环境DNA(eDNA)揭示中国西南高山静水生态系统中鱼类与两栖动物多样性及分布格局的重大变化——为改善保护与管理提供依据

《Diversity and Distributions》：Environmental DNA Reveals Major Shifts in Fish and Amphibian Diversity and Distribution in Alpine Lentic Ecosystems of Southwest China, Supporting Improved Conservation and Management

　　

【目的】高山静水生态系统(lentic ecosystem)天然缺鱼或无鱼，全球范围内却大量引入非土著鱼类。研究表明外来鱼类对水生生物尤其对栖息地变化高度敏感的两栖动物具负面影响，但青藏高原高山静水生态系统中引入鱼类与土著两栖动物的关联尚不清楚。【地点】中国西南山地——全球生物多样性热点地区。【方法】研究人员采用环境DNA(eDNA)宏条形码(metabarcoding)技术调查鱼类与两栖动物多样性及分布变化；运用广义线性模型(GLM)分析鱼类引入与两栖动物丰富度及出现频率的关系；采用概率物种共现(co-occurrence)分析量化物种共现模式；利用非度量多维尺度分析(NMDS)评估鱼类丰富度与群落组成的关系；采用Raup-Crick相异指数与修正随机比率(modified stochasticity ratio, MST)评估群落相似性与组装机制；并依据观测到的负共现开展移殖鱼类与土著两栖动物捕食实验验证捕食关系。【结果】高山生态系统中引入鱼类物种数为土著种的10倍(20种vs.2种)。区内跨海拔移殖(translocated)鱼类(17种,77.3％)比外来(alien)鱼类(3种,13.6％)物种丰富度和检出率更高；引入鱼类以鲤科Cyprinidae为主(18种,81.8％)，均出现于静水系统。两栖动物丰富度及出现频率与鱼类丰富度呈负相关。引入鱼类提高了两栖动物群落相似性并使群落组装向随机性主导偏移。跨区移殖的金鱼(Carassius auratus)对四川湍蛙(Rhacophorus dugritei)蝌蚪具显著捕食效应，降低其存活率，支持负共现关系。【结论】鱼类引入改变了高山静水生态系统的鱼类多样性与分布，对特定土著两栖动物物种及群落产生负面影响，主要由区内鱼类跨海拔移殖驱动。本研究为中国西南及全球类似高原地区管理引入鱼类及保护受威胁、特有两栖动物提供关键依据。

论文解读——《环境DNA(eDNA)揭示中国西南高山静水生态系统中鱼类与两栖动物多样性及分布格局的重大变化——为改善保护与管理提供依据》

该研究发表于《Diversity and Distributions》。全球两栖动物种群衰退背景下，非土著鱼类引入被认为是重要人为威胁，尤其对原本无鱼的高山静水生态系统(lentic ecosystem，指湖泊、池塘等静水生境)中演化出缺乏鱼类捕食者识别能力的水栖繁殖两栖动物影响显著。青藏高原及周边高山湖泊历史上因地形屏障天然无鱼，但自1990年代起因宗教放生、旅游开发及养殖扩张，从低海拔向高海拔广泛引入鱼类，且引入种数量已超过土著种。已有研究多聚焦北美、欧洲外来(alien)肉食性鱼类(如太阳鱼、狗鱼、鳟鱼)对两栖类的负面影响，较少关注亚洲高山生态系统，且普遍忽视区内跨海拔移殖(intra-regional translocation，指同种鱼从低海拔向同区域内高海拔生境的人为迁移)鲤科(Cyprinidae)广布鱼类的生态后果。本研究以全球生物多样性热点——中国西南横断山区石棉县及周边高海拔区域为对象，采用环境DNA(eDNA)宏条形码技术，首次在群落水平量化不同来源(外来alien vs.区内移殖)非土著鱼类对土著两栖动物(无尾目Anura)丰富度、物种出现频率、群落组成及组装机制的影响，并通过离体捕食实验验证关键种间作用，填补了该区域及鲤科移殖鱼类生态风险认知空白。

主要关键技术方法

研究人员于2022年6—7月及2023年4—5月在中国四川省石棉县及周边海拔971–3928 m的13个高山静水位点与8个流水(lotic)位采集水样，每点沿岸取3个重复2 L水样过滤富集eDNA。以无尾目特异性引物batra_F/batra_R扩增12S rRNA基因片段(~68 bp)，以鱼类引物Ac12S_F/Ac12S_R扩增~390 bp片段，进行Illumina NovaSeq 6000双端测序；生物信息学分析使用OBITools流程质控、去噪、97%相似度比对EMBL及自建本地12S参考数据库进行物种注释。统计分析包括：广义线性模型(GLM)含泊松分布分析两栖动物丰富度与鱼类丰富度及环境因子关系；变异分解(variation partitioning analysis, VPA)量化不同来源鱼类对两栖动物出现的解释度；概率共现分析(co-occur包)检验鱼类与偏好静水两栖动物的共现模式；非度量多维尺度分析(NMDS)基于Bray-Curtis距离评估两栖动物群落组成差异与鱼类丰富度的关联；Raup-Crick相异指数与修正随机比率(modified stochasticity ratio, MST, tNST函数)判断群落相似性与组装过程(确定性vs.随机性主导)；离体捕食实验设金鱼(Carassius auratus)与四川湍蛙(Rhacophorus dugritei)及中华大蟾蜍(Bufo gargarizans)蝌蚪处理组与对照组，记录7 d存活率并用Wilcoxon秩和检验比较。

