基于GPS追蹤的大耳猬背包設(shè)計

安靜， 梁濤， 周彤， 鄭鵬， 時磊

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊830052)

在野外條件下對物種的生態(tài)、行為和生理學(xué)的全面了解是物種保護(hù)的重要基礎(chǔ)(Wilson & McMahon，2006；Kaysetal.，2015；LaPointetal.，2015)，高度精確的有效數(shù)據(jù)對于研究動物的運動模式(Torresetal.，2017)、棲息地選擇(Blakeyetal.，2019；Pollanderetal.，2019)、家域大小(Boer，2019；García-Toroetal.，2019)和繁殖(Wieseletal.，2019；Marnewecketal.，2019)等至關(guān)重要。GPS設(shè)備現(xiàn)被廣泛用于收集動物位置信息，與無線電遙測技術(shù)相比，GPS技術(shù)受天氣、地形和時間段等影響較小，并且可以在較小的距離誤差內(nèi)成功定位到動物(Recioetal.，2011)。GPS因跟蹤范圍廣、時間跨度長、定位準(zhǔn)確可靠及對動物干擾性較小的優(yōu)點，被越來越多用于野生動物的跟蹤研究(高立波，2007；Kaysetal.，2015)，已被廣泛用于鳥類的遷徙(Brodeuretal.，1996；Higuchi，2000)、運動和活動節(jié)律(Turneretal.，2000；Geetal.，2011)、家域(Rouysetal.，2001；Schmidetal.，2003)、棲息地利用(Rappoleetal.，2003；Sawyeretal.，2006；Zapletaletal.，2015；Pettettetal.，2018)等研究。

無論采用何種方式跟蹤研究野生動物，通常還需要對動物個體進(jìn)行標(biāo)記識別。動物個體識別的方式很多，針對有明顯特征的動物主要是通過外表來區(qū)分不同個體，例如毛皮的顏色、斑點的分布及紋路、打斗遺留的傷疤等(Sayighetal.，1999；Cicek & Ayaz，2011；馬鳴，徐峰，2011；Anileetal.，2012；Mori & Giovani，2012)。而沒有明顯體表特征的動物，僅通過肉眼觀察很難將其區(qū)分，這時只能通過物理標(biāo)記或是依賴于人為制造特征加以區(qū)分。物理標(biāo)記是通過耳標(biāo)、腳環(huán)等附著在身上的人工標(biāo)記物來區(qū)分，如高原鼠兔Ochotonacurzoniae(王學(xué)高，戴克華，1990)、黃腹角雉Tragopancaboti(程松林等，2017)。人為標(biāo)記方法包括印記、剪趾或切耳，如魚類(Nielsen，1992)、小鼠(趙寒昕，盛弘強(qiáng)，2008)、高原鼠兔(陳千權(quán)等，2013)等，然而這種標(biāo)記方法會對動物造成不可逆的傷害，不滿足動物福利的要求。

大耳猬Hemiechinusauritus屬食蟲目Insectivora猬科Erinaceidae，體型較小，體質(zhì)量155～520 g，體長145～195 mm，主要鑒別特征是耳朵前折時超過眼部，主要分布于埃及、巴勒斯坦、阿富汗、印度、俄羅斯和蒙古國(楊貴生，1991)，在中國主要分布于內(nèi)蒙古、新疆、陜西、甘肅和寧夏等省區(qū)的荒漠草原地帶(王廷正，楊貴生，1995)，是一種典型的荒漠和半荒漠動物(楊貴生，邢蓮蓮，1995)，棲息于駱駝刺Alhagisparsifolia、錦雞兒Caraganasinica、豬毛菜Salsolacollina、梭梭Haloxylonammodendron和蘆葦Phragmitesaustralis等荒漠地帶，在農(nóng)田、菜地和居民區(qū)附近亦有分布(楊貴生，1992)。目前國內(nèi)對大耳猬的研究主要集中于生態(tài)習(xí)性(楊貴生，1991)、室內(nèi)節(jié)律(楊貴生，邢蓮蓮，1995)、繁殖(廖力夫等，1999)和種子擴(kuò)散(肖麗蓉，2017)等。

