《Ecological Entomology》：Strong diel variation in the activity of insect taxa sampled by Malaise traps
引言
近年来，全球范围内昆虫生物多样性和生物量的丧失引起了广泛关注。昆虫作为鸟类、蝙蝠等的食物来源以及重要的传粉者，其群落监测至关重要。马氏网（Malaise trap）作为一种被动的飞行昆虫群落调查工具，因其高效便捷而被广泛应用，从局部到全球尺度的监测项目均有涉及，采样时长可从数周至数年。然而，我们对环境条件如何影响马氏网样本仍缺乏基本了解。
昆虫的活动受昼夜节律和温度两大主要因素影响。了解昆虫活动在昼夜间的分布，对于将样本特征与具有昼夜结构的生态系统功能（如捕食、传粉）联系起来至关重要。例如，鸟类主要在白天活动，而蝙蝠主要在夜间活动，因此，要表征各自类群可用的猎物群落，就需要了解昆虫生物量在白天和夜间的积累比例。同样，马氏网捕获物常被用于推断传粉者可用性的变化，但有些传粉者仅在夜间活动，因此区分昼夜物种库是必要的。
除昼夜节律外，天气的短期波动也会对样本间的差异产生明显影响。天气影响昆虫的活动模式，进而影响其移动速率和被采样的几率。不利的天气条件可能导致只有部分个体在采样期间活跃并被检测到。除了温度对昆虫活动的影响外，其他可能重要的天气因素包括风速、太阳辐射暴露和相对湿度。然而，以往研究多使用相对湿度来衡量“空气湿度”的影响，但相对湿度会随温度变化而改变，难以区分昆虫活动的变化是源于水蒸气含量本身还是温度（本研究已作为单独预测因子）。作为一种温度依赖性较小的水蒸气含量度量，本研究使用露点温度（即相对湿度达到100%时的温度）来代替相对湿度。
先前有研究表明马氏网中的昆虫群落在一天内存在划分，但该研究仅使用单个陷阱且未考虑采样期间的天气变化，数据集稀疏，可能遗漏了关键驱动因素。获取每种物种对天气的响应及其昼夜节律的知识是一项艰巨的任务。一个更实用的解决方案是使用系统发育亲缘关系等通用代理指标。通过假设亲缘物种对环境条件的响应方式相似且具有类似的昼夜节律，我们可以在较粗的分类学水平上量化这些响应。
本研究旨在探究昼夜变化（一天中的时间）和天气对北方森林马氏网样本中昆虫丰度和物种组成的影响。通过近小时尺度的采样，解析各类群活动的昼夜节律，以及天气条件短期波动对昆虫活动影响的叠加效应。
材料与方法
研究在瑞典乌普兰Vattholma附近的一片北方森林中进行。林冠层优势树种为40-60年生的欧洲赤松（Pinus sylvestris），林下层同样以松树为主，零星分布挪威云杉（Picea abies）。林下植被以野草莓（Fragaria vesca）、木贼科植物和禾草类为主。共布设了24个马氏网（Townes式），陷阱布局针对标记-释放-重捕实验进行了优化，以推导基于扩散的运动距离近似值。本研究专注于未标记的本地昆虫的活动。
采样在5个连续日内进行，从7月14日16:00开始，至7月19日20:00结束。在06:00至22:00之间，每2小时清空一次陷阱，并在02:00增加一次夜间采样。捕获的个体在双翅目（Diptera）、鞘翅目（Coleoptera）和膜翅目（Hymenoptera）内鉴定到科级水平，但膜翅目中的小蜂总科（Chalcidoidea）和环腹蜂总科（Cynipoidea）仅鉴定到总科水平。半翅目（Hemiptera）中，异翅亚目（Heteroptera）鉴定到科，头喙亚目（Auchenorrhyncha）和胸喙亚目（Sternorrhyncha）鉴定到亚目。为简化形态相似的大类群的鉴定，所有小鳞翅类昆虫（microlepidopterans）被视为一个复合群，不再进一步鉴定。其他所有鳞翅目昆虫鉴定到科级。此外，为加速鉴定进程，所有其他昆虫（即不属于上述类群者）仅鉴定到目级。本研究中，“类群”（taxon）指代鉴定所达到的最低分类级别。
