基于红外相机技术的黑龙江中央站黑嘴松鸡国家级自然保护区兽类和鸟类初步监测

李国富尹伟平邱国良李天芳李显达陈福元张俊利

(1.黑龙江中央站黑嘴松鸡自然保护区管理局，嫩江，161499；2.黑龙江省濒危野生动物救护繁育中心，哈尔滨，150040)

红外相机技术，指利用自动相机系统获取野生动物图像数据(照片或视频)，并通过处理图像数据进一步分析野生动物的种群数量、分布范围、行为特点以及生境利用等相关信息，从而为野生动物保护和管理以及野生动物资源的利用提供参考[1-4]。目前，国内外红外相机技术在实际科研工作中主要在以下几个领域得到广泛推广：(1)科研单位或保护区利用红外相机技术针对区域内野生动物进行本底资源调查工作，易于捕捉到一些活动频率较低动物的活动画面[5-6]；(2)动物行为学研究，但目前仍多应用于大型兽类或活动范围较小的类群[7]；(3)区域内生物多样性监测和保护[8]；(4)野生动物通道监测[9]；(5)猫科动物(如东北虎Pantheratigrisaltaica、东北豹Pantherapardusorientalis)专项调查与研究[10]；(6)估算动物种群密度等[11-12]。但目前红外相机技术在鸟类研究中的应用仍处于停滞状态，原因是大多数鸟类活动范围太大且活动规律难以确定，导致无法确定红外相机固定位置；体型小、移动速度快，增加了红外相机的成像难度。

黑龙江中央站黑嘴松鸡国家级自然保护区位于黑龙江省黑河市嫩江县境内，地处大小兴安岭过渡地带的伊勒呼里山南麓，松嫩平原北部边缘。地处黑河市爱辉区、嫩江县、内蒙古自治区莫力达瓦达斡尔族自治旗、鄂伦春自治旗四县区毗邻地界。地理坐标为E125°44′57″～126°13′31″，N50°38′23″～50°48′10″。保护区南北长28 km，东西宽24 km，总面积46743 hm2。东依小兴安岭，西靠嫩江，地势北高南低，东高西低。最高海拔620.1 m，最低海拔330.0 m，坡度多在5°～15°之间。地形起伏不大，岗脊平缓，沟宽谷阔，河谷多沼泽，无明显山峰。气候属温带大陆性季风气候，但也兼有寒温带大陆季风气候特征。保护区是典型的高寒森林生态系统，区内有森林、灌丛、湿地和草甸。森林有针叶林、针阔混交林及阔叶林；湿地有森林沼泽、灌丛沼泽和草本沼泽，以及沼泽化草甸等多种植物群落。保护区内水体分属于嫩江水系，河流纵横、沼泡遍布，与区内的森林、灌丛、草甸、沼泽相互交替，保护区大部分面积都被森林所覆盖，森林覆盖率达82.4%。

为了更加深入了解保护区内野生动物组成的多样性，我们采用红外相机监测技术，开展了为期一年的科研监测工作，为保护区后续的科研项目及保护管理工作提供科学依据。

1 研究方法

1.1 红外相机布设

2015年7月至2016年7月，在黑龙江中央站黑嘴松鸡国家级自然保护区按照每8 hm21台的布设密度布设了80个红外相机监测位点，每个调查位点布设1台红外相机(夜鹰SG-990V，相机拍摄或感应的最远距离可达20～25 m)，相邻相机最小间距为500 m[13]，对区域内的大型兽类和鸟类进行为期12个月的连续监测。

相机主要布设在动物经常活动的地点(兽径，取食痕迹等)，直接捆绑在离地面1～1.2 m高度的树干上，且镜头垂直于兽径方向，确保相机前方无树枝树叶及较高草本植物或灌木遮挡[14-15]，并记录每个相机的位点坐标、布设时间及其周围生境等相关信息。每两个月更换1次电池及存储卡，并及时对所拍摄到的影像资料进行整理归类。

相机参数设置包括日期和时间，拍摄模式为照片+视频，照片像素为1200万，连拍张数2张，视频分辨率为1920×1080，视频长度为10 s，音频录制开启，温度单位为摄氏度，输入相机编号。

1.2 数据整理与分析

整理红外相机拍摄的照片，去除无效重复照片，利用视频辅助照片对独立有效照片中所拍摄到的兽类及鸟类进行识别分类并进行编号[16-17]，列出相应名录并标记出保护级别及兽类的相对丰富度指数等指标。其中兽类的物种识别与分类参照《中国哺乳动物名录(2015)》[18]，鸟类识别与分类参照《东北鸟类图鉴》[19]及《中国鸟类分类与分布名录》[20]。

