生物學野外實習物種鑒定能力培養體系的構建

金曉芳， 張 琪， 王華梅， 杜 巍， 汪小凡

（武漢大學生命科學學院，武漢 430072）

0 引 言

神農架林區是華中地區物種多樣性寶庫，是我國中部山地植被垂直分布表現得最為清晰、完整的地區之一［1］。據不完全統計，保護區內擁有各類植物4 000多種，包括菌類730 多種、地衣190 多種、苔蘚300 多種、蕨類290 多種、裸子植物30 多種及被子植物2 430多種，其中有40 種為國家重點保護植物［2］。各類動物有5 700 多種，包括獸類70 多種、鳥類300 多種、兩棲類20 多種、爬行類40 多種、魚類40 多種及昆蟲4 143多種，其中金絲猴、金雕等73 種動物被列入國家重點保護動物名錄，另外具有重要經濟、科學研究價值的野生動物259 種［3］。

神農架豐富的物種多樣性使其成為華中地區各大高校生物學野外實習的理想之地，為實習提供了天然的教學寶庫。同時，生物學野外實習累積的物種鑒定資料也將大大增加對神農架物種多樣性的了解。從2001 年開始，我校生命科學學院所有生物學專業學生均需參加神農架生物學野外綜合實習。目前已經形成了較為完整的生物學野外實習教學體系，特別是在物種識別和鑒定方面積累了大量的教學經驗。

1 生物學野外實習教學體系

實習涉及動物生物學、植物生物學、微生物學和生態學等學科內容（見圖1）。與其他高校的生物學野外實習相同，應重視在生物多樣性認知實踐基礎上強化學生創新能力培養，即野外實踐課程以培養學生創新意識和野外實踐能力為首要目標，但是學生相關能力培養需在野生動植物類群認知訓練的基礎上才能完成［4-6］。因此在72 學時的野外實習課程中，動植物標本的采集、制作和鑒定占比36 課時（http：/ /wisl2017.whu.edu.cn/）。

圖1 野外綜合實習內容和物種鑒定實驗教學方案

自建立神農架野外實習基地以來，我校生命科學學院累積了大量動植物標本和資料，為學生野外物種鑒定能力提高創造了有利條件［7］。經過21 年的野外實習經驗的累積，構建了一套完整的物種鑒定體系，包括物種鑒定的教學體系和評價體系，以及最終的標本保存和數據庫建設體系（見圖2）。

圖2 野外綜合實習物種鑒定能力培養體系

2 物種鑒定能力培養體系的構建

2.1 物種鑒定教學體系的構建

神農架野外實習每年7 月初進行，為期9 d，實習結束后于7 月底提交實習報告。每次實習人數約150人，分4 個實習班，每個實習班被分6 個小組，每組約5 ～7 人。學校為每個組準備了植物和昆蟲標本采集和制作工具，為每位同學配備了1 臺雙筒望遠鏡用于觀鳥。物種鑒定教學流程為：學生先聽實習老師的講解，然后采集標本，鑒定標本，制作標本永久保存，最后將鑒定結果寫入實習報告用于評分。

