為候鳥裝上“衛(wèi)星追蹤器”：運動生態(tài)學(xué)如何揭開千年遷徙之謎

人類始終仰望天空，從漫漫遠(yuǎn)古到繁盛現(xiàn)代，浩瀚蒼穹中鳥兒遷徙的身影，始終激蕩著人類文明的想象與情感。數(shù)以百億計的鳥類，在地球的每個角落，進(jìn)行飛行、捕食、停歇等各種形式的運動，完成周而復(fù)始的遷徙。

史詩級的鳥類遷徙運動，不僅生動地演繹著鳥類如何巧妙地利用氣流、河流、灘涂濕地等自然條件，更展現(xiàn)了它們?nèi)绾位乇芎蛯癸L(fēng)暴干擾、高山沙漠阻隔等自然挑戰(zhàn)。鳥類在繁殖地和越冬地之間周而復(fù)始地完成遷徙，這一現(xiàn)象讓人類深深著迷。

鳥類的遷徙蘊含著生命進(jìn)化億萬年的智慧，承載著精準(zhǔn)的生物導(dǎo)航技巧、強(qiáng)大的體能儲備策略和敏銳的環(huán)境感知能力。每一次飛翔，都是對生命極限的挑戰(zhàn)；每一次抵達(dá)，都是演化與適應(yīng)的勝利。鳥類比人類到達(dá)了這顆星球的更多領(lǐng)地。與千萬里飛翔的鳥類相比，人類運動能力極其弱小，因此，古往今來，人類一直向往像鳥類一樣自由飛翔。

歸去來兮，遷徙的鳥類被古人稱為“候鳥”，其運動行為更加遵循天道，它們比人類也更“自然”。候鳥每年在固定的時間在某一地區(qū)出現(xiàn)，這種確定的遷徙運行規(guī)律，像氣候一樣指導(dǎo)著人類的農(nóng)業(yè)活動。

鳥類年度遷徙循環(huán)

（圖片來源：作者原創(chuàng)）

如民間諺語“七九河開，八九雁來”，即黃河流域的人們，在每年冬至（12月23日）之后的第八個九天（3月5日前后），能夠看到大雁從南方飛來，這與如今我們利用衛(wèi)星追蹤確定的鴻雁遷徙時間極其一致。對鳥類的運動觀察、規(guī)律總結(jié)和理論認(rèn)知，也影響和指導(dǎo)著人類的生產(chǎn)和生活，如出海打魚的漁民也會利用海面上鳥群的位置來定位水下魚群目標(biāo)。

鳥是人類文明中的重要文化符號

鳥類向上拓展了地球生命的空間，同時也拓展了人類文學(xué)創(chuàng)造的空間，賦予了人們更多的精神追求與想象。

公元前6～11世紀(jì)，《詩經(jīng)》中有76處描寫鳥類，提到33個鳥類物種。2600年前（公元前3～4世紀(jì)），莊子在《逍遙游》中寫到：“北冥有魚，其名為鯤，化而為鳥，其名為鵬……鵬，徙于南冥”，更是神話般地描繪了鳥類在“北冥”（北方的海/湖）和“南冥”（南方的海/湖）之間往返遷徙的意象。莊子描繪了鯤化為鵬的動物進(jìn)化現(xiàn)象，更描繪大鵬御風(fēng)在天地間追求無限高（逍）和無限遠(yuǎn)（遙）而自由飛翔（游）的壯麗畫面。盡管《逍遙游》非嚴(yán)肅的科研文章，但這可能是人類最早描繪鳥類遷徙的傳世文獻(xiàn)。這說明早在2600年前，中國人就已對鳥類的遷徙行為有了一定的觀測和認(rèn)知。

在所有的鳥類中，鶴是較為深入人心的一種。鶴優(yōu)雅、空靈的姿態(tài)，給人以祥瑞、隱逸、圣潔、高貴的意象。鶴在古代象征清白俊逸之士，更以其善舞懂音，被認(rèn)為是獨特的靈禽。

