1 引言
理解个体对环境胁迫反应的变异性，对于量化气候变化对动物种群的影响至关重要。动物中普遍存在的行为一致性变异，即“性格”，被认为能影响个体对环境的敏感度。羞怯、攻击性较低且更社交的个体通常对环境变化反应更强烈，并倾向于优先维持自身状态，这与胆大、更具攻击性且优先考虑繁殖输出的主动型个体形成对比。性格差异在个体间具有一致性且部分可遗传，并可能通过一系列行为和生理特征影响个体应对环境不确定性的方式。
性格被假设为应对应激条件生理反应的关键中介，尤其是在面对人为引起的气候变化时。肾上腺皮质反应是个体应对环境挑战的首要机制之一，通过激活下丘脑-垂体-肾上腺（HPA）轴并增加糖皮质激素分泌。由环境引起的代谢需求实际或感知变化所驱动，糖皮质激素释放促进有助于维持稳态的行为（如增加觅食努力），从而提供生理功能的稳定性。反应型性格个体（更羞怯）预计比主动型个体（更胆大）表现出更大的糖皮质激素水平升高。
然而，迄今为止，探究性格与HPA功能联系的研究得出了相互矛盾的结果。这可能部分是由于研究所处环境条件的年际和/或季节性变化。例如，在食物丰富的环境中，HPA轴活性预期较低，主动型性格个体可能由于能量消耗增加而比反应型同种具有相对较高的循环糖皮质激素水平。相反，在挑战性环境条件下，反应型个体可能通过HPA轴的更高敏感性或能力受到更强影响，从而比主动型个体具有更高的循环糖皮质激素水平。考虑生态条件的变化可能有助于厘清性格与HPA活性之间的关系。
个体对环境挑战的反应差异也可能在年周期的不同阶段有所不同，这进一步增加了量化性格与HPA活性之间关系的复杂性。例如，在候鸟中，由于物理和生态环境的变化（如在育雏期间需要返回繁殖地），施加在个体上的能量约束各不相同。这些约束的变化可能限制生理活动的变异性，导致不同性格类型对环境产生相似的反应。因此，需要考虑生活史阶段和环境质量两方面的变化来量化性格与HPA活性之间的关系。
短期（几分钟到几小时）糖皮质激素反应的差异提供了对环境胁迫即时反应的洞察，但其在描述糖皮质激素水平随时间变化以及捕捉可能影响适应度结果的长期（数天/数周）能量失衡变化方面能力有限。在较长时间尺度上整合的皮质酮测量，如羽毛皮质酮（fCORT），可能为长期环境扰动的影响提供更好的见解。fCORT整合了基线皮质酮的变化以及来自急性胁迫的应激诱导皮质酮水平，并已被证明与食物可获性变化及随后的营养胁迫相关。皮质酮在羽毛生长时被动沉积其中，因此fCORT代表了羽毛生长期间（取决于羽毛大小，数天至数周）的累积皮质酮暴露。繁殖前和繁殖期间的fCORT已显示与当前及未来繁殖性能和存活率相关。因此，fCORT可能为不同性格如何平衡资源获取和随后的生活史权衡提供见解。在换羽期分散在年周期中的物种中，fCORT也为探索性格、HPA活性和适应度之间关系的时间动态提供了机会。
本研究利用对黑腿三趾鸥（以下简称“三趾鸥”）的长期研究（2013–2021年），检验了性格与繁殖前、繁殖和繁殖后换羽期间fCORT差异之间的关系。我们使用胆大度这一性状，它构成了从主动到反应性格谱系的关键组成部分之一，胆大的鸟代表更主动的个体。在海鸟中，包括三趾鸥，胆大度已被证明与此谱系一致的其他性状相关，胆大的鸟倾向于表现出更少的探索性移动和对环境变化的更低敏感性。三趾鸥在年周期中经历不同的空间约束，即在繁殖期是往返于觅食地和巢穴之间的中央位置觅食者，与非繁殖期无约束的运动形成对比。在海鸟中，皮质酮是参与维持能量平衡的主要糖皮质激素，fCORT的变化反映了食物限制的暴露。北大西洋海鸟栖息在快速变化的随机海洋环境中，需要长期研究来适当检验胆大度与fCORT之间的关系，因为每日和季节性可预测事件可能掩盖HPA活性与大尺度环境变化之间的关系。
