陳 章,李 隆,武發(fā)思,朱非清,汪萬福,趙雪芬,岳永強

[1． 國家古代壁畫與土遺址保護工程技術研究中心(敦煌研究院),甘肅酒泉 736200;2． 古代壁畫保護國家文物局重點科研基地(敦煌研究院),甘肅酒泉 736200;3． 甘肅省敦煌文物保護研究中心(敦煌研究院),甘肅酒泉 736200;4． 甘肅炳靈寺文物保護研究所(敦煌研究院),甘肅臨夏 731100;5． 麥積山石窟藝術研究所(敦煌研究院),甘肅天水 741000]

0 引 言

生態(tài)研究通常需要觀察動物活動及其行為,由于動物活動機敏、習性多樣,人類無法在充分觀察的情況下記錄動物活動[1]。20世紀90年代以來,隨著數(shù)碼影像技術(如自動相機技術或紅外相機技術(automated-camera monitoring technology或camera trapping)的發(fā)展,紅外相機技術作為一種“非損傷性”的物種調(diào)查和記錄技術,在近30年來得到了快速發(fā)展并廣泛應用于野生動物研究[2-3]。紅外相機技術是指通過自動相機系統(tǒng)(如被動式/主動式紅外觸發(fā)相機或定時拍攝像機等)來獲取野生動物圖像數(shù)據(jù)(照片/視頻),并通過這些圖像來分析野生動物的物種分布、種群數(shù)量、行為和生境利用等重要信息[4-6]。目前,絕大多數(shù)國家自然保護區(qū)均使用紅外相機進行野生動物資源的調(diào)查和評估[7-9]。文化遺產(chǎn)領域由于前期研究與歷史數(shù)據(jù)的缺乏,許多文物賦存環(huán)境中野生動物活動與多樣性狀況尚未明晰,動物損害監(jiān)測與防治研究工作進度遲緩,紅外相機監(jiān)測動物活動的應用更是鳳毛麟角,僅見于個別遺產(chǎn)地[10]。

石窟寺和古建筑作為人類文明的重要載體和歷史發(fā)展不可或缺的物證,保存有大量的古代壁畫、彩塑、彩繪等文化遺存,具有重要的歷史、藝術、科學、社會和文化價值。這些遺產(chǎn)地大多營造在遠離市區(qū)的偏僻地點或幽靜山林中,極易成為鳥類、鼠類和蝙蝠等動物的天然棲息地或避難所,它們在壁畫、彩塑等文物表面活動,造成文物本體的侵蝕破壞,長期以來成為威脅文物安全保存的重要因素。

近年來,國內(nèi)、外文物保護工作者針對石窟寺與古建筑動物調(diào)查及損害方面已開展了大量的研究工作[11-14],但動物損害監(jiān)測與防治還存在諸多困難,具體表現(xiàn)為:1)許多野生動物具有隱蔽性強、活動范圍廣、機動靈活和主動擴散能力強等特點,無法獲取其對文物本體損害的直接證據(jù);2)部分動物有晝伏夜出的習性,夜間很難觀察到實體,甚至很難發(fā)現(xiàn)痕跡;3)傳統(tǒng)的利用肉眼、望遠鏡等監(jiān)測手段面臨工作人員無法近距離捕捉動物圖像、工作強度大且效率低下的情況。因此,使用紅外相機技術取代人工拍攝已成為當下遺產(chǎn)地動物監(jiān)測研究的新途徑。

本研究團隊自2018年1月至2021年6月,選取世界文化遺產(chǎn)地敦煌莫高窟、天水麥積山石窟、永靖炳靈寺石窟和全國文物重點保護單位蘇州紫金庵作為研究對象(圖1),將紅外相機技術應用于4處遺產(chǎn)地進行動物活動監(jiān)測,旨在掌握遺產(chǎn)地動物種群特征、活動節(jié)律以及為動物防治提供技術支撐和科學依據(jù)。

圖1 紅外相機技術應用于四處文化遺產(chǎn)地Fig.1 Infrared camera technology applied to four cultural heritage