選擇GPS追蹤器時，除了對數(shù)據(jù)和定位的精確要求外，還要考慮設(shè)備自身重量和時效性，大耳猬屬于夜行性動物，夜晚追蹤難度較大且無法使用太陽能供電的GPS追蹤器，加上大耳猬體質(zhì)量較輕，從而嚴(yán)格限制了電池的體積和質(zhì)量，進(jìn)而影響到設(shè)備的續(xù)航性，因此，通過其他方法保持?jǐn)?shù)據(jù)的連續(xù)性至關(guān)重要(Bartheletal.，2019)。由于大耳猬身體結(jié)構(gòu)特殊且喜歡在隱蔽的灌叢中活動，采用體外環(huán)頸式佩戴、斜挎式佩戴和粘貼式佩戴(Finlaysonetal.，2005)等傳統(tǒng)方法很難持久固定設(shè)備，為了不影響其正常活動及進(jìn)出洞穴，還需考慮設(shè)備安裝的位置及背包的形狀和大小等(Recioetal.，2011；Readingetal.，2016；Bartheletal.，2019)。此外，由于大耳猬特殊的身體結(jié)構(gòu)和應(yīng)激反應(yīng)，傳統(tǒng)方法似乎很難完成個體標(biāo)記，目前常用不同顏色的絕緣電線熱縮管標(biāo)記刺猬，但在野外條件下鮮艷的色彩是否會引起天敵或者人為注意從而對其造成影響不得而知(Mori，2015)。本文提出了一種新的大耳猬GPS設(shè)備附著及個體標(biāo)記的方法，它不會妨礙動物的移動，且易替換和移除。

1 材料與方法

1.1 背包設(shè)計

大耳猬體型較小且結(jié)構(gòu)特殊，在受到驚嚇時會迅速縮成球狀，將頭部及四肢蜷縮在腹面，只露出背上的棘刺。大耳猬背上的棘刺尖銳，光滑并且有較大的硬度，所以在設(shè)計GPS背包時，需充分考慮到其身體結(jié)構(gòu)，應(yīng)盡可能減小“背包”的面積，以防影響其運動或進(jìn)出洞穴。同時考慮到大耳猬為夜行性動物及生活環(huán)境等情況，采用黑色的牛仔布料并做成“枕頭”形狀，大小以剛好能裝下GPS為宜，背包四角各附有4根5 cm長的棉線繩。大耳猬的棘刺光滑密集，很難通過捆綁的方式將背包固定到其身上，并且時效性極差，所以同時采用捆綁法和膠粘法，棉線繩更易于和膠水結(jié)合從而使得粘合更牢靠。粘合采用哥倆好有限公司的302“AB”膠水。背包面積約為5 cm×5 cm，質(zhì)量為3.48 g，外側(cè)開口用于放置GPS。采用的GPS追蹤器(M001，Dingo)質(zhì)量為23.4 g，具有精度高、經(jīng)濟(jì)實用并且自帶聲音提示等優(yōu)點，同時支持?jǐn)?shù)據(jù)云端下載、超遠(yuǎn)距離操控及自行設(shè)置反饋時間等。

1.2 研究地概況

研究地位于中國科學(xué)院吐魯番沙漠植物園附近，植物園地處吐魯番盆地東南部恰特喀勒鄉(xiāng)境內(nèi)，距新疆維吾爾自治區(qū)吐魯番市東南約10 km，距烏魯木齊市約200 km，地理坐標(biāo)89°11′E，40°51′N，海拔-95～-76 m。地帶性土壤為原始灰棕色荒漠土，屬暖溫帶內(nèi)陸干旱荒漠氣候。終年干旱，夏季高溫，冬季寒冷，年平均降水量16.4 mm，年平均蒸發(fā)量3 000 mm，年平均氣溫14 ℃，平均濕度40%；極端最高溫度49.6 ℃，地面最高溫度80 ℃以上，極端最低溫度-28 ℃。園內(nèi)植物種類主要包括刺山柑Capparisspinosa、檉柳Tamarixspp.、沙拐棗Calligonumspp.、梭梭和駱駝刺等(尹林克，2004)。常見爬行動物有吐魯番沙虎Teratoscincusroborowskii、快步麻蜥Eremiasvelox、葉城沙蜥Phrynocephalusaxillaris和東方沙蟒Eryxtataricus等(林英英等，2016)。常見獸類有大耳猬、沙狐Vulpescorsac、紅尾沙鼠Merioneslibycus和子午沙鼠Merionesmeridianus等(買爾旦·吐爾干，阿布力半提·阿布都卡迪爾，2006)。

