胡桃醌浓度差异的叶片对温带城市溪流无脊椎动物定殖的影响研究

《Hydrobiology》：Colonization of Leaves Produced with Varying Concentrations of Juglone by Temperate Urban Stream Invertebrates

　　

摘要 利用本地长寿树种恢复河岸缓冲带的兴趣日益增加，黑胡桃（Juglans nigra）在美国东部广泛的地理范围内似乎是颇具吸引力的候选树种。然而，关于胡桃醌（juglone，这些落叶乔木产生的化感化学物质）对邻近溪流群落潜在意外后果的研究却很少。当前研究考察了溪流大型无脊椎动物对含有四种落叶乔木树种叶片的叶包（leaf packs）的定殖情况，这些树种的叶片中叶绿素含量（春季冠层）不同，且胡桃醌水平和结构刚度各异：黑胡桃、糙皮山核桃（shagbark hickory）、鹅掌楸（tulip poplar）和红橡（red oak）。为评估溪流无脊椎动物群落响应对本地溪流的一致性，研究人员在三个连续夏季中，于三条不同的溪流中部署叶包一周，随后鉴定并计数叶包内的无脊椎动物。尽管不同溪流之间存在显著差异，但定殖于不同树种叶片上的无脊椎动物群落通常并无差异，且存在的任何差异不太可能由叶片中胡桃醌水平所致。因此，因当地种植黑胡桃而导致进入溪流的胡桃醌水平增加，不太可能对水生大型无脊椎动物产生负面影响。然而，与其他受试树种相比，黑胡桃叶片更快速的破碎化表明，若其他树种不与黑胡桃间植，则外来粗颗粒有机物质（allochthonous coarse particulate organic matter）资源的持久性可能受到负面影响。

论文解读：胡桃醌含量差异叶片对温带城市溪流无脊椎动物定殖的影响

一、研究背景与问题

河岸森林种植是一种成熟的恢复技术，常用于稳定河岸、减少侵蚀、增加溪流遮蔽以及减轻非点源污染。在选择种植树种时，优先使用本地物种通常是理想选择。黑胡桃（Juglans nigra L.）是一种原生于美国东部大部分地区的硬木树种，能耐受多种胁迫因素，包括气溶胶盐、温度、沉积物粒径和pH值。虽然黑胡桃通常散生于其他硬木之间且很少大量出现，但其常见于原生栖息地的溪流岸边，且种植黑胡桃的存活率可超过90%。

然而，在通过沿河岸缓冲带大量种植来增加该地区胡桃的局部密度之前，应考虑潜在的意外影响。胡桃醌（juglone，5-羟基-1,4-萘醌）在黑胡桃树所有绿色和生长部分中含量可观。胡桃醌具有天然产物生物杀灭剂中测试过的最高毒性水平之一，即使低浓度也能产生广泛的毒性效应，影响范围涵盖原生生物、真菌和动物。胡桃醌对植食性陆生昆虫的杀虫效果已被广泛报道。胡桃科（Juglandaceae）其他物种产生的胡桃醌浓度低于黑胡桃，但这些较低水平仍是有效的昆虫取食威慑物。

低序林地溪流的主要能量来源是外来输入，尤其是叶片累积物，因此溪流河道附近的树木可能是人类改变的影响溪流大型无脊椎动物群落的最重要单一因素。源头溪流最显著的特征是初级生产者稀少，而以粗颗粒有机物质（CPOM，coarse particulate organic matter）为食的无脊椎动物（主要是幼虫期昆虫）丰富。除作为食物外，CPOM还为大型无脊椎动物提供庇护所。落叶（秋季及干旱响应）以及日益增多的严重夏季风暴造成的大面积树木损伤，使得黑胡桃叶片很可能进入当地溪流生态系统。因此，尽管在溪流附近种植黑胡桃因多种原因具有吸引力，但有目的地增加这种落叶乔木的存在可能产生意外后果。