中國9種鶴科鳥類（全球有15種鶴，其中在中國棲息的有9種）

（圖片來源：改編自 馬敬能，《中國鳥類野外手冊》，商務(wù)印書館，2000年）

古人賦予鳥的這些神秘的寓意和玄幻的想象，主要是由于在科技落后的時代，人類對鳥類監(jiān)測手段不足，只能對鳥類運動軌跡進(jìn)行片段性地零星捕捉。本質(zhì)上是人類無法掌握鳥類運動的科學(xué)規(guī)律，而對鳥類產(chǎn)生的臆想。我們應(yīng)當(dāng)崇尚古人通過修煉自身，以期達(dá)到人鳥和諧共存境界的浪漫追求。

撫今追昔，我們今人應(yīng)從這些古籍與歷史傳說中得到啟迪，鳥類與人類休戚與共，在人類追求經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時，人類需要更加重視鳥類的保護(hù)，以文明傳承者的歷史自覺將自己置身于人類文明長河的宏大敘事之中。因此，在時間上，我們要樹立宏大的歷史觀——當(dāng)下實施的鳥類多樣性保護(hù)與棲息地保護(hù)，不僅僅是保護(hù)今天的鳥類，更是在保護(hù)千年的人類文明的一部分，鳥類的每個物種中都攜帶了極其珍貴且獨特唯一的物種基因庫，地球上鳥類已與人類成為新的命運共同體。

運動生態(tài)學(xué)推動鳥類運動機(jī)制研究

長期以來，這些關(guān)于鳥類隱秘生活的謎團(tuán)，一直是困擾科學(xué)家的難題。要了解鳥類的秘密生活，最直接的方法就是近距離觀察和測量。但對于那些體型微小、行蹤隱秘、生性敏感、身體脆弱、數(shù)量稀少或生活在極端環(huán)境中的物種來說，這幾乎是不可能完成的任務(wù)。

正是在這樣的背景下，生物標(biāo)記技術(shù)（bio-logging）應(yīng)運而生。生物標(biāo)記技術(shù)的核心，在于將微型化的電子設(shè)備佩戴在鳥類身上，這些設(shè)備就像鳥的“私人偵探”，能夠監(jiān)測并記錄下鳥類的生物學(xué)信息（如行為、運動、生理狀況）及其所處環(huán)境的各項參數(shù)。

隨著全球定位系統(tǒng)（GPS）技術(shù)的普及和微型化，GPS設(shè)備成為鳥類運動軌跡追蹤的主流工具。它們能夠提供高分辨率的鳥類位置數(shù)據(jù)，使得研究人員能更精確地描繪鳥類的運動軌跡。利用微型的（3g~40g）鳥類衛(wèi)星跟蹤器，能夠精確地（每30秒一個位點）監(jiān)測到鳥類個體全生命周期（從出生到死亡）的位置（GPS經(jīng)緯度）和運動軌跡，一點點揭開鳥類運動的神秘面紗。目前，世界最大的野生動物運動數(shù)據(jù)庫Movebank，已通過3000名科學(xué)家共享1025個物種的衛(wèi)星追蹤數(shù)據(jù)，共獲取超50億個位置數(shù)據(jù)，41億條其他傳感器數(shù)據(jù)（三軸加速度、溫度、高度、壓強(qiáng)等）。

在技術(shù)和需求的雙重推動下，一個以鳥類、獸類等陸生動物以及海洋動物為主要研究對象，探究其多尺度運動行為與棲息環(huán)境和氣候變化的相互作用機(jī)制和關(guān)系的新興學(xué)科——“運動生態(tài)學(xué)（movement ecology）”誕生并蓬勃發(fā)展。基于動物運動行為和棲息地的多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，該領(lǐng)域不斷地產(chǎn)出揭示鳥類運動機(jī)制的新發(fā)現(xiàn)，不僅擴(kuò)展了人類的認(rèn)知，更為人類理解野生動物運動模式提供了新的視角、方法和途徑。

運動生態(tài)學(xué)概念示意圖

（圖片來源：作者原創(chuàng)）

跨境合作揭示白枕鶴遷徙廊道與關(guān)鍵停歇地

一系列技術(shù)突破為跨境候鳥研究提供了全新視角，而中蒙科學(xué)家對白枕鶴遷徙的聯(lián)合追蹤，正是運動生態(tài)學(xué)在保護(hù)實踐中的成功范例。

