貝葉斯權(quán)重估計(jì)方法在兩棲動(dòng)物多樣性觀測(cè)中的應(yīng)用: 以四川省畫(huà)稿溪自然保護(hù)區(qū)為例

李 成，章文艷，熊 姍，王 燕，梁茜茜，江建平①，徐海根

(1.中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所，四川 成都 610041；2.生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇 南京 210042)

我國(guó)兩棲動(dòng)物的觀測(cè)工作已經(jīng)開(kāi)展多年，并取得了豐碩的成果[1-2]，但有些問(wèn)題讓人困惑：為什么觀測(cè)到的物種數(shù)總是低于調(diào)查報(bào)告中的物種數(shù)[3-9]？是什么原因?qū)е铝诉@一現(xiàn)象？對(duì)估計(jì)結(jié)果有什么影響？

調(diào)查(inventory)與觀測(cè)(monitoring)的目的和方法是有區(qū)別的，調(diào)查是指針對(duì)一個(gè)特定的區(qū)域(例如國(guó)家公園、保護(hù)區(qū))開(kāi)展研究，以確定該區(qū)域的物種多樣性。在下列3種情況下經(jīng)常采用調(diào)查的方法：(1)前期工作基礎(chǔ)薄弱的地區(qū)；(2)調(diào)查和研究關(guān)鍵物種的地理分布與生態(tài)需求，對(duì)不同的區(qū)域或生境展開(kāi)細(xì)致的調(diào)查；(3)隨著時(shí)間變遷，比較某個(gè)特定區(qū)域的物種分布(有或無(wú))和棲息地利用的變化。觀測(cè)是指研究一個(gè)或多個(gè)地點(diǎn)在一段較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)物種的組成和豐度(每個(gè)物種的個(gè)體數(shù)量)的變化情況[10]。

通常情況下，調(diào)查報(bào)告可以整合現(xiàn)有數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，即使這些數(shù)據(jù)是基于不同的調(diào)查方法得到的。例如在四川省天全縣喇叭河自然保護(hù)區(qū)調(diào)查發(fā)現(xiàn)20種兩棲爬行動(dòng)物[11]，結(jié)合早期的調(diào)查報(bào)告[12]，并經(jīng)查驗(yàn)中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所兩棲爬行動(dòng)物標(biāo)本，綜合分析有39種兩棲爬行動(dòng)物分布于喇叭河自然保護(hù)區(qū)[13]。而觀測(cè)報(bào)告不可以比較不同的觀測(cè)方法得到的數(shù)據(jù)，只能基于相同的方法、在相對(duì)固定的調(diào)查時(shí)間內(nèi)，比較針對(duì)特定區(qū)域的物種組成和豐度隨時(shí)間的變化[14-15]。由于調(diào)查報(bào)告的數(shù)據(jù)來(lái)源多樣，一個(gè)特定地區(qū)的調(diào)查報(bào)告中所列的物種多樣性明顯多于觀測(cè)報(bào)告中的物種多樣性。

但是，如果同一個(gè)地區(qū)的觀測(cè)報(bào)告與調(diào)查報(bào)告的物種多樣性相差較大，則觀測(cè)結(jié)果較難反映一個(gè)特定區(qū)域的物種多樣性變化。而進(jìn)一步計(jì)算多樣性指數(shù)來(lái)估計(jì)這種變化時(shí)，若取樣所得種數(shù)與實(shí)際總種數(shù)仍有相當(dāng)差異，則多樣性指數(shù)會(huì)逐次改變。因此，兩棲動(dòng)物觀測(cè)需關(guān)注2個(gè)方面：(1)觀測(cè)區(qū)域和物種的全面性；(2)估計(jì)方法的針對(duì)性。

