四种菊头蝠在不同状态下回声定位声波的可塑性

张现政，黄晓宾 ，王玉娟，杨金颋，郑小燕

（1.大理大学病原与媒介生物研究所，云南省自然疫源性疾病防控技术重点实验室，大理，671000；2.东北师范大学环境学院，吉林省动物资源保护与利用重点实验室，长春，130000）

蝙蝠（翼手目，Chiroptera）是仅次于啮齿类（Rodentia）的第二大哺乳动物类群。全世界已知蝙蝠共21 科230 属超过1 400 种，约占哺乳动物总数的20%［1］。作为唯一真正拥有飞行能力的哺乳动物，蝙蝠分布于全球除两极和某些太平洋岛屿外的其他地方，是分布最广泛的哺乳动物［2］。同时，除狐蝠科（Pteropodidae）部分物种外，绝大多数蝙蝠物种都能够发出回声定位声波，并通过提取回声中的时空信息来感知周围世界，从而实现空间导航、猎物追踪和目标识别等目的。大量研究指出，蝙蝠正是凭借复杂而强大的回声定位能力，才成功占据许多动物难以利用的夜空生态位，也成为进化最为成功的动物类群之一［3-4］。

自20世纪40年代Dijkgraaf［5］首次证实蝙蝠能够发出回声定位声波用于躲避障碍物后，针对蝙蝠回声定位声波的研究从未停止，其中，对蝙蝠回声定位声波可塑性的研究是近30 年来的一个热点领域。这些研究认为，蝙蝠在不同捕食阶段或不同生境中，为适应活动任务和外界环境的变化能主动调节所发回声定位声波的结构。例如，当蝙蝠通过回声定位声波搜索周围猎物时（搜索阶段，search phase），可发出持续时间较长且频带较窄的声波以探测猎物；当蝙蝠发现并逐渐接近猎物时（接近阶段，approach phase），所发声波持续时间变短且频带变宽；在抓获猎物之前的最后阶段（结束阶段，terminal phase），声波持续时间急剧缩短，重复率显著增大，在获取最大化信息量的同时避免声波与回声的重叠［6-9］。此外，当蝙蝠在开阔生境飞行或捕食时，因没有障碍物及回声干扰，蝙蝠能发出持续时间较长和主频较低的回声定位声波，进而实现远距离探测；当蝙蝠进入复杂生境（如森林）后，则发出持续时间短、间隔时间短且高频的声波，不但可避免声波和回声重叠，也可近距离精确分辨猎物和周围环境［10-11］。

蝙蝠在不同行为状态下的回声定位声波同样存在可塑性变化，如孙克萍等［12］证实马铁菊头蝠（Rhinolophus ferrumequinum）在飞行状态下所发回声定位声波的持续时间、间隔时间和主频均较悬挂状态低。同样的结果也在彭乐等［6］对大蹄蝠（Hipposideros armiger）和中蹄蝠（H.larvatus）的研究中被发现。但令人疑惑的是，李艳丽［13］通过对中华菊头蝠（Rhinolophus sinicus）4 种行为状态（飞行、悬挂、布袋和手持）下回声定位声波的研究，发现飞行状态下的主频显著低于其他3 种状态，但持续时间却明显高于其他 3 种状态。刘颖等［14］也发现普通长翼蝠福建亚种（Miniopterus schreibersii parvipes）飞行状态下所发回声定位声波的主频显著高于悬挂和手持状态下的声波，持续时间则是悬挂状态最长。不同的结果可能源自：（1）不同的研究存在实验环境及研究者处理方式等方面的差异；（2）蝙蝠回声定位声波在不同行为背景下的可塑性变化存在种间差异。因此，为更加全面地揭示蝙蝠在不同行为状态下的回声定位声波可塑性变化，需要在相同实验条件下对多个蝙蝠物种进行声信号采集和分析。鉴于此，本研究选择回声定位能力较发达的菊头蝠科（Rhinolophidae）4种蝙蝠（大耳菊头蝠Rhinolophus macrotis、贵州菊头蝠Rh.rex、马铁菊头蝠和中菊头蝠Rh.affinis）为研究对象，对在飞行、手持和悬挂状态下发出的回声定位声波进行录制，通过分析声波脉冲的持续时间、间隔时间和主频参数的变化，系统地探究蝙蝠在不同行为状态下回声定位声波的可塑性。

