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聲音是生物之間交流的重要手段，對(duì)生物聲音的監(jiān)測與分析是描述和評(píng)估生物多樣性的新興方法。這種方法不侵入和破壞自然環(huán)境，通過聲音記錄生態(tài)信息，并有效反映生物多樣性的相關(guān)特征，是一種重要的生態(tài)工具。

聲音監(jiān)測方法

聲音的采樣

聲音監(jiān)測的工作流程主要包括：聲音的采樣、數(shù)據(jù)整理與存儲(chǔ)、信號(hào)處理與統(tǒng)計(jì)分析。高保真度的便攜式錄音機(jī)使研究人員能夠在野外方便地記錄高質(zhì)量的動(dòng)物聲音。隨著錄音設(shè)備不斷地更新，目前應(yīng)用于監(jiān)測的自動(dòng)聲學(xué)傳感器，可以實(shí)現(xiàn)有計(jì)劃地長期自動(dòng)化記錄。自動(dòng)聲學(xué)傳感器的應(yīng)用允許研究人員進(jìn)行更廣泛的空間采樣和更長時(shí)間的錄音，現(xiàn)場聲音可以長期存儲(chǔ)并且能夠反復(fù)回放監(jiān)聽，進(jìn)一步減少觀察者的判斷誤差，獲得更準(zhǔn)確的評(píng)估結(jié)果。同時(shí)，大規(guī)模且長期性的聲音數(shù)據(jù)，需要通過音頻專用檔案進(jìn)行保存和管理[1]，以及開發(fā)處理大量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)來應(yīng)對(duì)“大數(shù)據(jù)”的科學(xué)挑戰(zhàn)。

聲音信號(hào)的識(shí)別

人耳識(shí)別是從錄音中提取生物信息的有效途徑，基本可以達(dá)到現(xiàn)場點(diǎn)計(jì)數(shù)的相同水平甚至更高的精度[2]。在回放錄音過程中經(jīng)常使用頻譜圖來幫助檢測和識(shí)別物種種類，通過Audacity或Adobe Audition等軟件可以獲得錄音的頻譜圖并對(duì)聲音進(jìn)行編輯。不同聲源的聲音信號(hào)特征在時(shí)間和頻率上有所不同并且可以區(qū)分，頻譜圖的輔助判斷是一種有效的處理方法[3]。但人工物種識(shí)別的過程費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，要求研究人員有豐富的知識(shí)儲(chǔ)備或?qū)＜业南嚓P(guān)指導(dǎo)，并受到錄音回放質(zhì)量、處理錄音人員的可變性等多方面的影響，帶有一定的主觀性[4]。

通過Adobe Audition軟件處理音頻文件獲得的頻譜圖。本示意圖中音頻文件截取自夏季北京城市公園中1min的真實(shí)錄音，從頻譜圖中能夠清晰分辨出生物聲(白頭鵯、蟪蛄、黑蚱蟬)、人工機(jī)械聲（汽車鳴笛聲）和地球物理聲（背景噪聲、風(fēng)聲）等，有效輔助人耳識(shí)別過程。

聲音信號(hào)的量化

聲學(xué)指數(shù)的開發(fā)是為了量化數(shù)字音頻文件中捕捉到的聲波能量(時(shí)間或頻率)，通過數(shù)字化的方式推斷生物多樣性的信息。這些聲學(xué)指數(shù)根據(jù)聲音的振幅強(qiáng)度、時(shí)間/頻率或振幅的復(fù)雜程度、聲景的異質(zhì)性來估計(jì)聲音群落的多樣性[5]。

迄今為止，研究人員已經(jīng)開發(fā)了60多個(gè)聲學(xué)參數(shù)[6]，常用的聲學(xué)指數(shù)詳見下表。聲學(xué)指數(shù)已經(jīng)應(yīng)用于一系列的生態(tài)研究當(dāng)中，可以根據(jù)聲音特性進(jìn)行快速分類，為生物多樣性評(píng)估和棲息地的監(jiān)測提供幫助[7]。

