公众观鸟和传统样线法调查应用于鸟类多样性监测的比较:以南京老山为例

刘萌萌,张曼玉,韩 茜,武大伟,王思路,鲁长虎

(南京林业大学生物与环境学院,江苏 南京 210037)

公众科学(citizen science)或社区科学(community science)指涉及非专业人员的科学调查和研究项目,一般由社会公众和科学家合作发起[1]。公众科学的出现为多个学科的发展以及科学知识的传播做出了巨大贡献[2]。已有研究表明,与生物多样性监测、保护以及气候变化相关的自然科学研究是公众科学涉及的热门领域[3]。对生物多样性进行长期系统的监测是实现生物多样性保护的基础[4],在环境污染、城市化、森林面积减少和气候变化等导致生物多样性丧失的当下[5],公众科学的发展实现了在相对较少的资源投入情况下对物种的大规模监测[6]。

鸟类作为生态系统中的重要类群[7],因其对环境变化敏感,常被作为生物多样性监测的指示生物[8],也因颜色鲜艳、种类繁多、易于观察,吸引着众多观鸟爱好者[9]。系统化的传统科研监测仍然是鸟类资源调查的主要手段[10],样线法作为目前传统鸟类调查中最为常见的方法之一,凭借其高效性和灵活性而被广泛采用[11]。观鸟(birding)作为一种广受欢迎的公众科学活动,同时也是一种基于自然的娱乐活动[12],在欧美已有100多年的历史。早期开展的标准化的公众观鸟项目,如圣诞鸟类调查(the Christmas Bird Count, CBC)、英国繁殖鸟类调查(the Breeding Bird Survey, BBS)和北美繁殖鸟类调查(the North American Breeding Bird Survey, BBS),为欧美各国陆地鸟类的长期监测与保护提供了重要依据[13]。

信息和互联网技术的发展极大地促进了公众观鸟的发展以及鸟类观测数据的管理和共享[14]。eBird项目与早期结构性较强的公众观鸟项目不同,相对简单的调查设计吸引了更多的观鸟爱好者参与其中;通过eBird平台(https:∥ebird.org)在全球范围内收集观鸟清单(checklist)的同时,提供及时、广泛、免费、开放的公众观鸟数据[15]。尽管采样在时间、空间分布上不均匀以及志愿者在专业知识水平、经验等方面存在差异等原因导致的数据质量问题使得公众观鸟无法取代传统的鸟类调查[16-17],研究人员仍表示来自公众科学网站的鸟类观测数据和鸟类学家提供的数据一样有价值[18],并且可实现跨时空尺度记录鸟类多样性,对物种分布的时间和空间模式产生更透彻的理解[19]。目前,观鸟者收集的数据已在全球范围内用于了解物种分布、丰度及其变化趋势[18,20],人类活动对鸟类群落的影响[6,21-22]以及实施保护行动、评估保护成效[23-24]等方面。

我国大陆公众观鸟始于20世纪90年代,近20年得到了快速发展,并且吸引着越来越多的观鸟爱好者参与,为鸟类监测提供了新思路[25]。中国观鸟记录中心(BirdReport)和中国鸟类记录中心(Birdtalker)向公众提供了一个相对简单的、可以广泛参与的公众科学鸟类观测项目以及免费、公开的数据记录和共享平台,为我国鸟类多样性监测和保护提供重要依据[26]。以往的研究中,公众观鸟平台所提供的数据主要服务于大规模的鸟类研究与保护,如全国濒危鸟类保护热点研究[27]、黄河流域鸟类物种多样性分布格局[12]、沿海地区水鸟栖息地保护空缺[23];对于科研监测和公众观鸟所记录的鸟类分布数据的差异分析也多停留在省、市范围[10,28]。位于南京江北的老山山脉属于大别山余脉,南临长江,林地保护完好,一直以来都是当地生物多样性最丰富的区域之一;老山山脉位于城市周边,交通便利,是观鸟爱好者关注的热点。笔者研究以南京老山地区鸟类为对象,收集2015年7月至2021年6月的观鸟记录,并在2020年7月至2021年6月进行实地监测,将传统样线法调查与公众观鸟所获得的数据进行比较,对比两种鸟类多样性监测方法之间存在的相似性和差异性,探讨两种调查方法在小尺度鸟类监测过程中的优势和不足。期望在进一步扩大公众观鸟覆盖范围的同时,提升数据的精细化水平,促进公众观鸟数据在更广阔的领域为鸟类研究和保护提供数据支撑。

