野生動物監(jiān)測現(xiàn)狀與技術方法的應用研究

李曉艷

寧夏固原市六盤山林業(yè)局，寧夏固原 756000

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

以大型動物物種為代表的全球動物群損失危機已經(jīng)超過了人類追蹤、監(jiān)測和了解生物多樣性及其生態(tài)系統(tǒng)變化的能力。以往的動物監(jiān)測方法主要依賴人工監(jiān)測，常常要耗費大量人力資源，同時因為一些環(huán)境條件，監(jiān)測人員難以穩(wěn)定監(jiān)測動物密度，影響野生動物監(jiān)測結果的有效性以及可信度。在現(xiàn)代先進技術手段的幫助下，現(xiàn)階段的野生動物監(jiān)測技術以及方法已經(jīng)逐漸突破了時間、環(huán)境等因素的桎梏，逐漸朝著自動化、智能化和非入侵性的趨勢發(fā)展。

1 野生動物監(jiān)測現(xiàn)狀

以往，野生動物監(jiān)測通常需要人工進行野外實地調(diào)查，不僅會耗費大量物力、人力以及財力，而且所需周期也相當久，資料收集能力也較弱，無法滿足生物多樣性保護的需求。近年來，隨著信息技術、傳感技術、人工智能等科技的持續(xù)發(fā)展和應用，野生動物監(jiān)測效率得到了大幅提升。

現(xiàn)階段，野生動物監(jiān)測的關鍵技術包括3個方面：基于無線通信的實時傳輸網(wǎng)絡、小型低功耗監(jiān)測設備的商業(yè)應用以及基于人工智能的自動識別算法和模型。例如，聲紋設備、紅外相機被用于收集野生動物聲學、圖像等信息資料，成為了野生動物監(jiān)測資料的關鍵來源。這些資料分辨率高、監(jiān)測來源多且覆蓋區(qū)域廣闊，相關部門可以通過這些資料預測野生物種、生態(tài)系統(tǒng)變化趨勢，以便更好地對野生動物進行精細化管理，保護生物多樣性。

2 野生動物監(jiān)測技術方法的應用

2.1 GPS追蹤技術方法的應用

無線電跟蹤技術主要借助無線電信號的傳輸來定位目標野生動物佩戴的發(fā)射器，從而掌握野生動物的位置信息，實現(xiàn)對野生動物的追蹤。GPS跟蹤技術的使用能夠獲取大規(guī)模、連續(xù)和高頻的動物運動資料。這類監(jiān)測技術受氣候因子干擾小，具有準確度高、重復性好等特點。GPS跟蹤技術可以助力動物學家獲悉動物的移動走向，從多個層面洞悉動物生態(tài)學中的關鍵問題，包括個體、種群、社區(qū)以及生態(tài)系統(tǒng)。當前，GPS跟蹤技術在監(jiān)測以及研究哺乳動物和鳥類的行為和運動方面得到普遍應用。例如，2023年4月，在報請國家林草局批準后，科研人員在云南省普洱市景東彝族自治縣境內(nèi)的云南無量山國家級自然保護區(qū)，成功為2只國家一級保護動物印支灰葉猴佩戴了GPS項圈跟蹤器，以借助于衛(wèi)星定位技術開展對該野生動物種群的監(jiān)測。這是我國迄今為止第一次通過對該物種佩戴項圈跟蹤器進行科研監(jiān)測，是對野生動物動態(tài)監(jiān)測的新嘗試，也是傳統(tǒng)野生動物調(diào)查監(jiān)測技術的延伸。

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

2.2 紅外相機技術方法的應用

紅外相機是一種配備了紅外傳感器或者運動傳感器的自動拍攝設備。在自然保護區(qū)的林區(qū)中，野生動物經(jīng)常活躍在無人值守的森林中。為了避免危險和傷害，多數(shù)野生動物都非常謹慎，遠離人類，保護區(qū)的工作人員要想清楚地了解野生動物的情況并不是一項容易的任務。因此，基于紅外觸發(fā)相機的野生動物監(jiān)測系統(tǒng)廣泛應用于野生動物種群監(jiān)測、多樣性調(diào)查以及種群密度評估等保護工作[1]。

