基于小型哺乳动物调查的城市平原生态环境变化监测方法与流程

本发明属于环境保护和监测，具体为一种基于小型哺乳动物调查的城市平原生态环境变化监测方法。

背景技术：

1、城市的平原区作为城市山区和中心城区的生态廊道枢纽和重要节点，分布有大量农田和一定数量的荒野，提供着与山区和中心城区不同的独特生境类型。在生物多样性保护方面是发挥着不可替代的作用，是城市近十多年来生态建设的主要实施区域，是城市生态廊道的重要节点区，在生物多样性恢复方面具有极大潜力。在平原地区小型哺乳动物数量和种类在哺乳动物中均占优势，几乎不存在大型哺乳动物，因此，小型哺乳动物是城市平原区生态环境的主角。

2、除此以外，以小型哺乳动物作为衡量城市生态环境变化的指示物种具有诸多的优越性。第一，当生态环境发生变化时，小型哺乳动物在城市生态环境中，既不像昆虫那样反应过分敏感，也不像大型哺乳动物那样具有较长的时滞；第二，在城市生态环境中，小型哺乳动物数量较多，又处于食物链相对较高的等级，且常常集群活动，便于观察和定量统计分析；第三，它们迁徙能力有限，活动区域较狭窄，能更好的反映某一区域生态环境质量变化。因此，选取小型哺乳动物作为城市生态环境变化监测指标，能够科学准确有效的反映城市生态环境综合质量变动。

3、然而，不同的小型哺乳动物调查与监测方法，对生态环境综合质量变化监测结果影响很大。通过梳理国内外参考文献资料，目前常用的小型哺乳动物调查与监测方法，主要包括样线调查法、红外相机拍摄法、谢尔曼陷阱法、朗沃思陷阱法、笼捕法、竖琴网网捕法、居民访谈法、鸣声回放法、聚光灯搜寻法、回声定位叫声侦测法和痕迹搜寻法。

4、如：样线法需要沿选定的一条路线观察并记录样线及两侧出现的哺乳动物及其活动痕迹的调查方法，通常样线1-5公里不等，这就要求调查队员不仅要耗费大量的时间与体力，而且调查只能在白天进行，对于在夜间更活跃的小型哺乳动物仅能发现个别活动痕迹，无法鉴定到种，且无法准确估计区域小型哺乳动物的数量和物种丰富度。

5、红外相机自动拍摄法指观测者利用红外感应自动照相机，下称红外相机，自动记录在其感应范围内活动的动物影像的调查方法。红外相机拍摄法普遍应用于哺乳动物调查，但是红外相机法不仅存在设备采购与维护费用极高，且对于夜间活动，且移动快速的小型哺乳动物，拍摄画面都会失真，无法获取清晰的影像资料，导致物种无法鉴定，无法获取调查区域物种数量和物种丰富度。

6、笼捕法、陷阱法、网捕法均需要捕捉小型哺乳动物，在调查过程中，第一，会出现采样过程中小型哺乳动物死亡；第二，进行损伤采样均需要向相关部门申请采样，手续繁琐，而且无法随时开展工作；第三，在同一区域长期进行监测需要反复损伤性采样，对区域的小型哺乳动物数量种类影响较大，无法准确评估区域生态环境质量。

7、另外非损伤性取样指在不触及或不伤害哺乳动物本身的情况下，收集其脱落的毛发、遗留的粪便、尿液、食物残渣或其他附属物的调查方法。该方法适合长期开展监测，但是收集其脱落的毛发、遗留的粪便、尿液、食物残渣或其他附属物无法准确鉴定小型哺乳动物的物种。

8、通过逐一分析，发现目前国内外传统的小型哺乳动物调查与监测方法，均不适用于针对城市平原区生态环境长期监测。我们需要研发一种新型的、有效的、成本低廉、结果科学的方法，作为城市生态环境监测的方法。