其中，tni表示在相机位点i正常工作的捕获日[23-24]。

其中，H′为群落中物种多样性指数；C为种群优势度指数；S为调查记录的动物种类种类数；pi为群落中第i种动物的独立有效照片数占群体中总独立有效照片数的比值[25]。

对相对丰富度较高的西伯利亚狍(Capreoluspygargus)、野猪(Susscrofa)、赤狐(Vulpesvulpes)的活动节律进行分析，按照12时辰计时法，以每2 h为间隔计算各个时间段的相对丰富度(Timeperiod relative abundance index，TRAI)，计算公式如下：

TRAI=Tij/Ni×100

其中，Tij代表第i类(i=1，2，…)动物在第j时间段(j=1，2，…)出现的有效照片数，Ni代表第i类动物的有效照片总数[26]。

群落中优势种指数公式：Ti=Ni/N

其中，Ti为群落中优势种指数；Ni为群落中第i个物种的个数；N为群落中物种总个数。当Ti≥10%时，该物种为极优势种，当10%>Ti≥1%时，该物种为优势种，当1%>Ti≥0.1%时，该物种为常见种，当0.1%>Ti≥0.01%时，该物种为稀有种，当0.01%>Ti时，该物种为偶见种。

2 结果

2.1 物种多样性与相对丰富度

本次调查共布设80部红外相机，累计监测5509个相机工作日，共获得可鉴别出具体物种的独立有效照片1009张(占有效照片总数的58.46%)，其中，兽类997张，占独立有效照片总数的98.81%，鸟类12张，占独立有效照片总数的1.19%。可确定兽类和鸟类共计6目15科19种，其中，兽类3目7科10种(表1)，鸟类3目8科9种(表2)。其中国家Ⅱ级重点保护动物5种，分别为狼(Canislupus)、猞猁(Lynxlynx)、棕熊(Ursusarctos)、雪兔(Lepustimidus)、驼鹿(Alcesalces)；列入CITES附录的保护动物有5种；列入IUCN红色物种名录的有12种，其中易危物种1种，低危物种11种。

表1 红外相机调查拍摄到的兽类名录

Tab.1 Mammals recorded from camera traps

续表1

注：保护级别：Ⅰ-国家Ⅰ级重点保护种类；Ⅱ-国家Ⅱ级重点保护种类；Ⅲ-列入《国家保护的有益的或者有重要经济、科学研究价值的陆生野生动物名录》种类

CITES：A-附录Ⅰ种类；B-附录Ⅱ种类；C-附录Ⅲ种

IUCN红色名录：CR-极危种类；EN-濒危种类；VU-易危种类；NT-近危种类；LC-低危种类

Note：Protection class：Ⅰ-the national first-grade state key protected wildlife；Ⅱ-the national second-grade state key protected wildlife；Ⅲ-Lists of Terrestrial Wildlife Under State Protection with Beneficial or Important Economic or Scientific Value

CITES：A-AppendicesⅠ；B-AppendicesⅡ；C-AppendicesⅢ

IUCN Redlist：CR-Critically Endangered；EN-Endangered；VU-Vulnerable；NT-Near Threatened；LC-Least Concern

表2 红外相机调查拍摄到的鸟类名录

Tab.2 Birds recorded from camera traps

续表2

注：保护级别：Ⅰ-国家Ⅰ级重点保护种类；Ⅱ-国家Ⅱ级重点保护种类；Ⅲ-列入《国家保护的有益的或者有重要经济、科学研究价值的陆生野生动物名录》种类；Ⅳ-黑龙江省地方重点保护种类；Ⅴ-《中日保护候鸟及栖息环境协定》共同保护鸟类

CITES：A-附录Ⅰ种类；B-附录Ⅱ种类；C-附录Ⅲ种类

IUCN濒危物种红色名录：CR-极危种类；EN-濒危种类；VU-易危种类；NT-近危种类；LC-低危种类

Note：Protection class：Ⅰ-the national first-grade state key protected wildlife；Ⅱ-the national second-grade state key protected wildlife；Ⅲ-Lists of Terrestrial Wildlife Under State Protection with Beneficial or Important Economic or Scientific Value；Ⅳ-local key protection types in Heilongjiang；Ⅴ-Agreement on the Protection of Migratory Birds and Habitat in China and Japan

CITES：A-AppendicesⅠ；B-AppendicesⅡ；C-AppendicesⅢ

IUCN Redlist：CR-Critically Endangered；EN-Endangered；VU-Vulnerable；NT-Near Threatened；LC-Least Concern

