人工溪流揭示了干旱如何塑造加州的高山生态系统

一个人工溪流网络正在向科学家们展示加州的山区水道以及依赖它们的生态系统可能会受到更温暖、更干燥的气候的影响。

在下个世纪，气候变化预计将导致内华达山脉的降雪量减少。较小的积雪，再加上温暖的气候，将使每年的融雪提前到一年中，从而在炎热的夏季减少溪流和河流的水量。到2100年，山间溪流预计将比现在平均提前六周达到年度底部，即“低流量”状态。

在加州大学伯克利分校的一项新研究中，研究人员使用了加利福尼亚州猛犸湖罪犯溪附近的一系列九个人工河道来模拟当前条件和未来气候变化情景下源头溪流的行为。该研究发表在《美国国家科学院院刊》杂志上。

在整个夏天，研究人员监测了河道内和周围生长的藻类、水生昆虫和其他生物的数量。他们发现，改变低流量条件的时间也改变了许多这些生物的生命周期以及不同物种的相对丰度。它还导致主要昆虫类蠓的数量增加了近一倍。

然而，由于物种以多种方式适应变化，河流生态系统通常能够适应不断变化的条件。

研究第一作者、加州大学伯克利分校Ruhi实验室的研究生凯尔·莱瑟斯(KyleLeathers)表示：“我们很惊讶地看到如此清晰的例子，说明生物多样性如何稳定生态系统。”

“这类似于拥有平衡的金融投资组合——因为不同的物种对变暖的反应不同，一条河流的物种越多，变暖就越有可能不会对生态系统过程产生重大影响，而生态系统过程对于更广泛的食物网至关重要。”

加州大学伯克利分校的研究人员使用人工河道网络来模拟当前条件和未来气候变化情景下源头河流的行为。室外溪流可以让昆虫、藻类和其他营养物质自然繁殖。它们还配备了传感器来监测水温和溶解氧水平的自然波动。前景中的木框屏风可防止鱼类进入通道。图片来源：加州大学伯克利分校Ruhi实验室

改变季节的节奏

生态系统过程遵循自然季节节律，动物、植物和其他生物体适应这些季节变化。例如，水生昆虫沿着固定的发育时间表分散、繁殖和生长，它们的成功取决于水温和养分可用性等因素。同样，它们的捕食者也受到暗示，预计在一年中的特定时间会有大量的昆虫。

莱瑟斯和资深研究作者、加州大学伯克利分校环境科学、政策和管理副教授阿尔伯特·鲁希(AlbertRuhi)想要了解早期的低流量水流条件如何影响这些自然节律。

“当你只研究年平均值时，你可能无法了解完整的情况，因为重要的变化正在更精细的范围内发生，”鲁希说。

由加州大学内华达山脉水生研究实验室维护的人工河道系统为研究这些精细尺度的变化提供了理想的场所。这些渠道最初由美国鱼类和野生动物管理局的研究人员建造，将附近的罪犯溪(ConvictCreek)的淡水引流过来。九条渠道长50米，宽1米，相当于一条小山溪的大小，并设有闸门来控制流经渠道的水量。

室外溪流可以让昆虫、藻类和其他营养物质自然繁殖。它们还反映了温度、溶解氧和其他变量的自然波动——所有这些都可以通过现代传感器进行监控。

鲁希说：“在这种规模上，这是唯一使用天然水而不是循环水的系统，而且水来自流域的实际融雪。”“我们可以通过比较自然水道的干旱和潮湿年份来进行类似的研究，但在自然界中几乎不可能有九条附近相同的溪流，其中一些溪流流量较低，而另一些溪流则不然。”

2019年夏季，研究人员设置了9个渠道中的3个来模拟从8月初开始的低流量条件，此时该地区的溪流通常会达到低流量。他们在三周前(七月初)将另外三个频道设置为低流量，并在六周前(六月中旬)将最后三个频道设置为低流量。

随着夏季的进展，莱瑟斯和研究小组的其他成员定期测量各种河流状况，从水温和溶解氧水平到河道中的昆虫数量。他们发现，这些渠道几乎立即对水温上升、藻类新陈代谢变化和昆虫提前出现的低流量条件做出反应。

这些变化不仅会对鱼类产生重大影响，还会对依赖水生昆虫豆类为食的鸟类、蝙蝠和蜥蜴等陆地捕食者产生重大影响。例如，蠓的繁荣吸引了附近的布鲁尔乌鸫，它们收集这些有营养的昆虫来喂养它们的幼崽。

鲁希说：“值得注意的是，尽管整个生态系统层面保持稳定，但即使是微小的变化也可能产生严重后果。”“我们没想到早期融雪会控制溪流昆虫变形的数量，导致更早、更丰富的飞虫脉冲，进而吸引河岸鸟类。这种跨生态系统的联系是我们没有想到的，而且我们永远不会在实验室环境中捕捉到。它强调了时机就是一切。”

Ruhi实验室目前正在扩大这项工作，以了解气候变化如何导致水生食物网中的不匹配或新匹配。

“生态学家经常认为气候变化会导致捕食者与猎物的不匹配，因为捕食者和猎物以不同的速度甚至不同的方向改变生命周期，导致捕食者挨饿，”莱瑟斯说。“新颖匹配的概念可能没有得到充分重视，但却很重要。”

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