相機陷阱法在潮間帶底棲蟹類群落生態學中的應用研究

谷 宣,陳國貴,王文卿,王 瑁,*

1 廈門大學環境與生態學院 廈門大學濱海濕地生態系統教育部重點實驗室, 廈門 361102

2 臺灣海峽海洋生態系統國家野外觀測研究站, 廈門 361102

潮間帶作為海陸過渡帶,以顯著的功能多樣性和生境脆弱性著稱[1]。大型底棲動物群落研究是潮間帶生態學的重要內容,然而由于缺乏有效的群落屬性監測手段,目前仍面臨機制不清晰、數據缺口大的窘境[2—5]。過去幾十年里,我國主要參照《GB/T 12763.6—2007 海洋調查規范 第6部分 海洋生物調查》潮間帶生物調查部分的挖掘法對大型底棲動物進行監測研究[6—7]。然而,對底棲蟹類等活動性較強的重要功能類群,往往因采樣框面積過小和挖掘過程干擾大而導致無法客觀反映實際狀況,且在紅樹林內和米草等根系密集的生境操作困難[8—10]。除此之外,方蟹科蟹類研究中廣泛應用的陷阱誘捕法選擇性較強(性別、體型和物種),而且采樣面積模糊導致難以計算密度[5, 10—11]。與挖掘法類似,手捕法(hand catch)會因過程中的持續干擾受限于蟹類的躲避行為和根系結構阻擋,導致對種群密度的低估[12]。以上3種侵入性方法均無法準確反映蟹類種群密度和物種多樣性,并因干擾強、耗時久和勞動密集被提倡減少使用[10, 12—13]。但已有的非侵入性方法同樣無法滿足研究需求,最具代表性的洞穴計數法因缺乏物種信息往往高估密度,而遠距離觀察法則因視線受阻而低估密度[13]。因此,能適用于潮間帶大型底棲動物群落研究的非侵入性方法亟待補充。

隨著技術的革新,相機陷阱法被不斷改進以解決監測野生動物的難題,并因非侵入性的特點而被廣泛應用于哺乳動物和鳥類等種群和群落研究[14—16]。但是,由于潮間帶環境的復雜性,諸如潮水周期性漲落和潮濕的鹽分環境,使得相關設備的長期布設和維護缺乏安全性,因此鮮有應用。Kent率先嘗試在研究中使用近距離相機攝像調查蟹類,但缺乏合理設計且論證不足[17]。受此影響,Vermeiren通過在船上架設相機對紅樹林林緣及灘涂的蟹類群落進行無干擾的遠距監測以規避設備損耗[12, 18]。然而遠距拍攝無法在精細尺度準確測定密度,且對功能重要類群如相手蟹(Sesarma)等無法進行有效采樣和鑒定[12]。在精細尺度,近距離監測的方式仍具顯著優勢。因此,解決在潮間帶生境布設近距離相機陷阱的難題對相機陷阱調查法的應用尤其重要。

據此,本研究設計了一種適用于潮間帶多種生境類型調查的便攜式相機陷阱,通過人工遠程控制拍照、設置自動延時攝影或者錄像的方式進行底棲實景的近距離原位傳感并記錄目標生物信息(如蟹類物種、個體數、性狀)和環境信息(洞穴數、洞穴尺寸、土壤類型等)。本文對比分析了相機陷阱法與其他3種常用的侵入性方法(即挖掘法、陷阱誘捕法和手捕法)在蟹類群落研究(多度、個體大小、多樣性和功能性狀)中的性能差異,以驗證該法在潮間帶底棲蟹類研究中的可行性和優越性。

1 材料與方法

1.1 實驗樣地

樣地位于海南省儋州市新英灣紅樹林濕地,主要紅樹植物為白骨壤(Avicenniamarina)和紅海欖(Rhizophorastylosa)。經實地踏查該區域底棲蟹類種類豐富,長足長方蟹(Metaplaxlongipes)、褶痕相手蟹(Sesarmaplicata)、弧邊招潮(Ucaarcuata)、悅目大眼蟹(Macrophthalmuserato)、鋸眼泥蟹(Ilyoplaxserrata)和淡水泥蟹(Ilyoplaxtansuiensis)為常見種。潮汐類型為正規全日潮[19]。

