贝叶斯权重估计方法在两栖动物多样性观测中的应用: 以四川省画稿溪自然保护区为例

李 成，章文艳，熊 姗，王 燕，梁茜茜，江建平①，徐海根

(1.中国科学院成都生物研究所，四川 成都 610041；2.生态环境部南京环境科学研究所，江苏 南京 210042)

我国两栖动物的观测工作已经开展多年，并取得了丰硕的成果[1-2]，但有些问题让人困惑：为什么观测到的物种数总是低于调查报告中的物种数[3-9]？是什么原因导致了这一现象？对估计结果有什么影响？

调查(inventory)与观测(monitoring)的目的和方法是有区别的，调查是指针对一个特定的区域(例如国家公园、保护区)开展研究，以确定该区域的物种多样性。在下列3种情况下经常采用调查的方法：(1)前期工作基础薄弱的地区；(2)调查和研究关键物种的地理分布与生态需求，对不同的区域或生境展开细致的调查；(3)随着时间变迁，比较某个特定区域的物种分布(有或无)和栖息地利用的变化。观测是指研究一个或多个地点在一段较长的时间内物种的组成和丰度(每个物种的个体数量)的变化情况[10]。

通常情况下，调查报告可以整合现有数据和历史数据，即使这些数据是基于不同的调查方法得到的。例如在四川省天全县喇叭河自然保护区调查发现20种两栖爬行动物[11]，结合早期的调查报告[12]，并经查验中国科学院成都生物研究所两栖爬行动物标本，综合分析有39种两栖爬行动物分布于喇叭河自然保护区[13]。而观测报告不可以比较不同的观测方法得到的数据，只能基于相同的方法、在相对固定的调查时间内，比较针对特定区域的物种组成和丰度随时间的变化[14-15]。由于调查报告的数据来源多样，一个特定地区的调查报告中所列的物种多样性明显多于观测报告中的物种多样性。

但是，如果同一个地区的观测报告与调查报告的物种多样性相差较大，则观测结果较难反映一个特定区域的物种多样性变化。而进一步计算多样性指数来估计这种变化时，若取样所得种数与实际总种数仍有相当差异，则多样性指数会逐次改变。因此，两栖动物观测需关注2个方面：(1)观测区域和物种的全面性；(2)估计方法的针对性。

就全面性而言，观测的物种和地点是越多越好。然而，由于人力和经费的限制，一些地点不能到达，无法开展观测，存在取样受限的问题。因此，选择合适的观测方法，合理规划观测线路和地点，使观测的物种多样性接近真实的物种多样性，是观测工作中必须要解决的问题。

就针对性而言，在一个多样性很高的群落中，观测的物种数目可能严重低于真实的物种数目，因为即使抽取相当大的样本，稀有种也可能不在其中出现[16]。在样地中的大多数物种都已被采集到之前，不宜计算多样性指数。如何判断是否已观测到大多数物种，是估计工作中必须要解决的问题。

笔者依据2014—2018年在四川省叙永县画稿溪自然保护区5 a的两栖动物观测数据，采用贝叶斯权重估计方法[17]估计了两栖动物多样性；分析了保护区两栖动物物种数、个体数量和多样性指数的年度和月度变化；讨论了观测工作和评估工作中需注意的问题，提出了针对性的两栖动物保护建议。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

画稿溪国家级自然保护区位于四川省泸州市叙永县境内(27.70°～28.52° N，105.05°～105.67° E)，总面积23 827 hm2，保护区海拔332～1 787 m，是四川盆地与云贵高原之间的过渡地带。2003年被列为国家级自然保护区，以保护亚热带原始常绿阔叶林生态系统、第三纪孑遗物种——桫椤群落以及伴生的珍稀动植物为主。

1.2 研究方法

1.2.1样线法

两栖动物对环境梯度的适应不一样，特别是湿度梯度和海拔梯度；样线法既可以用来调查生境中不同湿度梯度区域的物种多样性，又可以调查不同海拔或不同生境类型的物种多样性[18]。在一些环境特征持续变化的区域中，对确定两栖动物物种多样性和种群变化尤其有效。样线法调查能有效地获取物种数、相对多度和生境中不同梯度的物种密度，观测一个区域中的季节性变化[15]，也可以比较不同海拔区间两栖动物群落的差异[3,19]。

