入侵欧洲绿蟹（Carcinus maenas）与本土红岩蟹（Cancer productus）捕食能力比较研究：以常见本土双壳类 Leukoma staminea 为猎物
《Marine Ecology》：Comparison of Predatory Capabilities of Invasive European Green Crabs (Carcinus maenas) and Native Red Rock Crabs (Cancer productus) Preying Upon a Common Native Bivalve (Leukoma staminea)
入侵物种捕食能力比较的实验研究
摘要
入侵性捕食者在其入侵范围内常引发广泛关注，因其不仅与本土捕食者竞争资源，还会过度消耗猎物种群。欧洲绿蟹（Carcinus maenas）在北美东海岸已有导致本土物种（尤其是重要经济渔获物）种群衰退及生态系统破坏的长期记录。科学家预测这种入侵蟹类在北美太平洋海岸将产生类似影响。通过比较绿蟹与本土红岩蟹（Cancer productus）对丰富本土双壳类物种（Leukoma staminea，俗称小颈蛤）的捕食能力，可有效预测新捕食者带来的额外捕食压力对当地猎物种群的潜在影响。
实验室内的捕食者-猎物实验被设计用于系统观察红岩蟹与绿蟹捕食小颈蛤的行为模式与能力差异。结果显示：绝大多数红岩蟹能在极短时间内（通常不足10分钟）成功破开蛤壳，而绿蟹尽管其粉碎螯（crusher chela）尺寸与本土蟹类存在重叠，却未能对任何规格的双壳类造成有效损伤。成功攻击留下的捕食痕迹（形状一致且由捕食行为重复造成）与野外常见痕迹类型高度吻合。两种蟹类在钳制猎物时展现出截然不同的攻击策略。值得注意的是，绿蟹会持续钳制蛤蜊（某些案例中耗时极长），表明其能识别L. staminea为潜在猎物。成年L. staminea个体很可能处于绿蟹捕食的"体型庇护"（size refuge）之下。后续研究应着重探讨欧洲绿蟹与更年幼、更小规格的Leukoma staminea个体间的相互作用。
引言
入侵物种对生态系统的改造及本土种群衰退的影响已有充分记载。欧洲绿蟹作为几乎遍布各大洲的入侵物种，是软体动物（如螺、蛤、牡蛎等）的常见捕食者，并被确认为导致多种物种衰退及渔业危机的元凶。入侵严重程度因受影响物种与栖息地的不同而存在显著差异。许多入侵物种造成的损害对渔业及相关基础设施产生经济影响，且根除过程成本高昂。入侵性捕食者被公认为全球生物多样性的主要威胁之一，因此，了解各物种在新区系或系统中相对于其猎物的捕食能力至关重要。
任何被人类有意或无意传播的物种，在适宜条件下建立种群后都可能成为入侵物种。新捕食者的引入会增加系统内的捕食强度，可能导致本土猎物种群衰退，最终改变自然生态系统结构，且往往缺乏有效抵抗。例如，狮子鱼（Pterois sp.）作为入侵性捕食者，对西大西洋、加勒比海和墨西哥湾的当地种群与环境产生了深远影响。在南非，入侵的小口黑鲈（Micropterus dolomieu）已导致某些本土鱼类绝迹及其他种群衰退。系统中存在多重捕食者会引发对空间和资源的竞争，改变捕食者-猎物动态与相互作用。此类情况可能驱使猎物种群发展防御机制（如软体动物增加壳厚度）或改变行为以应对额外的捕食压力。但这些形态或行为改变可能伴随权衡代价，例如优先增厚外壳会减少可用于生长的能量与营养，可能导致外壳结构不稳定。对渔业而言，这可能意味着可食用组织质量的下降。某些情况下，猎物会从入侵捕食者分布区迁出，从而改变生态系统结构。
