大陆尺度鸟类对日全食的行为响应:基于生物声学网络与机器学习的研究

《Scientific Reports》:Continental-scale behavioral response of birds to a total solar eclipse

【字体: 时间:2025年04月09日 来源:Scientific Reports 3.8

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  本期推荐:研究团队利用Haikubox生物声学监测网络与BirdNET深度学习算法,首次实现日全食期间鸟类鸣叫行为的全大陆尺度自动化观测。通过分析344个>99%太阳遮蔽率站点的声学数据,发现鸟类鸣叫率在日全食峰值期显著下降(p=0.0493),但存在种间和个体差异。该研究为野生动物对极端光环境变化的响应机制提供了不受人类干扰的客观证据,展示了被动声学监测(PAM)技术在大尺度生态事件研究中的突破性应用。

  

当月亮完全遮蔽太阳的瞬间,自然界会呈现怎样奇妙的景象?数百年来,关于日全食期间鸟类行为的记载充满矛盾——16世纪文献描述"群鸟坠地",而1963年康奈尔鸟类学实验室的录音却显示鸣禽从未完全静默。传统研究方法受限于人类观察的干扰、样本量不足和时空覆盖狭窄,使得这个看似简单的问题始终悬而未决。2024年4月8日的"大美洲日食"为破解这一谜题提供了绝佳机遇,横跨北美大陆的黑暗路径创造了前所未有的研究条件。

Loggerhead Instruments公司与康奈尔大学鸟类保护生物声学中心的David Mann团队创新性地构建了Haikubox社区科学网络,这是首个能同步控制人类干扰因素的大陆尺度自动化观测系统。研究团队通过344个部署在北美各地的Haikubox设备(均经严格筛选排除人类声源干扰),结合边缘计算神经网络和云端BirdNET算法,首次定量揭示了日全食期间鸟类鸣叫行为的真实模式。相关成果发表于《Scientific Reports》。

关键技术包括:1)Haikubox边缘硬件搭载ESP32-S3-WROOM-1微处理器和Vesper/Infineon MEMS麦克风,每3秒执行实时声谱分析;2)两级深度学习系统——本地83种鸟类分类模型(3百万参数)与云端扩展版BirdNET(1000+物种);3)严格数据清洗流程,从655个初始站点筛选出344个无人类声学干扰的有效站点;4)基于Open-Meteo的天气数据空间插值分析。

"鸟类鸣叫率与太阳遮蔽程度"部分显示:仅当遮蔽率>99%时,鸣叫率出现显著变化——峰值前10-30分钟升高,全食期下降3.49次/180秒(95%CI:-5.79至-0.91)。通过置换检验证实,该变化与<99%遮蔽区域存在统计学差异(p=0.0493),而95-99%组与低遮蔽组无差异。这一发现印证了1932年研究的假说:鸟类行为变化存在明显的遮蔽率阈值效应。

"鸟类鸣叫响应的高度变异性"部分通过典型物种案例展示:美洲知更鸟(Turdus migratorius)在全食期持续鸣叫(图5A),其声谱图显示完整音节结构(图6);而松金翅雀(Spinus pinus)则完全停止发声(图5B)。同种鸟类如黑顶山雀(Poecile atricapillus)在不同站点表现相反模式(图5C-D),说明个体和微环境因素的调节作用。多元回归分析(调整r2=0.11)证实温度、云量等气象参数无法解释这种变异。

讨论部分指出三个突破性发现:1)行为变化具有非线性阈值,仅在全食核心区(>99%遮蔽)显著;2)鸣叫率下降滞后于光强变化,持续约12分钟,可能与温度最低点(滞后13分钟)相关;3)首次证实人类庆祝活动会混淆观测结果——2017年动物园动物焦虑行为实为人类活动所致。研究还揭示了四月日食的特殊性:迁徙鸟类的缺席可能影响结果,暗示繁殖期日食会产生更强效应。

这项研究开创了"自动化社区科学"新范式,其价值远超日食生物学本身:Haikubox网络为研究野火、极端天气等大尺度生态扰动提供了标准化平台。德国联邦教研部正在资助的"BirdNET+"项目将进一步提升该系统的分类能力。正如作者强调,当2045年下一次全食带掠过北美时,这个持续扩展的声学监测网络或将揭示更深刻的生态规律。

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