2.1.1 教師講解

為了讓學生盡量多的觀察到不同的動植物，課程設計了10 條野外考察路線：

（1）天生橋。海拔0.90 ～1.20 km。考察常綠闊葉林植被，采集植物標本，考察和采集水生植物。具體步行路線圖見圖3（a）。

圖3 部分實習路線圖

（2）神農祭壇。海拔約1 km。考察珍稀、瀕危植物和藥用植物，采集昆蟲標本。

（3）漳寶河谷。海拔1.1 ～1.5 km。考察常綠與落葉闊葉混交林，采集植物和昆蟲標本。具體步行路線圖見圖3（b）。

（4）官門山。海拔1.1 ～1.4 km。參觀自然展覽館，學習動植物標本制作，考察珍稀動物和植物。

（5）木魚坪-香溪源。海拔1.2 ～1.3 km。學習植物和昆蟲標本采集、制作和鑒定，學習木本植物群落調查方法。

（6）紅坪畫廊-野馬河。海拔1.5 ～2.0 km。考察珍稀瀕危植物，采集昆蟲及水生動物標本。

（7）燕子埡。海拔約2.2 km。考察鳥類生境與行為生態，考察原始森林，采集原始森林中的植物標本和土壤微生物樣本。具體步行路線圖見圖3（c）。

（8）小龍潭-金猴嶺。海拔2.2 ～2.5 km。考察落葉針葉林及珍稀動物生境。

（9）板壁巖-神農頂。海拔2.6 ～3.1 km。考察亞高山草甸，學習草本植物群落調查及昆蟲訪花活動監測方法，采集草甸和原始森林中的微生物樣本。

（10）大九湖。海拔約1.7 km。考察亞高山濕地，采集水生植物、浮游生物和大型真菌和標本。

每次實習會根據考察地點距實習基地的遠近、天氣等因素，選擇合適的考察路線。學校為3 個生物類群，即維管植物、昆蟲和鳥類安排了相關的講課老師：

（1）維管植物。每個實習班的植物組由1 位老師帶隊講解沿途的植物，包括植物的科、屬、種、識別特征及用途等。共4 位植物講解老師，輪流給4 個實習班講解。

（2）昆蟲。與植物相同的講解模式，每個實習班的動物組由1 位老師帶隊，共4 位動物講解老師，輪流給4 個實習班帶隊。

（3）鳥類。實習前4 d，每天輪流一個實習班進行鳥類觀察，觀察時間段為每天上午6：00 ～7：00。共3位教師講解鳥的種類、識別特征和生活習性，每位老師帶領約13 個學生進行學習。觀鳥路程約1.2 km。每個組的目標鳥種為10 個，除了此次集中講解，每個人還可在整個實習期間就發現的鳥類詢問講解老師。

除了學校的任課老師，另外聘請其他機構的相關專業老師為實習講解老師，例如請神農架川金絲猴保護區的研究員講解金絲猴的種類和生活習性。

2.1.2 標本采集

《神農架野外科學考察手冊》是武漢大學生物學專業野外實習的教材，內容包括植物、昆蟲和微生物標本的采集和制作。這里簡單介紹植物、昆蟲和微生物標本采集的具體流程。

（1）維管植物。植物采集主要集中在動植物講解路線，其中一些路線的部分區域為保護區，不允許采集，但是在保護區之外可適當采集。每個小組至少采集150 種植物，每種植物采集標本3 ～5 份。除了集中采集路線，在后續的小課題研究期間也可自行采集植物標本。

（2）昆蟲。昆蟲標本采集路線同植物標本采集路線。采集目標為每個小組至少15 個目的昆蟲，具體的科、屬和種無限制。采集工具為捕蟲網、掃網、毒瓶和三角紙袋等。采集的環境有草叢、枯樹、溪邊、石下等。此外會集中安排天氣晴朗的晚上進行燈誘。

（3）微生物。微生物標本的采集包括兩個部分，空氣微生物和土壤微生物。空氣微生物的采集為給每個小組發放牛肉膏蛋白胨培養基、虎紅培養基和改良高氏培養基各3 塊（平皿直徑9 cm）。采集辦法為：打開皿蓋并將皿蓋口向下放置在一旁，使培養基表面完全暴露在空氣中；20 min 后蓋上皿蓋，將平板倒置，于室溫培養一周后觀察菌落生長狀況。土壤微生物每個小組采集1 管（15 mL EP管），采集辦法為先將表層1 cm土壤及雜物清理干凈，再將鐵鍬擦拭干凈以減少雜菌污染，繼續鏟挖土層至10 ～20 cm，再用無菌不銹鋼勺取土樣于無菌離心管中至1/2 處。所有微生物樣品采集完成后交給微生物學實驗老師進行集中保管，土壤微生物樣品用于下一年級的微生物學實驗課，完成后續的分離和鑒定。

2.1.3 標本制作

《神農架野外科學考察手冊》詳細介紹了植物和昆蟲標本制作流程，這里進行簡單概括。

（1）維管植物。①整型：用枝剪略加修剪標本，剪去超出臺紙大小以及不美觀、重疊過多的部分以方便壓制；②編號和記錄：號簽上填寫采集人、采集號、采集時間以及采集地點等信息；③壓制：將已掛上號簽的新鮮標本平放草紙上，盡可能展平，避免過多的重疊，最后將所有標本用標本夾綁緊壓實；④烘干：烘干之前整理標本，一層標本一張紙板，用標本烘干機烘干標本，并且注意翻晾直至完全干燥；⑤上臺紙：將壓干后的標本背面刷上白膠置于臺紙上壓實，并在適當位置貼上膠帶加強固定，注意左上方及右下方留足位置貼記錄簽及鑒定簽。

（2）昆蟲。①固定：用昆蟲針將蟲體固定于展翅板或展足板。②整姿：要求附肢自然伸展，跗節不要蜷縮，前足、中足和后足的位置符合物種自然狀態下的姿勢。③展翅：按要求將翅展開到規定位置。④位置調整：昆蟲標本定型完成后將多余昆蟲針除去，插上采集簽和鑒定簽，利用三級臺進行標本和采集鑒定簽位置高低的調整。⑤保存：將昆蟲標本保存于昆蟲標本盒內，加入樟腦丸防蟲。

