野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀與技術(shù)方法的應(yīng)用研究

李曉艷

寧夏固原市六盤山林業(yè)局，寧夏固原 756000

野生動(dòng)物是大自然生態(tài)圈不可或缺的部分。發(fā)揮野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)作用，保護(hù)好野生動(dòng)物資源，有利于保持生態(tài)平衡，改善自然環(huán)境，保持生物多樣性，從而促進(jìn)人類社會(huì)健康有序發(fā)展。但是近年來(lái)，由于人類不加限制地對(duì)野生動(dòng)物進(jìn)行獵殺，使得大量物種滅絕，野生動(dòng)物資源種類減少，生態(tài)環(huán)境退化，人類生存環(huán)境日趨惡劣。

以大型動(dòng)物物種為代表的全球動(dòng)物群損失危機(jī)已經(jīng)超過了人類追蹤、監(jiān)測(cè)和了解生物多樣性及其生態(tài)系統(tǒng)變化的能力。以往的動(dòng)物監(jiān)測(cè)方法主要依賴人工監(jiān)測(cè)，常常要耗費(fèi)大量人力資源，同時(shí)因?yàn)橐恍┉h(huán)境條件，監(jiān)測(cè)人員難以穩(wěn)定監(jiān)測(cè)動(dòng)物密度，影響野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)結(jié)果的有效性以及可信度。在現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)手段的幫助下，現(xiàn)階段的野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)技術(shù)以及方法已經(jīng)逐漸突破了時(shí)間、環(huán)境等因素的桎梏，逐漸朝著自動(dòng)化、智能化和非入侵性的趨勢(shì)發(fā)展。

1 野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀

以往，野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)通常需要人工進(jìn)行野外實(shí)地調(diào)查，不僅會(huì)耗費(fèi)大量物力、人力以及財(cái)力，而且所需周期也相當(dāng)久，資料收集能力也較弱，無(wú)法滿足生物多樣性保護(hù)的需求。近年來(lái)，隨著信息技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等科技的持續(xù)發(fā)展和應(yīng)用，野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)效率得到了大幅提升。

現(xiàn)階段，野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)包括3個(gè)方面：基于無(wú)線通信的實(shí)時(shí)傳輸網(wǎng)絡(luò)、小型低功耗監(jiān)測(cè)設(shè)備的商業(yè)應(yīng)用以及基于人工智能的自動(dòng)識(shí)別算法和模型。例如，聲紋設(shè)備、紅外相機(jī)被用于收集野生動(dòng)物聲學(xué)、圖像等信息資料，成為了野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)資料的關(guān)鍵來(lái)源。這些資料分辨率高、監(jiān)測(cè)來(lái)源多且覆蓋區(qū)域廣闊，相關(guān)部門可以通過這些資料預(yù)測(cè)野生物種、生態(tài)系統(tǒng)變化趨勢(shì)，以便更好地對(duì)野生動(dòng)物進(jìn)行精細(xì)化管理，保護(hù)生物多樣性。

2 野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)技術(shù)方法的應(yīng)用

2.1 GPS追蹤技術(shù)方法的應(yīng)用

無(wú)線電跟蹤技術(shù)主要借助無(wú)線電信號(hào)的傳輸來(lái)定位目標(biāo)野生動(dòng)物佩戴的發(fā)射器，從而掌握野生動(dòng)物的位置信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)野生動(dòng)物的追蹤。GPS跟蹤技術(shù)的使用能夠獲取大規(guī)模、連續(xù)和高頻的動(dòng)物運(yùn)動(dòng)資料。這類監(jiān)測(cè)技術(shù)受氣候因子干擾小，具有準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好等特點(diǎn)。GPS跟蹤技術(shù)可以助力動(dòng)物學(xué)家獲悉動(dòng)物的移動(dòng)走向，從多個(gè)層面洞悉動(dòng)物生態(tài)學(xué)中的關(guān)鍵問題，包括個(gè)體、種群、社區(qū)以及生態(tài)系統(tǒng)。當(dāng)前，GPS跟蹤技術(shù)在監(jiān)測(cè)以及研究哺乳動(dòng)物和鳥類的行為和運(yùn)動(dòng)方面得到普遍應(yīng)用。例如，2023年4月，在報(bào)請(qǐng)國(guó)家林草局批準(zhǔn)后，科研人員在云南省普洱市景東彝族自治縣境內(nèi)的云南無(wú)量山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，成功為2只國(guó)家一級(jí)保護(hù)動(dòng)物印支灰葉猴佩戴了GPS項(xiàng)圈跟蹤器，以借助于衛(wèi)星定位技術(shù)開展對(duì)該野生動(dòng)物種群的監(jiān)測(cè)。這是我國(guó)迄今為止第一次通過對(duì)該物種佩戴項(xiàng)圈跟蹤器進(jìn)行科研監(jiān)測(cè)，是對(duì)野生動(dòng)物動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的新嘗試，也是傳統(tǒng)野生動(dòng)物調(diào)查監(jiān)測(cè)技術(shù)的延伸。

