地下水-地表水交互带中无脊椎动物功能群的物种分选与空间效应：以里奥格兰德河潜流带为例

《Hydrobiologia》：Species sorting and spatial effects in hyporheic invertebrate functional groups

语 本研究针对潜流带(hyporheic zone)群落构建机制不清的问题，通过同步采样分析里奥格兰德河109 km河段中地下水专性类群(stygobionts)与底栖昆虫的功能差异，揭示环境过滤主导昆虫分布，而空间效应（如地下水上涌区扩散限制）主导stygobionts分布。结果表明stygobionts的扩散能力限制其栖息地重建，对河流生态保护具有重要启示。论文发表于《Hydrobiologia》。

　　

在河流生态系统中，潜流带（hyporheic zone）作为地表水与地下水相互作用的动态区域，被誉为“河流的肝脏”，承担着养分循环、污染物降解等关键生态功能。然而，这一隐蔽生境中的生物群落如何响应环境梯度与空间因素，一直是生态学研究的难点。尤其在全球气候变化导致干旱与洪水事件频发的背景下，理解潜流带生物的分布机制对河流保护至关重要。

传统研究多关注环境变量（如溶解氧、温度）对潜流带群落的影响，但近年来 metacommunity（元群落）理论强调，物种分布同时受物种分选（species sorting）和空间效应（如扩散限制）共同调控。其中，地下水专性类群（stygobionts）与底栖昆虫因生活史和扩散能力差异，可能对这两类因子响应迥异。例如，stygobionts（如盲虾、洞穴等足类）终生栖息于地下水系统，扩散能力有限；而底栖昆虫可通过水生或空中阶段进行远距离迁移。然而，两类功能群在潜流带中的分布规律及其驱动机制尚不明确。

为解答这一问题，研究团队以美国得克萨斯州里奥格兰德河下游峡谷段为天然实验场，开展了一项大规模同步采样研究。通过对比stygobionts和底栖昆虫的分布模式，团队首次在潜流带尺度上验证了“昆虫分布由环境过滤主导，stygobionts分布由空间效应主导”的假说。这项研究不仅深化了对潜流带生态过程的理解，还为预测水文扰动下生物群落变化提供了理论依据。

关键技术方法

研究团队在109 km河段的28个潜流点采集76份样品，使用Bou-Rouch法抽取50 cm深沉积物水体，同步测量温度、硝酸盐（NO₃^-）、电导率等环境参数。通过一致性分析（concordance analysis）和冗余分析（RDA）识别群落结构，并利用线性模型与Partial Mantel检验区分环境与空间效应的相对贡献。

研究结果

1. 群落结构分异揭示功能群差异

一致性分析显示，潜流带存在两个显著不同的类群：一个以底栖昆虫和球蚬（Sphaeriidae）为主，另一个由桡足类（Cyclopoids）和地下水甲壳动物（如等足类、端足类）主导。RDA进一步表明，昆虫类群与低温、高溶解氧、高电导率的表层水特征相关，而stygobionts类群与高温、高硝酸盐、低电导率的地下水上涌区密切相关。

2. 环境变量驱动昆虫分布

线性模型表明，昆虫丰富度与温度（负相关）、碱度（负相关）、溶解氧（正相关）显著相关，且群落差异无空间自相关性。这支持了物种分选效应——昆虫通过强大的扩散能力（如成虫飞行）快速定殖至适宜生境。

3. 空间效应主导stygobionts分布

stygobionts的出现概率、丰富度和丰度均与距泉水的距离呈负相关，且其群落相似性随空间距离增加而显著下降（Partial Mantel检验，P=0.01）。例如，Bullis Fold构造上游泉水的δ¹⁸O更偏负值，对应更高的stygobionts多样性。表明其分布受扩散限制驱动，依赖邻近含水层的源种群补充。

结论与意义

本研究首次在潜流带中量化了环境过滤与空间效应对不同功能群的相对重要性。stygobionts对地下水输入区的依赖性和扩散限制，使其在含水层连通性丧失时更易面临局部灭绝风险；而昆虫的广泛扩散能力则保障其快速响应环境变化。这一发现对河流管理具有重要启示：保护潜流带生物多样性需重点维护地下水-地表水连通性，尤其在干旱区河流中，stygobionts的存续直接依赖于邻近含水层的生态补给。未来研究需结合地下水示踪技术与分子生态学手段，进一步揭示潜流带生物的扩散路径与基因流动态。