紅外相機監(jiān)測方法在陜西長青國家級自然保護區(qū)的應(yīng)用

王玉玢 王 軍

(陜西長青國家級自然保護區(qū)管理局，洋縣，723300)

調(diào)查、監(jiān)測和準確掌握野生動物種類及其局部地區(qū)的動態(tài)變化，既是自然保護區(qū)的主要工作內(nèi)容之一，也是制定野外巡護工作方案的基礎(chǔ)。某些野生動物的生活習性如夜行性、警覺性和隱蔽性大大增加了傳統(tǒng)調(diào)查的難度。而紅外相機監(jiān)測具有全天候不間斷、非損傷性和較少受環(huán)境條件和研究人員的限制，因此具有自然優(yōu)勢[1]。國外紅外相機技術(shù)的應(yīng)用具有較長的歷史，研究內(nèi)容包括種群監(jiān)測、資源調(diào)查、生態(tài)及保護等領(lǐng)域[2-6]。國內(nèi)研究雖然起步較晚，研究內(nèi)容也涉及活動模式、生物多樣性、特定物種記錄和監(jiān)測應(yīng)用等方面[7-12]。雖然自2008年開始，長青自然保護區(qū)利用紅外相機對林麝(Moschusberezovskii)[13]、金貓(Catopumatemminckii)[14]的分布和及動物分布受道路的影響進行了初步研究[15]，但是關(guān)于保護區(qū)內(nèi)紅外相機監(jiān)測的其他物種的數(shù)據(jù)缺乏報導。本文利用陜西長青國家級保護區(qū)核心區(qū)大熊貓(Ailuropodamelanoleuca)及其伴生物種的監(jiān)測數(shù)據(jù)探討其在野生動物研究中的管理和應(yīng)用。

1 研究地區(qū)概況

陜西長青國家級自然保護區(qū)位于秦嶺山脈中段南坡的洋縣境內(nèi)，地理坐標107°19′—107°55′E，33°17′—33°44′N，是1995年經(jīng)國務(wù)院批準建立的以保護大熊貓及其棲息地為主要保護對象的森林與野生動物類型的自然保護區(qū)，管護面積約29 906 hm2[16]，是中國大熊貓分布最密集的地區(qū)之一[17]?？偰繕耸怯谰眯缘乇Ｗo和維持該區(qū)域整體生物多樣性，特別是維持能在特殊環(huán)境中生存的大熊貓種群，并恢復遭到破壞的生態(tài)系統(tǒng)。地貌類型可分為山嶺系統(tǒng)和溝谷系統(tǒng)，海拔800—3 071 m。氣候?qū)俦眮啛釒駶櫦撅L氣候，由于受地形、植被等的影響，區(qū)內(nèi)氣候呈現(xiàn)出溫度較低、溫差較小、冬暖夏涼、溫涼濕潤的特點，年平均氣溫為9.6 ℃，極端最高氣溫38.7 ℃，極端最低氣溫-10 ℃。土壤以棕壤為主，區(qū)內(nèi)有野生脊椎動物311種，其中獸類63種，最具代表性的有大熊貓、川金絲猴(Rhinopithecusroxellana)、秦嶺羚牛(Budorcasbedfordi)和林麝等[16]。本次項目選擇在長青保護區(qū)華陽區(qū)域的核心區(qū)，面積8 736 hm2，海拔1 435—3 071 m。河流水系位置地處長江流域。酉水河發(fā)源于保護區(qū)北界興隆嶺活人坪南坡西水谷，由北向南匯入漢江，屬漢江水系一級支流的上源支流。植被類型復雜，在海拔2 300 m以上中高山地區(qū)主要是寒溫性針葉林，海拔2 300 m以下的中低山區(qū)主要由闊葉林組成，其中夾雜有部分針葉林和針闊混交林[16]。

