相機陷阱法在潮間帶底棲蟹類群落生態(tài)學(xué)中的應(yīng)用研究

谷 宣,陳國貴,王文卿,王 瑁,*

1 廈門大學(xué)環(huán)境與生態(tài)學(xué)院 廈門大學(xué)濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室, 廈門 361102

2 臺灣海峽海洋生態(tài)系統(tǒng)國家野外觀測研究站, 廈門 361102

潮間帶作為海陸過渡帶,以顯著的功能多樣性和生境脆弱性著稱[1]。大型底棲動物群落研究是潮間帶生態(tài)學(xué)的重要內(nèi)容,然而由于缺乏有效的群落屬性監(jiān)測手段,目前仍面臨機制不清晰、數(shù)據(jù)缺口大的窘境[2—5]。過去幾十年里,我國主要參照《GB/T 12763.6—2007 海洋調(diào)查規(guī)范 第6部分 海洋生物調(diào)查》潮間帶生物調(diào)查部分的挖掘法對大型底棲動物進行監(jiān)測研究[6—7]。然而,對底棲蟹類等活動性較強的重要功能類群,往往因采樣框面積過小和挖掘過程干擾大而導(dǎo)致無法客觀反映實際狀況,且在紅樹林內(nèi)和米草等根系密集的生境操作困難[8—10]。除此之外,方蟹科蟹類研究中廣泛應(yīng)用的陷阱誘捕法選擇性較強(性別、體型和物種),而且采樣面積模糊導(dǎo)致難以計算密度[5, 10—11]。與挖掘法類似,手捕法(hand catch)會因過程中的持續(xù)干擾受限于蟹類的躲避行為和根系結(jié)構(gòu)阻擋,導(dǎo)致對種群密度的低估[12]。以上3種侵入性方法均無法準(zhǔn)確反映蟹類種群密度和物種多樣性,并因干擾強、耗時久和勞動密集被提倡減少使用[10, 12—13]。但已有的非侵入性方法同樣無法滿足研究需求,最具代表性的洞穴計數(shù)法因缺乏物種信息往往高估密度,而遠距離觀察法則因視線受阻而低估密度[13]。因此,能適用于潮間帶大型底棲動物群落研究的非侵入性方法亟待補充。

隨著技術(shù)的革新,相機陷阱法被不斷改進以解決監(jiān)測野生動物的難題,并因非侵入性的特點而被廣泛應(yīng)用于哺乳動物和鳥類等種群和群落研究[14—16]。但是,由于潮間帶環(huán)境的復(fù)雜性,諸如潮水周期性漲落和潮濕的鹽分環(huán)境,使得相關(guān)設(shè)備的長期布設(shè)和維護缺乏安全性,因此鮮有應(yīng)用。Kent率先嘗試在研究中使用近距離相機攝像調(diào)查蟹類,但缺乏合理設(shè)計且論證不足[17]。受此影響,Vermeiren通過在船上架設(shè)相機對紅樹林林緣及灘涂的蟹類群落進行無干擾的遠距監(jiān)測以規(guī)避設(shè)備損耗[12, 18]。然而遠距拍攝無法在精細(xì)尺度準(zhǔn)確測定密度,且對功能重要類群如相手蟹(Sesarma)等無法進行有效采樣和鑒定[12]。在精細(xì)尺度,近距離監(jiān)測的方式仍具顯著優(yōu)勢。因此,解決在潮間帶生境布設(shè)近距離相機陷阱的難題對相機陷阱調(diào)查法的應(yīng)用尤其重要。