欧洲绿蟹是北美西海岸相对较新的入侵捕食者（1989年首次发现于旧金山湾）。其原生分布限于欧洲和北非，但已成功扩散至多个大洲。自引入旧金山湾后，绿蟹迅速沿太平洋海岸向北扩张，近期已入侵加拿大不列颠哥伦比亚省（1998年）和美国阿拉斯加（2022年）。这种贪婪的捕食者已被列为全球前100种最有害入侵物种，并被归类为最具入侵性的海洋物种之一。
实验室与野外研究揭示了绿蟹入侵可能损害当地的多种途径，甚至在它们大量出现之前。在塔斯马尼亚，入侵绿蟹与入侵海星的分布区重叠，对本土猎物种群丰度产生了叠加负面影响。同样在塔斯马尼亚，绿蟹偏好捕食幼年Katelysia scalarina蛤，而非成体，引发了对成蛤种群未来的担忧。在北美东海岸，绿蟹改变了其他蟹类幼体的生长速率，并改变了本土蟹和龙虾的觅食行为。针对幼年绿蟹的食性选择实验室研究表明，它们与本土捕食者偏好相同规格和种类的猎物，从而增加了对本土猎物的捕食压力。数十年来，绿蟹因其 aggressive 的觅食和挖掘行为，一直与鳗草床衰退相关联。长期监测项目结合实验室与野外研究证实，绿蟹直接或间接导致了北美西海岸许多无脊椎动物和脊椎动物种群的衰退。实验室实验中观察到绿蟹竞争性排斥邓杰内斯蟹，暗示它们可能在邓杰内斯蟹育苗区产生类似效应。邓杰内斯蟹和红岩蟹均是重要渔业物种，且有过度捕捞迹象日益增加。人类过度捕捞与入侵捕食者的额外竞争效应相结合，可能加剧对生态系统和渔业种群的破坏。
关于绿蟹捕食影响的研究相对有限，且远滞后于其近期向北的扩散。部分研究在绿蟹显著入侵某区域前进行，但少有研究在入侵后重新评估其长期效应。其他研究探讨了捕食者与猎物密度对入侵潜力的影响。北美西海岸大多数绿蟹研究集中于其扩散历史、潜在生态系统效应及管理建议。已有捕食实验使用Magallana gigas、Mytilus galloprovincialis、Nuttallia obscurata和Venerupis philippinarum作为猎物，但区域内还存在其他需要研究的猎物，如Leukoma staminea。
绿蟹偏好的许多猎物物种是商业或地方性渔业目标。由于绿蟹持续扩张其分布范围，且其对特定生物及相关生态系统的损害仍存在许多未知，量化其对许多区域渔业的影响十分困难。仅评估捕食者丰度不足以衡量其影响，需辅以其对特定猎物造成损害及消耗能力的证据。实验室捕食实验为观察觅食与攻击行为提供了可控环境，有助于洞察捕食者对目标猎物物种的威胁程度——最关键的是，在"理想"条件下捕食者是否能成功捕获猎物？本研究比较了入侵欧洲绿蟹与本土红岩蟹（Cancer productus）对常见本土双壳类Leukoma staminea的捕食能力与攻击策略。了解绿蟹相对于本土捕食者的表现，可确定其对本土猎物种群的威胁，为当前及未来入侵影响做好准备。
方法
沿海修复学会使用蟹笼在加拿大不列颠哥伦比亚省克莱奥奎特海峡（49.12, -125.88）收集了30只雄性Carcinus maenas（图1C）。从Bamfield inlet的Nova Harvest使用蟹笼收集了16只雄性Cancer productus（图1B）。红岩蟹曾被先前研究人员用于与捕食无关的实验室生理学实验，随后移交本研究。所有蟹类在实验前饲养于Bamfield海洋科学中心的持续流动海水水族箱中。测量每只蟹的甲壳宽度和最大螯足指节处高度（作为肌肉束高度的替代指标）。个体使用油漆笔编号。任何受损或蜕皮的蟹被从试验中移除，仅使用双螯健全的个体。最终，实验共使用了21只绿蟹和16只红岩蟹。蟹类每3-4天投喂一次鲑鱼，并提供"蟹栖地"（如PVC管、石块、容器）以减少攻击行为并模拟自然环境。使用气石持续曝气。
