实验调控淡水湿地水文周期改变凋落物分解和大型无脊椎动物群落结构

《Journal of Environmental Management》：Experimental manipulation of freshwater wetland hydroperiod alters litter decomposition and macroinvertebrate assemblage structure

　　## 摘要气候驱动的水文循环变化正在改变全球淡水湿地，可能会破坏碳处理过程，但对其对凋落物分解的影响及潜在驱动因素仍知之甚少。2018 年至 2021 年，我们在美国乔治亚州的十二个湿地中实验操纵了水文期，包括永久性、临时性和干涸池塘。部署并回收了凋落物袋，分别在早期（30 天）、中期（60 天）和晚期（90 天）采样间隔进行，以量化碎屑物处理过程，包括分解率（n = 343）和大型无脊椎动物群落（n = 148）。分解率（k × 10?3day?1）总体上遵循水文期梯度，永久性池塘的速率最快（7.9），比临时性池塘（6.3）快 25%，比干涸池塘（5.6）快 42%，尽管水文期差异的大小在各间隔间有所不同。在所有池塘中，分解在早期采样间隔最快，并随时间推移而下降。与临时性池塘相比，永久性池塘支持更高的大型无脊椎动物丰富度、多样性、蜉蝣目 - 襀翅目 - 毛翅目（EPT）、密度和生物量。随着干涸的进行，群落组成出现分歧，晚期采样间隔显示临时性池塘的随机性增加。温度与凋落物分解率呈正相关，而群落组成则呈负相关。大型无脊椎动物密度对分解显示出依赖于间隔的影响，在中期和晚期阶段出现了正相关关系。向更短或更多变水文期的转变可能会减慢分解、改变群落组合并减少碳周转。这些结果突出了水文期作为湿地生态系统功能的关键控制因素，并表明旨在恢复淹水制度的方法对于维持湿地功能至关重要。## 引言淡水湿地在全球碳循环中发挥着关键作用，并支持着世界上约 40% 的生物多样性（Sayer 等，2025）。湿地是对气候和人为变化最脆弱和最敏感的生态系统之一，因为它们的水文期正受气候变异和土地利用变化的影响而发生改变（IPCC, 2013; Epele 等，2022）。由于淡水湿地调节大气中的温室气体，了解其对气候变化的响应并管理它们以保护这些生态系统服务越来越重要（Salimi 等，2021）。对于临时性湿地，水文期（淹水的时间、持续时间和频率）是塑造湿地生态系统过程的主要驱动因素（Poi de Neiff 等，2006; Zhou 等，2023）。气候变化已经影响了湿地的水文期，已有记录表明干旱缩短了水文期并减少了淹水，尤其是在临时性和泛滥平原湿地中（Chandler 等，2016; Xu 等，2024; Coons 等，2025）。Epele 等（2022）发现许多湿地已从永久性水文期转变为临时性水文期，地点在阿根廷巴塔哥尼亚，而其他人则发现在经历降水模式增加的半干旱地区正在发生相反的情况（Masiokas 等，2020）。这些水文期的变化可能会改变湿地的生物地球化学和群落组成。湿地中的凋落物分解是一个复杂的过程，由相互作用的非生物和生物因素介导，其中水文期作为主要驱动因素（Wang 等，2018; Sarker 等，2020）。淹水的持续时间和频率决定了氧气可用性、氧化还原电位、营养循环，并塑造了碎屑食性和微生物群落（Salimi 等，2021）。因此，水文期可以通过多种有时相互对立的机制影响分解。在一些研究中，更长的淹水期通过促进浸出、微生物驯化和水生分解者的持续定殖来加速分解率（Wang 等，2018; Palmia 等，2019）。相反，长期淹水可能会减少氧气可用性并产生强还原条件，从而抑制好氧微生物活性，而临时性池塘可能会经历增加分解率的好氧呼吸期（Battle 和 Golladay, 2001）。因此，水文期对凋落物分解的影响高度可变，因此，改变的水文和升高的温度在不同类型的湿地中存在差异（Madaschi 和 Diaz-Villanueva, 2022; Trevathan-Tackett 等，2024）。例如，Madaschi 和 Diaz-Villanueva（2022）发现温度升高和降水减少增加了水文期较短的湿地中的有机物积累，但水文期较长的湿地中分解率增加。除了对凋落物分解的非生物控制外，大型无脊椎动物是碎屑物处理的重要贡献者。大型无脊椎动物在淡水湿地中高度多样化，并在介导凋落物分解中发挥着重要作用（Devánová 等，2023; ?idi?inová 等，2025）。shredder 类大型无脊椎动物是碎屑物处理的关键贡献者，尽管它们在湿地中的作用各不相同，且尚未完全理解。