2 研究方法

2.1 監(jiān)測樣點的選擇與紅外相機的布設(shè)2.1.1 監(jiān)測樣點的選擇

利用GIS軟件按照500 m×500 m規(guī)格把保護區(qū)進行網(wǎng)格化后(圖1)，利用14臺紅外相機，根據(jù)大熊貓分布、活動季節(jié)遷徙規(guī)律，每個月在大熊貓分布、活動主要區(qū)域隨機選擇14個監(jiān)測樣區(qū)，并在每個樣區(qū)中布設(shè)1臺紅外相機；相鄰調(diào)查網(wǎng)格中的紅外相機間距不小于500 m以保證同一周期14個調(diào)查點上數(shù)據(jù)空間的相對獨立性，紅外相機設(shè)置在野生動物活動頻繁的獸道旁，用繩索固定在樹干上，距離地面50—110 cm，在相機鏡頭前方3 m處樹干、石頭等處涂抹嗅味劑，以誘惑、捕捉拍攝經(jīng)過附近的野生動物；以一個月為一個調(diào)查周期，收回一次相機，并下載數(shù)據(jù)、充電、調(diào)試，再次野外投放，共監(jiān)測10個周期，用時10個月(2008年3—12月)。布設(shè)相機時詳細記錄監(jiān)測點衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)(經(jīng)緯度、海拔等)，相機編號與內(nèi)存卡編號，生境信息(樣點地名、林分、標志等)。共布設(shè)紅外相機140臺次，獲取有效位點132個，監(jiān)測了88個樣區(qū)。其中32個樣區(qū)大熊貓活動較為密集，在樣區(qū)內(nèi)小范圍調(diào)整紅外相機位置進行重復監(jiān)測(27個樣區(qū)重復監(jiān)測2個周期，5個樣區(qū)重復監(jiān)測3個周期，其余56個樣區(qū)監(jiān)測一個周期)。

圖1 陜西長青國家級自然保護區(qū)華陽保護站紅外相機布設(shè)位點Fig.1 Location of infra-red cameras set in Huayang protection station of Changqing Nature Reserve

2.1.2 相機型號和參數(shù)設(shè)置

選用美國產(chǎn)CamTrakkerTMDigital Ranger被動式紅外觸發(fā)相機，該相機可以探測前方扇形區(qū)域10 m內(nèi)紅外熱量的瞬間變化；被觸發(fā)后拍攝數(shù)碼照片，并可在夜晚、晨昏等外界光線不足時開啟自動補光模式；紅外相機設(shè)置為全天24 h連續(xù)工作，拍攝模式選擇P檔，自動對焦；每拍攝一張照片后休眠20 s以避免在相機前方持續(xù)活動的動物會連續(xù)不間斷觸發(fā)相機拍照，時間設(shè)置為北京時間。

2.1.3 樣點與相機編號

樣點編號規(guī)則是：L-保護區(qū)字母縮寫(大寫)年份(2位)-樣方序號(3位數(shù)字)。例如，在長青自然保護區(qū)2008年的98號樣方內(nèi)的布設(shè)位點編號就是L-CQ08-098。布設(shè)位點坐標需要通過GPS 接收機獲得經(jīng)緯度坐標，采用的格式為“xxx.xxxxx °”。

調(diào)查中使用的每臺相機都有一個唯一采用的編號，一臺相機使用一張野外記錄表。在野外記錄、相機布設(shè)、相機回收、存儲卡下載、照片文件夾編號的過程中，此編號必須與相機編號嚴格對應(yīng)，防止混亂。

2.2 資料(照片)的收集與選取

資料數(shù)據(jù)包括人工采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)和相機現(xiàn)場數(shù)據(jù)。人工采集的數(shù)據(jù)主要包括經(jīng)緯度、海拔、林分、坡位、坡度、坡向、蓋度、郁閉度、痕跡等；相機數(shù)據(jù)主要包括拍照時間、照片內(nèi)容等。

按照準確、完整、一致的原則進行數(shù)據(jù)資料的選取和采集，采集野外數(shù)據(jù)時準確或接近準確地判讀現(xiàn)場情況，嚴格按照數(shù)據(jù)表各項要求，逐一填寫，避免出現(xiàn)漏項現(xiàn)象，且不同采集人員或不同采集時間采集的數(shù)據(jù)格式要一致。

2.2.1 人工數(shù)據(jù)采集

人工采集的數(shù)據(jù)主要包括經(jīng)緯度、海拔、林分、坡位、坡度、坡向、蓋度、郁閉度、痕跡等；每個數(shù)據(jù)采集組固定1名數(shù)據(jù)測定人員，以盡可能降低因人而異導致的數(shù)據(jù)偏差；數(shù)據(jù)采集、填表后，再仔細檢查和訂正，及時補充缺項漏項、修改筆誤和現(xiàn)場誤判。

2.2.2 相機數(shù)據(jù)采集

(1)照片編號

對每張照片進行唯一性編號，采用：位點號+該位點相機連續(xù)投放次數(shù)+照片數(shù)字編號的方法。如L-HY09-097-03-099，這就是一張L-HY09-097位點連續(xù)第三次投放相機的第99張照片。

(2)照片內(nèi)容的判讀

照片的內(nèi)容歸納為：獸類、鳥類、工作人員、其他人員、空和其他，其他人員是指項目協(xié)作單位人員、旅游人員等非保護區(qū)工作人員，其他指不清晰、無法辨認的照片。對于大多數(shù)照片是很容易確定其中的內(nèi)容，找到目標動物、人物，某些情況下，如相機放置不當，會取得一些空照片或目標距離很遠，這就要求數(shù)據(jù)管理員認真細致的仔細辨認。