最初，動(dòng)物追蹤數(shù)據(jù)通常用于掌握動(dòng)物棲息地偏好、家域等方面的情況。隨著科技的進(jìn)步，GPS及遙感技術(shù)水平得到明顯提升，高頻動(dòng)物運(yùn)動(dòng)信息以及高分辨率遙感數(shù)據(jù)的結(jié)合，可以掌握環(huán)境對(duì)動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的影響和運(yùn)動(dòng)決策機(jī)制，從而準(zhǔn)確剖析動(dòng)物家域的特征以及使用模式，還可以探析棲息地異質(zhì)性對(duì)動(dòng)物種群動(dòng)態(tài)的影響。憑借對(duì)若干個(gè)體以及物種的運(yùn)動(dòng)的追蹤，能夠更加深入地掌握個(gè)體動(dòng)物生活史、種族間相互作用機(jī)制以及動(dòng)物群落行為。這種高分辨率的運(yùn)動(dòng)資料可為掌握野生動(dòng)物運(yùn)動(dòng)背后的生態(tài)機(jī)制提供參考。

2.2 紅外相機(jī)技術(shù)方法的應(yīng)用

紅外相機(jī)是一種配備了紅外傳感器或者運(yùn)動(dòng)傳感器的自動(dòng)拍攝設(shè)備。在自然保護(hù)區(qū)的林區(qū)中，野生動(dòng)物經(jīng)常活躍在無(wú)人值守的森林中。為了避免危險(xiǎn)和傷害，多數(shù)野生動(dòng)物都非常謹(jǐn)慎，遠(yuǎn)離人類，保護(hù)區(qū)的工作人員要想清楚地了解野生動(dòng)物的情況并不是一項(xiàng)容易的任務(wù)。因此，基于紅外觸發(fā)相機(jī)的野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于野生動(dòng)物種群監(jiān)測(cè)、多樣性調(diào)查以及種群密度評(píng)估等保護(hù)工作[1]。

紅外相機(jī)主要是借助動(dòng)物和環(huán)境之間的溫差，在穿過相機(jī)的感應(yīng)區(qū)域時(shí)野生動(dòng)物自動(dòng)觸發(fā)拍攝，以此收集野生動(dòng)物的照片或視頻信息。由于紅外相機(jī)具備設(shè)計(jì)緊湊便攜、功耗低、圖像質(zhì)量高以及抵御惡劣環(huán)境的能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，野生動(dòng)物研究人員能夠大范圍部署大量紅外相機(jī)，且連續(xù)工作數(shù)月，從而獲得大量物種信息。相較于傳統(tǒng)的野生動(dòng)物人工調(diào)查(如使用動(dòng)物足跡、糞便和其他痕跡)，無(wú)人紅外相機(jī)技術(shù)具有顯著優(yōu)勢(shì)，可適應(yīng)許多野生動(dòng)物的高度機(jī)動(dòng)性、保密性和對(duì)人類的恐懼，提高監(jiān)測(cè)效率。此外，紅外相機(jī)的監(jiān)測(cè)具有非侵入性，不需要捕捉活體動(dòng)物，有利于研究、保護(hù)和隱藏稀有物種。