1 研究方法

1．1 紅外相機布設

由于遺產(chǎn)地監(jiān)測區(qū)域文物賦存環(huán)境特殊且動物活動范圍較大,故采用隨機布設法。2018年1月起,開始在遺產(chǎn)地監(jiān)測點布設紅外相機(表1),通過現(xiàn)場觀察到的動物痕跡(如足印、食痕、抓痕、落羽、糞便、巢穴等),選擇視野開闊前方且無障礙物遮擋的位置布設紅外相機。同時記錄每個位點的相機編號、布設時間、GPS位點等信息[15]。監(jiān)測照片將記錄每臺相機的編號、位置坐標、海拔、相機周邊微生境類型等信息[4]。22臺紅外相機共布設50個位點(表1),每個位點監(jiān)測4個月左右后,進行電池更換和內(nèi)存卡數(shù)據(jù)讀取。根據(jù)遺產(chǎn)地所在區(qū)域的氣候特征,四季劃分為春季3～5月,夏季6～8月,秋季9～11月,冬季12月至翌年2月。

表1 各遺產(chǎn)地紅外相機布設情況Table 1 Arrangement of infrared cameras at each heritage site

1．2 相機參數(shù)設置

使用千里拍(Bestguarder?SG-999V)紅外相機,其拍照物理像素為1 200萬,視頻尺寸為1 080 P。相機參數(shù)設置為照片(3張連拍)或視頻(30 s)模式,熱紅外(PIR)感應觸發(fā)間隔為60 s,靈敏度設置為高。每次安裝16節(jié)南孚5號無汞堿性電池。

1．3 數(shù)據(jù)收集

定期將內(nèi)存卡照片數(shù)據(jù)按相機位點編號保存,刪除相機視野中人為干擾(游客、工作人員)、光線變化、雜物等誤拍照片,物種鑒定參考《中國鳥類野外手冊》[16]、《中國哺乳動物圖鑒》[17];物種分類參照《中國鳥類分類與分布名錄》(第三版)[18]、《中國哺乳動物多樣性》(第2版)[19],如照片不清晰無法分辨物種時,則借助視頻輔助鑒定。鑒定之后統(tǒng)計照片數(shù),并將照片按照物種名稱重新命名,便于日后查看和分析。

1．4 數(shù)據(jù)處理

從2018年1月至2021年6月,剔除相機視野中人為(游客、工作人員)擾動、光線變化干擾等的無效照片,將獲得22臺紅外相機的照片數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計,包括拍攝日期和時間、動物種類、數(shù)量等。同一位點的紅外相機在野外連續(xù)工作24 h為1個相機工作日,同一部相機在30 min內(nèi)連續(xù)拍攝的同種動物照片只定義為該物種的1張獨立有效照片(Independent effective photo)[20]。并將照片按獸類、鳥類進行歸類統(tǒng)計。采用相對多度指數(shù)(Relative abundanceindex,RAI)作為評估動物物種種群相對數(shù)量的指標,計算公式[20]如下:

RAI=Ai/T×100

(1)

式中,Ai為第i種動物出現(xiàn)的獨立有效照片數(shù);T為總的相機工作日,即所有相機位點正常工作累計的捕獲日。

比較4處遺產(chǎn)地相對多度指數(shù)排名首位的物種(優(yōu)勢物種)數(shù)據(jù),以月相對多度指數(shù)(Monthly relative abundance index,MRAI)和季節(jié)相對多度指數(shù)(Seasonal relative abundance index,SRAI),分析4種優(yōu)勢物種的月份和季度活動節(jié)律:

MRAI=Mi/Ti×100

(2)

SRAI=Nj/Tj×100

(3)

式中,Mi為第i月(i=1～12)4種優(yōu)勢物種的獨立有效照片數(shù);Nj為該季節(jié)(j=春、夏、秋、冬)4種優(yōu)勢物種的總獨立有效照片數(shù);Ti為第i月紅外相機工作日;Tj為第j季紅外相機工作日。為方便分析物種日活動規(guī)律,將某一動物大多數(shù)時間在夜間活動,定義為夜行性動物。將一天以每2 h為單位劃分為06∶00～08∶00、08∶00～10∶00、10∶00～12∶00等12個時間段[21],日活動節(jié)律采用日活動強度指數(shù)(Daily activity index,DAI)表示,定義如下[22]計算公式:

DAI=Nij/Ni×100

式中,Nij為第i種(i=1～4)動物出現(xiàn)在第j個時間段(j=1～12)內(nèi)的獨立有效照片數(shù);Ni為第i種動物的獨立有效照片總數(shù)[23]。

采用Excel 2016對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理,制圖采用Origin 2017軟件。

