTO)志愿者网络确定的区域组长将抽取的样方分配给调查志愿者。每个区域组长将收到一份BTO下发的拟调查样方名单，并严格按照该名单规定的顺序将相应的调查样方分配给调查志愿者，这对保证严格按照随机抽样法完成样方设置非常重要。已经开展调查的样方要在每个年度都进行调查，在原有调查人员退伍后，将补充新的调查人员进入[9]。

美国繁殖鸟类监测样线采用分层随机抽样进行设置，保证了抽样区域的代表性，但为了提高调查的便利性，所有的调查样线均为沿道路进行设置，由于部分物种不会在道路周边活动。因此，调查样线涵盖区域并不能很好地代表抽样区域的物种多样性，造成该项目结果不能推断到远离道路的其他区域。

1.3.2 根据环境特征分层

委内瑞拉鸟类监测为该国生物多样性监测项目Neotropical Biodiversity Mapping Initiative (NeoMaps) 的一部分[16-17]。该项目根据环境特征进行分层，根据区域环境因子差异选择不同区域不同生境类型的代表性样方开展监测。首先，将全国划分为0.5°×0.5°的栅格(Venezuela Biodiversity Grid)(约为50 km×50 km，2 500 km2栅格大小)，共约377个栅格。其次，筛选具备调查可行性的栅格，要求在栅格内至少有90 km2的面积能够有满足汽车行驶的公路到达，满足条件的栅格为177个。其次，根据生物地理区划与环境特征进行分层，以减少工作量；分为5大生物地理区；依据每个栅格的海拔、温度、降雨、干旱月份数、森林覆盖率、落叶林覆盖率等环境因子特征采用主成分分析筛选出最具代表性的栅格(在具有相同特征的栅格中选取最有代表性的栅格以减少调查工作量)，共选出27个栅格。在每个栅格内设置1条40 km长的样线，采用样点法，沿设置的样线进行鸟类调查。该样线覆盖该区域主要的环境类型，尽量避开城市中心以及道路状况较差的路段。

1.4 系统抽样法

系统抽样要求抽样总体中的单元都按一定的顺序排列，在抽样总体内随机抽取一个单元作为初始单元，然后按照一套事先确定的规则抽取其他样本单元。系统抽样的优点是抽样单元的确定比较容易，可以有效地分析物种分布，计算物种多度等。系统抽样中如果抽样间隔与抽样单元的周期性变化同步，可能会导致较大误差。

瑞士鸟类监测是生物多样性监测计划(Biodiversity Monitoring Switzerland，BDM)的组成部分(http：//www.biodiversitymonitoring.ch/ en / home.html)。该监测计划采用系统抽样法设置样地。BDM 项目从2001 年开始实施，每年随机抽取样地总数的1/5 进行监测。鸟类多样性在Z7-景观水平上的物种多样性和Z9-生境水平上的物种多样性两个层次开展监测。Z7 指标的监测网络是系统分布的520 个1 km2的正方形单元；在网格单元内，沿对角线方向设置2.5 km 长的样线，在春季和夏末分别监测1 次，记录样线两侧一定距离内的物种种数(维管植物、蝴蝶、鸟类等)，以计算景观水平的生物多样性。Z9 指标的实际监测网络是1 600 个平均分布的10 m2监测点。调查样点内所有的维管植物、鸟类、软体动物等。

瑞典繁殖鸟类监测项目自1996年起，采用系统抽样法替代以前的有偏差的随意抽样。首先在国家尺度系统地划分了50 km×50 km的栅格，约有200个栅格。在每个栅格内按照同样的规则，设置1个2 km×2 km的正方形，样线沿着正方形的4条边行走，共8 km，每隔1 km设置1个样点，共8个样点。同时，每个栅格还可以设置3个补充的2 km×2 km的正方形样方，以满足对不同类型生境等的抽样要求(每个栅格最多设置4个样方)。在调查开始前，为调查人员制定调查栅格，分配调查任务等[14]。