1.3 追蹤器安裝

2019年4月28日—5月3日，通過徒步或駕車的方式使用燈光尋找大耳猬，發(fā)現(xiàn)大耳猬后快速接近，待其因應(yīng)激反應(yīng)保持靜止后，先測量體質(zhì)量，選擇200 g以上的大耳猬作為試驗對象。稱量后置于透明養(yǎng)殖盒中，記錄性別。國外一般采用麻醉的方法固定大耳猬(Readingetal.，2016)。本研究采用直接捆綁的方法：用雙手拖住大耳猬的背部，使其腹部朝上，用剪刀在大耳猬身體的后 1/3 處的棘刺中剪出一塊與背包面積相仿的區(qū)域，這些棘刺由角蛋白質(zhì)組成，不包含血管和神經(jīng)，因此不會對大耳猬產(chǎn)生有害的影響(Bartheletal.，2019)。剪刺區(qū)域的選擇以不影響大耳猬運動或進(jìn)出洞穴為宜。用膠水將背包粘貼于此，操作過程中避免將膠水接觸到大耳猬的皮膚(圖1)。此外還需要將所有的線頭埋在刺下，防止大耳猬在灌叢或草地中走動時被纏繞，降低其因為操作方法不當(dāng)而被迫困住最終導(dǎo)致死亡的可能性(Schoenfeld & Yoram，1985)，最后將裝有GPS追蹤器的密封袋放到背包中并且用針線封口。

1.4 個體標(biāo)記方法

采用鳥類環(huán)志常用的半徑約5 mm的塑料腳環(huán)進(jìn)行個體標(biāo)記，放置于身體背部的前1/3處，將其兩端扣緊形成一個密閉的圓圈，按照圓圈平面與棘刺垂直的方向埋下，確保除環(huán)號以外的其余內(nèi)外兩側(cè)均被棘刺包圍，埋藏深度與棘刺的頂端平行。

最后確認(rèn)設(shè)備對大耳猬的自由伸展、蜷縮和運動沒有影響后原地釋放，詳細(xì)記錄GPS追蹤器編號、開機(jī)時間、個體編號及身體指標(biāo)等信息。在追蹤器搜索到信號以后，通過手機(jī)端將反饋時間設(shè)置為白天1 h一次，晚上10 min一次并持續(xù)監(jiān)測。

一般將體質(zhì)量變化作為評估動物對GPS背包反應(yīng)的衡量指標(biāo)，異常大的體質(zhì)量損失可能是受到脅迫或行為干擾的結(jié)果(Recioetal.，2011)。因為個體體質(zhì)量決定了身體狀況，即營養(yǎng)水平，因而在動物的生活史中具有重要意義。由于背包的負(fù)荷而產(chǎn)生額外的能量消耗和任何不利影響都可能減少個體的體質(zhì)量(Peig & Green，2009)，并且，由于追蹤器電量有限需根據(jù)電量及時重捕并更換新的GPS追蹤器，因此在每次重捕更換時記錄體質(zhì)量，以檢驗佩戴背包是否對大耳猬體質(zhì)量產(chǎn)生影響。

圖1 在大耳猥背部固定GPS背包
Fig. 1 Attaching the GPS backpack toHemiechinusauritus

1.5 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS 25.0對捕前體質(zhì)量和捕后體質(zhì)量進(jìn)行成對樣本t檢驗分析，用來評估背包對大耳猬的影響。在數(shù)據(jù)云端(www.gps902.net)將所有大耳猬的活動位點下載到Excel中，并利用ArcGIS 10.2進(jìn)行數(shù)據(jù)校正。使用ENVI 5.3.1將下載的研究地衛(wèi)星影像圖進(jìn)行幾何校正和裁剪等。

2 結(jié)果

共標(biāo)記大耳猬17只(表1)，通過定位追蹤及手機(jī)端監(jiān)控，成功重捕大耳猬15只。丟失的2只中，一只因為設(shè)備問題自動關(guān)機(jī)，丟失信號；另一只回收了GPS，沒有重捕到大耳猬，檢查背包發(fā)現(xiàn)該設(shè)備屬于非正常脫落，背包和棘刺的連接處有明顯被剪刀或利器切割的痕跡，可能是受到了當(dāng)?shù)鼐用竦娜藶楦蓴_。

