不同噪聲對安徽樹蛙行為響應的影響

關鍵詞：同種廣告鳴叫；雌性選擇；雄性競爭；背景噪聲；安徽樹蛙

動物通訊指個體間信息交流的方式［1］，對鳥類、兩棲類和昆蟲等大多數發聲動物而言，聲音通訊是信息傳遞和交流的主要方式［2］。動物聲音信號通常包含發聲者的位置、大小和個體身份等重要信息［2?4］，具有保衛領地、促進繁殖等功能；同時，動物還可利用聲音定位資源或危險［5?7］。對絕大多數無尾兩棲類動物而言，雄性競爭和雌性選擇幾乎完全依賴聲音通訊［3，8?9］，但無尾類動物聚集而成的求偶場往往容納著不同物種及同一物種的諸多雄性個體，從而形成極其嘈雜的聲學環境［4］。在嘈雜環境中同種和異種聲音形成的背景噪聲會掩蓋個體聲音信號并降低其信噪比，進而給交流和配偶選擇帶來困難［10?12］。此外，動物發聲也會吸引天敵注意，從而使發聲者面臨著被捕食的巨大風險［13］，如雄性泡蟾（Physalaemus pustulo?sus）最具性吸引力的鳴聲也最能增加被纓唇蝠（Tra?chops cirrhosus）捕食的風險［14］。相反，噪聲對某些物種而言也可能有益，這取決于環境及接收者對噪聲的響應［15］，如溪流聲可增強雄性小湍蛙（Amolops torren?tis）鳴聲對雌性的吸引力［16］。另一方面，合作假說（cooperative hypothesis）認為集群鳴聲不但可增加群體對雌性的吸引力，同時可干擾捕食者定位特定個體［17］，如雌性犬吠蛙（Hyla gratiosa）可被遠處同種雄蛙的集群鳴叫吸引［18］，在求偶場中鳴叫的雄性泡蟾可降低被捕食風險，并提高交配成功率［19］。據此推測，動物在響應被噪聲干擾的同種聲音時可能存在“trade-off”，以權衡收益與被捕食風險［20?21］，但尚不清楚雌雄兩性如何響應被噪聲干擾的同種聲音信號。

背景噪聲包括生物噪聲和非生物噪聲，前者指同種和異種聲音信號，后者包括風聲、雨聲或流水聲［22?23］及人為噪聲等［24］。對聲音接收者而言，其面臨的主要挑戰是區分來自不同物種的鳴聲信號和背景噪聲［25］。對于發聲者而言，通常需發出有別于背景噪聲的鳴聲，以便于接收者有效感知和識別［23］。發聲動物可采用不同的發聲策略應對噪聲干擾，如減少發聲活動［26?29］，提高鳴叫振幅、鳴叫速率和鳴叫次數［30?32］以及延長發聲持續時間［33］等。因而雄性發聲策略具有動態性，可根據競爭者的數量或鳴叫率、同種或異種廣告鳴叫的存在、雌性的接近以及噪聲環境特征等調節自身鳴叫特征，產生更多非重疊鳴叫，提高吸引雌性的概率［2］。此外，對背景噪聲的熟悉程度可能影響動物行為，如凹耳臭蛙（Odorranatormota）、牛蛙（Rana catesbeiana）和青銅蛙（R. clami?tans）的雄性個體可辨別熟悉的鄰近個體聲音，對其聲音產生較少的行為響應，即“dear enemy”現象［34?36］；但目前尚不清楚不同聲學特征（包括不同熟悉程度）的背景噪聲如何影響雌雄兩性的行為響應。

在繁殖季節，雄性安徽樹蛙（Zhangixalus zhou?kaiyae）一般在田埂底部邊緣筑洞并發出由十多個甚至更多音節組成的廣告鳴叫［37?38］，同時根據環境動態調節競爭策略［38］；雌性則通過廣告鳴叫識別和評估雄性個體特征，選擇最適雄性作為配偶［25］。大別山姬蛙（Microhyla dabieshanensis）與安徽樹蛙同域分布，二者繁殖季節重疊［39］。相比于空間分布稀疏的安徽樹蛙而言，大別山姬蛙種群密度極大，其鳴聲會形成高強度的背景噪聲。安徽樹蛙雌雄兩性可能通過選擇性注意等方式，有效減輕噪聲對其聽覺感知的影響，較為準確地區分同種和異種廣告鳴叫。因此，安徽樹蛙是研究噪聲干擾下雌雄兩性行為響應的理想模型。