1 研究地点与研究方法

1.1 研究地点

老山地区(32°02′ N～32°09′ N, 118°24′ E～118°40′ E)位于江苏省南京市浦口区,南临长江,北枕滁河;总面积约为80 km2,主要包括老山林场及在此基础上建立的老山国家森林公园[29]。区域主体为老山山脉,属于低山丘陵地带,为大别山余脉,山体呈西南—东北走向且地势逐渐降低。该地区属亚热带与暖温带过渡地带,年均气温为15.3 ℃,无霜期为228 d,年平均降水量为1 050 mm[30]。

研究区域多数林分保护完好,森林覆盖率达80%,植被类型为典型地带性植被类型的落叶、常绿阔叶混交林。动植物资源丰富,共有野生维管植物129科461属798种,其中包括榉树(Zelkovaschneideriana)、秤锤树(Sinojackiaxylocarpa)和短穗竹(Semiarundinariadensiflora)等野生珍稀濒危保护植物[31];笔者所在课题组采用红外相机陷阱技术对研究区域内的哺乳动物物种多样性进行监测的结果显示共有野猪(Susscrofa)、獐(Hydropotesinermis)和貉(Nyctereutesprocyonoides)等哺乳动物7种。

1.2 传统样线法鸟类调查

于2020年7月至2021年6月,采用固定距离样线法在南京老山进行鸟类多样性调查。根据研究地植被类型的空间分布和前期调查情况,共设置14条监测样线,保证覆盖各种生境类型,每条样线长约1.5～2 km(图1)。调查频率为每月1次,共计154次。在晴朗无风的天气,选取鸟类比较活跃的时间段(6:00—9:00或15:00—18:00),2名调查人员沿固定样线以1～2 km·h-1的速度前进,用双筒望远镜(Shuntu 10×42)观察样线两侧各50 m距离内出现的鸟类,记录观察到的鸟类种类和数量。鸟类识别方法参照《中国鸟类野外手册》[32],分类和居留型确定参照《中国鸟类分类与分布名录》[33]。

图1 南京老山鸟类调查样线分布和公众观鸟地点

1.3 公众科学观鸟记录数据

从向公众公开的中国观鸟记录中心(http:∥www.birdreport.cn)和中国鸟类记录中心(http:∥szbird.cn/birdtalker.net/index.asp)网站,筛选观鸟地点为南京老山的所有公众观鸟报告。 2015年以前仅有3条记录,为便于对比分析,选择2015年7月至2021年6月的记录,共有147条有效记录,所有有效记录均包含物种名、数量、观鸟者、调查时间和地点等信息。共涉及公众观鸟地点15个(图1)。

1.4 数据处理与分析

1.4.1鸟类种类

传统样线法调查:统计每条样线每次调查记录的鸟类种类以及1年调查记录到的全部鸟类名录。公众观鸟记录数据:对每次公众观鸟的观测时间、地点和鸟类名录等信息进行整理,统计每年记录到的鸟类种类和6年公众观鸟记录涉及到的所有鸟类。

为了比较2020年7月至2021年6月传统样线法和公众观鸟两种监测方法在记录鸟类种类的能力上的差异,分别记录样线法调查到的鸟类种数、1年公众观鸟记录种数、两者合计种数、两者均记录到的鸟类种数以及仅单独记录到的鸟类种数。通过将2015年7月至2021年6月公众观鸟记录到的物种名录和样线法名录进行比较,记录6年公众观鸟名录、两种监测方法合计物种、共有物种以及仅样线法物种和仅公众观鸟物种,了解公众观鸟是否可以在一定程度上补充完善研究区域的鸟类物种多样性资料。

1.4.2调查地点时空分布

为了了解研究区域公众观鸟活动在时间和空间上分布是否均匀,统计公众观鸟报告的月份分布情况、每年涉及的调查点数量,并计算监测强度;将调查样线、公众观鸟地点坐标以及研究区域卫星地图导入ArcGIS,记录各调查位置是否靠近水域、村庄以及是否存在其他人为干扰,并用软件自带的测量工具,测量调查样线中心位置和公众观鸟点距城市主干道的距离,划分为<1、1～2、>2～3、>3～4和>4 km这5个类别。监测强度指每年调查次数与调查点数量的比值。

