水生生物多样性对水稻田灌溉时间和双季种植制度的响应

《Ecological Indicators》：Responses of aquatic biodiversity to irrigation timing and double-cropping regimes in rice paddies

水稻田灌溉时间与双季种植显著影响水生生物群落结构，早期移栽 favoring 耐旱物种（蛙、鲇鱼、休眠生物），双季种植因残留秸秆和延迟灌溉形成高密度蜉蝣幼虫及捕食性昆虫群落，且两者均通过提高 beta 多样性指数促进景观尺度物种差异。

　　### 农业管理对稻田水生生物多样性的影响

在农业实践中，灌溉时间与复种制度对稻田中的水生生物多样性具有显著影响，是重要的管理因素，能够被纳入生物多样性监测框架中。某些物种，如具有季节性繁殖或土壤休眠阶段的生物，对水文周期的变化尤为敏感。然而，关于延迟灌溉和复种制度对稻田生态系统的影响，目前研究仍显不足。本研究调查了日本埼玉县39个稻田中的水生动物群落，这些稻田分别采用早移植、正常季节和复种（小麦收获后移植水稻）三种管理方式。通过广义线性混合模型（GLMMs）、置换多元方差分析（PERMANOVA）以及局部贡献于β多样性（LCBD）等方法，评估了群落结构的变化。

早移植稻田更有利于两栖动物、泥鳅和耐旱无脊椎动物的生存，而复种稻田则形成了以环虫幼虫和捕食性昆虫为主的丰富猎物群落。此外，两种管理方式都显示出更高的LCBD值，表明它们对景观尺度的β多样性有更大的贡献。这些结果突显了灌溉时间与复种制度在塑造稻田水生生物多样性中的关键作用。随着气候变化对灌溉时间的影响日益加深，将这些管理实践纳入生物多样性监测框架变得尤为关键，因为灌溉时间与种植制度是易于测量的管理变量。

### 研究背景与重要性

在农业景观中保护生物多样性对于长期可持续性至关重要。需要可靠的指标来监测管理实践如何影响生态系统状况，理解这些实践如何塑造生态状态对于开发此类指标至关重要。在全球范围内，农业集约化导致自然湿地的丧失，同时创造或扩展了人工水生栖息地，如灌溉池、排水沟和稻田。这些人工栖息地并不能完全取代自然湿地，但可以为水生生物多样性提供替代功能。在季风亚洲，超过90%的全球水稻产量（FAO, 2024）来自稻田，这些稻田在很大程度上取代了自然湿地，但仍然支持着丰富的水生生物。

稻田通常在移植后保持5-10厘米的水位35-40天，随后进入一个为期10-14天的“中期排水”阶段。这个过程可以防止根部腐烂，促进根系深入土壤层，并抑制氮-铵的供应以防止氮的过量分配。稻田在灌溉前会间歇性地被注水和排水，直到下一个灌溉季节。因此，灌溉时间的调整对水生生物的生存和繁衍至关重要。

### 研究方法

本研究的调查地点位于日本埼玉县的三个区域：Kazo市的Shidami和Tanadare，以及Konosu市的Fukiage。这些稻田在移植时间、灌溉时间和复种制度方面存在显著差异，调查期间从2020年到2022年，以及2024年。由于人力有限，调查在非连续的四年中进行，以最大化调查的稻田数量，并评估农业管理制度对水生生物群落的影响是否在不同区域和年份中保持一致。调查的焦点在于评估不同农业管理制度的广泛范围。

尽管最初计划根据水体覆盖的明确开始时间来确定调查日期，但由于稻田水体覆盖的渐进性，难以识别明确的水体开始时间。因此，移植时间被用作水文周期开始的实用代理，这在塑造稻田水生栖息地条件和物种招募中起着关键作用。中期排水显著降低了水生动物的物种丰富度和数量，因此调查在移植后到中期排水之前进行，以确保所有群落在一致的水文周期条件下被观察，从而减少中期排水对对干旱敏感的水生动物的影响。

