公民科学观测与环境DNA（eDNA）在花园池塘两栖动物调查中的一致性与偏差

《Basic and Applied Ecology》：Citizen-science observations versus eDNA: congruence and biases in amphibian surveys of garden ponds

　　

淡水栖息地是地球上受威胁最严重的生态系统之一（V?r?smarty et al. 2010；Sayer et al. 2025）。尽管如此，这些系统仍支撑着不成比例的高生物多样性，包括全球脊椎动物多样性的很大一部分（Tickner et al. 2020）。在淡水栖息地中，池塘尽管面积小，却对局部和区域生物多样性做出了不成比例的贡献（Céréghino et al. 2008；Davies et al. 2008）。在城市和农业景观中，人工花园池塘可能部分补偿自然池塘的丧失（Gledhill et al. 2008），并且当作为一个整体（pondscapes）考虑时，可对区域淡水栖息地面积做出实质性贡献（Davies et al. 2009；Oertli et al. 2023）。花园池塘在私人土地上的广泛分布也使其成为开发和测试大规模生物多样性评估方法的重要系统。 公民科学能够在大的空间尺度上并以高空间重复性实现对花园池塘生物多样性的调查（Davies et al. 2009；Márton et al. 2025），因为这些池塘位于研究人员无法进入的私人地产上（Wood et al. 2003；Hamer et al. 2024；Horváth et al. 2025）。然而，公民科学项目通常依赖视觉物种鉴定，这可能在检测和分类鉴定中引入偏差。环境DNA（eDNA）方法通过检测水样中的遗传物质来评估池塘生物多样性，往往能提高水生类群的检测率（Biggs et al. 2015；Horváth et al. 2025），为池塘生物多样性评估提供了互补性工具。然而，尽管eDNA在公民科学中的应用日益增多，基于观测和基于eDNA的公民科学方法是否能产生可比的生物多样性估计和生态推断，目前仍知之甚少。 在此，研究人员使用了来自匈牙利281个花园池塘的公民科学数据，基于公民直接观测和公民采集的eDNA宏条形码（metabarcoding），比较了这些方法如何表征两栖动物群落及其衍生的生态推断。选择两栖动物作为研究对象，是因为它们常见于花园池塘（Oertli and Parris 2019），对土地利用变化和污染敏感（Hamer and McDonnell 2008），且在全球范围内受到威胁（Luedtke et al. 2023）。研究人员还比较了eDNA对鱼类的检测与池塘所有者记录的鱼类引入情况，因为鱼类对两栖动物群落有强烈影响（Wellborn et al. 1996）。为评估方法性能，研究人员在所有池塘中比较了公民观测与eDNA检测，并进一步在布达佩斯额外的38个花园池塘中，将两种方法与研究人员进行的系统调查和eDNA采样进行了比较。随后研究人员提出了以下问题：（1）基于观测和基于eDNA的公民科学在两栖动物和鱼类检测方面有何差异；（2）两栖动物物种丰富度估计及物种-环境关系在观测、eDNA和组合数据集中的一致性程度如何；（3）依赖单一方法可能如何影响生态推断。

论文解读

一、研究背景与问题

淡水栖息地是地球上受威胁最严重的生态系统之一，但支撑着全球脊椎动物多样性的很大一部分。在淡水栖息地中，池塘尽管面积小，却对局部和区域生物多样性贡献巨大。在城市和农业景观中，人工花园池塘可部分补偿自然池塘的丧失，并在区域尺度上贡献淡水栖息地面积。花园池塘广泛分布于私人土地，为大规模生物多样性评估方法的开发和测试提供了宝贵系统。

公民科学使花园池塘生物多样性调查能够在大空间尺度上以高空间重复性进行，因为池塘位于研究人员无法进入的私人地产上。然而，公民科学项目通常依赖视觉物种鉴定，这可能在检测和分类鉴定中引入偏差。环境DNA（eDNA）方法通过检测水样中的遗传物质评估池塘生物多样性，往往能提高水生类群检测率，为池塘生物多样性评估提供了互补性工具。尽管eDNA在公民科学中的应用日益增多，基于观测和基于eDNA的公民科学方法是否能产生可比的生物多样性估计和生态推断，目前仍知之甚少。因此，开展本研究的核心动机在于系统比较两种方法在花园池塘两栖动物调查中的表现差异，评估其对生态推断的影响。

