《PLOS One》：Hurricane disturbance results in positive effects on tropical stream meiofauna abundance and richness
引言
飓风（在印度洋、南太平洋和西北太平洋称为气旋和台风）是重要的自然干扰，塑造着许多地区（如加勒比海、亚洲和澳大利亚）生态系统的结构和动态。经常受飓风影响的生态系统由具有恢复力（即能快速从干扰中恢复）或抵抗力（即在干扰下变化很小）的物种组成。然而，目前对飓风对植被影响的了解，总体上比其他类群更为全面，我们对动物，特别是栖息于沉积物中的小型水生生物（即小型底栖动物）响应的了解较少。
小型底栖动物是小型异养生物，通常与水生生态系统的底栖沉积物相关联。这些生物在细小基础资源（如细小有机质）与水生大型无脊椎动物之间形成重要的能量链接。小型底栖动物受溪流流量、基质组成和有机质可用性的强烈影响。例如，Gaudes及其同事发现地中海地区的小型底栖动物适应了季节性的溪流洪水。此外，基质类型（基于沉积物大小）是温带溪流中预测小型底栖动物群落组成和丰度的指标。高有机质也与高小型底栖动物丰度相关。由于已知飓风会影响其中一些变量（如流量、基质和有机质），因此预计会对溪流小型底栖动物产生重大影响。
波多黎各为了解飓风影响提供了独特的机会，因为该岛经常受到这些大气事件的影响。卢基洛实验森林内的卢基洛长期生态研究项目自1989年以来一直在收集飓风影响的数据。我们对飓风对波多黎各生态系统影响的许多理解来自对陆地群落（如植被、蜗牛、鸟类）的研究。关于水生群落的信息较少，而关于溪流小型底栖动物的研究则没有。
本研究旨在评估飓风影响对波多黎各一条热带溪流中小型底栖动物群落的短期和中期效应。飓风干扰对溪流生态系统有强烈影响，其后果持续数月到数年。直接影响与导致大洪水的强降雨有关，这会导致水生动物死亡，并由于森林冠层落叶而产生有机质脉冲。冠层移除增加了河道中的太阳辐射，促进了藻类生长，并产生在影响后几个月明显的中期效应。我们的目标是描述这些变化，并将其与飓风干扰改变的环境因素联系起来。
方法
研究地点
研究地点是普列塔溪，位于波多黎各卢基洛实验森林（又称云盖国家森林）埃斯皮里图桑托流域的一条支流。普列塔溪有两条主要支流：普列塔溪A和普列塔溪B。我们在每条支流选择了海拔约400米、长100米的研究河段，并在每个河段内选择了9个水塘进行研究。在飓风干扰前，两个河段都被以Dacryodes excelsa和Prestoea montana为主的常绿冠层浓密覆盖。该地区的地貌是该区域其他溪流的典型特征，特点是曲度低、坡度陡，河道以巨石为主，部分区域有沙。气候特点是月平均气温相对稳定，范围在21至26°C之间，年平均为23°C，月平均降雨量在200-400毫米之间。这片森林是非季节性的，尽管9月到12月之间可能更湿润。
飓风伊尔玛和玛丽亚
飓风伊尔玛和玛丽亚于2017年9月影响了卢基洛实验森林。飓风伊尔玛由热带波动发展而来，到8月29日成为热带风暴。9月1日，伊尔玛成为强飓风，到9月5日，成为强大的五级飓风（萨菲尔-辛普森飓风风力等级）。伊尔玛的风眼并未在波多黎各登陆，于9月6日至7日期间从该岛以北80公里处经过。热带风暴风和强降雨影响了波多黎各东北部，据报道总降雨量估计在254至381毫米之间。