1 研究方法

1.1 研究地点

法古甸村位于云南省昆明市晋宁区双河彝族乡，平均海拔1 937 m，属于低纬度高原北亚热带季风气候，年平均气温12 ℃，年平均降水量890 mm，四季如春，干湿季分明，植被覆盖度较高，多为常绿阔叶林，为蝙蝠提供了理想的栖息环境。

2022 年7 月，以法古甸村仙人洞为研究地点开展工作。仙人洞位于法古甸村农田边，洞口向下延伸，深约100 m，洞口宽约6 m，高约2 m。洞穴内栖息大耳菊头蝠、短翼菊头蝠（Rh.lepidus）、小菊头蝠（Rh.pusillus）、贵州菊头蝠、马铁菊头蝠、中菊头蝠、三叶小蹄蝠（Aselliscus stoliczkanus）、大卫鼠耳蝠（Myotis davidii）和华南水鼠耳蝠（M.laniger）等多种蝙蝠，集群数量达上千只。

1.2 蝙蝠捕捉

试验前，在洞外搭建临时录音实验棚（9 m×4 m×4 m），实验棚顶部覆盖黑色遮光布，棚内无障碍物，以防对蝙蝠在棚内的活动造成干扰。实验棚距村庄和蝙蝠洞穴均超过100 m，能够有效避免人类活动和蝙蝠洞穴内杂音对声波录制产生的潜在影响。在傍晚蝙蝠飞出前，于洞口处悬挂雾网，捕捉外出觅食和归洞的蝙蝠。通过蝙蝠翼的掌骨和指骨连接处的愈合程度判断年龄，如抓捕到亚成体以及怀孕和哺乳个体则立即释放。将捕获的蝙蝠放置在干净透气的布袋内，每布袋放置1 只，带回实验棚内录制声波。试验全程采用正确姿势持握蝙蝠，轻拿轻放，避免对蝙蝠造成伤害。最终捕获18 只成年菊头蝠科蝙蝠，分别是大耳菊头蝠7 只、贵州菊头蝠4 只、马铁菊头蝠4只和中菊头蝠3只。

1.3 回声定位声波录制与分析

逐一将蝙蝠放于录音棚中，自由飞行一段时间后，使用超声波录制仪（Avisoft-UltraSoundGate 116H，Avisoft Bioacoustics，Germany）获取每只蝙蝠飞行状态下的回声定位声波。录制仪与笔记本电脑（联想ThinkBook，中国）连接，采样频率为375 kHz，精度为16 bit（后续声波录制参数与此一致）。之后，捕获蝙蝠并用手将其控制住，使用超声波录制仪录制每只蝙蝠在手持状态下发出的回声定位声波。最后，在棚内释放蝙蝠，任由其自由悬挂在大棚顶部，待蝙蝠安静数分钟后，录制悬挂状态下的回声定位声波。每种行为状态下每只蝙蝠至少录制5 min的声音文件。待录音完毕后，将蝙蝠带回捕捉地放飞。

选择每只蝙蝠每种行为状态下具有较高信噪比（＞30 dB）的10 个回声定位声波脉冲进行分析。声学分析仅分析每一脉冲的最大能量谐波，分析测量的参数包括脉冲持续时间（pulse duration）、脉冲间隔时 间（inter-pulse interval）和主频（dominant frequency，能量最高处的频率），软件为Avisoft SASLab Pro（Avisoft Bioacoustics，Germany），声学分析参数统一设定：Hamming window，512 FFT，75% overlap，100% frame size，频率分辨率为732 Hz，时间分辨率为0.341 3 ms。

1.4 统计分析

为比较每种蝙蝠在不同状态下所发回声定位声波的差异，对每种蝙蝠声波的脉冲持续时间、脉冲间隔时间和主频参数进行K-S 检验（Kolmogorov-Smirnov test），以明确声学数据是否为正态分布。若数据为正态分布，使用单因素方差分析（one-way ANOVA）比较同一物种在3 种行为状态下发出的声波是否存在差异，如存在差异则通过最小显著差法（least-significant difference，LSD）进行两两比较，明确任意2 种状态下的声波差异。若数据为非正态分布，使用克鲁斯卡尔-沃利斯秩和检验（Kruskal-Wallis test）判定同一种蝙蝠在3 种状态下的声波差异，如存在明显差异使用邓恩检验（Dunn’s test）确定任意2种状态下的声波差异。以上统计使用SPSS 26.0和R 4.1.2进行，显著性水平设为0.05。