从Bamfield Inlet源头随机采集80只Leukoma staminea个体（图1A），采集时未进行规格筛选以代表自然种群规格范围。可见损伤的蛤蜊从试验中移除。每个个体使用油脂铅笔编号，并测量壳长（SL；前后端，3.0–4.8 cm，平均4.0 ± 1.0 cm）、宽度（最大凸度，2.0–3.1 cm，平均2.5 ± 0.7 cm）和高度（壳顶至腹缘，0.7–1.8 cm，平均1.3 ± 0.4 cm）以估算体积。根据体积估算，将双壳类分为四个规格等级（11–18 cm3（SL: 3.0–3.8 cm）、18–22 cm3（SL: 3.7–4.0 cm）、22–28 cm3（SL: 3.9–4.4 cm）和28–38 cm3（SL: 4.1–4.8 cm））用于实验。所有生物饲养于流动海水水族箱中。实验结束后，红岩蟹放归至其采集地（Nova Harvest, Bamfield inlet）。若有个体缺失螯足或处于蜕皮期，则交由Bamfield海洋科学中心工作人员照料直至其符合放生条件。存活的双壳类也放归至Bamfield inlet源头的采集地。由于欧洲绿蟹的入侵性，根据Bamfield海洋科学中心规程，使用丁香油麻醉后冷冻处死。
摄食试验在Bamfield海洋科学中心一个圆柱形水槽（高91.4 cm，宽125.7 cm）中进行，水深68.6 cm（图2A）。试验期间关闭气石和水流以尽量减少干扰，并在红光下进行以确保蟹类无法观察到实验者（图2B）。预试验证实蟹类无法察觉人类活动且不受光照区域惊吓。每次试验中，将四个来自不同规格等级的双壳类（确保各规格在试验间均匀分布）以正方形图案放置于水槽边缘并相互接触，以保证蟹能同时遇到所有双壳类。双壳类在野外常密集分布，此举可模拟自然捕食者-猎物遭遇。每只蟹在试验前至少饥饿48小时。将蟹放置于双壳类对侧，允许其自由活动以适应新环境。更换蟹种及每次成功捕食后，排空并重新注满水槽，以确保无残留双壳类碎片或其他蟹的化学痕迹。被攻击过的双壳类移除后不再使用。
每次捕食试验产生以下三种结果之一：蟹成功破开双壳类（成功试验）；蟹钳制但未能破开双壳类（失败试验）；或蟹未钳制任何双壳类（无信息试验）。每次试验中，记录蟹每次选择双壳类后的钳制时间（从拾起到释放或成功捕杀）。若蟹后续返回同一双壳类（蟹有时会释放蛤蜊休息后恢复攻击，这些间隔未计入钳制时间），则汇总该蛤蜊的总钳制时间。为确定蟹对每个个体尝试破开的总耗时，处理过的每个蛤蜊都有独立的钳制时间。试验在蟹30分钟无活动、对双壳类无兴趣或成功捕杀后终止，此时移除剩余双壳类以确保每次试验仅消耗一个个体。仅当蟹未攻击任何蛤蜊（即无互动试验）时，才会在后续试验中重复使用该蟹，此类情况不提供钳制时间数据。多数情况下，这是由于蟹不活跃所致。无互动试验在既往捕食实验中常见，这不必然意味着捕食者失败或长期缺乏兴趣，可能仅因试验时不饥饿。每只非攻击性蟹最多提供三次接触蛤蜊的机会，若仍无攻击行为或兴趣，则因无钳制时间数据记录而被移出试验。钳制但未能破开双壳类（即失败攻击）的蟹不再重复使用，因其已提供钳制时间数据。这些钳制时间的记录方式与成功捕食试验相同。对于数据分析，未成功消耗蛤蜊的试验，使用其首次攻击的蛤蜊的钳制时间。
使用Fisher精确检验比较红岩蟹与绿蟹的成功率，基于2×2列联表（按物种列示成功与失败次数）。零假设为两物种成功率无差异。Fisher精确检验较似然比G检验或卡方检验更适用于小样本量。