目前很少有研究考察黑胡桃或糙皮山核桃叶片对溪流大型无脊椎动物定殖的可接受性。胡桃醌溶解度不高，因此可能不会对树木材料下游的水生群落构成较大风险。然而，低溶解度也意味着完整叶片将保留潜在有毒的胡桃醌。叶片累积物内减缓的水流可能在存在胡桃科物种叶片时提高局部胡桃醌浓度，从而可能影响大型无脊椎动物对这些叶片的定殖和使用。遗憾的是，胡桃醌的影响可能是物种特异性的。虽然河流系统传统上在秋季接收大量落叶输入，但春季和夏季的主要食物资源通常是营养价值低的细碎屑。气候变化驱动的严重夏季风暴增加，提高了风损伤从某些森林树木上剥离新鲜绿色叶片的概率，并增加了洪水在一年中缺乏其他营养丰富外来物质可用的季节将更大树枝移入溪流的可能性。迄今为止，绿色叶片实验研究很少，因为大多数河岸叶包研究使用秋季脱落叶片。但衰老叶片会撤回养分，降低黑胡桃的C:N比和胡桃醌浓度，因此大型无脊椎动物对叶片类型的利用在绿色叶片和秋季叶片之间可能显著不同。

二、研究内容与结论

研究人员在三个连续夏季中，于三条低序城市溪流中部署了单一物种的绿色叶片叶包，比较了胡桃醌浓度水平不同的叶片（据文献报道）：黑胡桃=高，糙皮山核桃=低，鹅掌楸和红橡=无，尽管红橡含有高单宁和木质素。研究预期最大密度和多样性的无脊椎动物，尤其是污染敏感EPT（蜉蝣目Ephemeroptera、襀翅目Plecoptera和毛翅目Trichoptera）成员，将栖息于鹅掌楸叶包中，因其叶片薄而柔韧且不含胡桃醌或单宁。研究预测红橡和糙皮山核桃叶片将以高木质素（橡树）或低浓度强效胡桃醌（山核桃）的威慑权衡吸引中等密度的无脊椎动物，且几乎没有动物会定殖黑胡桃叶片。识别水生分类群是否会进入这些叶片包，是形成关于在 aquatic ecosystems 附近增加种植含胡桃醌树木可能产生意外后果预测的关键。

研究结果表明，胡桃醌即使存在于黑胡桃叶片中可能的最高天然浓度水平，也不会阻止当地城市溪流无脊椎动物的定殖。无论响应变量如何，大型无脊椎动物通常不会显著区分实验中使用的叶片种类。对于含有糙皮山核桃叶片的叶包，在乔丹溪（Jordan Creek）和小利哈伊溪（Little Lehigh），年份对叶包内动物总数有显著影响，但叶片种类无显著影响；叶片种类对香农-维纳多样性指数有显著影响，黑胡桃显著低于糙皮山核桃；叶片种类和年份对%EPT均有显著影响，鹅掌楸显著低于糙皮山核桃和黑胡桃。在雪松溪（Cedar Creek）中，叶片种类对任何整体群落指标均无显著影响。对于含有红橡叶片的叶包，叶片种类对动物总数和总分类群数无显著影响，但对香农-维纳多样性指数和%EPT有显著影响，红橡显著低于鹅掌楸，且%EPT显著低于鹅掌楸和黑胡桃。常见分类群分析中，叶片种类对端足目、蜉蝣目、涡虫和毛翅目密度无显著影响，但对等足目和襀翅目密度有显著影响。黑胡桃和鹅掌楸叶片中的等足目定殖者显著少于雪松溪的糙皮山核桃叶包，但乔丹溪中叶片种类间无显著成对差异。显著更多的襀翅目（Plecoptera）定殖于黑胡桃叶片而非鹅掌楸叶片。在科级水平上，叶片种类对任何常见科密度均无显著影响。

三、关键技术方法

研究采用野外叶包部署实验，于三个夏季在三条石灰岩影响的低序城市溪流（乔丹溪、小利哈伊溪和雪松溪）中进行。实验设计改编自Hoffman和Iyengar的方法，使用15×15厘米塑料网袋（Vexar五金网，孔径1.27×1.27厘米）制作单物种叶包，每包含11.5-12.5克（目标12.0克）绿色叶片。九个叶包以方形排列组成叶垫（mat），每包间距30厘米，用塑料扎带固定，叶垫用金属帐篷桩紧贴河床。每个叶垫含三种叶片物种，部署于急流区，每对叶垫间距至少3米。叶片在采集当天处理，去除叶柄以标准化叶面积。叶包在水中浸泡一周后回收，在实验室内将叶片和网袋分开置于白桶中，收集所有宏观动物，样品水经1毫米孔径玻璃纤维网过滤，70%乙醇保存。标本在显微镜下鉴定，2023年鉴定至目级（摇蚊科和入侵性新西兰泥螺单独计数），2024和2025年昆虫鉴定至科级，甲壳类、涡虫和螺类鉴定至目级。数据分析采用置换多元方差分析（PERMANOVA，Permutational Multivariate Analysis of Variance），以叶片种类为主效应，叶垫嵌套于溪流内作为区组因子，年份作为另一区组因子；对异方差性使用线性混合效应模型和varIdent方差结构处理；雪松溪数据因样本量不均单独采用单因素方差分析（ANOVA）。