飓风玛丽亚在伊尔玛两周后影响了波多黎各。它由热带波动发展而来。9月16日，它成为热带低气压，同日晚些时候成为热带风暴。9月17日，玛丽亚成为飓风，到9月18日成为五级飓风。9月20日，它以强大的四级飓风强度登陆，从波多黎各东南部的亚武科亚进入。整个岛屿都检测到了飓风风力。几小时后，于9月20日，飓风风眼从波多黎各西北侧离开。降雨量极大，有站点记录高达965毫米。在不到一个月的时间里，两次极端事件影响了波多黎各，为了解飓风对热带溪流小型底栖动物的影响提供了机会。
小型底栖动物采样
小型底栖动物按体型定义，尽管不同作者对体型界限的划分有所不同。本研究关注生活在水生沉积物中、体型介于500 μm至42 μm之间的异养生物，其中42 μm是提议的最小界限。这一定义包括了原生生物和水生昆虫的早期幼虫。每月，在每个支流随机选择9个水塘中的6个进行采样，每月总共12个水塘。由于2017年9月飓风后的条件，错过了2017年9月的采样。然而，第一次飓风后采样发生在飓风玛丽亚影响该区域后的30天内。这得到了8个月的飓风前数据和8个月的飓风后数据。
标准的小型底栖动物采样需要使用取芯器对沉积物堆积进行采样，但普列塔溪的岩石基质使这变得不可能。我们设计了一种适应我们研究地点的采样方法。普列塔溪的可用栖息地是带有沉积物的小而浅的水塘，我们通过移液沉积物而非取芯来采样，使用一个0.0062 m2的聚氯乙烯（PVC）环划定区域，并使用孔径为5毫米的移液管。采样器随机插入（深度1.5厘米）有沉积物的水塘区域。每个样品包括在PVC环内收集的290毫升沉积物和水，以及10毫升50%的冷戊二醛，最终得到300毫升用2%戊二醛固定的样品，储存待处理。
物种丰富度和丰度是根据样品均质化后取10毫升（样品的3%）子样计算的。小型底栖动物通过密度梯度法分离，并用直径25毫米的硝酸纤维素带网格滤膜（孔径1.2 μm）过滤。密度梯度法包括使用Ludox?。这种胶体二氧化硅溶液在4,300 g离心时产生密度梯度，并允许提取生物体。该方法预计可提取沉积物中高达99%的微生物。由于样品来自淡水，因此省略了脱盐步骤。飓风前时期的样品用定量蛋白银染色法（QPS）染色。QPS染色遵循同事建议的修改方案进行染色。QPS需要金氯化物，必须储存在2–8°C的温度下。飓风后的样品因波多黎各停电数月而采用不同处理。我们用玫瑰红（0.1克玫瑰红/200毫升5%福尔马林）染色样品，因为它可以在室温下储存。两种染色方法都允许我们观察和识别小型底栖生物。小型底栖动物个体被鉴定到尽可能低的分类水平，否则我们将其归入形态种。滤膜被彻底筛查，所有生物体都被测量。对于丰富度和丰度估计，我们计数了测量值在42至500 μm之间的生物体。对线虫、纤毛虫、有壳变形虫等类群的鉴定是在1000倍总放大倍数下进行的。对于线虫，形态种根据口腔结构进行划分。所有小型底栖动物都根据文献和观察载玻片时其肠道内生物的证据，划分为主要的营养类群。
环境变量
沉积物分析是用样品的剩余体积进行的。该体积经过筛分，按粒度等级分离颗粒：粗砂、中砂和细砂。我们选择这些粒度是因为我们研究地点报告的主要细小颗粒大多是沙。筛分后，样品在70°C下干燥两天，重新称重，并在500°C下灰化1小时以计算去灰干重。计算了各粒度等级（粗砂、中砂和细砂）沉积物的百分比，并用于统计分析。
溪流流量（升/秒）是使用每个河段水位与溪流流量之间的已知关系估算的。使用压力传感器连续测量普列塔溪的水位。该数据记录器每15分钟使用气压测量一次水位。记录器放置在QPA和QPB最下游的采样水塘中。日数据在我们统计分析前30天取平均值。