非洲博茨瓦纳鸟类种群监测项目(bird population monitoring in Botswana)采用分层抽样和系统抽样结合选择调查样地(http：//birdlifebotswana.org.bw/)。首先根据博茨瓦纳生物群落(biomes)的分布进行分层，共有12个主要的生物群落，面积分别占全国总面积的2%～17%。根据不同生物群落的面积比例确定在每个类型生物群落的样方数量。将全国划分为0.25°的栅格(约50 km×50 km)，共计800多个栅格覆盖全国的范围(全国共58万km2)，抽取全国面积的10%作为样本，沿起点栅格起，选中每第8个栅格作为抽样栅格。抽样栅格还根据保护区内和保护区外的数量比例，重点鸟区的覆盖情况进行微调。此外，如果某抽样样区横跨不同的土地利用类型，那么也可以进行调整。在全国共抽中105个样方。在每个抽取的样方内设置固定调查样线，每条样线都有标记明确的起点和终点，以及行进路线以保证后来的调查人员能够重复开展工作。每个栅格内可以根据实际情况和调查人员数量设置多条样线以覆盖不同的生境类型。

1.5 其他非抽样设计

非抽样设计包括开展全面调查等。

加拿大Alberta省生物多样性监测项目(Alberta Biodiversity Monitoring Project，ABMP)致力于建立一个Alberta全省尺度的长期监测网络(http：//www.abmi.ca/home.html)。ABMP项目采用非抽样设计，在全省范围内划分了1 656个20 km×20 km的栅格，每5年对全部栅格完成一次完整调查，平均每年调查约350个栅格。因此，该项目为对省域范围的全面调查，而不是抽样调查。但该项目的调查样点在每个栅格内是随机确定的，并且按照Alberta省内不同生境的比例选择不同生境类型的地点开展调查。在每个20 km×20 km的栅格内都有一个全国森林清查的中心点，ABMI的调查点是参考该中心点随机选择一个角度，随机设置一个距离选定调查地点。在该地点设置样方或样线(样点)开展物种及其生境等调查。

2 我国鸟类监测网络构建思路

明确的科学目的、可信的抽样策略和可行的调查方法是一个成功的大尺度监测项目的必要条件[18]，同时，将会取得更好的效果[9]。实施有效的抽样策略可以提高监测项目的地理区域代表性、生境类型代表性，同时还可以增加有效监测的鸟类物种数量。

我国对国家保护和受威胁物种已经有了一定的关注，第一次和第二次全国陆生野生动物资源调查也对国家保护物种和受威胁物种给予重点调查，其取样策略是以省(或地区)行政区划为单元，进行分层随机抽样获取一定数量的样方，结合样线法和样点法在样方内进行鸟类调查[4]。同时各自然保护区也对保护和受威胁物种开展了监测[5]。我国对常见广布鸟类物种的监测工作还处在试点阶段，自2011年起，在环境保护部南京环境科学研究所组织开展了全国范围的繁殖鸟类监测和越冬水鸟试点观测，初步建立了全国鸟类观测网络，其观测样区的设计以分层随机抽样法为基础，考虑重要生态系统和物种的分布，并结合互补性分析来设置样区。

综合考虑上述实践并结合国外鸟类监测网络的抽样方法，笔者认为我国鸟类监测网络应以常见鸟类及其栖息地的监测为主要目标，并辅以专项网络对国家保护和受威胁物种进行监测，综合考虑多重环境和人为干扰的影响，长期评估鸟类的种群数量年度变化趋势和面临的威胁。

在抽样方法方面，随机抽样法、分层随机抽样法和系统抽样法是应用较多的3类方法。在环境均质情况下，随机法是最佳的抽样方法，即在研究区域内随机抽取一定数量的样本，以样本的监测值反映总体的值。但我国幅员辽阔，地形复杂，鸟类多样性高，区域气候生态差异明显，陆地面积约为960万km2，其中，山地、高原和丘陵约占全国陆地总面积的65%[19]。同时，我国具备野外调查能力的鸟类学研究人员和鸟类调查志愿者的数量相对较少，在整个国家，都开展全面深入地大尺度监测是不可行的。例如，在我国西部存在大量无人区，该区域缺乏有经验的调查人员，大部分区域无法开展长期系统的鸟类监测工作。据此现状，采用随机抽样法和系统抽样法都将增大资金人力资源的消耗，且无法有效覆盖不同类型的生境，所以，采用分层随机抽样法开展监测是更加可行的。

建议在当前人力和资金较为缺乏的情况下，采用分层随机抽样法为调查人员指定调查样线(样点)开展重点监测，同时，吸引志愿者根据调查能力和意愿采用随意取样选择样地开展辅助监测，扩大监测网络覆盖面；在未来人力和资金满足的情况下，采用分层随机抽样法为所有调查人员和志愿者指定调查样线开展监测，具体方案如下。