在每个稻田的中心，沿四个点记录了环境变量。使用多参数水质计测量了水温、pH值和电导率（μS/cm）。水深约为10厘米，但由于土壤表面略有变化，获取代表性深度测量变得困难。因此，记录了水深，但未将其纳入统计分析。在每个测量点，使用2×2米的样方估计了水生维管植物（不包括水蕨）、水蕨和丝状绿藻的覆盖情况。由于稻田中水生维管植物的覆盖非常有限，因此在后续统计分析中被排除，而丝状藻和水蕨则被保留作为解释变量。

水生动物的采集使用了D型框架网（框架宽度17厘米，框架长度50厘米，网孔大小<1毫米），沿50厘米宽的路径平行于堤坝进行。采集的泥沙通过1毫米的筛网隔离出较小的动物，而较大的动物，如蝌蚪、鱼类、蜗牛和成年水生昆虫，则在野外进行鉴定和计数后放归。收集的植物残渣被运输到实验室的冷却箱中，当天进行分类并保存在70%的乙醇中。水生动物在解剖显微镜下进行鉴定，参考了分类学资料，包括Kawai和Tanida（2018）、Masuda和Uchiyama（2004）以及Nakajima等（2020）。环虫幼虫被鉴定到亚科水平，寡毛纲动物被鉴定到纲级。其他水生动物则被鉴定到尽可能高的分类水平。尽管幼虫和成虫水生昆虫被分别计数，但每个物种的总数量用于统计分析。

在调查中识别了两种泥鳅，原生的Misgurnus anguillicaudatus和引进的Misgurnus dabryanus。由于这些物种在形态特征上存在重叠，如须长度和尾部躯干深度，因此难以区分。此外，稻田中幼体的高普遍性也加剧了这一问题。因此，这两个物种在分析中被合并为一个分类群（Misgurnus spp.）。

为了评估农业管理制度对水生动物群落的影响，将水生动物分为五个生态特征组：（1）能够产生抗逆卵的物种；（2）经历休眠或夏眠的物种；（3）成年个体能够陆地行走或飞出排水稻田的物种；（4）缺乏休眠阶段的专性水生动物；以及（5）其他物种。这种分类方法有助于理解不同管理实践对水生生物群落结构的潜在影响。

### 统计方法

所有分析使用R版本4.2.2（R Core Team, 2022）。使用广义线性混合模型（GLMMs）分析了物种丰富度、数量和多样性指数（指数香农、逆指数辛普森）。固定效应最初包括农业管理制度、区域、移植后天数以及丝状藻和水蕨的覆盖情况，稻田作为随机效应。对于丰富度和数量，应用了负二项分布，而对于多样性指数，应用了伽马分布。最佳模型通过贝叶斯信息准则（BIC）选择。使用“emmeans”函数（“emmeans”包）进行后验检验。

为了评估结果对潜在区域混杂因素的稳健性，使用广义线性模型（GLMs）对每个区域分别进行了敏感性分析。与上述GLMMs类似，固定效应包括农业管理制度、移植后天数以及丝状藻和水蕨的覆盖情况。在Shidami和Tanadare（多年度数据，2020-2022），还纳入了年份作为固定效应。由于每个区域内的稻田数量较少，因此未使用GLMMs，而是选择了GLMs进行这些敏感性分析。对于丰富度和数量，应用了负二项分布，而多样性指数则应用了伽马分布。模型选择未进行，仅评估了每个固定效应的统计显著性。在Shidami区域，使用“emmeans”函数（“emmeans”包）进行了农业管理制度之间的后验配对比较。