1.4.3列表长度

使用列表长度(the list length)作为评估鸟类调查者专业技能和努力程度的指标[34],其含义是在一次行程中记录的物种种数。分别计算样线法和公众观鸟每次调查的列表长度。采用Shapiro-Wilk检验判断调查数据是否符合正态分布。由于公众观鸟每次记录到的鸟类种数不服从正态分布,采用Mann-Whitney检验(Utest)比较两种方法列表长度的差异;采用非参数Kruskal-Wallis检验及Scheffe事后检验方法分析不同年份公众观鸟数据和传统样线法调查结果的列表长度是否存在差异性[35]。

1.4.4报告率

报告率(reporting rates)指观察列表中特定物种出现的概率,常用作比较观察者水平差异的依据[36]。为了比较公众观鸟和传统样线法调查对不同物种的报告率是否存在差异,分别对两组内的数据进行随机抽样,每组各200个样本,对于共同记录到的物种,分别计算每个物种在抽样样本中出现的比例。采用自举法(bootstrapping)获得每个物种检测率均值以及95%引导置信区间[37]。筛选出检测率最相似的和差异最大的20个物种,了解是否只有稀有物种才更能引起观鸟爱好者的兴趣。

统计值用平均值±标准差表示。采用SPSS 26.0进行统计分析。采用Origin Pro 2021制图。

2 结果与分析

2.1 鸟类种类

统计全部公众科学观鸟记录和传统样线法调查结果,老山地区共记录鸟类214种。2020年7月至2021年6月,有125种鸟类被观鸟爱好者记录,而通过样线法记录到131种鸟类(表1),分别占全部鸟种的58.4%和61.2%;有近50%的种类(108种)被两种方法同时记录到,有23种仅被传统样线法记录到,17种仅被公众观鸟记录到。2015年7月至2021年6月,在老山地区公众观鸟共记录到214种鸟类,每年记录到的物种数都有所不同,平均每年记录到(117.67±35.38)种。两种方法共同记录到鸟类131种,有83种仅被公众观鸟记录到,除了26种迁徙过境鸟类外,有留鸟21种,冬候鸟18种,夏候鸟17种,迷鸟1种。

表1 两种鸟类监测方法的调查次数、调查点数量、记录物种数以及监测强度

2.2 调查的时空分布

为期1年的传统样线法监测,共对14条样线进行154次调查,监测强度为11。公众观鸟在6年的时间跨度内,在15个调查点共有147次观鸟活动,每年监测强度在2.4(2019—2020年)到8(2018—2019年)之间;2015—2020年,每年的调查次数在12～18次之间,2020—2021年调查次数为71次;每年涉及到的调查点不同,2020—2021年调查点有13个(表1)。从整个公众观鸟的月份分布来看,观鸟活动高峰主要集中在5—6月(图2)。

图2 老山公众科学观鸟活动的月份分布

从调查位置的空间分布来看,传统调查样线呈均匀分布,覆盖研究区域主要的林地和水域生境;公众观鸟地点则集中分布在研究区域西南部,多选择林地生境(图1)。14条传统样线中,有5条靠近水体,3条靠近村庄,距主干道距离<1 km的样线有9条;在15个观鸟点中,有2个地点位于水域附近,避开村庄、城市主干道等人为干扰,仅有3个点距主干道距离<1 km(表2)。

表2 两种鸟类监测方法的调查点位置特点

2.3 报告率

比较两种监测方法中报告率最相似的20个物种以及报告率差异最大的20个物种(图3)。报告率几乎没有差异的物种是特征明显、容易识别的鸟类,如普通翠鸟(Alcedoatthis)、黑水鸡(Gallinulachloropus)和八哥(Acridotherescristatellus),或者仅在水域附近出现的物种,如黑苇开鸟(Ixobrychusflavicollis)、白腰草鹬(Tringaochropus)以及偶然出现的迁徙过境鸟,如北灰鹟(Muscicapadauurica)、乌鹟(Muscicapasibirica)和极北柳莺(Phylloscopusborealis)。

误差棒表示95%引导置信区间。

相比较而言,两种调查方法之间报告率差异最大的物种大多是在研究区域较为常见的繁殖鸟类,如灰卷尾(Dicrurusleucophaeus)、黑枕黄鹂(Orioluschinensis)和小灰山椒鸟(Pericrocotuscantonensis);种群数量相对较少、不太常见的猛禽,如黑冠鹃隼(Avicedaleuphotes)、赤腹鹰(Accipitersoloensis);以及研究区域稀有保护物种,如仙八色鸫(Pittanympha)。