2.1 建立基本抽样单元

以0.5°栅格(约相当于50 km×50 km)或者以县域行政单元作为地理单元，由于县域大小不一，在我国西部地区一个县可与东部地区的一个省面积相当，因此，采用标准的地理网格具有更好的科学性，采用县域行政单元则更便于数据在生物多样性保护管理上的使用。同时，对自然保护区等与鸟类保护具有较高相关性的地理单元可以作为独立的单元进行抽样，以更好地了解保护成效。

2.2 确定分层单元

根据我国动物地理区划的19个动物地理亚区进行分层。动物地理区划表明了动物分布的区域差异，每一个区划内部具有一组较为相似的动物组成，不同亚区的动物区系各具特点，是历史发展至现阶段的结果，因此，根据动物地理区划分层充分考虑了动物类群的一致性和生态环境的相似性。在每个分层单元内按省份进行管理，每个省份确定监测协调人，为调查人员分配抽样单元进行调查。

2.3 确定必选抽样单元

充分利用现有工作基础，将已经开展鸟类监测工作，并具备足够的人力资源能够长期持续稳定开展监测的已有监测样区设置为必选抽样单元，并采用统一的要求继续开展监测，以最大化地扩大我国的繁殖鸟类监测网络。例如，青海湖国家级自然保护区自2006年起对保护区内的鸟类开展每月1次的鸟类监测，保护区鸟类调查人员熟练掌握了监测方法，该类保护区可纳入必选抽样网络。

2.4 确定最终抽样单元

每一层内根据调查人员数量和监测项目资金量确定抽样单元的数量，采用随机抽样法在每个层内抽取抽样单元，必选抽样单元也纳入抽样总体，如果抽取到必选抽样单元，则放弃重新抽取。由各省项目协调人指派给调查人员开展监测。在当前资金和人力相对不足的条件下，要充分考虑资金和人力的投入产出比，对随机抽样选中的某个抽样单元，如果由于地处偏远或地形复杂，无法便利地开展野外监测，可在该样方相邻样方中选择一个替代样方开展监测，以减少资金和人力资源的投入。

2.5 确定调查样线(样点)

原则为设置的调查样线(样点)能代表该抽样单元的鸟类多样性。具体可以参照以下几个原则，选择的监测样线要考虑保护区内外均衡，在保护区内部和外部均设置一定数量的监测样方；考虑生境类型的代表性，按照样方内不同类型生境的比例，在相应类型生境内设置一定数量的监测样方；考虑海拔梯度代表性，在不同海拔梯度设置监测样方。样线长度设置为3 km左右较为适宜，在地形复杂山区，样线长度可以短一些，在地形开阔的平原地区，样线长度可以长一些。

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Birds；Monitoring；Random sampling；Stratified sampling；Systematic sampling

Sampling Strategy of International Bird Monitoring Project and Its Implication for China

Zhang Wenwen Yong Fan Cui Peng*

(Nanjing Institute of Environmental Science，Ministry of Environmental Protection；State Environmental Protection Key Laboratory on Biosafety，Ministry of Environmental Protection，Nanjing，210042，China)

Due to the ongoing loss of global biodiversity，a large-scale biodiversity monitoring network is urgently needed.Also，real-time and accurate on-site monitoring data should be obtained to identify the risk factors，to assess the protection progress and reduce the rate of biodiversity loss around the world.Wild birds are important indicators in biodiversity monitoring and many countries have been monitoring wild birds for more than 100 years.China has carried out some bird monitoring programs，including monitoring programs for coastal water birds synchronous investigation，bird ringing programs，other bird monitoring projects，and nation-wide bird pilot monitoring.Sampling design is the key factor which affects the success of the monitoring network.Based on the analysis of the advantages and disadvantages of the sampling design of large-scale international bird monitoring programs，it is suggested that stratified random sampling method is a suitable sampling design method for the breeding bird monitoring project in China.In this paper，we address establishment of China’s national scale breeding bird monitoring network.

2017-08-09

修回日期：2017-09-15

发表日期：2017-11-10

X835

A

2310-1490(2017)04-689-05

国家重点研发计划生物安全监测系统应用模拟与示范推广(2016YFC1200705)；生物多样性保护专项

张文文，女，28岁，硕士；主要从事生物多样性保护研究。E-mail：18645476503@163.com

*通讯作者：崔鹏，E-mail：cuipeng1126@163.com