基于声景的生物多样性评估方法研究进展——基于文献计量分析

近年来,人工智能技术的迅速发展,为构建完备的生物多样性监测体系提供了技术支持,从声音角度拓展生物多样性监测体系成为新的发展趋势。在声景生态学中,声景是由生物声、人类声和地理声共同构成的景观,声学生态位假说和声学适应性假说为声景评估生物多样性提供了主要的理论基础。总结了人工识别法、声学指数法和自动识别法三种常用评估方法,梳理方法的概念、评估原理、差异和局限性。归纳声景在评估生物多样性中造成偏差的影响因素,如生物学因素、环境因素、噪声干扰和数据采集方式。因物种遗传、行为和环境导致的鸣声复杂性,增加了物种识别和分类的不确定性,使得仅依靠声学特征来评估多样性存在一定的局限性。为此,需深入研究声学生态位假说和声学适应性假说的作用机理,并整合多学科专业知识和技术,以建立更全面的理论框架和应用模型。同时,开展数据采集和处理的标准化、融合和创新评估方法并建立声景特征数据库共享平台,为生物多样性快速评估和保护提供更有效的工具和方法。     

中国森林生物多样性监测: 科学基础与执行计划

中国森林生物多样性保护和恢复措施的制订依赖于生物多样性的监测信息。设计一个有效的生物多样性监测网络是一项复杂的系统工程。监测网络的设计框架可分为监测目标、监测对象、监测指标、取样策略、数据采集和处理、网络维护以及组织工作等几个部分。目前, 国际上已有5个得到广泛认可的生物多样性监测网络, 包括地球观测组织-生物多样性监测网络、全球森林监测网络、热带生态评估与监测网络、泛欧洲森林监测网络和亚马逊森林清查网络, 它们的监测目标、监测内容和方法、样地布局及部分监测成果各有特色。我们试图在全国生物多样性监测、森林资源清查和森林生态系统定位研究的基础上, 通过网络布局、建设和运行, 形成中国森林生物多样性监测网(Chinese Forest Biodiversity Monitoring Network, Sino BON-CForBio)及其监测规范体系。该网络的科学目标是, 在全国尺度上研究不同典型地带性森林的生物多样性维持机制、监测森林生物多样性变化并阐明其机理、研究生物多样性变化的效应。该网络布局以《中国植被区划》中的森林植被区划成果作为顶层设计和监测样地选择的核心依据, 设计了4个层级的监测系统; 其监测指标体系以生物多样性核心指标为主, 并结合我国传统森林群落调查方法进行拓展; 预期建成国家水平上的森林生物多样性监测网络, 阐明森林生物多样性维持机制和生物多样性变化的效应, 同时对重大生态保护工程的生物多样性保护效果进行有效性监测和验证型监测。     

现代生物声学的学科发展趋势及中国机遇

随着数字录音技术、电子学和微电子学、人工智能、信息科学等跨学科领域的技术革新,现代生物声学逐渐与生物学、生态学等学科及关联学科之间形成了广泛的交叉前沿领域。现阶段,现代生物声学主要以生物学、生态学等基础学科的理论方法为指导,着重于揭示环境中各类声音在生物之间以及生物与人类、环境之间的相互作用及相关科学规律,为人类认识、保护和利用生物声学资源提供理论基础和解决方案。本文重点阐述了现代生物声学的学科内涵和学科特征,介绍了动物生物声学、生态声学、水下生物声学、环境生物声学、保护生物声学、计算生物声学以及现代生物声学研究的技术框架等前沿热点和发展趋势,评估了中国生物声学研究的学科现状与发展机遇,并对未来学科建设进行了展望。     

生物多样性理论最新进展

生物多样性是生态系统复杂性的重要特征, 理解多样性的形成和维持机制一直是理论生态学研究的核心议题。本文从三方面概述了生物多样性理论的最新进展。一是物种共存和群落构建, 总结了现代共存理论和基于过程的群落构建理论的新进展。二是物种相互作用, 综述了利用经验数据推断物种相互作用关系和强度的最新方法。三是生态-进化动态, 介绍了生态-进化模型的一般框架及其在生物多样性研究中的应用。最后对生物多样性理论的发展趋势做了展望, 特别是多尺度整合理论和全球变化下的预测理论。     

