激光雷达揭示不同生境昆虫日活动规律与多样性的显著差异

《Scientific Reports》：Lidar reveals distinct insect daily activity and diversity between habitats

本研究针对全球昆虫数量下降及热带地区多样性研究不足的问题，利用近红外kHz激光雷达对科特迪瓦四种生境进行连续监测，通过无监督层次聚类分析(HCA)成功区分高达353类昆虫信号，揭示了不同生境在昆虫丰度、多样性及群落组成方面的显著差异，为昆虫生物多样性监测提供了革命性的技术手段。

　　

在全球昆虫数量和多样性急剧下降的背景下，热带地区作为生物多样性热点区域却面临研究严重不足的困境。传统昆虫监测方法如马氏网陷阱(Malaise trap)和DNA条形码技术虽然精准，但成本高昂、效率低下，难以实现大规模连续监测。这导致我们对热带昆虫种群动态的了解存在巨大空白，可能错失关键保护时机。为此，由Assoumou S. Doria Yamoa和Benoit K. Kouakou领衔的国际研究团队在《Scientific Reports》发表创新性研究，利用激光雷达(lidar)技术对西非科特迪瓦的四种典型生境进行了高精度昆虫监测。

研究团队在亚穆苏克罗地区选择了灌木丛、池塘、水稻/番茄田和湖泊四种生境，使用808纳米近红外激光雷达进行了连续四天的全天候监测。该技术通过记录昆虫穿过激光束时产生的翅振调制信号，实现了对昆虫活动的高通量无创监测。研究人员采用改进的层次聚类分析(Hierarchical Cluster Analysis, HCA)算法对170多万条昆虫信号进行自动分类，并创新性地提出了可区分簇数(Number of Clusters, NoC)指标来量化信号多样性。

关键技术方法包括：1) 采用808纳米近红外激光雷达系统进行连续监测；2) 基于Welch方法计算昆虫翅振功率谱；3) 使用改进的层次聚类分析(HCA)进行信号分类；4) 建立物种丰度分布(Species Abundance Distribution, SAD)模型分析群落结构。所有数据均来自科特迪瓦野外实地监测。

研究结果

昆虫日活动规律存在显著生境差异

监测数据显示，不同生境的昆虫日活动模式具有明显特征且日间一致性较高。灌木丛生境昆虫活动在全天保持相对稳定，池塘生境在清晨出现小高峰，水稻/番茄田夜间活动最少，而湖泊生境则表现出强烈的晨昏活动峰值。这种规律性的活动模式为不同生态位的昆虫群落研究提供了重要线索。

激光雷达成功区分大量昆虫信号类别

通过层次聚类分析，研究成功从噪声中区分出最多353类昆虫信号，创造了该领域的新纪录。灌木丛生境虽然昆虫数量最多(日均34.6万只)，但可区分簇数最低，表明该生境可能被少数优势物种主导。相反，池塘生境表现出最高的信号多样性，显示出更均衡的物种分布。这种丰度与多样性的分离现象挑战了传统生态学认知。

聚类信号揭示昆虫时空生态位分化

深入分析发现，不同信号簇的昆虫在活动时间和空间分布上存在明显差异。某些簇的昆虫偏好早晨活动，而另一些则在炎热午后更活跃。湖泊生境中，昆虫明显聚集在湖岸线附近，显示出对微生境的精确选择。这种基于信号特征的生态位分化为理解昆虫群落结构提供了新的视角。

谐波特征提供重要分类信息

研究还发现，即使翅振频率(Wingbeat Frequency, WBF)相似的昆虫，其谐波特征也存在显著差异。具有强奇次谐波的簇通常数量更多、探测距离更远，这与传统认知形成对比，因为侧面观测通常会产生更强的偶次谐波。这种谐波特征的差异为精细物种鉴别提供了新的生物物理学依据。

探测距离与频率特征存在相关性

分析表明，探测距离与信号频率内容存在一定关联。在湖泊生境中，远距离探测到的簇具有较低的中心质心频率(f_CoM<120 Hz)，而高频内容簇的探测距离与频率无关。这种关系揭示了激光雷达探测能力与昆虫物理特性的复杂相互作用。

讨论与结论

本研究证实了激光雷达技术在昆虫多样性监测中的巨大潜力。与传统方法相比，该技术能够实现无损、连续、高通量的昆虫监测，特别适用于研究经费有限的热带地区。研究提出的可区分簇数(NoC)指标与物种丰富度存在良好相关性，为生物多样性评估提供了新的量化工具。

然而，研究也指出了技术存在的局限性。单一物种可能因观测角度、温度、载荷等因素产生多种信号类型，而特异性较差的信号可能包含多个物种。未来通过增加偏振波段或多波长探测，有望进一步提高分类精度。与地面真实数据的验证结合，将增强该技术在保护生物学中的应用价值。

这项研究为昆虫生物多样性监测带来了范式转变，使大规模、自动化昆虫群落监测成为可能。随着技术的不断完善，激光雷达有望成为全球昆虫保护的重要工具，特别是在生物多样性丰富但研究基础薄弱的热带地区。这种创新方法不仅能够及时预警昆虫种群下降，还能为生态系统管理和农业可持续发展提供科学依据。