1.2 便攜式相機陷阱裝置結構及使用方法

本研究中裝置主體由可拆卸的PVC管和轉接頭組裝而成,底部樣方框面積為50 cm × 50 cm,具遙控和實時影像傳輸功能的相機(佳能M100,2420萬像素,15—45 mm微單鏡頭)固定于裝置中心的頂部中軸,鏡頭垂直于樣方框,距地面約90 cm(圖1)。相機像素及鏡頭選用不宜低于本研究中所用,且應具有遙控功能以方便操作。該裝置高度選擇應保證結構穩定性且確保相機可包含底部采樣框,推薦高度為55—90 cm。

圖1 便攜式相機陷阱結構示意圖

對目標區進行采樣時,先設置相機縮放至圖像包含整個底部采樣框,將裝置平穩放置于采樣區后撤離。研究表明多數底棲蟹類如沙蟹科(Ocypodidae)和方蟹科蟹類,在擾動終止后15 min內恢復到原有活動水平[17, 20]。我們的研究呈現同樣的結果,為布設更多采樣點以提高效率并滿足調查需求,本文認為15 min是一個較合理的單次采樣時間(圖2)。而且,部分蟹類存在洞內休息和掘穴行為,單個時間點內在底表活動的蟹類可能低于實際蟹類密度,選擇一定時間段內的連續性觀察的方式更加有效[17]。因此放置裝置后以每分鐘拍照1—2次的頻率進行15 min連續遠程遙控拍攝。

1.3 相機陷阱法與3種傳統侵入性調查方法的對比研究

3個對比實驗均設置在傳統方法的最適用地區以排除地點的干擾。挖掘法會因植物根系阻礙而影響效率并增加干擾,因此將該方法與相機陷阱法的對比實驗設置在紅樹林外灘涂；手捕法因調查者的活動力會被沉積物和復雜的植被限制而降低效率,因此將該方法與相機陷阱法的對比實驗設置在紅樹林林緣(植被與灘涂交界處)；陷阱誘捕法不受植被干擾而依賴于地形,因此將該方法與相機陷阱法的對比實驗設置在底表呼吸根密集而地勢平緩的白骨壤林內(圖3)。

圖2 施加擾動后恢復底表活動的蟹類數量隨時間的平均累積百分比

圖3 采樣點示意圖

對比實驗均先在各樣點進行相機陷阱法調查,而后原位進行其他方法操作。

挖掘法：依據《GB/T 12763.6—2007 海洋調查規范 第6部分 海洋生物調查》潮間帶生物調查部分,在紅樹林外灘涂設置相距至少30 m的5個大小為1 m2的樣方,在各樣方內挖取深度為30 cm面積為1 m2的沉積物。由于蟹類等潮間帶生物分布非均勻型,對較小面積(25 cm × 25 cm)采樣將導致換算單位面積密度時增加統計誤差,因此本研究中選用1 m2單位面積樣方。沉積物經過1 mm孔徑篩網篩洗后,挑揀出所有的蟹類。

手捕法：在紅海欖林林緣(紅樹林林緣)設置相距至少30 m的5個2 m×2 m樣方。在樣方范圍內對蟹類進行連續15 min的徒手抓捕取樣[12]。

陷阱誘捕法：在白骨壤林內(紅樹林林內)設置相距30 m的5個2 m×2 m樣方。在樣方中心位置放置內徑17 cm深度20 cm的PVC陷阱裝置[12]。陷阱裝置布置24 h,而后在低潮時回收陷阱并統計所獲蟹類。

