时间与季节对不同气候背景下两条溪流中落叶分解的控制:温带-地中海案例研究

《Limnologica》:Temporal and seasonal controls on leaf litter decomposition in two streams under distinct climatic contexts: a temperate-Mediterranean case study

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年09月01日 来源:Limnologica 1.8

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   摘要落叶分解是调节溪流生态系统中能量流动和养分循环的基本过程;然而,其在不同气候和水文条件下的调控机制仍知之甚少。我们评估了季节(夏季与秋季)和溪流气候(温带与地中海)对分解的影响,利用在葡萄牙两条溪流(温带和地中海地区)中培养的夹竹桃(Nerium oleander)叶片。

  

摘要

落叶分解是调节溪流生态系统中能量流动和养分循环的基本过程;然而,其在不同气候和水文条件下的调控机制仍知之甚少。我们评估了季节(夏季与秋季)和溪流气候(温带与地中海)对分解的影响,利用在葡萄牙两条溪流(温带和地中海地区)中培养的夹竹桃(Nerium oleander)叶片。我们量化了落叶质量损失、落叶化学性质、微生物生物量和活性以及无脊椎动物群落结构。分解主要由时间结构,时间解释了大部分的质量损失变化,而季节产生了次要但显著的影响。相比之下,单独的溪流气候对分解速率没有直接影响。质量损失的季节性差异仅出现在温带溪流中,夏季开始的实验衰减速率更高。落叶氮含量在分解过程中增加,而磷和比例木质素含量保持相对稳定,这与相对于更易分解的落叶成分,木质素损失更慢一致。微生物指标显示出明显的随时间变化:真菌生物量在温带溪流中始终较高,而地中海溪流中的 ATP 增加较晚,两条溪流中的呼吸作用均在早期处理阶段达到峰值。无脊椎动物群落因溪流而异,但季节性变化有限,地中海溪流中撕食者丰度较低。总的来说,我们的结果表明,我们研究溪流中的落叶分解主要受时间动态主导,并受水文和生物因素调节,而非仅由气候条件决定。

引言

落叶分解是溪流生态系统中养分循环、能量流动和水生食物网的关键生态过程 (Tank et al., 2010, Gra?a et al., 2015, Marks, 2019)。鉴于其在生态系统代谢和食物网动态中的核心作用,分解是调节不同气候区域溪流生态系统功能的主要过程之一 (Tank et al., 2010, Boyero et al., 2016, Marks, 2019)。
溪流中的落叶分解受生物和非生物因素的复杂相互作用调控,例如落叶化学组成,特别是木质素、氮和磷含量,在通过影响碎屑适口性和抵抗物理和生物降解的能力来决定分解动态方面起着核心作用 (Zhang et al., 2019, Fanin et al., 2020, Sena et al., 2024)。环境条件,如温度、养分有效性、溶解氧、pH 值和流态,进一步通过物理过程(如流动引起的磨损和摩擦促进落叶破碎化)直接调节分解,并通过影响微生物定殖和撕食者活性间接调节分解 (Ferreira et al., 2006, Ferreira et al., 2019, Sena et al., 2024)。在此背景下,水生真菌,特别是丛梗孢菌,在分解早期阶段至关重要,促进落叶条件化和破碎化,从而增加二级消费者的资源可用性 (Ferreilla et al., 2019, Boyero et al., 2021)。无脊椎动物,特别是撕食者,也对有机物分解做出了重大贡献。微生物和无脊椎动物分解者的相对重要性因气候和环境背景而异,微生物驱动的分解通常在较温暖的环境中变得更加重要。相比之下,无脊椎动物介导的处理在较冷地区往往更为显著 (Boyero et al., 2011, Boyero et al., 2016)。
由于气候、水文和生物特征的差异,分解在温带和地中海溪流生态系统之间表现出不同的模式。在温带溪流中,与高溶解氧浓度相关的常年水文制度支持多样的撕食无脊椎动物组合,它们与微生物分解者一起在落叶分解中起核心作用 (Ferreira et al., 2019, Boyero et al., 2021)。相比之下,地中海溪流的特点是显著的季节性水文变率,夏季有长时间的低流量或无流量,导致栖息地破碎化、连通性降低和撕食者多样性减少 (Gasith and Resh, 1999, Hershkovitz and Gasith, 2013)。虽然水生真菌是主要的微生物分解者,但细菌也能对地中海溪流中的落叶分解做出重大贡献,在水分限制真菌活性的环境条件下,它们的相对重要性可能会增加 (Mora-Gómez et al. 2016)。真菌和细菌组合对敏感性随季节的差异因此可以改变它们在落叶分解过程中对分解的相对贡献 (Gasith and Resh, 1999, Hershkovitz and Gasith, 2013)。传统撕食者贡献的减少部分由腹足类动物和寡毛类动物补偿,它们适应于耐受夏季干旱并在温和的冬季存活 (Chergui and Pattee, 1991, Essafi et al., 1994, Casas and Gessner, 1999)。这些对比的生态动态突显了在评估溪流生态系统中的落叶处理途径时考虑区域气候和水文背景的重要性。
尽管落叶分解已在不同气候背景下得到研究,包括地中海系统 (Casas and Gessner, 1999, Chergui and Pattee, 1991, Essafi et al., 1994, Bonada and Resh, 2013, Fenoy et al., 2024),但直接比较地中海和温带溪流跨季节的研究相对较少。现有研究表明,地中海溪流独特 的水文制度,以强季节性变率、干旱期和周期性洪水为标志,强烈塑造了分解者群落和有机物处理速率 (Gasith and Resh, 1999, Hershkovitz and Gasith, 2013)。然而,同时评估对比水文制度下微生物生物量、微生物活性和无脊椎动物定殖的季节性比较仍然稀缺。扩展此类比较方法对于改进落叶分解的全球模型以及了解溪流生态系统如何应对日益增加的环境变率和气候驱动的水文变化至关重要。
本研究旨在评估培养时间、季节(夏季与秋季)和溪流特定环境条件对两条葡萄牙溪流(代表对比的水文和气候背景:地中海和温带)中落叶分解的影响,利用分解速率、物理和化学水特征以及微生物和无脊椎动物群落结构。我们测试了以下假设:(i) 由于地中海溪流季节性水文变率对微生物和无脊椎动物分解者的影响,落叶分解速率 (k) 在温带溪流中将高于地中海溪流 (Hershkovitz and Gasith, 2013, Magyar et al., 2016);(ii) 落叶分解的变化将与落叶化学特征,特别是木质素含量,有更密切的关联,而不是两条研究溪流之间的水温差异 (Zhang et al., 2019);以及 (iii) 微生物生物量和活性在地中海溪流中将显示出与落叶分解的更强关联,特别是在夏季开始的实验中,预期的撕食者丰度在盛行水文条件下较低。最后的预测得到了地中海溪流中已确立的生态模式的支持,其中反复出现的夏季干旱减少了撕食者的多样性和丰度 (Gasith and Resh, 1999, Hershkovitz and Gasith, 2013),由于水文湍流和连通性减少限制了真菌孢子形成 (Magyar et al., 2016),并可能增加细菌和其他非真菌微生物的相对贡献 (Acu?a et al., 2004, Bonada and Resh, 2013)。