2.1.4 物種鑒定

學生在鑒定過程中的鑒定順序一般為先查閱教材《神農架常見動物圖譜》和《神農架常見植物圖譜》以及其他書籍；同時根據APP識別結果在工具書和網站根據圖形和文字描述進行識別和確認；如果還未鑒定出來可咨詢相關老師，最終將鑒定結果、物種特征和檢索路徑寫入實習報告。對于植物和鳥類需鑒定到種，而對于昆蟲需盡量鑒定到科或屬一級。空氣微生物根據菌落形態鑒定霉菌、細菌和放線菌的數量，根據真菌/總菌百分率評價空氣質量，百分率越高空氣污染越小。

（1）書籍。

維管植物為方便生物學專業本科生在實習中盡快識別神農架野生植物，由武漢大學生命科學學院教師主編的《神農架常見植物圖譜》于2015 年由高等教育出版社出版［8］，本書收錄了維管植物163 科，1 000種。其中包括蕨類植物26 科、70 種，裸子植物7 科、20種，被子植物130 科、910 種。圖譜在物種的選擇上，以野外實習路線上常見的植物為主，適當選取珍稀瀕危植物和系統發育上有一定重要性或代表性的種類。

昆蟲和鳥類在多年的神農架實踐教學中累積了大量動物圖片資料，為更有效地開展神農架野外實踐教學，同時也為愛好者更直觀地認識神農架動物資源，《神農架常見動物圖譜》于2017 年出版。本書總計有214 科、588 種動物圖片，具體為昆蟲綱19 目、132 科、358 種，蛛形綱9 科、21 種，鳥綱47 科、150 種，哺乳動物4 科、6 種，此外還有硬骨魚綱、兩棲綱和爬行綱若干種。

此外，武漢大學國家級生物學實驗教學中心還建立了物種鑒定書庫，包括植物、昆蟲、鳥類、魚類、淡水藻類、土壤動物等，方便學生在實驗室進行物種鑒定。其中昆蟲包括各個級別的專著，如目級別的膜翅目、鱗翅目，以及科級別的如胡蜂科、蜂虻科等。目前書庫還在不斷擴充中。

（2）智能識別軟件。

維管植物植物智能識別軟件較多［9］，例如，①“花伴侶”由中科院植物研究所出品，基本囊括所有花卉植物，適合用于園林花卉識別，鑒定到屬準確率較高，但是定種準確率則不高，并且識別率會受到拍照角度的影響；②另外一款類似的APP“形色”，但相較于“花伴侶”的識別速度稍慢；③“Biotracks（生命觀察）”是由中國科學院昆明植物研究所標本館于2016 年發起的公眾科學項目，該項目旨在建立一個由公眾、科學志愿者、生物學家支持的在線共享網絡，并通過自然觀察記錄的方式，完成全球生物多樣性地圖的繪制。“Biotracks”不僅包含植物類群（苔蘚、地衣、維管植物），也包括兩棲類、真菌、鳥、魚、昆蟲和獸等［10］。3種APP均在微信中有小程序。國外也有相應的植物識別APP，如“plantsnap”（https：/ /www.plantsnap.com/）但不如國內的APP 方便使用。另外，國外物種識別APP“inaturalist”有較強的識別和記錄功能，但安裝較困難。經過綜合比較，選取“Biotracks（生命觀察）”APP作為教學軟件來識別并記錄植物和昆蟲，其中植物記錄生活環境、小地點、行政區劃、采集時間、采集份數、海拔、植物習性、經緯度、采集號、采集類群、采集人等信息；昆蟲記錄生活環境、寄主、個體數量、小地點、采集時間、采集方式、海拔、經緯度、行政區劃、群體編號、采集類群、采集人等信息。

昆蟲昆蟲種類較多，目前開發較好的智能識別軟件有“曉蟲”和“識蝶”微信小程序，其中“曉蟲”小程序目前包含3 998 個昆蟲分類單元，且在持續更新。其他APP如“甲天下”目前還有待繼續完善。

鳥類目前鳥類識別有“懂鳥”微信小程序，可識別全球鳥類11 088 種（IOC World Bird List v 12.1，https：/ /www.worldbirdnames.org/new/），不僅可以根據照片識別，而且也可聽音辨鳥，還可瀏覽搜索每種鳥類的信息，例如鳥的形態、分布、分類、瀕危程度和鳥鳴等。

