《Freshwater Biology》：Ecosystem Engineering by Mussels (Margaritifera margaritifera) Influences the Behaviour of Their Host Fish Brown Trout (Salmo trutta) Under Various Flows
引言
生态系统工程师能够通过改变栖息地复杂性来影响其他物种的分布和丰度。淡水蚌类（双壳纲，Unionida）因其对环境的显著改造作用——如改变河床特征、水流条件、营养盐比例和颗粒物动态——而被视为重要的生态系统工程师。淡水蚌类常形成密集的蚌床，这些复杂的底栖环境具有多样的微生境，能够吸引底栖无脊椎动物，并与较高的生物多样性相关。
近几个世纪以来，人为的水体改造（如河道化、水坝和水电站）导致了河流的破碎化、栖息地丧失和自然水流条件的破坏。这些大规模栖息地改变不仅影响了河流的非生物条件（如连通性、水流和沉积作用），也对生物多样性产生了负面影响。人为干扰和影响已对大部分淡水蚌类物种构成严重威胁。以淡水珍珠蚌（Margaritifera margaritifera）为例，它曾是欧洲广泛分布的物种，但由于栖息地退化、采珠、连通性丧失及其寄生幼虫的宿主鱼类减少，该物种近年来数量急剧下降，现已被世界自然保护联盟（IUCN）红色名录列为濒危（EN）物种。
淡水珍珠蚌与其在欧洲的两种宿主鱼类之一——褐鳟（Salmo trutta）——在栖息地选择上存在重叠。因此，以往的人为干扰对这两种物种都产生了负面影响，而任一物种的缺失都会导致其宿主-寄生虫相互作用的消失。例如，褐鳟幼鱼的存在对蚌类的补充有积极影响，这将最终增加成年蚌的数量，从而增加栖息地复杂性，可能为褐鳟幼鱼提供更多的适宜栖息地。褐鳟的早期生命阶段尤其对群体内和群体间的竞争以及缺乏适宜的微生境敏感。较小的褐鳟幼鱼由于游泳耐力较低，对高水流也更敏感。因此，低水平的栖息地复杂性会增加因竞争而被取代的风险，并增加对高水流的敏感性，这可能导致当年生褐鳟等幼鱼被冲走。因此，淡水珍珠蚌所增加的栖息地复杂性和对水流的改变可能缓解褐鳟幼鱼个体间的竞争，增加其游泳倾向和对高水流的抵抗力，特别是对最小规格的个体。
本研究旨在探究蚌床的存在和密度如何影响三种不同规格的当年生褐鳟在不同水流条件下的行为。具体而言，我们测量了褐鳟在不同蚌密度和低、高水流下的争斗行为、栖息地利用和游泳活动。我们假设蚌密度的增加会减少褐鳟的争斗行为，使它们在高水流下能够游泳，并增加它们在蚌床内停留的时间。我们还假设高水流会减少褐鳟的争斗行为，降低其游泳活动，并增加它们在蚌床内停留的时间，特别是对较小的褐鳟。
方法
实验设计
55只淡水珍珠蚌于2023年5月9日从瑞典奥雷布罗县的Vasslab?cken溪流（59°40′11.7″N, 14°54′29.8″E）采集，并饲养在12°C的充气水族箱（65×50×40 cm）中，连接过滤器（EHEIM classic 1500 XL 2260）。实验于2023年5月、6月和8月分别使用三种不同规格的当年生褐鳟幼鱼进行：小型褐鳟（平均体重±标准差=0.20±0.04 g，叉长=29.47±1.6 mm），实验时间为5月16-18日；中型褐鳟（平均体重=0.45±0.08 g，叉长=37.16±2.2 mm），实验时间为5月30日-6月1日；大型褐鳟（平均体重=5.81±1.40 g，叉长=79.42±6.1 mm），实验时间为8月8-10日。褐鳟来自Gammelkroppa鱼苗场（Gullsp?ng褐鳟品系），在每个规格组实验开始前约一周运至实验室设施：5月10日（小型褐鳟）、5月23日（中型褐鳟）和7月31日（大型褐鳟）。鱼以相同密度饲养在两个充气水族箱（65×50×40 cm）中，水温12°C，连接过滤器（EHEIM classic 1500 XL 2260），每日投喂颗粒饲料（ad lib）。采集蚌类的许可来自奥雷布罗县委员会（许可ID：623-2973-2023）。动物实验伦理许可来自瑞典动物实验伦理委员会（5.8.18-03818/2018；ID号001500）。