章节片段

研究区域

本研究在葡萄牙两个气候对比的地区进行:中北部和南部地区。在中北部地区,实验在 S?o Jo?o 溪流进行,该溪流位于 Lous? 山脉(40o6’N, 8o14’W),是葡萄牙科英布拉以西约 25 公里的一个人口稀少地区。尽管原始植被在几十年前消失,但河岸植被发育良好,主要由杨树(Populus L. spp.)和橡树(Quercus L.

溪流环境特征

在研究期间,温带溪流的 pH 值趋向中性,而地中海溪流的 pH 值显著更高 (F = 5.54, P < 0.05; 表 1)。地中海溪流还表现出高碱度 (F = 7.11, P < 0.05)、电导率 (F = 27.88, P < 0.05) 和温度 (F = 5.99, P < 0.05)。相比之下,水流和硝酸盐浓度在温带溪流中显著更高 (F = 10.18, P < 0.05; F = 7.59, P < 0.05, 分别),特别是在

讨论

我们的结果显示,两条研究溪流中的落叶分解主要由培养时间结构并由季节调节。另一方面,单独的溪流气候背景不能解释落叶质量损失的差异。然而,两个系统之间的环境条件以及跨季节的差异很大。温带溪流维持常年水流,尽管流量和温度在秋季和夏季之间变化很大。地中海溪流显示

结论

我们的结果显示,培养时间主要结构质量损失,并由季节调节,而单独的溪流气候背景不能解释分解模式。两条溪流的水文制度不同,温带溪流维持常年水流,而地中海溪流发生夏季水流停止、水池隔离和随后部分水流恢复,这种模式与水文间歇性的强烈影响一致

未引用的参考文献

(Abelho, 2001, Alvim et al., 2015, Alvim et al., 2015, Danger, 2020, Ferreira et al., 2020, Gessner, 2020, Gra?a and Poquet, 2014, Webster and Meyer, 1997, Zhang et al., 2014)

CRediT 作者贡献声明

Raiane S. Rabelo: 写作 – 审查与编辑,写作 – 初稿,方法论,形式分析。 Marcos Callisto: 写作 – 审查与编辑,写作 – 初稿,监督,调查,资金获取,概念化。 Goncalves-Junior JOSE FRANCISCO: 写作 – 审查与编辑,写作 – 初稿,方法论,调查,形式分析,数据整理,概念化。 Guilherme Sena: 写作 – 审查与编辑,写作 – 初稿,方法论,形式

利益冲突声明

作者声明,他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系,可能被认为影响了本论文中报告的工作。

致谢

作者希望向 Manuel A. S. Gra?a 教授表达诚挚的谢意,感谢他对这项工作的监督,并在整个开发过程中提供必要的技术指导和财务支持。本研究由葡萄牙科学技术基金会 (POCTI/1999/BSE/32389) 资助。JFGJR 获得了 CNPq (PQ- 311232/2021-3) 的研究奖学金。GS 感谢巴西国家科学与技术创新委员会 (CNPq) (152642/2024-2) 和
José F. Gon?alves|Guilherme Sena|Raiane S. Rabelo|Marcos Callisto
巴西利亚大学生物学系生态学系湖泊学实验室,70910-900, 巴西利亚, DF, 巴西
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