利用多样性指数和优势度指数分别对拍摄到的兽类、鸟类以及兽类+鸟类3个方面的多样性进行分析，保护区内兽类的多样性指数为0.8411，优势度指数为0.6229，鸟类的多样性指数为2.1383，优势度指数为0.1250，兽类+鸟类的多样性指数为0.9211，优势度指数为0.5745。

兽类的相对丰富度指数较高，其中相对丰富度指数最高的动物是西伯利亚狍，为13.47；其次是野猪，为3.29；排在第3位的是赤狐，为0.60。保护区内西伯利亚狍的分布最广，在所布设的80部红外相机中有52部获得了西伯利亚狍的有效照片，占相机总数的65.00%，共拍摄到西伯利亚狍的独立有效照片742张，识别出西伯利亚狍个体907只次，优势种指数为70.15%(极优势种)；野猪的分布仅次于西伯利亚狍，共有35部红外相机拍摄到野猪的有效照片，占相机总数的43.75%，共拍摄到野猪的独立有效照片181张，识别出野猪个体308头次，优势种指数为23.82%(极优势种)。鸟类的相对丰富度较低，共拍摄到鸟类9种，且各物种只拍摄到1～2张有效照片。

2.2 常见物种的日活动规律

根据红外相机照片记录的拍摄时间，可以确认西伯利亚狍、野猪、赤狐这3种动物在每日的活动规律，3种动物在不同季节存在不同的活动高峰，西伯利亚狍在春季5：00～7：00出现第一个活动高峰期，随后活动频率逐渐下降，到15：00～17：00期间活动频率又缓慢上升，到17：00～19：00时段出现一天中的第二个活动高峰期；夏季早活动高峰较春季相比提前一个时段，在3：00～5：00出现第一个活动高峰期，夏季整体活动趋势与春季相同，午间为活动频率较低时段，晚活动高峰期较春季相比延后一个时段，在19：00～21：00时达到第二个活动高峰期；秋季一天活动出现3个高峰时段，早活动高峰与春季相同都出现在5：00～7：00，随后活动频率下降，到午间11：00～13：00出现白天活动频率最低时段，晚高峰较春季提前两个时段，在17：00～19：00时段未采集到西伯利亚狍活动的有效图片，随后在19：00～21：00又出现了一天中的第3个高峰期；冬季西伯利亚狍的活动主要出现在7：00～17：00，其余时间活动频率较低，第一个高峰值出现在9：00～11：00，随后有所下降，第二个高峰期出现在13：00～15：00，在17：00～19：00时段未采集到西伯利亚狍活动的有效图片。野猪在春夏两个季节的活动高峰期均出现在19：00～21：00，其他时段活动高频率相对较低，秋季出现早晚高峰分别为5：00～7：00、21：00～23：00，冬季活动高峰期出现在7：00～9：00、23：00～1：00，其余时段活动频率较低。赤狐在春夏秋3个季节活动较为稳定，没有较明显的高峰期，但在冬季19：00～21：00时段出现明显的活动高峰期(图1)。

图1 3种常见动物的日活动节律Fig.1 The daily activity patterns of three kinds of common animals

3 讨论

利用红外相机技术对黑龙江中央站黑嘴松鸡国家级自然保护区的兽类和鸟类资源进行监测，获取了大量的野生动物影像资料，可确定的兽类和鸟类共计6目15科19种，其中，兽类3目7科10种，鸟类3目8科9种。国家Ⅱ级重点保护动物5种，分别为狼、猞猁、棕熊、雪兔、驼鹿。中央站保护区已30年没有狼的野外记录，此次通过红外相机在两个不同位点分别拍摄到2次(均为单只)狼的活动影像，能够说明狼作为食物链顶端生物，由于保护区生态环境转好，野猪、西伯利亚狍等野生动物种群数量的不断增长，确保了充足的食物来源，同时缺乏种间和种内激烈的领地和食物竞争，极其有利于狼在保护区内获得良好的种群增长空间并恢复稳定的种群数量；驼鹿为大型植食性鹿科动物，由于其活动规律的隐蔽性，之前仅在保护区内野外记录过几次粪便，此次通过红外相机记录到3次驼鹿活动影像(2雌1雄，均为单只)，一定程度上为驼鹿种群数量的恢复和增长提供了可能；棕熊为大型熊科杂食性动物，在野外记录的几率极低，此前仅在保护区内记录过活动痕迹(卧迹、爪痕、足迹等)，此次调查通过红外相机2次记录到棕熊的活动影像，其中一张照片摄到5只棕熊(1大4小)同时活动，说明棕熊已经在保护区内形成稳定的繁殖种群，1只母熊同时抚育4只幼崽，也说明保护区生态环境良好，食物来源非常充足。