一些湿地记录了 shredder 类对碎屑物处理的强烈贡献（Wissinger 等，2018; Devánová 等，2023），但在许多湿地中，它们通常被报告为罕见或缺失（de Necker 等，2023; Arias-Real 等，2024）。当 shredder 类缺失时，碎屑物处理主要由微生物途径主导（Wissinger 等，2021）。其他大型无脊椎动物已被观察到通过破碎有机物质或改变微生物群落来间接介导分解（Bush 等，2017; Wissinger 等，2021）。shredder 类和其他水生碎屑食者在湿地中的持久性受水文期影响。气候向更干燥条件的转变以及缩短或改变的水文期预计会胁迫大型无脊椎动物并限制其持久性（Epele 等，2022, Fehlinger 等，2026）。水文期对凋落物分解和大型无脊椎动物介导的碎屑物处理的综合影响在湿地中仍不清楚。我们的研究调查了水文期如何影响实验湿地中的凋落物分解和大型无脊椎动物介导的碎屑物处理。很少有研究在湿地的时间尺度上实验性地解缠了水文期、分解动力学和大型无脊椎动物群落。我们预计分解在永久性池塘中最快，因为持续淹水可以促进持续的微生物驯化、浸出和大型无脊椎动物定殖，而临时性池塘和干涸池塘中的干涸会中断这些过程。因此，我们假设分解将遵循水文期梯度，永久性湿地中速率最快，临时性湿地中间接，干涸湿地中最慢（H1）。或者，临时性湿地可能在重新湿润后显示出短期的分解增加，这是由于营养矿化和好氧微生物活性（H1A）。此外，我们假设水文期和时间将塑造大型无脊椎动物群落，永久性池塘支持更高的多样性、密度和生物量，而临时性池塘最初类似于永久性池塘，但随着干涸的进行由于环境过滤而下降（H2）。了解这些关系对于指导气候变化条件下的湿地管理和恢复至关重要。## 章节片段### 研究地点与实验性淹水我们这项研究是在美国乔治亚州詹金斯县的前美国鱼类和野生动物服务国家鱼孵化场（32.880946，?81.960779）进行的。前孵化场由 26 个孵化池塘组成，其中 12 个池塘被选中用于实验性淹水和干涸（图 1，表 1）。研究池塘地理位置接近，池塘 1-4 与池塘 5-12 相隔小于 50 米，单个池塘之间相隔约 2 米的土堤。研究前，孵化场池塘### 叶片分解叶片凋落物分解率（*k* × 10?3day?1）在不同水文期处理之间（F?,? = 26.8, p < 0.001）和不同间隔之间（F?,??? = 410.5, p < 0.001）存在差异，模型解释了 75% 的变异（表 2，图 2；附录 A：表 1）。显著的交互作用（F?,??? = 3.4, p = 0.009）表明水文期对分解的影响在不同间隔间有所不同。事后两两比较表明，在早期阶段，永久性池塘的分解比临时性池塘更快### 讨论淡水湿地对由气候变化、降水改变和土地利用变化驱动的水文期变化高度敏感。已有记录表明增加的干旱缩短了水文期并减少了淹水（Chandler 等，2016; Xu 等，2024）。我们证明了水文期是一个调节分解率和塑造大型无脊椎动物组成的强烈环境过滤器。我们的结果表明，向更短或更多变的### 资助这项工作得到了纽foundland 与拉布拉多水资源研究所计划，乔治亚水资源研究所的 104b 号赠款，以及美国地质调查局 [AWD-100844-G15] 的支持。### CRediT 作者贡献声明**Kelsey A. Wilbanks:** 概念化，形式分析，写作 – 初稿。**Victoria Baglin:** 数据整理，方法论。**Sergio Sabat-Bonilla:** 调查，方法论。**Angela Shaffer:** 调查，方法论。**Molly McKeon:** 调查，方法论。**Houston C. Chandler:** 形式分析。**J. Checo Colón-Gaud:** 概念化，形式分析，资金获取，监督，写作 – 审查与编辑。### 竞争性利益声明作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些可能被认为影响了本文报道的工作。### 致谢我们想感谢 A. Troutman, E. Miller, H. Sklar, I. Leach, L. Keller, M. Kuhn, M. Carter 和 R. Bird 在野外提供的帮助。Kelsey A. Wilbanks|Victoria Baglin|Sergio Sabat-Bonilla|Angela Shaffer|Molly McKeon|Houston C. Chandler|J. Checo Colón-Gaud乔治亚南方大学生物系，4324 Old Register Rd, Statesboro, GA, 30460, 美国