我们假设fCORT与胆大度之间的关系将取决于年际间（环境质量）和年内（不同生活史阶段）的生态变异性，并对适应度产生重要后果。具体来说，我们预测羞怯的反应型个体会在不同质量环境之间表现出比胆大的主动型个体更大的fCORT变化，因为它们对当前环境条件更敏感。胆大和羞怯个体之间关系的差异在非繁殖期可能较弱，此时个体面临更少的约束（即从亲代职责中解脱且不再受巢束缚），因此可以采用灵活的策略应对环境扰动。然后，我们探讨fCORT在个体水平上是否在生活史阶段间可重复，以及性格与fCORT的关系是否因生活史阶段而异。我们不期望fCORT高度可重复，也不期望fCORT平均值在胆大-羞怯连续体上在年内存在差异，因为我们预期fCORT主要由环境质量等年际外在因素驱动。
我们也调查了fCORT与适应度相关结果之间的关系。之前对三趾鸥的实验研究表明，升高的皮质酮会导致端粒缩短，并增加巢失败的可能性并降低存活率。因此，我们预测更高的fCORT将与繁殖性能和/或次年返回群殖地可能性的降低相关。然而，如果羞怯的反应型个体预计会优先考虑自身存活而非繁殖，我们预计羞怯个体会在fCORT与繁殖性能之间表现出更强的负相关关系，而胆大的主动型个体则会在fCORT与返回率之间表现出更强的负相关关系。
2 材料与方法
2.1 研究系统
自2008年以来，黑腿三趾鸥一直在斯瓦尔巴群岛西海岸的Grumantbyen（以下简称Grumant）受到监测。该群殖地由约20–40对繁殖对组成，它们在一座废弃建筑上筑巢。巢穴从6月的孵化期到7月底的雏鸟饲养中后期，每周监测两次。个体基于头-喙测量组合以及使用从血液或羽毛组织提取的DNA进行分子性别鉴定来确定性别。在非繁殖期，三趾鸥大部分越冬期在格陵兰以南的北大西洋区域度过。三趾鸥是通才海鸟，主要以鱼类为食，但也补充各种无脊椎猎物。
2.2 胆大度
我们使用胆大度性状作为我们种群中性格的代表，胆大的个体代表更主动的性格类型。胆大度在2017年和2018年繁殖季节（包括孵化和育雏期）使用新颖物体测试进行量化。该测试包括人类观察员将一个固定在8米长钓竿末端的蓝色塑料企鹅（长120毫米×宽90毫米×高40毫米）呈现给巢中的个体60秒。个体对物体的反应通过摄像机记录，以识别在5个互斥特征状态中花费的时间比例：（1）坐在巢上；（2）身体抬起但未站立；（3）站在巢上（腿可见）；（4）离开巢但留在巢架上；（5）远离巢（不再可见）。所有胆大度测定均由一名观察员进行，从地面水平垂直于建筑接近巢穴。两年间，群殖地共有80只个体接受了1到7次胆大度测定（31只个体测试1次，15只测试2次，15只测试3次，19只测试超过3次）。重复测试发生在年内和年际之间，年内重复测试至少间隔3天。测试主要在孵化期进行，只有在雏鸟在第一次和后续测试之间孵化时，才会在育雏期进行。
