基于GPS追踪的大耳猬背包设计

安静， 梁涛， 周彤， 郑鹏， 时磊

(新疆农业大学动物科学学院，乌鲁木齐830052)

在野外条件下对物种的生态、行为和生理学的全面了解是物种保护的重要基础(Wilson & McMahon，2006；Kaysetal.，2015；LaPointetal.，2015)，高度精确的有效数据对于研究动物的运动模式(Torresetal.，2017)、栖息地选择(Blakeyetal.，2019；Pollanderetal.，2019)、家域大小(Boer，2019；García-Toroetal.，2019)和繁殖(Wieseletal.，2019；Marnewecketal.，2019)等至关重要。GPS设备现被广泛用于收集动物位置信息，与无线电遥测技术相比，GPS技术受天气、地形和时间段等影响较小，并且可以在较小的距离误差内成功定位到动物(Recioetal.，2011)。GPS因跟踪范围广、时间跨度长、定位准确可靠及对动物干扰性较小的优点，被越来越多用于野生动物的跟踪研究(高立波，2007；Kaysetal.，2015)，已被广泛用于鸟类的迁徙(Brodeuretal.，1996；Higuchi，2000)、运动和活动节律(Turneretal.，2000；Geetal.，2011)、家域(Rouysetal.，2001；Schmidetal.，2003)、栖息地利用(Rappoleetal.，2003；Sawyeretal.，2006；Zapletaletal.，2015；Pettettetal.，2018)等研究。

无论采用何种方式跟踪研究野生动物，通常还需要对动物个体进行标记识别。动物个体识别的方式很多，针对有明显特征的动物主要是通过外表来区分不同个体，例如毛皮的颜色、斑点的分布及纹路、打斗遗留的伤疤等(Sayighetal.，1999；Cicek & Ayaz，2011；马鸣，徐峰，2011；Anileetal.，2012；Mori & Giovani，2012)。而没有明显体表特征的动物，仅通过肉眼观察很难将其区分，这时只能通过物理标记或是依赖于人为制造特征加以区分。物理标记是通过耳标、脚环等附着在身上的人工标记物来区分，如高原鼠兔Ochotonacurzoniae(王学高，戴克华，1990)、黄腹角雉Tragopancaboti(程松林等，2017)。人为标记方法包括印记、剪趾或切耳，如鱼类(Nielsen，1992)、小鼠(赵寒昕，盛弘强，2008)、高原鼠兔(陈千权等，2013)等，然而这种标记方法会对动物造成不可逆的伤害，不满足动物福利的要求。

大耳猬Hemiechinusauritus属食虫目Insectivora猬科Erinaceidae，体型较小，体质量155～520 g，体长145～195 mm，主要鉴别特征是耳朵前折时超过眼部，主要分布于埃及、巴勒斯坦、阿富汗、印度、俄罗斯和蒙古国(杨贵生，1991)，在中国主要分布于内蒙古、新疆、陕西、甘肃和宁夏等省区的荒漠草原地带(王廷正，杨贵生，1995)，是一种典型的荒漠和半荒漠动物(杨贵生，邢莲莲，1995)，栖息于骆驼刺Alhagisparsifolia、锦鸡儿Caraganasinica、猪毛菜Salsolacollina、梭梭Haloxylonammodendron和芦苇Phragmitesaustralis等荒漠地带，在农田、菜地和居民区附近亦有分布(杨贵生，1992)。目前国内对大耳猬的研究主要集中于生态习性(杨贵生，1991)、室内节律(杨贵生，邢莲莲，1995)、繁殖(廖力夫等，1999)和种子扩散(肖丽蓉，2017)等。

选择GPS追踪器时，除了对数据和定位的精确要求外，还要考虑设备自身重量和时效性，大耳猬属于夜行性动物，夜晚追踪难度较大且无法使用太阳能供电的GPS追踪器，加上大耳猬体质量较轻，从而严格限制了电池的体积和质量，进而影响到设备的续航性，因此，通过其他方法保持数据的连续性至关重要(Bartheletal.，2019)。由于大耳猬身体结构特殊且喜欢在隐蔽的灌丛中活动，采用体外环颈式佩戴、斜挎式佩戴和粘贴式佩戴(Finlaysonetal.，2005)等传统方法很难持久固定设备，为了不影响其正常活动及进出洞穴，还需考虑设备安装的位置及背包的形状和大小等(Recioetal.，2011；Readingetal.，2016；Bartheletal.，2019)。此外，由于大耳猬特殊的身体结构和应激反应，传统方法似乎很难完成个体标记，目前常用不同颜色的绝缘电线热缩管标记刺猬，但在野外条件下鲜艳的色彩是否会引起天敌或者人为注意从而对其造成影响不得而知(Mori，2015)。本文提出了一种新的大耳猬GPS设备附着及个体标记的方法，它不会妨碍动物的移动，且易替换和移除。