2 結果與分析

2．1 獸類和鳥類物種組成

2018年1月至2021年6月,4處遺產(chǎn)地22臺相機累積工作日9 463 d,其中,莫高窟相機累積工作日2 473 d,炳靈寺石窟相機累積工作日4 199 d,麥積山石窟累積工作日2 122 d,紫金庵相機累積工作日669 d。共獲得鳥類獨立有效照片7 596張(表2、圖2),隸屬于3目8科9種,包括6種雀形目鳥類,占鳥類總物種數(shù)的66.67%;鴿形目2種,占鳥類總物種數(shù)的22.22%;啄木鳥目1種。共獲得獸類獨立有效照片3 350張,隸屬于3目5科9種,包括7種嚙齒目動物,占獸類總物種數(shù)的62.45%,勞亞食蟲目、兔形目各1種。

表2 基于紅外相機監(jiān)測下的各遺產(chǎn)地動物名錄Table 2 Animal list of each heritage site monitored with infrared cameras

(續(xù)表2)

2．2 物種多度指數(shù)

在紅外相機記錄的18種野生動物中,各遺產(chǎn)地RAI排名首位的鳥類分別是:[樹]麻雀(RAI=11.56,莫高窟)、巖鴿(RAI=75.99,炳靈寺石窟)、北紅尾鴝(RAI=10.27,麥積山石窟),3種鳥類的獨立有效照片數(shù)共計3 695張,占鳥類獨立有效照片總數(shù)的48.64%。相機位點出現(xiàn)率較高的鳥類是巖鴿(16個位點)、原鴿(12個位點)、北紅尾鴝(8個位點)。巖鴿、原鴿、[樹]麻雀存在集群活動情況,最大數(shù)量分別是34只、21只和10只,3只以上獨立照片分別為712張、565張、78張。

各遺產(chǎn)地RAI排名首位的獸類分別是:大沙鼠(RAI=35.75,莫高窟)、巖松鼠(RAI=43.17,麥積山石窟)、珀氏長吻松鼠(RAI=43.65,紫金庵),3種獸類的獨立有效照片數(shù)共計2 092張,占獸類獨立有效照片總數(shù)的62.44%。相機位點出現(xiàn)率的獸類是巖松鼠(7個位點)、大沙鼠(5個位點)、復齒鼯鼠(4個位點)。統(tǒng)計獸類照片時發(fā)現(xiàn),珀氏長吻松鼠、褐家鼠均具有集群現(xiàn)象,最大數(shù)量分別是8只、6只,3只以上獨立照片分別為98張與135張。

2．3 優(yōu)勢物種的活動節(jié)律

季節(jié)相對多度指數(shù)SRAI研究結果表明,每年隨著溫度變化和季節(jié)性交替,4種優(yōu)勢物種活動頻率均表現(xiàn)為夏季達到最高,冬季最低(圖3)。月相對多度指數(shù)MRAI結果顯示,每年1月活動頻率最低,8月活動頻率最高,6～7月為活動頻率增長期,9～12月為活動頻率下降期,2～5月相對穩(wěn)定(圖3)。

圖3 遺產(chǎn)地4種優(yōu)勢物種的年活動格局Fig.3 Annual activity pattern of four dominant species at the heritage sites

對4種優(yōu)勢物種日活動節(jié)律統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),巖鴿、大沙鼠、巖松鼠均表現(xiàn)出典型的晝行性特征,大沙鼠活動曲線呈雙峰型,日活動最高峰期為08∶00～10∶00,巖鴿與巖松鼠日活動高峰期均為10∶00～12∶00,巖松鼠在高峰期后12∶00～18∶00保持持續(xù)性活躍狀態(tài)。珀氏長吻松鼠大部分活動時間在晚上,為夜行性動物,日活動高峰期在02∶00～04∶00(圖4)。具有夜行性的動物還有:復齒鼯鼠、三趾跳鼠、五趾跳鼠、褐家鼠、大耳猬。蒙古兔為晝夜都能活動,但晨昏活動更為頻繁。

圖4 遺產(chǎn)地4種優(yōu)勢物種的日活動節(jié)律Fig.4 Daily activity rhythms of four dominant species at the heritage sites

2．4 動物物種的危害現(xiàn)狀

紅外相機照片可記錄動物在遺產(chǎn)地的分布、種類、數(shù)量、活動軌跡等信息。結合現(xiàn)場現(xiàn)狀調(diào)查發(fā)現(xiàn),動物活動已嚴重威脅到遺產(chǎn)地文物安全和賦存環(huán)境(圖5)。鳥類對文物的危害形式主要包括:1)文物表面造成抓痕;2)筑巢;3)糞便污染腐蝕文物畫面,其中的某些物質(zhì)還可能與顏料發(fā)生化學反應。獸類對文物的危害形式主要有:1)鼠類打洞造成文物本體空鼓、破損;2)鼠類活動抓損文物表面;3)糞便污染。

