期刊: Science

中文题目：北美鸟类数量下降的加速区域与农业活动有关

英文题目：Acceleration hotspots of North American birds’ decline are associated with agriculture

作者：François Leroy, Marta A. Jarzyna, Petr Keil

发表日期：2026年2月26日

研究亮点

 本研究突破传统种群监测仅关注一阶数量趋势的局限，首次在北美大陆尺度解析鸟类数量下降加速度这一关键二阶特征，依托 35 年标准化监测数据，证实近半数物种显著下降且超四分之一呈加速衰退。研究精准区分出数量下降与加速下降的空间热点，揭示气候变暖驱动整体下降、农业集约化是下降加速的核心诱因，且二者存在协同放大效应。该成果为生物多样性早期预警提供新维度，也为农业区鸟类保护提供了精准科学依据。

摘要

 人类活动可能加速了鸟类种群数量的下降，但这种加速现象尚未得到充分研究。利用1033条北美繁殖鸟类调查路线，分析了1987年至2021年间261种、54个科鸟类以及10种生境中鸟类数量的变化及其下降速度。研究结果表明，整个大陆范围内每条调查路线上的鸟类种群数量均呈下降趋势，其中北美南部及温暖地区为种群数量下降的热点区域，而中大西洋地区、中西部及加利福尼亚州则为加速下降的热点区域，这些分布模式与农业集约化强度分布相吻合。总体而言，122种鸟类（47%）数量显著减少，其中63种鸟类的减少趋势还在加速，67个物种的个体增长率呈下降趋势，这引发了对北美大部分鸟类种群的担忧。这些发现表明，鸟类数量的减少大多正在加速态势，而加速的空间分布模式表明，农业集约化强度可能是这一趋势的驱动因素。

研究背景 

 人类活动（如土地利用变化、农业集约化等）对生态系统的影响在过去世纪显著加剧，被称为“大加速”，可能导致全球脊椎动物灭绝速率加快。尽管已有研究表明鸟类数量整体下降（即一阶导数），但对数量变化的加速度（即二阶导数）探索不足。加速度能反映种群衰退的恶化程度，对理解生态响应至关重要。因此，本文旨在通过分析北美鸟类长期数据（北美繁殖鸟类调查（BBS）长达35年（1987-2021）的数据，涵盖了1033条样线和261种鸟类），揭示种群数量变化的加速度模式及其与环境因素（如农业强度、气候）的关联，填补这一研究空白。

研究思路

模型构建：使用先进的动态N-混合模型（Dynamic N-mixture models）结合贝叶斯推断，从观测数据中分离出检测概率，估算真实的种群丰度变化及其加速度（ Δg ）和人均增长率变化（ Δr ）。

时空分析：分析1987-2021年间鸟类丰度的总体变化（ΔN）。识别丰度变化率（即下降速度）发生显著改变的地理热点。

驱动因子关联：使用随机森林、梯度提升树（BRT）和XGBoost三种树型机器学习算法，将观测到的下降“加速度”空间模式与20个环境变量（气候、栖息地、人类足迹、农业强度等）分析种群变化指标与环境变量的空间关联。

分类学分析：在物种、科、栖息地偏好等不同分类层级上验证结果。

研究结果

 研究结果揭示了北美鸟类生存的严峻现状，且不仅仅是“在减少”，而是“减少得越来越快”。

 全美尺度的普遍下降与加速

 北美鸟类呈现出全美尺度的平均下降趋势，平均每条样线每年减少约 8.94只鸟，相当于从1987年到2021年每条样线平均减少了304只鸟（占1987年平均数量的15%）。我们发现的趋势与北美鸟类数量下降的报道相符，并且与一些欧洲鸟类的趋势相似。在我们分析的1033条路线中，只有17%（172条）的鸟类总数量显著增加，而70%（718条）的鸟类总数量显著减少。我们发现只有七条路线位于数量不断增加的区域（图2B 中的黑色虚线圆圈），并且佛罗里达州、德克萨斯州、路易斯安那州和亚利桑那州的鸟类数量在每条路线上的平均下降幅度最大。

 区域下降加速度热点分布

 由于大部分空间平滑后的ΔN值为负值（图2，B和D，黑色虚线圆圈外），因此Δg的平滑图可以解释为区域内鸟类数量下降的平均加速（Δg<0）和减速（Δg>0）（图2D，黑色虚线圆圈外，图S1D）。