研究地点是长期研究地点（LUQ-LTER）的一部分；因此，有额外的数据可用于关联小型底栖动物群落。可用数据包括水化学、虾密度、大型无脊椎动物群落、叶绿素和粗有机质输入。水化学每周收集，并由新罕布什尔大学水质分析实验室分析。使用比色法测定氮和硅浓度。虾、大型无脊椎动物和藻类生物量每月在同一研究水塘中收集。虾使用诱饵陷阱过夜采样。大型无脊椎动物使用取芯采样器（0.0314 m2）收集。收集的材料用甲醛（37%）固定。在实验室中将生物体与沉积物和有机质分离。收集的大型无脊椎动物放入装有80%乙醇的小瓶中，随后鉴定到科级。叶绿素估计为来自Loeb采样器的平均叶绿素浓度。在每个水塘中，从岩石表面收集7个Loeb样品。LUQ-LTER采样的详细方法见参考文献。小型底栖动物样品在大型无脊椎动物采样一周后在同一研究水塘中收集。
统计分析
我们评估了飓风前（2017年1月至8月）和飓风后（2017年10月至2018年5月）小型底栖动物的丰富度、丰度和群落结构模式。飓风后期分为两个子时期：飓风后立即（2017年10月至12月，以下简称飓风后A期），以及飓风后中期（2018年1月至5月，以下简称飓风后B期）。这三个时期是根据降雨模式和距干扰的时间划分的。飓风后A期对应于飓风季节的剩余时间。飓风后B期对应于旱季。
我们使用Kruskal Wallis检验比较了不同时期之间的丰富度和丰度，因为根据Shapiro-Wilks检验缺乏正态性（丰富度：W = 0.87 p = 0.001；丰度：W = 0.78， p = 0.001）。如果发现显著差异，则进行均值成对比较。我们从分析中移除了个体数为零的水塘，因为假设没有个体的载玻片是蛋白银染色过程中方法学困难的结果。一些样品富含有机质，琼脂没有粘在滤膜上。在其中一些样品中，琼脂在染色的最后步骤从滤膜上脱落，导致飓风前数据的样品较少。由于鉴定水平不同（例如，分类群 vs. 形态种），对于群落结构分析，我们使用按门分类的分类群矩阵。使用非度量多维标度（nMDS）排序分析来绘制飓风前、飓风后A期和飓风后B期的群落结构。对于nMDS，构建了月平均矩阵，并基于Bray-Curtis矩阵构建。我们使用PERMANOVA检验和经过9999次置换的Bray-Curtis矩阵检验了飓风对群落结构的影响。进行了SIMPER检验以确定哪些小型底栖动物类群导致了群落结构的差异。
使用Kruskal Wallis检验比较了飓风前、飓风后A期和飓风后B期之间沉积物和有机质百分比，因为根据Shapiro-Wilks检验缺乏正态性（所有百分比的p = 0.0001）。对所有沉积物和有机质百分比进行了均值成对比较。进行了主成分分析（PCA）以确定哪些环境变量可以解释小型底栖动物群落的变化。PCA使用根据文献选择的十个环境变量进行。变量包括：流量、硝酸盐、磷酸盐、硅、叶绿素、粗砂、细砂、粗砂中的有机质、细砂中的有机质和沉积物百分比。我们将分析限制在这十个变量，以满足PCA关于观察数量相对于分析变量的适当数量的假设。为了满足这一假设，我们没有在PCA分析中包含中砂百分比、中砂中有机质百分比、有机质输入和冠层开阔度。由于采样尺度不同，PCA矩阵由环境数据的月平均值组成。这些变量也进行了标准化以进行适当的比较。
构建了定量模型（GLM’s）以确定飓风后A期和飓风后B期的环境变量与小型底栖动物丰度和丰富度之间的关系。飓风前的模型已发表。此外，我们为两个主要类群（线虫门和纤毛门）和主要营养类群（食菌者和捕食者）的丰度建立了模型。模型选择基于修正的赤池信息准则（AICc），该准则基于此类模型的可能性并针对小样本量进行了修正。由于不止一个模型可能具有良好的拟合度（基于delta AICc），我们对一些模型进行了平均。由于个体模型的权重较低，构建了全平均模型。这样，我们选择了最简约且适合数据的模型。所有数据都经过了检验假设的审查。