群落结构的分析使用了非度量多维尺度（NMDS）和Morisita-Horn指数，以考虑样本量差异（Oksanen et al., 2024）。压力值<0.2被认为是可以接受的（Kruskal, 1964）。使用置换多元方差分析（PERMANOVA）测试农业制度、区域和环境变量之间的差异，采用10,000次置换。五个解释变量包括：（1）农业制度；（2）区域；（3）移植后天数；（4）丝状藻覆盖；以及（5）水蕨覆盖。使用“pairwise.adonis”函数（“pairwiseAdonis”包）进行了配对PERMANOVA分析，并进行了Benjamini-Hochberg校正和置换多变量离散分析（PERMDISP）。

为了评估区域混杂因素的影响，对每个区域进行了额外的敏感性PERMANOVA分析。在Shidami区域，模型包括农业管理制度、年份、移植后天数以及丝状藻和水蕨的覆盖情况。在Tanadare区域，模型包括农业管理制度、移植后天数以及丝状藻和水蕨的覆盖情况。在Fukiage区域，模型包括农业管理制度、移植后天数以及丝状藻和水蕨的覆盖情况。在Shidami区域，由于包括了所有三种农业制度，还进行了农业制度之间的配对PERMANOVA分析，并进行了Benjamini-Hochberg校正。

物种丰富度的全局Moran’s I分析显示，在任何区域的多个邻域定义（300米、500米、1000米和k=4最近邻）下均未发现显著的空间自相关。这表明观察到的管理对群落结构和多样性的影响并未被相邻稻田的局部聚集所混淆。

### 研究结果

在所有调查中，共收集了89,732只水生动物，涵盖了59个分类群（Table S3）。每个调查的物种丰富度范围从7到25，而数量范围从125到3,530（Table S4）。香农指数的指数值范围从1.58到12.4，辛普森指数的倒数范围从1.23到9.27。

物种丰富度、数量和多样性指数在农业管理制度和区域之间存在显著差异（Table 1）。复种稻田的水生动物数量显著高于其他制度（Fig. 3）。在这些稻田中，环虫幼虫的数量经常超过1,000只/调查（Table S3），而其他制度下的数量则明显较低。因此，复种稻田的多样性指数显著降低（Fig. 3）。相比之下，农业管理制度之间的物种丰富度没有显著差异。物种丰富度的最佳模型中未保留农业管理制度作为解释变量（Table 1），而在完整模型的后验检验中，发现物种丰富度没有显著差异（Fig. 3）。

区域特定的GLMs通常支持主要的GLMM结果，确认了观察到的管理效应在不同区域之间的稳健性（Table S5）。物种丰富度在任何区域的制度之间均无显著差异。在Shidami区域，复种稻田的总数量最高（使用emmeans进行Tukey调整的配对比较，所有p<0.001），而香农和辛普森多样性指数在复种稻田中显著低于早移植和正常季节稻田（p=0.0008-0.03）。早移植和正常季节制度之间的香农多样性差异不显著（p=0.09）。在Tanadare区域，管理效应较弱；然而，移植后天数显著影响数量，而丝状藻覆盖对多样性指数产生负面影响。在Fukiage区域，复种稻田显著增加了数量但降低了多样性指数，与环虫幼虫占主导地位的现场观察一致。这些结果表明，区域异质性和局部环境因素调节了管理效应的强度，但总体模式——复种稻田下数量增加、多样性降低——在各区域保持一致。

群落组成在农业管理制度和区域之间存在显著差异（Fig. 4，Table 2）。在NMDS排序中，早移植和正常季节稻田的水生群落分布在一个更广泛的区域，表明组内变异更大，而复种稻田的群落则更紧密地聚集，表明群落结构更均匀。移植后天数和丝状藻覆盖对群落组成有显著影响。配对PERMANOVA进一步表明，所有三种农业制度在统计上都与其他制度不同（早移植 vs. 正常季节：F=5.41，R2=0.062；早移植 vs. 复种：F=51.7，R2=0.396；正常季节 vs. 复种：F=32.6，R2=0.327；所有调整后的p=0.003）。PERMDISP显示了制度间多变量离散的显著差异（F=31.6，p=0.001）。Tukey的HSD测试显示，复种稻田的离散显著低于早移植（diff=–0.279，p<0.001）和正常季节稻田（diff=–0.229，p<0.001），而早移植和正常季节制度之间没有显著差异（diff=–0.050，p=0.33）。