就全面性而言，觀測(cè)的物種和地點(diǎn)是越多越好。然而，由于人力和經(jīng)費(fèi)的限制，一些地點(diǎn)不能到達(dá)，無(wú)法開(kāi)展觀測(cè)，存在取樣受限的問(wèn)題。因此，選擇合適的觀測(cè)方法，合理規(guī)劃觀測(cè)線路和地點(diǎn)，使觀測(cè)的物種多樣性接近真實(shí)的物種多樣性，是觀測(cè)工作中必須要解決的問(wèn)題。

就針對(duì)性而言，在一個(gè)多樣性很高的群落中，觀測(cè)的物種數(shù)目可能?chē)?yán)重低于真實(shí)的物種數(shù)目，因?yàn)榧词钩槿∠喈?dāng)大的樣本，稀有種也可能不在其中出現(xiàn)[16]。在樣地中的大多數(shù)物種都已被采集到之前，不宜計(jì)算多樣性指數(shù)。如何判斷是否已觀測(cè)到大多數(shù)物種，是估計(jì)工作中必須要解決的問(wèn)題。

筆者依據(jù)2014—2018年在四川省敘永縣畫(huà)稿溪自然保護(hù)區(qū)5 a的兩棲動(dòng)物觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用貝葉斯權(quán)重估計(jì)方法[17]估計(jì)了兩棲動(dòng)物多樣性；分析了保護(hù)區(qū)兩棲動(dòng)物物種數(shù)、個(gè)體數(shù)量和多樣性指數(shù)的年度和月度變化；討論了觀測(cè)工作和評(píng)估工作中需注意的問(wèn)題，提出了針對(duì)性的兩棲動(dòng)物保護(hù)建議。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

畫(huà)稿溪國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)位于四川省瀘州市敘永縣境內(nèi)(27.70°～28.52° N，105.05°～105.67° E)，總面積23 827 hm2，保護(hù)區(qū)海拔332～1 787 m，是四川盆地與云貴高原之間的過(guò)渡地帶。2003年被列為國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，以保護(hù)亞熱帶原始常綠闊葉林生態(tài)系統(tǒng)、第三紀(jì)孑遺物種——桫欏群落以及伴生的珍稀動(dòng)植物為主。

1.2 研究方法

1.2.1樣線法

兩棲動(dòng)物對(duì)環(huán)境梯度的適應(yīng)不一樣，特別是濕度梯度和海拔梯度；樣線法既可以用來(lái)調(diào)查生境中不同濕度梯度區(qū)域的物種多樣性，又可以調(diào)查不同海拔或不同生境類(lèi)型的物種多樣性[18]。在一些環(huán)境特征持續(xù)變化的區(qū)域中，對(duì)確定兩棲動(dòng)物物種多樣性和種群變化尤其有效。樣線法調(diào)查能有效地獲取物種數(shù)、相對(duì)多度和生境中不同梯度的物種密度，觀測(cè)一個(gè)區(qū)域中的季節(jié)性變化[15]，也可以比較不同海拔區(qū)間兩棲動(dòng)物群落的差異[3,19]。

然而，并不是在所有的棲息地內(nèi)都可以觀測(cè)到同樣有效的數(shù)據(jù)。因此，觀測(cè)人員在制訂觀測(cè)規(guī)劃時(shí)，必須參考已有的調(diào)查資料，了解觀測(cè)對(duì)象的生物學(xué)特征和分布，選擇合理而充足的樣線，盡量包含多樣化的棲息地。畫(huà)稿溪自然保護(hù)區(qū)面積小，緯度和經(jīng)度變化小，而海拔變化大。依據(jù)畫(huà)稿溪自然保護(hù)區(qū)的海拔和物種分布情況規(guī)劃了10條樣線，低海拔區(qū)域以畫(huà)稿溪保護(hù)站(28.276 44° N，105.538 09° E，417 m)為中心布設(shè)了6條樣線；高海拔區(qū)域以西溪保護(hù)站(28.223 50° N，105.581 64° E，1 089 m)為中心規(guī)劃了4條樣線。兩站之間多為深谷，極難布設(shè)樣線。樣線分布的海拔為331～1 077 m，涵蓋了保護(hù)區(qū)內(nèi)51.2%的海拔區(qū)間(表1)。2014—2018年，每年6、8、10月進(jìn)行觀測(cè)，每條樣線每月連續(xù)觀測(cè)3次。