天气条件的描述包括：每次采样事件目测云量，评分从0（晴空）到1（完全云覆盖），增量0.25；温度、风速、降雨、相对湿度和露点数据来自距离样地约10公里的气象站（Bj?rklinge站，由瑞典运输管理局提供），数据每30分钟记录一次，取2小时采样期内5个半小时测量值的平均值。由于日降水量较低（采样期间为0至0.1毫米），该变量被排除在后续分析之外。本研究使用露点而非相对湿度作为水蒸气含量的度量。
统计分析
分析分步骤进行，首先模拟昼夜节律和环境条件对昆虫类群在马氏网中“出现”（presence-absence）的影响，然后分析“存在条件下的丰度”（abundance conditional on presence）。为解析飞行昆虫丰度和群落组成在一天内的变化，将样本分为四个时段：早晨（6:00–12:00）、下午（12:00–18:00）、傍晚（18:00–22:00）和夜晚（22:00–06:00）。将每个时段内捕获的所有昆虫进行合并（每天每个时段得到一个计数）。为评估不同时段的丰度在采样日间是否协同变化，计算了时段间的Spearman秩相关系数（ρ）。为量化群落组成在不同时段的差异，将每个类群的丰度转换为相对丰度。使用非度量多维标度法（NMDS）对每个时段和日的标准化群落组成数据进行可视化，使用Bray-Curtis距离，二维，1000次置换。使用PERMANOVA统计检验时段间群落组成的差异，使用Bray-Curtis距离和999次置换，日期作为随机因子。由于时段间存在显著差异，随后进行了时段间的成对比较，使用Bonferroni校正p值，并通过betadisper函数验证了组间方差的同质性。
在环境模型中，为推断环境变量如何影响昆虫相对于马氏网的活动，通过两个步骤减少了数据集中的零值：首先，将每天每个时间步所有马氏网捕获的每个类群的个体数合并；其次，从总共1200个样本中排除在少于20个样本中出现或个体数少于50的类群。此后，剩下17个最常见类群的4924个个体用于后续分析。
首先使用时间的周期函数描述昆虫的昼夜节律。在建立这种节律的环境修正时，注意到只有在该类群活跃期间环境条件的变化才能告知我们该类群对条件的特定响应。因此，采用了跨栏模型（hurdle approach）方法。首先模拟每个类群的出现与否（发生，occurrence），假设伯努利分布（Bernoulli distribution）和对数几率链接函数（logit link），并添加采样日期作为分组因子。为避免信息量不足，排除了在所有天数的时间步中出现率超过90%的类群；为保证模型收敛，也排除了出现率低于50%的类群。最终，瘿蚊科（Cecidomyiidae）、小蜂总科（Chalcidoidea）、长足虻科（Dolichopodidae）、舞虻科（Hybotidae）、尖眼蕈蚊科（Sciaridae）和Throscidae被排除在此模型外。
使用修剪后的数据，将昆虫的出现模拟为其昼夜节律、温度、风速、云量和露点的函数。为解释不同类群在昼夜节律和对环境条件响应上的差异，还添加了所有这些项与类群的交互作用。考虑到III型方差分析（Type III ANOVAs）在划分方差时优先考虑交互作用，移除了环境条件与类群之间所有不显著的交互项。