共獲得有效數(shù)據(jù)點3 226個，平均每只大耳猬獲得有效數(shù)據(jù)點190個。在Arcmap 10.2中添加試驗地點衛(wèi)星圖，將GPS位點校正并疊加到地圖中，可以得到大耳猬的空間分布(圖2)。

追蹤期間，為防止大耳猬因背包被困導(dǎo)致死亡事件的發(fā)生，實時監(jiān)控大耳猬的運動狀態(tài)，每次重捕時詳細(xì)檢查背包的固定情況，未發(fā)現(xiàn)大耳猬因背包結(jié)構(gòu)或固定位置不合理而被困住所引起的死亡。

GPS背包對大耳猬兩性均沒有顯著影響，表現(xiàn)為兩性體質(zhì)量分別在負(fù)重前后的差異無統(tǒng)計學(xué)意義(雌性：t=0.848，df=7，P=0.424；雄性：t=0.282，df=6，P=0.787)。

表1 衛(wèi)星追蹤大耳猬的基本信息Table 1 List of satellite tracking information of Hemiechinus auritus

注： NA. 重捕失敗， 無數(shù)據(jù)

Note： NA. recapture failed， and no data obtained

在最后一次重捕大耳猬后，檢查所有背包并回收設(shè)備，未發(fā)現(xiàn)背包損壞，固定線也均無松動痕跡，GPS完好無損。

3 討論

刺猬作為冬眠的小型食蟲目動物，體質(zhì)量是評估其生存和健康的重要特征(Bartheletal.，2019)。刺猬的體質(zhì)量在不同時間段內(nèi)會產(chǎn)生明顯的變化，可能受到冬眠行為及繁殖行為等的影響(Reeve，1994)。短時間內(nèi)，體質(zhì)量的變化也可能與進(jìn)食和飲水有關(guān)，人工飼養(yǎng)環(huán)境下成年大耳猬日進(jìn)食量可達(dá)60.6 g，飲水量達(dá)14.3 mL(楊貴生，1991)。Rautio等(2013)研究發(fā)現(xiàn)，歐洲刺猬Erinaceuseuropaeus體質(zhì)量可以在2 h內(nèi)攝食20 g食物后快速增加。試驗期間，有7只大耳猬體質(zhì)量有所增加，9只呈輕度下降的趨勢，但差異均無統(tǒng)計學(xué)意義。

本研究使用的GPS背包總質(zhì)量26.88 g，約占試驗大耳猬體質(zhì)量的6%～12%。有研究表明，為了減小設(shè)備對動物正常生理活動的影響，要求其質(zhì)量不得超過動物體質(zhì)量的4%～10%(孫岳，張雁云，2009)或體質(zhì)量的5%經(jīng)驗法(Casper，2009)。該指示性估計值可用于確定動物可攜帶的發(fā)射器的近似質(zhì)量(Samuel & Fuller，1996)，但是不同動物的負(fù)重能力各有差異，例如在昆蟲研究中可以適當(dāng)增加，達(dá)到體質(zhì)量的30%以上(Hedin & Ranius，2002)。大耳猬是一種負(fù)重能力較強(qiáng)的動物，可以很好地攜帶不同的跟蹤設(shè)備(Recioetal.，2011)。Boitani和Reggiani(1984)將30～40 g的無線電追蹤器使用于體質(zhì)量小于500 g的刺猬，并未發(fā)現(xiàn)不利影響。由于刺猬體質(zhì)量在自然界中也呈現(xiàn)波動狀態(tài)，本研究未發(fā)現(xiàn)GPS設(shè)備對大耳猬體質(zhì)量造成突然的顯著性影響。

