公民科学记录的空间偏差建模：来自英国蝴蝶的案例研究

《Journal of Insect Conservation》：Modelling spatial deficits in citizen science recording: a case study from UK butterflies

　　

公民科学数据越来越多地被用于推断物种分布并在大空间尺度上监测生物多样性。然而，记录努力（recording effort）在空间上常常不均匀，可能使关于物种分布的推断产生偏差。研究人员分析了通过英国西南部德文郡和康沃尔郡的iRecord Butterflies应用程序提交的51,045条蝴蝶记录。研究人员使用负二项模型（negative binomial model）检验土地覆盖和三个公共访问变量如何影响两类物种——广域物种（wider countryside species，WS）和栖息地专家（habitat specialists，HS）——的蝴蝶记录数量。结果表明，公共访问土地面积是解释WS和HS记录努力的一个持续重要的解释变量。步行道密度对WS记录数量的影响显著强于对HS的影响。此外，预测记录赤字（recording deficit）——定义为当前访问和最大访问情景下模型对记录密度预测值之间的差异——广泛存在。赤字往往出现在预测能提供适宜蝴蝶栖息地但公共访问相对较低的区域，而高可达区域更可能被记录。HS的记录赤字预计出现在半自然栖息地密度高但公共访问低的区域；相比之下，WS的记录赤字预计出现在建成区和花园中，这些区域常见物种可能广泛分布但记录者努力高度局部化。对昆虫保护的意义：提高公民科学数据的空间代表性可能需要互补策略：鼓励WS在住宅附近记录，并为HS确保进入受限的半自然栖息地。通过明确量化公共访问的影响，研究人员的框架超越了直觉解释，提供了识别和解决空间数据缺口的经验性、可操作指导，从而有助于提高公民科学数据的空间代表性和可靠性。

公民科学数据在物种分布推断和生物多样性监测中日益重要，但其记录努力在空间上常不均匀，可能造成推断偏差。土地公共访问（即公众合法或实际进入土地的便利程度）可能限制记录者的活动范围，但以往研究对这种影响的强度量化不足。本研究以英国西南部德文郡和康沃尔郡为研究区，利用iRecord Butterflies应用程序收集的蝴蝶记录，旨在将公共访问变量纳入模型，以区分生态模式与记录偏差，并识别空间数据缺口。

研究人员分析了2011年7月14日至2024年4月1日提交的51,045条蝴蝶记录，对应Watsonian Vice Counties 1至4。以1 km²英国国家网格（British National Grid）为基本空间单元，汇总每个网格内的记录数、公共访问变量和土地覆盖特征。公共访问变量包括步行道长度、公共访问面积和人口密度；土地覆盖采用英国生态与水文中心（UKCEH）2023年土地覆盖图的十个聚合类别，并加入树篱长度和沙丘面积。对样本量超过20条记录的36种蝴蝶中的34种，建立了物种特异性负二项广义线性模型（negative binomial generalized linear model）。模型比较显示，纳入公共访问变量的完整模型在除一种外的所有物种中取得更低AIC值，McFadden伪R²均大于0.05，表明模型性能可接受。步行道长度与32种物种的记录数显著相关，其中3种为负相关；公共访问面积与28种物种显著相关，其中2种为负相关；人口密度与24种物种显著相关，其中9种为负相关。组间比较显示，广域物种（wider countryside species，WS）对步行道长度的平均标准化系数显著高于栖息地专家（habitat specialists，HS）（均值0.29对0.02，p=0.025），而人口密度和公共访问面积的组间差异不显著。残差空间自相关检验表明，所有模型均存在显著正空间自相关（Moran's I），提示仍有未解释的空间结构。

预测分析中，研究人员在观测公共访问情景和95百分位最高访问情景下分别预测各网格的记录数，其差值定义为记录赤字（recording deficit）。结果显示，WS的记录赤字集中在建成区和花园区域，这些区域人口密度高但公共步道和访问土地少，形成明显的城郊赤字；HS的记录赤字则集中在内陆乡村地区，这些区域拥有较高比例的半自然栖息地（如阔叶林地、低地石楠灌丛和沙丘）但公共访问面积有限。相比之下，大多数高沼地（如达特穆尔、博德明沼泽、West Penwith和Lizard）预测赤字较低，可能与较高步行道密度和访客吸引力相关。

本研究的核心技术方法包括：物种特异性负二项广义线性模型、Z分数标准化、皮尔逊相关检验、基于ΔAIC和McFadden伪R²的模型比较、Moran's I残差空间自相关检验、以及基于情景预测的记录赤字计算。数据来源为iRecord Butterflies应用程序，分析在Python 3.12.4和QGIS 3.34中完成。

讨论指出，公共访问系统性地塑造记录空间模式。WS在建成区及花园的赤字源于私人花园访问限制和记录活动局部化；HS的赤字则因适宜栖息地多为受限的半自然区域。人口统计因素也可能影响记录者多样性，如参与生物记录缺乏社会经济地位、种族、性别、年龄等方面的多样性。研究建议，对WS应鼓励在住宅附近记录（如“大蝴蝶计数”计划），对HS应通过获得受限栖息地访问许可促进针对性记录。模型存在局限性，如步行道数据可能未包含城市人行道、土地覆盖类可能过于宽泛并依赖专家判断、残差空间自相关未完全解释等，但将公共访问纳入负二项模型提供了识别潜在未记录地点的操作工具，有助于优化记录资源分配和增强公民科学数据在生物多样性评估与保护规划中的应用。

研究结论表明，公民科学记录的空间分布不仅受物种栖息地影响，还受公共访问的系统性差异影响。公共访问面积是WS和HS共同的重要解释变量；步行道长度对WS效应更强，揭示了不同物种组对访问基础设施的敏感性差异。记录赤字最可能出现在适宜栖息地与有限公共访问重叠的区域。为此，需要差异化策略：对WS优先鼓励在住所附近记录，对HS则促进进入受限的半自然栖息地。该框架为识别潜在未记录地点、强化管理决策和更公平有效的监测策略提供了操作工具。