农业转化对短草草原小型哺乳动物多样性与群落组成的长期影响研究

《Mammal Research》：Longitudinal trapping reveals differences in small mammal diversity and community composition between agriculture and shortgrass prairie

本研究针对大平原地区草原转为农业用地的生态影响问题，通过分析美国国家生态观测网络（NEON）长达十年的追踪数据，比较了科罗拉多州短草草原与农业用地中小型哺乳动物的多样性及群落组成差异。研究发现，虽然两地物种丰富度无显著差异，但草原群落多样性更高且以草原特有种为主，而农业群落则由广布种主导。该研究强调了长期监测对揭示群落持续性变化的重要性，为受农业扩张威胁的草原系统保护策略提供了科学依据。

　　

在全球陆地生态系统中，草原和 Prairie 生态系统覆盖了超过三分之一的面积，它们通过食物生产、生物地球化学循环调节以及文化美学价值提供着不可或缺的生态服务。然而，这些生态系统正面临严峻威胁，尤其是在北美大平原地区，其中自然草原转为农业用地是导致栖息地丧失的主要原因之一，近二十年来占比高达40%。农业活动通过景观均质化、移除结构复杂性并以单一作物替代，深刻影响了野生动物的生存状况，包括鸟类、传粉昆虫以及小型哺乳动物等类群。

小型哺乳动物在草原生态系统中扮演着多重关键角色。它们通过捕食、植食、资源竞争等生态过程影响非生物环境及动植物群落，例如扰动土壤、改变土壤化学组成、促进种子发芽与植物定居，同时作为大型捕食者的猎物维持食物网稳定。因此，理解农业转化如何影响小型哺乳动物群落，对于评估生态系统健康及制定保护策略至关重要。

尽管已有研究探讨了农业转化对小型哺乳动物群落的影响，但针对大平原中南部短草草原与农业用地的比较研究仍较为缺乏，且缺乏长期纵向数据的支持。短草草原作为最干旱的草原类型，其对干扰的响应可能与其他草原存在差异。为此，本研究利用美国国家生态观测网络（NEON）在科罗拉多州两个站点——代表原生短草草原的CPER站点和代表活跃农业用地的STER站点——收集的十年小型哺乳动物箱式诱捕数据，系统比较了两类生境中小型哺乳动物的多样性及群落组成差异。研究旨在回答以下科学问题：两类生境在小型哺乳动物丰度、物种丰富度和多样性上是否存在差异；共有物种的捕获率是否不同；群落组成是否存在差异及其时间动态；是否存在可作为短草草原或农业用地指示物种的小型哺乳动物。

研究方法上，研究人员从NEON数据库下载了2013年至2023年的原始诱捕数据，经过数据清洗（排除非功能陷阱、未鉴定到物种的捕获、非目标物种及同一诱捕批次内的重捕记录）后，最终获得4,254次捕获记录，涉及13个物种。统计分析以每次诱捕批次为基本单位，计算捕获率（每100陷阱夜的捕获数）、物种丰富度、香农-维纳多样性指数（Shannon-Weiner diversity index）和辛普森多样性指数（Simpson's diversity index）。通过广义线性模型比较站点间差异，并控制年份和月份的时间自相关。群落组成差异采用相似性分析（ANOSIM）和非度量多维尺度分析（NMDS）进行检验，同时利用指示物种分析（indicator species analysis）识别与特定生境密切相关的物种。

物种组成与多样性差异

两站点均记录到12种小型哺乳动物，长尾田鼠（Microtus longicaudus, MILO）仅见于草原站点，而非家鼠（Mus musculus, MUMU）仅出现于农业站点。农业站点的总捕获率（中位数5.33只/100陷阱夜）显著高于草原站点（1.18只/100陷阱夜），但物种丰富度无显著差异。香农-维纳多样性指数在草原站点（H=1.36）显著高于农业站点（H=1.06），表明草原生境支持更高的生态多样性。辛普森指数则无显著差异。

物种特异性捕获率

草原特有种如奥氏更格卢鼠（Dipodomys ordii, DIOR）、黄囊鼠（Perognathus flavus, PEFL）、西方收获鼠（Reithrodontomys megalotis, REME）和平原收获鼠（Reithrodontomys montanus, REMO）在草原站点的捕获率显著较高；而广布种如鬃毛囊鼠（Chaetodipus hispidus, CHHI）、北蝗鼠（Onychomys leucogaster, ONLE）和北美鹿鼠（Peromyscus maniculatus, PEMA）则在农业站点占优势。草原田鼠（Microtus ochrogaster, MIOC）、草地田鼠（Microtus pennsylvanicus, MIPE）和平原囊鼠（Perognathus flavescens, PEFV）的捕获率在两地无显著差异。

群落组成分离与时间动态

相似性分析（ANOSIM）显示两站点群落组成存在显著差异（R=0.611, p<0.001）。NMDS ordination分析（应力值0.164）进一步揭示草原群落以草原田鼠、平原收获鼠、西方收获鼠、黄囊鼠和奥氏更格卢鼠为主要驱动物种，而农业群落则由北美鹿鼠、北蝗鼠、鬃毛囊鼠和非家鼠主导。值得注意的是，草原站点的群落年际波动较大，农业站点则更为稳定，表明农业生境的均质化可能降低了群落的时空变异性。

指示物种识别

指示物种分析表明，黄囊鼠、西方收获鼠、奥氏更格卢鼠和平原收获鼠是短草草原的典型指示种（指示值最高达0.910），其出现概率与原生草原高度相关；而北蝗鼠、北美鹿鼠、鬃毛囊鼠和非家鼠则作为农业生境的指示种（北蝗鼠指示值达0.976），其中北蝗鼠在农业站点捕获频率达100%。

本研究通过长期纵向数据证实，农业转化显著降低了短草草原小型哺乳动物的多样性，并导致群落组成向广布种主导的方向转变。草原特有种与原生栖息地的密切关联突显了其生态敏感性，而农业生境的均质化则可能通过简化植被结构和微生境削弱生态系统的恢复力。研究强调，在评估生境质量和生态影响时，应重点关注群落组成而不仅是物种丰富度，同时长期监测对于揭示人为干扰的持续性效应至关重要。这些发现为面临农业扩张威胁的草原生态系统保护提供了科学依据，呼吁在景观尺度上优化生境管理策略，以维持小型哺乳动物群落的功能多样性及生态系统服务。