2 结果

2.1 4种菊头蝠回声定位声波特征

4 种菊头蝠在不同行为状态下的回声定位声波均为调频-恒频-调频（FM-CF-FM）型，能量也均主要集中在第二谐波的CF 部分，其中中菊头蝠主频最高，其后依次为马铁菊头蝠、大耳菊头蝠和贵州菊头蝠（图1）。

图1 4种菊头蝠在3种行为状态下所发回声定位声波的时域波形和声谱Fig.1 Sound envelopes and spectrogram of echolocation calls emitted by four species of horseshoe bat in three behavioral statuses

2.2 4种菊头蝠不同状态下回声定位声波差异

大耳菊头蝠在飞行、悬挂和手持3 种状态下所发出的回声定位声波存在显著差异（脉冲持续时间：F=36.339，p＜0.001；脉冲间隔时间：χ2=81.483，p＜0.001；主频：χ2=12.526，p=0.002）。其中，飞行状 态下声波的脉冲持续时间和脉冲间隔时间显著长 于手持和悬挂状态（p＜0.01），而手持和悬挂状态 间脉冲持续时间和脉冲间隔时间差异并不显著（图2A、B）。飞行状态下声波主频显著低于手持和悬挂状态，而手持和悬挂状态间声波主频无明显差异（图2C）。

贵州菊头蝠在3 种状态下所发回声定位声波存在明显差异，脉冲持续时间（F=11.075，p＜0.001）和脉冲间隔时间（F=8.409，p＜0.001）差异显著，但主频并无显著差异（χ2=0.461，p=0.794））（图2A-C）。飞行状态下声波的脉冲持续时间和脉冲间隔时间显著长于手持和悬挂状态，而手持和悬挂状态间脉冲持续时间和脉冲间隔时间差异不显著（图2A、B）。

马铁菊头蝠在3 种状态下发出的回声定位声波存在显著差异（脉冲持续时间：F=6.901，p=0.001；脉冲间隔时间：F=8.238，p＜0.001；主频：χ2=11.694，p=0.003）。悬挂状态下声波的脉冲持续时间和脉冲间隔时间显著长于飞行和手持状态，而飞行和手持状态间脉冲持续时间和脉冲间隔时间差异不显著（图2A、B）。飞行状态下声波主频显著低于手持和悬挂状态，而手持和悬挂状态间声波主频差异不显著（图2C）。

中菊头蝠在3 种状态下发出的回声定位声波存在明显差异（脉冲持续时间：F=13.317，p＜0.001；脉冲间隔时间：F=9.600，p＜0.001；主频：χ2=42.074，p＜0.001）。悬挂状态下声波的脉冲持续时间和脉冲间隔时间显著长于飞行和手持状态，飞行状态下脉冲持续时间显著长于手持状态，而飞行和手持状态间脉冲间隔时间差异并不显著（图2A、B）。飞行状态下声波主频显著低于手持和悬挂状态，而手持和悬挂状态间声波主频差异不显著（图2C）。

3 讨论

本研究在相同试验条件下获取了大耳菊头蝠、贵州菊头蝠、马铁菊头蝠和中菊头蝠在飞行、手持和悬挂3 种状态下所发回声定位声波，在进行比较分析后发现：（1）大耳菊头蝠和贵州菊头蝠在飞行状态下所发声波的脉冲持续时间和脉冲间隔时间均最长，与手持和悬挂状态相比差异显著；而马铁菊头蝠和中菊头蝠在悬挂状态下所发声波的脉冲持续时间和间隔时间最长，与飞行和手持状态相比差异显著，且中菊头蝠在手持状态下的脉冲持续时间明显短于飞行状态；（2）除贵州菊头蝠外，其他3 种蝙蝠在飞行状态下所发声波的主频显著低于手持和悬挂状态。以上结果证实，蝙蝠在不同行为状态下的回声定位声波表现出明显的可塑性，且这种可塑性存在种间差异。

