生物学野外实习物种鉴定能力培养体系的构建

金晓芳， 张 琪， 王华梅， 杜 巍， 汪小凡

（武汉大学生命科学学院，武汉 430072）

0 引 言

神农架林区是华中地区物种多样性宝库，是我国中部山地植被垂直分布表现得最为清晰、完整的地区之一［1］。据不完全统计，保护区内拥有各类植物4 000多种，包括菌类730 多种、地衣190 多种、苔藓300 多种、蕨类290 多种、裸子植物30 多种及被子植物2 430多种，其中有40 种为国家重点保护植物［2］。各类动物有5 700 多种，包括兽类70 多种、鸟类300 多种、两栖类20 多种、爬行类40 多种、鱼类40 多种及昆虫4 143多种，其中金丝猴、金雕等73 种动物被列入国家重点保护动物名录，另外具有重要经济、科学研究价值的野生动物259 种［3］。

神农架丰富的物种多样性使其成为华中地区各大高校生物学野外实习的理想之地，为实习提供了天然的教学宝库。同时，生物学野外实习累积的物种鉴定资料也将大大增加对神农架物种多样性的了解。从2001 年开始，我校生命科学学院所有生物学专业学生均需参加神农架生物学野外综合实习。目前已经形成了较为完整的生物学野外实习教学体系，特别是在物种识别和鉴定方面积累了大量的教学经验。

1 生物学野外实习教学体系

实习涉及动物生物学、植物生物学、微生物学和生态学等学科内容（见图1）。与其他高校的生物学野外实习相同，应重视在生物多样性认知实践基础上强化学生创新能力培养，即野外实践课程以培养学生创新意识和野外实践能力为首要目标，但是学生相关能力培养需在野生动植物类群认知训练的基础上才能完成［4-6］。因此在72 学时的野外实习课程中，动植物标本的采集、制作和鉴定占比36 课时（http：/ /wisl2017.whu.edu.cn/）。

图1 野外综合实习内容和物种鉴定实验教学方案

自建立神农架野外实习基地以来，我校生命科学学院累积了大量动植物标本和资料，为学生野外物种鉴定能力提高创造了有利条件［7］。经过21 年的野外实习经验的累积，构建了一套完整的物种鉴定体系，包括物种鉴定的教学体系和评价体系，以及最终的标本保存和数据库建设体系（见图2）。

图2 野外综合实习物种鉴定能力培养体系

2 物种鉴定能力培养体系的构建

2.1 物种鉴定教学体系的构建

神农架野外实习每年7 月初进行，为期9 d，实习结束后于7 月底提交实习报告。每次实习人数约150人，分4 个实习班，每个实习班被分6 个小组，每组约5 ～7 人。学校为每个组准备了植物和昆虫标本采集和制作工具，为每位同学配备了1 台双筒望远镜用于观鸟。物种鉴定教学流程为：学生先听实习老师的讲解，然后采集标本，鉴定标本，制作标本永久保存，最后将鉴定结果写入实习报告用于评分。