評(píng)估發(fā)聲動(dòng)物的生物多樣性

鳥類群落

鳥類通常表現(xiàn)出廣泛的地理分布，并在生態(tài)系統(tǒng)功能中發(fā)揮著重要作用，常作為環(huán)境變化的指示物種。許多鳥類發(fā)聲能力強(qiáng)，鳥鳴聲能夠有效傳遞生物信息且容易被傳感器捕捉，是可靠的聲音數(shù)據(jù)來源。有研究人員在云南省西雙版納和哀牢山保護(hù)區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)，通過對(duì)比聲音監(jiān)測記錄與鳥類樣點(diǎn)觀測計(jì)數(shù)結(jié)果，探討在不同斑塊大小和棲息地影響下，聲學(xué)指數(shù)與鳥類多樣性之間的相關(guān)關(guān)系[8]。從聲音角度對(duì)鳥類群落進(jìn)行研究具有很大潛力且研究較多，例如，在艱苦環(huán)境中長期監(jiān)測瀕危稀有或缺乏生態(tài)數(shù)據(jù)的鳥類信息；鳥類分布及豐富度的估計(jì)；鳥類物種多樣性的評(píng)估；鳥類群落的系統(tǒng)發(fā)育和功能多樣性；鳥類群落聲音多樣性的時(shí)空研究等。

昆蟲群落

常見的發(fā)聲昆蟲有蟬、蟋蟀、螽斯、螞蚱等，昆蟲產(chǎn)生的鳴聲較為強(qiáng)烈。有關(guān)昆蟲的聲音研究包括對(duì)種群密度和多樣性的評(píng)估，探究聲學(xué)空間的利用與物種豐富度之間的關(guān)系等。研究人員在土壤中進(jìn)行的聲音研究有利于理解土壤動(dòng)物的聲學(xué)特征，對(duì)特定物種的聲學(xué)監(jiān)測開辟了害蟲防治的新的可能性。

兩棲動(dòng)物

兩棲動(dòng)物對(duì)環(huán)境變化非常敏感，由于棲息地被破環(huán)，環(huán)境污染等多種因素使兩棲動(dòng)物受到嚴(yán)重威脅。利用聲音監(jiān)測的方法可以在更大的時(shí)空尺度上評(píng)估動(dòng)物種群，對(duì)兩棲動(dòng)物的聲音研究包括青蛙聲學(xué)活動(dòng)和物種豐富度的估計(jì)，氣候變化對(duì)兩棲動(dòng)物的影響[9]，監(jiān)測入侵物種種群動(dòng)態(tài)[10]等。

深水和海洋動(dòng)物

利用聲音監(jiān)測對(duì)淡水和海洋生物群落進(jìn)行生物多樣性評(píng)估和環(huán)境調(diào)查的研究越來越多[11-12]。通過對(duì)比水下視覺普查的魚類數(shù)據(jù)與聲音記錄發(fā)現(xiàn)，水生環(huán)境中聲音多樣性能夠反映魚群的生物多樣性[13]。利用聲音監(jiān)測對(duì)珊瑚礁的聲學(xué)環(huán)境（包括各種魚類和無脊椎動(dòng)物的聲音）進(jìn)行調(diào)查，反映了棲息地結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和生物多樣性[14]。長期的聲音記錄能夠捕獲水生生態(tài)系統(tǒng)中大量的聲音變化信息，對(duì)于實(shí)施海洋管理和策略制定非常重要。

在生物多樣性領(lǐng)域的主要應(yīng)用

評(píng)估土地利用變化對(duì)生物多樣性的影響

聲學(xué)傳感器主要錄制樣點(diǎn)附近的聲景信息，與衛(wèi)星圖像提供的數(shù)據(jù)相比，聲音監(jiān)測的方法能夠獲得更多的細(xì)節(jié)，更加準(zhǔn)確地描述聲音群落的分布與變化。景觀破碎化對(duì)聲景的影響可能在不同的棲息地有所不同。棲息地破碎化會(huì)影響部分雀形目鳥類的鳴聲特征，與鳴聲復(fù)雜度相關(guān)的聲學(xué)特征會(huì)隨斑塊大小的變化而改變[15]。斑塊邊緣環(huán)境的劇烈變化會(huì)對(duì)斑塊內(nèi)部物種豐富度和生物多樣性產(chǎn)生重要的影響，而不同物種對(duì)邊緣效應(yīng)的反應(yīng)不同。通過聲音監(jiān)測的方法嘗試描述不同大小的生境斑塊間聲音多樣性的差異，可能與邊緣效應(yīng)的影響有關(guān)[16]。

