多营养级环境DNA与形态监测揭示干旱区河流对环境胁迫因子的尺度依赖性生态响应

《Environmental Research》：Multi-trophic eDNA and morphological monitoring reveal scale-dependent ecological responses to environmental stressors in arid-region rivers

　　eDNA检测到的藻类、浮游动物和底栖类群比形态学调查更多。- 浮游生物、底栖生物和鱼类群落之间的方法一致性存在差异。- eDNA生物多样性格局反映了流域尺度的土地利用和营养盐压力。- 形态学监测捕捉了河段尺度的水质响应。- 整合两种方法可以提高环境压力下的生态评估效果。## 引言淡水生态系统孕育了全球生物多样性的相当大一部分，并提供着支撑人类社会和自然环境的关键生态系统服务。然而，这些系统面临着前所未有的挑战；淡水生物多样性下降的速度远远快于陆地或海洋生态系统（Albert等，2021）。尤其是河流系统，由于自然水资源短缺和人为干扰的双重压力而遭受系统性退化，导致物种、遗传资源和关键生态系统功能的不可逆丧失（Almond等，2022；He等，2019；Reid等，2019）。因此，迫切需要建立高分辨率的生物多样性监测框架，以刻画这些复杂的生态变化。数十年来，水生生境监测一直依赖传统方法，如主动捕获和基于形态学的鉴定。尽管这些方法具有基础性作用，但往往耗力且依赖专业的分类学知识，这限制了监测的空间和时间分辨率，也降低了检测稀有或隐存物种所需的灵敏度（Johnston等，2023；Schmeller等，2017）。相比之下，环境DNA（eDNA）宏条形码技术通过捕获水体中的遗传信号，提供了一种非侵入性、高通量的替代方案（Andres等，2023；Deiner等，2017；Thomsen和Sigsgaard，2019；Weber等，2024）。尽管前景广阔，但eDNA的实际效用仍是积极讨论的话题，因为比较研究因实验设计和指标差异而往往得出不一致的结果（Czeglédi等，2021；Pereira等，2021；Shi等，2023；Zhang等，2025）。此外，现有研究主要集中于单一分类群（Apothéloz-Perret-Gentil等，2021；Suter等，2021）或简化的物种丰富度比较（Varrella等，2025；Xiao等，2025），很大程度上忽视了这些方法解析复杂群落结构和追踪多个生物类群环境响应的潜力。为弥补这些不足，本研究以中国宁夏的_diannong河_流域为研究对象，该流域是干旱地区一个具有代表性的天然-人工复合水系。此类河流系统以显著的时间动态性、高度的空间异质性和严重的人为压力（尤其是农业排水和流量调控）为特征（Datry等，2014）。鉴于这些复杂的水文条件，传统监测方法可能存在空间和分类学上的局限性。因此，将eDNA宏条形码与形态学监测进行比较，可以为综合生态评估框架提供支持。通过系统比较两种方法的性能——涵盖真核藻类、浮游动物、底栖大型无脊椎动物和鱼类——本研究旨在：（1）比较分类学记录：系统比较eDNA宏条形码与传统形态学方法在这些类群中的分类记录及重叠情况。（2）刻画空间群落格局：量化两种方法在不同生境中的空间一致性，并评估群落分布格局的一致性。（3）确定各自对环境梯度的敏感性：利用模型识别这两种方法对2公里周边景观变量和站点尺度水质条件的差异性敏感性。## 研究区域与采样_diannong河_全长180.5公里，流域面积4,391平方公里，是干旱宁夏地区一个典型的天然-人工复合水生生态系统（Zhang等，2026）。历史上，该河流起源于黄河冲积平原的天然排水通道；然而，数十年的快速城市化和灌溉扩张已使其转变为一个高度调控的水廊道，既作为主要排水干道，又是重要的生态通道。该流域位于## 群落组成与空间格局利用eDNA宏条形码技术，我们记录了305个真核藻类、229个浮游动物、226个底栖大型无脊椎动物和24个鱼类的名义种级分类单元。形态学监测分别为这些类群记录了160、63、80和25个名义种级分类单元。在纲级水平上，eDNA在所有样本中记录了14个纲，而形态学方法仅记录了4个纲（图2A）。群落组成揭示了生境的异质性：Clitellata在底栖类群中占主导地位。## 方法互补性：协调eDNA宏条形码与形态学监测韦恩图分析显示，形态学鉴定与eDNA宏条形码在属级归因上的重叠有限。两种方法在采样体积、介质、生境覆盖、生物体大小范围和采样器具选择性等方面存在差异；因此，物种清单的差异不应仅仅归因于分析检测效率的差异（Deiner等，2017）。在各自的采样流程下，eDNA在藻类、浮游动物和底栖大型无脊椎动物中记录的分类类别更多。Shannon和## 结论本研究表明，eDNA宏条形码和传统形态学监测提供具有方法特异性但相互补充的生态学信息，尤其是在干旱地区河流的复杂人为改造生态系统中。我们的结果表明，这两种方法之间的差异可能反映了采样设计以及环境信号的物理和生物学行为。具体而言，水文输运可能导致浮游类群内的空间解耦。## CRediT作者贡献声明**周心怡：** 撰写——原稿、可视化、软件、方法学、调查、形式化分析、数据管理、概念化。**周雄东：** 撰写——审阅与编辑、监督、方法学、概念化。**徐梦真：** 撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念化。## 未引用参考文献Djurhuus等，2020；Gao等，2024；Lai等，2024；Múrria等，2024。## 数据可用性数据和代码可根据要求提供。## 数据可用性支持本研究结果的数据和代码可在合理请求下向通讯作者获取。## 资助本研究得到**国家自然科学基金**（项目号：U2243222）和清华大学-银川水联网及**数字**水治理联合研究院专项项目（项目号：SKL-IOW-2022TC2210）的资助。## 利益冲突声明作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。## 致谢本研究得到**国家自然科学基金**（项目号：U2243222）和清华大学-银川水联网及**数字**水治理联合研究院专项项目（项目号：SKL-IOW-2022TC2210）的资助。我们感谢宁夏水产研究所提供实验室设施并在eDNA野外采样过程中给予宝贵的支持。我们同样感谢清华大学-银川联合周心怡|周雄东|徐梦真