2.1.1 教师讲解

为了让学生尽量多的观察到不同的动植物，课程设计了10 条野外考察路线：

（1）天生桥。海拔0.90 ～1.20 km。考察常绿阔叶林植被，采集植物标本，考察和采集水生植物。具体步行路线图见图3（a）。

图3 部分实习路线图

（2）神农祭坛。海拔约1 km。考察珍稀、濒危植物和药用植物，采集昆虫标本。

（3）漳宝河谷。海拔1.1 ～1.5 km。考察常绿与落叶阔叶混交林，采集植物和昆虫标本。具体步行路线图见图3（b）。

（4）官门山。海拔1.1 ～1.4 km。参观自然展览馆，学习动植物标本制作，考察珍稀动物和植物。

（5）木鱼坪-香溪源。海拔1.2 ～1.3 km。学习植物和昆虫标本采集、制作和鉴定，学习木本植物群落调查方法。

（6）红坪画廊-野马河。海拔1.5 ～2.0 km。考察珍稀濒危植物，采集昆虫及水生动物标本。

（7）燕子垭。海拔约2.2 km。考察鸟类生境与行为生态，考察原始森林，采集原始森林中的植物标本和土壤微生物样本。具体步行路线图见图3（c）。

（8）小龙潭-金猴岭。海拔2.2 ～2.5 km。考察落叶针叶林及珍稀动物生境。

（9）板壁岩-神农顶。海拔2.6 ～3.1 km。考察亚高山草甸，学习草本植物群落调查及昆虫访花活动监测方法，采集草甸和原始森林中的微生物样本。

（10）大九湖。海拔约1.7 km。考察亚高山湿地，采集水生植物、浮游生物和大型真菌和标本。

每次实习会根据考察地点距实习基地的远近、天气等因素，选择合适的考察路线。学校为3 个生物类群，即维管植物、昆虫和鸟类安排了相关的讲课老师：

（1）维管植物。每个实习班的植物组由1 位老师带队讲解沿途的植物，包括植物的科、属、种、识别特征及用途等。共4 位植物讲解老师，轮流给4 个实习班讲解。

（2）昆虫。与植物相同的讲解模式，每个实习班的动物组由1 位老师带队，共4 位动物讲解老师，轮流给4 个实习班带队。

（3）鸟类。实习前4 d，每天轮流一个实习班进行鸟类观察，观察时间段为每天上午6：00 ～7：00。共3位教师讲解鸟的种类、识别特征和生活习性，每位老师带领约13 个学生进行学习。观鸟路程约1.2 km。每个组的目标鸟种为10 个，除了此次集中讲解，每个人还可在整个实习期间就发现的鸟类询问讲解老师。

除了学校的任课老师，另外聘请其他机构的相关专业老师为实习讲解老师，例如请神农架川金丝猴保护区的研究员讲解金丝猴的种类和生活习性。

2.1.2 标本采集

《神农架野外科学考察手册》是武汉大学生物学专业野外实习的教材，内容包括植物、昆虫和微生物标本的采集和制作。这里简单介绍植物、昆虫和微生物标本采集的具体流程。

（1）维管植物。植物采集主要集中在动植物讲解路线，其中一些路线的部分区域为保护区，不允许采集，但是在保护区之外可适当采集。每个小组至少采集150 种植物，每种植物采集标本3 ～5 份。除了集中采集路线，在后续的小课题研究期间也可自行采集植物标本。

（2）昆虫。昆虫标本采集路线同植物标本采集路线。采集目标为每个小组至少15 个目的昆虫，具体的科、属和种无限制。采集工具为捕虫网、扫网、毒瓶和三角纸袋等。采集的环境有草丛、枯树、溪边、石下等。此外会集中安排天气晴朗的晚上进行灯诱。

（3）微生物。微生物标本的采集包括两个部分，空气微生物和土壤微生物。空气微生物的采集为给每个小组发放牛肉膏蛋白胨培养基、虎红培养基和改良高氏培养基各3 块（平皿直径9 cm）。采集办法为：打开皿盖并将皿盖口向下放置在一旁，使培养基表面完全暴露在空气中；20 min 后盖上皿盖，将平板倒置，于室温培养一周后观察菌落生长状况。土壤微生物每个小组采集1 管（15 mL EP管），采集办法为先将表层1 cm土壤及杂物清理干净，再将铁锹擦拭干净以减少杂菌污染，继续铲挖土层至10 ～20 cm，再用无菌不锈钢勺取土样于无菌离心管中至1/2 处。所有微生物样品采集完成后交给微生物学实验老师进行集中保管，土壤微生物样品用于下一年级的微生物学实验课，完成后续的分离和鉴定。

2.1.3 标本制作

《神农架野外科学考察手册》详细介绍了植物和昆虫标本制作流程，这里进行简单概括。

（1）维管植物。①整型：用枝剪略加修剪标本，剪去超出台纸大小以及不美观、重叠过多的部分以方便压制；②编号和记录：号签上填写采集人、采集号、采集时间以及采集地点等信息；③压制：将已挂上号签的新鲜标本平放草纸上，尽可能展平，避免过多的重叠，最后将所有标本用标本夹绑紧压实；④烘干：烘干之前整理标本，一层标本一张纸板，用标本烘干机烘干标本，并且注意翻晾直至完全干燥；⑤上台纸：将压干后的标本背面刷上白胶置于台纸上压实，并在适当位置贴上胶带加强固定，注意左上方及右下方留足位置贴记录签及鉴定签。

（2）昆虫。①固定：用昆虫针将虫体固定于展翅板或展足板。②整姿：要求附肢自然伸展，跗节不要蜷缩，前足、中足和后足的位置符合物种自然状态下的姿势。③展翅：按要求将翅展开到规定位置。④位置调整：昆虫标本定型完成后将多余昆虫针除去，插上采集签和鉴定签，利用三级台进行标本和采集鉴定签位置高低的调整。⑤保存：将昆虫标本保存于昆虫标本盒内，加入樟脑丸防虫。