9、鸮形目鸟类均以动物为食，包括小型哺乳动物、小型鸟类、昆虫、蚯蚓、蛙、蜥蜴等。以北京越冬的长耳鸮为例，它的主要食物为啮齿目、翼手目和小型鸟类。长耳鸮将猎物整个吞下，待消化后将不能吸收的皮毛骨头几丁质等杂物混成团状吐出，称为食丸。食团形状多样，有椭球形、圆球形、扁球形及不规则形状，颜色深灰或灰白，刚吐出的新鲜食团表面有类似唾液包裹着的薄膜。部分食团的内容物，如骨路，裸露在外。有些食团剥开成粉状散开，有些则被动物毛紧紧粘结。根据研究发现，长耳鸮食团的内容物有：兽类及鸟类骨豁、鸟类羽毛、兽毛、未完全消化的鼠类、麦粒、植物种子等。王军馥在上海长耳鸮的研究发现，长耳鸮每天吐食团的时间不固定，在8点半至17点之间，吐食团的时间间隔不固定。统计分析，长耳鸮单个完整食团内动物的头骨数量为0-4不等，内含1-2个头骨的食团占64.43％。单只长耳鸮一天吐出食团内分离出的头骨为1-3个，即单只长耳鸮每天捕食个动物1-3个体。

10、通过收集长耳鸮的食丸，对食丸进行处理和鉴定，有望便捷的获取一个区域的小型哺乳动物数量和物种丰富度，但现有技术中对于长耳鸮的研究除其本身生物学方面的研究大部分集中在仿生学，尚未检索到将其用于环境监测方面的研究。

技术实现思路

1、本发明主要目的是设计一种基于小型哺乳动物的城市平原区生态环境变化监测方法，将采用鸮形目长耳鸮食丸内容物鉴定，来获取区域的小型哺乳动物数量和种类数据，从而监测区域生态环境综合质量变化。以期为依靠指示作用较好的小型哺乳动物长期观测，为判断城市生态环境综合质量变化状况提供技术支撑。本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

2、一种基于小型哺乳动物调查的城市平原生态环境变化监测方法，包括以下步骤：

3、步骤一：确定长耳鸮食丸收集点；

4、步骤二：获取捕食范围区域内森林、灌丛、草地、耕地覆盖面积占比和生物量：以长耳鸮食丸收集点为中心点，以10km为半径，获取长耳鸮捕食范围，每年1次通过遥感解译的方式，获取区域内森林、灌丛、草地、耕地覆盖面积占比和森林、灌丛、草地的生物量；

5、步骤三：获取捕食范围区域内森林、灌丛、草地的维管植物物种丰富度：在长耳鸮观测的次年7-8月份，以长耳鸮食丸收集点为中心点，3公里范围内，设置植被调查样方，所述样方为10m*10m，包括类型：草地、灌木林和乔木林，每种类型的样方不少于3个，调查记录样方内基本信息，获取区域内森林、灌丛、草地的维管植物物种丰富度，每年7～8月份对样方植被生境质量信息开展复测；

6、步骤四：食丸采集：从当年的11月至次年3月，进行食丸采集，每2周采集一次食丸；采集过程中做好长耳鸮的分布地点和分布数量记录，同时做好食丸测量和编号记录工作；

7、步骤五：食丸分离：在培养皿中，用镊子分离每一块骨头；

8、步骤六：对食丸涉及的动物数量进行计数：根据获得的上颌骨配对数和下颌骨配对数判断被捕食的小型哺乳类的个体数量；以未消化的鸟喙数或头骨数或爪的对数确定被捕食的鸟类的个体数量；

9、步骤七：对被捕食的小型哺乳动物进行物种鉴定：确定动物数量以后，对每一只动物的骨骼和门齿位置进行鉴定判断小型哺乳动物所属的目；并对啮齿目、翼手目和劳亚食虫目动物进行物种鉴定，鉴定到种；

10、步骤八：对被捕食的鸟类进行物种鉴定，鉴定到目；

11、步骤九：通过文献查询，建立长而鸮捕食猎物体重查询表；

12、步骤十：基于步骤四至步骤九的工作基础，计算生物多样性指数测定参数：被捕食动物的物种丰富度、被捕食动物在食丸出现频率、被捕食动物被捕食强度、被捕食动物的生物量比例；

13、步骤十一：计算城市平原区生态环境质量综合指数：

14、涵盖植被覆盖指数和生物多样性指数两个一级指标；

15、植被覆盖指数下设4个二级指标，分别是森林指数、灌丛指数、草地指数、耕地指数；生物多样性指标下设4个二级指标，分别是被捕食动物的物种多样性指数、被捕食动物在食丸中出现的频率指数、捕食动物被捕食强度指数、被捕食动物的生物量比例指数；每个二级指标下设有不同的计算参数：