下一步，模拟每个类群在存在条件下的丰度（即排除所有零计数），包含全部17个类群。为应对数据的过度离散（overdispersion），假设负二项分布（negative binomial distribution）和对数链接函数（log link），采样日期作为分组因子。为促进模型收敛，将数据集拆分，分别为双翅目和膜翅目运行目级模型，并为其余四个类群（头喙亚目、小鳞翅类、啮虫目（Psocoptera）和Throscidae）运行一个模型。将每个目的昆虫丰度模拟为其昼夜节律、温度、风速、云量和露点的函数。同样添加了这些项与类群的交互作用，并随后移除了不显著的交互项。使用ggeffects包的ggpredict函数可视化模型预测的固定效应。使用R基础的predict函数可视化温度与昼夜节律的交互作用，为研究期间的平均温度（15.4°C）、低于平均值一个标准差（12.0°C）和高于平均值一个标准差（18.7°C）三种情况生成各类群昼夜节律的预测。
所有分析在R 4.4.0中完成。
结果
昆虫类群整体活动与组成的昼夜节律
在整个采样期间，共捕获了5522只节肢动物个体，代表83个类群。同期，当地温度范围在9.8至21.3°C之间，通常在12:00–20:00达到峰值，在02:00–08:00处于低谷。风速在0.5至4.7 m/s之间变化，云量在0至1之间，露点在5.16至14.32之间。
考虑所有采样类群时，大多数个体在下午（12:00–18:00）被捕获，早晨（6:00–12:00）捕获的个体最少。瘿蚊科（Cecidomyiidae）是整个白天最丰富的类群。将最接近黄昏（~22:00）和黎明（~04:00）的采样事件归为夜晚（22:00–06:00）。因此，各时段长度不同：早晨=6小时，下午=6小时，傍晚=4小时，夜晚=8小时。在没有任何昼夜节律的情况下，预期数量应按比例25%, 25%, 16.7%, 33.3%变化。然而，观测到的计数（729:2572:1197:1024）显著偏离此预期（X2= 1778.5, df = 3; p< 0.0001）。夜间和早晨样本之间存在高相关性（ρ= 0.8），但早晨和傍晚（ρ= 0.1）以及下午和夜间（ρ= 0.2）样本之间的相关性较低。下午的类群丰富度最高，夜晚的类群丰富度最低。类似地，群落组成在下午和夜间样本之间差异最大，但所有时段都表现出统计学上不同的群落组成。
一天中的时间和天气条件对类群特异性活动的影响
风速、云量和露点对所有类群的出现概率没有影响。不同的类群在一天中出现概率不同，并且对温度变化的出现概率响应也各异。在所有模型中，不同的类群在一天中表现出不同的丰度活动模式，这些丰度模式进一步受到温度的影响。然而，在大多数情况下，昆虫丰度仅在类群的活跃期内随温度升高而增加。因此，昼夜模式在不同温度下是相似的，在低温（12.0°C）下波动有所减弱。大多数类群预计在12:00至22:00之间达到丰度峰值。然而，小鳞翅类和Throscidae表现出明显的夜间模式，在22:00至04:00之间达到峰值。
云量和风速的增加对双翅目和膜翅目内所有类群的丰度产生了负面影响。所有类群的丰度，无论属于哪个分类目，都随着露点的升高而降低。
讨论
长期马氏网捕获掩盖了昼夜节律
正如预期，分析中使用的所有类群都表现出明显的日节律。详细研究的各类群中，小鳞翅类和Throscidae显然是夜行性的，瘿蚊科主要在傍晚至整个夜间活动，所有其他类群预计在12:00至22:00之间达到活动峰值。大多数类群在白天最为活跃，这与先前关于昆虫昼夜节律的研究结果一致。在类群丰富度方面，下午（12:00–18:00）活跃的类群数量最多。类似地，下午捕获的昆虫总丰度（跨所有类群合计）几乎占所有时段捕获昆虫总数的一半。
在总体水平上，我们观察到飞行昆虫密度在下午至傍晚达到最大值，在早晨至中午达到最小值，这与Genoud等人（2021）在美国纽约使用激光估计空中节肢动物密度的研究结果一致。我们的两项研究共同表明，马氏网样本的内容可能偏向于在傍晚至夜晚早期活跃的丰富昆虫。相比之下，早晨（6:00–12:00）的类群丰富度和丰度最低，仅占整个采样期总捕获量的13%。