1 材料与方法

1.1 背包设计

大耳猬体型较小且结构特殊，在受到惊吓时会迅速缩成球状，将头部及四肢蜷缩在腹面，只露出背上的棘刺。大耳猬背上的棘刺尖锐，光滑并且有较大的硬度，所以在设计GPS背包时，需充分考虑到其身体结构，应尽可能减小“背包”的面积，以防影响其运动或进出洞穴。同时考虑到大耳猬为夜行性动物及生活环境等情况，采用黑色的牛仔布料并做成“枕头”形状，大小以刚好能装下GPS为宜，背包四角各附有4根5 cm长的棉线绳。大耳猬的棘刺光滑密集，很难通过捆绑的方式将背包固定到其身上，并且时效性极差，所以同时采用捆绑法和胶粘法，棉线绳更易于和胶水结合从而使得粘合更牢靠。粘合采用哥俩好有限公司的302“AB”胶水。背包面积约为5 cm×5 cm，质量为3.48 g，外侧开口用于放置GPS。采用的GPS追踪器(M001，Dingo)质量为23.4 g，具有精度高、经济实用并且自带声音提示等优点，同时支持数据云端下载、超远距离操控及自行设置反馈时间等。

1.2 研究地概况

研究地位于中国科学院吐鲁番沙漠植物园附近，植物园地处吐鲁番盆地东南部恰特喀勒乡境内，距新疆维吾尔自治区吐鲁番市东南约10 km，距乌鲁木齐市约200 km，地理坐标89°11′E，40°51′N，海拔-95～-76 m。地带性土壤为原始灰棕色荒漠土，属暖温带内陆干旱荒漠气候。终年干旱，夏季高温，冬季寒冷，年平均降水量16.4 mm，年平均蒸发量3 000 mm，年平均气温14 ℃，平均湿度40%；极端最高温度49.6 ℃，地面最高温度80 ℃以上，极端最低温度-28 ℃。园内植物种类主要包括刺山柑Capparisspinosa、柽柳Tamarixspp.、沙拐枣Calligonumspp.、梭梭和骆驼刺等(尹林克，2004)。常见爬行动物有吐鲁番沙虎Teratoscincusroborowskii、快步麻蜥Eremiasvelox、叶城沙蜥Phrynocephalusaxillaris和东方沙蟒Eryxtataricus等(林英英等，2016)。常见兽类有大耳猬、沙狐Vulpescorsac、红尾沙鼠Merioneslibycus和子午沙鼠Merionesmeridianus等(买尔旦·吐尔干，阿布力半提·阿布都卡迪尔，2006)。

1.3 追踪器安装

2019年4月28日—5月3日，通过徒步或驾车的方式使用灯光寻找大耳猬，发现大耳猬后快速接近，待其因应激反应保持静止后，先测量体质量，选择200 g以上的大耳猬作为试验对象。称量后置于透明养殖盒中，记录性别。国外一般采用麻醉的方法固定大耳猬(Readingetal.，2016)。本研究采用直接捆绑的方法：用双手拖住大耳猬的背部，使其腹部朝上，用剪刀在大耳猬身体的后 1/3 处的棘刺中剪出一块与背包面积相仿的区域，这些棘刺由角蛋白质组成，不包含血管和神经，因此不会对大耳猬产生有害的影响(Bartheletal.，2019)。剪刺区域的选择以不影响大耳猬运动或进出洞穴为宜。用胶水将背包粘贴于此，操作过程中避免将胶水接触到大耳猬的皮肤(图1)。此外还需要将所有的线头埋在刺下，防止大耳猬在灌丛或草地中走动时被缠绕，降低其因为操作方法不当而被迫困住最终导致死亡的可能性(Schoenfeld & Yoram，1985)，最后将装有GPS追踪器的密封袋放到背包中并且用针线封口。

