《Molecular Ecology》：Dietary Niches and Their Consequences for Five Insectivorous Passerines in a Seasonal Boreal Setting
编辑推荐：
为理解气候变化及其他干扰对生态系统的影响，能够揭示生物相互作用复杂性的方法学至关重要。本研究对在北方森林中筑巢的五种雀形目鸟类进行了饮食研究：冠山雀 Lophophanes cristatus、柳山雀 Poecile montanus、蓝山雀 Cyaniste
为理解气候变化及其他干扰对生态系统的影响，能够揭示生物相互作用复杂性的方法学至关重要。本研究对在北方森林中筑巢的五种雀形目鸟类进行了饮食研究：冠山雀 Lophophanes cristatus、柳山雀 Poecile montanus、蓝山雀 Cyanistes caeruleus、大山雀 Parus major 和斑姬鹟 Ficedula hypoleuca。研究人员采用DNA宏条形码（metabarcoding）技术描述其在繁殖季节的节肢动物猎物，并将饮食特征与繁殖成功率相联系，以理解鸟类对特定猎物的依赖性。鸟类的饮食包含数百个节肢动物分类单元，表现出相当大的丰富度和年际变异。大多数猎物身份被鉴定至物种水平。最常见的猎物为鳞翅目（Lepidoptera），其次为双翅目（Diptera）、鞘翅目（Coleoptera）和蜘蛛目（Araneae）。饮食重叠为低至中等水平，与时间重叠一致，并在三个研究年份间波动。鳞翅目及其幼虫的较高摄入量与蓝山雀较高的繁殖成功率密切相关，大山雀次之。相比之下，冠山雀、柳山雀和斑姬鹟的繁殖成功率较为稳定，不依赖于特定猎物。结果表明，较近期定居的蓝山雀和大山雀在相对资源贫乏的北方环境中难以最优利用资源。这种对当地觅食条件的良好适应与红皮书所列的冠山雀和柳山雀种群下降趋势形成对比。本研究凸显了节肢动物群落和食虫动物食物网的复杂性，并展示了分子方法如何用于研究生态相互作用。
**研究背景与意义**
在全球气候变化、农业集约化、林业经营和城市化等多重人为干扰下，自然世界正经历深刻重塑。部分物种借助环境变化扩展分布范围并使种群增长，另一些物种则因栖息地破碎化和萎缩而种群下降甚至局部灭绝。同一生物在其分布区不同部分可能同时经历这两种过程，导致整体分布格局的位移。随着温度升高改变季节性模式，生物可能调整其季节性行为的时间。然而，决定生物能否以及在多大程度上响应并充分适应变化环境条件的生理和遗传因素众多，且生物相互作用既影响适应的必要性也影响其难易程度。长期以来，实际检测和绘制涉及大量物种的相互作用网络极为困难，阻碍了对生态系统复杂网络中相互作用级联变化的理解。近年来分子技术的进步使生态学家得以开始揭示这些此前隐秘的相互作用。
在此背景下，研究人员在芬兰北方森林中开展了为期三年的饮食研究，涉及五种小型雀形目鸟类：冠山雀、柳山雀、蓝山雀、大山雀（均为山雀科Paridae）和斑姬鹟（鹟科Muscicapidae）。芬兰的冠山雀和柳山雀种群近几十年来急剧下降，两者均已被列入红皮书；相比之下，蓝山雀和大山雀在过去一个世纪中向北扩展了分布范围。过去几十年间，当地鳞翅目昆虫的分布和季节性时间也发生了显著但多变的变化，其幼虫尤其被视为这些鸟类的重要猎物。随着鳞翅目昆虫物候随春季温度升高而提前，依赖这些猎物育雏的鸟类预计将相应调整繁殖时间。若调整速率不同，可能产生代价高昂的物候错配。然而，该系统中物候位移的速率和同步性水平远非普遍一致，存在显著的种内和种间变异。高纬度地区气候变暖尤为强烈，但迄今为止在该背景下观察到的物候位移有限或错配证据不足。一个关键但此前隐秘的因素可能在于节肢动物群落的差异以及鸟类对这些群落的不同利用方式。
本研究有两个主要目标：（1）描述和解释北方环境中构成五种鸟类雏鸟饮食的节肢动物分类单元的种间和种内变异；（2）探究这些饮食对不同鸟类适合度的后果。研究人员假设，由于历史分布形成的特定猎物关联、精确繁殖时间的差异以及利用不同树种或树体不同部位的不同觅食技术，这些鸟类之间的饮食生态位重叠将有限。研究人员预期，繁殖时间相对较早（冠山雀）或较晚（斑姬鹟）且在资源相对贫乏的北方森林中繁殖历史较长的鸟类（冠山雀、柳山雀和斑姬鹟）将具有更多样的饮食，任何特定猎物的数量较低。鉴于物候同步性在该系统中的预期重要性，研究人员进一步预期在相同时间繁殖的鸟类（柳山雀、蓝山雀和大山雀）饮食中会出现更多相同猎物，即使由于觅食策略不同而数量各异。与上述种群趋势相反，蓝山雀和大山雀的个体巢在北方环境中的表现通常劣于其他山雀类。因此，对于目标（2），研究人员预期最优偏好觅食条件对这些物种影响更大，饮食中鳞翅目比例较高与更大且状况更好的雏鸟窝相关联，而其他物种预期效应较弱或无效应，预测这些物种对当地条件适应更好。