值得注意的是智能識別APP 所得鑒定結果只能作為輔助使用，需要進一步根據形態特征進行識別，扎實掌握分類學的知識和原則才是準確判斷物種種類的關鍵。

（3）網站。由武漢大學生命科學學院建立的“神農架生物學野外綜合實習網”（http：/ /snsx.whu.edu.cn/）。展示了實習基地的自然資源、野外考察路線和野外科學工作方法，并提供了互動交流平臺。該網站包含一定的物種鑒定內容，但是不能滿足學生鑒定需要，針對每種類群建議用特定的網站方便學生進行鑒定，特別是一些圖鑒網站，下面簡要介紹部分相關網站。

維管植物關于植物鑒定的網站國內目前最為全面的有：①“植物智”（http：/ /www.iplant.cn/），“植物智”是基于中國植物志、中國植物圖像庫、花伴侶智能識別體系整合打造的植物智慧信息系統，提供植物物種百科、圖片、分布、識別、APP等相關信息和工具［11］；②“聯盟圖片”（https：/ /image.cubg.cn/）可搜集全世界的植物及其他生物，除了拉丁學名，也可輸入地點、特征等進行搜索。外文植物網站較為權威且全面的有： 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 個名字，有分布的36，166 種植物，引用的植物182 001 種，其中381 959 種為已知物種，共57 419 張圖片；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 萬個全球植物名稱，14.04 萬個詳細描述和36.7 萬個圖片。

昆蟲國內昆蟲鑒定的國內網站較為全面的有：①“物種網”（http：/ /www.sppchina.com/）旗下的“昆蟲網”（http：/ /www.insects.site/），目前展示了28 個目的昆蟲，其中螞蟻有專門的網站展示“螞蟻網”（http：/ /www.ants-china.com/）（收錄螞蟻11 個亞科）；②“嘎嘎昆蟲網”（http：/ /gaga.biodiv.tw/9701bx/in94.htm），收錄昆蟲總數9 161 種。國外網站：①“BugGuide”（https：/ /bugguide.net），主要記錄美國和加拿大的昆蟲、蜘蛛、蜈蚣、蝎子等蟲子，可就相關類群及世界廣布種提供鑒定參考；②“Butterflies”（https：/ /www.learnaboutbutterflies.com/index.htm），是當前關于蝴蝶和飛蛾最完整、最權威的指南，網站由超過2 000 頁的信息和5 000 多張圖片組成。

鳥類鳥類物種鑒定較為全面的有①“中國野鳥圖庫”（http：/ /www.cnbird.org.cn/first_pc.html），截止至2022 年7 月11 日，一共收集了1 838 個物種，69 317 張照片，②《中國鳥類野外手冊》網絡PDA 版（http：/ /www.cnbird.org.cn/shouce/c.asp.htm）。另外網站“中國觀鳥記錄中心”雖不用于鑒定，但已成為公眾觀鳥科學項目的平臺［12］。

除了以上專類網站，有一些綜合性的網站也非常適合進行物種鑒定，例如國內網站NSII-中國國家標本資源平臺（http：/ /www.nsii.org.cn）匯集了大量植物、動物、化石等各種標本照片和彩色照片。國外網站①“inaturalist”（https：/ /www.inaturalist.org/），已經被廣泛應用于公眾科學調查項目［13］；②“discoverlife”（https：/ /www.discoverlife.org/），詳細介紹了物種鑒定依據，有詳細的檢索表可逐步檢索到對應的科、屬、種；這兩個網站都包含了動物、植物、真菌等各個類群，且有分布地圖，遺憾的是中國的數據目前還較少。

關于物種鑒定的網站較多，學生可以用相關的動植物拉丁名（科、屬、種均可）作為檢索詞在網站“必應”（https：/ /cn.bing.com/），“谷歌”（https：/ /www.google.com/）等瀏覽器進行檢索查找相關網站。另外有一些QQ/微信群互助群也經常被用于物種鑒定交流，這里經常有相關專業分類學者的參與。

2.2 物種鑒定評價體系

2.2.1 實習報告打分

實習報告以小組為單位提交。每個小組在Biotracks中下載植物和昆蟲標本采集和鑒定信息的Excel表格，和標本相同的編號寫入實習報告中作為植物和昆蟲的打分依據，教師打分時同時檢查標本和鑒定結果。植物鑒定在神農架完成，昆蟲標本可在返回學校后繼續鑒定。由于鳥類無法采集到標本作為憑證，因此無法打分，在以后的實習中會采取措施彌補這方面的缺陷，例如配備3 或4 臺長焦鏡頭和相機用于每天每個實習班級的觀鳥拍照，以照片和鑒定結果作為評分依據。