nMDS和PCA在PAST V 4.05中运行。PAST也用于群落结构的多重比较。所有其他检验均使用R进行，使用Vegan包进行PERMANOVA检验，MASS包进行定量模型，MuMIn和AICcmodavg包分别用于模型比较和模型平均。
结果
小型底栖动物
整体群落组成以线虫为主，占丰度的35%，其次是纤毛门（18%）、腹毛动物（14%）和根足虫门（11%）。缓步动物对总丰度的贡献最小，仅占2%。所有分类类群的丰度在至少一个飓风后期都有所增加。根足虫门和扁形动物门是仅有的两个飓风后B期丰度低于飓风前的分类类群。
小型底栖动物的丰富度在飓风不同时期之间存在显著差异（H = 35.29， p = 0.001），其中飓风后A期和飓风后B期的丰富度高于飓风前。丰富度在飓风后A期翻了一番，但在飓风后B期减少了三分之一。然而，飓风前存在的所有小型底栖动物门在飓风后A期和飓风后B期都存在。在飓风影响后，观察到了四个飓风前未检测到的形态种。新的形态种属于纤毛门（1个Litostomatea）、轮虫动物门（Lecane类似物种1和2）和腹毛动物门（Chaetonotus物种3，一个体型非常大的物种）。
小型底栖动物每平方米丰度的置信区间（CI，95%）显示我们的样品中存在大量变异。CI分别为：飓风后A期为150,280 个体/m2（113,491?187,300），飓风后B期为93,094 个体/m2（74,312?115,285），而飓风前值在8,913?59,648 个体/m2之间。检测到飓风前和飓风后数据之间的总丰度存在显著差异（H = 52.62， p = 0.001）。检测到的最高平均（±SD）丰度出现在飓风后A期，为151,058 ± 103,273 个体/m2。总体而言，飓风后立即最丰富的类群是线虫，其次是有壳变形虫、纤毛虫和腹毛动物。然而，大多数门的丰度在飓风后都有所增加。唯一没有显著增加的门是变形虫门、节肢动物门和缓步动物门。相比之下，根足虫门和扁形动物门的丰度在飓风后B期降至飓风前水平。
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按营养类群划分的小型底栖动物丰度在飓风后有所增加。然而，只有捕食者随时间持续增加。食植者和食碎屑者在飓风后A期增加，但它们的丰度在飓风后B期保持相似。食菌者和杂食者的丰度立即增加。然而，两个飓风后期之间丰度的成对比较并不显著。
NMDS显示了飓风后群落结构的变化模式。PERMANOVA检验表明，普列塔溪小型底栖动物的群落结构在飓风前和飓风后期之间有所不同（F2,31= 8.06， p = 0.001）。营养结构在飓风后发生了变化。PERMANOVA检验显示飓风前和飓风后期之间存在显著变化（F2,31= 9.83， p = 0.001）。食菌者占群落的77%，其次是捕食者占12%。贡献最小的营养类群是食碎屑者，占群落的2%。所有营养类群的丰度在飓风后都有所增加。捕食者、食植者和食碎屑者在飓风后B期丰度持续增加。同时，食菌者和杂食者在飓风后B期丰度减少，但这些丰度仍高于飓风前。
环境变量
PCA显示了与基质相关和物理化学变量的梯度。沿轴1的梯度与细砂百分比、细砂中有机质和粗砂相关。沿该轴形成了两组，一组具有高百分比的细砂和细砂中有机质。第二组形成于具有高百分比粗砂的组。对于该轴，飓风前数据位于右侧的飓风后A期和左侧的飓风后B期之间。该轴解释了35%的变异。沿轴2，环境数据的离散是由其他变量引起的：叶绿素、流量和沉积物百分比。沿该轴未形成任何组；不过，该轴解释了另外16%的方差。