四、研究结果

1. 1.
   整体群落指标（含糙皮山核桃叶垫）：在乔丹溪和小利哈伊溪中，叶片种类对动物总数无显著影响，年份有显著影响（2023年低于2024年）；叶片种类对香农-维纳多样性指数有显著影响，黑胡桃显著低于糙皮山核桃；叶片种类和年份对%EPT均有显著影响，鹅掌楸显著低于糙皮山核桃和黑胡桃，且%EPT值从2023到2025逐年下降。在雪松溪中，叶片种类对任何整体指标均无显著影响。
2. 2.
   整体群落指标（含红橡叶垫）：在乔丹溪和雪松溪中，叶片种类对动物总数和总分类群数无显著影响；叶片种类对香农-维纳多样性指数和%EPT有显著影响，红橡显著低于鹅掌楸，且红橡的%EPT显著低于鹅掌楸和黑胡桃。
3. 3.
   常见分类群（目级及以上，含糙皮山核桃叶垫）：叶片种类对端足目、蜉蝣目、涡虫和毛翅目密度无显著影响；叶片种类对等足目和襀翅目密度有显著影响。黑胡桃和鹅掌楸叶片中的等足目定殖者显著少于雪松溪的糙皮山核桃叶包，但乔丹溪中无显著成对差异。显著更多的襀翅目定殖于黑胡桃叶片而非鹅掌楸叶片。
4. 4.
   常见分类群（科级，含糙皮山核桃叶垫）：叶片种类对蜉蝣目Baetidae和Caenidae、双翅目Chironomidae和Simuliidae、毛翅目Hydroptilidae和Philopotamidae、Elmidae甲虫及新西兰泥螺的密度均无显著影响。
5. 5.
   常见分类群（含红橡叶垫）：在乔丹溪和雪松溪中，叶片种类对Baetidae、Chironomidae、涡虫、等足目和Simuliidae的密度均无显著影响。

五、讨论与结论

叶片凋落物输入可为大型无脊椎动物提供栖息地多样性，并影响能量和营养流动。但所植树木的身份对水生生态系统有关键影响。因此，为溪流修复项目选择河岸植物可对超出当地陆地生态系统产生重要的长期后果。该研究旨在评估在溪边大量种植含胡桃醌落叶树木的意外后果风险水平，因为大多数底栖河流昆虫物种利用溪流中的碎屑作为庇护所，并且是机会主义取食者，在一定程度上摄入碎屑。该研究是首次对溪流大型无脊椎动物是否会定殖含胡桃醌新鲜叶片的野外考察。

跨所有三条溪流和三个年份，含糙皮山核桃和黑胡桃叶片的叶包被定殖的程度与不含胡桃醌的叶片（鹅掌楸或红橡）相似，表明如果胡桃醌保留在溪流碎屑中，它不会比所考察的其他树种特征更能威慑水生碎屑取食者。黑胡桃实际上可能为碎屑取食者提供营养丰富的食物资源，因其C:N比相对较低。胡桃醌虽然可能对某些陆生杂草和害虫是有效的生物杀灭剂，但在浸没于溪流时要么快速降解或从叶片中浸出，要么显然不会威慑水生大型无脊椎动物的定殖，这些动物主要由幼虫期昆虫组成。确实，在检查通常对污染物最敏感的襀翅目和蜉蝣目密度时，襀翅目在无胡桃醌的鹅掌楸叶片中的密度显著低于黑胡桃叶包，而蜉蝣目定殖者密度在三种叶片间无显著差异。

研究发现含胡桃醌树木的叶片仍可被大型无脊椎动物栖息，尽管其已知对许多陆生昆虫有杀虫效果，这与先前水生大型无脊椎动物生长和取食研究一致。Swan和Palmer证明水生撕食者在实验室中提供黑胡桃叶片时与提供所考察的其他四种叶片物种时生长速率相似。取食糙皮山核桃叶片时，某些大蚊、石蛾、蜉蝣甚至襀翅目物种比取食无胡桃醌的自养物质生长更快。端足目偏好取食山核桃叶片而非其他五种无胡桃醌叶片物种。因此，该研究发现浸没一周后底栖大型无脊椎动物群落定殖胡桃和山核桃叶包的程度与无胡桃醌叶片相似，这一发现得到了充分支持。

