基于无人机的摄影测量技术为座头鲸在南极洲和哥伦比亚之间的迁徙过程提供了能量消耗的估算数据

《Marine Mammal Science》：Drone-Based Photogrammetry Provides Estimates of the Energetic Cost of Migration for Humpback Whales Between Antarctica and Colombia

本研究利用无人机摄影测量技术评估了南方半球座头鲸（G群）迁徙和繁殖的能量需求，发现其体况在3月至5月达到峰值，12月至次年1月最低，迁徙期间平均损失36%体况，相当于需消耗约57,000公斤南极磷虾以维持能量平衡。研究揭示了气候变化下磷虾资源波动对座头鲸种群恢复的影响机制。

　　### 背景与意义

南半球座头鲸（*Megaptera novaeangliae*）是一种具有显著迁徙行为的海洋哺乳动物，它们从南极洲的觅食地迁徙到温暖的低纬度海域进行繁殖和育幼。这一迁徙过程通常跨越数万公里，期间鲸鱼会经历一个漫长的禁食期，依赖于夏季在南极地区积累的能量储备来支撑整个迁徙过程以及繁殖所需的能量消耗。近年来，随着全球气候变化的加剧，南极海冰覆盖面积不断减少，这对南极磷虾（*Euphausia superba*）的数量、分布和生命周期产生了深远影响。作为南极生态系统中的关键物种，磷虾不仅支撑着众多南极消费者，还对座头鲸的生存和繁殖具有决定性作用。因此，研究座头鲸的体况变化及其与磷虾资源之间的关系，对于理解气候变化对海洋生态系统的影响至关重要。

本研究聚焦于南半球座头鲸繁殖群体G的体况变化，利用无人机摄影测量技术对其在哥伦比亚（繁殖地）和南极西半岛（觅食地）的体况进行了量化分析。通过分析体况指数的变化，研究团队能够估算出座头鲸在迁徙过程中的能量消耗，包括脂肪组织体积、质量、脂质含量以及所需的磷虾生物量。这一研究不仅有助于评估座头鲸在迁徙和繁殖期间的能量需求，还为未来的生态保护和管理提供了科学依据，特别是在面对磷虾资源波动和海洋环境变化时，如何平衡渔业资源利用与生态保护。

### 方法与技术

为了精确测量座头鲸的体况，研究团队采用了一种基于无人机的摄影测量技术。这种方法利用高分辨率的航拍图像和视频，结合先进的图像处理算法，能够无创地评估座头鲸的身体尺寸和体态变化。具体而言，团队在2017年至2019年期间，对座头鲸的体长、体宽等关键指标进行了多次测量，并结合这些数据构建了体况指数模型。体况指数（Body Condition Index, BC）是通过将实际测量的体体积（Body Volume, BV）与基于体长（Body Length, BL）预测的体体积进行比较而得出的，这一方法能够反映出座头鲸在不同季节的能量储备变化。

在测量过程中，研究团队还考虑了多种不确定性因素，例如无人机高度、镜头焦距、传感器尺寸和图像分辨率等，这些都会影响体长和体宽的准确性。为此，研究团队进行了一系列的敏感性分析，以评估测量误差对最终结果的影响。此外，团队还利用蒙特卡洛模拟方法对能量损失的各个指标进行了不确定性分析，包括体况指数、脂肪组织体积、脂质含量、能量消耗以及最终所需的磷虾生物量。通过这种方式，研究团队能够提供一个全面且具有代表性的能量损失估计，从而更准确地反映座头鲸在迁徙过程中的实际能量需求。

### 研究结果与发现

研究结果显示，繁殖群体G的座头鲸在迁徙过程中体况指数发生了显著变化。具体而言，它们的体况在每年的3月初至5月末达到峰值，而在8月下旬至12月初降至最低点。这一周期性的体况变化反映了座头鲸在南极地区觅食时的能量积累，以及迁徙过程中能量的消耗。根据估算，一只成年座头鲸在迁徙过程中平均会损失36个体况指数百分点，这相当于12立方米或11,000千克的脂肪组织、5,000千克的脂质以及约196,000,000千焦的能量。这些能量需求最终对应于约57,000千克的磷虾生物量，这表明座头鲸的迁徙和繁殖行为对磷虾资源有极高的依赖性。