16、二级指标森林指数下设的计算参数为：该区域内乔木林的覆盖面积占比、生物量和维管植物物种丰富度；二级指标灌丛指数下设的计算参数为：该区域内灌丛的覆盖面积占比、生物量和维管植物物种丰富度；二级指标草地指数下设的计算参数分别为：该区域内草地的覆盖面积占比、生物量和维管植物物种丰富度；二级指标耕地指数下设的计算参数为：区域内耕地的覆盖面积占比；

17、二级指标被捕食动物的物种多样性指数下设的计算参数为：啮齿目、翼手目和劳亚食虫目动物及鸟类物种丰富度；二级指标被捕食动物在食丸中出现的频率指数下设的计算参数为：啮齿目、翼手目和劳亚食虫目动物及鸟类在食丸中出现的频率；二级指标捕食动物被捕食强度指数下设的计算参数为：啮齿目、翼手目和劳亚食虫目动物及鸟类的被捕食强度；二级指标被捕食动物的生物量比例指数下设的计算参数为：啮齿目、翼手目和劳亚食虫目动物及鸟类的生物量比例；

18、城市平原区生态环境质量综合指数按公式(1)计算：

19、

20、式中：

21、upteei为城市平原区生态环境质量综合指数；

22、ωi为第i个一级指标的权重；

23、n为一级指标的个数；

24、mi为第i个一级指标下二级指标的个数；

25、ωij为第i个一级指标下第j个二级指标的权重；

26、lij为第i个一级指标下第j个二级指标下计算参数的个数；

27、ωijk为第i个一级指标下第j个二级指标下第k个计算参数的权重；

28、iijk为第i个一级指标下第j个二级指标下第k个计算参数的评价值；

29、i为一级指标编号；

30、j为二级指标编号；

31、k为计算参数的评价值的编号；

32、其中计算参数的评价值按公式(2)进行计算：

33、

34、式中：

35、iijk为第i个一级指标下第j个二级指标下第k个计算参数的评价值；

36、xijk为第i个一级指标下第j个二级指标下第k个计算参数的实测值或测算值；

37、xmax(ijk)为第i个一级指标下第j个二级指标下第k个计算参数在评价时段内的最大值；

38、xmin(ijk)为第i个一级指标下第j个二级指标下第k个计算参数在评价时段内的最小值；

39、步骤十二：依据不同区域的城市平原区生态环境质量综合指数比较同一时期不同区域的生态环境质量变化；或者比较不同年份的同一区域城市平原区生态环境质量综合指数，确定城市平原区生态环境变化情况。

40、进一步的，步骤一中，先选取长耳鸮长期稳定分布的点位，作为食丸收集备选点；所述长期稳定分布的点位为根据观鸟记录数据确定长耳鸮连续两年出现的地点；然后实地前往长耳鸮食丸收集备选点开展点位踏查，在备选点中选取其中部分作为长耳鸮食丸收集点，要求两处收集点之间距离超过20公里。

41、进一步的，步骤二中，生物量计算：

42、森林的生物量计算按公式(3)计算：

43、biofor＝4.031×ln(lai)+5.036           (3)

44、式中：lai为植被叶面积指数；biofor为森林生物量；

45、灌丛的生物量计算按公式(4)计算：

46、bioshrub＝4.031×ln(lai)+5.036           (4)

47、式中：bioshrub为灌丛生物量；

48、草地的生物量计算按公式(5)计算：

49、biosgrass＝(420.7×rvi+53.594)/10000      (5)

50、式中：rvi为比值植被指数；biosgrass为草地生物量；

51、其中基于gee计算landsat影像的归一化植被指数如式(6)：

52、

53、式中：ndvi为归一化植被指数；ρnir为近红外波段的反射率；ρred为红光波段的反射率；

54、基于gee计算landsat影像的比值植被指数如式(7)：

55、

56、植被叶面积指数计算按式(8)计算：

57、lai＝5.724×ndvi-1.536           (8)

58、进一步的，步骤三中，调查记录样方内基本信息包括：植被类型、植被组成、郁闭度、海拔、坡度、坡向、盖度、树种、胸径、树高、地径、丛数、活力；所述维管植物物种丰富度(s-vascular plant)采用区域内出现的维管植物物种个数。