实验在卡尔斯塔德大学水族馆设施内的三个相同的室内水槽（140×90 cm；长×宽）中进行。沿水槽长度方向，一侧保持平坦，为沙质底部，宽20 cm。对侧填充砾石，形成35度角的斜坡，高出水面（12 cm）。水槽两端覆盖细网以防鱼类逃逸。在上游末端划定一个35 cm长的蚌区。
为测试鱼类在蚌存在下对不同水流条件的反应，设置了三种蚌密度处理：零（无蚌）、低蚌密度（10只蚌；125只/m2）和高蚌密度（25只蚌；312.5只/m2）。在两种蚌处理中，蚌均匀分布在蚌区（35 cm×20 cm）内。在实验前一天15:00，随机选取35只蚌，根据处理密度放入其中两个水槽。所有蚌被轻轻压入沙中（约壳长的1/3），进水孔面向水流。蚌在低水流（2 L/s）下适应并自由活动过夜。所有水槽水温为12°C，在泵出口处充气。
次日早晨，从饲养缸中随机捞取三条褐鳟放入每个水槽中央。引入三条个体后，在低水流（2 L/s）下适应30分钟。适应期后，用摄像机（Canon XA10, Canon Inc.）记录鱼类行为25分钟。这25分钟分为三部分：前10分钟记录低水流处理（2 L/s）下的鱼类行为，随后5分钟将水流升至8 L/s（使鱼适应高水流），最后10分钟记录高水流处理（12 L/s）下的鱼类行为。为检查不同蚌密度下的潜在水流变化，使用OTT-C2-Z400流速仪进行测量。流速测量在每天实验结束后在每个水槽中进行。测量点在蚌区中心部分，以及蚌区下游17.5 cm、52.5 cm和87.5 cm处。每个流速测量在底质上方4 cm处进行。由于蚌的数量，高蚌密度处理下蚌区内的流速无法以同样方式测量，因此未进行。一轮记录后，将鱼从水槽中手捞取出，用苯佐卡因（1 mL/L）麻醉，称重和测量。然后用三条新鱼替换。每天每个水槽进行五次重复。为控制水槽间潜在的栖息地和水流差异，蚌密度处理在次日轮换，使得每个蚌密度在每个水槽中每个鱼规格组重复五次，每个规格组和蚌密度总计15次重复，每个规格组共使用135条鱼。
测量与数据分析
所有统计分析使用R 4.4.2版进行。除非另有说明，广义线性混合模型使用lme4包中的glmer函数拟合。由于试验运行时间间隔，所有分析分别针对每个鱼规格组进行。然后使用拟合模型进行III型方差分析，使用car包中的Anova函数。当方差分析中发现蚌密度、水流或其交互作用具有统计学显著性（p < 0.05）时，使用emmeans包中的函数emmeans、pairs和pwpp进行估计边际均值的成对比较。对于成对比较，p值使用Tukey方法进行调整。
为测试水流如何随蚌处理和在距蚌区不同距离处变化，使用了线性混合模型（LMM）。其中，高或低水流处理下的流速作为响应变量，蚌密度及其与距蚌区距离的交互作用作为因子。水槽和轮次作为随机因子。由于高蚌密度处理下无法在蚌区内进行流速测量，分析中排除了蚌区。当方差分析中发现蚌密度、距蚌区距离或其交互作用具有统计学显著性（p < 0.05）时，使用估计边际均值（EMMs）和Tukey调整的p值进行每个区域内处理间的成对比较，以考虑多重检验。
争斗行为次数按照Johnsson和Forser（2002）的方法，在低水流和高水流条件下各计数十分钟。争斗行为包括转圈（鱼互相绕圈）、驱赶（缓慢接近对手，对手被驱离）、攻击（快速冲向对手，对手被驱离）、追逐（攻击逃跑的对手）和咬（所有包含咬的动作）。为测试蚌密度和水流是否影响争斗行为次数，使用了泊松分布的广义线性混合模型（GLMM），以水流、蚌密度及其交互作用作为因子，鱼群组作为随机因子。由于在拟合中型鳟鱼模型时使用默认设置出现收敛问题，指定了bobyqa优化器。
为测量每个鳟鱼群组的蚌区利用和游泳倾向，在低水流和高水流期间每60秒截取一次屏幕截图。对于每个截图，所有可见的鳟鱼个体被分类为游泳（停留在底质水平以上）或不游泳（停留在底部），以及在蚌区内或外。截图数据按每个鱼群组和水流条件汇总，并转换为测量鱼数的百分比。为测试游泳倾向是否受蚌密度、水流及其交互作用影响，拟合了二项分布GLMMs，使用logit连接函数，以游泳鱼的比例作为响应变量，鱼群组作为随机因子，并获得每个百分比的鱼总数作为权重。当蚌密度、水流或其与水流的交互作用具有统计学显著性时，按上述方法进行成对比较。