2.4 列表长度

单次调查的列表长度分布见图4,公众观鸟的列表长度主要集中在1～20;样线法的列表长度则在11～25,且呈正态分布。观鸟爱好者每次出行调查的鸟类物种平均数量大于样线法监测,公众观鸟为(23.57±20.04)种,样线法为(19.81±6.84)种,但差异不显著。不同监测年份公众观鸟年平均列表长度不同,介于(16.50±11.83)(2019—2020年)和(38.89±17.27)(2016—2017年)之间。2016—2017年公众观鸟记录和传统样线调查的列表长度之间存在显著差异(P<0.01)。

图中显示上四分位数、中位数、下四分位数、异常值、均值以及分布曲线。

3 讨论

3.1 采用两种监测方法记录鸟类种类的能力

仅从1年的样线监测和公众观鸟获得的数据来看,两种方式在调查鸟类种类的效果上相似,且都无法完整记录研究区域的全部鸟类。2020年7月至2021年6月,采用样线法和公众观鸟两种监测方法分别记录到的鸟类种类占记录到的全部种类的61.2%和58.4%。这与ZHOU等[28]在苏州市对鸟调和公众观鸟获得的鸟类多样性数据进行比较的结果较为一致。这可能与观鸟爱好者所采用的方法类似于样线法或样点法,即通过视觉或听觉直接记录鸟类有关。样线法作为鸟类多样性监测中常用的方法,由于受时间以及方法本身的限制,无法完整记录研究区域鸟类多样性状况[38]。而公众观鸟地点选择、调查范围和持续时长等均不受传统方法的限制,从而可以在调查次数不足传统样线调查一半的情况下,在鸟类种类的记录上达到同样的效果;但也可能由于公众观鸟活动监测强度不足,导致无法在有限的时间里记录更多的物种。

与传统调查方法相比,公众科学的一个明显优势是其潜力[39]。2015年7月至2021年6月,公众观鸟在老山地区共记录到214种鸟类,其中有83种鸟类仅被公众观鸟记录,包括在老山地区偶然出现的物种,如白喉斑秧鸡(Rallinaeurizonoides)、方尾鹟(Culicicapaceylonensis),以及一些较为少见的迁徙鸟类,如白喉林鹟(Rhinomyiasbrunneatus)、蓝喉歌鸲(Lusciniasvecica)。这可能是由于发现更多物种、对特殊类群的关注(如候鸟)以及寻找一些稀有物种是公众观鸟背后强大的驱动力[40-41];而且,随着时间的推移,会有更多的人参与到观鸟活动中[25],从而增加更多物种被发现的机会。此外,公众观鸟在调查时间选择上更灵活,可以调查到一些夜行性鸟类,如鹰鸮(Ninoxscutulata)、领角鸮(Otuslettia)。可见,对于实现长期监测目标而言,公众观鸟活动可以在一定程度上弥补传统鸟类监测的空缺;且相比传统监测方法,公众观鸟更加经济且在时间选择上也更灵活。

3.2 公众观鸟活动采样偏差

与传统监测方法调查地点固定、调查时间相对受限不同,公众观鸟在调查时间和地点的选择上表现出更大的可变性[42]。笔者研究中,公众观鸟活动存在着季节偏差,5—6月是公众观鸟高峰时期;观鸟地点集中分布在研究区域西南部,且明显避开村庄、城市主干道等人为干扰较为强烈的区域。老山地区的公众观鸟活动主要集中在春季和初夏,其中一个原因可能是春季迁徙时期有大量过境鸟经过该区域,其次,仙八色鸫(Pittanympha)等罕见夏侯鸟的到来对观鸟爱好者具有强烈的吸引力。公众观鸟在空间上的不均匀分布可能是因为观鸟爱好者倾向于选择那些鸟类多样性丰富的地点,有稀有鸟类出现的地点,一些已知的、较为出名的观测地点也对观鸟爱好者有着更大的吸引力[43],而研究区域东北部旅游、采矿、铁路运行等人类活动带来了强烈干扰,可能会对鸟类生存产生影响。

观鸟爱好者在时间、空间上的选择偏好可能会转化为公众观鸟数据集中鸟类物种报告率的偏差[44]。通过对比发现,在老山观鸟数据集中,繁殖鸟出现比例较高,这可能是由于公众观鸟活动主要集中在5—6月,导致在数据集中繁殖鸟报告率较高;而一些特殊类群和在研究区域稀有的物种,如猛禽、仙八色鸫等,似乎更能引起观鸟爱好者们的兴趣[45],因此导致报告率较高。与系统的样线调查相比,公众观鸟活动似乎更容易受到参与者的偏好影响,但是也无法排除研究区域本身的生境类型、鸟类分布状况以及物种本身被发现的容易程度,如体型大小、色彩鲜艳程度、受威胁状态以及种群数量多少等,对调查结果产生的影响[46-47]。