紅外相機主要是借助動物和環(huán)境之間的溫差，在穿過相機的感應區(qū)域時野生動物自動觸發(fā)拍攝，以此收集野生動物的照片或視頻信息。由于紅外相機具備設計緊湊便攜、功耗低、圖像質(zhì)量高以及抵御惡劣環(huán)境的能力強等優(yōu)勢，野生動物研究人員能夠大范圍部署大量紅外相機，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)的野生動物人工調(diào)查(如使用動物足跡、糞便和其他痕跡)，無人紅外相機技術具有顯著優(yōu)勢，可適應許多野生動物的高度機動性、保密性和對人類的恐懼，提高監(jiān)測效率。此外，紅外相機的監(jiān)測具有非侵入性，不需要捕捉活體動物，有利于研究、保護和隱藏稀有物種。

一般而言，紅外相機可以對大多數(shù)具有獨特自然標記的貓科動物進行拍攝?；跇擞浳?重捕獲框架，工作人員可以了解動物種群參數(shù)(數(shù)量、存活率等信息)[2]。通過紅外相機的隱蔽拍攝，可實現(xiàn)全天候監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的野生動物，自動獲取野生動物圖像數(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，進一步掌握野生動物的活動及分布規(guī)律，并憑借這些資料更好地開展珍稀野生動物保護工作[3]。

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，利用紅外相機采集野生動物圖像數(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)的重要來源。目前，紅外相機技術已成為研究陸地哺乳動物和鳥類的主要工具之一，可以在更大的時空尺度上加強監(jiān)測工作，從而產(chǎn)生大量關于動物物種分布和豐度的新信息。這些信息對于了解保護現(xiàn)狀和提出問題解決方案至關重要。紅外相機獲得的圖像數(shù)據(jù)包括物種、位置、行為、日期、時間、天氣等基本信息。這些數(shù)據(jù)分辨率高、覆蓋范圍廣、來源廣，不僅提供了豐富、多維的物種分布和豐度動態(tài)數(shù)據(jù)，還記錄了各種野生動物的行為等相關特征，使研究人員能夠更好地預測和管理可能發(fā)生的重大變化，了解動物種類和生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀[4-6]。

隨著數(shù)字無源紅外相機的出現(xiàn)和廣泛應用，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，紅外相機在我國各地也得到了廣泛推廣。紅外相機能夠監(jiān)測若干個物種，研究種間關系的時空機制、群落多樣性和動態(tài)，為掌握區(qū)域內(nèi)的動物種類、種群、數(shù)量和群落組成、物種分布情況提供重要依據(jù)，并為加強地方野生動物保護管理以及資源利用提供重要參考。例如，2017年8月25日，六盤山國家級自然保護區(qū)管理局安裝在六盤山林區(qū)的紅外相機拍到了我國北方稀有野生動物——毛冠鹿。毛冠鹿屬于國家二級野生保護動物，通常在我國亞熱帶海拔1 000～4 000 m之間的山上分布，在我國福建、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)在我國最北端的區(qū)域是南北分水嶺——秦嶺。此次利用紅外相機監(jiān)測到毛冠鹿，將該類野生動物的活動范圍向北延伸了500 km。

2.3 DNA條形碼技術方法的應用

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

相關研究發(fā)現(xiàn)，標記擴增引物可以將多個樣本的PCR產(chǎn)物混合進行高通量測序，通過生物信息學方法獲得每個樣本的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，標記擴增引物可以及時、精準、經(jīng)濟地設置DNA條形碼數(shù)據(jù)庫。盡管個體標本的識別仍舊很關鍵，但DNA條形碼已逐漸應用于整個群落生物的識別中[9]。隨著NGS(高通量測序)平臺的發(fā)展，DNA宏條形碼技術可以幫助監(jiān)測和評估生物群體的多樣性。

