综述：鸟类生物指数在流域评估中的应用潜力：方法、应用及改进建议

《Environmental Reviews》：Potential for bird-based biotic indices in watershed assessments: a review of methods, applications, and suggestions for improvement

　　

鸟类对环境条件变化高度敏感，而用于描述群落层面（community-level）对人为干扰响应的度量指标，如物种多样性、丰度及功能群（guild）组成，可作为生态系统状况的有效指示器。研究人员综述了来自14个国家、覆盖多样生态系统的已发表研究共56篇，旨在评估基于鸟类的生物指数在生物评估（bioassessment）中的有效性。所采用指数的主要类别包括生物完整性指数（Index of Biotic Integrity, IBI；占18%）、鸟类群落指数（Bird Community Index, BCI；占13%）和生态状况指数（Index of Ecological Condition, IEC；占7%）；其余62%的研究则采用了大量专门化变体，包括针对草地、湿地和城市区域等特定生态系统而调整的指数。

指数表现存在明显地理差异，凸显了地方化校准的重要性。尽管仅有少数研究在景观与区域尺度上应用鸟类指数，但纳入功能群分类及生境特异性指标的实践表明，基于鸟类的生态系统监测与评估具有良好潜力。当指数纳入地方推导的干扰梯度与生境梯度时，鸟类群落在区域尺度上可作为可靠的生态指示器。这种区域可靠性表明，将基于鸟类的指数扩展至流域尺度是可行的，尤其是在公民科学鸟类数据等广泛资源可获得的情况下。当前存在大量公民科学鸟类监测项目，潜在上可为流域尺度鸟类生物完整性指数（avian IBI）提供数据。结合多类群数据、群落基础指标以及描述生境质量变量的鸟类指数，可为流域生物评估及循证保护政策实施提供严谨工具。

Introduction

本文围绕基于鸟类的生物指数在生态评估中的发展与流域尺度应用潜力展开综述。正文首先指出，生物指数最初主要应用于水生生态系统，典型对象包括鱼类、大型无脊椎动物及水生植物群落；相比之下，鸟类因具备较高迁移能力、多样生态功能以及对环境变化的敏感性，近年来逐渐被确立为可靠的生态系统状况指示类群。文章强调，鸟类调查具有公众参与基础广、监测协议成熟、设备和专业门槛相对较低等优势，因此与其他分类群相比更具成本效益。现有鸟类生物指数已广泛用于森林、草地和高度城市化区域等多种陆地生态系统，通常整合鸟类多样性、丰度以及多个取食功能群的代表性，以将复杂的鸟类学数据转化为可解释的生物状况指标。

在此基础上，作者进一步论述了流域作为生态系统管理基本景观单元的重要性。流域整合了上下游水文过程与生态过程，是连接土地利用、水质和生物多样性结果的关键尺度，也适用于跨陆地—水域生态系统的综合干预。然而，流域管理往往跨越行政边界，涉及多元利益相关者，并要求能够反映全系统累积影响的数据与治理安排，因此，适用于流域尺度的综合监测工具尤为必要。文章提出，跨流域应用的鸟类生物指数能够捕捉生境破碎化、退化与丧失在时间和空间上的累积效应，尤其是对于依赖水域及邻近陆地生境的水鸟、食虫鸟等类群，既能反映水生环境变化，也能反映陆地环境变化。作者据此明确本文目标：系统梳理不同地区、不同生态系统中的鸟类生物指数构建方式、应用模式、指标选择、采样设计与验证方法，识别限制其可靠性、可比性与适用性的主要问题，并讨论如何通过标准化与公民科学整合提升其在流域尺度生物评估中的应用价值。

Approach

方法部分采用系统综述路径，对2024年10月以前发表的英文文献进行检索。检索平台包括 Clarivate? Web of Science? 2024 与 Google Scholar，检索词围绕 birds、avian、index、indicator、bioindicator、biotic integrity、biological condition gradient、watershed integrity 与 catchment integrity 等组合展开，并最终形成可覆盖多数目标文献的布尔检索式。初步检索共获得529条记录，随后依据系统综述与荟萃分析报告规范（preferred reporting items for systematic reviews and meta-analysis, PRISMA）设置纳入与排除标准，保留聚焦鸟类生态学、指数化评估、生物评估、生物状况梯度、生物完整性、集水区完整性或流域完整性的同行评议全文文献，最终纳入56篇研究。