数据转换为z分数以识别数据集中的异常值（与均值相差超过3个标准差）；这些异常值不纳入相关统计分析。标准化数据不用于回归分析。
为探究蟹的强度（以粉碎螯肌肉束高度，即指节处高度为替代指标）是否影响钳制时间，使用PAST统计软件分别对成功与失败的蟹进行普通最小二乘回归分析。成功捕杀的钳制时间反映了猎物外壳失效时间，而失败攻击的钳制时间则体现了捕食者放弃猎物的决策时间。前者主要取决于捕食者攻击结构与猎物被动防御的相对物理属性；后者则包含蟹的行为决策成分。由于成功与放弃的钳制时间反映不同过程，故对成功与放弃试验分别进行回归。
对于未能破开蛤蜊的蟹，使用其首次钳制蛤蜊的钳制时间。对于成功消耗蛤蜊的蟹，则使用该蛤蜊的钳制时间（无论其是否为首次钳制个体）。
使用Freeman-Halton扩展的Fisher精确检验（2×4）分别检验红岩蟹和绿蟹的规格偏好（零假设为攻击在各规格类别中均匀分布），并检验两物种对四规格类别攻击分布的差异。
结果
实验结果表明，共有16次红岩蟹和15次绿蟹试验中，蟹处理并尝试破开至少一个双壳类。参与试验的蟹中，红岩蟹平均体型大于绿蟹（甲壳宽度范围10.2–16.0 cm，平均14.1 cm；螯足高度范围2.2–4.0 cm，平均3.4 cm），绿蟹（甲壳宽度范围6.0–9.4 cm，平均7.5 cm；螯足高度范围1.5–3.3 cm，平均2.3 cm）。16次红岩蟹试验中15次成功捕杀，而绿蟹试验无一成功。红岩蟹与绿蟹的成功频率差异极显著（Fisher精确检验，p << 0.001）。
红岩蟹的最短钳制时间为4秒，最长超过1小时13分钟，多数低于10分钟。绿蟹最短钳制时间59秒，最长近1小时44分钟。原计划将物种身份作为螯足高度对钳制时间回归的固定变量，但因成功结果完全二分（绿蟹0/15成功 vs. 红岩蟹15/16成功），在回归中包含"物种身份"变量无意义。
一只失败蟹被识别为异常值（绿蟹：螯足高度=28.1；钳制时间=103.87；z分数=3.69）并从后续分析中移除。唯一失败的红岩蟹也因是单一代表而被移除。
图3展示了成功红岩蟹与绿蟹的原始数据中钳制时间与螯足高度的关系。绿蟹的螯足高度与钳制时间无显著相关性（R2= 0.65；p = 0.11）。红岩蟹的螯足高度与钳制时间存在显著相关性（R2= 0.45；p = 0.0065）。原始数据与残差均呈正态分布（Shapiro-Wilk检验）。
未观察到任一蟹种对猎物规格类别有偏好（表1，Fisher精确检验2×4，红岩蟹：p = 0.67，绿蟹：p = 0.63）。尽管红岩蟹与绿蟹取食最多猎物的规格类别不同，但两物种所取食蛤蜊规格无显著差异（Fisher精确检验2×4，p = 0.32），这可能源于小样本量在四类别中的分布。
行为学观察显示，个体蟹表现出多样的钳制行为与攻击策略，物种间在操控蛤蜊与攻击方式上存在差异。红岩蟹初始处理蛤蜊的方式与绿蟹不同，通常使用一或双螯评估猎物，较少使用口器。它们不总是旋转个体，螯足常用于戳刺和撬开不同部位（如韧带、壳顶、壳嘴）或挤压壳缝。较小红岩蟹倾向于在攻击前操控评估蛤蜊，而较大个体则倾向于遇到双壳类后立即攻击，不花时间操控多个蛤蜊。操控可能有助于选择偏好规格或检查原有损伤，或确认猎物身份。
