深圳羊台山城市森林生物声景变化特征及影响因素研究

来源 :中国林业科学研究院 | 被引量 : 0次 | 上传用户:fulinbo
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随着城市化进程的加速,城市生态系统为满足城市基础设施的需求被重新设计和改造,因此变得脆弱和敏感。为了全面地了解人类社会对城市生态系统的扰动程度,研究人员迫切地需要一种既可以全面反映生态系统动态变化,又易于开展和经济的评价方法。声景生态学通过对声学群落发声行为的监测与评估,为解释人为干扰引起的生态系统变化提供了新的视角。然而,城市范围内的声景生态学研究常受人工声元素的干扰而无法广泛开展。为了更全面地了解城市森林区域内生物声动态变化特征,本研究选取深圳羊台山城市森林内的生物声作为研究对象,从时空分布格局以及城市空间和植被因素两方面出发,旨在解决四个主要问题:在城市森林区域,(1)城市森林声学空间的生物声活动具有怎样的地位和分布特点。(2)城市森林声学空间中生物声具有什么样的声学特征。(3)生物声活动和不同城市森林植被结构因子具有怎样的关系。(4)城市空间对生物声动态变化具有怎样的影响。为此,本研究分布利用阵列式和散点式麦克风布局方式,对羊台山城市森林边缘区和内部区内的生物声动态变化进行监测。其中阵列式布局由30台便携式录音设备组成5×6的麦克风阵列用于解答复杂城市空间元素与生物声动态变化的关系。散点式布局由10台固定式录音设备组成,探究典型南亚热带常绿阔叶林群落结构特征与生物声动态变化的关系。为更加准确地评估城市区域内的生物声动态变化,本研究基于深度学习算法对6种声景元素(鸟鸣声、虫鸣声、鸟虫声、生物人工声、人工声和空白声)进行声音分类统计,并在剔除人工声元素干扰的前提下,利用归一化声音指数(NDSI)、声学多样性指数(ADI)和功率谱密度(PSD)完成对生物声优势度、多样性和频谱组成的量化分析。研究结果表明:(1)城市森林为声学群落提供了重要的声学空间,营造了城市生物群落必要的发声场所。内部区拥有更多的生物声元素(内部区72.51%,边缘区61.10%),更少的人工声元素(内部区1.14%,边缘区14.60%)和生物人工声(内部区0.47%,边缘区9.85%)。同时,空白声在内部区的占比(26.35%)略高于边缘区(24.28%)。这显示出内部区生物声活动强度高于边缘区,受到的人为干扰减弱,整体声环境更适宜生物声活动。(2)城市森林环境下的声学群落在频域、活动时间和空间等方面有序地分享着有限的声学空间资源,区域内鸟鸣声和虫鸣声主频分别集中在2-4k Hz和4-7k Hz之间,并具有“此消彼长”的相互关系,显示出不同声学群落间对声学空间的分层利用现象。鸟类群落通过调整发声时间和地点,尽量避免受到研究区域内人工声活动的干扰。(3)NDSI和ADI指数适用于量化城市森林区域内的声学群落动态变化,并分别从生物声优势度和多样性两方面对声学群落的动态变化特征进行评价。同时,研究结果显示ADI指数对人工声变化敏感,因此需要对人工声元素剔除后进行计算。(4)城市森林空间格局影响声学群落鸣声优势度,植被结构影响其鸣声多样性。城市空间元素对鸟鸣声的影响主要集中在春季,虫鸣声则集中在夏季,这体现处不同声学群落对空间结构的利用方式差异。生物声优势度与林缘距离、游步道距离和主干道距离等空间因素相关,而多样性则与叶面积指数、叶高多样性和林冠开敞度等植被因素相关。(5)城市森林应注重培育水平和垂直空间变化丰富的群落结构,为发声群落提供适宜的声学空间。植被结构因子对春季鸟鸣声和夏季虫鸣声的解释力最高。同时,各季节中植被归一化指数和树高多样性均展显出对生物声优势度的正面影响,林冠植被密度在各季节间展现出对生物声多样性的负面影响。植被结构与生物声优势度和多样性的差异化显示出声学群落不同类型的发声方式对植被空间结构具有不同的依赖性。本研究展示出在城市森林区域运用声学方法监测和评估声学群落动态的可能性与具体方案,揭示了声学群落在城市森林背景下的时空分布格局以及其与复杂的城市空间和植被结构因素的关系,为今后城市森林生物多样性研究提供了全新视角,并为城市森林规划和管理提供了新的参考数据。
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