《Limnology and Oceanography》：Food web complexity alters phytoplankton persistence and resilience to nutrient pulses in experimental ecosystems
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本研究通过全生态系统实验揭示，食物网复杂性（包括食物链长度和连通性）能够显著增强浮游植物对营养脉冲干扰的持久性（persistence）和恢复力（resilience）。高复杂性食物网可缓冲生态系统临界转换（critical transition），为水生生态系统管理提供理论依据。
Abstract
在水生生态系统中，理论认为更高的食物网复杂性能够增强初级生产对脉冲干扰的持久性和恢复力，但实验证据有限。本研究通过向低、中、高三种食物网复杂性的池塘模拟风暴诱导的营养脉冲（环境浓度增加约3%–5%），并以参考池塘为对照，评估了初级生产的生态稳定性。结果表明，高复杂性池塘在两次营养脉冲后均未显著偏离参考条件，表现出高生态稳定性；中复杂性池塘的稳定性较低，持久性分别为18天和24天，恢复力从23天缩短至不到一周；低复杂性池塘的稳定性最低，持久性从24天降至8天，恢复力从5天延长至22天。此外，低复杂性池塘在第一次脉冲后出现临界转换证据，而高复杂性池塘则无。本实验强有力地证明，食物网连通性和食物链长度可通过影响对重复营养脉冲的持久性和恢复力，帮助水生生态系统缓冲日益频繁和强烈的干扰。
引言
随着气候变化的加剧，干扰的频率、规模和强度不断增加，生态系统状态发生急剧转变的可能性也随之上升。脉冲干扰作为突然且时间受限的干扰事件，普遍存在于生态系统中，并预计在数量和严重程度上均会增加。在湖泊中，年营养负荷主要由几次大风暴期间的负荷事件主导，这些事件会导致富营养化，引发高浊度、溶解氧耗竭和产毒浮游植物增殖，对人类健康产生不利影响。然而，并非所有湖泊对营养脉冲的响应方式都相同，前期条件、生态系统特性和流域特征共同决定了风暴带来的营养盐是否会改变生态系统功能或触发急剧变化。因此，迫切需要更好地理解调节水生生态系统对脉冲营养干扰响应的机制。
食物网相互作用的架构在决定水生生态系统功能对日益增多和相互作用的干扰的动态响应中起着关键作用。生态稳定性是一个多维概念，描述了生态系统对干扰响应的不同方面，而营养相互作用通过调控能量和营养盐在食物网中的流动影响生态稳定性。持久性和恢复力是生态稳定性的两个组成部分，可用于描述生态系统对脉冲干扰响应的时间动态。持久性定义为脉冲干扰后生态系统维持当前状态不发生剧烈变化的时间长度，恢复力则衡量干扰后恢复到基线条件所需的时间。干扰还可能导致临界转换，即生态系统状态迅速转向新的平衡点，且可能难以逆转。因此，理解食物网复杂性如何影响生态系统对干扰的持久性和恢复力至关重要。
食物网复杂性可通过多种同时作用的机制影响对脉冲干扰的持久性和恢复力。偶数营养链可以加强对初级生产者的自上而下控制，从而减少初级生产者生物量对营养盐突然输入的响应振幅。食物链之间更大程度的资源耦合（如浮游植物为基础和附生生物/碎屑为基础的食物链）可以为消费者提供更高的资源补贴，同时增加食物网连通性，产生更多的营养流动路径和更高的资源利用效率。因此，偶数营养级（即食物链长度）和更高的连通性应能增加初级生产者生物量对营养脉冲干扰的持久性和恢复力。尽管最近的模型表明更高的食物网复杂性增加了生态系统对干扰的持久性和恢复力，但这些模型通常只包含一两个营养级，且仅评估单次干扰。因此，仍需通过实验证明食物网复杂性如何以及在多大程度上调节对多次脉冲干扰的持久性和恢复力。
Methods
实验于2020年5月至8月进行，历时100天，地点位于爱荷华州园艺研究站的六个实验池塘（表面积400 m2，最大深度2 m）。池塘仅接收直接降水作为水文输入。2020年4月，使用现场灌溉水库的水填充池塘，为每个池塘接种了相似的浮游植物和浮游动物群落。长叶眼子菜和叶状眼子菜在每个池塘中自然定殖。
实验设计了三种鱼类组合，分别代表低、中、高食物网复杂性。通过改变食物链长度和食物网连通性，更好地区分食物网复杂性引起的响应。每种鱼类组合随机分配到两个池塘，一个接收营养脉冲，另一个作为未操纵的参考。由于实验池塘数量有限，处理未设置重复，但操纵生态系统与参考生态系统的比较是全生态系统操纵的常用研究设计。此外，大规模实验减少了在生态过程发生的尺度上评估食物网复杂性可能产生的误导性推论。