二、研究内容与结论概述

研究人员利用匈牙利281个花园池塘的公民科学数据，基于公民直接观测和公民采集的eDNA宏条形码，比较了两种方法对两栖动物群落的表征及其生态推断。选择两栖动物是因为其常见于花园池塘、对土地利用变化和污染敏感且全球受威胁。研究人员还比较了eDNA鱼类检测与池塘所有者记录的鱼类引入情况。为评估方法性能，研究人员进一步在布达佩斯额外38个花园池塘中，将两种方法与研究人员进行的系统调查和eDNA采样进行了比较。研究得出以下主要结论：eDNA检测到每池塘物种数更多，公民观测更频繁记录到稀有物种；物种丰富度与环境协变量的关系在很大程度上独立于采样方法；两种方法提供互补但不可互换的两栖动物群落信息。

三、关键技术方法

研究人员采用的主要技术方法包括：公民科学观测数据收集，通过“MyPond”项目在线问卷由池塘所有者报告两栖动物观测记录，最终数据集包含281个分布于匈牙利的花园池塘；公民采集eDNA样本，参与者按标准化方案从多个岸边位置采集池塘水样，经Sterivex膜过滤器（0.45 μm）现场过滤并乙醇保存，采样时间为2022年4–5月；系统野外调查，在布达佩斯36 km半径内额外选择38个私人花园池塘，进行5分钟声学调查、视觉搜索和捞网采样，同时采集水样和eDNA样本；实验室水化学分析，采用分光光度法测量微量元素、类金属和总磷（TP）浓度，使用Multi N/C 3100分析仪测量总有机碳（TOC）和总氮（TN），电导率和pH用水质计测量；宏条形码分析，DNA提取后送至EnviroDNA进行聚合酶链反应（PCR）、测序和生物信息学分析，使用通用脊椎动物12S检测，经VSEARCH软件进行质量控制、去噪、嵌合体去除和分类分配，以95%相似性阈值比对NCBI参考数据库。

四、研究结果

两栖动物检测：基于观测与基于eDNA的方法比较

在281个花园池塘中，公民科学家直接观测到13个物种，而公民采集的eDNA检测到12个物种，区域物种库共17种。两种方法最常检测到的类群均为Pelophylax spp.、Bufo bufo和Rana dalmatina。eDNA对Bufo bufo和Rana dalmatina的检测频率更高，但每种方法检测的相似性中等（S?rensen相似性指数S_s分别为0.34和0.31）。Lissotriton vulgaris在两种方法间一致性相对较高（S_s＝0.54），而四个物种仅被一种方法检测到（S_s＝0）。公民科学家更频繁记录到稀有物种，包括Rana arvalis和Triturus dobrogicus。Salamandra salamandra仅由公民观测记录，而Ichthyosaura alpestris在单个池塘被两种方法检测到。eDNA每池塘最多检测到7个两栖动物物种，公民观测最多记录到6个物种。在75个池塘（26.7%）中，公民报告无两栖动物，但eDNA检测到至少一个物种。

系统调查验证

在38个花园池塘中，研究人员标准化调查检测到4个两栖动物物种，公民科学家观测到9个物种，eDNA宏条形码检测到6个物种。标准化调查与eDNA宏条形码在9个物种检测中的相似性总体较高（平均S_s：0.287，95%贝叶斯可信区间BCI：0.024–0.552），高于公民科学家观测（平均S_s：0.172，95% BCI：0.011–0.333）。