颗粒大小在飓风影响后发生了显著变化，飓风后样品具有更高的中砂和细砂。粗砂在飓风后A期减少。然而，在飓风后B期，它与飓风前水平相似。中砂在飓风后B期增加。细砂在飓风后立即增加，但在飓风后B期，与飓风前值没有差异。粗砂中的有机质在飓风后立即减少，但在飓风后B期迅速恢复到飓风前值。中砂中的有机质在飓风后A期没有变化，但在飓风后B期增加。另一方面，细砂中的有机质在飓风后A期增加，但在飓风后B期，它回到了飓风前水平。
小型底栖动物与环境变量之间的关系
广义线性模型具有最低的AIC，解释了普列塔溪小型底栖动物丰度和丰富度的变化。飓风后A期丰度和丰富度的模型几乎包含了所有变量。主要分类类群也获得了相同的结果，其中几乎所有变量都包含在模型中。相比之下，营养类群的模型则很简单。食植者丰度与粗砂和硝酸盐呈正相关，捕食者丰度与有机质相关。
对于飓风后B期，丰度和丰富度模型很简单。小型底栖动物的丰度与粗砂呈正相关，而丰富度的全平均模型包括粗砂和虾作为正效应，流量作为负效应。线虫门丰度的全平均模型与粗砂和大型无脊椎动物呈正相关。相比之下，纤毛门仅与粗砂相关。同样，飓风后B期的食植者和捕食者与粗砂相关。
讨论
小型底栖动物
与大多数水生生物对干扰的响应类似，我们预计小型底栖动物的丰富度和丰度会因飓风影响而减少，然后随着干扰后环境条件随时间变化而恢复。相反，我们发现小型底栖动物的丰富度和丰度增加了。飓风塑造波多黎各生态系统已有数千年，普列塔溪的小型底栖动物似乎从这种干扰后的环境条件中受益。
虽然群落丰富度在飓风干扰后有所增加，但所有主要类群在飓风前和飓风后都存在。观察到的增加可能是由于偶然扩散或创造了新的环境条件，使得额外的物种得以建立。飓风后丰富度增加已有报道。例如，据报道飓风伊莎贝尔过后切萨皮克湾上游区域的鱼类丰富度增加。然而，这种增加是由于波托马克河洪水导致鱼类向下游迁移至河口过渡区。飓风雨果过后，一只雌性臭虫Nezara viridula (L.)被扩散到600公里外的马里兰州。此外，飓风后环境条件的变化很常见。这可以解释小型底栖动物物种丰富度的增加。一些小型底栖动物类群可以形成孢囊或产休眠卵。这些物种可能存在于溪流中，处于孢囊状态，因此在调查中未被检测到。飓风干扰会改变溪流环境数年，可能导致处于孢囊状态的小型底栖动物变得活跃。飓风后在普列塔溪检测到的新形态种是纤毛门、轮虫动物门和腹毛动物门，这些类群已知会形成孢囊。
我们研究地点新的飓风后条件与生物体丰度的增加有关。飓风干扰后，蜉蝣和虾的密度增加，可能是由于溪流中食物资源和碎屑可用性增加。据报道，卢基洛实验森林溪流中的虾密度增加了高达80%。同样，飓风雨果后科奎蛙的丰度由于栖息地复杂性增加而增加。飓风后A期小型底栖动物的增加可能与存在的额外有机质有关，这代表了额外的资源和栖息地。普列塔溪小型底栖动物的响应与虾和科奎蛙的响应相似，可能与食物可用性（如有机质、藻类）的增加有关，这些是导致丰度增加的原因。
飓风后进入溪流的有机质转化为细小颗粒有机质，增加了细菌定植的可用表面积。这可以解释飓风后食菌者的增加。飓风过后，这种条件发生了变化，到达溪流的太阳辐射增加。这可能会增加藻类生产力。硅藻需要3到7周才能在新基质上定植，而飓风后的条件有利于藻类生产力的提高。这可以解释飓风后B期食植者丰度的增加。因此，飓风前、飓风后A期和飓风后B期之间分类学和营养群落结构的差异可能与食物来源的可用性有关。