據(jù)此,本研究設(shè)計了一種適用于潮間帶多種生境類型調(diào)查的便攜式相機陷阱,通過人工遠程控制拍照、設(shè)置自動延時攝影或者錄像的方式進行底棲實景的近距離原位傳感并記錄目標(biāo)生物信息(如蟹類物種、個體數(shù)、性狀)和環(huán)境信息(洞穴數(shù)、洞穴尺寸、土壤類型等)。本文對比分析了相機陷阱法與其他3種常用的侵入性方法(即挖掘法、陷阱誘捕法和手捕法)在蟹類群落研究(多度、個體大小、多樣性和功能性狀)中的性能差異,以驗證該法在潮間帶底棲蟹類研究中的可行性和優(yōu)越性。

1 材料與方法

1.1 實驗樣地

樣地位于海南省儋州市新英灣紅樹林濕地,主要紅樹植物為白骨壤(Avicenniamarina)和紅海欖(Rhizophorastylosa)。經(jīng)實地踏查該區(qū)域底棲蟹類種類豐富,長足長方蟹(Metaplaxlongipes)、褶痕相手蟹(Sesarmaplicata)、弧邊招潮(Ucaarcuata)、悅目大眼蟹(Macrophthalmuserato)、鋸眼泥蟹(Ilyoplaxserrata)和淡水泥蟹(Ilyoplaxtansuiensis)為常見種。潮汐類型為正規(guī)全日潮[19]。

1.2 便攜式相機陷阱裝置結(jié)構(gòu)及使用方法

本研究中裝置主體由可拆卸的PVC管和轉(zhuǎn)接頭組裝而成,底部樣方框面積為50 cm × 50 cm,具遙控和實時影像傳輸功能的相機(佳能M100,2420萬像素,15—45 mm微單鏡頭)固定于裝置中心的頂部中軸,鏡頭垂直于樣方框,距地面約90 cm(圖1)。相機像素及鏡頭選用不宜低于本研究中所用,且應(yīng)具有遙控功能以方便操作。該裝置高度選擇應(yīng)保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性且確保相機可包含底部采樣框,推薦高度為55—90 cm。

圖1 便攜式相機陷阱結(jié)構(gòu)示意圖

對目標(biāo)區(qū)進行采樣時,先設(shè)置相機縮放至圖像包含整個底部采樣框,將裝置平穩(wěn)放置于采樣區(qū)后撤離。研究表明多數(shù)底棲蟹類如沙蟹科(Ocypodidae)和方蟹科蟹類,在擾動終止后15 min內(nèi)恢復(fù)到原有活動水平[17, 20]。我們的研究呈現(xiàn)同樣的結(jié)果,為布設(shè)更多采樣點以提高效率并滿足調(diào)查需求,本文認(rèn)為15 min是一個較合理的單次采樣時間(圖2)。而且,部分蟹類存在洞內(nèi)休息和掘穴行為,單個時間點內(nèi)在底表活動的蟹類可能低于實際蟹類密度,選擇一定時間段內(nèi)的連續(xù)性觀察的方式更加有效[17]。因此放置裝置后以每分鐘拍照1—2次的頻率進行15 min連續(xù)遠程遙控拍攝。

1.3 相機陷阱法與3種傳統(tǒng)侵入性調(diào)查方法的對比研究

3個對比實驗均設(shè)置在傳統(tǒng)方法的最適用地區(qū)以排除地點的干擾。挖掘法會因植物根系阻礙而影響效率并增加干擾,因此將該方法與相機陷阱法的對比實驗設(shè)置在紅樹林外灘涂；手捕法因調(diào)查者的活動力會被沉積物和復(fù)雜的植被限制而降低效率,因此將該方法與相機陷阱法的對比實驗設(shè)置在紅樹林林緣(植被與灘涂交界處)；陷阱誘捕法不受植被干擾而依賴于地形,因此將該方法與相機陷阱法的對比實驗設(shè)置在底表呼吸根密集而地勢平緩的白骨壤林內(nèi)(圖3)。