 更令人担心的是种群变化的加速度分析：每条路线年增长率的平均变化Δg为−0.25（可信区间：−0.35至−0.16），表明北美鸟类的种群下降速度在整体上是显著加快的。加速下降的区域热点集中在美国中大西洋地区（特拉华州、马里兰州、新泽西州）、中西部（印第安纳州、俄亥俄州、肯塔基州、伊利诺伊州、威斯康星州、密歇根州）以及加利福尼亚州。在这些区域，每年损失的鸟类数量比前一年更多，损失与补充之间的缺口逐年扩大。

 相比之下，育空地区、萨斯喀彻温省、阿尔伯塔省以及新墨西哥州、阿拉斯加、大西洋加拿大（新不伦瑞克、爱德华王子岛、新斯科舍）、亚利桑那州、蒙大拿州、新英格兰部分地区（马萨诸塞、缅因、新罕布什尔、佛蒙特）、华盛顿州、科罗拉多州、俄勒冈州、南卡罗来纳州以及佐治亚和佛罗里达北部部分地区则呈现衰退减速趋势——虽然种群仍在下降，但下降速度有所放缓。

图2. 鸟类数量和增长率的时间变化。(A和B) 1987年至2021年各路线鸟类数量总变化量(ΔN)，以及(C和D)增长率的时间变化量 (Δg)，已校正检测误差。(B)和(D)中的地图是动态N混合模型估计值，并使用空间广义加性模型进行平滑处理（总解释方差R²分别为7.62%和16.5%）；(A)和(C)中的值为未平滑处理的值。平滑处理和未平滑处理的图像使用相同的固定颜色标度。由于北美大部分地区的鸟类数量都在下降，因此(D)中的红色区域是鸟类数量下降加速的区域热点。(B)和(D)中的虚线圆圈标记了平滑处理后的 ΔN值唯一为正值的区域。插图（左下角）显示了丰度和生长速率的原始变化（即未经空间平滑处理），平均值用蓝色虚线表示；图(C)中的y轴经过平方根变换。直方图显示了平均斜率的后验分布；红色垂直线代表均值，蓝色虚线代表 95% 置信区间。

 变化模式与环境联系

 我们还研究了ΔN、Δg和Δr的原始模式和平滑模式与环境条件的相关性。鸟类丰度的变化此前已被证实与特定的气候、栖息地、土地利用及其时间变化有关。

 第一个关键的发现，气候变暖和正在变暖的地区与鸟类数量下降的地区相吻合（ΔN，图3A和3C，以及图S7和S8）。这一模式与鸟类种群随着气候变冷而向北迁移的证据相一致。已有研究表明，气温升高会增加鸟类物种灭绝的风险，这是由于物种缺乏对快速变化的气候条件的适应能力所致，并且在欧洲和北美都记录到了与温度相关的响应。我们的研究结果进一步支持了这一观点，表明气候变暖程度更高的地区（图3C）也表现出更显著的鸟类数量下降，这表明气温上升可能是近期鸟类种群数量减少的驱动因素之一。

 第二个主要发现，负Δg（和Δr）的热点区域，即鸟类数量下降加速的区域（图2D和图S5B），与高强度农业区重合——特别是那些化肥或农药使用量高或耕地面积大的区域（图3B和3D，以及图S7和S8）。这三个变量之间存在很强的相关性（图S4），我们无法区分它们的独立影响，因此我们将它们共同解释为农业强度的指标。农业强度与鸟类数量下降加速之间的重合令人担忧，尤其考虑到过去40年北美农业产量和农场规模的增长。

 我们还发现农业强度（即农药使用、化肥使用和/或耕地面积）与温度变化对Δg的影响存在交互作用（图S9）：农业强度对Δg的负面影响在温度升高更为显著的地区更为强烈。事实上，由于植被覆盖减少和地表性质改变，农业景观的升温速度通常比自然区域更快，这可能会加剧气候变化对鸟类的压力。另一种可能的解释是，集约化的农业活动，例如农药使用和机械扰动，会与温度变化相互作用，从而进一步减少鸟类的食物和栖息地。此外，温度对Δg的非线性影响（图3D）表明，鸟类种群密度最高、人类活动最为显著的地区，其平均温度约为10°C，此时鸟类种群数量最为密集。

       显然，加速减少的预测因子与导致种群数量下降（ΔN）的预测因子不同（图3，A和C，与B和D对比）。这表明，仅关注衰退的幅度可能会低估农业对鸟类种群的影响，因为集约化的农业活动会加速主要由气候驱动的种群数量下降。相比之下，温度变化是解释ΔN、Δg和Δr的第二大重要变量。我们发现人均增长率变化（Δr，图S10）也存在类似的关系，这表明农业强度不仅影响总数，还影响个体存活率和补充率之间日益扩大的差距。鉴于利用种群数量时间序列估算存活率和补充率的方法不断进步，这为未来的研究提供了方向。

