基于环境DNA评估城市水生生态系统功能连通性：韩国大邱欧亚水獭（Lutra lutra）栖息地案例研究

《Ecological Indicators》：Evaluating functional connectivity in urban aquatic ecosystems using environmental DNA: A case study on eurasian otter ( Lutra lutra) habitats in Daegu, South Korea

　　

摘要 欧亚水獭（Lutra lutra）作为水生生态系统的顶级捕食者，是评估城市生态系统稳定性的重要指示物种。然而，关于水獭在城市不同水体类型中的精细尺度分布及其与生物和非生物因素关联的研究仍相对有限。本研究结合环境DNA（eDNA）技术、物种分布模型（Species Distribution Model, SDM）和最小成本路径（Least Cost Path, LCP）分析，评估了韩国大邱广域市城市水生生态系统中欧亚水獭的栖息地利用与功能连通性。研究人员于2023年4月在大邱市32个采样点（包括琴湖江、新川、支流、水库及池塘）采集了96份水样，通过定量PCR（qPCR）检测水獭eDNA，并利用宏条形码（metabarcoding）技术分析鱼类群落结构。结果显示，32个采样点中有26个检测到水獭eDNA，检出率达81.3%，其中水库和池塘及新川的检出频率最高。最大熵（MaxEnt）模型分析表明，生态系统类型是模型拟合中贡献最大的预测因子（贡献率45.0%），而距水源距离在置换重要性中排名最高（35.9%），表明预测结果对水生栖息地邻近性最为敏感。鱼类多样性和优势度与水獭eDNA浓度无显著相关性（R2<0.05），提示猎物生物量、体型和可及性可能比分类多样性更能反映猎物条件。研究共识别出85个核心栖息地块，连通性分析显示，新川与琴湖江汇合区域具有最高的网络中心性，而中区（Jung-gu）密集的商业和住宅开发区则构成连通性瓶颈。城市池塘和水库可能作为水獭扩散的踏脚石（stepping-stones），研究结果为城市水獭保护提供了更具空间针对性的恢复优先级建议。

基于环境DNA的城市水生生态系统功能连通性评估——以韩国大邱欧亚水獭（Lutra lutra）栖息地为例的论文解读**

一、研究背景与问题

城市生态系统中的自然生境功能可通过结构连通性与功能连通性进行评估。结构连通性基于景观结构和阻力值预测物种潜在移动路径，但难以反映物种特异性行为与实际发生信息；功能连通性则反映物种移动和扩散等实际生态过程，需基于物种发生数据构建分布模型或扩散模型进行评估。城市生态系统中的绿色和蓝色基础设施是生物多样性保护的重要生态廊道，河流、溪流和池塘等水生生态系统为生物提供食物来源和栖息地，促进其稳定栖息和扩散。然而，人工水生环境（如公园内的水库和池塘）的生态角色和功能评估相对不足，在生物多样性保护研究与管理中存在局限。

欧亚水獭作为食物链顶级捕食者，需要广阔的栖息地并具有高移动性，是评估水生生态系统稳定性的重要指示物种。水獭活动范围广且具有夜行性，传统调查方法需重复采样才能获得充分数据，而环境DNA（eDNA）技术利用环境样本中的遗传物质，能够以较高灵敏度检测低密度物种，适用于稀有物种监测，并可同时通过宏条形码技术检测多种物种。然而，以往水獭eDNA研究主要集中于检测可行性和猎物评估，较少在城市景观中不同水生环境开展精细尺度调查。此外，发生数据和物种分布模型虽能识别适宜栖息地，但无法揭示这些区域是否构成潜在连通网络，这一局限性在城市河流系统中尤为重要——汇流处、支流和中间河段可能为原本孤立的栖息地块提供关键连接。为弥补上述空白，研究人员将精细尺度eDNA调查与物种分布模型及最小成本路径分析相结合，旨在：（1）刻画水獭eDNA在不同城市水体类型中的空间分布特征；（2）识别与水獭发生相关的生物和非生物因素；（3）确定核心栖息地块间以连通性为依据的恢复优先区域。