圖2 施加擾動后恢復(fù)底表活動的蟹類數(shù)量隨時間的平均累積百分比

圖3 采樣點示意圖

對比實驗均先在各樣點進行相機陷阱法調(diào)查,而后原位進行其他方法操作。

挖掘法：依據(jù)《GB/T 12763.6—2007 海洋調(diào)查規(guī)范 第6部分 海洋生物調(diào)查》潮間帶生物調(diào)查部分,在紅樹林外灘涂設(shè)置相距至少30 m的5個大小為1 m2的樣方,在各樣方內(nèi)挖取深度為30 cm面積為1 m2的沉積物。由于蟹類等潮間帶生物分布非均勻型,對較小面積(25 cm × 25 cm)采樣將導(dǎo)致?lián)Q算單位面積密度時增加統(tǒng)計誤差,因此本研究中選用1 m2單位面積樣方。沉積物經(jīng)過1 mm孔徑篩網(wǎng)篩洗后,挑揀出所有的蟹類。

手捕法：在紅海欖林林緣(紅樹林林緣)設(shè)置相距至少30 m的5個2 m×2 m樣方。在樣方范圍內(nèi)對蟹類進行連續(xù)15 min的徒手抓捕取樣[12]。

陷阱誘捕法：在白骨壤林內(nèi)(紅樹林林內(nèi))設(shè)置相距30 m的5個2 m×2 m樣方。在樣方中心位置放置內(nèi)徑17 cm深度20 cm的PVC陷阱裝置[12]。陷阱裝置布置24 h,而后在低潮時回收陷阱并統(tǒng)計所獲蟹類。

以上采樣所獲蟹類樣品均被帶回實驗室進行保存、鑒定與測量。

1.4 圖像后期處理及數(shù)據(jù)分析

人工利用ImageJ軟件對圖片進行解譯,獲取蟹類群落物種和多度信息。物種數(shù)依單個樣方出現(xiàn)的全部物種計算；多度計算則依據(jù)連續(xù)觀察法,即對每個從蟹洞中出現(xiàn)并恢復(fù)活動的蟹類進行統(tǒng)計,并對第一次進入樣方的蟹類進行計數(shù),時間序列內(nèi)停留在樣方內(nèi)的個體可被標(biāo)記并僅計數(shù)一次。ImageJ的標(biāo)記功能用來避免重復(fù)計數(shù)。以照片中裝置底部樣方框長度為基準(zhǔn)設(shè)定比例尺測量蟹類頭胸甲寬,獲得群落功能性狀信息。

在樣地水平和總采樣區(qū)域水平,統(tǒng)計各方法獲取蟹類密度、物種數(shù),并計算蟹類群落基于多度的alpha多樣性和基于樣方-多度矩陣總方差Var(Y)的beta多樣性[21]。統(tǒng)計各方法所獲蟹類頭胸甲寬,依10 mm將蟹類分為小個體(頭胸甲寬 ≤ 10 mm)和較大個體(頭胸甲寬>10 mm)。以平均頭胸甲寬和總頭胸甲寬為例,計算基于性狀的功能多樣性。利用R軟件4.0.2版本進行數(shù)據(jù)分析,由于樣本量較小,因此運用置換檢驗(重復(fù)次數(shù)999,顯著性水平α=0.05)對比不同方法間蟹類密度、alpha多樣性和功能多樣性的差異,并檢驗相機陷阱法與傳統(tǒng)方法獲取蟹類個體大小的差異；運行adespatial包和vegan包進行群落多樣性分析,計算基于Bray-Curtis相異指數(shù)、Jaccard相異指數(shù)的beta多樣性和基于Jaccard相異指數(shù)的主坐標(biāo)分析(Principal coordinates analysis, PCoA),并利用相似性分析(Analysis of similarities, ANOSIM)檢驗beta多樣性矩陣間的差異顯著性(置換檢驗重復(fù)次數(shù)999,顯著性水平α=0.05)；運行FD包進行功能多樣性分析[22—26]。利用R軟件ggplot2包和OriginPro 2021軟件進行繪圖[27]。