在2017、2018和2019年夏季，我們中心（中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心）聯(lián)合蒙古科學(xué)家，于蒙古東部Khurkh河和Khuiten河谷以及Kherlen河谷的繁殖地，捕獲了39只白枕鶴并安裝了衛(wèi)星追蹤器。我們主要利用雛鳥翅膀尚未完全長成的時期和成鳥的換羽期，在它們恢復(fù)飛行能力之前捕獲目標(biāo)個體。

我們給所有個體都安裝了35克重、防水、腿部佩戴的GPS/GSM太陽能記錄發(fā)射器（尺寸為64×35×32毫米）。記錄器重量平均占被安裝鳥類體重的0.83%，能夠記錄以下數(shù)據(jù)：GPS坐標(biāo)、飛行高度、速度、方向、電池電壓等信息。跟蹤數(shù)據(jù)通過GSM/GPRS/3G通信網(wǎng)絡(luò)上傳，能從指定網(wǎng)站下載。

該記錄器配備三個外部太陽能電池板為內(nèi)置電池充電，低功耗設(shè)計使其能夠在零下20至零上70攝氏度的溫度范圍內(nèi)，以10分鐘一次的間隔收集位置數(shù)據(jù)（經(jīng)度/緯度），并在不充電的情況下存儲1000個位置信息。這種工作模式可以生成每只鶴在冬季和夏季棲息地之間遷徙過程中的位置信息，在這些棲息地，它們的位置也以同樣的頻率被監(jiān)測。

我們定義了遷徙持續(xù)時間、遷徙距離、遷徙速度、旅行速度、旅行持續(xù)時間、停歇持續(xù)時間、遷徙單次行程長度、停歇次數(shù)、直線度指數(shù)等11個遷徙參數(shù)來描述特定鶴的移動模式和遷徙特征。這些參數(shù)來自于那些我們獲得完整遷徙期信息的鳥類（即擁有從夏季到冬季棲息地或反向的連續(xù)移動數(shù)據(jù)。

左圖為白枕鶴，2019年7月6日拍攝于蒙古國烏吉湖（北緯47.755188°，東經(jīng)102.652021°）。右圖為白枕鶴春秋遷徙路線、關(guān)鍵停歇位點（遷徙路線春季為紅色，秋季為藍(lán)色；停歇地春季為黃色，秋季為淺綠色。停歇地符號的相對大小反映了個體停留時間的長短）。

（圖片來源：左圖由Dr.Iderbat Damba拍攝；右圖來自參考文獻(xiàn)[1]）

研究發(fā)現(xiàn)，白枕鶴西部種群（在中國越冬的種群）的遷徙網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出“倒三角”的遷徙格局，即繁殖地廣布分散和越冬地單一集中。我們呼吁需要警惕鶴類在鄱陽湖部分區(qū)域過度集中增加潛在的禽流感風(fēng)險。

2017-2020年間，記錄器提供的完整遷徙周期數(shù)據(jù)顯示，所有39只被標(biāo)記的白枕鶴都在其蒙古繁殖地和中國長江流域的越冬地之間進(jìn)行遷徙。它們秋季遷徙的平均距離為2556±187.9公里，春季遷徙的平均距離為2673±342.3公里。被標(biāo)記的白枕鶴平均在蒙古東部的繁殖地停留150±20天，平均在10月5日（±10天）啟程，遷徙過程平均耗時35±14天。

我們利用核密度估計（KDE）來描述鳥類在二維空間中累積使用的密度，并識別其年度遷徙周期中的遷徙廊道。分析結(jié)果顯示，這些鳥類在春季和秋季均傾向于使用一條相對狹窄（約100公里寬）的遷徙走廊，期間會在停歇地中斷。值得注意的是，在灤河流域和繁殖地之間，由于少數(shù)幾只個體行為差異，遷徙走廊的寬度擴(kuò)大到了近800公里。