第一届全国生物多样性监测研讨会第一轮通知

<正>生物多样性监测是对生物多样性组成和变化进行的有计划的观察和记录,对生物多样性进行监测是生态学研究、物种保护管理和资源可持续利用的核心环节,是评估生物多样性保护进展的最有效途径。为了中国生物多样性实施全面长期监测,在全国范围内组建生物多样性专业监测和研究队伍,建立全国生物多样性监测信息数据共享平台,定期发布生物多样性动态变化数据和综合分析研究成果,中国科学院科技促进发展局、国际生物多样性计划中国委员会、中国科学院生物多样性委     

中国生物多样性研究的30个核心问题

在联合国《生物多样性公约》生效30年和《生物多样性》创刊30周年之际, 我们通过问卷调查从281名中国研究人员收集到763个生物多样性相关的研究问题, 通过归纳与整理, 并参考英国生态学会提出的100个生态学基本问题, 从中筛选出30个核心问题。这些问题涉及7个方面: 演化与生态(6个问题)、种群(4个问题)、群落与多样性(7个问题)、生态系统与功能(3个问题)、人类影响与全球变化(4个问题)、方法与监测(4个问题)、生物多样性保护(2个问题)。前5个方面主要聚焦在物种形成、生物多样性维持等的关键过程与机制、生物多样性与生态功能关系、全球变化对生物多样性的影响机制等, 第6方面主要涉及生物监测与预测、数据共享等, 第7方面涉及多样性保护、自然与人类健康关系这两个与公众息息相关的重要话题。这30个问题的筛选难免存在偏颇, 希望能以此为契机, 促进我国生物多样性研究人员对本领域核心问题的深入思考与探讨。     

三江平原湿地生态系统生物多样性保护价值

生物多样性保护是三江平原湿地生态系统提供的一项重要的生态服务功能,具有重要的经济价值。应用M.Hoel和T.Sterner提出的经济模型,分析了贴现率和边际价格变化综合影响下的三江平原湿地生态系统生物多样性保护价值变化过程,研究了收入边际效用弹性和替代弹性对贴现率和边际价格变化综合效应的影响,并通过对比传统贴现方法揭示了三江平原湿地生态系统生物多样性保护所蕴含的巨大经济价值。研究结果表明,在贴现率和边际价格变化的综合影响下,三江平原湿地生态系统生物多样性保护价值曲线呈现出先增长再下降的变化趋势,总经济价值为人均19438.9元;收入边际效用弹性和替代弹性的取值对价值评估结果的影响较大,不同参数条件下的价值评估结果将最终作用于湿地生态系统保护相关决策的制定;价值评估结果同样证明了在保持经济较快速度发展的同时提高三江平原湿地生态系统生物多样性保护功能的恢复速率对于促进地区经济协调发展和提高社会福祉状况具有重要的现实意义。     

基于站点的生物多样性星空地一体化遥感监测

科学制定生物多样性保护和恢复政策, 需要空间上连续、时间上高频的物种和生境分布以及物种迁移信息支持, 遥感是目前能满足该要求的有效技术手段。近年来, 遥感平台和载荷技术高速发展, 综合多平台、多尺度、多模式遥感技术, 开展基于站点的星空地一体化遥感观测试验, 可以对地表进行时空多维度、立体连续观测, 为生物多样性遥感监测提供了新的契机。本文总结了使用遥感技术监测生物多样性的主要方法, 回顾了典型的星空地一体化遥感观测试验。综述以往研究发现, 一方面, 现有遥感试验还缺少对生物多样性直接监测指标的观测, 另一方面, 生物多样性遥感监测方法也缺少星空地多维立体观测平台的支撑, 亟需加强两者的融合, 开展基于站点的生物多样性星空地一体化遥感监测研究。以设于我国四川王朗大熊猫国家级自然保护区内的王朗山地生态遥感综合观测试验站为例, 展示了星空地一体化遥感综合观测试验平台在生物多样性监测中的应用潜力。星空地一体化遥感观测可以提供物种和生境的综合定量信息, 与生态模型有机结合, 可以刻画生物多样性的时空格局与动态过程, 有助于挖掘过程机理, 提高生物多样性监测的信息化水平。     