然而，并不是在所有的栖息地内都可以观测到同样有效的数据。因此，观测人员在制订观测规划时，必须参考已有的调查资料，了解观测对象的生物学特征和分布，选择合理而充足的样线，尽量包含多样化的栖息地。画稿溪自然保护区面积小，纬度和经度变化小，而海拔变化大。依据画稿溪自然保护区的海拔和物种分布情况规划了10条样线，低海拔区域以画稿溪保护站(28.276 44° N，105.538 09° E，417 m)为中心布设了6条样线；高海拔区域以西溪保护站(28.223 50° N，105.581 64° E，1 089 m)为中心规划了4条样线。两站之间多为深谷，极难布设样线。样线分布的海拔为331～1 077 m，涵盖了保护区内51.2%的海拔区间(表1)。2014—2018年，每年6、8、10月进行观测，每条样线每月连续观测3次。

表1 画稿溪自然保护区10条两栖动物观测样线信息

1.2.2分析方法

1.2.2.1样地内物种总数的估计方法

估计样地内物种总数是计算多样性指数的前提条件。常用的香农-威纳指数(Shannon-Wiener Index)和辛普森指数(Simpson Index)都是假设物种总数(S)是已知的。如果观测的物种数不能包含样地内所有种，则多样性指数计算误差会随着观测物种占比的减少而增加。因此，应用多样性指数前，首先需要对样地内的物种总数进行估计。

采用稀有物种估计(rare species estimation，RSE)软件包(Version: 4.1.1)的贝叶斯权重估计方法估计样地的物种总数及发现稀有种的概率[17]，软件下载网址为https:∥github.com/ecomol/RSE。

贝叶斯权重估计法的具体公式如下：

(1)

1.2.2.2多样性指数

经贝叶斯权重估计方法判断已观测到样地中的大多数物种后，采用物种预测和多样性估计(species prediction and diversity estimation,SPADE)软件包[21-22]计算年度和月度的香农-威纳指数和辛普森指数，软件下载网址为https:∥chao.shinyapps.io/SpadeR/。采用双因素方差(Two-way ANOVA)比较两栖动物的物种数、个体数量和多样性指数在年度和月度上是否存在显著性差异。

香农-威纳指数(H)计算公式为

(2)

辛普森指数(D)计算公式为

(3)

式(2)～(3)中，Pi为种i的个体在全部个体中的比例，如样品总个体数为N,第i种个体数为ni,则Pi=ni/N。

2 结果与分析

2.1 两栖动物物种总数估计结果

贝叶斯权重估计方法结果显示，画稿溪自然保护区的两栖动物物种总数为16种(表2)。

表2 画稿溪自然保护区的两栖动物总数和稀有种估计结果

如果继续开展样线法观测，则在额外增加500或1 000个样本数的情况下，未来发现新稀有种的概率相当低。

2.2 两栖动物的种群动态

2.2.1物种数和个体数的年度变化

在画稿溪自然保护区，5 a累计观测到两栖动物7科14属16种(表3)，蛙科有7种，是优势科，无国家重点保护野生两栖动物。物种数在年度之间无差异，有3种(中华蟾蜍、华南湍蛙、棘腹蛙)的个体数量存在明显的年度变化(P<0.05)。

2.2.2物种数和个体数的月度变化

物种数在月度之间存在显著差异(P<0.05)，而4种两栖动物(棘指角蟾、大绿臭蛙、绿臭蛙、粗皮姬蛙)的个体数存在明显的月度变化(P<0.05)；有10种物种个体数最高值出现在6月，有6种最高值出现在8月，很明显这是两栖动物处于繁殖期和觅食期导致的；而在气候条件恶劣的10月，两栖动物开始进入冬眠期，导致个体数较低(表4)。