在每个区域内部进行的敏感性PERMANOVA确认了这些结果的稳健性。在Shidami区域，农业管理制度显著，而年份不显著，并且配对测试显示所有三种制度之间存在显著差异（所有调整后的p=0.003）。在Tanadare区域，农业管理制度和年份都显著，表明年际变化对差异有贡献，但管理效应仍然显著。在Fukiage区域，由于仅调查了一年，农业管理制度显著（Table S6）。

捕食性水生昆虫的物种丰富度和数量与对数转换的猎物丰富度呈正相关（Fig. 5，Table 3）。在复种稻田中，猎物丰富度（主要为环虫幼虫）显著较高，导致捕食性水生昆虫的物种丰富度和数量增加。然而，区域也被纳入最佳GLMM中（Table 3）。值得注意的是，在Fukiage区域的复种稻田中，尽管猎物丰富度高，但捕食性昆虫的物种丰富度和数量仍低于Shidami区域（Fig. 5）。

除了识别制度特异性指示物种外，还评估了整体群落独特性在制度间的差异。使用广义线性模型显示，农业管理制度显著影响LCBD值，但区域差异不显著（Table 5），表明农业实践对群落独特性的影响大于区域因素。这一发现表明，灌溉时间和复种制度在塑造景观尺度生物多样性方面具有关键作用，展示了如何通过群落基于的指标检测本地管理异质性。

### 讨论

本研究评估了灌溉时间和复种制度如何塑造稻田水生动物群落。早移植和复种制度各自支持了成分不同的群落，反映了对干旱耐受性、繁殖时间及营养级角色的不同影响。这些对比的群落增强了区域β多样性，突显了灌溉时间和复种制度作为关键管理驱动因素塑造水生生物多样性的重要性。然而，由于复种稻田通常与延迟灌溉有关，因此灌溉时间和复种制度的单独影响难以统计区分。尽管如此，这种重叠代表了实际的农业条件，其中灌溉时间和种植制度是内在联系的，因此提供了关于这种综合管理策略的生态相关见解。同时，响应在区域和年份之间存在差异，强调了在生物多样性指标的监测框架中考虑空间和时间异质性的重要性。

农业制度，特别是灌溉时间和是否采用复种，作为强生态过滤器起作用。早移植稻田有利于两栖动物、泥鳅和具有早期繁殖周期或耐旱特性的无脊椎动物，而复种稻田则支持了猎物丰富的群落，主要由环虫幼虫主导，同时支持了捕食性昆虫的高数量。由于中期排水通常在移植后1-2个月发生，青蛙和水生昆虫的幼虫必须在有限的水文周期内完成其水生生活阶段。然而，当灌溉时间与水生生物的自然繁殖周期有显著偏差时，水体可能不会与繁殖期重合，使稻田不适合作为产卵或育幼栖息地，从而降低生存和繁殖成功率。自然临时水体，如雨养水坑和短暂池塘，随着水体持续时间的增加，水生群落组成会发生演替，而水生昆虫的捕食者数量会逐渐增加（Williams, 1983）。相比之下，稻田的灌溉时间是受控的且更具预测性，使得一些水生物种能够适应特定的管理时间表，前提是时间在生理耐受范围内。虽然本研究中移植后天数（作为水文周期长度的代理）影响了群落组成，但灌溉时间和种植制度的差异更为显著，表明栖息地可用时间的安排，而不是持续时间，在塑造稻田群落结构中起主导作用。