叶包作为庇护所的定殖而非作为食物利用，可能消除了胡桃醌对细菌和真菌生长（导致“叶片调理”）任何潜在负面影响的的重要性。Cabrini等人在受损溪流中的研究表明，定殖叶包的大型无脊椎动物组合受水质影响大于受叶片类型影响。Beiser等人注意到大多数定殖无脊椎动物对叶片物种明显缺乏区分，大多数收集到的大型无脊椎动物分类群在包括山核桃、鹅掌楸和橡树叶在内的叶片类型中数量相似。该研究结果表明叶片类型不会显著直接影响大型无脊椎动物组合，即使某些叶片在树木保留叶片时含有威慑性化学物质如胡桃醌和单宁。因此，城市地区水质的改善（尤其是通过种植在径流进入溪流前增加过滤）可能比河岸植被具体物种身份更重要。

然而，该研究存在局限性。所有三条研究溪流都是靠近大城市（美国宾夕法尼亚州阿伦敦）的石灰岩影响溪流。石灰岩泉水具有不同于自由石溪流的、低得多的生物指数评估阈值。因此，尚不清楚在不受石灰岩影响的自由石溪流或石灰岩溪流的原始源头中，胡桃醌水平不同叶片物种的等效利用是否普遍成立，这些地点可能含有比研究地点更多的污染敏感分类群。但研究的三条溪流中均含有蜉蝣目和毛翅目，乔丹溪甚至含有襀翅目。因此，合成胡桃醌树木的绿色叶片的使用模式，以定殖为证据，即使在部分污染敏感分类群中也显得稳健。未来在自由石溪流中的研究将具有重要意义。

值得注意的是，黑胡桃叶片在部署一周内破碎成大量小片，显著快于其他三种叶片物种。事实上，黑胡桃叶片的大量破碎排除了部署超过一周的可能性，以防叶包在表面积和生物量方面失去等效性。仅靠叶包坚硬网袋的结构支撑防止了黑胡桃叶片碎片在一周浸没后向下游冲走。叶片凋落物破碎速率的改变可影响叶包内物理栖息地，从而影响常驻大型无脊椎动物群落。无脊椎动物定殖程度可能不仅取决于叶片所含化学物质，还取决于庇护结构、破碎程度、可定殖表面积和通过叶包的水流。例如，如果较小叶片碎片中升高的流速导致局部氧水平升高，同时仍提供免受视觉定向捕食者遮蔽，这可能补偿了胡桃醌的潜在威慑，导致不同叶片类型间等效定殖率。当前研究无法区分胡桃醌的任何可能效应与叶包物理结构改变。不受人工叶包限制的叶片破碎速率升高可影响溪流内叶片庇护所的持久性。小碎片通常较少有机会在溪流内拦截点滞留并形成叶包。叶片因破碎而快速输出可影响撕食者的多样性和生物量，因为局部可用食物可能减少，这些变化可能通过食物网产生自下而上的效应。黑胡桃叶片在溪流内的快速物理破碎可能比叶片中嵌入的胡桃醌化合物的影响更令人担忧，如果黑胡桃叶片不太可能为溪流碎屑取食者群落提供长期滋养或庇护。事实上，由于黑胡桃绿色叶片完整性持续时间短，研究只能评估早期定殖者的短期定殖模式。同样含胡桃醌但破碎速率远不及黑胡桃的糙皮山核桃叶片，如果目标是向溪流内大型无脊椎动物提供持久庇护所和食物资源，可能是稳定河岸的更好选择。

结论：产生并在叶片中沉积胡桃醌的树木叶片，在当地石灰岩影响的城市溪流中显然不会威慑大型无脊椎动物定殖。黑胡桃和糙皮山核桃等物种可能为美国保护工作的植树提供机会。然而，黑胡桃应与其他产生慢破碎落叶的物种间植，因为仅黑胡桃叶片可能无法提供长寿庇护所。当前的单物种叶包实验之后，应在自由石溪流中进行类似研究，以及使用混合物种组合的相关研究，以确定研究发现的广泛适用性，并考察包含黑胡桃的某些叶片物种组合是否会在超过一周的长期观察中影响定殖模式。