2.2.3多样性指数的年度和月度变化

画稿溪自然保护区两栖动物群落多样性指数计算结果(表5)显示：香农-威纳指数在年度和月度之间无显著性差异，但辛普森指数在年度和月度之间存在显著性差异(P<0.05)。

表3 2014—2018年在画稿溪自然保护区记录的两栖动物种类和数量

3 讨论

3.1 观测工作亟需制订最低物种数量指标

2011年，生态环境部南京环境科学研究所启动了“两栖类示范观测项目”，主要方法包括样线法、样方法、围栏陷阱法、人工掩蔽物法和人工庇护所法等[1]。2011—2018年建立了159个观测样区，设置样线2 076条、围栏陷阱310个、样方121个、人工掩蔽物45处和人工庇护所37处，初步形成了覆盖全国的两栖动物多样性观测网络(China BON-Amphibian)[2]。2014—2018年，项目组对画稿溪自然保护区的两栖动物开展了长期、定时、定点的系统观测。

表4 画稿溪自然保护区的两栖动物物种数和个体数的月变化

观测结果显示，目前画稿溪自然保护区已观测记录16种两栖动物，经贝叶斯权重估计方法预测两栖动物物种总数也为16种，实现了观测物种的全覆盖。对比7个观测样区的样线数和物种数[3-9]，所有样区均满足了10条样线数量的最低要求[1]，但观测物种数占样区物种总数的比例差异较大(表6)。为提高观测工作质量，需要综合分析两栖动物的生物学特点和分布格局，科学规划样线的数量以及样线分布的纬度、经度、海拔。对于面积小的样区，海拔是重要的影响因子，布设样线时要重点考虑海拔梯度。而对于面积较大的样区，样线数量就要多一些，除海拔因素外，还要考虑南北区域(纬度)、东坡和西坡(经度)的差异等因素，尽量覆盖代表性的区域和物种。在制订观测目标时，根据样区的两栖动物多样性，提出最低观测物种数量的要求，以7个样区的观测结果[3-9]分析，单个样区每年观测物种数量占比达到该样区物种总数的60%为宜。

表5 画稿溪自然保护区两栖动物群落多样性指数的变化

表6 7个样区的样线数和两栖动物物种数对比

3.2 评估工作亟需提高计数数据的质量

评估结果显示，画稿溪自然保护区两栖动物的物种数在年度之间无差异，在月度之间存在显著差异，这与两栖动物鲜明的季节性活动相关，说明观测工作需要兼顾两栖动物的繁殖期、觅食期和冬眠期的动态变化，目前每年开展3～4次观测是合理的和必要的[1]。在实际观测工作中，常用的观测方法均是通过计数样线上或样方内的物种和个体数量来研究两栖动物的种群动态[1]。计数数据广泛应用于两栖动物的生态学研究，但观测概率的变化会导致计数的变化，从而使得评估结果掩盖真实的种群动态[24]。未来的评估工作中，建议通过改进观测技术和方法，如采用标记重捕技术[25]以及贝叶斯权重估计方法[26]等，提高计数数据的质量。

3.3 保护工作需关注路杀的影响

两栖动物是脊椎动物中受到路杀威胁最严重的一个类群，路杀个体数量占所有脊椎动物的65.6%[27]。在我国的王朗自然保护区，路杀对2种两栖动物造成了严重的负面影响[28]。画稿溪自然保护区两栖动物观测工作开展5 a以来，区内出现了较多的道路建设和旅游活动。2014年，10条样线都是自然的河道或穿行于农田、竹林间的泥土路；2015年，样线3建成水泥路；2016年，样线7、8、9、10建成水泥路；2017年，样线2、5周边新修了较大面积的建筑物；2018年，因占用河道修建停车场，样线5的环境遭到破坏。这给当地两栖动物带来较大的影响，2018年，画稿溪自然保护区的两栖动物物种数和个体数均出现较明显的下降。这是两栖动物向人类发出的警讯，在国家大力推动道路建设的同时，亟需加强路杀对两栖动物的影响研究，创新两栖动物保护措施。

致谢：本所杨韬同学采用SPADE软件包，协助开展多样性指数的计算和分析工作，特此致谢。