白枕鶴的遷徙廊道及關(guān)鍵停歇位點

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]）

雖然所有完成一個完整遷徙周期的白枕鶴都沒有精確返回到它們的捕獲點，但在經(jīng)歷第一個及后續(xù)的冬季后，這些個體均回到了位于Khurkh和Khuiten河谷、Onon河、Kherlen河以及Ulz河的核心繁殖區(qū)域。

我們的研究確定了白枕鶴個體停留超過14天86個重要停歇位點，也證實了灤河流域是最重要的停歇區(qū)域，白枕鶴每年有2個月左右的時間（包括春季和秋季）在此度過。

2020年10月29-31日，我們針對灤河上游這個關(guān)鍵的白枕鶴遷徙停歇地進(jìn)行了系統(tǒng)的野外調(diào)查研究。通過無人機(jī)和地面單筒望遠(yuǎn)鏡雙向記錄，統(tǒng)計到在這里有1800±50只白枕鶴集群，約占全球白枕鶴數(shù)量的1/3。我們的研究發(fā)現(xiàn)，白枕鶴的越冬地在鄱陽湖得到了很好的保護(hù)，但是，在灤河上游的這個關(guān)鍵的遷徙停歇地，尚未被納入保護(hù)網(wǎng)絡(luò)。我們呼吁地方政府，對這一區(qū)域加強(qiáng)監(jiān)管，逐步將其納入保護(hù)網(wǎng)絡(luò)。

白枕鶴遷徙停歇地野外調(diào)查

（圖片來源：作者原創(chuàng)）

研究發(fā)現(xiàn)水庫可用作遷徙水禽物種的替代棲息地

我們對白枕鶴的衛(wèi)星追蹤數(shù)據(jù)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在白枕鶴的遷徙廊道上，沿途各級水庫也為這個物種提供了寶貴的遷徙停歇地。

北京的密云水庫是白枕鶴主要利用的水庫之一。為掌握密云水庫流域濕地質(zhì)量現(xiàn)狀并衡量生態(tài)修復(fù)的成效，我們建立了密云水庫流域濕地質(zhì)量評價體系。基于多源遙感數(shù)據(jù)，揭示出庫區(qū)濕地在年際間的規(guī)律和變化趨勢，繪制了庫區(qū)不同水位的消落帶空間分布地圖。結(jié)合白枕鶴的遷徙軌跡數(shù)據(jù)，我們分析了水庫水位管控-岸邊消落帶-白枕鶴分布密度之間的動態(tài)關(guān)系。

研究認(rèn)為，各大水庫消落帶作為陸地生態(tài)系統(tǒng)和水域生態(tài)系統(tǒng)之間的過渡區(qū)域，大面積的灘涂、洪泛濕地、以及豐富的水生植物、底棲生物，為鳥類提供了理想的棲息場所。因此，大型水庫的庫濱消落帶，也成為了鳥類遷徙網(wǎng)絡(luò)中主要的節(jié)點，具有巨大的生態(tài)服務(wù)功能價值。本研究結(jié)果揭示了水庫水位變化與對水鳥及其遷徙模式至關(guān)重要的棲息地可持續(xù)性之間錯綜復(fù)雜的關(guān)系。至關(guān)重要的是，我們的研究強(qiáng)調(diào)了水庫生態(tài)系統(tǒng)更廣泛的生態(tài)價值。

水庫水位管控-岸邊消落帶-白枕鶴分布密度之間的動態(tài)關(guān)系示意圖

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[5]）

研究表明，除了儲水和供水的主要功能外，水庫還可以被戰(zhàn)略性地用作各種遷徙水禽物種的替代棲息地。這項舉措的一個關(guān)鍵組成部分是水庫的戰(zhàn)略性利用。通過對水庫水位進(jìn)行戰(zhàn)略性管理，我們有機(jī)會為遷徙鳥類創(chuàng)造臨時的棲息地和食物來源，特別是在重要的遷徙時期。這種方法可以為全球范圍內(nèi)的鳥類生物多樣性保護(hù)做出重大貢獻(xiàn)。

未來展望：多方助力鳥類遷徙生態(tài)保護(hù)