表1 畫(huà)稿溪自然保護(hù)區(qū)10條兩棲動(dòng)物觀測(cè)樣線信息

1.2.2分析方法

1.2.2.1樣地內(nèi)物種總數(shù)的估計(jì)方法

估計(jì)樣地內(nèi)物種總數(shù)是計(jì)算多樣性指數(shù)的前提條件。常用的香農(nóng)-威納指數(shù)(Shannon-Wiener Index)和辛普森指數(shù)(Simpson Index)都是假設(shè)物種總數(shù)(S)是已知的。如果觀測(cè)的物種數(shù)不能包含樣地內(nèi)所有種，則多樣性指數(shù)計(jì)算誤差會(huì)隨著觀測(cè)物種占比的減少而增加。因此，應(yīng)用多樣性指數(shù)前，首先需要對(duì)樣地內(nèi)的物種總數(shù)進(jìn)行估計(jì)。

采用稀有物種估計(jì)(rare species estimation，RSE)軟件包(Version: 4.1.1)的貝葉斯權(quán)重估計(jì)方法估計(jì)樣地的物種總數(shù)及發(fā)現(xiàn)稀有種的概率[17]，軟件下載網(wǎng)址為https:∥github.com/ecomol/RSE。

貝葉斯權(quán)重估計(jì)法的具體公式如下：

(1)

1.2.2.2多樣性指數(shù)

經(jīng)貝葉斯權(quán)重估計(jì)方法判斷已觀測(cè)到樣地中的大多數(shù)物種后，采用物種預(yù)測(cè)和多樣性估計(jì)(species prediction and diversity estimation,SPADE)軟件包[21-22]計(jì)算年度和月度的香農(nóng)-威納指數(shù)和辛普森指數(shù)，軟件下載網(wǎng)址為https:∥chao.shinyapps.io/SpadeR/。采用雙因素方差(Two-way ANOVA)比較兩棲動(dòng)物的物種數(shù)、個(gè)體數(shù)量和多樣性指數(shù)在年度和月度上是否存在顯著性差異。

香農(nóng)-威納指數(shù)(H)計(jì)算公式為

(2)

辛普森指數(shù)(D)計(jì)算公式為

(3)

式(2)～(3)中，Pi為種i的個(gè)體在全部個(gè)體中的比例，如樣品總個(gè)體數(shù)為N,第i種個(gè)體數(shù)為ni,則Pi=ni/N。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩棲動(dòng)物物種總數(shù)估計(jì)結(jié)果

貝葉斯權(quán)重估計(jì)方法結(jié)果顯示，畫(huà)稿溪自然保護(hù)區(qū)的兩棲動(dòng)物物種總數(shù)為16種(表2)。

表2 畫(huà)稿溪自然保護(hù)區(qū)的兩棲動(dòng)物總數(shù)和稀有種估計(jì)結(jié)果

如果繼續(xù)開(kāi)展樣線法觀測(cè)，則在額外增加500或1 000個(gè)樣本數(shù)的情況下，未來(lái)發(fā)現(xiàn)新稀有種的概率相當(dāng)?shù)汀?/p>

2.2 兩棲動(dòng)物的種群動(dòng)態(tài)

2.2.1物種數(shù)和個(gè)體數(shù)的年度變化

在畫(huà)稿溪自然保護(hù)區(qū)，5 a累計(jì)觀測(cè)到兩棲動(dòng)物7科14屬16種(表3)，蛙科有7種，是優(yōu)勢(shì)科，無(wú)國(guó)家重點(diǎn)保護(hù)野生兩棲動(dòng)物。物種數(shù)在年度之間無(wú)差異，有3種(中華蟾蜍、華南湍蛙、棘腹蛙)的個(gè)體數(shù)量存在明顯的年度變化(P<0.05)。