绿蟹个体间攻击策略更一致。多数遭遇始于蟹沿铰合线与壳缝旋转双壳类，使用双螯和口器。两蟹种均多次使用步足排列蛤蜊。部分蟹将蛤蜊聚集于身下，悬停于未被攻击个体上方。攻击失败后，部分蟹会丢弃当前蛤蜊，用步足探查其他个体后选择另一目标攻击。攻击失败后，部分蟹会休息（螯足靠近蛤蜊）后转向其他猎物或探索水槽。两物种休息间隔时长不一，包括探索水槽或静卧所选蛤蜊旁。部分蟹休息或探索后返回同一蛤蜊，其他则返回初始蛤群操控其他猎物。并非所有蟹均与其被给予的四个双壳类发生互动。
讨论
绿蟹在捕食实验中未能成功杀死并消耗任何Leukoma staminea，而几乎所有红岩蟹均能完成。多数红岩蟹能迅速破开首次遭遇的蛤蜊，少数在最终成功前攻击多个个体。仅一只蟹返回先前失败个体并成功捕杀。大型红岩蟹（螯足高度 > 3.2 cm）均能在10分钟内破开蛤蜊。所有红岩蟹中，75%的捕杀耗时不足6分钟。多数绿蟹在试验期间失败后返回蛤蜊（有时多次）。半数绿蟹与红岩蟹的粉碎螯尺寸重叠（螯足高度2.4–3.3 cm）。尽管如此，最小红岩蟹（螯足高度2.2 cm）能破开第二大类别的蛤蜊（25.8 cm3），而最大绿蟹（螯足高度3.3 cm）无法损伤任何规格蛤蜊。红岩蟹螯足高度与钳制时间显著相关（R2= 0.45；p = 0.0065），钳制时间随螯足尺寸增大而缩短。绿蟹无显著相关性（R2= 0.065；p = 0.11）。
由于两物种成功率差异极大，其螯足高度与钳制时间关系不可比。我们分别绘制了成功（几乎全为红岩蟹）与失败（全为绿蟹）的钳制时间 vs. 螯足高度散点图（图3）。失败攻击的钳制时间测量至蟹放弃蛤蜊，成功攻击则测量至破开蛤蜊。结合成功结果，失败攻击的该关系基本等同于绿蟹，成功攻击的该关系则主要等同于红岩蟹。
显然两物种间螯足强度存在差异，红岩蟹远强于同等螯足尺寸的绿蟹，这可能源于攻击策略或肌肉杠杆力学差异。红岩蟹具同钳型、大型 robust 的"粉碎螯"，专用于特化挤压攻击行为。绿蟹为异钳型，一螯较大 robust（"粉碎螯"），另一较纤细（"切割螯"）。不同螯形态指示不同攻击策略。大型 robust 具臼齿状突起的螯用于破碎坚韧猎物，较细小螯则用于操控猎物、切割行为及处理软组织。
更大机械优势与更长静息肌节长度均是更强最大肌肉力量的指标。红岩蟹平均机械优势为0.39，绿蟹粉碎螯与切割螯分别为0.36和0.26。机械优势常基于指节全长计算，可能低估实际生成力。红岩蟹使用螯上大型臼齿而非指尖挤压，基于最大臼齿的机械优势平均达0.57。绿蟹粉碎螯具多个相近小臼齿，常使用指尖攻击，故平均机械优势可能准确。图1展示了两物种粉碎螯特写。红岩蟹静息肌节长度（14.4–17.8 μm）显著长于绿蟹（粉碎螯7.6 μm，切割螯6 μm）。特化粉碎螯、更大机械优势及更长肌节共同解释了红岩蟹在捕食试验中强于同等尺寸绿蟹的原因。
Moody与Steneck描述了七种破碎捕食者攻击策略，本试验多数被观察到。包括三种挤压型（简单、壳顶、后部）均使用相同策略但作用于壳不同位置，四种周缘型（钻孔、边缘碎裂、缝口侵入、撬开）需不同策略且作用于不同部位。两蟹种试验中均使用了多种策略。
红岩蟹更常使用挤压型而非周缘型攻击。挤压攻击中蟹可能同时进行力脉冲（短时间内施加多次挤压脉冲）以制造微裂缝弱化外壳，最终导致壳失效。力脉冲使几丁质螯足的蟹能破碎更坚硬碳酸钙壳，降低螯足损伤风险。蟹表现为静止持蛤，观察者有时听到外壳破裂声。力脉冲见于所有三种挤压策略。使用单或双螯挤压的比例相近。单螯挤压时，蟹常以自身为杠杆支点。壳顶挤压时，指节或掌节可能刺穿贝壳。一旦贝壳破损，蟹转用周缘策略（如边缘碎裂）移除更多壳片。若干裂痕足够大，内部肌肉组织受损致死，蟹仅需剥离壳片。蟹常在力脉冲攻击前后使用钻孔（攻击铰合线，通常刮擦韧带）和撬开（壳顶）策略。