3.3 专业技能和努力程度的差异

对比两种监测方法记录的列表长度发现,公众观鸟数据集中列表长度平均值大于样线法监测,这可以在一定程度上反映出观鸟爱好者的技能和能力整体处于一个较高水平,甚至一些人比受过训练的学者更出色[48]。但是,与传统样线法单次调查列表长度呈正态分布的结果不同,公众观鸟列表长度分布不均匀且存在较大差异,这可能是因为观鸟爱好者有时并不会记录遇见的全部物种,也可能与观鸟爱好者的专业知识水平和经验存在差异有关;此外,季节、观鸟地点的选择、开始时间以及努力程度(调查范围大小、持续时间长短)等因素都可能会影响调查的物种种数[37],这需要在以后的研究中进行深入探究。

3.4 充分发挥公众观鸟的优势

公众观鸟在地点选择、调查范围和持续时长等方面均不受传统方法的限制,灵活可变的调查策略吸引众多观鸟爱好者参与其中,强烈的兴趣爱好驱动增加了更多物种被发现的机会,公众观鸟活动的广泛开展可以在投入较少的前提下弥补传统鸟类监测的空缺,为当地生物多样性的长期监测提供切实可行的方式。

但是公众观鸟在调查时间、地点选择上的高度可变性也带来了一系列的数据质量问题。采样存在时空偏差,可能会导致获得的结果很难代表一个研究区域物种的整体分布水平,但可以通过传统调查方法弥补观鸟者忽略的区域和生境类型,或者采取鼓励机制增加关注度较低区域的公众观鸟频率;观鸟数据集中物种报告率的偏差,可以借助传统调查方法获得的结果来量化和纠正,探讨偏差出现的原因,在最大限度上减少公众科学数据集中存在的偏差。应当充分利用公众观鸟数据,将传统科研监测和公众观鸟相结合,发挥两者优势,更好地开展鸟类多样性监测与保护。

笔者研究发现,一些观鸟记录可能不太准确,例如提交的坐标存在错误,虽然这可能不会给大规模研究带来影响,但是不利于小尺度研究;记录中开始时间、持续时长以及调查范围等信息的缺失,也会导致准确解释公众观鸟数据集中参与者技能水平和努力程度较为困难。在呼吁更多公众科学家参与到鸟类监测项目中、积极开展公众科学鸟类监测项目的同时,需要制定科学合理的调查方法和计划,并且规范各类信息平台的数据格式,从而实现在较大的空间跨度上对鸟类多样性进行监测,提供更精细时空尺度的鸟类监测数据,促进公众科学项目在更广阔的领域为鸟类学研究和保护提供数据基础。

为提升数据的精细化水平,充分发挥公众观鸟的优势,促进公众观鸟数据在更广阔的领域为鸟类研究和保护提供数据支撑,在此提出以下几点建议:

(1)观鸟爱好者的队伍不断壮大,为鸟类监测和保护的持续开展提供了不竭动力,公众观鸟活动在调查时间和地点上的主观性和集中性给观鸟数据集的后续利用造成了影响。因此,在鼓励公众观鸟活动广泛、频繁开展的同时,应当积极引导观鸟爱好者到“不知名”的观鸟地点开展活动,扩大公众观鸟的覆盖范围。

(2)“观鸟记录中心”小程序为公众观鸟数据的上传和共享提供便利。鼓励观鸟爱好者充分利用数据平台,准确定位观鸟的位置信息、记录开始和结束时间以及明确调查方式如定点调查或沿途记录,提高公众观鸟数据质量,促进公众科学数据更广泛深入的应用于鸟类学研究中。

(3)随着公众观鸟专业化程度的加深和鸟类摄影的大众化,观鸟爱好者的专业技能和经验水平往往不容小觑,但对于研究区域较为少见或者是新分布的物种,依然应当鼓励观鸟爱好者提供相关的照片,以便核实。

(4)部分公众观鸟数据并不包括遇到的全部物种,且很多仅记录物种的有无而并不涉及数量,这也给公众观鸟数据集的利用带来了障碍。因此,应当鼓励观鸟爱好者在记录平台上传观察到的全部鸟种,准确记录物种数量,促进公众观鸟数据在更广阔的领域为鸟类学研究和保护提供数据基础。

致谢：感谢中国观鸟记录中心、中国鸟类记录中心提供开放数据。感谢南京老山森林管理局工作人员对该实验野外调查工作的支持和帮助。