为测试在蚌区内发现的鱼比例是否随水流和蚌密度变化，进行了三个单变量二项零膨胀GLMMs。GLMMs使用glmmTMB包中的glmmTMB函数拟合，以水流、蚌密度及其交互作用作为条件模型和零膨胀模型的解释变量。对于大型鳟鱼，由于模型拟合问题，从零膨胀模型的解释变量中排除了交互项。然后对条件模型进行方差分析，以检验解释变量的显著性。使用模型拟合的summary函数检验零膨胀模型的解释变量。当蚌密度、水流或其与水流的交互作用具有统计学显著性时，按上述方法进行成对比较。
结果
流速测量
混合效应模型显示，蚌密度对低水流（F2,68=12.0, p<0.001）和高水流（F2,68=13.47, p<0.001）均有显著影响。虽然距离在两种情况下均无总体影响（p>0.05），但蚌密度和距离的交互作用对低水流处理显著（F4,68=2.53, p=0.049），对高水流处理也显著（F4,68=3.36, p=0.01）。成对比较表明，在距蚌区17.5 cm处，高蚌密度下的流速显著低于低密度和零密度，在低水流和高水流处理下均如此（所有p<0.001），而在更远距离处，任何蚌密度下流速均无差异（p>0.05）。
争斗行为
争斗行为次数受水流影响的所有规格组：小型鳟鱼，χ2=42.1, p<9×10?11；中型鳟鱼，χ2=8.2, p=0.0041；大型鳟鱼：χ2=4.3, p=0.038。所有规格组的争斗行为在低水流下均高于高水流。争斗行为次数不受蚌密度影响（所有χ2<2.5, 所有p>0.2）。对于大型鳟鱼，水流和蚌密度存在交互作用（χ2=8.2, p=0.016）。在“低蚌密度-低水流”处理下，大型褐鳟的争斗行为次数显著高于“低蚌密度-高水流”处理。此外，在“低蚌密度-高水流”处理下，大型褐鳟的争斗行为次数显著低于“高蚌密度-低水流”处理。
游泳比例
对于小型鳟鱼，游泳比例受高水流负面影响（χ2=151.2, p<2×10?16），受蚌密度增加正面影响（χ2=9.4, p=0.0093），但其交互作用不显著（χ2=1.1, p=0.57）。在低水流（padj=0.01）和高水流（padj=0.0055）下，较高蚌密度下的鳟鱼游泳比例均高于零蚌密度。对于中型褐鳟，水流对游泳鳟鱼比例有显著影响（χ2=44.1, p=3×10?11），而蚌密度无影响（χ2=5.4, p=0.068）。蚌密度和水流对游泳存在显著的交互效应（χ2=16.7, p=0.0002）。“高水流-零蚌”处理下游泳中型褐鳟的比例显著低于“低水流-零蚌”、“低水流-低蚌密度”、“低水流-高蚌密度”和“高水流-高蚌密度”处理。“高水流-低蚌密度”处理下游泳中型褐?的比例显著低于“低水流-零蚌”、“低水流-高蚌密度”和“高水流-高蚌密度”处理。大型鳟鱼的游泳比例受水流（χ2=13.6, p=0.0002）、蚌密度（χ2=8.5, p=0.015）以及水流和蚌密度的交互作用（χ2=14.2, p=0.0008）影响。“低水流-零蚌”处理下游泳大型褐鳟的比例显著高于“高水流-零蚌”、“低水流-低蚌密度”、“高水流-低蚌密度”和“高水流-高蚌密度”处理。“高水流-高蚌密度”处理下游泳大型褐鳟的比例显著低于“高水流-零蚌”和“低水流-高蚌密度”处理。
鳟鱼在蚌区内的比例
小型鳟鱼更可能在高水流下出现在蚌区，但不受蚌密度影响（水流：χ2=7.6, p=0.0058；蚌密度：χ2=0.26, p=0.88；交互作用：χ2=3.6, p=0.17）。中型鳟鱼仅受水流和蚌密度交互作用的影响（水流：χ2=0.92, p=0.34；蚌密度：χ2=3.17, p=0.20；交互作用：χ2=9.0, p=0.011）。然而，成对比较显示，任何处理间均无差异。大型鳟鱼受蚌密度影响（水流：χ2=1.3, p=0.25；蚌密度：χ2=17.0, p=0.0002），尽管交互项也接近显著（χ2=5.8, p=0.055）。与零蚌处理相比，大型鳟鱼在低蚌密度和高蚌密度下都更可能到访蚌区（两者p<0.01）。所有零膨胀模型中均无解释变量显著（所有z<1.6, 所有p>0.11）。