为了进一步理解这一过程，研究团队还构建了一个多项式回归模型，以预测座头鲸的体况变化模式。该模型基于对103只成年座头鲸的测量数据，结合了多种变量，包括体况指数、脂肪组织体积、脂质含量以及能量消耗。模型的预测结果表明，座头鲸在迁徙过程中，体况的变化主要受到能量消耗和储存的影响，而这些变化又与磷虾资源的可用性密切相关。此外，研究还发现，座头鲸在迁徙期间的能量消耗包括了多个方面，如游泳活动、繁殖行为、社会互动以及人为干扰等，这些因素共同构成了迁徙的能量成本。

### 意义与生态影响

座头鲸的体况变化不仅反映了它们自身的生理状态，也揭示了它们与磷虾资源之间的紧密联系。磷虾作为座头鲸的主要食物来源，其数量和分布的变化会直接影响座头鲸的能量储备和迁徙行为。近年来，南极磷虾的种群数量因海冰覆盖面积的减少而出现下降趋势，这可能会对座头鲸的生存和繁殖能力产生不利影响。研究表明，海冰覆盖面积的减少可能导致磷虾种群数量下降51%，而这一变化可能会对座头鲸的繁殖成功率和种群数量产生连锁反应。

此外，研究还发现，座头鲸在迁徙过程中的能量消耗与磷虾的可用性之间存在复杂的相互作用。一方面，座头鲸需要大量磷虾来维持迁徙期间的能量需求；另一方面，磷虾的生存和繁殖也受到座头鲸等顶级捕食者的直接影响。这种相互依赖的关系表明，南极生态系统中的生物多样性与能量流动之间存在着高度的关联性。因此，理解座头鲸的体况变化和能量消耗，不仅有助于评估它们的生存状况，还能够为磷虾种群的管理提供科学依据。

### 未来研究方向与管理建议

本研究的结果为未来的海洋生态保护和渔业管理提供了重要的参考价值。首先，座头鲸的迁徙和繁殖行为对磷虾资源的依赖性表明，保护磷虾种群对于维持座头鲸的生存至关重要。因此，渔业管理应考虑座头鲸的能量需求，制定更加科学的捕捞限制，以确保磷虾种群的可持续性。其次，研究团队提出了一种基于体况变化的预警机制，可以用于监测座头鲸种群的健康状况，并提前发现可能的生态危机。这一机制为保护海洋生态系统提供了新的思路。

此外，研究还强调了未来在迁徙路径和繁殖地进行更多样化的数据采集的重要性。由于迁徙过程中座头鲸的能量消耗不仅仅局限于脂肪组织的损失，还包括其他组织的消耗，因此需要更全面的数据来评估它们的能量需求。未来的研究可以结合卫星追踪、声学监测和无人机摄影测量等多种技术手段，以获取更精确的能量消耗数据。同时，研究团队还建议，应加强对南极海冰变化及其对磷虾种群影响的监测，以便及时调整管理策略，应对潜在的生态风险。

### 结论

本研究通过无人机摄影测量技术，成功地量化了座头鲸在迁徙和繁殖过程中的能量消耗，并揭示了它们与磷虾资源之间的紧密联系。结果表明，座头鲸的体况变化与磷虾的可用性密切相关，而磷虾种群的变化又可能对座头鲸的生存和繁殖产生深远影响。因此，保护磷虾资源不仅有助于维持座头鲸的种群数量，还能够促进整个南极生态系统的健康。未来的研究应进一步探索座头鲸的能量需求与磷虾种群动态之间的关系，并结合多种监测手段，以更全面地理解这一复杂的生态互动。同时，研究团队还强调了全球气候变化对南极生态系统的影响，呼吁采取更加积极的措施，以应对可能的生态危机。