2.2.2物種數(shù)和個(gè)體數(shù)的月度變化

物種數(shù)在月度之間存在顯著差異(P<0.05)，而4種兩棲動(dòng)物(棘指角蟾、大綠臭蛙、綠臭蛙、粗皮姬蛙)的個(gè)體數(shù)存在明顯的月度變化(P<0.05)；有10種物種個(gè)體數(shù)最高值出現(xiàn)在6月，有6種最高值出現(xiàn)在8月，很明顯這是兩棲動(dòng)物處于繁殖期和覓食期導(dǎo)致的；而在氣候條件惡劣的10月，兩棲動(dòng)物開(kāi)始進(jìn)入冬眠期，導(dǎo)致個(gè)體數(shù)較低(表4)。

2.2.3多樣性指數(shù)的年度和月度變化

畫(huà)稿溪自然保護(hù)區(qū)兩棲動(dòng)物群落多樣性指數(shù)計(jì)算結(jié)果(表5)顯示：香農(nóng)-威納指數(shù)在年度和月度之間無(wú)顯著性差異，但辛普森指數(shù)在年度和月度之間存在顯著性差異(P<0.05)。

表3 2014—2018年在畫(huà)稿溪自然保護(hù)區(qū)記錄的兩棲動(dòng)物種類(lèi)和數(shù)量

3 討論

3.1 觀測(cè)工作亟需制訂最低物種數(shù)量指標(biāo)

2011年，生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所啟動(dòng)了“兩棲類(lèi)示范觀測(cè)項(xiàng)目”，主要方法包括樣線法、樣方法、圍欄陷阱法、人工掩蔽物法和人工庇護(hù)所法等[1]。2011—2018年建立了159個(gè)觀測(cè)樣區(qū)，設(shè)置樣線2 076條、圍欄陷阱310個(gè)、樣方121個(gè)、人工掩蔽物45處和人工庇護(hù)所37處，初步形成了覆蓋全國(guó)的兩棲動(dòng)物多樣性觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)(China BON-Amphibian)[2]。2014—2018年，項(xiàng)目組對(duì)畫(huà)稿溪自然保護(hù)區(qū)的兩棲動(dòng)物開(kāi)展了長(zhǎng)期、定時(shí)、定點(diǎn)的系統(tǒng)觀測(cè)。

表4 畫(huà)稿溪自然保護(hù)區(qū)的兩棲動(dòng)物物種數(shù)和個(gè)體數(shù)的月變化

觀測(cè)結(jié)果顯示，目前畫(huà)稿溪自然保護(hù)區(qū)已觀測(cè)記錄16種兩棲動(dòng)物，經(jīng)貝葉斯權(quán)重估計(jì)方法預(yù)測(cè)兩棲動(dòng)物物種總數(shù)也為16種，實(shí)現(xiàn)了觀測(cè)物種的全覆蓋。對(duì)比7個(gè)觀測(cè)樣區(qū)的樣線數(shù)和物種數(shù)[3-9]，所有樣區(qū)均滿足了10條樣線數(shù)量的最低要求[1]，但觀測(cè)物種數(shù)占樣區(qū)物種總數(shù)的比例差異較大(表6)。為提高觀測(cè)工作質(zhì)量，需要綜合分析兩棲動(dòng)物的生物學(xué)特點(diǎn)和分布格局，科學(xué)規(guī)劃樣線的數(shù)量以及樣線分布的緯度、經(jīng)度、海拔。對(duì)于面積小的樣區(qū)，海拔是重要的影響因子，布設(shè)樣線時(shí)要重點(diǎn)考慮海拔梯度。而對(duì)于面積較大的樣區(qū)，樣線數(shù)量就要多一些，除海拔因素外，還要考慮南北區(qū)域(緯度)、東坡和西坡(經(jīng)度)的差異等因素，盡量覆蓋代表性的區(qū)域和物種。在制訂觀測(cè)目標(biāo)時(shí)，根據(jù)樣區(qū)的兩棲動(dòng)物多樣性，提出最低觀測(cè)物種數(shù)量的要求，以7個(gè)樣區(qū)的觀測(cè)結(jié)果[3-9]分析，單個(gè)樣區(qū)每年觀測(cè)物種數(shù)量占比達(dá)到該樣區(qū)物種總數(shù)的60%為宜。