研究结果

3.1 非土著鱼类生物多样性与分布(Non-Native Fish Biodiversity and Distribution)

eDNA检测到5科22种鱼，其中土著种2种(9.1%)，引入种20种(外来alien 3种占13.6%，区内移殖translocated 17种占77.3%)，引入种数为土著种10倍。引入鱼以鲤科Cyprinidae为主(18种,81.8%)，金鱼(Carassius auratus)与鲤鱼(Cyprinus carpio)检出率最高。移殖种在样点中出现比例高于外来种。结论：高山静水生态系统中非土著鱼类以区内跨海拔移殖鲤科鱼类占绝对优势。

3.2 无尾目(Anura)生物多样性(Anuran Biodiversity)

传统目视与样线法结合历史记录共16种无尾目，eDNA检测到8种(含入侵牛蛙Lithobates catesbeiana)，并新检出传统方法未发现的崇安湍蛙(Amolops chunganensis)及未记载于该区的齿突蟾属(Scutiger)。结论：eDNA可有效补充传统调查遗漏的静水及隐蔽两栖物种。

3.3 无尾目丰富度及物种出现频率与鱼类引入的关系(Relationships of Anuran Richness and Species Occurrence With Fish Introduction)

GLM显示环境变量(湿度、水温、pH、溶解氧DO)与无尾目丰富度无显著关联，而总引入鱼类丰富度与无尾目丰富度显著负相关(r = ?0.39, p < 0.05)，模型中加入鱼类丰富度后AIC下降(125.64→122.17)。分来源分析仅区内移殖鱼类丰富度与无尾目丰富度显著负相关(r = ?0.4, p < 0.05)，外来鱼类无显著关联。VPA显示外来鱼类独立解释两栖动物出现变异12.4%(总14.2%, p=0.029)，区内移殖鱼类独立解释29.1%(总30.9%, p=0.024)。结论：引入鱼类尤其是区内移殖鱼类显著降低高山静水生境无尾目丰富度及偏好静水两栖动物出现频率。

3.4 鱼类与无尾目共现(Co-Occurrence of the Fish and Anuran)

概率共现分析78个种对，56.4%随机，42.3%显著正共现(均为鱼—鱼或蛙—蛙内部)，仅1对显著负共现——区内移殖金鱼(Carassius auratus)×四川湍蛙(Rhacophorus dugritei)(观测共现4次＜期望7.1次)。其他无尾目(康定臭蛙Odorrana grahami、华西雨蛙Rana chaochiaoensis、中华大蟾蜍Bufo gargarizans)无显著负共现。结论：金鱼与四川湍蛙空间排斥，提示潜在捕食或干扰导致排斥。

3.5 无尾目群落对引入鱼类的响应(Response of Anuran Community to the Introduced Fish)

NMDS显示引入鱼类生境与无鱼生境无尾目群落组成显著差异(r²=0.1143, p=0.026)，鱼类丰富度与群落梯度显著相关(r²=0.2506, p=0.01)，区内移殖鱼类丰富度显著相关(r²=0.2434, p=0.019)而外来鱼类不显著。引入鱼类生境Raup-Crick指数显著更低(趋近?1)，表明两栖动物群落相似性升高；修正随机比率(MST)在引入鱼类生境显著高于无鱼生境(p=0.007)，MST>0.5表明群落组装向随机过程主导偏移，无鱼生境则兼具确定性与随机性。结论：引入鱼类改变无尾目群落组成、 homogenize(均质化)群落并提高组装随机性，区内移殖鱼类为主要驱动因子。

3.6 金鱼(Carassius auratus)的捕食效应(Predatory Effect of C. auratus)

离体实验对照组无死亡。金鱼存在下四川湍蛙蝌蚪存活率(median=0.486)显著低于中华大蟾蜍蝌蚪(p<0.001)，后者未受显著影响。结论：金鱼对四川湍蛙蝌蚪具实质性捕食压力，支持二者负共现的生态机制。

讨论与结论翻译

讨论指出：①高山静水生态系统因宗教放生等人为活动成为鱼类引入优先靶区，需优先保护；②区内跨海拔移殖鱼类占比高、适应性好且与两栖动物生态关联强于跨界外来种，以往被低估，应纳入管理；③引入鱼类(尤移殖鲤科)是降低两栖动物丰富度主因，非环境因子；④引入鱼类使两栖群落组成改变、相似性升高(均质化)、组装向随机性主导，可能削弱群落稳定性与抗逆性；⑤金鱼对卵量少(约400粒)、分布狭窄且被列为易危(Vulnerable)的四川湍蛙具捕食威胁，建议重点监测；⑥建议优先阻止历史无鱼高山湖引入鱼类，必要时清除已引入种以促进两栖类恢复，并持续eDNA监测。

结论(Conclusions)译文：

本研究来自亚洲的证据表明，中国西南山地高山生态系统中引入鱼类与两栖动物多样性及群落结构呈负相关。高山静水生态系统尤易受鱼类引入威胁，其中区内跨海拔移殖鱼类构成非土著鱼类主体。引入鱼类显著降低两栖动物物种丰富度、改变物种出现模式并重塑群落组成。区内移殖鱼类与土著两栖动物关联更强，提示常被忽视的区内鱼类移殖在生态研究与生物多样性管理中应获更多重视。本研究为中国西南及全球类似高海拔静水生态系统的管理与保护——特别是警惕区内鱼类移殖(不仅是跨境外来入侵种)对特有及易危两栖动物的潜在风险——提供关键依据。