該背包裝置由黑色牛仔布料和純棉線繩組成，使用萬能膠(AB膠)而非環(huán)氧樹脂型膠水，主要是因為萬能膠在較短的粘合時間內(nèi)即可達(dá)到粘合效果且相對便宜，本研究安裝一個背包的成本在人民幣8元左右，經(jīng)濟(jì)實用。國外學(xué)者使用牙科復(fù)合材料固定1只刺猬約人民幣258元(Readingetal.，2016)，而使用熱膠固定也需人民幣23元(Bartheletal.，2019)。采用“枕頭”樣式的GPS背包，一是考慮到縮短安裝時間以減少對大耳猬造成的人為干擾，二是可拆卸式背包便于更換設(shè)備，更換時只需從外側(cè)的開口處進(jìn)行操作，不需要重新固定。實際安裝時間也證明了這一點，首次安裝，包括體質(zhì)量的測量及固定背包僅需要5 min左右。重捕檢查和更換設(shè)備所花費的時間不到1 min。這也是目前已知的最短的刺猬標(biāo)記處理時間之一，有利于對動物個體的脅迫降至最低。

圖2 部分大耳猬個體的活動位點
Fig. 2 The active sites of someHemiechinusauritusindividuals

小型動物的GPS精確定位并不代表較高的重捕率。大耳猬屬于夜行性哺乳動物，生性機(jī)警，行動較隱秘，在聽到有人靠近時會迅速逃跑或?qū)ふ艺诒挝锊啬?，本研究實驗地位于農(nóng)田荒漠交錯區(qū)，村莊、農(nóng)田、大棚及荒地分布毫無規(guī)律，相互嵌套、錯綜復(fù)雜，加上夜晚視野有限，所以僅靠設(shè)備精度重捕仍存在一定困難。GPS的多功能化會提供更多便攜的服務(wù)從而更大程度上提高效率，本研究使用的GPS追蹤器附帶聲音功能，當(dāng)靠近動物時打開聲音模式，追蹤器會開始播放音樂，便于在最短時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)個體，從而提高重捕率及降低丟失率。

電池壽命和設(shè)備體積對研究設(shè)計構(gòu)成重大障礙(Bartheletal.，2019)。由于大耳猬的體質(zhì)量較小，從而限制了GPS追蹤器的體積，這也就導(dǎo)致了設(shè)備電量不足以支撐長時間的連續(xù)監(jiān)測，尤其是大耳猬進(jìn)洞后，設(shè)備在反復(fù)搜索信號的過程中加速耗電，并且由于個體活動量及營巢地選擇的差異，設(shè)備的耗電量各不相同，有些設(shè)備可以持續(xù)工作2～3 d，而有些設(shè)備的電量只能維持1 d，通過剩余電量及時重捕并更換設(shè)備以優(yōu)化數(shù)據(jù)的連續(xù)性，從而盡可能獲得更多數(shù)據(jù)量，并且我們總能在第一次捕獲地點附近對大耳猬進(jìn)行重捕，這也一定程度說明背負(fù)GPS追蹤器及多次重捕對大耳猬活動的影響較小。

在棘刺上固定熱縮管已被廣泛用于刺猬的個體標(biāo)記(Dowdingetal.，2006)，但熱縮管與棘刺的形態(tài)結(jié)構(gòu)不完全匹配，且容易丟失，降低了有效性(Morietal.，2015)。使用彩色膠帶纏繞棘刺，并且將刺猬的身體細(xì)分為6個標(biāo)記區(qū)域，通過膠帶顏色和身體區(qū)域的組合來增加標(biāo)記的數(shù)量，可以有效使用標(biāo)記代碼(Morietal.，2015)，但該方法在個體較多時，由于標(biāo)記部位和數(shù)量較多，不夠簡便易行。本研究改進(jìn)的個體標(biāo)記技術(shù)綜合上述2種方法的優(yōu)點，僅用1個鳥類環(huán)志常用的塑料腳環(huán)(上面有唯一的編號)即可達(dá)到個體標(biāo)記目的。

吐魯番地區(qū)人口集中分布在城市周圍，研究地附近居民相對較少，以種植蔬菜和葡萄等為主，大耳猬常在農(nóng)戶家的菜地及牲畜圈落附近活動，活動較為隱秘，且活動節(jié)律和人類作息時間剛好相反，因此，由人為干擾所引起的設(shè)備丟失相對較少。

總之，GPS背包在不影響大耳猬正?；顒拥耐瑫r可以得到大量有效數(shù)據(jù)，是一種簡便且經(jīng)濟(jì)的方法，可以滿足短期監(jiān)測的要求。

致謝：野外工作得到新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)動物生物學(xué)實驗室王平、常笑康、王莉、鳥鵬穎等同學(xué)的大力幫助，特此致謝。