以上采樣所獲蟹類樣品均被帶回實驗室進行保存、鑒定與測量。

1.4 圖像后期處理及數據分析

人工利用ImageJ軟件對圖片進行解譯,獲取蟹類群落物種和多度信息。物種數依單個樣方出現的全部物種計算；多度計算則依據連續觀察法,即對每個從蟹洞中出現并恢復活動的蟹類進行統計,并對第一次進入樣方的蟹類進行計數,時間序列內停留在樣方內的個體可被標記并僅計數一次。ImageJ的標記功能用來避免重復計數。以照片中裝置底部樣方框長度為基準設定比例尺測量蟹類頭胸甲寬,獲得群落功能性狀信息。

在樣地水平和總采樣區域水平,統計各方法獲取蟹類密度、物種數,并計算蟹類群落基于多度的alpha多樣性和基于樣方-多度矩陣總方差Var(Y)的beta多樣性[21]。統計各方法所獲蟹類頭胸甲寬,依10 mm將蟹類分為小個體(頭胸甲寬 ≤ 10 mm)和較大個體(頭胸甲寬>10 mm)。以平均頭胸甲寬和總頭胸甲寬為例,計算基于性狀的功能多樣性。利用R軟件4.0.2版本進行數據分析,由于樣本量較小,因此運用置換檢驗(重復次數999,顯著性水平α=0.05)對比不同方法間蟹類密度、alpha多樣性和功能多樣性的差異,并檢驗相機陷阱法與傳統方法獲取蟹類個體大小的差異；運行adespatial包和vegan包進行群落多樣性分析,計算基于Bray-Curtis相異指數、Jaccard相異指數的beta多樣性和基于Jaccard相異指數的主坐標分析(Principal coordinates analysis, PCoA),并利用相似性分析(Analysis of similarities, ANOSIM)檢驗beta多樣性矩陣間的差異顯著性(置換檢驗重復次數999,顯著性水平α=0.05)；運行FD包進行功能多樣性分析[22—26]。利用R軟件ggplot2包和OriginPro 2021軟件進行繪圖[27]。

2 結果與分析

圖4 相機陷阱法與挖掘法、手捕法和陷阱誘捕法采集蟹類密度對比

由圖4可知,置換檢驗結果顯示相機陷阱法獲取的蟹類密度與挖掘法、手捕法、陷阱誘捕法存在極顯著差異(P<0.01)。相機陷阱法單位面積識別蟹類的密度均值分別大于挖掘法、手捕法和陷阱誘捕法210.4%、1029.4%、1630.6%,說明相機陷阱法在調查蟹類密度時顯著高于3種傳統方法。

置換檢驗結果表明：在灘涂,相機陷阱法獲取較大個體或小個體蟹類的平均頭胸甲寬與采樣面積較大的挖掘法均無顯著差異(P>0.05),但小個體數量高于挖掘法；手捕法獲取個體大小范圍最窄、對相關性狀選擇作用最強；陷阱誘捕法傾向于獲取較大個體,對小個體則獲取缺失(圖5)。由于相機陷阱法采樣面積低于其他3種方法,且小個體數量高于其他方法,因此可證相機陷阱法彌補了其他方法對小個體的采樣缺陷；同時,相機陷阱法能對不同個體大小范圍(5—35 cm)的蟹類進行采樣,對物種性狀選擇性較弱,采樣更加全面。

圖5 各方法獲取蟹類頭胸甲寬對比

利用各采樣方法分別計算Shannon-Wiener多樣性指數,置換檢驗結果顯示相機陷阱法與挖掘法和手捕法均無顯著差異(P> 0.05),但顯著高于陷阱誘捕法(P< 0.05)；在3組對照實驗中統計物種數發現相機陷阱法調查物種豐富度均高于其他3種方法(圖6)。同時,陷阱誘捕法傾向于獲取方蟹科蟹類,對沙蟹科采樣缺失；手捕法和挖掘法則低估相手蟹多度或對相手蟹采樣缺失；而相機陷阱法對沙蟹科和方蟹科物種均能有效采樣(表1)。