一些稻田中的水生物种可以通过土壤休眠（如泥鳅和蜗牛）或产生抗逆卵（如仙女虾和Sympetrum蜻蜓）来忍受干旱期。然而，复种稻田中长时间的土壤干燥可能超出它们的生理极限（Katayama et al., 2019）。在现代稻田中，由于灌溉基础设施的限制，鱼类从排水沟和重新定殖的迁移进一步受到阻碍。相反，复种制度结合了延迟灌溉和小麦残留物的引入，支持了更多的环虫幼虫种群，这可能促进了捕食性昆虫的丰富度。这些对比的反应表明，延迟灌溉对耐旱物种有负面影响，但可能通过增加猎物丰富度而对其他物种有益，突显了水管理策略的多样化生态影响。环虫幼虫在复种稻田中的数量显著高于单一种植稻田（Table S3）。在灌溉前引入小麦秸秆可能通过提供富含能量的基质促进分解者种群（Singh et al., 2005）。灌溉后，小麦秸秆在缺氧条件下分解，释放氮和磷等营养物质，刺激藻类生长。复种稻田中延迟灌溉的时间与环虫成虫的季节性出现相吻合，这可能进一步提高其繁殖成功率（Yasuno，未发表数据）。这些发现表明，增强的基质资源和物候匹配有助于这种综合管理系统的环虫幼虫高丰富度。增加的猎物丰富度与捕食性昆虫群落呈正相关（Fig. 5），可能吸引移动的捕食者，如甲虫和半翅目昆虫（Klecka and Boukal, 2012，Watanabe et al., 2019）。值得注意的是，Hydrophilidae甲虫在环虫幼虫密度高的稻田中更为丰富，这可能反映了幼虫的摄食需求和成虫的栖息地偏好。

除了物种特异性反应外，PERMDISP显示，复种稻田的群落离散较低，表明群落被少数耐受物种同质化，而早移植和正常季节稻田保持更多异质性。β多样性指标也显示了清晰的模式：早移植和复种稻田显示出显著更高的LCBD值，表明这些管理策略支持了成分不同的群落，这些群落对区域β多样性有不成比例的贡献。这些差异突显了灌溉时间和复种制度作为塑造景观尺度生物多样性的关键管理变量的重要性，展示了如何通过群落基于的指标检测本地管理异质性。

### 指示物种与生态过滤

指示物种分析揭示了与特定农业制度相关的水生动物分类群，反映了由灌溉时间和复种制度驱动的特征性生态过滤。早移植和正常季节稻田的特征是具有耐旱特性的物种，如能够休眠或产生抗逆卵的物种。泥鳅通过在土壤中挖掘以度过干旱期，而水生无脊椎动物如仙女虾和Sympetrum蜻蜓则产生耐旱卵。两栖动物如东京达摩池蛙（P. p. porosus）和日本树蛙（Dryophytes leopardus）也作为早移植稻田的指示物种，其幼虫仅在这些稻田中出现。这些物种在复种稻田中罕见或缺失，可能是因为长时间的干旱期超出了它们的生理极限。

相比之下，复种稻田拥有最多的指示物种，主要是一些缺乏休眠阶段的水生昆虫，它们仅在灌溉后定居（如Sternolophus rufipes和Enochrus simulans）。半翅目和鞘翅目昆虫在灌溉后繁殖，因此在复种稻田中表现突出。复种稻田中环虫幼虫的高丰富度提高了捕食性昆虫的栖息地质量，形成了猎物丰富的环境，这可能促进了捕食者群落的建立。这些模式表明，灌溉时间作为生态过滤器，根据物种的繁殖时间、耐旱性和移动能力选择物种。同时，制度间一致的指示物种突显了它们在稻田农业生态系统中作为生物多样性监测工具的潜力。这些制度特异性指示集合可以被编入筛查清单，用于快速现场评估。