本研究以安徽樹蛙為試驗對象，向其回放同種廣告鳴叫、同域異種大別山姬蛙廣告鳴叫（熟悉）及異域異種寶興樹蛙（Zhangixalus dugritei）廣告鳴叫（非熟悉）、白噪聲以及同種廣告鳴叫與其他3種聲音組合而成的聲音，記錄并分析雌雄兩性的行為響應，探究非同種聲音對雌性選擇和雄性競爭的影響。筆者預測：（1）雌性安徽樹蛙更為偏愛信噪比高的同種廣告鳴叫；（2）雄性安徽樹蛙會根據聲音信號，動態調整鳴叫行為；（3）由于安徽樹蛙呈稀疏分布，個體鳴叫更易吸引捕食者，即雄性可能面臨更大的被捕食壓力，據此推測雄性可能更偏愛與組合聲音競爭，從而吸引雌性并降低被捕食風險。

1 材料與方法

1. 1 研究地點和實驗動物

2023年3月末—5月初（安徽樹蛙繁殖期），在安徽省金寨縣天馬國家級自然保護區（31°10′—31°20′ N，115°20′—115°50′ E；海拔871 m）完成相關試驗。本研究分別對雄性和雌性安徽樹蛙進行回放試驗和趨聲性試驗；為避免視覺干擾和人為噪聲的影響，所有試驗均在21：00—04：00進行?；胤旁囼炘谛弁芏囱ǜ浇M行，趨聲性試驗在放置于安徽樹蛙棲息地邊緣的實驗箱中進行。共記錄32只雄性［體質量（4. 82 ± 1. 25）g，體長（36. 01 ± 6. 34） mm］和54 只雌性［體質量（10. 53 ± 2. 92） g，體長（46. 84 ±3. 53） mm］的行為響應數據。試驗結束后，測量動物的體質量、體長并將其放置于全封閉的圍欄內（5. 0 m × 1. 5 m × 1. 0 m），以免重捕獲。每隔3 d向圍欄內投放活蟋蟀；待所有試驗結束后，拆除圍欄。試驗期間平均氣溫（10. 2 ± 2. 7）℃，相對濕度（75. 6 ±17. 7）%。本研究通過了安徽大學實驗動物倫理與管理委員會的審查（IACUC（AHU）-2022-043）。

1. 2 聲音刺激

采用4種聲音刺激（圖1）：同種廣告鳴叫（ZZ）、同域分布的大別山姬蛙廣告鳴叫（MD）、異域分布的寶興樹蛙廣告鳴叫（ZD）和白噪聲（white noise，WN，與MD等長，10 ms的淡入和淡出時長）。使用聲壓計（AWA 6291，愛華，杭州）將每個刺激的聲壓（sound pressure level，SPL）調整為（80. 0 ± 0. 5） dB（C計權，距離音箱1 m處測量）；對后3種刺激另保存（68. 0 ± 0. 5）dB 的低幅度版本。ZZ 分別與另外3種刺激的低幅度版本組合形成組合刺激ZMD、ZZD和ZWN。由于在自然狀態下，同種廣告鳴叫和噪聲一般來自空間的不同位置，而空間分離有助于信號感知［40］；為更好地模擬自然狀態，使用雙音箱呈現組合鳴叫，即一只音箱播放ZZ，另一只音箱放置其后并抬高15 cm播放組合刺激的另一種聲音。因為偽重復可能影響動物行為數據的統計分析結果［41］，因此對每種鳴叫采用多個樣本聲音，從而消除偽重復的不良影響［39］。具體而言，對每種廣告鳴叫（ZZ、MD和ZD），從數據集中分別選取來自4個不同個體且音節數量相同的鳴叫，從而形成4個刺激集，每個刺激集均包含ZZ、MD、ZD、WN、ZMD、ZZD 和ZWN 七種刺激（每種刺激各1個）。本研究對32只雄性進行回放試驗，每個刺激集分別用于8只雄性。對于雌性趨聲性試驗，ZZ分別與其余6種刺激配對，形成6個刺激對；由于僅捕獲54只雌性，因而隨機選擇4個刺激集中的2個刺激集分別用于14只雌性，另外2個刺激集分別用于13只雌性。

1. 3 雌性趨聲性試驗

實驗箱（270 cm × 95 cm × 100 cm）內貼吸音棉，底部鋪厚約5 cm的潮濕土壤。兩只音箱（SME-AFS，Saul Mineroff Electronics，Elmont，NY，USA）等距放置于實驗箱兩端內側，播放68 dB低幅度版本聲音的音箱放置于某一側音箱后上方。試驗前，使用1 000 Hz純音校準每個音箱的輸出強度為80 dB。試驗開始前，將雌性置于實驗箱正中央半圓形透明塑料罩下，隨機選擇某個刺激對，以3. 5 s 刺激間隔（interstimulusinterval，ISI，安徽樹蛙平均鳴叫間隔）輪唱；對于組合刺激而言，低幅度版本聲音以1. 3 s的ISI（約等于MD和ZD兩物種的平均鳴叫間隔）重復播放。刺激回放3 min后，通過滑輪拉起透明塑料罩，使用安裝于實驗箱兩端的2 臺紅外攝像機（X4-IPC100WM，HawkSpee，China）觀察并記錄雌性的行為響應。若雌性移動至某音箱10 cm內的范圍，視為其對該音箱所播放聲音刺激的選擇；若20 min內雌性未做出選擇，中止試驗。重復上述試驗流程，直至所有刺激對均被隨機選擇1次。