(3)數(shù)據(jù)收錄

每間隔30 d調(diào)查、采集1次數(shù)據(jù)，采集回的數(shù)據(jù)信息及時、準確錄入設(shè)計好的數(shù)據(jù)庫中。

2.3 數(shù)據(jù)整理分析2.3.1 指標選擇及其計算方法

(1)物種豐富度 是指特定范圍中物種的數(shù)量。相機陷阱調(diào)查過程中，隨時間的延續(xù)會拍攝到新物種，即會形成隨時間變化的物種增長曲線，本研究以100個工作日為單位，統(tǒng)計物種豐富度。

(2)物種相對豐度指數(shù)(relative abundance index，RAI) 相機陷阱拍攝的動物照片大多不能進行個體識別，為評價、比較不同物種之間或同一物種在不同生境中的相對豐度，使用相機陷阱對各個物種的拍攝率作為物種相對豐度指數(shù)，本研究把每1 000個相機工作日拍攝到的某物種次數(shù)作為此物種的相對豐度指數(shù)(RAI)，計算公式為：

RAI=拍攝次數(shù)×1 000/總的相機工作日[11]

對于一臺相機，如果在1 h內(nèi)拍到多張同一物種單個個體照片，則只算一次拍攝；如果某張照片中出現(xiàn)n個個體，即拍攝次數(shù)為n次。

(3)動物活動強度指數(shù) 反映某一動物在某一時段的活動量，計算公式為：

活動強度指數(shù)(I)=該時段照片數(shù)/該動物的總照片數(shù)×100%[11]

(4)是指某一物種的拍攝頻率，用以反映某一物種的活動強度指數(shù)，計算公式為：

拍攝率(%)=物種有效照片數(shù)/相機有效工作日×100[12，18]

2.3.2 數(shù)據(jù)整理與分析

以1 h為單位統(tǒng)計各個物種的拍攝次數(shù)、統(tǒng)計紅外觸發(fā)相機有效工作日。把各個位點獲得的照片監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總后和位點生境信息表結(jié)合起來，利用GIS、Excel等軟件進行數(shù)據(jù)整理與分析。

2.3.3 通過監(jiān)測所獲得的數(shù)據(jù)

經(jīng)過為期近10個月的監(jiān)測工作開展，截止12月31日我們野外實際共布設(shè)紅外相機140臺次，累計獲得照片4 618張，累計有效工作日4 307 d，其中有效野生動物照片2 235張，大熊貓照片151張，拍攝到了金錢豹、金貓、豹貓(Prionailurusbengalensis)等野生動物，發(fā)現(xiàn)保護區(qū)內(nèi)有鷹雕(Nisaetusnipalensis)活動，為保護區(qū)鳥類新紀錄。初步建立了相機監(jiān)測工作數(shù)據(jù)庫和野生動物圖片資料庫。通過該項目的開展，保護區(qū)積累了豐富而詳實的資料與數(shù)據(jù)，更新了保護區(qū)動物名錄，提升了野外巡護監(jiān)測技術(shù)工作人員的能力，健全和完善了巡護監(jiān)測工作體系，提高了保護區(qū)整體巡護監(jiān)測工作水平。

3 結(jié)果與分析

3.1 長青自然保護區(qū)紅外觸發(fā)相機監(jiān)測到的野生動物種類

本研究監(jiān)測結(jié)果為，紅外相機在長青保護區(qū)記錄到主要動物有25種，其中獸類4目11科18種，鳥類3目4科7種(表1)。

表1 長青自然保護區(qū)2008年紅外觸發(fā)相機監(jiān)測記錄獸類和鳥類名錄Tab.1 List of mammals and birds recorded from infra-red cameras in Changqing Nature Reserve in 2008

3.2 主要哺乳動物的分布

把位點信息與該位點獲取的照片信息用Excel相結(jié)合，給每一張照片附上地理信息，用GIS軟件進行野生動物地理空間分析得出長青保護區(qū)主要大型獸類分布。