2.1.4 物种鉴定

学生在鉴定过程中的鉴定顺序一般为先查阅教材《神农架常见动物图谱》和《神农架常见植物图谱》以及其他书籍；同时根据APP识别结果在工具书和网站根据图形和文字描述进行识别和确认；如果还未鉴定出来可咨询相关老师，最终将鉴定结果、物种特征和检索路径写入实习报告。对于植物和鸟类需鉴定到种，而对于昆虫需尽量鉴定到科或属一级。空气微生物根据菌落形态鉴定霉菌、细菌和放线菌的数量，根据真菌/总菌百分率评价空气质量，百分率越高空气污染越小。

（1）书籍。

维管植物为方便生物学专业本科生在实习中尽快识别神农架野生植物，由武汉大学生命科学学院教师主编的《神农架常见植物图谱》于2015 年由高等教育出版社出版［8］，本书收录了维管植物163 科，1 000种。其中包括蕨类植物26 科、70 种，裸子植物7 科、20种，被子植物130 科、910 种。图谱在物种的选择上，以野外实习路线上常见的植物为主，适当选取珍稀濒危植物和系统发育上有一定重要性或代表性的种类。

昆虫和鸟类在多年的神农架实践教学中累积了大量动物图片资料，为更有效地开展神农架野外实践教学，同时也为爱好者更直观地认识神农架动物资源，《神农架常见动物图谱》于2017 年出版。本书总计有214 科、588 种动物图片，具体为昆虫纲19 目、132 科、358 种，蛛形纲9 科、21 种，鸟纲47 科、150 种，哺乳动物4 科、6 种，此外还有硬骨鱼纲、两栖纲和爬行纲若干种。

此外，武汉大学国家级生物学实验教学中心还建立了物种鉴定书库，包括植物、昆虫、鸟类、鱼类、淡水藻类、土壤动物等，方便学生在实验室进行物种鉴定。其中昆虫包括各个级别的专著，如目级别的膜翅目、鳞翅目，以及科级别的如胡蜂科、蜂虻科等。目前书库还在不断扩充中。

（2）智能识别软件。

维管植物植物智能识别软件较多［9］，例如，①“花伴侣”由中科院植物研究所出品，基本囊括所有花卉植物，适合用于园林花卉识别，鉴定到属准确率较高，但是定种准确率则不高，并且识别率会受到拍照角度的影响；②另外一款类似的APP“形色”，但相较于“花伴侣”的识别速度稍慢；③“Biotracks（生命观察）”是由中国科学院昆明植物研究所标本馆于2016 年发起的公众科学项目，该项目旨在建立一个由公众、科学志愿者、生物学家支持的在线共享网络，并通过自然观察记录的方式，完成全球生物多样性地图的绘制。“Biotracks”不仅包含植物类群（苔藓、地衣、维管植物），也包括两栖类、真菌、鸟、鱼、昆虫和兽等［10］。3种APP均在微信中有小程序。国外也有相应的植物识别APP，如“plantsnap”（https：/ /www.plantsnap.com/）但不如国内的APP 方便使用。另外，国外物种识别APP“inaturalist”有较强的识别和记录功能，但安装较困难。经过综合比较，选取“Biotracks（生命观察）”APP作为教学软件来识别并记录植物和昆虫，其中植物记录生活环境、小地点、行政区划、采集时间、采集份数、海拔、植物习性、经纬度、采集号、采集类群、采集人等信息；昆虫记录生活环境、寄主、个体数量、小地点、采集时间、采集方式、海拔、经纬度、行政区划、群体编号、采集类群、采集人等信息。

昆虫昆虫种类较多，目前开发较好的智能识别软件有“晓虫”和“识蝶”微信小程序，其中“晓虫”小程序目前包含3 998 个昆虫分类单元，且在持续更新。其他APP如“甲天下”目前还有待继续完善。

鸟类目前鸟类识别有“懂鸟”微信小程序，可识别全球鸟类11 088 种（IOC World Bird List v 12.1，https：/ /www.worldbirdnames.org/new/），不仅可以根据照片识别，而且也可听音辨鸟，还可浏览搜索每种鸟类的信息，例如鸟的形态、分布、分类、濒危程度和鸟鸣等。

