声音是生物之间交流的重要手段，对生物声音的监测与分析是描述和评估生物多样性的新兴方法。这种方法不侵入和破坏自然环境，通过声音记录生态信息，并有效反映生物多样性的相关特征，是一种重要的生态工具。

声音监测方法

声音的采样

声音监测的工作流程主要包括：声音的采样、数据整理与存储、信号处理与统计分析。高保真度的便携式录音机使研究人员能够在野外方便地记录高质量的动物声音。随着录音设备不断地更新，目前应用于监测的自动声学传感器，可以实现有计划地长期自动化记录。自动声学传感器的应用允许研究人员进行更广泛的空间采样和更长时间的录音，现场声音可以长期存储并且能够反复回放监听，进一步减少观察者的判断误差，获得更准确的评估结果。同时，大规模且长期性的声音数据，需要通过音频专用档案进行保存和管理[1]，以及开发处理大量数据的系统来应对“大数据”的科学挑战。

声音信号的识别

人耳识别是从录音中提取生物信息的有效途径，基本可以达到现场点计数的相同水平甚至更高的精度[2]。在回放录音过程中经常使用频谱图来帮助检测和识别物种种类，通过Audacity或Adobe Audition等软件可以获得录音的频谱图并对声音进行编辑。不同声源的声音信号特征在时间和频率上有所不同并且可以区分，频谱图的辅助判断是一种有效的处理方法[3]。但人工物种识别的过程费时、费力，要求研究人员有丰富的知识储备或专家的相关指导，并受到录音回放质量、处理录音人员的可变性等多方面的影响，带有一定的主观性[4]。

通过Adobe Audition软件处理音频文件获得的频谱图。本示意图中音频文件截取自夏季北京城市公园中1min的真实录音，从频谱图中能够清晰分辨出生物声(白头鹎、蟪蛄、黑蚱蝉)、人工机械声（汽车鸣笛声）和地球物理声（背景噪声、风声）等，有效辅助人耳识别过程。

声音信号的量化

声学指数的开发是为了量化数字音频文件中捕捉到的声波能量(时间或频率)，通过数字化的方式推断生物多样性的信息。这些声学指数根据声音的振幅强度、时间/频率或振幅的复杂程度、声景的异质性来估计声音群落的多样性[5]。

迄今为止，研究人员已经开发了60多个声学参数[6]，常用的声学指数详见下表。声学指数已经应用于一系列的生态研究当中，可以根据声音特性进行快速分类，为生物多样性评估和栖息地的监测提供帮助[7]。

评估发声动物的生物多样性

鸟类群落

鸟类通常表现出广泛的地理分布，并在生态系统功能中发挥着重要作用，常作为环境变化的指示物种。许多鸟类发声能力强，鸟鸣声能够有效传递生物信息且容易被传感器捕捉，是可靠的声音数据来源。有研究人员在云南省西双版纳和哀牢山保护区进行试验，通过对比声音监测记录与鸟类样点观测计数结果，探讨在不同斑块大小和栖息地影响下，声学指数与鸟类多样性之间的相关关系[8]。从声音角度对鸟类群落进行研究具有很大潜力且研究较多，例如，在艰苦环境中长期监测濒危稀有或缺乏生态数据的鸟类信息；鸟类分布及丰富度的估计；鸟类物种多样性的评估；鸟类群落的系统发育和功能多样性；鸟类群落声音多样性的时空研究等。

昆虫群落

常见的发声昆虫有蝉、蟋蟀、螽斯、蚂蚱等，昆虫产生的鸣声较为强烈。有关昆虫的声音研究包括对种群密度和多样性的评估，探究声学空间的利用与物种丰富度之间的关系等。研究人员在土壤中进行的声音研究有利于理解土壤动物的声学特征，对特定物种的声学监测开辟了害虫防治的新的可能性。

两栖动物

两栖动物对环境变化非常敏感，由于栖息地被破环，环境污染等多种因素使两栖动物受到严重威胁。利用声音监测的方法可以在更大的时空尺度上评估动物种群，对两栖动物的声音研究包括青蛙声学活动和物种丰富度的估计，气候变化对两栖动物的影响[9]，监测入侵物种种群动态[10]等。

