从气象雷达干扰到生物信号：亚马逊雨林燕科鸟类群落监测新方法

这篇研究创新性地利用S波段多普勒气象雷达（S-band Doppler weather radar）监测亚马逊雨林中燕科鸟类（Hirundinidae）的集群行为，揭示了紫崖燕（Purple Martin）等迁徙物种在非繁殖期的时空分布规律。通过对比北美五大湖区域数据，发现马瑙斯地区日均鸟类数量可达五大湖区域的7倍，凸显了亚马逊作为南北美洲候鸟枢纽的生态重要性。研究为破解热带雨林生物监测难题提供了技术突破，并为气候变化下的鸟类保护策略提供科学依据。

　　

摘要

研究团队通过巴西马瑙斯（3°08′56.0″ S, 59°59′29.1″ W）的S波段多普勒气象雷达，首次系统记录了2014-2015年间亚马逊雨林燕科鸟类的集群行为。这些重达51克的紫崖燕（Progne subis）在雷达反射率中形成独特的"甜甜圈"图案，其雷达横截面（RCS）达15.2 cm²。数据显示，马瑙斯区域日均集群规模（2015年峰值422,538只）远超北美五大湖区域（8.7倍面积下仅56,956只/日），揭示亚马逊作为南北半球候鸟交汇枢纽的独特地位。

1 引言

每年数十亿候鸟在繁殖地与越冬地间迁徙，但热带雨林监测存在巨大技术瓶颈。燕科鸟类（如紫崖燕、灰胸崖燕Progne chalybea）在非繁殖期会形成超大规模集群，单个栖息地可聚集数十万个体。传统地面观测在亚马逊难以实施，而气象雷达可突破这一限制。研究团队创新性地将气象雷达的"干扰信号"转化为生物信号，通过反射率因子（Z_e，单位dBZ）量化鸟类密度（η，单位cm⁶ km^-3）。

2 材料与方法

研究区域覆盖马瑙斯周边9万km²的洪泛森林生态系统，包括黑水河（内格罗河）和白水河（亚马逊河）两类截然不同的湿地。雷达数据通过pyArt软件处理，采用蒙特卡洛积分法计算雷达波束重叠区域的鸟类数量。特别设计了地面杂波掩膜，消除建筑物等静态干扰。与北美NEXRAD雷达网数据对比时，发现马瑙斯雷达对弱反射信号敏感度较低，可能低估实际数量。

3 结果

研究发现8个稳定集群区域，其中3个被连续两年使用：

1. 阿纳维利亚纳斯国家公园（CL0000）

2. 科马鲁岛（CL0001）——已知紫崖燕主要栖息地

3. 莱伊湖区域（CL0002）

2015年受超强厄尔尼诺事件影响，1-5月鸟类数量激增7倍，日均17.2万只（SD=15.3万），最大单日记录42万只。集群位置随水文周期变化：2月从阿纳维利亚纳斯迁至科马鲁岛，5-7月返回。卫星集群CL0003位于原住民领地，CL0004在穆拉族宣称区域。

4 讨论

研究发现亚马逊燕科鸟类集群呈现"双峰"模式：

• 1-5月：以北半球迁徙的紫崖燕为主

• 7-9月：南半球迁徙的南美崖燕（P. elegans）加入

水文极端事件频发威胁集群栖息地，2015年异常高温可能改变鸟类行为。非法采金活动导致的汞污染（如Branco等2022年研究）和城市扩张（马瑙斯人口10年增长15%）构成双重威胁。研究建议利用亚马逊9部气象雷达构建监测网络，这比传统环志法效率提升近百倍。

作者贡献

Belotti主导概念设计、数据分析和论文撰写；Wojahn参与数据处理；Rodriguez提供雷达技术支持；Horton负责基金支持和研究框架设计。研究获美国国家科学基金会（NSF 2017554）和巴西国家科技发展委员会（CNPq 309091/2021-7）资助。