一般而言，紅外相機(jī)可以對(duì)大多數(shù)具有獨(dú)特自然標(biāo)記的貓科動(dòng)物進(jìn)行拍攝。基于標(biāo)記物-重捕獲框架，工作人員可以了解動(dòng)物種群參數(shù)(數(shù)量、存活率等信息)[2]。通過紅外相機(jī)的隱蔽拍攝，可實(shí)現(xiàn)全天候監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的野生動(dòng)物，自動(dòng)獲取野生動(dòng)物圖像數(shù)據(jù)，工作人員可以更加清楚地掌握珍稀瀕危物種(老虎、雪豹等)的種群數(shù)量，進(jìn)一步掌握野生動(dòng)物的活動(dòng)及分布規(guī)律，并憑借這些資料更好地開展珍稀野生動(dòng)物保護(hù)工作[3]。

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，利用紅外相機(jī)采集野生動(dòng)物圖像數(shù)據(jù)已在世界各地廣泛開展，是全球生物多樣性大數(shù)據(jù)的重要來(lái)源。目前，紅外相機(jī)技術(shù)已成為研究陸地哺乳動(dòng)物和鳥類的主要工具之一，可以在更大的時(shí)空尺度上加強(qiáng)監(jiān)測(cè)工作，從而產(chǎn)生大量關(guān)于動(dòng)物物種分布和豐度的新信息。這些信息對(duì)于了解保護(hù)現(xiàn)狀和提出問題解決方案至關(guān)重要。紅外相機(jī)獲得的圖像數(shù)據(jù)包括物種、位置、行為、日期、時(shí)間、天氣等基本信息。這些數(shù)據(jù)分辨率高、覆蓋范圍廣、來(lái)源廣，不僅提供了豐富、多維的物種分布和豐度動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，還記錄了各種野生動(dòng)物的行為等相關(guān)特征，使研究人員能夠更好地預(yù)測(cè)和管理可能發(fā)生的重大變化，了解動(dòng)物種類和生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀[4-6]。

隨著數(shù)字無(wú)源紅外相機(jī)的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用，加上其顯著降低成本、體積小而輕、拍攝質(zhì)量和容量顯著提高，紅外相機(jī)在我國(guó)各地也得到了廣泛推廣。紅外相機(jī)能夠監(jiān)測(cè)若干個(gè)物種，研究種間關(guān)系的時(shí)空機(jī)制、群落多樣性和動(dòng)態(tài)，為掌握區(qū)域內(nèi)的動(dòng)物種類、種群、數(shù)量和群落組成、物種分布情況提供重要依據(jù)，并為加強(qiáng)地方野生動(dòng)物保護(hù)管理以及資源利用提供重要參考。例如，2017年8月25日，六盤山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局安裝在六盤山林區(qū)的紅外相機(jī)拍到了我國(guó)北方稀有野生動(dòng)物——毛冠鹿。毛冠鹿屬于國(guó)家二級(jí)野生保護(hù)動(dòng)物，通常在我國(guó)亞熱帶海拔1 000～4 000 m之間的山上分布，在我國(guó)福建、浙江、江西、安徽、云南、四川、等地均有發(fā)現(xiàn)，在緬甸北部也有零星分布。此前，毛冠鹿出現(xiàn)在我國(guó)最北端的區(qū)域是南北分水嶺——秦嶺。此次利用紅外相機(jī)監(jiān)測(cè)到毛冠鹿，將該類野生動(dòng)物的活動(dòng)范圍向北延伸了500 km。

2.3 DNA條形碼技術(shù)方法的應(yīng)用

作為一種用于物種識(shí)別的技術(shù)，DNA條形碼具備準(zhǔn)確、高效、便捷等優(yōu)勢(shì)。在過去的十多年里，DNA條形碼的應(yīng)用推動(dòng)了對(duì)以昆蟲為代表的無(wú)脊椎動(dòng)物物種、個(gè)體數(shù)量龐大但缺乏傳統(tǒng)分類專家的土壤動(dòng)物多元化的探究。相較于以往的形態(tài)分類學(xué)，以DNA條形碼技術(shù)作為代表的分子分類學(xué)能夠解決以形態(tài)學(xué)為代表的傳統(tǒng)分類學(xué)所面臨的大量挑戰(zhàn)，且不需要學(xué)者們掌握太多分類學(xué)知識(shí)。分子技術(shù)不僅為無(wú)脊椎動(dòng)物的遺傳多樣性監(jiān)測(cè)帶來(lái)了遺傳多樣化評(píng)估方式，還憑借自身快速、容易理解的特點(diǎn)，在無(wú)脊椎動(dòng)物的分類以及鑒定中起到有利作用。