深水和海洋动物

利用声音监测对淡水和海洋生物群落进行生物多样性评估和环境调查的研究越来越多[11-12]。通过对比水下视觉普查的鱼类数据与声音记录发现，水生环境中声音多样性能够反映鱼群的生物多样性[13]。利用声音监测对珊瑚礁的声学环境（包括各种鱼类和无脊椎动物的声音）进行调查，反映了栖息地结构的复杂性和生物多样性[14]。长期的声音记录能够捕获水生生态系统中大量的声音变化信息，对于实施海洋管理和策略制定非常重要。

在生物多样性领域的主要应用

评估土地利用变化对生物多样性的影响

声学传感器主要录制样点附近的声景信息，与卫星图像提供的数据相比，声音监测的方法能够获得更多的细节，更加准确地描述声音群落的分布与变化。景观破碎化对声景的影响可能在不同的栖息地有所不同。栖息地破碎化会影响部分雀形目鸟类的鸣声特征，与鸣声复杂度相关的声学特征会随斑块大小的变化而改变[15]。斑块边缘环境的剧烈变化会对斑块内部物种丰富度和生物多样性产生重要的影响，而不同物种对边缘效应的反应不同。通过声音监测的方法尝试描述不同大小的生境斑块间声音多样性的差异，可能与边缘效应的影响有关[16]。

热带森林的选择性采伐会改变当地动植物物种数量，也可能影响物种的更新。通过在广泛空间尺度上的声音监测，可以发现选择性采伐的森林内声景更为均质，与未被采伐的保护区相比，昼夜声景饱和度也发生了改变[17]。对景观中声音的记录和分析可以评估野火对动物群落和生物多样性的影响，能够描述野火焚烧后的斑块与未被破坏地块间生物声季节和昼夜的差异[18]。声音监测的方法可以帮助解决涉及动物群落对野火反应的保护问题，也可以很好地弥补遥感探测的不足。

评估气候变化对生物多样性的影响

青蛙和鸟类对环境条件极为敏感。针对它们进行声音生态监测，可以评估气候变化对种群及环境的影响。长期监测陆地景观的声学物候可以更深入地了解重要物候事件的存在和时间，如迁徙、交配、繁殖等。这对生物多样性的研究和评估非常有帮助。

在水生环境中，气候变化导致的水质酸化会影响海洋系统中声音的传播。海水酸化会影响低频声音，并对使用这些频率进行交流的海洋哺乳动物产生影响。pH值的下降降低了声音的吸收，对鲸鱼等海洋物种产生了很大的影响。这些物种将被迫改变发声的频率、持续时间和强度，以避免人为信号的掩蔽效应[19]。声音调查是评估气候变化影响的有力工具，可以记录物种行为和声音物候在时空上的变化，以及物种在进入或离开声学群落时对声学特征的影响，在生物多样性评估中发挥着重要作用。

评估城市化对生物多样性的影响

城市环境内的声音频谱和时间特征与森林环境有很大不同，通常包含一些人为产生的不必要的噪声，例如道路交通噪声、固定机器噪声等。城市化对景观的生物多样性造成威胁，人为噪声被认为是影响动物交流和繁殖成功的主要压力源，声景模式受到城市化程度的影响。在城乡梯度上探究声景特征的时空模式以及声景特性与鸟类群落的关系，可以在测量环境噪声水平的同时了解声景各组成部分之间的相互关系[20]。也有研究人员在城市化梯度的两端（即城郊森林和高度城市化地区）利用声音监测方法，发现在人为干扰下，鸟类黎明合唱表现出的明显时空差异[21]。风雨、瀑布、雷电、持续的蝉鸣、人类的干扰都可能是噪声的来源[22]。

噪声可能会改变部分发声动物的交流行为或活动空间，通过分析声景的时空变化趋势，有助于评估物种受到环境干扰的影响。一些声学研究记录了环境噪音带来的影响以及相关生物反应，例如，噪声会导致动物感觉退化或无法检测到来自同种、捕食者、猎物或环境的声音线索。这可能会改变捕食者与猎物之间的相互作用，影响繁殖成功率和觅食效率等[23]。一些城市中的鸟类为了应对噪音，通过调整鸣声的振幅/频率或改变鸣唱时间来减轻噪声对日常交流带来的掩蔽；或减少嘈杂栖息地的丰富度，改变群落动态等[24]。基于声音监测的生态应用来进一步了解噪声特征、动物行为和环境之间的相互作用，是评估人为干扰对生物多样性的影响、探讨缓解措施、制定相关保护策略的关键。

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