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聲音是生物之間交流的重要手段，對生物聲音的監(jiān)測與分析是描述和評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、信號處理與統(tǒng)計分析。高保真度的便攜式錄音機使研究人員能夠在野外方便地記錄高質(zhì)量的動物聲音。隨著錄音設(shè)備不斷地更新，目前應(yīng)用于監(jiān)測的自動聲學(xué)傳感器，可以實現(xiàn)有計劃地長期自動化記錄。自動聲學(xué)傳感器的應(yīng)用允許研究人員進行更廣泛的空間采樣和更長時間的錄音，現(xiàn)場聲音可以長期存儲并且能夠反復(fù)回放監(jiān)聽，進一步減少觀察者的判斷誤差，獲得更準確的評估結(jié)果。同時，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“大數(shù)據(jù)”的科學(xué)挑戰(zhàn)。

聲音信號的識別

人耳識別是從錄音中提取生物信息的有效途徑，基本可以達到現(xiàn)場點計數(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聲音進行編輯。不同聲源的聲音信號特征在時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]。但人工物種識別的過程費時、費力，要求研究人員有豐富的知識儲備或?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，有效輔助人耳識別過程。

聲音信號的量化

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)聲音的振幅強度、時間/頻率或振幅的復(fù)雜程度、聲景的異質(zhì)性來估計聲音群落的多樣性[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)聲音特性進行快速分類，為生物多樣性評估和棲息地的監(jiān)測提供幫助[7]。

評估發(fā)聲動物的生物多樣性

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，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區(qū)進行試驗，通過對比聲音監(jiān)測記錄與鳥類樣點觀測計數(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]。從聲音角度對鳥類群落進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；鳥類物種多樣性的評估；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)生的鳴聲較為強烈。有關(guān)昆蟲的聲音研究包括對種群密度和多樣性的評估，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行的聲音研究有利于理解土壤動物的聲學(xué)特征，對特定物種的聲學(xué)監(jiān)測開辟了害蟲防治的新的可能性。

兩棲動物

兩棲動物對環(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物受到嚴重威脅。利用聲音監(jiān)測的方法可以在更大的時空尺度上評估動物種群，對兩棲動物的聲音研究包括青蛙聲學(xué)活動和物種豐富度的估計，氣候變化對兩棲動物的影響[9]，監(jiān)測入侵物種種群動態(tài)[10]等。

深水和海洋動物

利用聲音監(jiān)測對淡水和海洋生物群落進行生物多樣性評估和環(huán)境調(diào)查的研究越來越多[11-12]。通過對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)測對珊瑚礁的聲學(xué)環(huán)境（包括各種魚類和無脊椎動物的聲音）進行調(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，對于實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

評估土地利用變化對生物多樣性的影響

聲學(xué)傳感器主要錄制樣點附近的聲景信息，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節(jié)，更加準確地描述聲音群落的分布與變化。景觀破碎化對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)境的劇烈變化會對斑塊內(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改變當(dāng)?shù)貏又参镂锓N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)，與未被采伐的保護區(qū)相比，晝夜聲景飽和度也發(fā)生了改變[17]。對景觀中聲音的記錄和分析可以評估野火對動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物群落對野火反應(yīng)的保護問題，也可以很好地彌補遙感探測的不足。

評估氣候變化對生物多樣性的影響

青蛙和鳥類對環(huán)境條件極為敏感。針對它們進行聲音生態(tài)監(jiān)測，可以評估氣候變化對種群及環(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間，如遷徙、交配、繁殖等。這對生物多樣性的研究和評估非常有幫助。

在水生環(huán)境中，氣候變化導(dǎo)致的水質(zhì)酸化會影響海洋系統(tǒng)中聲音的傳播。海水酸化會影響低頻聲音，并對使用這些頻率進行交流的海洋哺乳動物產(chǎn)生影響。pH值的下降降低了聲音的吸收，對鯨魚等海洋物種產(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)時間和強度，以避免人為信號的掩蔽效應(yīng)[19]。聲音調(diào)查是評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空上的變化，以及物種在進入或離開聲學(xué)群落時對聲學(xué)特征的影響，在生物多樣性評估中發(fā)揮著重要作用。

評估城市化對生物多樣性的影響

城市環(huán)境內(nèi)的聲音頻譜和時間特征與森林環(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、固定機器噪聲等。城市化對景觀的生物多樣性造成威脅，人為噪聲被認為是影響動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]。

噪聲可能會改變部分發(fā)聲動物的交流行為或活動空間，通過分析聲景的時空變化趨勢，有助于評估物種受到環(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，噪聲會導(dǎo)致動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)對噪音，通過調(diào)整鳴聲的振幅/頻率或改變鳴唱時間來減輕噪聲對日常交流帶來的掩蔽；或減少嘈雜棲息地的豐富度，改變?nèi)郝鋭討B(tài)等[24]。基于聲音監(jiān)測的生態(tài)應(yīng)用來進一步了解噪聲特征、動物行為和環(huán)境之間的相互作用，是評估人為干擾對生物多樣性的影響、探討緩解措施、制定相關(guān)保護策略的關(guān)鍵。

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