下午活跃昆虫对马氏网样本的不成比例贡献，凸显了研究昼行性与夜行性昆虫群落时的一个重要注意事项：在昼夜划分方面，似乎不仅存在两种类型的群落，还存在独特的早晨和傍晚群落。这一发现得到了Carey等人（2015）和Geissmann等人（2022）的支持。有趣的是，早晨和傍晚样本之间的丰度相关性很小。然而，正如本文所示，早晨和傍晚不同的天气条件会影响任一时段活跃的个体数量。此外，许多黄昏性物种在黎明或黄昏表现出活动峰值，而非在两个时段都活跃。因此，观测到的早晨和傍晚丰度差异可能是由时段间群落组成差异和 prevailing 环境条件造成的。
在一项与我们类似的研究中，Strumia（2011）调查了意大利比萨附近夏季马氏网中昆虫类群的昼夜节律。尽管数据集较小，但这些作者没有发现独特黄昏物种的证据。此外，Kirse等人（2025）发现德国西部自动化马氏网中，7月至10月期间的物种丰富度在14:00至18:00达到峰值，最常见类群的活动在12:00至16:00达到峰值。同样没有明确迹象表明存在独特的黄昏或早晨/傍晚群落。
尽管研究设计相似，但我们的研究对昆虫昼夜活动的印象与Strumia（2011）和Kirse等人（2025）的研究不同。虽然这种差异的部分原因可归因于我们短暂的采样时间（连续五天），但栖息地和物种身份等因素可能在塑造昼夜节律方面发挥重要作用。此外，Zoller等人（2020）在检查北极传粉者的昼夜节律时，发现连续两年间双翅目和膜翅目的节律不同。这两年温度相差5°C，表明温度可能在塑造昆虫活动模式中起重要作用，我们的研究也观察到了这一点。
瑞士的一项类似研究发现昼行性和夜行性传粉者群落之间存在明显差异，最丰富的昼行性群落在12:00至14:00之间显示出一个明显的峰值（Knop等人，2018）。Kirse等人（2025）也发现同一膜翅目类群群落在8月和9月之间将其活跃时间大致移动了两小时。总之，这些研究表明太阳周期可能对塑造活动模式和任何给定时间活跃的昆虫群落组成产生巨大影响。有趣的是，Knop等人（2018）的研究是在与我们当前研究相似的太阳周期（黑暗期~22:00–04:00）下进行的。然而，Knop等人发现昼行性类群的丰度在一天中更早达到峰值，这再次表明当归类到更高级别的类群时，栖息地和物种身份可能导致不同地点之间昼夜节律的转变。因此，当前研究将揭示天气对斯堪的纳维亚北方带7月份马氏网采样昆虫类群昼夜节律的影响，而不应被采纳为跨时间和空间的昆虫活动的通用模板。需要跨纬度的更多数据来进行更大尺度的推断。
在这种情况下，应注意我们定义的傍晚时段仅持续4小时，而早晨和下午各持续6小时，夜晚则长达8小时。这种不均衡的划分是为了将黑暗时段（22:00–04:00）视为一个连贯的时间段，因为我们研究期间当地日落在22:00，日出在04:00。事实上，许多昆虫类群的活动已被发现随太阳周期变化。一个轻微的不一致之处是，早晨的第一个采样事件（06:00）被视为夜晚的终点——尽管日出已发生在两小时前（04:00）。然而，这里观测到的丰度昼夜节律似乎对相对于黎明调整2小时不敏感，并且夜间采集的样本与任何其他时段相比都是最独特的。
夜行性昆虫群落与白天的不同，这并不令人惊讶。然而，在马氏网样本的具体背景下，它有一个重要的推论：马氏网已被用于推断鸟类或蝙蝠等捕食者的食物可用性，或特定时段需求的生态系统服务（如昼夜传粉）——而没有任何区分哪些昆虫是在夜间和白天捕获的。我们的发现是，马氏网捕获的大部分昆虫在下午活跃，并且下午、早晨、傍晚，尤其是夜间存在不同的飞行昆虫群落。任何在中午觅食飞行昆虫的物种（例如许多雀形目鸟类）将无法获得陷阱中捕获的大部分昆虫群落，而黄昏活动的蝙蝠与夜间活动的蝙蝠将经历非常不同的食物可用性。因此，从马氏网推断出的昆虫群落与许多鸟类和大多数蝙蝠的食物可用性关系微弱——除非每个类群的丰度按其每日活动模式进行加权。重要的是，我们发现一天中某个时段的高昆虫丰度并不能反映到另一个时段的丰度上。这在傍晚和早晨之间以及下午和夜间观测到的丰度之间尤其如此。这有一个实际含义：一天内采样的总丰度不能用作任何给定时段丰度的代理指标。