优势种是指群落中占优势的物种，具体表现为个体数量多，生活能力强。此次调查结果显示，保护区内兽类的种群结构比较完整，其中西伯利亚狍和野猪为保护区内的绝对优势种，优势种指数分别为70.15%和23.82%(Ti≥10%)，而其他兽类的种群数量和相对密度均低于西伯利亚狍和野猪的种群数量，其中，赤狐和雪兔的种群数量相对稳定，为保护区优势种，优势种指数分别为2.63%和1.39%(10%>Ti≥1%)。其他如狼、猞猁、棕熊、狗獾、貉、驼鹿等，均为保护区内的常见种(1%>Ti≥0.1%)。西伯利亚狍为大型植食性野生动物，由于保护区内植物资源极为丰富，保证了充足的食物来源，同时西伯利亚狍的繁殖能力较强，加之保护区内天敌(狼等)数量较少，目前，种间竞争成为限制西伯利亚狍的种群数量增长过快和维持种群动态平衡的唯一因素，对西伯利亚狍的整个种群发展起着至关重要的作用。野猪为大型杂食性动物，保护区内充足的食物来源、超强的繁殖能力、缺少天敌等因素使野猪的数量增长极为迅速，保护区周边仍存有的少部分耕地，间接为野猪提供了更加富有养分的饵料，也成为促进野猪种群发展的重要因素。

对研究对象进行日活动规律分析得出，大部分野生动物的活动规律较为隐蔽，同时活动空间呈现多样化特点，给监测工作带来较大不便。对保护区内相对丰富度较高的西伯利亚狍、野猪、赤狐活动规律进行分析，春夏季节西伯利亚狍的活动均出现早晚高峰时段，夏季白昼时间较春季长，西伯利亚狍活动的早高峰较春季提前一个时段，晚高峰较春季延后一个时段，秋季与春季相比活动早高峰出现在相同的时段，由于白昼时间变短，气温逐渐降低，西伯利亚狍的活动规律逐渐向冬季过度，晚高峰时段较春夏季相比均提前，与冬季晚高峰出现在同一时段，由于保护区地处大小兴安岭过渡地段，冬季气温较低对西伯利亚狍的活动规律有所影响，冬季的活动主要集中在7：00～17：00之间，其余时段活动频率较低。野猪在春夏季夜晚活动频率明显高于其他时段，出现活动晚高峰，秋冬季具有明显的早高峰，野猪的活动高峰期与陈奕欣的研究结果相类似[27]。利用红外相机对兽类的种群数量及活动节律等方面的研究，可以对传统的调查方法所得数据进行补充和应证。

本次调查红外相机的布设属于重点区域布设法，对于调查保护区内物种的多样性具有较大的指导作用，但相对于物种种群密度及种群数量的计算，会产生较大的误差。同时由于红外相机应用技术的局限性，即对于小型兽类(如猬目Erinaceomorpha、啮齿目Rodentia等)及鸟类(如雀形目Passeriformes中的大多数)等动物难以获得有效数据[28]。本次调查记录的9种鸟类中，雉科(Phasianidae)、鸦科(Corvidae)和鸠鸽科(Columbidae)鸟类具有的共性特征即为个体较大，且种群数量较多，如环颈雉(Phasianuscolchicus)，属大型地栖鸟类，相比其他鸟类被红外相机捕捉到的概率更大；而沼泽山雀(Paruspalustris)、树鹨(Anthushodgsoni)等鸟类在灌丛、林地、草甸等各类生境类型均有较广的分布，同时活动频率较高，被红外相机捕捉到的概率要大于其他鸟类。

根据监测对象及监测目的不同，红外相机的布设方式有所差异。兽类监测一般设置红外相机离地面高度为80～100 cm，鸟类(大型鸟类)监测一般设置红外相机离地面高度为40～60 cm，拍摄成功率相对更高。同时布设红外相机时要注意以下事项：选择较粗的树木绑定红外相机，可减少因刮风、降雨等引起树木大幅摇摆造成错误触发的问题；尽量避免阳光正对相机镜头，否则会引起错误触发以及拍摄质量降低等问题；定期清理红外相机镜头前杂草及周围生长的树叶，避免杂物摆动会错误触发；定期清理、擦拭红外相机镜头，避免因灰尘聚积或蜘蛛类昆虫结网等影响拍摄质量。

受红外相机数量和布设区域范围限制，本次调查结果仍有部分重要物种未被监测到，同时也不能够直接对整个保护区内的物种数量及种群密度进行准确计算，为全面掌握保护区内野生动物的多样性状况及各物种的种群动态情况，需要投入使用更多、更先进的红外相机和更加科学的调查方法。