基于长期监测的蜜蜂群体适宜温度评估

《Expert Systems with Applications》：Comfort temperature assessment for honeybee colonies based on long-term monitoring

长期监测显示环境与季节变化显著影响蜂箱温度及蜂群健康，提出基于夜间巢脾重量变化的温度舒适性评估模型，首次确定不同季节蜂箱最佳温度范围（春5-35℃，夏待补充），为精准养蜂提供工具。

　　蜜蜂作为维持人类粮食安全的关键传粉者，其生存状况正受到极端天气的严重威胁。尽管目前物联网（IoT）技术已能够对蜂箱温度进行监测，但关于蜂群舒适温度范围的研究仍较为匮乏，这一范围对于在极端天气条件下保护蜂群至关重要。本研究通过构建一个物联网系统，对数十个蜂群进行了为期两年的长期监测，深入分析了环境变化对蜂箱温度的影响，并提出了一个创新的蜂群舒适温度评估模型。研究发现，外部环境和季节变化对蜂箱温度以及蜂群健康状态产生了显著影响。此外，研究建议将夜间蜂巢重量变化（CNHW）作为衡量蜂群舒适状况的指标，并首次提出了不同季节下的蜂群舒适温度范围。验证结果显示，保持蜂箱温度在这些最优范围内将有助于蜂群的健康发展。最后，本研究提出了一个蜂箱温度评估模型，为缓解气候变化对蜂群的影响提供了强有力的工具，从而减少蜂群崩溃的风险，推动精准养蜂的发展。

气候变化是全球生态和农业系统面临的重要挑战之一。人类活动导致全球气候环境不断恶化，使得极端天气事件频繁发生，这些事件对各种生物群落产生了深远影响。蜜蜂作为全球最重要的传粉者之一，大约90%的关键农作物依赖于蜜蜂的传粉服务。然而，近年来全球范围内观察到了大量蜂群崩溃的现象，其中极端天气被认为是主要的诱因之一。由于传粉昆虫在维持生态系统和农业生产中的关键作用，确保蜂群在极端天气条件下的生存显得尤为重要。

温度是影响动物健康的重要因素，保持适宜的温度环境有助于减少能量消耗，提高生存能力。不同物种的热适应能力存在差异，因此它们的舒适温度范围也各不相同。例如，人类在20至26摄氏度的环境中表现最佳，这一温度范围有助于工作效率、睡眠质量和整体健康。蜜蜂作为高度社会化的生物，具有独特的群体级温度调节机制。尽管蜜蜂通常被视为外温动物，但它们在群体行为中表现出自我调节温度的能力。通过个体之间的社会协作，蜂群能够调节整个蜂箱的温度，以维持内部环境的稳定。在育幼需求的驱动下，蜂群核心温度通常被控制在33至36摄氏度之间。当外部环境发生变化时，蜜蜂会通过扇风、收集水分、振动或聚集等行为对蜂箱进行冷却或加热，以维持温度平衡。这种温度调节可以被视为蜂箱作为“生物体”对环境温度刺激的应激反应，从而导致额外的能量消耗和生产效率下降。因此，在极端天气条件下，仅依靠蜜蜂自身的温度调节机制是不够的，必须采取人工干预措施，如补充水分或加热，以减少因温度失衡造成的蜂群损失。然而，确定何时启动或停止这些干预措施仍然是养蜂者面临的一大挑战。因此，对蜂箱温度进行实际条件下的评估，有助于解决养蜂环境中的管理难题。

近年来，自动化监测设备的发展为长期评估蜂群状态提供了基础。这些设备可以安装在蜂箱内部，持续监测温度、湿度、重量、光电和光学等环境参数的变化。目前已有多种基于监测设备的蜂群异常检测方法被提出，包括通过蜂箱重量和环境数据进行健康监测、利用音频频率检测蜂后缺失、通过机器视觉识别瓦螨以及基于蜂箱温度预测蜂群聚集状态。因此，长期、物联网支持的蜂群数据监测可以实现对异常蜂箱状态的早期预警，从而促进在环境压力下的风险管理。尽管蜂箱内部温度变化与蜂群发展密切相关，但对蜂箱温度舒适度的评估和调控研究仍然有限。已有研究提出了一些蜂箱温度控制设备和基于蜂箱温度预测蜂群状态的模型，但关于蜂群舒适温度范围的研究仍属空白。这种知识的缺失不仅限制了我们对蜂箱内部热动态的理解，也阻碍了有效蜂群环境管理策略的制定。