全球有1萬多種鳥類，其中40%是遷徙性的。最新發(fā)布的《世界鳥類狀況》報告顯示，受到棲息地萎縮、氣候變化等因素影響，全球幾乎一半的鳥類物種數(shù)量在減少，1/8的鳥類面臨滅絕威脅。為切實保護(hù)遷飛候鳥，2022年11月，我國政府在《濕地公約》第十四屆締約方大會上表示，中國將實施全國濕地保護(hù)規(guī)劃和濕地保護(hù)重大工程。中國將推動國際交流合作，保護(hù)4條途經(jīng)中國的候鳥遷飛通道。2024年6月，中國國家林業(yè)草原局印發(fā)了《候鳥遷飛通道保護(hù)修復(fù)中國行動計劃（2024—2030年）》。這一系列遞進(jìn)式的政策發(fā)展彰顯了中國在候鳥保護(hù)方面的前瞻思考和堅定決心。

運動生態(tài)學(xué)通過高分辨率生物記錄技術(shù)揭示動物與環(huán)境的交互機(jī)制，可為關(guān)鍵棲息地識別、生態(tài)廊道建設(shè)、沖突緩解等保護(hù)行動提供精確依據(jù)；保護(hù)科學(xué)則具備將科學(xué)成果轉(zhuǎn)化為管理和政策的工具與經(jīng)驗。

未來，運動生態(tài)學(xué)將不僅是科學(xué)家探索自然奧秘的前沿學(xué)科，更是人類與自然共生共榮的橋梁。借助衛(wèi)星追蹤、人工智能、大數(shù)據(jù)分析和遙感監(jiān)測等技術(shù)，我們能夠構(gòu)建更加精細(xì)、動態(tài)、全球化的遷徙生命線地圖，實時洞察鳥類在氣候變化、棲息地喪失和人類活動壓力下的生存狀況。這不僅有助于科學(xué)界揭示鳥類遷徙機(jī)制與適應(yīng)策略，更能為各級政府和保護(hù)組織提供精準(zhǔn)決策支持，推動跨國界、跨流域、跨生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)同保護(hù)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。

此外，跨學(xué)科合作與開放科學(xué)將成為推動力。生態(tài)學(xué)、遙感、流行病學(xué)、氣候?qū)W等領(lǐng)域的緊密協(xié)作，加上標(biāo)準(zhǔn)化的開放數(shù)據(jù)平臺和公眾科學(xué)參與，將加速解決氣候變化和生物多樣性喪失等全球性挑戰(zhàn)。未來將著重將個體運動與生態(tài)系統(tǒng)功能相聯(lián)系，整合遙感、實地生態(tài)學(xué)和演化學(xué)，構(gòu)建更精確的預(yù)測模型，指導(dǎo)保護(hù)與管理策略，實現(xiàn)人類與野生動物的可持續(xù)共存。

或許在不遠(yuǎn)的將來，人類能夠像守護(hù)文化遺產(chǎn)一樣守護(hù)鳥類遷徙通道，將其關(guān)鍵繁殖地、停歇地與越冬地連接成一條生機(jī)盎然的綠色廊道。屆時，鳥類與無數(shù)遷徙動物將繼續(xù)跨越山川與海洋，在千里云天之間續(xù)寫生命的壯麗史詩，而人類也將在守望它們的飛翔中，守護(hù)自身與地球命運的共同未來。

參考文獻(xiàn)：

[1]Year-Round Site, Habitat Use and Migratory Connectivity of a Threatened Waterbird Species. Remote Sensing, 13(20).

[2]Jetz, W. et al., 2022. Biological Earth observation with animal sensors (vol 37, pg 293, 2022). Trends in Ecology & Evolution, 37(8): 719-724.

[3]Kays, R., Crofoot, M.C., Jetz, W. and Wikelski, M., 2015. Terrestrial animal tracking as an eye on life and planet. Science, 348(6240).

[4]Nathan, R. et al., 2008. A movement ecology paradigm for unifying organismal movement research. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 105(49): 19052-19059.

[5]Yi, K., Meng, F., Gu, D. and Miao, Q., 2023. Optimizing Water Level Management Strategies to Strengthen Reservoir Support for Bird's Migration Network. Remote Sensing, 15(23).

出品：科普中國

作者：伊坤朋（中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心副研究員）

監(jiān)制：中國科普博覽