根据文献描述和鱼类食性样本推断营养连接。最低食物网复杂性（低复杂性）池塘包含三个营养级和两条食物链。第一条食物链包括食浮游生物的蓝鳃太阳鱼、浮游动物和浮游植物；第二条包括底栖动物食性的黄鲈、大型无脊椎动物、附生生物和碎屑。通过添加第四营养级——大口黑鲈（一种跨食物链和营养级捕食的泛化消费者，即杂食性），增加了下一个组合（中复杂性）的食物网复杂性。尽管生态系统大小限制食物链长度，但本系统中的顶级捕食者大口黑鲈通常栖息于该地区类似大小的池塘。最后，通过添加食蚊鱼（第三营养级的泛化消费者），再次提高了食物网复杂性（高复杂性）。选择泛化物种是因为研究重点是通过增加跨食物链的杂食性来提高食物网内部的连通性。
各物种的鱼类生物量在池塘间保持一致。随着鱼类物种的增加，保持了物种生物量的一致性，因此总鱼类生物量增加。选择添加式设计是为了保留自然复杂性，评估生态系统随时间的适应和稳定过程，并聚焦于种间相互作用而非混淆种内和种间相互作用。所有池塘的总鱼类生物量（每公顷40–80公斤）落在北美多个湖泊报告的值（28–305公斤/公顷）范围内。鱼类通过电捕从附近的Brushy Creek湖和Five Island湖采集，食蚊鱼从爱荷华州贝德福德的Beemer Fisheries购买。
在年日（DOY）176和211进行了两次离散营养添加（即脉冲），每个食物网处理中的一个池塘接收脉冲。环境营养盐在池塘间相似，但参考池塘的磷略高于脉冲池塘。营养脉冲的设计模拟了农业集水区风暴驱动营养负荷的量和化学计量。根据脉冲前一周测量的池塘体积（约450 m3）和营养盐浓度确定要添加的氮（N）和磷（P）质量，使得第一次和第二次脉冲分别导致磷浓度增加3%和5%。以24 N:1 P的比例将硝酸铵和磷酸二氢钠溶解在从池塘取出的4升水罐中，通过皮划艇在30分钟内缓慢喷洒到池塘表面。此外，实验期间发生了两次未预料的气象干扰：第一次营养脉冲后9天（DOY 185–190）出现了持续6天的表层水温升高事件（热事件）；第二次营养脉冲后（DOY 223）发生了德雷cho（derecho）风暴。由于缺乏集水区，这两次干扰均未增加池塘的营养负荷；然而，热浪和风混合均可促进藻华形成。这为评估营养负荷、热浪和风混合对初级生产的相互作用提供了机会，其中参考和处理池塘均经历了热和风干扰，但只有处理池塘有额外的营养脉冲干扰。因此，参考和处理池塘之间的差异强烈反映了营养脉冲干扰的信号，本文将热事件和德雷cho作为实验期间的额外干扰呈现。
数据收集始于DOY 142，即第一次营养添加前34天。每周三次从0.25米深度采集水样测量总营养盐和溶解态营养盐。溶解态营养盐样品在野外通过Whatman玻璃纤维滤膜（0.45 μm）过滤；原水样用于总营养盐分析。样品在运输至实验室前置于冰上保存，并用100 μL浓硫酸保存。为评估初级生产对营养脉冲的响应，使用YSI手持式传感器上的总藻类传感器测量叶绿素a浓度（浮游植物生物量的替代指标）。下文简称叶绿素a。统计分析使用0.1至0.3米深度的平均叶绿素a值。高复杂性脉冲池塘在数据收集最后一天（DOY 241）叶绿素a急剧升高，很可能是一个异常值，因为其叶绿素a时间序列在实验停止前几周基本稳定在1至4 μg L-1之间。因此，将该值从分析中移除，高复杂性池塘的时间序列范围为142至240。
由于浮游植物不是池塘中唯一的初级生产者，且叶绿素a仅指示生态系统内初级生产力的一部分，因此还测量了生态系统代谢以评估所有初级生产者对营养添加的响应。使用部署在最深点0.25米处的miniDOT记录仪每30分钟测量一次溶解氧（DO）浓度。现场气象站提供光合有效辐射和风速测量。使用R语言LakeMetabolizer包中的卡尔曼滤波方法估算日总初级生产量（GPP）、生态系统呼吸（R）和净生态系统生产量（NEP）。在分析之前，通过移除DO比前一次测量下降超过2.0 mg L-1及随后五次DO测量的数据来清理DO数据。这些急剧下降与水柱混合同时发生，错误地影响了代谢估算。数据缺口通过线性插值填补。当物理过程对DO的影响强于生物过程时，基于自由水氧测量的代谢率可能导致错误估算（即负GPP，正R）。错误的代谢估算（根据池塘不同，占4%–18%的天数）在统计分析前被移除。
还监测了附生生物、浮游动物、大型无脊椎动物和鱼类胃容物的生物量。每两周使用改良的Hester-Dendy采样器估算附生生物量面积密度。每周两次通过垂直拖曳1米威斯康星网（63 μm网孔）采样浮游动物。甲壳动物和轮虫鉴定到属（不包括鉴定到目的桡足类），并使用长度-体重回归计算生物量。还在第一次营养脉冲前（DOY 143–175）和第二次营养脉冲后（DOY 211–241）对浮游动物进行了群落组成分析，代表池塘间初始和最终的群落组成。数据在分析前进行Hellinger转换，并使用Bray-Curtis距离矩阵进行非度量多维尺度分析。每两周使用改良的stovepipe采样器采样大型无脊椎动物，并使用立体显微镜鉴定到科（软体动物和昆虫）或纲（水蛭和寡毛类）。实验结束时，通过胃冲洗法获取鱼类（食蚊鱼除外）胃内容物，并使用立体显微镜鉴定到最低可能分类阶元（目）。
**数据分
