入侵物种管理的生态代价导致水生植物群落的安全操作空间狭窄

《Journal of Environmental Management》：Ecological costs of invasive species management create narrow safe operating spaces for aquatic plant communities

　　除草剂施用对入侵物种控制的效应已得到量化。成功的入侵物种控制依赖于入侵后尽早进行全湖处理。处理对本地物种的负面影响导致安全操作空间较小。这些结果可为水生植物管理和许可决策提供参考。我们的研究揭示了水生植物群落面对多重威胁时的恢复力。引言非本地物种的引入及随后发生的入侵，可能导致本地物种数量下降、局部灭绝，并通过重塑食物网扰乱生态群落（Mooney 和 Cleland，2001；Strayer，2012；Gallardo 等，2016）。入侵可通过竞争或捕食直接引发这些变化，也可通过影响栖息地结构和功能间接引发（Strayer，2012；Gallardo 等，2016）。通过这些直接和间接效应，入侵物种有可能破坏生态系统服务功能，最终带来巨大的经济损失（Pimentel 等，2005；Lovell 等，2006；Charles 和 Dukes，2007；Holmes 等，2009；Bradshaw 等，2016）。然而，入侵物种的管理本身也是一项重大的经济负担（Pimentel 等，2005；Hoffmann 和 Broadhurst，2016）。尽管管理成本可能会被减轻入侵影响所带来的经济收益所抵消（Hanley 和 Roberts，2019），但情况并非总是如此（Epanchin-Niell，2017）。某些管理策略如果未谨慎施用，可能会无意中伤害本地物种（Kimberling，2004；Rinella 等，2009；Dalu 等，2015；Heimpel 和 Cock，2018）。例如，鱼藤酮是一种常用于控制入侵鱼类种群的农药；然而，鱼藤酮对广泛的非目标生物致命，包括两栖动物、爬行动物和水生无脊椎动物（Fontenot 等，1994；Pauli 等，2000；Dalu 等，2015）。在这种情况下，即使入侵物种被有效压制，生态系统也不太可能恢复到入侵前的功能状态。如果处理对入侵物种的影响有限，那么处理的边际效益很少能证明其经济和生态成本的合理性。面对这一两难困境，环境管理者要么必须接受入侵物种成为生态系统的永久组成部分，要么改进控制技术在以提高成功管理结果的机会（Nault 等，2012；Power 等，2013；Mikulyuk 等，2020a）。"安全操作空间"（SOS）的概念已作为一种框架出现，用于指导环境资源的管理，鼓励从业者确定系统应维持的边界范围（Rockstr?m 等，2009；Scheffer 等，2015；Green 等，2017）。面对多重协同威胁，SOS 框架中的边界被定义为在给定另一威胁水平条件下某一种威胁的极限（例如，在给定污染水平下的最大收获量）；超越这些边界，系统将崩溃（Scheffer 等，2015；Green 等，2017）。在入侵物种控制的语境中，这些边界源于管理的风险-收益权衡。具体而言，安全操作空间由以下三个方面的平衡决定：入侵物种对本地群落的影响、处理措施对入侵物种的效果，以及处理措施对本地物种的非预期后果（图1）。入侵物种的控制策略并非总是成功；低成功率会缩小应尝试管理的安全操作空间（图1）。最初，SOS 理论关注将系统维持在特定状态（Carpenter 等，2017）。但在我们的案例中，系统已经受到扰动，我们使用 SOS 理论来划定入侵控制有助于使系统恢复原有状态的区域。据我们所知，这是 SOS 理论首次应用于生物入侵领域。我们将 SOS 应用于水生植物管理的语境中。水生植物群落是入侵物种控制所面临挑战的典型代表。化学除草剂处理是水生入侵植物最常见且最具成本效益的控制策略之一（Davidson，2015）。尽管施用指南强调局部施用除草剂，但在实际操作中，活性成分可在水体中迅速扩散，对非目标物种和本地群落造成非预期后果（Nault 等，2012；Mikulyuk 等，2020a；Dehnert 等，2021）。物种对入侵和化学处理的敏感性可能因多种因素而异，使得预测管理的全局结果十分困难。此外，栖息地特征、入侵历史和管理历史对本地群落的混杂影响使得无法从观测数据中得出明确推论。需要对有已知入侵历史且经处理过的湖泊进行多次处理前后调查的重复观测，才能解析管理的累积效应。在此，我们呈现了针对美国威斯康星州各地湖泊中欧亚龙舌草（EWM）控制工作的分析。我们分析了2005年至2023年间对474个湖泊进行的水生植物调查，以比较无入侵EWM、有入侵EWM以及有化学处理EWM历史的湖泊之间的水生植物群落。随后，通过分析化学许可申请记录，我们为166个具有处理前后植物调查数据的湖泊构建了管理历史，以查明化学处理对水生植物的效应以及管理成功的预测因子。我们的目标是：1）量化EWM对本地水生植物群落层面的影响，2）评估化学处理在减少EWM丰度方面的有效性，3）量化化学处理对本地水生植物群落层面的影响，以及4）界定使用除草剂控制EWM的安全操作空间。我们的结果可用于完善威斯康星州的管理和许可决策，并可作为其他地方水生植物管理中评估权衡取舍的模板。更广泛地说，本研究揭示了水生植物群落的恢复力以及驱动入侵物种控制成功或失败的因素。章节摘要研究地点我们的研究系统涵盖美国威斯康星州的474个湖泊（图2）。由于湖泊的物理和化学特征通过影响除草剂消散和降解速率而影响除草剂处理的效果（Howard 等，1991；Nault 等，2018），我们从威斯康星自然资源部（WDNR）获取了湖泊特征信息，作为后续分析的预测变量（表1）。湖泊面积从17英亩到6215英亩不等，塞氏盘植物群落对入侵和化学处理的响应丰度-占据关系揭示了未入侵湖泊和已入侵湖泊之间本地群落的差异（图3，表S2）。EWM入侵与本地群落中更陡峭的丰度-占据关系相关（p < 0.001），这主要由常见本地物种丰度降低所驱动。丰度-占据关系还表明，处理并未使水生植物群落恢复到入侵前状态（p < 0.001）；相反，处理似乎加剧了影响讨论在此，我们提出一个框架，用于揭示水生植物群落中入侵物种控制的安全操作空间。通过结合量化以下方面的分析方法：1）入侵的生态代价，2）管理的有效性，3）管理的非预期负面影响，我们确定了除草剂处理的安全操作空间，并为管理者提供了指导决策的框架。欧亚龙舌草对威斯康星州湖泊的入侵与群落转移相关CRediT 作者贡献声明**George C. Brooks：** 论文原创撰写、可视化、方法论、调查、正式分析、数据整理、概念化。**Zachary S. Feiner：** 论文审阅与编辑、监督、方法论、资金获取、概念化。**Olaf P. Jensen：** 论文审阅与编辑、监督、方法论、概念化。**Catherine L. Hein：** 论文审阅与编辑、监督、方法论、调查、资金获取、数据整理、概念化。利益冲突声明作者声明不存在可能被认为会影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。致谢我们要感谢 Madison Johanson 和 Michelle Nault 在数据获取、整理许可记录以及除草剂处理特征化方面提供的帮助和专业指导。我们还要感谢 Justin Chenevert 提供植物点截距数据，以及威斯康星自然资源部和五大湖印第安人渔业与野生动物委员会的各位成员对我们结果解释和实用性的反馈。本研究由威斯康星资助George C. Brooks|Zachary S. Feiner|Olaf P. Jensen|Catherine L. Hein