封面圖片

“長安居，大不易”，在大型城市中生活面臨各種壓力，對人如此，對水生生物而言情況又是如何？ 2024年6月11日，beat365官方网站和生态研究中心姚蒙課題組在Science of the Total Environment雜志在線發表了題為“Metropolitan pressures: Significant biodiversity declines and strong filtering of functional traits in fish assemblages”的研究論文。該研究是繼課題組發現城市環境對魚類分類多樣性的顯著作用(Zhang et al., 2022 Science Advances 8:eabk0097)之後，進一步對城市魚類群落的物種和功能多樣性分布模式的研究。通過深入分析完整城市化梯度下魚類在群落水平、物種水平及性狀水平的響應模式，揭示了各城市化壓力因素對全球特大都市北京的魚類群落功能特征的強烈篩選作用，提供了城市化進程對魚類群落功能結構影響的超精空間尺度數據。

圖1  北京地區eDNA采樣點分布以及城市幹擾水平的劃分

全球城市化進程的加速使得生物多樣性面臨着喪失和群落結構重塑的嚴重威脅。理解城市化對生物多樣性的影響對于制定保護策略至關重要，但目前對城市化在精細尺度上對魚類群落功能結構的影響了解甚少。傳統魚類調查主要依靠捕撈等方法，難以在城市環境大規模開展。本研究以全球城市化範例北京為研究區域，采集了全面覆蓋了北京城區、近郊和遠郊的109個水體的樣品，開展了基于環境DNA(eDNA)方法的魚類多樣性調查（圖1）。利用無損傷性、高效率、高靈敏且高精準度的eDNA宏條形碼方法，通過擴增魚類DNA及高通量測序，共鑒定到75種魚類，包括52個本地原生魚種和23個非本地魚種。同時對各采樣水體的水質理化指标和周邊地表覆蓋類型比例進行了測定和計算，并基于PCA分析結果将采樣點劃分為低、中、高三個幹擾水平，低幹擾水平的水體通常具有較高的植被覆蓋率和溶解氧濃度，而高幹擾水平的水體則與較高的水質污染指标和建築用地等不透水地面比例相關（圖1）。

功能多樣性反映了物種在生态系統中的地位和作用，是聯系生物多樣性與生态系統服務功能的重要基礎。對北京魚類物種和功能α多樣性的分析結果顯示，随着城市化幹擾程度的增加，魚類物種豐富度（Species Richness）、功能豐富度（FRic）、Rao二次熵指數（RaoQ）、功能均勻度（FEve）、功能離散度（FDis）均呈現顯著降低趨勢（圖2），這提示城市化幹擾的增強導緻了許多魚類物種的消失。

圖2  魚類物種和功能α多樣性在不同幹擾水平下的差異比較

此外，本地和非本地魚類基于相對序列豐度的物種分類和功能β多樣性随城市化壓力的增加呈現出了差異響應模式。本地魚類β多樣性由β替換組分（replacement）主導，且整體的β多樣性和β替換組分随幹擾水平增加而顯著降低；非本地魚類β多樣性由β豐富度（richness）主導，且β豐富度随幹擾程度增加而增加。研究結果提示本地魚種群落結構差異主要由環境或生态因素決定，而非本地魚種的群落結構差異主要由物種或性狀豐富度的得失造成。

對北京地區魚類功能性狀的PCA分析表明，本地和非本地魚類功能空間存在較大的重疊，非本地魚類功能空間随幹擾程度增加出現明顯縮減，而本地魚種整體的功能空間變化不大（圖3）。外來魚種的入侵并沒有增加和補償本地魚類的功能多樣性，随城市幹擾強度增加而消失的本地稀有物種應成為城市生物多樣性保護的重點。

圖3  不同幹擾水平下魚類功能空間的變化

RLQ和四角分析結果提示魚類體型大小、繁殖力、食性和繁殖偏好與水質顯著相關，較大體型、較高繁殖力和偏好利用植物進行産卵繁殖的本地魚類以及雜食性的非本地魚類是城市環境中的赢家；而較小體型、較低繁殖力和依賴于雙殼類進行産卵的本地魚類對水質污染較為敏感，是城市水體中的輸家（圖4）。特别是青鳉、寬鳍鱲、高體鳑鲏、大鳍鱊等魚種，由于其對水質指标的高度敏感性，可以作為水環境指示物種（圖5）。

圖4  魚類功能性狀對環境變量的響應關系（橙色/藍色分别表示正/負相關）

圖5  水質敏感物種（城市輸家）和環境耐受物種（城市赢家）

此外，研究也分析了水質指标與不同土地利用類型的關系。結果顯示與水體營養物水平最為高度相關的并非通常視為城市化程度指标的不透水表面，而是農田的比例（圖6）。這提示對城市水體質量的保護必須重視農業活動的影響，加強對施肥等水體污染源的管理。

圖6  城市農業用地占比(%Cropland)與水體總氮(TN)濃度高度相關

本研究結果表明，城市化壓力不僅造成了魚類群落的簡化和同質化，同時對魚類功能特征起到了強烈的篩選作用，因此應對全球城市化對水生生态系統的幹擾需要同時關注物種多樣性和功能多樣性等多個生物多樣性層面的影響，而基于eDNA的生物多樣性研究方法将有助于揭示全球高速城市化進程中各生物類群的功能響應及生态系統的變化。

論文第一作者張姗在潮河采集環境水樣品

論文通訊作者姚蒙（右下）和志願者（左上）在元大都進行水質指标測定

beat365官方网站張姗博士（現為北京師範大學beat365講師）為本論文的第一作者，姚蒙研究員為論文通訊作者。感謝中科院生态環境研究中心戰愛斌課題組提供的幫助支持，感謝所有參與和協助本項目野外工作的實驗室同學和志願者。該研究得到了國家自然科學基金、雲南社會發展項目、中國科協青年人才托舉工程和beat365官方网站啟東創新基金等的資金支持。

原文鍊接：https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.173885

更多論文：https://www.researchgate.net/profile/Meng-Yao-4/research