二、研究设计与技术方法

研究人员在大邱广域市选取32个采样点，包括琴湖江10个、新川7个、支流8个、水库和池塘7个，于2023年4月8日至10日进行采样。每点使用三个Sterivex过滤器（0.45 μm）过滤990 ml水样，共获得96份水样并包含1份阴性对照。采用定量PCR（qPCR）检测水獭线粒体细胞色素b基因227 bp片段，以Ct值大于29.8循环判定为阴性，位点内至少两个独立样本阳性判定为发生。鱼类群落通过MiFish通用引物宏条形码测序分析，经MitoFish流程处理，保留BLASTN相似度≥97%且分布于韩国的淡水鱼类物种。栖息地适宜性预测采用最大熵（MaxEnt）模型，输入11个环境变量（生态系统类型、距森林距离、距道路距离、距水源距离、降水、温度、人口、高程、坡度），以100 m网格分辨率栅格化，运行50次自助法重复，以AUC评估模型性能，cloglog输出≥0.1的栅格划分为适宜栖息地，连续适宜斑块≥5 ha的划分为核心栖息地。连通性分析使用ArcGIS Pro 3.1中的Linkage Mapper v3.1.0，基于2021年大邱市城市生态现状图生成阻力面（阻力值1–30），以累积成本距离20000为阈值生成最小成本廊道，并通过Linkage Priority工具计算连通性优先指数，Centrality Mapper基于Circuitscape计算电流流中心性。

三、研究结果

3.1 基于eDNA检测的鱼类区系与水獭分布格局

qPCR结果显示，32个采样点中26个检测到水獭DNA阳性，最高浓度位点Ct值为24.7。水獭eDNA在全部四种水体类型中均有检出，水库和池塘及新川检出频率最高（各7个位点中6个阳性），平均Ct值27.8（SD=1.6）；琴湖江10个位点中8个阳性、支流8个位点中6个阳性，平均Ct值28.9（SD=1.0），表明目标DNA水平相对较低。该结果表明水獭不仅栖息于河流和溪流等自然水生环境，也分布于水库和湖泊公园等人类活动集中的人工空间。

3.2 生物和非生物因素对水獭分布的影响

基于水獭eDNA发生的物种分布模型AUC达0.99。刀切法分析显示，生态系统类型单独使用时产生最高模型增益，其百分贡献率最高（45.0%），其次为坡度和距道路距离；置换重要性方面，距水源距离最高（35.9%），其次为距道路距离、平均气温和生态系统类型，表明最终预测对水生栖息地邻近性最为敏感。人口密度在两项指标中贡献均为零。预测适宜区域不仅分布于自然水生环境，也延伸至人工城市环境，适宜栖息地占河流总面积20.9%、湖泊湿地14.5%、交通区域19.0%、人工绿地11.4%、住宅用地9.0%。

鱼类群落分析方面，宏条形码共获得10,993,709条读数，经筛选后保留7,773,150条（70.71%），鉴定出19科56种鱼类。所有位点平均鱼类多样性为3.35±0.13，河流最高（3.44±0.09），其次为溪流（3.35±0.11）和水库（3.22±0.12）。水獭DNA浓度与鱼类多样性无显著相关性（y=?0.0149x+2.924，R2=0.013），与优势度相关性亦不显著（y=?0.0006x+0.054，R2=0.013），总读数、对数转换读数及Ct值作为猎物丰度代理指标时与水獭eDNA浓度仅呈弱正相关（R2<0.05）。