2.4 高通量測序技術方法的應用

高通量測序是一種常規(guī)的實驗技術，以能一次性并行對數(shù)萬條DNA分子進行序列測定和一般讀長較短等為標志，該技術方法在生態(tài)學研究中應用較多。高通量測序方法主要包括鳥槍測序(宏基因組學)以及擴增子測序，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別生物群和其作用。因此，高通量測序資料能夠當作通用、環(huán)境獨立的生物監(jiān)測系統(tǒng)，可通過劃分和關聯(lián)序列中的相應節(jié)點處理好生態(tài)煩瑣的網(wǎng)絡關聯(lián)性。

高通量測序的流程中，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借助于基因特異性引物擴增靶系統(tǒng)發(fā)育或功能標記基因片段。“通用引物”通常在擴增生物體內(nèi)主要的系統(tǒng)遺傳信息標記基因中比較適用。此方式同樣能夠用于靶向和標記功能基因，特別是部分進行生物地球化學循環(huán)的基因，并進行生態(tài)系統(tǒng)功能的評估。同時，該方法還可以擴增或測序生態(tài)系統(tǒng)發(fā)育或功能標記基因。宏基因組學在這一步中以擴增為目標，并且把提取的DNA隨機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擴增步驟中極易出現(xiàn)的分類偏差。但是，一個群落內(nèi)的全基因覆蓋通常要求提取較多的DNA，而宏基因組學需要的經(jīng)費目現(xiàn)階段比宏基因測序高得多。高通量測序資料給予了基于序列之間差異的分類或功能多樣性評估標準，并且同等序列的數(shù)量還能夠用于對相對多度進行預測[10-11]。

近年來，高通量測序技術應用越來越廣。它最為顯著的優(yōu)勢是使用了單分子讀取技術，從而提高了數(shù)據(jù)讀取速度，并大大提升了測序通量和測序讀取長度。同時，高通量測序技術有效突破了PCR擴增偏倚的約束。因此，高通量測序技術能夠推斷無脊椎動物樣本中各物種的總DNA含量，并評估各類群的生物量以及相對多度，促使其在無脊椎動物多樣性監(jiān)測和研究中的發(fā)展得到有效應用。

3 野生動物監(jiān)測技術方法應用建議

3.1 加強各種技術方法的交叉集成

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

由此可見，有必要強化各種方法的交叉集成，解決相關問題，大幅提高野生動物監(jiān)測質(zhì)量，實現(xiàn)從分子進化、種群變化以及群落組成等方面來反映生態(tài)系統(tǒng)維持機制的目標[12]。

3.2 構建綜合監(jiān)測野生動物信息服務共享系統(tǒng)

構建綜合性監(jiān)測服務系統(tǒng)是今后野生動物監(jiān)測的發(fā)展方向。通過建設共享系統(tǒng)能夠高質(zhì)量地優(yōu)化、集成當前關鍵監(jiān)控技術，還可以集成大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、智能技術等現(xiàn)代化信息技術。綜合性監(jiān)測服務系統(tǒng)可以通過全面感知、實時傳輸以及智能在線處理進行操作，全面觀測、實時采集、聯(lián)網(wǎng)和智能化多源數(shù)據(jù)，并依托智能平臺實現(xiàn)野生動物監(jiān)測資料的綜合管理和智能化管理，從而更高效地開展野生動物監(jiān)測工作[13-14]。

4 結束語

野生動物監(jiān)測是生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測、管理和保護的重要任務之一。隨著社會的不斷發(fā)展以及科學技術的不斷創(chuàng)新和進步，野生動物監(jiān)測技術和方法發(fā)生了極大變化，逐漸從以往依靠人工觀測轉向自動化、信息化以及智能化觀測。監(jiān)測野生動物多樣性的重要技術手段具有對動物干擾小、人為因素少、物種識別準確、監(jiān)測不間斷等優(yōu)點。在新時代，通過大力應用紅外相機技術、GPS追蹤技術、DNA條形碼技術、高通量測序技術等現(xiàn)代化監(jiān)測技術和設備，能夠大幅提升對野生動物的監(jiān)測水平，也有助于進一步了解野生動物的種類、數(shù)量和棲息地狀況，為加強野生動物保護提供重要的科學依據(jù)。