維管植物以采集到的植物標本種類數量和鑒定準確度為依據進行小組打分，每個小組采集標本至少150 種，組與組之間物種可以重合。同時每位同學需寫出5 種植物的檢索路徑，根據檢索路徑的正確與否進行個人評分，同小組內所選檢索路徑植物不同。

昆蟲每個小組至少采集15 個目的昆蟲標本，在此基礎上采集的種類越多小組評分越高，每個小組至少采集昆蟲標本100 種。同時每位同學需寫出5 種昆蟲的檢索路徑，根據檢索路徑的正確與否進行個人評分，同小組內所選檢索路徑昆蟲不同。

鳥類每個小組在實習結束后在“中國觀鳥記錄中心”（http：/ /www.birdreport.cn/）提交觀鳥記錄，下載Excel后放入實習報告中。鳥類每個小組至少記錄10 種鳥，此要求基本均可滿足，因此鳥類觀察不作為小組實習報告物種鑒定評分依據。

需要注意的是，目前的物種鑒定水平，所有植物均可到種，但是昆蟲除較為常見的廣布種，其余較難鑒定到種，甚至有可能是新種，因此不做種鑒定的打分要求。但是鼓勵學生將昆蟲鑒定到種，如果鑒定準確，可作為額外的加分。

2.2.2 物種識別競賽

物種識別競賽在神農架實習基地舉行，由植物、昆蟲和鳥類各派出一位老師出題，其中植物選25 種，昆蟲16 種，鳥類9 種，所有物種均為當年實習期間調查到的常見種類。學生根據植物、昆蟲和鳥類彩色照片進行搶答，植物需答對科、屬和種三個級別的信息，昆蟲和鳥類則包含目、科、屬和種四個級別的信息。鳥的識別較為容易，因此會采取掩蓋部分的方式考察，答不出來再顯示全圖。

2.2.3 物種鑒定綜合得分

每位同學物種鑒定最終得分=小組實習報告物種鑒定得分（50%）+個人物種檢索得分（50%）+物種識別競賽加分（1 ～3 分/人）。

2.3 物種保存體系

2.3.1 標本館

維管植物野外實踐課程中采集了大量的植物標本［14］，目前已有14 000 余份收藏于武漢大學植物標本管，每年學生新采約2 000 千份標本，會選出質量較好的約450 份上臺紙，然后擇優保存于標本館。

昆蟲所有昆蟲標本保存于教學中心昆蟲標本室，目前已收集昆蟲19 個目，146 科，8 530 頭標本。每年還以大約800 頭的速度增加，教學中心老師會記錄每一頭標本的信息，并篩選出新增的種類保存。

鳥類武漢大學萬林藝術博物館展示了鳥類1 050種/亞種，共1 247 件標本供同學們和所有大眾進行參觀學習。館內陳列的鳥類標本數量為全國首位，涵蓋了我國90%以上的種。

2.3.2 數據庫

維管植物武漢大學標本館在武漢大學圖書館數據庫中建立了武漢大學植物標本館網絡平臺（http：/ /apps.lib.whu.edu.cn/biaoben/index_new.asp），可直接瀏覽檢索武漢大學標本館的所有標本（圖4 為其中一份標本照片），另外所有經數字化后的標本信息也提交于國家標本平臺（教學標本子平臺）。標本圖片和數據可借助于網絡平臺供教學和科學研究開放使用。

昆蟲目前準備開展昆蟲標本數字庫的構建（圖5 為其中部分標本照片），方便學生瀏覽往屆學生的昆蟲標本和采集信息，更好更快的鑒定自己采集的昆蟲標本。另外昆蟲大部分很難鑒定到種，需要借助DNA條形碼進一步鑒定［15］，相關DNA 序列信息將上傳至NCBI，其序列號也作為數據庫的一個部分保存。

圖5 昆蟲數字標本館建設標本照片

3 結 語

通過生物學野外綜合實習物種鑒定體系的探索與實踐，不斷更新與完善教學體系和神農架物種數據庫，提高了學生鑒定野外物種的能力，培養了學生對物種多樣性的認知水平，增加了對瀕危物種的保護意識。使學生能更好地觀察植物、昆蟲和鳥類等生物的特征，加深對他們的了解，進而在小課題研究中更為嚴謹的探討相關科學問題，進一步鍛煉學生的創新能力和實踐能力。