3.3 核心栖息地确定与连通性分析

二元栖息地适宜性评估显示，总面积40.16 km2（4.6%）划分为适宜栖息地，838.23 km2（95.4%）为不适宜。核心栖息地定义为面积大于5 ha且位于斑块面积前25%的适宜栖息地斑块，共识别出85个核心栖息地块。基于不同生态系统类型阻力值的栖息地块中心性分析及最小成本距离计算表明，新川与琴湖江汇合区域（斑块编号20）具有最高中心性，被确定为核心关键区域；位于河流和溪流上游及下游的斑块14、32和62也呈现为核心区域。连通性优先值范围为0.2至1.0，北区、东区和达西区开发的工业用地和机场设施连通性优先值较低，对水獭移动网络功能连通性贡献有限；高连通性优先区域沿河流汇合处和新川上游连续分布，邻近森林景观支持其作为水獭移动的关键廊道。中区以密集商业和住宅开发为特征，连通性优先值相对较低，且包含成本加权距离值处于最高四分位数（>75百分位）的最小成本路径，表明该区域连通性受限，被确定为优先恢复区域。尽管如此，邻近人工池塘或城市绿地的局部区段表现出相对较高的连通性优先值，凸显城市微栖息地在维持高密度城市化区域连通性方面的潜在作用。

四、讨论与结论

讨论部分总结：水獭eDNA在四种水体类型中均有检出，表明大邱市水獭在自然和人工水生环境中广泛分布。水库和池塘及新川检出频率较高可能反映适宜的局部条件而非特定水体类型偏好，缓流或静水条件可能促进水库和池塘的频繁检出，而新川的连续河道及与相邻支流的连接可能支持水獭发生。栖息地适宜性模型显示部分高适宜区域与交通和住宅用地重叠，表明城市化景观并非必然不适合水獭，但需进一步评估这些区域是作为过渡栖息地、移动通道、移动障碍还是潜在的人兽冲突区域。鱼类群落指标与水獭eDNA信号关联微弱，不必然表明猎物可获得性不重要——水獭作为机会主义捕食者，可能对特定猎物的可获得性和可及性响应更强，鱼类生物量、体型和可及性可能比分类多样性更能反映猎物条件。连通性分析为栖息地管理提供了差异化策略依据：1类区域具有最高连通性优先值，需以保护为导向的空间管理维持现有网络功能；2类区域连通性中等偏高，可通过相对有限的管理干预增强连通性；3类区域连通性优先值较低，可能需要更积极的恢复措施以减少隔离。即使在高度城市化环境中，人工结构在作为休息或觅食替代栖息地时可增加水獭在城市河流中栖息的可能性，支持通过建设小型人工栖息地或战略性布局绿地和水体来改善2类和3类优先恢复区域的连通性。研究亦存在若干局限性：eDNA采样仅在2023年4月单一时间点进行，水獭活动模式和鱼类群落具有明显的季节性和昼夜变化，可能影响检测概率和空间分布格局；仅设置一个野外阴性对照，可能无法全面捕捉时空间歇性污染；水獭发生数据仅来自水生环境，陆地区域预测适宜性应解释为潜在移动和景观渗透性指标而非直接陆域栖息地利用证据。

结论翻译：本研究利用eDNA分析刻画了欧亚水獭在不同城市水体类型中的检测模式，并评估了其与生物和非生物环境因素的关联。进一步整合物种分布模型和连通性分析，确定了核心栖息地块间的恢复优先级。水獭eDNA在81.3%的采样点（32个中26个）被检出，水库和池塘及新川的检出尤为频繁。生态系统类型在模型拟合中贡献最大，而距水源距离在最终预测中具有最高的置换重要性。预测适宜区域不仅分布于河流和湿地，还延伸至人工绿地、交通和住宅区域，但后者可能反映与邻近水生栖息地和绿地的空间关联或潜在移动限制，而非直接栖息地偏好。鱼类多样性和优势度与水獭eDNA信号无显著关联，表明猎物生物量、体型和可及性可能比分类多样性更能代表猎物条件。模型识别出85个核心栖息地块，连通性分析表明中区密集开发的商业和住宅区域存在潜在瓶颈，并识别出部分人工水生栖息地可作为核心栖息地之间的潜在踏脚石。总体而言，纳入连通性分析区分了需要栖息地保护、连通性增强或恢复的区域，为城市水獭保护提供了比单独栖息地适宜性更具体的空间优先级。