值得注意的是智能识别APP 所得鉴定结果只能作为辅助使用，需要进一步根据形态特征进行识别，扎实掌握分类学的知识和原则才是准确判断物种种类的关键。

（3）网站。由武汉大学生命科学学院建立的“神农架生物学野外综合实习网”（http：/ /snsx.whu.edu.cn/）。展示了实习基地的自然资源、野外考察路线和野外科学工作方法，并提供了互动交流平台。该网站包含一定的物种鉴定内容，但是不能满足学生鉴定需要，针对每种类群建议用特定的网站方便学生进行鉴定，特别是一些图鉴网站，下面简要介绍部分相关网站。

维管植物关于植物鉴定的网站国内目前最为全面的有：①“植物智”（http：/ /www.iplant.cn/），“植物智”是基于中国植物志、中国植物图像库、花伴侣智能识别体系整合打造的植物智慧信息系统，提供植物物种百科、图片、分布、识别、APP等相关信息和工具［11］；②“联盟图片”（https：/ /image.cubg.cn/）可搜集全世界的植物及其他生物，除了拉丁学名，也可输入地点、特征等进行搜索。外文植物网站较为权威且全面的有： ① “World Flora Online”（http：/ /www.worldfloraonline.org/），截止至2022 年7 月11 日，收集了有描述的160 127 个名字，有分布的36，166 种植物，引用的植物182 001 种，其中381 959 种为已知物种，共57 419 张图片；②“Plants of the World Online”（https：/ /powo.science.kew.org/），截止至2022 年7月11 日，收集了世界上123.4 万个全球植物名称，14.04 万个详细描述和36.7 万个图片。

昆虫国内昆虫鉴定的国内网站较为全面的有：①“物种网”（http：/ /www.sppchina.com/）旗下的“昆虫网”（http：/ /www.insects.site/），目前展示了28 个目的昆虫，其中蚂蚁有专门的网站展示“蚂蚁网”（http：/ /www.ants-china.com/）（收录蚂蚁11 个亚科）；②“嘎嘎昆虫网”（http：/ /gaga.biodiv.tw/9701bx/in94.htm），收录昆虫总数9 161 种。国外网站：①“BugGuide”（https：/ /bugguide.net），主要记录美国和加拿大的昆虫、蜘蛛、蜈蚣、蝎子等虫子，可就相关类群及世界广布种提供鉴定参考；②“Butterflies”（https：/ /www.learnaboutbutterflies.com/index.htm），是当前关于蝴蝶和飞蛾最完整、最权威的指南，网站由超过2 000 页的信息和5 000 多张图片组成。

鸟类鸟类物种鉴定较为全面的有①“中国野鸟图库”（http：/ /www.cnbird.org.cn/first_pc.html），截止至2022 年7 月11 日，一共收集了1 838 个物种，69 317 张照片，②《中国鸟类野外手册》网络PDA 版（http：/ /www.cnbird.org.cn/shouce/c.asp.htm）。另外网站“中国观鸟记录中心”虽不用于鉴定，但已成为公众观鸟科学项目的平台［12］。

除了以上专类网站，有一些综合性的网站也非常适合进行物种鉴定，例如国内网站NSII-中国国家标本资源平台（http：/ /www.nsii.org.cn）汇集了大量植物、动物、化石等各种标本照片和彩色照片。国外网站①“inaturalist”（https：/ /www.inaturalist.org/），已经被广泛应用于公众科学调查项目［13］；②“discoverlife”（https：/ /www.discoverlife.org/），详细介绍了物种鉴定依据，有详细的检索表可逐步检索到对应的科、属、种；这两个网站都包含了动物、植物、真菌等各个类群，且有分布地图，遗憾的是中国的数据目前还较少。

关于物种鉴定的网站较多，学生可以用相关的动植物拉丁名（科、属、种均可）作为检索词在网站“必应”（https：/ /cn.bing.com/），“谷歌”（https：/ /www.google.com/）等浏览器进行检索查找相关网站。另外有一些QQ/微信群互助群也经常被用于物种鉴定交流，这里经常有相关专业分类学者的参与。

2.2 物种鉴定评价体系

2.2.1 实习报告打分

实习报告以小组为单位提交。每个小组在Biotracks中下载植物和昆虫标本采集和鉴定信息的Excel表格，和标本相同的编号写入实习报告中作为植物和昆虫的打分依据，教师打分时同时检查标本和鉴定结果。植物鉴定在神农架完成，昆虫标本可在返回学校后继续鉴定。由于鸟类无法采集到标本作为凭证，因此无法打分，在以后的实习中会采取措施弥补这方面的缺陷，例如配备3 或4 台长焦镜头和相机用于每天每个实习班级的观鸟拍照，以照片和鉴定结果作为评分依据。