由圖2—7可看出，記錄動物在核心區(qū)并非均勻分布，而是呈團塊狀分布，主要分布地位于柏楊坪以下以及杉樹坪、大坪區(qū)域周圍。不同物種的分布區(qū)域部分重疊且隨季節(jié)變化而變化。大熊貓3—5月主要分布在杉樹坪、水洞溝(山王廟哨所)、杉樹坪與水洞溝的夾梁山脊、海拔1 100—1 500 m的針闊混交林；6—7月主要分布在柏楊坪附近的河道和山脊、海拔1 500—1 900 m的針闊混交林；8—12月主要分布在樺樹坪、爛店子梁、酉水河發(fā)源地等區(qū)域，海拔2 100—2 800 m的針闊混交林(圖2)。川金絲猴5—9月主要分布在柏楊坪的蔡家灣區(qū)和小坪區(qū)域，海拔1 300—1 800 m的針闊混交林(圖3)。秦嶺羚牛分布較廣，監(jiān)測區(qū)域的140個點位中有102個點位拍攝到羚牛的活動，主要活動在不同海拔1 200—2 900 m高度的山脊、溝谷、河道等較為開闊之處(圖4)。黑熊(Ursusthibetanus)的活動分布海拔較高，在8—12月主要分布在海拔2 100—2 900 m的樺樹坪、活人坪、爛店子梁一帶向陽坡面、溝谷平地和山脊地帶(圖5)。其他的鼬科(Mustelidae)、貓科(Felidae)主要分布在山王廟、柏楊坪一帶，海拔1 200—1 800 m之間的山脊處(圖6)。鼬科主要有青鼬(Martesflavigula)、豬獾(Arctonyxcollaris)等，靈貓科物種主要有花面貍(Pagumalarvata)；其他有蹄類主要活動在山王廟、柏楊坪和樺樹坪一帶，海拔1 200—1 800 m之間河道附近的針闊混交林(圖7)。

圖2 大熊貓分布圖Fig.2 Distribution of giant panda

圖3 川金絲猴分布圖Fig.3 Distribution of golden snub-nosed monkey

圖4 秦嶺羚牛分布圖Fig.4 Distribution of Qinling takin

圖5 黑熊分布圖Fig.5 Distribution of Asiatic black bear

圖6 鼬科、貓科動物分布圖Fig.6 Distribution of Mustelidae and Felidae species

3.3 不同海拔梯度物種的相對豐度

動物在不同海拔的豐富度指數(shù)變化反映了其在不同海拔的活動或分布情況，豐富度指數(shù)越高的區(qū)域動物在該區(qū)域活動或分布的數(shù)量就越多。由表2看出，除川金絲猴在海拔2 600 m以上、豬獾在海拔2 300—2 600 m空間沒有分布或沒有拍攝到外，其他8種主要物種在不同海拔都有分布，不同物種的主要活動海拔范圍為：川金絲猴：1 700—2 000 m；大熊貓：1 400—2 300 m；黑熊：2 000 m以上；豹貓：2 000 m以下主要在1 400—1 700 m之間；豬獾、中華鬣羚(Capricornismilneedwardsii)：1 400—1 700 m；秦嶺羚牛、中華斑羚(Naemorhedusgriseus)：2 000 m以上；野豬(Susscrofa)：1 400—2 300 m。中華斑羚、秦嶺羚牛、黑熊等主要活動區(qū)域較高，大熊貓、豹貓、豬獾、野豬、中華鬣羚等活動區(qū)域較低。不同物種主要活動海拔空間的差異，除與不同動物生物學特性有關(guān)外，可能還與不同海拔高度動物食料—植物的分布等相關(guān)。

要比較不同生境或不同海拔段的各物種相對豐度，那就需要分別統(tǒng)計不同生境或不同海拔段的拍攝次數(shù)和相機總工作日(表2，圖8)。

圖8 記錄哺乳動物的相對豐富度指數(shù)Fig.8 Relative abundance index of recorded mammals

表2 部分哺乳動物在不同海拔的相對豐富度指數(shù)(RAI)Tab.2 Relative abundance index(RAI)for some mammals at different altitudes

3.4 部分哺乳動物的日活動強度變化

如表3、圖9所示，大熊貓在每日6：00—8：00、12：00—14：00、16：00—18：00有活動高峰，說明大熊貓凌晨和中午以后存在兩個活動高峰，也是它們的主要進食時間；秦嶺羚牛每天的覓食高峰集中在每日14：00—18：00；豪豬(Hystrixbrachyura)為典型的夜行性哺乳動物，其活動高峰期(18：00—次日7：00)完全可以證明這一點。

表3 紅外相機獲取秦嶺羚牛、大熊貓、豪豬照片數(shù)量和拍攝率Tab.3 Shooting percentage and photo number of Qinling takin，giant panda and hedgehog from infra-red camera

圖9 秦嶺羚牛、大熊貓、豪豬的日活動強度指數(shù)Fig.9 Daily activity intensity of Qinling takin，giant panda and hedgehog