中国生物多样性就地保护的研究与实践

中国是世界上生物多样性最丰富的地区之一,但面临着较大的生态衰退风险。中国生物多样性受到的威胁来自包括人口众多、经济发展模式单一落后、工业化进程加快、气候变化和外来物种入侵等多种因素。生物多样性的就地保护对于维护国家生态安全具有重要意义,同时也是中国可持续发展的需要。本文就中国生物多样性就地保护的研究成果和保护成就进行了回顾,提出了未来应该着重加强的研究领域。中国生物多样性的就地保护研究与实践主要集中在生物多样性资源调查、濒危物种管理和自然保护区建设等方面。中国政府在生物多样性就地保护领域开展了大量卓有成效的工作,发布实施了一系列的保护行动规划,不断提高了生物多样性的保护水平。中国的生物多样性就地保护经过了由数量发展到质量发展的阶段后,未来的研究重点应该集中在生物多样性形成与维持机制、生物多样性受胁原因与响应机制、生物多样性长期监测与评估、自然保护区有效管理和自然保护区立法等方面。     

中国森林冠层生物多样性监测

林冠作为森林与外界环境相互作用最直接和最活跃的关键生态界面,承载了森林生物多样性的主体,在生物多样性的形成与维持以及生态系统功能过程中发挥着重要的作用,被称为地球的"第八大洲"。同时,林冠对气候变化和人为干扰高度敏感,在人类活动和全球气候变化加剧的背景下,森林生态系统正面临着严重的威胁,首当其冲的就是森林冠层。气候变化下的林冠生物多样性保护与可持续利用已成为现代生态学研究的热点问题,受到森林生态学、气候学、环境科学等研究领域的学者越来越多的关注。据此,中国生物多样性监测与研究网络以网络内拥有森林冠层塔吊的生物多样性监测样地为平台,建立了林冠生物多样性监测专项网。该专项网将参照国际标准,统一监测指标,规范监测标准,通过大尺度地带性森林冠层内植物(包括附生种子植物和附生孢子植物)多样性、动物多样性、微生物多样性及其动态变化的长期监测,结合林冠小气候环境特征监测,建立林冠小环境特征、植物多样性、节肢动物多样性和微生物多样性等4个动态更新的数据库,以阐明我国典型森林林冠生物多样性变化的规律,揭示其对森林生态系统功能过程的影响和对全球变化的响应。     

声景生态学研究进展和展望

声景生态学以景观中的声音为研究对象, 探讨其在不同时空维度上的分布和变化模式, 从而揭示自然环境、野生动物和人类活动的相互作用关系。本文通过系统检索声景生态学研究的相关文献, 回顾了该学科的研究框架和研究方法, 总结了目前常用的声学指标, 重点归纳了声景生态学的研究内容, 包括声景组成和各组分间的相互作用, 声景的时空格局, 以及声景生态学在生物多样性监测中的应用。目前, 声景监测中存在的问题主要包括监测的生态系统类型和物种类群有限、声学指标效力有待提高等。建议未来着重推进建立系统性的声景监测网络和数据管理平台, 开发和完善音频数据采集、分析方法和评估指标, 并重视声景数据的采集, 将声景视作一种资源进行研究和保护。     

Beta声学指数的特征和应用

随着录音设备性能的提高和硬件价格的降低,基于录音评估声景来反映生境特征和生物多样性的方法得到快速发展。声学指数是对声音整体特征的量化,受到录音生境和生物组成的共同影响,因此可构建声学指数与生境特征和生物组成的关联。按照作用的尺度,声学指数可分为两类:反映录音内信息的alpha声学指数和比较不同录音之间差异的beta声学指数。随着录音设备的普及,以及在大尺度上进行生物监测工作的增加,对不同时间、不同地点的录音进行比较的需求日益迫切。因此,beta声学指数的开发和应用是声学指数研究的重要方向。本文介绍了11个常用的beta声学指数,并探讨了这些指数的数学特征(非负性、同一性、对称性、直递性、有限性)。本文还通过文献检索获取了beta声学指数在实证中的应用情况,发现研究中常使用beta声学指数反映时间节律、生境特征的差异或生物组成的改变。最后,本文指出了beta声学指数研究/应用中迫切需要发展的3个方向:开发新的指数、优化已有指数的计算方式、增加实证研究。     