维管植物以采集到的植物标本种类数量和鉴定准确度为依据进行小组打分，每个小组采集标本至少150 种，组与组之间物种可以重合。同时每位同学需写出5 种植物的检索路径，根据检索路径的正确与否进行个人评分，同小组内所选检索路径植物不同。

昆虫每个小组至少采集15 个目的昆虫标本，在此基础上采集的种类越多小组评分越高，每个小组至少采集昆虫标本100 种。同时每位同学需写出5 种昆虫的检索路径，根据检索路径的正确与否进行个人评分，同小组内所选检索路径昆虫不同。

鸟类每个小组在实习结束后在“中国观鸟记录中心”（http：/ /www.birdreport.cn/）提交观鸟记录，下载Excel后放入实习报告中。鸟类每个小组至少记录10 种鸟，此要求基本均可满足，因此鸟类观察不作为小组实习报告物种鉴定评分依据。

需要注意的是，目前的物种鉴定水平，所有植物均可到种，但是昆虫除较为常见的广布种，其余较难鉴定到种，甚至有可能是新种，因此不做种鉴定的打分要求。但是鼓励学生将昆虫鉴定到种，如果鉴定准确，可作为额外的加分。

2.2.2 物种识别竞赛

物种识别竞赛在神农架实习基地举行，由植物、昆虫和鸟类各派出一位老师出题，其中植物选25 种，昆虫16 种，鸟类9 种，所有物种均为当年实习期间调查到的常见种类。学生根据植物、昆虫和鸟类彩色照片进行抢答，植物需答对科、属和种三个级别的信息，昆虫和鸟类则包含目、科、属和种四个级别的信息。鸟的识别较为容易，因此会采取掩盖部分的方式考察，答不出来再显示全图。

2.2.3 物种鉴定综合得分

每位同学物种鉴定最终得分=小组实习报告物种鉴定得分（50%）+个人物种检索得分（50%）+物种识别竞赛加分（1 ～3 分/人）。

2.3 物种保存体系

2.3.1 标本馆

维管植物野外实践课程中采集了大量的植物标本［14］，目前已有14 000 余份收藏于武汉大学植物标本管，每年学生新采约2 000 千份标本，会选出质量较好的约450 份上台纸，然后择优保存于标本馆。

昆虫所有昆虫标本保存于教学中心昆虫标本室，目前已收集昆虫19 个目，146 科，8 530 头标本。每年还以大约800 头的速度增加，教学中心老师会记录每一头标本的信息，并筛选出新增的种类保存。

鸟类武汉大学万林艺术博物馆展示了鸟类1 050种/亚种，共1 247 件标本供同学们和所有大众进行参观学习。馆内陈列的鸟类标本数量为全国首位，涵盖了我国90%以上的种。

2.3.2 数据库

维管植物武汉大学标本馆在武汉大学图书馆数据库中建立了武汉大学植物标本馆网络平台（http：/ /apps.lib.whu.edu.cn/biaoben/index_new.asp），可直接浏览检索武汉大学标本馆的所有标本（图4 为其中一份标本照片），另外所有经数字化后的标本信息也提交于国家标本平台（教学标本子平台）。标本图片和数据可借助于网络平台供教学和科学研究开放使用。

昆虫目前准备开展昆虫标本数字库的构建（图5 为其中部分标本照片），方便学生浏览往届学生的昆虫标本和采集信息，更好更快的鉴定自己采集的昆虫标本。另外昆虫大部分很难鉴定到种，需要借助DNA条形码进一步鉴定［15］，相关DNA 序列信息将上传至NCBI，其序列号也作为数据库的一个部分保存。

图5 昆虫数字标本馆建设标本照片

3 结 语

通过生物学野外综合实习物种鉴定体系的探索与实践，不断更新与完善教学体系和神农架物种数据库，提高了学生鉴定野外物种的能力，培养了学生对物种多样性的认知水平，增加了对濒危物种的保护意识。使学生能更好地观察植物、昆虫和鸟类等生物的特征，加深对他们的了解，进而在小课题研究中更为严谨的探讨相关科学问题，进一步锻炼学生的创新能力和实践能力。