1. 4 雄性回放試驗

將音箱放置于距雄性洞穴1 m處并朝向洞穴。首先記錄雄性在無聲音刺激條件下的自發廣告鳴叫6 min（對照條件control condition，CC）；然后隨機選取7種刺激之一回放6 min（ISI為3. 5 s，低幅度版本聲音的ISI為1. 3 s）。使用麥克風（ME66，Sennheiser，Wedemark，Germany）記錄回放刺激和雄性響應鳴叫。重復上述試驗流程，直至所有刺激均被隨機選擇1次。

1. 5 數據處理與統計分析

對于雄性響應鳴叫，使用Adobe Audition 3. 0軟件（San Jose，CA，USA）測量鳴叫的個數、每個鳴叫的音節數和持續時間；對每只雄性和每種聲音刺激而言，求得每個參數的平均值。對于雌性試驗，記錄每種聲學刺激被選擇的次數和選擇潛伏期（從拉開塑料罩到雌性做出選擇之間的時間間隔）。

對所有數據進行正態性檢驗（Shapiro-Wilk W 檢驗）和方差齊性檢驗（Levene’s檢驗）。采用雙因素（4個“刺激集”和8種“刺激類型”）重復測量ANOVA對雄性響應鳴叫的聲學參數進行統計分析；因“刺激集”無顯著主效應，表明偽重復不影響雄性試驗的相關統計分析；采用單因素（“刺激類型”）重復測量ANOVA對雄性發聲參數進行統計分析，并用Bonferroni事后檢驗進行多重比較分析。對于雌性選擇次數，采用二項式檢驗（binomial test）評估不同刺激集或不同刺激之間的差異；前者無顯著性差異，表明偽重復也不影響雌性試驗的相關統計分析。對于每個刺激對，采用獨立樣本t 檢驗分析雌性選擇潛伏期。所有統計分析使用SPSS 26（Illinois，USA）完成，以P lt; 0. 05為顯著性水平。

2 結果

2. 1 雌性選擇結果

對所有刺激對而言，雌性更偏愛單純的同種廣告鳴叫。當ZZ與MD輪唱時，雌性顯著偏愛ZZ（42 vs.12，P lt; 0. 001）；當ZZ與ZD輪唱時，雌性顯著偏愛于ZZ（44 vs.10，P lt; 0. 001）；當ZZ與WN輪唱時，雌性顯著偏愛前者（35 vs.19，P = 0. 040）；當ZZ 與ZMD 輪唱時，雌性顯著偏愛ZZ（36 vs.18，P = 0. 020）；當ZZ與ZZD 輪唱時，雌性顯著偏愛前者（38 vs.16，P =0. 004）；當ZZ 與ZWN 輪唱時，雌性顯著偏愛于ZZ（40 vs.14，P = 0. 001）（圖2A）。當ZZ與MD輪唱時，雌性選擇前者的潛伏期顯著短于選擇后者的潛伏期（P lt; 0. 05）；對其他刺激對而言，雌性選擇的潛伏期無顯著差異（P gt; 0. 05）（圖2B）。

2. 2 雄性響應鳴叫的聲學參數

對于雄性響應鳴叫的數量而言，因素“刺激類型”的主效應顯著（F（7，217） = 8. 624，P lt; 0. 001，partialη2 = 0. 218）。多重比較分析顯示，ZMD和ZZD條件下的響應鳴叫數量顯著多于對照條件（P lt; 0. 001），ZZD條件的響應鳴叫數量顯著多于MD和WN條件（P lt; 0. 05），ZMD條件的響應鳴叫數量顯著多于MD條件（P lt; 0. 001）（圖3A）。對于雄性響應鳴叫的音節個數而言，因素“ 刺激類型”的主效應顯著（F（7，217） = 6. 824，P lt; 0. 001，ε = 0. 738，partial η2 =0. 180）。多重比較顯示，ZD、ZMD和ZZD條件下的音節個數顯著多于對照條件（P lt; 0. 05），但ZD、ZMD和ZZD之間無顯著差異（圖3B）。對于雄性響應鳴叫的持續時間而言，因素“刺激類型”的主效應顯著（F（7，217） = 8. 257，P lt; 0. 001，partial η2 = 0. 216）。多重比較顯示，ZD、ZMD和ZZD條件下的鳴叫持續時間顯著長于對照條件（P lt; 0. 001），但ZD、ZMD 和ZZD之間無顯著差異（圖3C）。