声学指数在城市森林鸟类多样性评估中的应用

鸣声是鸟类之间进行沟通和传递信息的重要方式,这为通过声学监测评估鸟类多样性提供了独特的机会。利用声学指数快速评估生物多样性是一种新兴的调查方法,但城市森林中的复杂声环境可能会导致声学指数的指示结果出现偏差。为了解声学指数在城市森林中应用的可行性,本研究在北京市东郊森林公园设置了50个矩阵式调查样点,于2021年4–6月每月进行1次鸟类传统观测和同步鸣声采集,通过比较两种方法的结果来探究声学监测的有效性。采用Spearman相关分析和广义线性混合模型评估6个常用声学指数与鸟类丰富度和多度的关系,并衡量了每个指数的性能。结果表明:(1)本研究共记录到鸟类10目23科35种,通过声学监听识别的总物种数与传统鸟类观测相等,但具体鸟种存在差异;(2)不同月份间声学指数与鸟类丰富度和多度的相关性有明显差别,声学复杂度指数(ACI)和标准化声景差异指数(NDSI)优于其他指数,是评估鸟类多样性的关键变量;(3)声学指数对鸟类多度的预测能力(R²m=0.32,R2c=0.80)要高于丰富度(R²m=0.12,R2c=0.18)。声学指数为快速评估生物多样性提...     

Connecting soundscape to landscape: Which acoustic index best describes landscape configuration?

Soundscape assessment has been proposed as a remote ecological monitoring tool for measuring biodiversity, but few studies have examined how soundscape patterns vary with landscape configuration and condition. The goal of our study was to examine a suite of published acoustic indices to determine whether they provide comparable results relative to varying levels of landscape fragmentation and ecological condition in nineteen forest sites in eastern Australia. Our comparison of six acoustic indices according to time of day revealed that two indices, the acoustic complexity and the bioacoustic index, presented a similar pattern that was linked to avian song intensity, but was not related to landscape and biodiversity attributes. The diversity indices, acoustic entropy and acoustic diversity, and the normalized difference soundscape index revealed high nighttime sound, as well as a dawn and dusk chorus. These indices appear to be sensitive to nocturnal biodiversity which is abundant at night in warm, subtropical environments. We argue that there is need to better understand temporal partitioning of the soundscape by specific taxonomic groups, and this should involve integrated research on amphibians, insects and birds during a 24 h cycle. The three indices that best connected the soundscape with landscape characteristics, ecological condition and bird species richness were acoustic entropy, acoustic evenness and the normalized difference soundscape index. This study has demonstrated that remote soundscape assessment can be implemented as an ecological monitoring tool in fragmented Australian forest landscapes. However, further investigation should be dedicated to refining and/or combining existing acoustic indices and also to determine if these indices are appropriate in other landscapes and for other survey purposes.     

双钩异翅长蠹幼虫声学特征初探

害虫声音探测技术作为一门新兴的技术方法,在植物检疫领域具有独特的应用优势。为了此技术在口岸植物检疫推广应用积累经验、提供思路,本文利用声音探测技术对口岸经常截获的检疫性有害生物双钩异翅长蠹幼虫的取食和爬行声信号进行了研究。双钩异翅长蠹幼虫取食和爬行声信号差异显著:其取食声信号脉冲持续时间主要分布于32-41 ms区间,主频小于2.5 KHz,信号频率主要分布于334.10-813.50 Hz;其爬行声信号时域特征无明显规律,主频大约为0.2 KHz,频率主要分布于140.60-382.20 Hz。     

大型水母声学观测与评估技术研究进展

20世纪末以来,世界多个海域频繁出现大型水母暴发现象,对海洋生态系统、海洋渔业、沿海工业和滨海旅游业带来了巨大的灾难。为了研究大型水母生态习性,进而揭示其暴发机理并进行灾害的预警防治,近些年来国内外学者开展了大量的采用网具、目视、水下摄像、声学技术、航空影像等多种手段的大型水母监测调查工作,其中使用声学技术对大型水母进行资源评估和行为跟踪目前在欧美、日本、韩国等渔业发达国家已经开展了相关应用,在资源评估、运动学规律等研究中展现出较好的观测效果和应用潜力。目前我国在大型水母声学观测研究应用领域鲜有文献报道,通过介绍国际上利用声学技术对大型水母进行资源调查与评估、空间分布监测、运动规律等研究成果,为今后我国开展大型水母声学调查研究提供理论基础和科学依据。通过本文的分析,建议可以借鉴国际上采用科学鱼探仪、高分辨率成像声呐、声学信标等方法对大型水母进行监测调查和资源评估的研究成果,结合实际情况将声学技术逐步研究并应用到我国大型水母资源调查与评估、自然生态习性研究、重点水域大型水母动态监测预警中去,完善我国大型水母监测调查体系。     