表1 各方法所獲蟹類種類對比

圖6 各方法獲取蟹類物種數及Shannon-Wiener指數對比

群落beta多樣性計算結果顯示：(1)在不同樣地內,相機陷阱法統計基于兩種相異指數(Bray-Curtis和Jaccard)的蟹類群落beta多樣性指數Var(Y)與3種侵入性方法相近；ANOSIM分析兩種相異指數(Bray-Curtis和Jaccard)的距離矩陣結果表明相機陷阱法與挖掘法和陷阱誘捕法均無顯著差異(P> 0.05),但與手抓法存在顯著差異(P< 0.05,R=0.338),這是由于手捕法對物種和個體大小選擇較強,可能高估樣地內的差異性(圖7)。(2)對整個采樣地點(3處樣地合并)來說,將3種侵入性方法結果整合與所有相機陷阱法結果進行對比,由于采樣面積差異,因此僅計算基于物種存在/不存在(presence/absence)矩陣的Jaccard相異指數,ANOSIM檢驗PCoA結果顯示相機陷阱法的Jaccard相異指數與多種侵入性方法共同應用的結果無顯著差異(P> 0.05)；說明相機陷阱法可以勝任潮間帶尺度的調查,且對beta多樣性的度量與多種傳統侵入性方法的聯合方法無異(圖7)。

圖7 各方法的蟹類群落beta多樣性對比

統計全部個體頭胸甲數據并分物種計算平均頭胸甲寬和最大頭胸甲寬。根據這2種性狀計算群落功能多樣性指數：功能離散度(functional dispersion,FDis)和Rao二次熵(Rao quadratic entropy)。置換檢驗結果顯示相機陷阱法計算蟹類群落功能離散度和Rao二次熵指數與其他方法均無顯著差異(P> 0.05)(圖8)。

圖8 各方法的蟹類群落功能多樣性對比

3 討論

對多度和多樣性等基礎群落屬性的有效觀測是群落生態學研究的根本環節[28—29],然而濱海生境(如潮間帶)中生物群落屬性的獲取仍面臨挑戰。過去應用的侵入性方法因破壞生境、傷害動物而不再被提倡,無損觀察且不采集個體的非侵入性調查技術符合未來的研究需求[29]。相機陷阱調查法在陸地動物研究中應用廣泛,作為一種非侵入性的方法在相對多度、種群密度等參數估計方面表現優異,是一項克服野外監測難題的成熟技術[30—31]。運用相機陷阱調查法有望填補潮間帶大型底棲動物群落生態學研究中因缺乏合理調查手段而導致的數據缺口,而本研究中的便攜式設計使之成為現實。

本研究以紅樹林蟹類為實驗對象,設置了3組原位對照實驗,結果顯示相機陷阱調查法在潮間帶生態群落屬性監測中較傳統方法具顯著優越性(表2)。包括以下幾點：

表2 各方法優勢對比

1)相機陷阱法能更準確監測潮間帶蟹類群落的物種組成和群落結構。物種豐富度、多度和種群密度是生態群落的基本屬性,也是反映群落結構的重要指標[28—29]。結合摸底式踏查結果,表明相機陷阱法對實驗樣地內蟹類常見種均能有效監測。與傳統方法對比,相機陷阱法獲取蟹類物種數更豐富。同時,單位面積內相機陷阱獲取蟹類密度顯著高于其他3種傳統方法,更接近實際情況。個體大小是影響群落結構與功能的重要性狀,對個體大小選擇性弱的方法有助于真實反映群落結構與功能[32]。相機陷阱法對個體大小采樣全面,無個體大小選擇性,優于傳統方法。