鱼类检测

结合池塘所有者报告和eDNA，254个池塘（90.4%）记录到鱼类。池塘所有者报告在223个池塘（79.4%）引入鱼类，eDNA在230个池塘（81.9%）检测到鱼类。eDNA在31个所有者报告未引入的池塘检测到鱼类，而在24个所有者报告引入的池塘未检测到鱼类。总体而言，所有者报告与eDNA的相似性较高（S_s＝0.88）。eDNA检测到15科21属鱼类，但仅9个类群可鉴定到物种水平。最常检测到的鱼类物种为Cyprinus carpio（35.2%）。在38个验证池塘中，eDNA检测到8科10属鱼类，所有者报告和eDNA检测与系统调查鱼类检测的一致性均较高（S_s均为0.93）。

两栖动物物种丰富度与环境、景观和空间变量关系的差异

两个回归模型的结果相对相似，表明观测和eDNA检测数据在确定花园池塘两栖动物物种丰富度环境驱动因素方面高度一致。模型2显示观测方法（方法＝1）与物种丰富度呈负相关，但95% BCI广泛重叠零，因此eDNA检测的每池塘估计丰富度更高，但不显著。MEM1、森林覆盖和池塘面积在两个模型中均与丰富度正相关（95% BCI均不重叠零），而鱼类存在与丰富度呈负相关。森林覆盖、池塘面积或鱼类存在与方法之间无显著交互作用。模型2中，物种丰富度与PCA2（总氮、总磷和总有机碳）呈负相关，且PCA2与方法之间的正交互作用表明该关系在eDNA数据中更强，但95% BCI与零有轻微重叠，存在一定不确定性。

五、讨论与结论

讨论总结

公民科学家直接观测与eDNA宏条形码的物种检测相似，但公民更可能观测到稀有物种，可能因为公民在较长时期内监测池塘，增加了记录稀有物种的机会。稀有物种也可能在eDNA样本中被常见物种高浓度DNA淹没而漏检。eDNA宏条形码总体上检测到更多物种，并揭示了公民观测数据中的假阴性，对Bufo bufo和Rana dalmatina的检测频率远高，这可能反映了两物种的爆发式繁殖策略，繁殖成体仅在早春短暂出现于池塘，而幼虫可能在eDNA采样期间存在。鱼类引入报告与eDNA检测相似性高，可能因为鱼类是永久栖息者，持续脱落DNA且可能高密度存在。少数池塘eDNA检测到鱼类但所有者报告未引入，可能通过水鸟传播；少数报告引入但未检测到鱼类DNA的池塘，可能因捕食（如苍鹭）导致鱼类被移除，其eDNA在移除后一周内降解至检测阈值以下。

物种丰富度回归模型显示观测和eDNA数据在环境驱动因素方面高度一致。模型2显示丰富度与PCA2（总氮、总磷和总有机碳）呈负相关，且该关系在eDNA数据中更强。高水平的TN、TP和TOC可降低两栖动物幼虫存活率并减少池塘物种丰富度。部分花园池塘的氮浓度被认为对两栖动物繁殖不安全。两个模型均显示鱼类存在与物种丰富度呈负相关，与鱼类对两栖动物的负面影响研究一致。鲤科鱼类（如锦鲤、金鱼）是花园池塘中最常见的鱼类，可通过捕食卵和幼虫对两栖动物产生负面影响。两个模型均一致显示池塘空间位置、池塘面积和森林覆盖对物种丰富度有正向影响。布达佩斯花园池塘物种较少，城市密度最高，如MEM1所示，城市地区物种丰富度通常低于非城市地区，突出了城市化在大地理尺度上的负面影响。

结论翻译

在大的空间尺度上监测池塘两栖动物群落仍具挑战性，但公民科学方法可以提供比研究人员单独实现更大规模的数据。研究显示，公民科学家收集的观测和eDNA数据均可有效用于调查分布在匈牙利各地的281个花园池塘的两栖动物。尽管eDNA检测到的稀有物种较少，但两种检测数据在物种丰富度关系方面几乎没有差异。因此，结合这两种方法可以潜在地提高物种检测的可靠性以及两栖动物群落对环境因素响应推断的可靠性。