熱帶森林的選擇性采伐會(huì)改變當(dāng)?shù)貏?dòng)植物物種數(shù)量，也可能影響物種的更新。通過在廣泛空間尺度上的聲音監(jiān)測，可以發(fā)現(xiàn)選擇性采伐的森林內(nèi)聲景更為均質(zhì)，與未被采伐的保護(hù)區(qū)相比，晝夜聲景飽和度也發(fā)生了改變[17]。對(duì)景觀中聲音的記錄和分析可以評(píng)估野火對(duì)動(dòng)物群落和生物多樣性的影響，能夠描述野火焚燒后的斑塊與未被破壞地塊間生物聲季節(jié)和晝夜的差異[18]。聲音監(jiān)測的方法可以幫助解決涉及動(dòng)物群落對(duì)野火反應(yīng)的保護(hù)問題，也可以很好地彌補(bǔ)遙感探測的不足。

評(píng)估氣候變化對(duì)生物多樣性的影響

青蛙和鳥類對(duì)環(huán)境條件極為敏感。針對(duì)它們進(jìn)行聲音生態(tài)監(jiān)測，可以評(píng)估氣候變化對(duì)種群及環(huán)境的影響。長期監(jiān)測陸地景觀的聲學(xué)物候可以更深入地了解重要物候事件的存在和時(shí)間，如遷徙、交配、繁殖等。這對(duì)生物多樣性的研究和評(píng)估非常有幫助。

在水生環(huán)境中，氣候變化導(dǎo)致的水質(zhì)酸化會(huì)影響海洋系統(tǒng)中聲音的傳播。海水酸化會(huì)影響低頻聲音，并對(duì)使用這些頻率進(jìn)行交流的海洋哺乳動(dòng)物產(chǎn)生影響。pH值的下降降低了聲音的吸收，對(duì)鯨魚等海洋物種產(chǎn)生了很大的影響。這些物種將被迫改變發(fā)聲的頻率、持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度，以避免人為信號(hào)的掩蔽效應(yīng)[19]。聲音調(diào)查是評(píng)估氣候變化影響的有力工具，可以記錄物種行為和聲音物候在時(shí)空上的變化，以及物種在進(jìn)入或離開聲學(xué)群落時(shí)對(duì)聲學(xué)特征的影響，在生物多樣性評(píng)估中發(fā)揮著重要作用。

評(píng)估城市化對(duì)生物多樣性的影響

城市環(huán)境內(nèi)的聲音頻譜和時(shí)間特征與森林環(huán)境有很大不同，通常包含一些人為產(chǎn)生的不必要的噪聲，例如道路交通噪聲、固定機(jī)器噪聲等。城市化對(duì)景觀的生物多樣性造成威脅，人為噪聲被認(rèn)為是影響動(dòng)物交流和繁殖成功的主要壓力源，聲景模式受到城市化程度的影響。在城鄉(xiāng)梯度上探究聲景特征的時(shí)空模式以及聲景特性與鳥類群落的關(guān)系，可以在測量環(huán)境噪聲水平的同時(shí)了解聲景各組成部分之間的相互關(guān)系[20]。也有研究人員在城市化梯度的兩端（即城郊森林和高度城市化地區(qū)）利用聲音監(jiān)測方法，發(fā)現(xiàn)在人為干擾下，鳥類黎明合唱表現(xiàn)出的明顯時(shí)空差異[21]。風(fēng)雨、瀑布、雷電、持續(xù)的蟬鳴、人類的干擾都可能是噪聲的來源[22]。

噪聲可能會(huì)改變部分發(fā)聲動(dòng)物的交流行為或活動(dòng)空間，通過分析聲景的時(shí)空變化趨勢，有助于評(píng)估物種受到環(huán)境干擾的影響。一些聲學(xué)研究記錄了環(huán)境噪音帶來的影響以及相關(guān)生物反應(yīng)，例如，噪聲會(huì)導(dǎo)致動(dòng)物感覺退化或無法檢測到來自同種、捕食者、獵物或環(huán)境的聲音線索。這可能會(huì)改變捕食者與獵物之間的相互作用，影響繁殖成功率和覓食效率等[23]。一些城市中的鳥類為了應(yīng)對(duì)噪音，通過調(diào)整鳴聲的振幅/頻率或改變鳴唱時(shí)間來減輕噪聲對(duì)日常交流帶來的掩蔽；或減少嘈雜棲息地的豐富度，改變?nèi)郝鋭?dòng)態(tài)等[24]。基于聲音監(jiān)測的生態(tài)應(yīng)用來進(jìn)一步了解噪聲特征、動(dòng)物行為和環(huán)境之間的相互作用，是評(píng)估人為干擾對(duì)生物多樣性的影響、探討緩解措施、制定相關(guān)保護(hù)策略的關(guān)鍵。

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