Acoustic monitoring reveals diversity and surprising dynamics in tropical freshwater soundscapes

1. Freshwater systems are globally threatened and in need of enhanced monitoring and assessment. We applied soundscape recording and analysis—which presents an opportunity for long-term, high-resolution animal community monitoring and assessment—to a freshwater context to better understand the acoustic diversity and dynamics of these systems.
2. We recorded the aquatic soundscape of a Neotropical freshwater swamp in Costa Rica for 23 days in January and February 2015 during the dry season. We classified biological sound types in these recordings and developed measurements of richness and occupancy based on this classification. We also calculated six complementary acoustic indices to assess soundscape diversity and daily and longer-term soundscape dynamics, and we examined correlations between these acoustic indices and sound type metrics.
3. We found rich soundscapes in which biological sounds were almost always present, and we classified 18 sound types that we attribute to aquatic insects. These sound types showed distinct daily patterns and exhibited temporal and spectral acoustic niche partitioning. Sound type richness was most correlated with the number of peaks index (correlation = .36; p < .001), while sound type occupancy was most correlated with the Bioacoustic Index (correlation = .92; p < .001). In contrast to generally high levels of acoustic activity, there were brief (approximately 1 hr), unexpected quiet periods around dawn and dusk.
4. This study represents an early attempt to comprehensively describe tropical freshwater soundscapes in a systematic and quantitative manner. We demonstrate that sound type classification and the quantification of acoustic occupancy capture aspects of soundscape diversity and dynamics that are complementary to those assessed by acoustic indices. Our analyses reveal that the soundscapes of this tropical wetland were diverse and exhibited daily dynamics that differed from those found in other ecosystems.

     

基于多传感器的声景大数据在线采集与分析系统研究

声景包含重要的生态信息,具有实时性强、信息密度高的特点,有重要研究价值。现有的声景研究中,音频及相关环境参数采集和分析仍需要大量的人工作业,耗时耗力。基于多传感集成、边缘计算和深度学习技术,建立了一套声景大数据在线采集与分析系统,包括边缘计算节点和中心计算服务器。并通过3个实验站点,进行了近1年的技术验证,实现了声景大数据的自动化在线采集、传输和分析。该系统能适应户外恶劣的自然环境,能根据任务需求持续不断地进行声景大数据在线采集和分析,稳定性好。声学指数可以反映声景变化,但因指数侧重点不同,不同的声学指数之间变化特征差异较大,需要组合使用。通过声纹特征图能直观地识别出不同发声源,对物种的快速识别、声源的分类等具有较强的借鉴意义。系统借助VGGish网络提取的高维声景特征图能很好地识别不同站点和不同时间的声景变化,在不同站点和昼夜上具有较高的区分精度,有快速和直观地反映不同生态系统的类型特征、生态系统动态变化的潜力。丰富声纹特征库、优化声景特征分析神经网络、建设声景长期监测共享网络,有助于扩展系统在物种识别、生物多样性快速分析、生物与环境相互作用机制方面的应用。研究为声景大数据的在线采集...     

Assessing marine ecosystem acoustic diversity across ocean basins

Concurrent with the elevation of the concern over the state of sound in the ocean, advances in terrestrial acoustic monitoring techniques have produced concepts and tools that may be applicable to the underwater world. Several index values that convey information related to acoustic diversity with a single numeric measurement made from acoustic recordings have been proposed for rapidly assessing community biodiversity. Here we apply the acoustic biodiversity index method to low frequency recordings made from three different ocean basins to assess its appropriateness for characterizing species richness in the marine environment. Initial results indicated that raw acoustic entropy (H) values did not correspond to biological patterns identified from individual signal detections and classification. Noise from seismic airgun activity masked the weaker biological signals and confounded the entropy calculation. A simple background removal technique that subtracted an average complex spectrum characteristic of seismic exploration signals from the average spectra of each analysis period that contained seismic signals was applied to compensate for salient seismic airgun signals present in all locations. The noise compensated (H_N) entropy index was more reflective of biological patterns and holds promise for the use of rapid acoustic biodiversity in the marine environment as an indicator of habitat biodiversity and health.