绿蟹亦使用多种攻击策略，周缘型最常见。常表现为检查全壳表面，可能搜寻原有损伤以降低破壳难度，此策略该物种已有记载。与红岩蟹类似，它们展示所有三种挤压策略，但仅右粉碎螯用于挤压（及可能之力脉冲）。最常见策略为撬开和钻孔壳顶与韧带区（周缘型），通过抓挠和戳刺动作，双螯使用比例相近。因体型小，蟹可能无法获得足够杠杆作用。蛤蜊常从螯中滑脱，蟹常通过身体前倾"猛压"攻击，常因部分步足离底而失衡。少数案例中，蟹似伏击蛤蜊。在确认猎物身份后（常为攻击失败后），蟹会静卧蛤旁，一或双螯伸向壳缝，可能准备进行耐心攻击（Lau术语）或缝口侵入攻击（Moody与Steneck术语），即等待蛤蜊开缝后插入螯足。此策略在红岩蟹攻击Clinocardium nuttallii及小型岸蟹攻击Mytilus edulis中已观察到成功案例。
成功攻击后贝壳上遗留三种重现性痕迹，野外亦常见。一为前部或后部三角形楔形缺失（图4A），二为近壳顶或贯通壳顶的穿孔（图4B），三为双壳仍铰合但一壳大部分缺失（图4C）。残留壳片常因碎裂有轻微损伤。除这三种模式外，多数贝壳在攻击及后续摄食中破碎至无法辨认。摄食期间单或双壳受损情况不一。部分案例中，蟹取食完毕后贝壳相对完整。
本实验所用Leukoma staminea规格（壳长3.1–4.8 cm）反映了野外自然种群规格范围（随机采集无规格选择）。基于不列颠哥伦比亚省温哥华岛生长速率，这些个体可能至少2–3龄。一项使用与本研究最小两个规格等级及第三规格半数个体重叠的绿蟹研究发现，绿蟹能破开长达40 mm的L. staminea。该研究试验时长6或24小时，而本研究最长绿蟹试验不足2小时。超长试验时间可能允许绿蟹进行野外不可能实现的长时间攻击，使捕食者更易受天敌、竞争者或潮汐变化等外部因素干扰。也可能在此期间蛤蜊开缝，增加耐心攻击几率。Curtis等亦结论其研究中较小、薄壳物种（亮蛤（Nuttallia obscurata）与地中海贻贝（Mytilus galloprovincialis））较更大、厚壳物种（小颈蛤（Leukoma staminea）与菲律宾蛤仔（Venerupis philippinarum））更易受绿蟹捕食。其他研究证实绿蟹能攻击幼年猎物，故绿蟹可能捕食本研究区域更小更年幼个体。在塔斯马尼亚，绿蟹偏好捕食壳长小于1.2 cm的幼蛤，但能破开长达3.3 cm的蛤蜊。本实验明确显示蟹能识别双壳类为猎物，表现为接触后立即操控、长时间攻击（一例累计超1小时）及失败后多次返回。
研究区域内其他双壳类物种可能面临绿蟹额外捕食压力。与Leukoma staminea规格相当（或更大）及壳厚相近的个体，可能也因体型足够大而免受绿蟹捕食。大型成体双壳类可能进入绿蟹的体型庇护所，但仍易受其他捕食者攻击。同种更小幼体可能成为绿蟹猎物，直至达到绿蟹无法损伤的规格阈值。实验室研究记载绿蟹捕食太平洋牡蛎（Magallana gigas）。Clinocardium nuttallii大小超过小颈蛤（长达10 cm），壳厚且具强肋防御壳缝。巨卵蛤（Saxidomus gigantea）是另一大型双壳类（平均10 cm），壳厚但无强装饰。其他物种如沙海螂（Mya arenaria）因壳薄且具永久性缝口（便于接触内部组织），各生活史阶段可能均面临更高绿蟹捕食风险。弯齿蛤（Macoma nasuta）壳相对薄（最大7 cm），无装饰。沙海螂与弯齿蛤均为穴居型，尽管壳结构较弱，但可能通过潜穴逃避绿蟹捕食。直接比较绿蟹
