水生系统中落叶输入通过竞争或杀虫剂暴露增加两栖类生物量产出与体重

本研究通过中宇宙实验揭示落叶输入量增加可显著提升灰树蛙（Hyla chrysoscelis）变态体重与生物量产出，且与幼虫竞争强度或新烟碱类杀虫剂吡虫啉（imidacloprid）暴露产生叠加效应。落叶输入通过促进初级生产（叶绿素a）和营养盐释放（总磷、磷酸盐），强化水陆生态系统能量传递（生物量输出），为森林再生区水生群落管理提供关键生态学依据。

　　

1 引言

北半球农业用地弃耕导致森林覆盖度净增加，再造林过程改变了进入水生系统的营养补贴通量。陆源落叶是溪流系统能量预算的重要组成部分，而对小型池塘、蓄水池和临时水体的影响尤为显著——其小尺度特性使系统生产力与群落结构极易受营养输入输出影响。尽管营养回归陆地系统的关联性在某些案例中弱于水生输入，但落叶补贴对水陆系统的贡献强度仍取决于生态背景，可能与其他因子产生交互作用。本研究以灰树蛙（Hyla chrysoscelis）为模型，通过户外中宇宙实验探究落叶输入量如何调节幼虫竞争与新烟碱类杀虫剂吡虫啉暴露对两栖类变态过程及生物量输出的影响。

2 方法

2.1 灰树蛙采集

实验于2022年6月14日从俄亥俄州迈阿密大学生态研究中心的中宇宙繁殖池收集四对灰树蛙卵。卵孵化至自由游动阶段（Gosner 25期）后，于6月20日（实验第0天）引入中宇宙系统。

2.2 中宇宙实验设计

实验在聚乙烯牛饮水槽（1000 L容积）中进行，每池添加牛津市自来水、本地混合落叶（橡木、山毛榉、悬铃木与枫树）及无鱼池塘水（接种藻类与浮游动物）。实验分为两部分：

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  实验1（幼虫竞争）：操纵落叶输入量（0.25/0.50/1 kg dry/1000 L）与蝌蚪密度（低竞争20只/池，高竞争60只/池），每处理5重复。

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  实验2杀虫剂暴露：操纵落叶输入量（同上）与吡虫啉暴露（0或9 mg/L，基于环境预期浓度设定），每池40只蝌蚪，每处理5重复。吡虫啉（75%纯度）于实验第8日添加，对照组施以等量水体扰动。

2.3 响应指标测量

每日监测变态个体（Gosner 42期），记录变态时间与体重（Gosner 46期）。计算存活率与总两栖类生物量（平均体重×存活数）。于实验第10日采集水样测定总氮（TN）、总磷（TP）、溶解态硝酸盐（NO₃^-）、铵盐（NH₄⁺）、磷酸盐（PO₄^3-）及叶绿素a（藻类丰度代理指标）。同步监测pH、溶解氧（DO）、水温与电导率。

2.4 数据分析

使用多元方差分析（MANOVA）检验“变态响应”（体重与时间）与“营养响应”（氮磷营养盐）的总体效应，辅以单变量ANOVA与重复测量ANOVA解析具体因子贡献。数据经对数转换满足正态性假设，以中宇宙为实验单元（SAS 9.4）。

3 结果

3.1 对两栖类变态的影响

存活率无显著处理间差异（实验1: 68.6±4.1%；实验2: 65.3±4.0%），但随落叶量增加呈上升趋势。总两栖类生物量受落叶输入量显著驱动：最高落叶量（1 kg）下生物量达最低量（0.25 kg）的2–4倍（图1c,d）。竞争与杀虫剂暴露均产生叠加效应：

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  实验1：高竞争池在高落叶量下生物量反超低竞争池（尽管低竞争个体体重更大）。

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  实验2：吡虫啉暴露组生物量Across落叶梯度均高于对照组。

落叶输入对“变态响应”变异解释度最强（MANOVA, p<0.0001），竞争与杀虫剂暴露具显著叠加效应（无交互作用）。落叶量从0.25 kg增至1 kg导致：

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  变态体重增加（实验1: +24.7%, p<0.0001；实验2: +18.3%, p<0.0001）

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  变态时间缩短（实验1: -74.3 d, p<0.0001；实验2: -9.2 d, p=0.0011）

  低竞争组体重更高、变态更快；吡虫啉暴露增加体重但不影响变态时间（图2）。

3.2 藻类资源与水环境响应

叶绿素a（藻类丰度）在实验1中无显著处理间差异，但实验2中吡虫啉暴露组普遍更高（表4）。溶解氧（DO）与pH随落叶量增加而降低，电导率升高（图4）。落叶输入显著影响多元“营养响应”：

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  总磷与磷酸盐：随落叶量增加而上升（图5a,b）

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  总氮：实验2中吡虫啉暴露组显著升高（p<0.0001）

  营养盐动态表明落叶分解持续释放磷素，而杀虫剂干扰氮循环。

4 讨论

4.1 落叶输入正向调节变态过程与生物量产出

落叶作为森林水生系统关键营养源，其缓慢分解释放的营养脉冲支持了初级生产与微生物循环。即使低落叶输入（0.25 kg）下存活率仍较高，但高落叶量通过提升个体体重显著增加生物量输出，强化了水陆能流联结（Fritz & Whiles 2021）。森林再生导致的落叶输入变化可能推动群落向受益于慢速营养释放的物种演变，但需权衡温度、pH、水文期等伴随因子的影响。

4.2 落叶效应与竞争/杀虫剂的叠加机制

落叶输入与竞争或杀虫剂暴露呈叠加而非交互作用，表明其效应独立且可累加。竞争降低个体体重但延长变态时间，而杀虫剂通过抑制浮游动物（如Daphnia）间接促进藻类增长，为蝌蚪提供超额资源（Rumschlag et al. 2020）。与Boone & Sullivan（2012）报道的落叶-杀虫剂交互效应不同，本研究中吡虫啉的低脊椎动物毒性及基础营养水平可能削弱了交互强度。

4.3 初级生产与非生物环境的响应机制

落叶输入虽未显著提升浮游植物丰度，但通过改变periphyton（未测定）质量或蝌蚪直接取食落叶（Kupferberg et al. 1994）可能驱动生物量差异。水体DO、pH、电导率的变化印证了落叶分解对溶氧消耗与离子释放的效应。磷酸盐随落叶量增加表明磷限制缓解，而吡虫啉引发的氮富集揭示了化学污染物对营养循环的间接扰动。

5 结论

落叶输入量变化通过叠加方式调节竞争与杀虫剂暴露对两栖类的效应，显著增强生物量输出至陆地系统。森林再生区池塘可能因落叶补贴提升生产力，但需结合水体特征（开阔/荫蔽、深度）综合评估。从管理视角，叠加效应优于交互效应，赋予预测性优势。再造林进程中的水生群落有望通过落叶输入强化能流，凸显两栖类作为水陆耦合生态通道的关键功能。