2)相機陷阱法度量群落beta多樣性和功能多樣性更準確有效。群落beta多樣性是計算時空尺度上物種組成和功能性狀變化的重要指標,對beta多樣性的準確度量有助于理解生物群落的時空格局及其生態過程[33—34]。而基于性狀(trait-based)的功能多樣性是生態系統過程、生態系統服務以及生態系統響應環境變化的關鍵驅動力[24]。本研究中,相機陷阱法所獲蟹類的群落beta多樣性整體不弱于其他3種方法。計算群落功能多樣性時,相機陷阱法相比傳統方法也表現出同樣的性能。而結合物種豐富度結果可知,傳統方法因獲取物種更少且對物種性狀選擇性更強,大大增加了取樣的隨機偏差,可能誤導對重要生態過程的理解。另外,相機陷阱法實際所獲照片中可提取比本研究中更豐富的性狀信息參數(包括尺寸、體色、螯長和性別等),有助于beta多樣性和功能多樣性的準確度量。

3)相機陷阱法具有更廣的生境適用性。在不同生境類型(密林相、沙相、泥相等)中相機陷阱法均能有效對蟹類進行原位密度監測,彌補了其他侵入性方法受生境限制的缺陷。

4)相機陷阱法在潮間帶蟹類群落研究中具有高效性。傳統侵入性方法耗時久、工作量大,如挖掘法需要數人協助完成,而陷阱誘捕法則需要數天實驗周期。相比之下,相機陷阱法耗時少且可單人操作多部設備,實際應用更靈活高效,節約了人力物力。

5)相機陷阱法有利于全面采樣。由于對沉積物結構干擾小、裝置輕便、可遷移性強,通過單次布設多部裝置能夠短期收集多點位數據,以減少由于采樣地點選擇不均勻而造成的誤差。相機陷阱法結合遙控裝置傳輸的GPS定位可以快速形成研究區域的蟹類群落屬性分布格局。因此,對空間信息要求較高的生物地理學和群落生態學研究有重要意義[35—36]。

6)相機陷阱法獲取數據多元化。相機陷阱法除準確記錄蟹類群落屬性(包括物種豐富度、多度、物種多樣性、性狀多樣性和beta多樣性等)外,還能同時監測生境特征,如洞穴尺寸、洞穴數量、底質類型、林內透光度和植被特征等。

綜上所述,相機陷阱法能有效獲取生態群落屬性,且優于傳統方法。然而,在潮間帶實際研究中相機陷阱法仍存在一定局限性。例如由于目前相機分辨率有限,頭胸甲寬低于5 mm的蟹類難以有效識別,對泥蟹(Ilyoplax)、股窗蟹(Scopimera)等體型較小蟹類采樣能力相對較弱,如果提升相機分辨率則可以克服該問題。同時,該方法依賴于蟹類的底表活動性,并不適用于缺乏底表活動性的游泳型蟹類及缺乏白天活動性的夜行性蟹類的調查,且由于蟹類冬天普遍缺乏底表活動性,因此也不適用于冬季調查。相機陷阱法兼具非侵入性方法的優點,但為滿足不同細節的實驗需求,與侵入性方法的結合應用仍具有必要性。

隨著圖像識別、深度學習等技術的發展,相機陷阱采集的影像信息將被充分挖掘[37—38]。以相機陷阱在蟹類研究中的嘗試和運用作為開端,更多具底表活動性和可識別性狀的大型底棲動物如灘棲軟體動物、彈涂魚等也能應用相機陷阱法進行調查與研究。為加深對大型底棲動物群落的理解,未來相機陷阱法在潮間帶將有更多的用武之地。

4 結論

本研究設計了適用于潮間帶環境的相機陷阱法,應用該調查方法能夠滿足潮間帶底棲蟹類群落生態學研究需求,并提供可靠的生態群落屬性數據。同時,相較于傳統方法具有低干擾、高效率、高精度的特點,在節約人力物力的同時可增設采樣點位以得到更可靠的結果,也因此可用于長期野外監測項目。而且,未來與基于深度學習的圖像識別技術的結合將充分發揮該方法的優勢。但該方法仍處于發展階段且存在一定局限性,以該方法為基礎的一切合理改造都被本文作者和相關設計者認可。