調(diào)查中還發(fā)現(xiàn)動物類群存在對自然環(huán)境的破壞作用,如莫高窟周邊為地域開闊的荒漠生境,大沙鼠啃食梭梭(Haloxylonammodendron)、白刺(Nitrariatangutorum),破壞窟頂防沙麥草方格,大耳猬常取食沙生植物幼果、嫩芽等,造成防風固沙綜合體系的破壞,影響莫高窟整體的文物賦存環(huán)境。

3 討 論

本研究首次基于紅外相機技術監(jiān)測遺產(chǎn)地動物活動,共拍攝到18種野生動物,隸屬于6目13科,相較于國內(nèi)自然保護區(qū)紅外相機調(diào)查數(shù)據(jù),物種數(shù)相對較低[24-25]。原因可能有:1)紅外相機連續(xù)工作時間短,這與本研究監(jiān)測區(qū)域有關,遺產(chǎn)地作為文化游覽地,游客參觀給相機監(jiān)測帶來了較大的人為干擾,人員流動中容易引起相機觸發(fā),電量耗費快,縮短了紅外相機獨立工作日;2)紅外相機空間布局上未完全覆蓋許多物種的核心分布區(qū);3)許多物種在遺產(chǎn)地內(nèi)的種群數(shù)量可能較少,不易被相機捕捉到;4)紅外相機對小型獸類拍攝效果不佳,如本研究拍攝到的某些嚙齒類動物,無法辨識到種。此次共監(jiān)測到雀科、鹟科、鴉科、鹡鸰科等4種鳥類,占鳥類物種總數(shù)的44.45%,這表明紅外相機可有效監(jiān)測地棲性或半地棲性鳥類[26],但實際上非地棲性鳥類數(shù)量更多,而這些鳥類是否能被紅外相機拍攝到具有偶然性。此外,通過照片分辨還可積累同一物種不同個體的性別、成幼等種群參數(shù),對進一步研究這些物種的行為習性、種群變化、與遺產(chǎn)地環(huán)境之間的相互關系具有重要的意義。

此次調(diào)查到巖松鼠物種多度指數(shù)(RAI=43.17),遠高于河北太行山東坡南段(RAI=10.10)[27]、天津盤山風景名勝區(qū)(RAI=3.17)[28],蒙古兔物種相對多度指數(shù)(RAI=1.58)介于河北太行山東坡南段(RAI=3.49)[27]和寧夏六盤山國家級自然保護區(qū)(RAI=1.519)[29]之間,說明同一物種在不同地區(qū)的種群數(shù)量、活動區(qū)域等都存在明顯差異,可能與調(diào)查區(qū)域內(nèi)布設紅外相機的數(shù)量、網(wǎng)格的大小以及人為干擾等有關[4]。4個優(yōu)勢物種年活動節(jié)律均表現(xiàn)為單峰型特征,夏季(7～9月)為活動高峰期,其次為秋季和春季,冬季最低,這與食物資源季節(jié)性分布不均[30]及氣溫變化有關[31]。日活動節(jié)律比較發(fā)現(xiàn),本研究中巖松鼠日活動高峰期為10∶00～12∶00,稍晚于北京松山國家級自然保護區(qū)(08∶00～10∶00)和天津盤山風景名勝區(qū)(07∶00～08∶00),巖鴿的日活動高峰為10∶00～12∶00,早于內(nèi)蒙古民航機場巖鴿活動(14∶00～16∶00),說明動物活動節(jié)律與所處環(huán)境息息相關,取決于該物種所在環(huán)境中的地形地貌、植被、食物和人為活動等因素[30-32]。

動物活動是影響遺產(chǎn)地文物及賦存環(huán)境的重要因素,長期以來,國內(nèi)、外文物保護工作者開展了大量的文物有害動物調(diào)查工作[33-35],涉及石窟寺與古代壁畫、土遺址、館藏等多種文物類型。如柴長宏等對麥積山石窟及周邊環(huán)境有害生物進行了系統(tǒng)調(diào)查,危害動物為72種,隸屬于2界4門6綱12目39科59屬,鼯鼠、松鼠、蜂類的危害最為嚴重[36]。仝艷鋒等調(diào)查發(fā)現(xiàn),濟南華陽宮壁畫的有害動物主要以鳥類、壁虎類和蛇類為主[37]。但這些調(diào)查均借助于傳統(tǒng)的肉眼觀察、數(shù)碼相機拍攝等方式,對于一些活動隱蔽、難以跟蹤的夜行性動物類群(如鼠類、兔類、蝙蝠等),無法完成全天候的實時監(jiān)測,只有通過紅外相機技術實現(xiàn)動物實體影像資料及活動特征有效記錄,便于掌握動物實時活動節(jié)律與軌跡,為評估其對文物危害程度及制定相應的防治措施提供重要依據(jù)。