59、进一步的，步骤四中，收集食丸之前，准备食丸收集工具：包括塑胶手套、95％酒精、自封袋、标签纸、记号笔、采购视频监控系统、野外调查记录日志本、游标卡尺。

60、进一步的，步骤五中，将单个食丸放在在培养皿中，加入95％酒精，用镊子分离每一块骨头。

61、进一步的，步骤七中，根据地区小型哺乳动物分目检索表，对每一只动物的骨骼和门齿位置进行判断小型哺乳动物所属的目；根据上颌牙齿的齿式并对比图谱中头骨的形态为标准，建立分类检索表，鉴定到种。

62、进一步的，步骤八中，鸟类根据残留的喙、骨骼及羽毛鉴定到目。

63、进一步的，步骤十中：被捕食动物的物种丰富度采用出现在食丸中的动物物种个数；

64、被捕食动物在食丸出现频率计算公式如下：

65、

66、式中：fpi为第pi种动物的出现频率；nppi为含有pi种动物头骨食团数；np为总食团数；

67、被捕食动物被捕食强度的计算公式如下：

68、

69、式中：ppi为第pi种动物被捕食强度；npi为第pi种动物个体数；n为被捕食动物总个体数；

70、被捕食动物的生物量比例的计算公式如下：

71、

72、式中：fbpi为第pi种动物生物量比例；npi*为第pi种动物个体数；bpi为第pi种动物平均体重；np为被捕食动物的物种数量。

73、本发明的优点和有益效果是：

74、1)本发明方法的使用解决了无法长期观测小型哺乳动物生物多样性的难题，为依靠指示作用较好的小型哺乳动物长期观测，判断城市生态环境综合质量变化状况提供了技术支撑。

75、在2022年11月至2023年3月、2023年11月至2024年3月的监测过程种，采用该方法共采集876份食丸，鉴定到种的猎物涉及2纲4目10科17属20种，1734只小型哺乳动物及鸟类个体。其中，小型哺乳动物14种(包括啮齿目5种，翼手目6种，劳亚食虫目3种)，鸟类6种。从物种组成来看，包括啮齿目86.16％；鸟类7.14％；翼手目3.79％；劳亚食虫目2.91％。

76、2)本发明相比较传统笼捕法、陷阱法、网捕法等调查方法，在生物多样性保护方面发挥着重要作用，能够减少直接干扰、维护生态平衡、保护敏感物种等，为生物多样性的长期保护和可持续利用提供了强有力的支持，具体表现为：

77、一是，在环境监测中最小化对生态系统的干扰，最小化直接干扰，通过避免直接接触动物个体和其栖息地，最小化了人类活动对生物多样性的直接影响。这种方法减少了由于捕捉、标记、跟踪等活动可能导致的动物伤亡，从而保护了物种的种群数量和遗传多样性，相比较传统方法，本发明在开展以来已经避免了1613只小型哺乳动物因调查而面对伤害和死亡，极大的保护了动物的福利。

78、二是本发明将小型哺乳动物物种获取成功率提升了10种，提升到了350％。传统调查方法受限于调查环境条件和地形，无法捕捉到所有的小型哺乳动物。2023年至2024年，项目组采用陷阱法对小型哺乳动物进行调查，共布设20个调查样地，每个调查样地布设100个陷阱，共记录小型哺乳动物4种，包括北社鼠、褐家鼠、黑线姬鼠、小家鼠。而在本发明开展监测的区域共记录到小型哺乳动物14种，覆盖了北京市平原区越冬季节所有的而小型哺乳动物，使得生物多样性调查物种覆盖率达到100％，而相比较传统陷阱法调查覆盖率仅为28％，生物多样性数据的有效获取率提高了70％。

79、三是，部分小型哺乳动物为珍稀濒危物种，是生物多样性保护的重点对象，例如麝鼹、北京鼠耳蝠、中华鼢鼠、大卫鼠耳蝠、大足鼠耳蝠等。它们一方面对环境变化极为敏感，另一方面作为保护物种，有损的侵入性调查对保护物种种群造成极大的心理压力和应激反应，且会影响物种群体的正常生活和行为。而本发明采用的方法能够不影响动物正常行为的前提下，针对平原区生态环境变化获取到有效的数据，为在同一区域长期进行监测获取有效数据提供了可能。

80、总之，本发明解决了目前传统方法存在的可能对调查对象造成伤害、损伤性采样无法进行长期持续监测调查、红外相机等相关设备昂贵、传统调查耗费大量人力物力、申请调查的手续繁杂无法随时调查、无法准确鉴定到种等问题。