相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，標(biāo)記擴(kuò)增引物可以將多個(gè)樣本的PCR產(chǎn)物混合進(jìn)行高通量測(cè)序，通過生物信息學(xué)方法獲得每個(gè)樣本的DNA條形碼序列，從而降低常規(guī)DNA條形碼的成本，因此適用于常規(guī)DNA條形碼方面的研究。同時(shí)，標(biāo)記擴(kuò)增引物可以及時(shí)、精準(zhǔn)、經(jīng)濟(jì)地設(shè)置DNA條形碼數(shù)據(jù)庫(kù)。盡管個(gè)體標(biāo)本的識(shí)別仍舊很關(guān)鍵，但DNA條形碼已逐漸應(yīng)用于整個(gè)群落生物的識(shí)別中[9]。隨著NGS(高通量測(cè)序)平臺(tái)的發(fā)展，DNA宏條形碼技術(shù)可以幫助監(jiān)測(cè)和評(píng)估生物群體的多樣性。

2.4 高通量測(cè)序技術(shù)方法的應(yīng)用

高通量測(cè)序是一種常規(guī)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，以能一次性并行對(duì)數(shù)萬(wàn)條DNA分子進(jìn)行序列測(cè)定和一般讀長(zhǎng)較短等為標(biāo)志，該技術(shù)方法在生態(tài)學(xué)研究中應(yīng)用較多。高通量測(cè)序方法主要包括鳥槍測(cè)序(宏基因組學(xué))以及擴(kuò)增子測(cè)序，可以探究全部生物體共有的核酸，且不管在任何生物群落、任何棲息地或者環(huán)境的樣本中均可以識(shí)別生物群和其作用。因此，高通量測(cè)序資料能夠當(dāng)作通用、環(huán)境獨(dú)立的生物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可通過劃分和關(guān)聯(lián)序列中的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)處理好生態(tài)煩瑣的網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)性。

高通量測(cè)序的流程中，通常第一步需從采樣環(huán)境中分離DNA。接著再提取DNA，并選用宏基因組技術(shù)借助于基因特異性引物擴(kuò)增靶系統(tǒng)發(fā)育或功能標(biāo)記基因片段。“通用引物”通常在擴(kuò)增生物體內(nèi)主要的系統(tǒng)遺傳信息標(biāo)記基因中比較適用。此方式同樣能夠用于靶向和標(biāo)記功能基因，特別是部分進(jìn)行生物地球化學(xué)循環(huán)的基因，并進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)功能的評(píng)估。同時(shí)，該方法還可以擴(kuò)增或測(cè)序生態(tài)系統(tǒng)發(fā)育或功能標(biāo)記基因。宏基因組學(xué)在這一步中以擴(kuò)增為目標(biāo)，并且把提取的DNA隨機(jī)分裂成可以覆蓋所有基因的小片段，有利于杜絕宏基因組學(xué)擴(kuò)增步驟中極易出現(xiàn)的分類偏差。但是，一個(gè)群落內(nèi)的全基因覆蓋通常要求提取較多的DNA，而宏基因組學(xué)需要的經(jīng)費(fèi)目現(xiàn)階段比宏基因測(cè)序高得多。高通量測(cè)序資料給予了基于序列之間差異的分類或功能多樣性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，并且同等序列的數(shù)量還能夠用于對(duì)相對(duì)多度進(jìn)行預(yù)測(cè)[10-11]。

近年來(lái)，高通量測(cè)序技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣。它最為顯著的優(yōu)勢(shì)是使用了單分子讀取技術(shù)，從而提高了數(shù)據(jù)讀取速度，并大大提升了測(cè)序通量和測(cè)序讀取長(zhǎng)度。同時(shí)，高通量測(cè)序技術(shù)有效突破了PCR擴(kuò)增偏倚的約束。因此，高通量測(cè)序技術(shù)能夠推斷無(wú)脊椎動(dòng)物樣本中各物種的總DNA含量，并評(píng)估各類群的生物量以及相對(duì)多度，促使其在無(wú)脊椎動(dòng)物多樣性監(jiān)測(cè)和研究中的發(fā)展得到有效應(yīng)用。