图3. 最佳基于树的模型对空间平滑后的丰度变化 ΔN 和生长速率变化 Δg 的变量重要性及偏依赖性图。(A) 和 (B) 分别为 ΔN（总方差解释率 R² = 82.9%）和 Δg（总方差解释率 R² = 75.2%）的变量重要性得分（由 XGBoost 计算得出）。(C) 和 (D) 分别为 ΔN 和 Δg 的偏依赖性图，按重要性从高到低排序。注意，Δg 的负值越大，表示丰度下降越快。

 物种、科和栖息地偏好分析

 除了分析每条路线上所有鸟类总ΔN、Δg和Δr的地理变异外，我们还评估了所有路线以及不同分类层级（物种、科和物种偏好栖息地）的这些指标。

 在261个物种中，84个物种（32%）的ΔN值显著为正，其中大多数（67个物种）的增长速度显著减缓（图4A）。这符合预期，因为持续加速的种群数量增长会迅速受到物理限制，因此较为罕见。相比之下，最常见的趋势是显著下降，共有122个物种（47%）出现这种情况，其中超过一半（63个物种，53%）的下降速度显著加快（图4A）。这表明，大多数数量下降的物种以及所有分析物种的四分之一正在经历显著加速的下降。此外，21个科（39%）的ΔN值显著为负（而ΔN值为正的科仅有14个），其中10个科的下降速度显著加快（图4B）。这表明大多数数量下降的科也正在经历下降速度的加快，说明这种下降模式并非由少数具有共同特征或进化历史的分类群驱动，而是广泛存在于各个科中。在个体数量层面，Δr值为负的物种数量（67种，图S11B）与Δg值为负的物种数量相当，而Δr值为正的物种仅有7种。这表明，对于大多数总丰度下降的物种而言，个体补充量与个体损失量之间的差异正在扩大。

图4. 鸟类数量变化的加速和减速情况（按物种、科和生境汇总）。每个点代表 ΔN和Δg，分别通过汇总物种(A)、科(B)和生境(C)层面的所有个体计算得出。误差线表示95%置信区间，灰色点表示加速或减速不显著（即95%置信区间在任一轴上均与0重叠）。颜色方案与图1相同（红色，加速下降；橙色，减速下降；蓝色，减速上升；绿色，加速上升）。图中标注了每个象限中显著点的数量(n)。为了更好地进行视觉区分，坐标轴已进行伪对数转换。

 在本文考察的10种生境中，仅森林栖息地的鸟类呈显著上升且增长减速（图4C）。尽管这一增长似乎与美国森林种群数量下降的普遍趋势相悖，但我们的分类是基于物种偏好的生境，而非以往研究中常用的生物地理区域。因此，我们观察到的美国本土物种丰度下降与之前的发现一致，而森林特有种的增加则与美国和欧洲其他采用类似生境分类方法的研究结果相符。城镇、草地、沼泽和疏林四种栖息地的鸟类呈显著下降，其中沼泽和疏林还伴随着衰退加速（图4C和图S12）。此外，沼泽和疏林地这两种生境的物种丰度下降速度加快。这些生境受到人类活动的显著影响，表明物种丰度下降速度加快与农业集约化和生境退化等人为压力之间存在关联。

研究意义

 该研究强调了在生物多样性监测中引入“加速度”概念的重要性。仅关注线性趋势可能会低估那些虽然目前基数尚可，但正在以指数级速度消失的种群风险。明确指出了农业集约化是导致鸟类灭绝风险“加速”的关键推手，而不仅仅是气候变暖。这为保护行动提供了更具体的靶点——即在农业高产区实施更可持续的耕作方式。验证“大加速”假说，为人类活动导致的生物多样性丧失正在“加速”这一假说提供了实证数据支持。

启示

 这项研究提醒我们，生物多样性保护已经不仅仅是“止损”的问题，而是在与时间的加速度赛跑。在农业集约化区域，鸟类种群的消失正在进入“快车道”，这要求我们采取更具紧迫感的干预措施。。

文献来源：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads0871

声明：本人水平有限，难免出错。请各位同行监督、批评与指正。推送难以展示该研究的所有内容，详情参见原文。

撰稿：田盼立

初审：任   杰

复审：杜   军

终审：鲁   鹏