有研究发现，马铁菊头蝠、大蹄蝠和中蹄蝠在悬挂（静息）状态下所发回声定位声波的脉冲持续时间和间隔时间均比飞行状态下长［6，13］。本研究对马铁菊头蝠和中菊头蝠不同行为状态下回声定位声波的分析结果与这一结论一致。一种推测认为，在快速飞行过程中，蝙蝠若发出较短持续时间和间隔时间的声波不仅能够有效缓解所发声波脉冲与回声的重叠，同时也有利于提高脉冲的重复速率，最终保证蝙蝠快速获取多变的时空信息［15］；另一种推测则认为，发出更多的回声定位声波脉冲需要蝙蝠消耗更多的能量，而当蝙蝠处于悬挂（静息）状态时，对获取外界环境信息的需求变少，为了节约能量，便会减少单位时间内发出的脉冲数量［16］。本研究也发现，马铁菊头蝠和中菊头蝠在手持状态下所发声波的脉冲持续时间和间隔时间显著小于悬挂状态，甚至中菊头蝠在手持状态下的声波持续时间还显著小于飞行状态，这与刘颖等［14］对普通长翼蝠的研究结果一致，可能是手持状态下蝙蝠受到捕食威胁和惊吓，发出更为急促的声波以获取更多关于周围环境和捕食者（实验人员）的信息。本研究对大耳菊头蝠和贵州菊头蝠在不同行为背景下的声学可塑性分析得到了不同结果，即在飞行状态下所发声波的脉冲持续时间和间隔时间均显著长于悬挂和手持状态，可能原因是：相比马铁菊头蝠（翼载：9.45 N/m2）和中菊头蝠（翼载：7.70 N/m2），大耳菊头蝠（翼载：5.77 N/m2）和贵州菊头蝠（翼载：6.02 N/m2）具有较小的翼载，表现出速度较慢但更加灵活的飞行能力，因此飞行状态下不用担心所发声波脉冲和回声产生重叠，为了最大化获取信息，蝙蝠也相应增大所发声波的时间参数［17-19］。

本研究中大耳菊头蝠、马铁菊头蝠和中菊头蝠在飞行状态下所发回声定位声波的主频显著低于手持和悬挂状态。冯江等［9］、孙克萍等［12］、李艳丽［13］和郭伟健等［16］在对马铁菊头蝠、普氏蹄蝠（Hipposideros pratti）、华南菊头蝠（Rhinolophus huananus）和大蹄蝠在不同行为状态下回声定位声波的比较分析中也发现类似结果，并认为不同状态下的主频差异可能是由恒频蝙蝠的多普勒补偿效应引起，即恒频蝙蝠在飞行过程中，由于逐渐地接近前方目标，不断发出回声定位声波的主频会随着距离缩短而相应升高，故许多种类蝙蝠为使所听到回声的频率维持在其听觉最为敏感的频率范围内，往往会主动将发出的声音频率降低［9，12-13，16］，这一现象在刘颖等［14］和朱旭等［20］对调频蝙蝠（普通长翼蝠和大棕蝠江南亚种Eptesicus serotinus andersoni）的研究中未被发现。但本研究结果证实，贵州菊头蝠在飞行状态下所发回声定位声波的主频与其他2 种状态相比并无显著差异，可能是贵州菊头蝠自身声波主频较低（24.1～24.9 kHz），虽然仍为超声波，但已接近许多动物类群的可听声学频率范围，如果过多降低飞行状态下的主频可能导致回声定位声波被潜在猎物和捕食者窃听，从而影响捕食和反捕食行为。

本研究证实菊头蝠在不同状态下的回声定位声波具有明显的可塑性，可通过改变回声定位声波结构来更好地适应行为状态的变化。但本研究仍存在一些不足：一是试验中捕捉的蝙蝠数量较少，未来的试验应加大蝙蝠样本量；二是受制于环境条件，临时实验棚搭建较为简陋，内部空间较小不利于蝙蝠飞行；此外，虽然在试验过程中尽力避免人为活动对蝙蝠的影响，但在蝙蝠的声波采集过程中，录音人员的活动难免会对蝙蝠状态造成影响。以后的试验应尽量避免或减少上述不利因素的影响，增加样本量和优化试验条件，深入开展蝙蝠声波的研究，也可探索不同的环境因子对蝙蝠回声定位声波的影响。