天气影响昆虫可探测性
温度影响昆虫活动是意料之中的，因为许多先前研究已确定温度是昆虫活动的主要驱动因素。温度升高通常意味着一天中所有小时内个体被捕获概率的增加。然而，概率的变化并非在所有类群或一天中的时间上都均匀，有些在特定时间随温度变化的出现概率变化很小，而其他则变化很大。因此，温度变化可能改变马氏网样本的组成，既在时段内也在一天之中。温度升高还增加了昼夜节律的幅度，使得类群活跃期和非活跃期之间的差异更加明显。重要的是，昼夜节律的一般外观并未随温度改变。在这里，我们成功地将温度效应与类群昼夜节律效应分离开来，有效地表明我们温带地区的所有类群无论温度如何都维持着昼夜节律，但温度升高使该节律更加明显。重要的是，跨纬度的情况可能并非如此——因为在 inherently 炎热的地区，温度升高可能导致许多昆虫过热，从而导致活动减少和昼夜节律不那么明显。
风速增加对大多数类群的昆虫丰度产生了负面影响，这种效应在分类目内的类群间是相似的。总体而言，我们位于北方森林的研究地点经历了低风速（0.5–4.7 m/s），但大多数昆虫的活动仍随着风速增加而明显减少。Sikes等人（2024）的研究提供了风速增加导致昆虫活动减少的进一步证据，他们发现马氏网样本中昆虫的总丰度在风速高于1.5 m/s时线性下降。类似地，Briers等人（2003）发现风速是唯一对石蝇（Plecoptera）飞行活动产生负面影响的变量。
多云条件通常也降低了昆虫丰度。有趣的是，这种效应在分类目内的类群间没有差异。早期研究曾声称存在此类差异的证据。Willmer和Unwin（1981）以及Herrera（1990）都认为较高的太阳辐射应有利于小型昆虫的活动，而大型昆虫在高温时应避免阳光直射，以避免过热。然而，非常大的昆虫，如熊蜂和某些甲虫，往往避开马氏网，因此避免了被采样。这些易过热的大型类群可能在我们的样本中代表性不足。此外，研究期间的温度（最高温度21.3°C）可能过低，不足以引起潜在的过热。因此，可能没有类群经历需要避免阳光直射的情况，从而更喜欢阳光直射提供的温暖而非多云条件。
露点升高反映在所有昆虫丰度的下降上。露点的这种影响为先前关于昆虫活动与空气湿度的关系研究增加了重要的补充。在这里，标准度量是相对湿度，它已被确定为影响双翅目活动的重要环境变量，以及马氏网样本中总生物量的重要因素。然而，其他研究发现湿度对昆虫活动的影响可以忽略不计。这些研究间的差异可能部分源于昆虫对湿度的适应随栖息地偏好而异。因此，我们在此表明，露点是北方森林马氏网中昆虫丰度的重要驱动因素——而我们不对露点跨栖息地的影响做出推断。重要的是，在衡量空气中水蒸气含量对昆虫活动的影响时，使用相对湿度存在缺陷。较热的空气可以携带更多的水蒸气，因此相同的绝对湿度水平会随着温度的简单变化而导致不同的相对湿度。如果不能剖析这种关系，可能会混淆实际水蒸气含量与昆虫行为之间的关系，或者可能将相对湿度的效应与温度的效应混淆。如果目的是确定空气中水蒸气含量相对于昆虫行为或活动的影响，我们建议未来的研究关注露点而非相对湿度。
总体而言，这些环境影响发生在比焦点群落的物候或人口更替（即出生和/或死亡）短得多的时间框架内。换句话说，如果样本是在短时间间隔内收集的，那么环境条件将影响待描述的群落与其基于马氏网的样本之间的关系。然而，在较长的采样期间，本研究所探讨的短期效应将部分均化，因为在陷阱期结束时收集的复合样本整合了随时间变化的天气条件。
在评估我们研究的发现时，一个重要的局限性确实突出：整个研究仅进行了五天时间。这限制了我们对更广泛环境条件变化的推断。如前所述，昆虫的大小可能影响其对天气条件的响应（例如，较大的昆虫更容易过热