3 討論

3. 1 雌性安徽樹蛙偏愛信噪比高的同種廣告鳴叫

本研究結果表明，與同域異種廣告鳴叫、異域異種廣告鳴叫、白噪聲以及組合聲音等刺激相比，雌性通常選擇無噪聲重疊的同種廣告鳴叫。這一結果與既往研究發現的雌性通常偏愛信噪比更高的同種信號［39，42］一致。首先，在無尾兩棲類合唱中，特定個體的廣告鳴叫無法避免地與其他同種個體鳴聲、異種個體鳴聲或非生物環境噪聲重疊，從而導致鳴叫精細成分損失［43?44］，進而導致聲音識別難度上升，即高水平的背景噪聲可能會導致聽覺掩蔽，降低雌性區分和識別鳴叫精細信息的能力，最終影響雌性選擇和繁殖成功率［45］。因此雌性傾向選擇非重疊的、信噪比較高的同種廣告鳴叫［39，42，46?47］。其次，雌性在繁殖過程中的投入成本遠高于雄性，在選擇時更加謹慎［25，48］。若雌性因背景噪聲干擾未能選擇最適配偶，可能會退一步與低質量雄性交配，最終導致繁殖質量下降，因此雌性偏愛高信噪比的同種廣告鳴叫可更好地確保選擇更為合適的配偶。最后，雌性的發聲器官欠發達，且無聲囊，幾乎不發出鳴叫［49］，因而面臨發聲所致的被捕食風險遠低于雄性，故無背景噪聲重疊的同種廣告鳴叫對雌性而言可能是最優選擇。與此一致，當前結果發現雌性安徽樹蛙始終偏愛信噪比高的同種廣告鳴叫，而且整體而言選擇該聲音的潛伏期小于其他聲音。此外，雌性選擇同種廣告鳴叫的潛伏期顯著短于選擇大別山姬蛙廣告鳴叫的潛伏期，這可能是兩者在同域分布，因此雌性能識別出相對熟悉的背景噪聲從而更快地做出選擇。

3. 2 雄性安徽樹蛙偏愛響應被同域分布蛙類鳴聲重疊的同種廣告鳴叫

本研究結果表明，與無聲音刺激相比，所用的所有聲音刺激均能提高雄性安徽樹蛙鳴叫數量。這一發現與既往研究［38?39］一致，表明雄性鳴叫行為具有高度可塑性，即可根據社會和環境因素的變化，動態優化競爭策略［50］；亦表明雄性響應聲音信號的容忍度高于雌性［25］。當前結果還發現，雄性安徽樹蛙對包含同種廣告鳴叫和異種廣告鳴叫的組合聲音有更強響應，組合聲音可顯著誘發雄性發聲、增加鳴叫音節個數并延長鳴叫持續時間。一方面，大多數無尾兩棲類雌性偏愛更長、更復雜的同種廣告鳴叫，從而迫使雄性通過增加鳴叫數量和延長鳴叫長度等方式吸引雌性以確保繁殖成功［51?52］；另一方面，雄性鳴叫在吸引同種雌性的同時，亦會導致雄性承受更高的被捕食壓力［53?54］，但高水平背景噪聲可降低雄性所面臨的被捕食風險［55］。本研究所用的組合聲音（特別是包含同種廣告鳴叫和異種廣告鳴叫的組合聲音）包含著兩個在空間上分離的聽覺目標，可以分散天敵注意力和降低天敵對特定個體的定位精度，從而降低被捕食風險。同種廣告鳴叫和異種廣告鳴叫的組合聲音可能具備吸引雌性并能降低被捕食風險的雙重功能，所以雄性安徽樹蛙更偏愛與其競爭。此外，雖然對背景噪聲的熟悉程度可能影響某些蛙類雄性個體的行為響應，但在本研究中雄性對于同域及異域異種廣告鳴叫的行為響應之間無顯著差異，即并未發現在其他蛙類中所發現的“dear enemy”現象，這可能是本試驗所用的熟悉刺激并非是特定個體附近的雄性大別山姬蛙廣告鳴叫。

總之，當前結果表明，在安徽樹蛙中，雌性更偏愛響應信噪比高的同種廣告鳴叫，雄性更偏愛響應被其他蛙類鳴聲重疊的同種廣告鳴叫；說明雌雄兩性行為響應存在差異，這種差異可能源自自然選擇和性選擇雙重壓力的綜合作用。