2 結(jié)果與分析

圖4 相機陷阱法與挖掘法、手捕法和陷阱誘捕法采集蟹類密度對比

由圖4可知,置換檢驗結(jié)果顯示相機陷阱法獲取的蟹類密度與挖掘法、手捕法、陷阱誘捕法存在極顯著差異(P<0.01)。相機陷阱法單位面積識別蟹類的密度均值分別大于挖掘法、手捕法和陷阱誘捕法210.4%、1029.4%、1630.6%,說明相機陷阱法在調(diào)查蟹類密度時顯著高于3種傳統(tǒng)方法。

置換檢驗結(jié)果表明：在灘涂,相機陷阱法獲取較大個體或小個體蟹類的平均頭胸甲寬與采樣面積較大的挖掘法均無顯著差異(P>0.05),但小個體數(shù)量高于挖掘法；手捕法獲取個體大小范圍最窄、對相關(guān)性狀選擇作用最強；陷阱誘捕法傾向于獲取較大個體,對小個體則獲取缺失(圖5)。由于相機陷阱法采樣面積低于其他3種方法,且小個體數(shù)量高于其他方法,因此可證相機陷阱法彌補了其他方法對小個體的采樣缺陷；同時,相機陷阱法能對不同個體大小范圍(5—35 cm)的蟹類進行采樣,對物種性狀選擇性較弱,采樣更加全面。

圖5 各方法獲取蟹類頭胸甲寬對比

利用各采樣方法分別計算Shannon-Wiener多樣性指數(shù),置換檢驗結(jié)果顯示相機陷阱法與挖掘法和手捕法均無顯著差異(P> 0.05),但顯著高于陷阱誘捕法(P< 0.05)；在3組對照實驗中統(tǒng)計物種數(shù)發(fā)現(xiàn)相機陷阱法調(diào)查物種豐富度均高于其他3種方法(圖6)。同時,陷阱誘捕法傾向于獲取方蟹科蟹類,對沙蟹科采樣缺失；手捕法和挖掘法則低估相手蟹多度或?qū)ο嗍中凡蓸尤笔В欢鄼C陷阱法對沙蟹科和方蟹科物種均能有效采樣(表1)。

表1 各方法所獲蟹類種類對比

圖6 各方法獲取蟹類物種數(shù)及Shannon-Wiener指數(shù)對比

群落beta多樣性計算結(jié)果顯示：(1)在不同樣地內(nèi),相機陷阱法統(tǒng)計基于兩種相異指數(shù)(Bray-Curtis和Jaccard)的蟹類群落beta多樣性指數(shù)Var(Y)與3種侵入性方法相近；ANOSIM分析兩種相異指數(shù)(Bray-Curtis和Jaccard)的距離矩陣結(jié)果表明相機陷阱法與挖掘法和陷阱誘捕法均無顯著差異(P> 0.05),但與手抓法存在顯著差異(P< 0.05,R=0.338),這是由于手捕法對物種和個體大小選擇較強,可能高估樣地內(nèi)的差異性(圖7)。(2)對整個采樣地點(3處樣地合并)來說,將3種侵入性方法結(jié)果整合與所有相機陷阱法結(jié)果進行對比,由于采樣面積差異,因此僅計算基于物種存在/不存在(presence/absence)矩陣的Jaccard相異指數(shù),ANOSIM檢驗PCoA結(jié)果顯示相機陷阱法的Jaccard相異指數(shù)與多種侵入性方法共同應(yīng)用的結(jié)果無顯著差異(P> 0.05)；說明相機陷阱法可以勝任潮間帶尺度的調(diào)查,且對beta多樣性的度量與多種傳統(tǒng)侵入性方法的聯(lián)合方法無異(圖7)。