### 研究的局限性与展望

本研究有几个局限性。首先，农业制度在不同区域的分布不均，且每个稻田由不同的农民管理，使用了一致的农业化学品。这种缺乏复制限制了分离管理效应与区域物种池或化学输入的能力，使得农药和景观影响成为潜在的混杂因素。此外，不同稻田在不同年份被调查，无法完全控制年份效应。由于仅包括了三个区域，因此区域被当作固定效应而非随机效应，降低了方差成分估计的可靠性。然而，敏感性分析结果的一致性表明，观察到的模式在这些设计限制下仍然稳健，表明灌溉时间和复种制度作为关键管理驱动因素，其效应可以为开发实用指标提供信息，即使在异质性和潜在混杂的条件下。

其次，环境变量（如水温、pH值、电导率和田块面积）被排除，因为它们与灌溉时间高度相关。这一决定限制了评估它们独立效应的能力。同样，移植日期被用作水文周期的代理，但缺乏对灌溉和排水事件的直接测量。未来的监测工作应整合水文周期的连续记录，以加强可靠生物多样性指标的开发。此外，虽然记录了水生植被，但维管植物的覆盖有限并被排除在模型之外。在PERMANOVA中，丝状藻对群落组成有影响，但在GLMMs中未得到支持。因此，需要更广泛的植被覆盖变化来澄清宏观植物和藻类在稻田生态系统中的生态作用。例如，水蕨可以作为水生昆虫的重要基质（Prokin et al., 2015），而丝状绿藻则成为一些草食动物的食源，其中一些动物偏好性地消费它们（Yasuno et al., 2024）。

最后，本研究中复种稻田始终与延迟移植相关，这是这种种植制度的一个固有特征，使得复种和灌溉时间的影响难以统计区分。然而，由于延迟移植通常使复种成为可能，因此观察到的综合效应代表了实际的农业实践，并提供了关于这种综合管理策略的生态相关见解。尽管有这些限制，我们的发现表明，灌溉时间和复种制度作为关键管理驱动因素影响生物多样性反应，突显了它们在开发有效的监测和管理框架中的重要性。

### 管理意义

这些发现表明，灌溉时间和复种制度可以作为关键、可测量的管理变量，其生物多样性反应适合作为操作性指标。农业制度强烈影响群落组成和β多样性，表明水管理的差异可以作为增强生物多样性的策略，与农业目标相辅相成（Bennett et al., 2006）。

早移植稻田支持了具有早期繁殖周期的物种，如东京达摩池蛙（P. p. porosus），其种群在该地区正在下降，以及Sympetrum蜻蜓。相比之下，复种制度支持了猎物丰富的群落，主要由分解者和捕食性昆虫组成。这些对比的群落对区域β多样性有不成比例的贡献，如反映在较高的LCBD值中。

随着全球变暖的加剧，移植日期正在调整以避免热应激，但这种调整可能会使稻田的水文周期与敏感水生动物物种的物候脱节。区域适应性有所不同：在中国，延迟种植减少了中期的热损伤（Liu et al., 2023），而在印度和孟加拉国，早期种植减轻了后期的热应激并促进了复种（Wang et al., 2022），而在越南，轻微的延迟有助于避免淹没（Dang, 2020）。这些案例突显了在不同背景下评估移植调整的生态权衡的重要性。

在日本，小规模农场的减少促使大规模农场调整移植时间以优化劳动力（Shimizu et al., 2023）。尽管这些调整并非以生物多样性为导向，但它们可能通过增加栖息地异质性而增强区域生物多样性。当早移植因经济或气候压力变得不可行时，替代策略可能包括种植谷物水稻，其谷物质量不如其他作物重要，因此受热应激影响较小，或者创建补充的浅水体以提供早期水生物种的繁殖栖息地。通过将灌溉时间和种植制度视为可测量的管理变量，本研究展示了它们作为操作性生物多样性指标的潜力。这些变量可以通过农业记录或遥感技术（如Hashemi等，2022）轻松获取，因此是实用且低成本的指标，可以轻松整合到生物多样性监测框架中。总体而言，这些发现突显了灌溉时间和复种制度作为生物多样性监测的实用、可测量的管理变量的潜力，为在农业适应与保护目标之间取得平衡提供了基础。