从飓风中受益的物种在我们的研究地点占主导地位。卢基洛实验森林的植物群落显示出对飓风的适应，具有抵抗力和恢复力的物种。对于小型底栖动物，在飓风后B期，丰富度和丰度开始向飓风前水平下降，只有根足虫门和扁形动物门达到了这些水平。恢复到飓风前水平所需的时间因物种、生态系统过程和生态系统类型而异。例如，飓风雨果影响波多黎各后，食蜜鸟和食果鸟的恢复需要6到10个月。对于食谷鸟，恢复需要超过一年。对于陆生无脊椎动物（如竹节虫、软体动物），飓风影响后恢复至少需要10个月。
环境变量
飓风后小型底栖动物丰富度和丰度的变化可能与沉积物特征的变化有关。预计沉积物会发生变化。飓风后A期的粗砂很可能被冲向下游。飓风期间的溪流流量很可能具有移动大颗粒的能量。然而，细小颗粒的增加可能是滑坡和树木连根拔起的结果。这可以解释飓风后A期中砂没有差异，当时显然有相似数量的中砂被冲刷下来并沉积。然而，在飓风后B期，沉积物沉积持续，解释了该时期中砂的增加。
树木连根拔起是森林流域中土壤重新进入溪流的主要事件，与滑坡相结合，飓风后释放的土壤最终进入溪流，从而增加了沉积。飓风雨果后在卢基洛实验森林的溪流中观察到了细小颗粒的增加。沉积物中的有机质遵循类似的模式。粗砂和中砂中有机质的增加可能是由于分散在流域中的有机质积累以及大型无脊椎动物的破碎作用。大型无脊椎动物是优秀的有机质破碎者，尤其是在源头溪流中。
小型底栖动物与环境变量之间的相互作用
溪流流量、粗砂和大型无脊椎动物是我们研究地点飓风前时期与小型底栖动物变化相关的三个主要变量。这些变量在飓风后也对塑造群落很重要。飓风洪水可能与非飓风洪水没有太大不同，这由溪流流量对小型底栖动物和大型无脊椎动物的影响所证明。此外，已知小型底栖动物具有抵抗洪水影响的性状。然而，小型底栖动物与溪流流量、粗砂和大型无脊椎动物之间的关系在飓风后A期和飓风后B期是不同的。在飓风后期，我们还发现硝酸盐与小型底栖动物呈正相关。与硝酸盐的关系可能更多是相关性而非预测变量。飓风后硝酸盐的增加与植物因落叶和连根拔起导致的养分吸收减少有关。
在飓风后B期，生态系统可能更稳定，因为它恢复了飓风前的降雨和水文水平。这一时期可能对冠层环境变化作出响应；因此，该时期的模型很简单。在此期间，小型底栖动物丰富度与流量相关。然而，小型底栖动物丰富度和丰度都与粗砂相关。同样，小型底栖动物、纤毛虫、线虫和捕食者的丰度也与粗砂相关。沉积物是其他地方与小型底栖动物相关的强变量。这种关系在飓风后更强，因为在飓风后B期，粗砂是小型底栖动物、纤毛虫和捕食者丰度模型中唯一的估计量。
大型无脊椎动物似乎与小型底栖动物群落有重要的相互作用。飓风后线虫丰度与大型无脊椎动物丰度相关，表明两者之间存在促进作用。这可能是由于大型无脊椎动物破碎了有机质。大型无脊椎动物是溪流生态系统的组成部分，它们分解有机质，并促进能量在溪流消费者之间以及向河岸带流动。这些活动也可能使小型底栖动物群落受益。
有趣的是，飓风影响后，小型底栖动物丰度和丰富度与虾相关。尽管已知虾可以捕食小型底栖动物从而调节其丰度和丰富度，但我们在飓风前未检测到任何关系。飓风后，预计虾密度会增加。这可以解释飓风后虾与小型底栖动物之间的关系。虾很可能通过生物扰动和摄食藻类及有机质来影响小型底栖动物。
在任何研究期间，我们都没有检测到小型底栖动物与叶绿素之间的任何关系。飓风后植被的大量落叶是增加溪流中太阳辐射的一个主要特征。太阳辐射的增加应该会促进藻类生长，这是小型底栖动物的主要食物资源。在普列塔溪，小型底栖动物与叶绿素之间缺乏关系可能是由于溪流流量和虾的相互作用，阻止了藻类的积累。Atyid虾减少了我们研究溪流中藻类的现存量和决定了藻类群落组成，有利于硅藻。因此，飓风后，叶绿素与小型底栖动物之间的任何关系都可能被虾的