圖7 各方法的蟹類群落beta多樣性對比

統(tǒng)計全部個體頭胸甲數(shù)據(jù)并分物種計算平均頭胸甲寬和最大頭胸甲寬。根據(jù)這2種性狀計算群落功能多樣性指數(shù)：功能離散度(functional dispersion,FDis)和Rao二次熵(Rao quadratic entropy)。置換檢驗結(jié)果顯示相機陷阱法計算蟹類群落功能離散度和Rao二次熵指數(shù)與其他方法均無顯著差異(P> 0.05)(圖8)。

圖8 各方法的蟹類群落功能多樣性對比

3 討論

對多度和多樣性等基礎(chǔ)群落屬性的有效觀測是群落生態(tài)學(xué)研究的根本環(huán)節(jié)[28—29],然而濱海生境(如潮間帶)中生物群落屬性的獲取仍面臨挑戰(zhàn)。過去應(yīng)用的侵入性方法因破壞生境、傷害動物而不再被提倡,無損觀察且不采集個體的非侵入性調(diào)查技術(shù)符合未來的研究需求[29]。相機陷阱調(diào)查法在陸地動物研究中應(yīng)用廣泛,作為一種非侵入性的方法在相對多度、種群密度等參數(shù)估計方面表現(xiàn)優(yōu)異,是一項克服野外監(jiān)測難題的成熟技術(shù)[30—31]。運用相機陷阱調(diào)查法有望填補潮間帶大型底棲動物群落生態(tài)學(xué)研究中因缺乏合理調(diào)查手段而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)缺口,而本研究中的便攜式設(shè)計使之成為現(xiàn)實。

本研究以紅樹林蟹類為實驗對象,設(shè)置了3組原位對照實驗,結(jié)果顯示相機陷阱調(diào)查法在潮間帶生態(tài)群落屬性監(jiān)測中較傳統(tǒng)方法具顯著優(yōu)越性(表2)。包括以下幾點：

表2 各方法優(yōu)勢對比

1)相機陷阱法能更準(zhǔn)確監(jiān)測潮間帶蟹類群落的物種組成和群落結(jié)構(gòu)。物種豐富度、多度和種群密度是生態(tài)群落的基本屬性,也是反映群落結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)[28—29]。結(jié)合摸底式踏查結(jié)果,表明相機陷阱法對實驗樣地內(nèi)蟹類常見種均能有效監(jiān)測。與傳統(tǒng)方法對比,相機陷阱法獲取蟹類物種數(shù)更豐富。同時,單位面積內(nèi)相機陷阱獲取蟹類密度顯著高于其他3種傳統(tǒng)方法,更接近實際情況。個體大小是影響群落結(jié)構(gòu)與功能的重要性狀,對個體大小選擇性弱的方法有助于真實反映群落結(jié)構(gòu)與功能[32]。相機陷阱法對個體大小采樣全面,無個體大小選擇性,優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

2)相機陷阱法度量群落beta多樣性和功能多樣性更準(zhǔn)確有效。群落beta多樣性是計算時空尺度上物種組成和功能性狀變化的重要指標(biāo),對beta多樣性的準(zhǔn)確度量有助于理解生物群落的時空格局及其生態(tài)過程[33—34]。而基于性狀(trait-based)的功能多樣性是生態(tài)系統(tǒng)過程、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)以及生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)環(huán)境變化的關(guān)鍵驅(qū)動力[24]。本研究中,相機陷阱法所獲蟹類的群落beta多樣性整體不弱于其他3種方法。計算群落功能多樣性時,相機陷阱法相比傳統(tǒng)方法也表現(xiàn)出同樣的性能。而結(jié)合物種豐富度結(jié)果可知,傳統(tǒng)方法因獲取物種更少且對物種性狀選擇性更強,大大增加了取樣的隨機偏差,可能誤導(dǎo)對重要生態(tài)過程的理解。另外,相機陷阱法實際所獲照片中可提取比本研究中更豐富的性狀信息參數(shù)(包括尺寸、體色、螯長和性別等),有助于beta多樣性和功能多樣性的準(zhǔn)確度量。