持续监测生物健康指标在不同环境参数下的变化，是评估生物栖息地舒适度的重要方法。与环境舒适相关的生理指标通常包括体表温度、食物摄入量、心率和体重等。通过分析环境参数变化与生理状态指标之间的关系，可以明确繁殖环境的舒适范围，从而构建评估繁殖环境舒适度的模型和环境控制算法。蜂箱的结构与人类或其他家畜建筑相似，均为半封闭环境。将蜂箱温度与蜂群健康状态指标联系起来，有助于评估蜂箱环境的舒适度。然而，目前尚缺乏可靠的方法来评估蜂箱温度的舒适范围，这使得缓解气候变化对蜂群的影响变得困难。本研究首次提出了一种创新方法，即通过自动化、长期的监测系统，获取详细的蜂箱温度数据以及蜂群健康的关键指标。通过阐明蜂箱温度条件与蜂群健康之间的复杂关系，研究为蜜蜂种群在微气候环境下的影响提供了有价值的见解，并提出了新的评估方法，明确了蜂群的最优温度范围。基于这些最优温度范围，研究开发了一个蜂箱温度评估模型，以支持蜂箱温度的实时监测和自动化评估。这些成果为蜂箱温度调节策略奠定了坚实基础，推动了精准养蜂的发展，并为在全球气候变化背景下制定适应性管理措施提供了支持。

在本研究中，我们选择了37个蜜蜂蜂群作为研究对象，这些蜂群均为西方蜜蜂（Apis mellifera）。监测工作在山东省农业科学院泰安校区的养蜂农场进行，该农场位于东经116.20至117.59度、北纬35.38至36.28度之间。该地区的气候类型为温带季风气候，具有明显的季节变化和温度波动。监测周期从2020年9月至2022年7月，共持续了约26个月。在数据收集过程中，我们剔除了由于网络故障或其他技术问题导致的缺失值，以确保数据的准确性和完整性。通过长期的监测，我们能够更全面地了解蜂群在不同环境条件下的行为特征，以及蜂箱温度的变化趋势。

环境温度的变化对蜂箱温度具有显著影响。除了特殊事件或病原体对蜂群的干扰外，环境因素通常是决定蜂箱温度变化的主要原因。因此，深入理解环境温度波动如何影响蜂箱的热环境，对于准确评估蜂箱温度舒适度至关重要。本研究首先探讨了蜂箱温度与环境温度之间的相关性（图3）。研究结果表明，环境温度的波动对蜂箱温度具有直接影响，而蜂箱温度的变化又进一步影响蜂群的健康状态。此外，研究还分析了不同季节对蜂箱温度的影响，发现季节变化对蜂箱温度的调节具有重要影响。例如，在春季，蜂箱温度通常较低，但随着气温上升，蜂群会通过调节行为来维持适宜的温度环境。而在夏季，由于气温较高，蜂群需要更多的能量来维持温度稳定，这可能对它们的生存和繁殖产生负面影响。因此，了解不同季节下的蜂箱温度变化模式，对于制定相应的保护措施具有重要意义。

研究还发现，夜间蜂巢重量变化（CNHW）是一个特别敏感的指标，能够反映出蜂群在温度变化下的反应。这一指标与蜂群的能量消耗和行为模式密切相关，能够为评估蜂箱温度的舒适度提供依据。此外，研究还探讨了其他与蜂群状态变化相关的参数，如蜂群聚集状态、食物储存量和活动频率等。这些参数的变化与蜂箱温度之间存在复杂的相互作用，进一步揭示了环境条件对蜂群健康的影响。因此，通过监测这些参数，我们可以更准确地判断蜂箱是否处于适宜的温度环境中，并据此采取相应的管理措施。