讨论
我们发现，不同规格的当年生褐鳟的行为受到蚌存在和密度以及水流的影响。与我们的假设一致，水流对小型褐鳟的影响最大，导致在高水流下争斗行为减少和游泳耐力降低。小型和中型褐鳟的游泳个体比例随蚌密度增加而增加，对于中型褐鳟，蚌可能抵消了高水流的负面影响。相比之下，大型褐鳟在高蚌密度和高水流时更多地停留在底部，并且在有蚌存在时比无蚌时在蚌区停留的时间更多。这些行为和栖息地利用的规格间差异进一步强化了褐鳟在个体发育过程中转换栖息地的观点。
对于小型褐鳟，高水流导致争斗行为减少，个体更倾向于停留在底部。这表明小鱼在复杂性较低的环境中对高水流更敏感，并将注意力从维持在水体中的游泳位置转移到在底部寻求庇护。虽然可能是小型个体间已形成社会等级的结果，但先前研究表明高水流可以减少鲑科鱼的争斗和社会行为。此外，鲑科鱼的争斗行为、觅食成功和溪流位置受其群体大小或是否独居的影响。因此，实验中的一些个体可能被推到不太有利的栖息地，并在高争斗行为期间表现出从属行为。然而，在此生命阶段和规格的天然褐鳟种群往往共存并竞争栖息地和猎物，这意味着以群体而非单条褐鳟进行测试能更好地理解蚌床和变化的水流如何影响褐鳟早期生命阶段的行为。当蚌密度增加导致栖息地更复杂时，小型和中型褐鳟在高水流下更可能游泳，可能利用了蚌床下游底边界层中能量需求较低的层流。这一点得到了流速分析的进一步支持，表明高蚌密度会降低蚌床附近低水流和高水流处理下的流速。
与小型和中型褐鳟相比，大型褐鳟的行为不同，在无蚌存在的高水流下保持高游泳活动。它们的游泳活动在低水流高蚌密度下保持较高水平，而在高水流高蚌密度下其游泳显著减少。这可能是高蚌密度引起的层流底层上方更湍急的水流效应所致，导致更多时间在底部休息或停留在蚌区内。大型褐鳟在处理内的争斗行为频率在低水流和高水流下所有蚌密度都相似，即使它们在蚌密度高时更多地停留在底部。这可能是对高水流抵抗力更强的结果，并且大型个体在所有蚌处理下具有相似的视觉接触，可能增加了领域大小并维持了个体间的争斗行为。
大型鳟鱼偏好停留在蚌床中，也可能出于水流以外的因素。蚌床提供的栖息地复杂性增加可能提供躲避捕食者的庇护所。食物也是调节鳟鱼在溪流中行为和分布的重要因素。与无蚌的溪流区域相比，蚌床已被证明具有更高密度和多样性的大型无脊椎动物。大型无脊椎动物组成的这种变化可能会增加鱼类的食物资源，并导致蚌床对当年生褐鳟（可能也包括小型和中型鳟鱼）的吸引力更大。大型无脊椎动物也可以在不同蚌密度和水流下改变其分布和漂流倾向，可能影响褐鳟在蚌床内及周围的行为和分布。因此，在如本实验的研究中包含猎物，可能会进一步加深对淡水蚌床如何影响鱼类行为和分布的理解。此外，有益的蚌群与鱼类关系也存在于其他系统中。例如，活蚌以及蚌壳增加了基质异质性，并可以在小尺度上增加鱼类的存在。蚌类甚至可以通过减少干旱对大型无脊椎动物猎物群落的负面影响，提高鱼类在干旱等胁迫条件下的存活率。
我们的结果证实了栖息地复杂性对褐鳟的重要性，并强调这种复杂性不仅可以通过非生物手段增加，还可以通过淡水蚌的存在来增加。有趣的是，淡水珍珠蚌是一种宿主特异性物种，其在夏末用钩介幼虫寄生当年生褐鳟，这与我们实验中大型褐鳟的测试时间相吻合，而大型褐鳟被蚌床所吸引。因此，停留在提供复杂栖息地和食物的蚌床附近可能对宿主鱼类有益，而蚌类则通过使其宿主鱼靠近且易于钩介幼虫寄生而受益。然而，严重的钩介幼虫感染可能对个体产生负面影响，影响猎物消耗和生长，蚌床的潜在积极效应可能被抵消。因此，我们的结果强调了了解宿主鱼类在蚌床附近行为的重要性，这对鱼类和蚌类的保护具有重要意义。我们建议，在蚌类和鱼类数量减少或消失的地区，应将蚌类和鱼类再引入添加到恢复计划中，同时注意传播病原体的风险。这将为鱼类和蚌类创造一个更具恢复力的环境，同时也会增加蚌类种群的补充和增长。Unionid蚌类作为栖息地工程师的重要性呼吁采取紧急行动来恢复和振兴河流及生物多样性，并创建更具恢复力的生态系统。