1.4 个体标记方法

采用鸟类环志常用的半径约5 mm的塑料脚环进行个体标记，放置于身体背部的前1/3处，将其两端扣紧形成一个密闭的圆圈，按照圆圈平面与棘刺垂直的方向埋下，确保除环号以外的其余内外两侧均被棘刺包围，埋藏深度与棘刺的顶端平行。

最后确认设备对大耳猬的自由伸展、蜷缩和运动没有影响后原地释放，详细记录GPS追踪器编号、开机时间、个体编号及身体指标等信息。在追踪器搜索到信号以后，通过手机端将反馈时间设置为白天1 h一次，晚上10 min一次并持续监测。

一般将体质量变化作为评估动物对GPS背包反应的衡量指标，异常大的体质量损失可能是受到胁迫或行为干扰的结果(Recioetal.，2011)。因为个体体质量决定了身体状况，即营养水平，因而在动物的生活史中具有重要意义。由于背包的负荷而产生额外的能量消耗和任何不利影响都可能减少个体的体质量(Peig & Green，2009)，并且，由于追踪器电量有限需根据电量及时重捕并更换新的GPS追踪器，因此在每次重捕更换时记录体质量，以检验佩戴背包是否对大耳猬体质量产生影响。

图1 在大耳猥背部固定GPS背包
Fig. 1 Attaching the GPS backpack toHemiechinusauritus

1.5 数据分析

利用SPSS 25.0对捕前体质量和捕后体质量进行成对样本t检验分析，用来评估背包对大耳猬的影响。在数据云端(www.gps902.net)将所有大耳猬的活动位点下载到Excel中，并利用ArcGIS 10.2进行数据校正。使用ENVI 5.3.1将下载的研究地卫星影像图进行几何校正和裁剪等。

2 结果

共标记大耳猬17只(表1)，通过定位追踪及手机端监控，成功重捕大耳猬15只。丢失的2只中，一只因为设备问题自动关机，丢失信号；另一只回收了GPS，没有重捕到大耳猬，检查背包发现该设备属于非正常脱落，背包和棘刺的连接处有明显被剪刀或利器切割的痕迹，可能是受到了当地居民的人为干扰。

共获得有效数据点3 226个，平均每只大耳猬获得有效数据点190个。在Arcmap 10.2中添加试验地点卫星图，将GPS位点校正并叠加到地图中，可以得到大耳猬的空间分布(图2)。

追踪期间，为防止大耳猬因背包被困导致死亡事件的发生，实时监控大耳猬的运动状态，每次重捕时详细检查背包的固定情况，未发现大耳猬因背包结构或固定位置不合理而被困住所引起的死亡。

GPS背包对大耳猬两性均没有显著影响，表现为两性体质量分别在负重前后的差异无统计学意义(雌性：t=0.848，df=7，P=0.424；雄性：t=0.282，df=6，P=0.787)。

表1 卫星追踪大耳猬的基本信息Table 1 List of satellite tracking information of Hemiechinus auritus

注： NA. 重捕失败， 无数据

Note： NA. recapture failed， and no data obtained

在最后一次重捕大耳猬后，检查所有背包并回收设备，未发现背包损坏，固定线也均无松动痕迹，GPS完好无损。

3 讨论

刺猬作为冬眠的小型食虫目动物，体质量是评估其生存和健康的重要特征(Bartheletal.，2019)。刺猬的体质量在不同时间段内会产生明显的变化，可能受到冬眠行为及繁殖行为等的影响(Reeve，1994)。短时间内，体质量的变化也可能与进食和饮水有关，人工饲养环境下成年大耳猬日进食量可达60.6 g，饮水量达14.3 mL(杨贵生，1991)。Rautio等(2013)研究发现，欧洲刺猬Erinaceuseuropaeus体质量可以在2 h内摄食20 g食物后快速增加。试验期间，有7只大耳猬体质量有所增加，9只呈轻度下降的趋势，但差异均无统计学意义。