根據(jù)紅外相機監(jiān)測發(fā)現(xiàn),危害文物的主要動物類群為鳥類與鼠類,結合其活動特征的前期研究結果,基于石窟寺與古建筑文物安全、賦存環(huán)境、美觀度等因素,建議從主動預防和被動防治兩方面開展針對性的防治對策:

1) “聲光電”技術驅趕。超聲波會對特定范圍內(nèi)的動物聽覺神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾和刺激,使其對超過100 db的聲壓感到不適,進而放棄食物、水和隱藏之處后不斷遷移[12,38]。智能語音燈光驅逐裝置可結合閃光、喇叭聲或天敵聲音恐嚇等方式,從視覺和聽覺上達到驅逐目的[39]。雖然這種技術短期內(nèi)對于動物驅逐能達到一定作用[40-41],不過由于這種人造超聲較為“機械”,與動物自身發(fā)出的厭惡超聲相比過于簡單且在聲波特征上有所不同,對動物而言只是超聲噪音,長期效果如何?長期使用是否會產(chǎn)生適應性?這些都有待進一步考證。

2) 活動環(huán)境惡化。借助動物驅逐劑有效成分緩慢持久地釋放,能影響動物三叉神經(jīng)系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)的特殊氣味,動物聞后產(chǎn)生躲避逃離反應,能有效減少動物棲息和筑巢現(xiàn)象[42-43]。由于凝膠的黏性作用,許多動物身體表面或羽毛、尾部粘附凝膠,存在帶到文物表面或對賦存環(huán)境構成風險[44],因此驅逐劑的使用需保證與文物間的距離。

3) 人工封堵。紅外相機監(jiān)測發(fā)現(xiàn),洞窟孔洞、古建筑窗格及木質(zhì)橫梁等已成為動物進出的主要通道,因此通過排查石窟寺與古建筑存在的孔洞縫隙,架設不銹鋼網(wǎng)屏障,以減少動物的自由進出。阻止病害動物接近文物環(huán)境是比較常用且有效的方法。有研究表明,石窟門窗安裝紗網(wǎng)后,進入洞窟的昆蟲數(shù)量可比安裝前減少85%以上[45],架設不銹鋼網(wǎng)可以在不破壞文物價值和美觀度的情況下推廣使用。未來動物防治或將逐漸向特定區(qū)域內(nèi)多種措施綜合使用發(fā)展,形成點面結合、空間互補的綜合防治體系,文物保護領域的動物防治才更具科學性。

4 結 論

本研究主要獲得以下結論:

1) 本研究共監(jiān)測和鑒定到鳥類3目8科9種,哺乳類3目5科9種;根據(jù)相對多度指數(shù)(RAI)確定敦煌莫高窟、永靖炳靈寺石窟、天水麥積山石窟和蘇州紫金庵典型優(yōu)勢物種分別為:大沙鼠(Rhombomysopimus)(RAI:35.75)、巖鴿(Columbarupestris)(RAI:75.99)、巖松鼠(Sciurotamiasdavidianus)(RAI:43.17)和珀氏長吻松鼠(Dremomyspernyi)(RAI:43.65);

2) 4種優(yōu)勢物種均表現(xiàn)為夏季活動頻率最高,冬季最低;月活動節(jié)律為1月最低,8月最高,2～5月相對穩(wěn)定;日活動節(jié)律顯示,巖鴿、大沙鼠、巖松鼠為晝行性動物,珀氏長吻松鼠為夜行性動物;大沙鼠呈雙峰型活動曲線,日活動最高峰期為8∶00～10∶00,巖鴿與巖松鼠均為10∶00～12∶00,珀氏長吻松鼠為2∶00～4∶00。

3) 紅外監(jiān)測結合現(xiàn)場現(xiàn)狀調(diào)查發(fā)現(xiàn),鳥類主要通過抓傷、筑巢、糞便污染等形式危害文物,獸類常通過打洞、抓損及糞便污染形式對文物造成威脅;建議基于監(jiān)測數(shù)據(jù),探索使用“聲光電”技術驅趕、活動環(huán)境惡化、人工封堵等措施并評估防治效果,科學防控以降低動物活動對文物的危害。