在文献筛选之外，作者还进行了文献计量学分析，采用 R 语言中的 bibliometrix 软件包构建关键词共现网络、概念结构图与历史引文网络。关键词共现网络用于揭示研究主题之间的联系，通信分析（correspondence analysis, CA）用于识别领域内的主题聚类、研究趋势和概念关系，而历史引文网络则用于呈现该领域的方法演化路径和关键文献节点。通过这些分析，文章不仅总结单篇研究的技术细节，也从知识结构层面刻画了鸟类生物指数研究的发展脉络。

Findings

Bird-based index types, methodologies, and conceptual frameworks

综述结果显示，56项研究覆盖14个国家和多类生态系统，其中最常见的三类指数分别为生物完整性指数（IBI）、鸟类群落指数（BCI）和生态状况指数（IEC）。IBI通过多个鸟类群落组成指标与参考地点进行对比，计算总体生态状况得分，具有较强跨类群和跨生态系统适应性；BCI则将物种依据对干扰的敏感性和生境关联划分为响应功能群，更偏向景观尺度指示；IEC则根据物种对高质量生境的专属性进行加权。除这三类主流框架外，鸟类完整性指数（BII）和沼泽鸟类群落完整性指数（IMBCI）也较常出现，分别用于热带森林和湿地依赖性鸟类评估。其余还包括生物状况梯度（BCG）、鸟类生物完整性指数（B-IBI）、生态系统健康指数（EHI）、生物状况指数（IBC）和城市生态系统完整性指数（UEII）等，多数体现出针对特定生境、区域或干扰类型的定制化适配。

文献计量分析表明，鸟类生物评估研究在概念结构上具有较清晰的聚类特征。关键词共现网络揭示了三分结构：其一是以“index”“indicators”“ecological integrity”为核心的评估方法簇；其二是以“biodiversity”“biotic integrity”“bird communities”为核心、并与“land-use”“disturbance”等相连的生态响应簇；其三则是与“quality”“ecosystem services”相关的生态系统服务与功能簇。概念结构图进一步将研究分为四类方向：生物评估基础理论、指数开发框架、海岸湿地专门研究，以及充当桥接概念的“communities”和“biodiversity”。这表明该领域已从单纯方法开发逐渐延伸至生态系统功能与服务评估。

Temporal publication trends

时间维度上，1998—2023年间鸟类生物指数研究大致经历三个阶段。1998—2006年为奠基阶段，以 O’Connell 等和 Canterbury 等的研究为代表，确立了核心方法框架，年度产出较低但奠定基础。2007—2015年为扩展阶段，文献数量增加，生态系统类型明显扩展，方法出现多样化分化。2021—2023年则呈现稳定阶段，年均发表量相对稳定，研究重点更多转向综合、应用优化与方法整合。历史引文网络验证了这一演化轨迹：早期基础性工作构成中心枢纽，后续湿地、森林和草地等方向形成分支路径，并在近年通过跨方向引用出现整合趋势。

Patterns of implementation across ecosystems and regions

从空间分布看，相关研究高度集中于北美，其次为南美和欧洲，而亚洲和非洲研究极少。应用尺度以区域和景观尺度为主，占79%，说明鸟类指数主要被用来开展较大空间范围的生态状况评估。生态系统类型方面，陆地系统研究数量最多，包括温带森林和热带森林，常用指标包括物种丰富度、功能群组成以及生境专属性，用以分析森林干扰与破碎化对鸟类群落的影响。湿地是单一生态系统中研究最集中的类别，特别是在北美五大湖地区，研究常基于沼泽依赖种丰富度、相对丰度和功能群比例构建湿地完整性指数。

Stressor gradients

在干扰梯度方面，土地利用变化是最主要的压力因子，占近半数研究；其次为生境破碎化、水文变化和城市化。生物入侵、营养盐富集和水污染等压力因子涉及研究较少。该分布说明，当前鸟类生物指数在传统土地利用压力评估中已较成熟，但对于新兴或区域性重要干扰，如污染、入侵和垃圾压力等，方法框架仍相对薄弱。作者认为，既有针对土地利用变化的成熟评估框架，有望迁移用于这些研究不足的干扰情境。