本研究使用的GPS背包总质量26.88 g，约占试验大耳猬体质量的6%～12%。有研究表明，为了减小设备对动物正常生理活动的影响，要求其质量不得超过动物体质量的4%～10%(孙岳，张雁云，2009)或体质量的5%经验法(Casper，2009)。该指示性估计值可用于确定动物可携带的发射器的近似质量(Samuel & Fuller，1996)，但是不同动物的负重能力各有差异，例如在昆虫研究中可以适当增加，达到体质量的30%以上(Hedin & Ranius，2002)。大耳猬是一种负重能力较强的动物，可以很好地携带不同的跟踪设备(Recioetal.，2011)。Boitani和Reggiani(1984)将30～40 g的无线电追踪器使用于体质量小于500 g的刺猬，并未发现不利影响。由于刺猬体质量在自然界中也呈现波动状态，本研究未发现GPS设备对大耳猬体质量造成突然的显著性影响。

该背包装置由黑色牛仔布料和纯棉线绳组成，使用万能胶(AB胶)而非环氧树脂型胶水，主要是因为万能胶在较短的粘合时间内即可达到粘合效果且相对便宜，本研究安装一个背包的成本在人民币8元左右，经济实用。国外学者使用牙科复合材料固定1只刺猬约人民币258元(Readingetal.，2016)，而使用热胶固定也需人民币23元(Bartheletal.，2019)。采用“枕头”样式的GPS背包，一是考虑到缩短安装时间以减少对大耳猬造成的人为干扰，二是可拆卸式背包便于更换设备，更换时只需从外侧的开口处进行操作，不需要重新固定。实际安装时间也证明了这一点，首次安装，包括体质量的测量及固定背包仅需要5 min左右。重捕检查和更换设备所花费的时间不到1 min。这也是目前已知的最短的刺猬标记处理时间之一，有利于对动物个体的胁迫降至最低。

图2 部分大耳猬个体的活动位点
Fig. 2 The active sites of someHemiechinusauritusindividuals

小型动物的GPS精确定位并不代表较高的重捕率。大耳猬属于夜行性哺乳动物，生性机警，行动较隐秘，在听到有人靠近时会迅速逃跑或寻找遮蔽物藏匿，本研究实验地位于农田荒漠交错区，村庄、农田、大棚及荒地分布毫无规律，相互嵌套、错综复杂，加上夜晚视野有限，所以仅靠设备精度重捕仍存在一定困难。GPS的多功能化会提供更多便携的服务从而更大程度上提高效率，本研究使用的GPS追踪器附带声音功能，当靠近动物时打开声音模式，追踪器会开始播放音乐，便于在最短时间内发现个体，从而提高重捕率及降低丢失率。

电池寿命和设备体积对研究设计构成重大障碍(Bartheletal.，2019)。由于大耳猬的体质量较小，从而限制了GPS追踪器的体积，这也就导致了设备电量不足以支撑长时间的连续监测，尤其是大耳猬进洞后，设备在反复搜索信号的过程中加速耗电，并且由于个体活动量及营巢地选择的差异，设备的耗电量各不相同，有些设备可以持续工作2～3 d，而有些设备的电量只能维持1 d，通过剩余电量及时重捕并更换设备以优化数据的连续性，从而尽可能获得更多数据量，并且我们总能在第一次捕获地点附近对大耳猬进行重捕，这也一定程度说明背负GPS追踪器及多次重捕对大耳猬活动的影响较小。

在棘刺上固定热缩管已被广泛用于刺猬的个体标记(Dowdingetal.，2006)，但热缩管与棘刺的形态结构不完全匹配，且容易丢失，降低了有效性(Morietal.，2015)。使用彩色胶带缠绕棘刺，并且将刺猬的身体细分为6个标记区域，通过胶带颜色和身体区域的组合来增加标记的数量，可以有效使用标记代码(Morietal.，2015)，但该方法在个体较多时，由于标记部位和数量较多，不够简便易行。本研究改进的个体标记技术综合上述2种方法的优点，仅用1个鸟类环志常用的塑料脚环(上面有唯一的编号)即可达到个体标记目的。

吐鲁番地区人口集中分布在城市周围，研究地附近居民相对较少，以种植蔬菜和葡萄等为主，大耳猬常在农户家的菜地及牲畜圈落附近活动，活动较为隐秘，且活动节律和人类作息时间刚好相反，因此，由人为干扰所引起的设备丢失相对较少。

总之，GPS背包在不影响大耳猬正常活动的同时可以得到大量有效数据，是一种简便且经济的方法，可以满足短期监测的要求。

致谢：野外工作得到新疆农业大学动物生物学实验室王平、常笑康、王莉、鸟鹏颖等同学的大力帮助，特此致谢。