4 討論

4.1 監(jiān)測方法與結(jié)果

(1)雖然紅外相機野外技術(shù)在國內(nèi)外野生動物調(diào)查與監(jiān)測中得到了廣泛應(yīng)用[1-6]，但是這種方法依然存在諸多問題與限制。一般情況下布設(shè)的紅外相機數(shù)量都在數(shù)十臺至上百臺，忽略了抽樣方案的有效性和科學性[19]，因而可能造成抽樣數(shù)據(jù)的重復和較高的監(jiān)測成本。本研究利用較少的紅外相機和流動的監(jiān)測方式獲得了大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，不僅提高了監(jiān)測效率，降低了監(jiān)測成本，而且為進一步探討調(diào)查抽樣的有效性提供了野外實例參考。

(2)與文獻記錄[17]相比，本次調(diào)查記錄到了文獻報導的全部7種偶蹄目(Artiodactyla)獸類(表1)，但食肉目(Carnivora)僅記錄到8種，缺少了犬科(Canidae)的豺(Cuonalpinus)、赤狐(Vulpesvulpes)；鼬科的黃鼬(Mustelasibirica)、黃腹鼬(Mustelakathiah)、鼬獾(Melogalemoschata)和水獺(Lutralutra)；靈貓科的大靈貓(Viverrazibetha)以及貓科的虎(Pantheratigris)。根據(jù)保護區(qū)1997—2007年積累的巡護監(jiān)測數(shù)據(jù)和周邊村民訪談僅確認鼬獾(Melogalemoschata)在低海拔有分布，其余種類在過去的10年間沒有確鑿的分布證據(jù)[18]。歷史記錄的6種雞形目(Galliformes)種類中，本次調(diào)查記錄到4種，因為灰胸竹雞(Bambusicolathoracicus)和環(huán)頸雉(Phasianuscolchicus)主要分布在保護區(qū)以外的低海拔地區(qū)。

(3)紅外相機監(jiān)測不適用于嚙齒目(Rodentia)、猬形目(Erinaceomorpha)、鼩形目(Soricomorpha)和翼手目(Chiroptera)等小型哺乳動物。

4.2 監(jiān)測工作的不足

(1)受設(shè)備數(shù)量和人員工作量的限制，不能在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)全面同時開展調(diào)查，個別物種具有季節(jié)性垂直遷移現(xiàn)象，因而調(diào)查結(jié)果不夠全面。

(2)紅外相機在野生動物監(jiān)測與研究中存在“空拍”缺陷，且較為普遍。光線、水流和植被干擾是引起相機空拍的主要原因。在我們10個月取得的4 618張照片中有1 895張記錄為空，占照片總數(shù)的41%。本研究空拍率低于陜西觀音山國家級自然保護區(qū)2014年1—6月的監(jiān)測研究(82.31%)[20]，且所用相機為空拍率較高的被動式紅外感應(yīng)相機，說明長青保護區(qū)的物種相對豐度較高。

通過比較分析提出如下建議：設(shè)置相機時應(yīng)優(yōu)先選擇開闊區(qū)域，同時清除鏡頭前的雜物；鏡頭的方向要與林下動物通道保持一致，從而延長野生動物通過的時間；避免陽光直接照射、樹葉的影子投射、觸發(fā)區(qū)正對石頭等傳熱性能較高的物體[21]。

4.3 為保護管理提供指導依據(jù)

陜西長青保護區(qū)的核心區(qū)是我國大熊貓分布密度最大的地區(qū)[22]，也是大熊貓秦嶺亞種(A.m.qinlin-gensis)的主要分布區(qū)之一[23]，因此監(jiān)測結(jié)果對于這一瀕危物種的保護具有重要意義。此外調(diào)查區(qū)內(nèi)既有處于食物鏈頂端的食肉動物如金錢豹、金貓、豹貓，也有黑熊、野豬、青鼬、花面貍、豬獾等雜食動物，還有秦嶺羚牛、毛冠鹿(Elaphoduscephalophus)、中華斑羚、小麂(Muntiacusreevesi)等食草動物。說明該區(qū)域內(nèi)物種組成的食物鏈及其生態(tài)系統(tǒng)比較完整，生物多樣性豐富且極具保護價值。因此需要進一步擴大監(jiān)測力度，增加相機數(shù)量和監(jiān)測時間，充分掌握物種動態(tài)，為采取有效保護措施提供科學依據(jù)。

致謝：感謝北京大學生命科學院王大軍博士、李晟博士，陜西師范大學生命科學學院于曉平教授科學指導；山水自然保護中心的資金、設(shè)備支持；特別感謝長青保護區(qū)所有外業(yè)工作人員付出的艱辛努力。