表5 畫(huà)稿溪自然保護(hù)區(qū)兩棲動(dòng)物群落多樣性指數(shù)的變化

表6 7個(gè)樣區(qū)的樣線數(shù)和兩棲動(dòng)物物種數(shù)對(duì)比

3.2 評(píng)估工作亟需提高計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)的質(zhì)量

評(píng)估結(jié)果顯示，畫(huà)稿溪自然保護(hù)區(qū)兩棲動(dòng)物的物種數(shù)在年度之間無(wú)差異，在月度之間存在顯著差異，這與兩棲動(dòng)物鮮明的季節(jié)性活動(dòng)相關(guān)，說(shuō)明觀測(cè)工作需要兼顧兩棲動(dòng)物的繁殖期、覓食期和冬眠期的動(dòng)態(tài)變化，目前每年開(kāi)展3～4次觀測(cè)是合理的和必要的[1]。在實(shí)際觀測(cè)工作中，常用的觀測(cè)方法均是通過(guò)計(jì)數(shù)樣線上或樣方內(nèi)的物種和個(gè)體數(shù)量來(lái)研究?jī)蓷珓?dòng)物的種群動(dòng)態(tài)[1]。計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)廣泛應(yīng)用于兩棲動(dòng)物的生態(tài)學(xué)研究，但觀測(cè)概率的變化會(huì)導(dǎo)致計(jì)數(shù)的變化，從而使得評(píng)估結(jié)果掩蓋真實(shí)的種群動(dòng)態(tài)[24]。未來(lái)的評(píng)估工作中，建議通過(guò)改進(jìn)觀測(cè)技術(shù)和方法，如采用標(biāo)記重捕技術(shù)[25]以及貝葉斯權(quán)重估計(jì)方法[26]等，提高計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

3.3 保護(hù)工作需關(guān)注路殺的影響

兩棲動(dòng)物是脊椎動(dòng)物中受到路殺威脅最嚴(yán)重的一個(gè)類(lèi)群，路殺個(gè)體數(shù)量占所有脊椎動(dòng)物的65.6%[27]。在我國(guó)的王朗自然保護(hù)區(qū)，路殺對(duì)2種兩棲動(dòng)物造成了嚴(yán)重的負(fù)面影響[28]。畫(huà)稿溪自然保護(hù)區(qū)兩棲動(dòng)物觀測(cè)工作開(kāi)展5 a以來(lái)，區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了較多的道路建設(shè)和旅游活動(dòng)。2014年，10條樣線都是自然的河道或穿行于農(nóng)田、竹林間的泥土路；2015年，樣線3建成水泥路；2016年，樣線7、8、9、10建成水泥路；2017年，樣線2、5周邊新修了較大面積的建筑物；2018年，因占用河道修建停車(chē)場(chǎng)，樣線5的環(huán)境遭到破壞。這給當(dāng)?shù)貎蓷珓?dòng)物帶來(lái)較大的影響，2018年，畫(huà)稿溪自然保護(hù)區(qū)的兩棲動(dòng)物物種數(shù)和個(gè)體數(shù)均出現(xiàn)較明顯的下降。這是兩棲動(dòng)物向人類(lèi)發(fā)出的警訊，在國(guó)家大力推動(dòng)道路建設(shè)的同時(shí)，亟需加強(qiáng)路殺對(duì)兩棲動(dòng)物的影響研究，創(chuàng)新兩棲動(dòng)物保護(hù)措施。

致謝：本所楊韜同學(xué)采用SPADE軟件包，協(xié)助開(kāi)展多樣性指數(shù)的計(jì)算和分析工作，特此致謝。