3 野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)技術(shù)方法應(yīng)用建議

3.1 加強(qiáng)各種技術(shù)方法的交叉集成

盡管新的技術(shù)方法顯著提高了野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)的效率和質(zhì)量，但同樣也有不同程度的局限性。例如，GPS跟蹤技術(shù)、紅外相機(jī)主要對(duì)數(shù)量少、難以捕捉動(dòng)物個(gè)體的脊椎動(dòng)物進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而DNA條形碼技術(shù)更適宜容易獲取組織樣本的無(wú)脊椎動(dòng)物。在監(jiān)測(cè)中運(yùn)用的微型設(shè)備昂貴，尤其是具有無(wú)線傳輸能力以及GPS跟蹤的紅外相機(jī)，通常需采取移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)以及衛(wèi)星對(duì)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行接收或傳輸，需要大量額外經(jīng)費(fèi)，且無(wú)法獲得大樣本量，影響推斷結(jié)果的有效性。又如，在具體使用DNA宏條形碼技術(shù)時(shí)，PCR擴(kuò)增存在偏差。由于無(wú)脊椎動(dòng)物樣本的多樣性以及煩瑣性，單個(gè)分子標(biāo)記很難覆蓋全部已知物種序列數(shù)據(jù)庫(kù)。現(xiàn)階段，各種節(jié)肢動(dòng)物的參考序列數(shù)據(jù)庫(kù)尚未健全，大量物種的DNA條形碼未知，有些相應(yīng)物種還會(huì)出現(xiàn)差錯(cuò)，不利于對(duì)高通量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

由此可見，有必要強(qiáng)化各種方法的交叉集成，解決相關(guān)問題，大幅提高野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)從分子進(jìn)化、種群變化以及群落組成等方面來(lái)反映生態(tài)系統(tǒng)維持機(jī)制的目標(biāo)[12]。

3.2 構(gòu)建綜合監(jiān)測(cè)野生動(dòng)物信息服務(wù)共享系統(tǒng)

構(gòu)建綜合性監(jiān)測(cè)服務(wù)系統(tǒng)是今后野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)的發(fā)展方向。通過建設(shè)共享系統(tǒng)能夠高質(zhì)量地優(yōu)化、集成當(dāng)前關(guān)鍵監(jiān)控技術(shù)，還可以集成大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、智能技術(shù)等現(xiàn)代化信息技術(shù)。綜合性監(jiān)測(cè)服務(wù)系統(tǒng)可以通過全面感知、實(shí)時(shí)傳輸以及智能在線處理進(jìn)行操作，全面觀測(cè)、實(shí)時(shí)采集、聯(lián)網(wǎng)和智能化多源數(shù)據(jù)，并依托智能平臺(tái)實(shí)現(xiàn)野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)資料的綜合管理和智能化管理，從而更高效地開展野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)工作[13-14]。

4 結(jié)束語(yǔ)

野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)是生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、管理和保護(hù)的重要任務(wù)之一。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新和進(jìn)步，野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)技術(shù)和方法發(fā)生了極大變化，逐漸從以往依靠人工觀測(cè)轉(zhuǎn)向自動(dòng)化、信息化以及智能化觀測(cè)。監(jiān)測(cè)野生動(dòng)物多樣性的重要技術(shù)手段具有對(duì)動(dòng)物干擾小、人為因素少、物種識(shí)別準(zhǔn)確、監(jiān)測(cè)不間斷等優(yōu)點(diǎn)。在新時(shí)代，通過大力應(yīng)用紅外相機(jī)技術(shù)、GPS追蹤技術(shù)、DNA條形碼技術(shù)、高通量測(cè)序技術(shù)等現(xiàn)代化監(jiān)測(cè)技術(shù)和設(shè)備，能夠大幅提升對(duì)野生動(dòng)物的監(jiān)測(cè)水平，也有助于進(jìn)一步了解野生動(dòng)物的種類、數(shù)量和棲息地狀況，為加強(qiáng)野生動(dòng)物保護(hù)提供重要的科學(xué)依據(jù)。