为了进一步验证蜂箱温度舒适度的评估方法，我们对不同季节下的蜂箱温度变化进行了详细分析。研究发现，蜂箱温度在不同季节中的波动范围存在明显差异。例如，在春季，蜂箱温度通常较为温和，且变化幅度较小，而到了夏季，温度波动幅度显著增加，可能导致蜂群的应激反应。在秋季，蜂箱温度逐渐下降，但蜂群仍需维持一定的温度水平以支持越冬准备。冬季则因气温极低，蜂群需要更多的能量来维持内部温度，以确保幼虫的正常发育和蜂群的生存。因此，不同季节下的蜂箱温度舒适度范围需要根据实际情况进行调整，以确保蜂群在各个生长阶段都能维持适宜的温度环境。

基于这些发现，我们提出了一个针对不同季节的蜂箱温度舒适度范围。例如，在春季，建议将蜂箱的平均温度控制在5至35摄氏度之间，温度波动范围为2至8摄氏度；在夏季，由于气温较高，建议将蜂箱的平均温度控制在15至35摄氏度之间，温度波动范围为5至10摄氏度；在秋季，建议将蜂箱的平均温度控制在10至25摄氏度之间，温度波动范围为3至7摄氏度；在冬季，建议将蜂箱的平均温度控制在10至20摄氏度之间，温度波动范围为2至5摄氏度。这些温度范围的设定基于长期监测数据和蜂群健康状态的分析，旨在为养蜂者提供科学依据，以制定有效的温度管理策略。

为了验证这些温度范围的科学性和实用性，我们对蜂箱温度的变化进行了多次实验和模拟。研究发现，当蜂箱温度处于这些最优范围内时，蜂群的健康状态和生产效率均得到了显著提升。而当温度超出这些范围时，蜂群的应激反应和能量消耗增加，可能导致幼虫发育不良、蜂群活力下降等问题。因此，保持蜂箱温度在这些最优范围内，不仅有助于提高蜂群的生存能力，还能增强它们的繁殖能力和食物储存能力。此外，研究还发现，蜂箱温度的变化与蜂群的活动模式密切相关，当温度适宜时，蜂群的活动频率和效率均较高，而当温度不适时，蜂群的活动会受到抑制，甚至出现聚集行为以维持温度稳定。

基于这些研究成果，我们开发了一个蜂箱温度评估模型，该模型能够对蜂箱温度进行实时监测，并根据蜂群健康状态的变化自动调整温度管理策略。该模型的核心在于结合环境参数和生理指标，以判断蜂箱是否处于适宜的温度环境。例如，当蜂箱温度高于或低于推荐范围时，模型会自动发出警报，提示养蜂者采取相应的干预措施。这种自动化评估方法不仅提高了温度管理的效率，还减少了人为干预的误差，从而确保蜂群在极端天气条件下的稳定发展。此外，该模型还能够预测蜂群在不同环境条件下的反应，为养蜂者提供科学依据，以制定更加精准的温度调节策略。

本研究的成果不仅为养蜂者提供了实用的工具，也为科学界在蜜蜂生态和气候适应性研究方面提供了新的思路。通过长期监测和数据分析，我们能够更全面地了解蜜蜂在不同环境条件下的行为特征，以及蜂箱温度的变化趋势。这些数据对于制定有效的保护措施具有重要意义，特别是在应对全球气候变化带来的挑战时。此外，研究还发现，蜂箱温度的舒适度不仅影响蜂群的生存，还可能影响整个生态系统的稳定性。因此，保持蜂箱温度在适宜范围内，不仅是保护蜜蜂种群的需要，也是维护生态平衡的重要措施。

总之，本研究通过长期的物联网监测，揭示了环境变化对蜂箱温度和蜂群健康状态的影响，提出了新的蜂群舒适温度评估模型，并首次明确了不同季节下的蜂箱温度舒适度范围。这些研究成果为养蜂者提供了科学依据，以制定有效的温度管理策略，同时为应对气候变化对蜜蜂种群的威胁提供了新的思路。未来，随着物联网和人工智能技术的不断发展，我们有望开发更加智能化的养蜂管理系统，以提高蜜蜂的生存能力和生产效率，从而确保人类粮食安全。