土地利用驱动下北方湖泊食物网的陆源有机质支持模式

编辑推荐：本研究通过δ2H稳定同位素示踪技术，揭示了北方湖泊消费者对陆源有机质(t-OM)的依赖程度（消费者异源营养性，allochthony）如何受流域土地利用类型影响。研究发现，森林覆盖率高、DOC浓度高的湖泊中，底栖消费者异源营养性最高（达68%），而农业流域的富营养化湖泊则显著降低。该成果为跨生态系统能量流动及流域管理政策提供了关键科学依据。

　　

北方湖泊如同镶嵌在森林与农田之间的蓝色宝石，其食物网的运作长期以来暗藏玄机。陆源有机质(t-OM)通过溪流输入湖泊后，究竟如何支撑从浮游动物到鱼类的整个食物链？这一问题在气候变化与人类活动加剧的背景下显得尤为紧迫。过去的研究多聚焦于少数浮游生物类群，而对整个食物网中不同营养级、不同生境消费者的陆源物质依赖程度缺乏系统性认知。更关键的是，流域土地利用变化（如森林砍伐或农业扩张）如何通过改变t-OM输入特性影响湖泊生态系统，仍存在巨大知识空白。

芬兰于韦斯屈莱大学等机构的研究团队在《Nature Communications》发表论文，通过对35个北方湖泊的跨生态系统研究，首次全面量化了从浮游生物到底栖鱼类共19类消费者的异源营养性。研究创新性地将氢稳定同位素(δ²H)作为t-OM示踪标记，结合贝叶斯混合模型(MixSIAR)，揭示了土地利用梯度如何通过改变湖泊有机质组成，进而重塑食物网结构。

研究团队采用多学科技术方法：1) 跨35个湖泊的时空采样，涵盖森林至农业主导流域的环境梯度；2) 氢(δ²H)与氮(δ¹⁵N)稳定同位素分析，结合光合作用分馏校正(-110‰)和环境水贡献(ω=0.23)的Omega校正模型；3) 主成分分析(PCA)整合18个环境变量构建土地利用综合指标(PC1)；4) 胃内容物分析确定鱼类食性功能群。

环境梯度塑造湖泊有机质组成

PCA分析显示，PC1轴（解释27.3%变异）代表从高DOC、低pH的森林湖泊到高总磷(Tot-P)、高叶绿素a(chl-a)的农业湖泊的连续梯度。森林覆盖率与POM的N:C比呈负相关(r=-0.77)，证实森林流域输入更多富碳陆源有机质。

消费者异源营养性的空间分异

贝叶斯模型显示，底栖消费者异源营养性显著高于浮游类群。在典型森林湖泊(PC1=-2)中，深水区摇蚊幼虫(Chironomidae)异源营养性高达84%，浅水等足类(Asellus aquaticus)为59%，而浮游枝角类仅23%，桡足类接近0%。鱼类中，以底栖为食的梅花鲈(Gymnocephalus cernua)达27%，而浮游食性欧白鲑(Coregonus albula)仅2%。

土地利用驱动的异源营养性衰减

沿PC1梯度（森林→农业），13/19消费者类群异源营养性显著下降。枝角类异源营养性从30%降至6%，深水底栖动物从75%降至50%。仅浅水等足类和浮游幽蚊幼虫(Chaoborus)无显著变化。模型比较显示，PC1比单一变量（如森林覆盖率）更能解释异源营养性变异(DIC降低>20)。

微生物链接的关键作用

尽管t-OM直接利用率低，但通过微生物转化（细菌→原生动物→后生动物）形成重要能量通道。敏感性分析表明，即使假设细菌ω高达17%，异源营养性空间格局仍保持稳健，验证了微生物链接的普适性。

这项研究首次在生态系统尺度证实，北方湖泊食物网对陆源物质的依赖程度受流域土地利用的系统性调控。森林流域通过输入高C:N比t-OM，维持了以底栖通道为主导的食物网结构；而农业活动通过促进湖泊内生产力，削弱了这种跨生态系统耦合。该成果为欧盟"新森林战略"等政策提供了科学依据——流域造林可能增强湖泊对t-OM的依赖，进而改变食物网能量流动路径。未来研究需关注林业活动（如沟渠排水）对t-OM输入通量的精确影响，以平衡淡水资源保护与流域管理需求。