Discussion

Methodological evolution and framework adaptability

讨论部分首先指出，过去三十年鸟类生物指数在方法上取得显著进展，其中 IBI 及其鸟类化改造版本是最具代表性的框架，原因在于其多指标特性和较强的生态系统适应性。领域发展已从依赖单一多样性指标，转向整合功能性状、取食功能群与生境关联的多指标体系。文章强调，最稳健的指数通常同时包含物种层面与功能群层面指标，因此比单一的物种丰富度或 Shannon–Weiner 多样性指数更能反映生态复杂性与完整性变化。与此同时，作者也指出标准化功能群定义、控制探测偏差以及保证跨区域可比性仍是持续存在的难题。探测偏差可能源于观察者技能、调查方法、生境结构和物种可探测性差异，在跨流域、跨区域及跨类群比较时问题会被进一步放大。

作者还识别出若干关键知识空缺。首先，热带生态系统中的应用显著不足，而这些区域恰恰具有更高生物多样性和更快的环境变化速率。其次，许多指数建立于相对稳定的气候背景下，其对快速变化基线、非线性生态阈值及气候驱动分布变化的响应能力仍不明确。对于迁徙鸟类而言，流域内监测到的种群变化还可能受到遥远停歇地或越冬地条件影响，从而增加局地归因难度。作者认为，公民科学平台如 eBird 在一定程度上可以弥补时空数据缺口，但未来仍需更系统的采样框架支撑稳健指数开发。

Geographical implementation and regional patterns

在地理格局上，北美不仅是文献数量中心，也是方法学扩散中心，多个基础性框架由此发展并向其他地区传播。然而，近年的巴西和欧洲研究表明，其他地区已不再只是被动采用北美框架，而是在本地化校准基础上形成了新的方法创新。文章特别指出，在具有强烈干扰梯度的区域，指数表现往往更好，这说明区域基线与地方校准至关重要。亚洲和非洲则被视为潜在但尚未充分开发的应用前沿，适合采取分阶段推进策略：先进行基础物种监测，再逐步纳入群落指标与功能指标。欧洲农田鸟类指数被作者视为志愿者驱动、标准化监测与政策应用有效结合的典型案例。

Emerging research themes and methodological integration

作者进一步讨论了该领域正在形成的第三研究维度，即将生物评估与生态系统服务价值联系起来。研究表明，IBI、BCI 等多维指数相较传统多样性指标以及基于植被的评价方法，往往具有更强的干扰辨识能力和生态状态分辨能力。功能群基础指数在不同生态系统中的适应性尤其突出，既可用于湿地水文改变诊断，也可用于森林可持续经营评估。不过，扩大到多尺度和流域尺度应用时仍面临三方面障碍：采样协议在空间尺度间不一致、探测偏差缺乏量化、区域校准不足。所谓校准，是指将指数得分与已知参考点比较，并依据地方物种组成、生境特征和干扰类型对评分系统进行调整，以保证指数在特定地区真实反映生态健康。文中通过五大湖湿地和海岸区域案例说明，不同地区之间的直接套用往往不可行，必须建立具有层级结构的尺度整合框架。

Opportunities through technological integration with citizen science

在方法创新方面，文章认为公民科学与新技术结合为鸟类生物评估带来了变革性机会。现有框架包括专家种—广适种比值、功能群分类等，分别刻画群落耐受性与特定压力响应，但若要实现跨研究综合，仍需在功能群划分、干扰梯度设定以及时空尺度上提高一致性。作者认为，标准化协议是社区采集数据具备科研价值的前提。进一步地，卫星遥感、自动录音设备与机器学习技术可用于提高探测概率估计、统一采样标准并连接局地观测与景观过程。未来有前景的方向包括实时声学处理、基于声纹的自动功能群识别，以及可随气候驱动群落变动而动态调整的参考阈值。

Future directions and watershed-scale applications

在未来展望中，文章总结认为，鸟类生物指数已在草地、湿地和森林等多种生态系统中展示出较强诊断能力，能够响应农业强化、水文改变、生境破碎化等多类压力，且近期研究开始尝试多重压力综合评估。尽管理论上适合用于流域评估，但明确针对大于100 km²景观尺度的研究仍然很少。已有研究通过在欧洲混合利用流域中校准不同空间尺度下的鸟类多样性指标，或在亚马孙源头集水区开发区域代表性指示种统计筛选方法，为流域级扩展提供了方法学基础。作者强调，这类工作依赖大样本数据，而公民科学鸟类项目恰好在数据量和空间覆盖方面具有显著优势，且其数据可靠性已可与传统科研监测相媲美。文章最终提出，若能通过跨学科合作将鸟类群落数据、景观特征和机器学习预测模型结合，鸟类有望成为连接生态理论、土地管理和水资源管理的通用环境哨兵指标，并通过参与式监测增强地方社区在流域保护中的作用。