3)相機陷阱法具有更廣的生境適用性。在不同生境類型(密林相、沙相、泥相等)中相機陷阱法均能有效對蟹類進行原位密度監(jiān)測,彌補了其他侵入性方法受生境限制的缺陷。

4)相機陷阱法在潮間帶蟹類群落研究中具有高效性。傳統(tǒng)侵入性方法耗時久、工作量大,如挖掘法需要數(shù)人協(xié)助完成,而陷阱誘捕法則需要數(shù)天實驗周期。相比之下,相機陷阱法耗時少且可單人操作多部設(shè)備,實際應(yīng)用更靈活高效,節(jié)約了人力物力。

5)相機陷阱法有利于全面采樣。由于對沉積物結(jié)構(gòu)干擾小、裝置輕便、可遷移性強,通過單次布設(shè)多部裝置能夠短期收集多點位數(shù)據(jù),以減少由于采樣地點選擇不均勻而造成的誤差。相機陷阱法結(jié)合遙控裝置傳輸?shù)腉PS定位可以快速形成研究區(qū)域的蟹類群落屬性分布格局。因此,對空間信息要求較高的生物地理學(xué)和群落生態(tài)學(xué)研究有重要意義[35—36]。

6)相機陷阱法獲取數(shù)據(jù)多元化。相機陷阱法除準(zhǔn)確記錄蟹類群落屬性(包括物種豐富度、多度、物種多樣性、性狀多樣性和beta多樣性等)外,還能同時監(jiān)測生境特征,如洞穴尺寸、洞穴數(shù)量、底質(zhì)類型、林內(nèi)透光度和植被特征等。

綜上所述,相機陷阱法能有效獲取生態(tài)群落屬性,且優(yōu)于傳統(tǒng)方法。然而,在潮間帶實際研究中相機陷阱法仍存在一定局限性。例如由于目前相機分辨率有限,頭胸甲寬低于5 mm的蟹類難以有效識別,對泥蟹(Ilyoplax)、股窗蟹(Scopimera)等體型較小蟹類采樣能力相對較弱,如果提升相機分辨率則可以克服該問題。同時,該方法依賴于蟹類的底表活動性,并不適用于缺乏底表活動性的游泳型蟹類及缺乏白天活動性的夜行性蟹類的調(diào)查,且由于蟹類冬天普遍缺乏底表活動性,因此也不適用于冬季調(diào)查。相機陷阱法兼具非侵入性方法的優(yōu)點,但為滿足不同細(xì)節(jié)的實驗需求,與侵入性方法的結(jié)合應(yīng)用仍具有必要性。

隨著圖像識別、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)的發(fā)展,相機陷阱采集的影像信息將被充分挖掘[37—38]。以相機陷阱在蟹類研究中的嘗試和運用作為開端,更多具底表活動性和可識別性狀的大型底棲動物如灘棲軟體動物、彈涂魚等也能應(yīng)用相機陷阱法進行調(diào)查與研究。為加深對大型底棲動物群落的理解,未來相機陷阱法在潮間帶將有更多的用武之地。

4 結(jié)論

本研究設(shè)計了適用于潮間帶環(huán)境的相機陷阱法,應(yīng)用該調(diào)查方法能夠滿足潮間帶底棲蟹類群落生態(tài)學(xué)研究需求,并提供可靠的生態(tài)群落屬性數(shù)據(jù)。同時,相較于傳統(tǒng)方法具有低干擾、高效率、高精度的特點,在節(jié)約人力物力的同時可增設(shè)采樣點位以得到更可靠的結(jié)果,也因此可用于長期野外監(jiān)測項目。而且,未來與基于深度學(xué)習(xí)的圖像識別技術(shù)的結(jié)合將充分發(fā)揮該方法的優(yōu)勢。但該方法仍處于發(fā)展階段且存在一定局限性,以該方法為基礎(chǔ)的一切合理改造都被本文作者和相關(guān)設(shè)計者認(rèn)可。