**关键技术方法**
研究人员在芬兰奥卢附近（约65°05′N 25°33′E）的北方森林中，依托长期监测样地（约30 km2，350个巢箱和1000个腐木桩），于2018–2020年采集了五种雀形目鸟类繁殖季的雏鸟粪便样本。在雏鸟13或14日龄（能量需求高峰期）时采集粪便，每窝合并后保存于-20°C。选取336个样本进行DNA提取，扩增线粒体COI条形码区域约150 bp（ZBJ-ArtF1c/ZBJ-ArtR2c引物），在Ion Torrent PGM平台测序。生物信息学分析后，通过BOLD数据库和Protax工具进行分类鉴定，采用相对读数丰度（RRA）作为定量指标。繁殖数据包括窝卵数、雏鸟存活率、雏鸟体重和出飞概率等适合度指标。饮食重叠采用Pianka生态位重叠指数计算，多元分析采用PERMANOVA和DistLM，适合度分析使用R语言中的线性混合效应模型和广义线性混合效应模型。
**研究结果**
**样本及其内容**：369个粪便样本中26个因凝胶电泳失败被排除，最终336个样本用于分析。56%的ASV基于BOLD参考数据100%匹配获得分类鉴定，76%的身份鉴定至物种水平。合并相同身份的读数后，数据包含532个独特猎物身份（其中429个鉴定至物种水平）。样本平均含11.47个不同猎物物种。
**饮食描述**：鳞翅目是 encountered 的17个节肢动物猎物目中丰度最高的，占各鸟类饮食的56%–92%，其次为双翅目。大山雀和斑姬鹟的双翅目平均摄入量超过20%。鞘翅目在冠山雀（7%）和斑姬鹟（10%）中、蜘蛛目在冠山雀（5%）中有值得注意的次要丰度。年际变异明显，鳞翅目在2018年通常比2019年尤其是2020年更为突出；蓝山雀的鳞翅目相对丰度始终最高（>89%）。仅少数猎物物种丰度超过几个百分点：12个平均丰度>5%的猎物物种中，10个为鳞翅目。饮食丰富度以斑姬鹟最高，大山雀次之；考虑样本数量后，冠山雀、柳山雀和蓝山雀的观测丰富度相似。
**生态位重叠**：全饮食的相似性在鸟类间为低至中等。斑姬鹟的饮食最具独特性，仅与大山雀显示较高重叠；最高重叠见于柳山雀、蓝山雀和大山雀之间。大多数物种的饮食在2019年重叠低于2018年，2020年更低。仅分析鳞翅目时重叠分数通常略高于全饮食；仅考虑可能以幼虫形式消费的鳞翅目时重叠更高，柳山雀×蓝山雀和大山雀×蓝山雀的平均分数均超过0.6。PERMANOVA显示几乎所有鸟类对之间差异显著。与落叶树相关的猎物是单一最具影响力的指标；叶卷曲等防御策略、栖息地数据、生命阶段数据和五月日期组合是最具信息量的变量组合。
**饮食对适合度的影响**：鳞翅目幼虫和鳞翅目总体摄入量增加与蓝山雀雏鸟体重呈正相关。出飞概率与蓝山雀饮食中鳞翅目强烈正相关，仅考虑鳞翅目幼虫时蓝山雀和大山雀均呈正相关。成对比较显示蓝山雀与除大山雀外所有其他物种在这些模型上存在显著差异。Levins生态位宽度对任何适合度指标均无明确影响。
**讨论与结论**
本研究首次在北方背景下提供了这五种鸟类猎物的详细记录，得益于芬兰节肢动物尤其是鳞翅目丰富的COI参考数据。研究发现饮食包含数百个猎物物种，饮食重叠通常为中等水平，繁殖时间重叠较多的鸟类（柳山雀、蓝山雀、大山雀）饮食重叠更为突出，鳞翅目幼虫的重叠最为明显。部分共享的饮食并未直接转化为对相似猎物的共同依赖：鳞翅目幼虫比例较低仅与蓝山雀和大山雀（程度较轻）的适合度代价相关。研究人员认为，蓝山雀和大山雀作为较近期从南方定居北方的物种，可能遭受不完全适应北方低资源条件的困扰——蓝山雀的特化与波动的低资源北方条件不匹配，大山雀可能在物理或行为上受限而无法最优利用可用的觅食基质。这种依赖性与物种在当地定居的时间相吻合，可能是扩散至不熟悉区域后适应不良的例子。相比之下，冠山雀、柳山雀和斑姬鹟的繁殖成功率较为稳定，不依赖特定猎物，表现出对当地条件的良好适应。然而，这种看似良好的适应与冠山雀和柳山雀全国种群下降趋势形成对比，但柳山雀的下降可能主要由繁殖季节之外的因素驱动。鉴于饮食重叠有限且繁殖时间几乎完全分离，研究人员认为冠山雀的生态位过于独特，不太可能在繁殖季节受到此类竞争的强烈影响。本研究支持了高纬度地区物候位移有限可能与饮食特化程度较低有关的假说，凸显了季节性昆虫-食虫动物研究系统的复杂性，表明鸟类的特定且多变的饮食有助于解释总粪便量作为猎物可利用性代理指标的解释力不足，以及它们不同繁殖期和不同物候位移的原因。随着鳞翅目昆虫本身已表现出高度多变的物候和分布位移以响应气候变化，需要改善对整个食物高峰架构跨物种、区域和时间的认识，才能理解这些动态食物网及气候变化对自然世界的复杂影响。