使用主成分分析（PCA）将每种行为状态的时间比例合并为一个变量。主成分1（PC1）解释了五种状态中58%的行为变异，并被用作我们的胆大度度量。最强的载荷代表在整个测定期间要么一直坐在巢上，要么在物体呈现后立即飞走的个体。调整后的胆大度重复性使用线性混合效应模型计算，该模型考虑了繁殖阶段、年内日期和年内测试次数，个体ID的随机效应具有高度重复性。从该模型中，胆大度被提取为每个个体在调整固定效应后的后验分布均值。
2.3 羽毛皮质酮
在2013年至2021年间的繁殖季节捕捉个体进行羽毛采样。羽毛样本取自第一初级飞羽（以下简称“p1”）、第十初级飞羽（以下简称“p10”）和后脑勺（以下简称“颈背”）。为了减少拔羽对飞行性能和能量消耗的影响（这对检验fCORT-适应度关系至关重要），只剪取了初级飞羽的一小部分标准化部分。此外，皮质酮浓度可能沿羽毛长度变化，因此剪取相同部分允许个体间比较。具体来说，沿着羽片近端一侧，距离尖端约20毫米处剪取20毫米长的p1和p10片段。根据对圈养三趾鸥的观察，新的初级飞羽以约4–5毫米/天的速度生长，因此20毫米的羽毛片段可能代表繁殖期（p1）和繁殖后期（p10）约4-5天的时期。从后脑勺上部与头顶之间取3–5根完整的颈背羽毛。颈背羽毛通常长约20毫米，因此所有三个羽毛样本可能代表相似持续时间的生长时期。
在9年期间，共收集了73只个体的256个羽毛样本（颈背=105，p1=80，p10=71）。在73只羽毛采样个体中，43只曾进行过胆大度测定。进行过胆大度测定的个体的重复羽毛采样年数与总体相似。据观察，三趾鸥在6月至7月换p1羽毛（以下简称“繁殖期”），在繁殖季节后的11月至12月越冬期换p10羽毛（以下简称“繁殖后期”），在2月至3月换颈背羽毛（“繁殖前期”），因此fCORT测量代表这三个时期。
羽毛样品（颈背羽毛在分析前去除翮轴）称重至最接近0.001毫克。平均而言，p1、p10和颈背羽毛（每只个体2–4根）样品的重量分别为6.075毫克、5.697毫克和11.867毫克。羽毛样品用异丙醇清洗：将1毫升异丙醇加入装有羽毛样品的瓶中，涡旋5秒，50秒后移除。清洗后，向每个羽毛样品中加入5毫升甲醇，混合物在50°C下超声处理60分钟，在50°C下孵育12小时，然后通过固相萃取使用BondElute C18柱纯化提取物。纯化的提取物随后干燥并在磷酸盐缓冲盐水与明胶（PBSG）测定缓冲液中重构。为了考虑固相萃取过程中的激素损失，我们在提取前向每个样品中添加了2000 cpm的3H标记的皮质酮。平均回收率为97.43%。
羽毛样品在四次独立的放射性免疫分析中以重复样进行分析，使用对皮质酮具有100%特异性结合且与其他类固醇交叉反应范围窄的Sigma-Aldrich抗体，在50°C下孵育12小时。每年的样品总是一起处理，但在分析中随机分布。分析内变异系数（“CV”）为1.22%，分析间CV（基于每个分析中包含的已知浓度标准品）为4.24%。在分析中，样品以每批48个重复样组织，每批包括非特异性和最大结合反应。最终浓度根据样品特异性回收率百分比进行校正，标准化为样品质量以考虑生长率差异，并在统计分析前通过log10变换进行归一化。
为了验证三趾鸥羽毛提取物的皮质酮分析，我们确认了：（1）系列稀释样品的结合百分比变化与皮质酮标准品平行；（2）碳剥离有效去除了羽毛提取物中的类固醇；（3）在碳剥离的羽毛提取物中系列稀释皮质酮标准品不影响标准结合曲线，即与标准曲线平行。
在本研究中，fCORT被解释为三趾鸥营养状态的指标。皮质酮在内温动物中的一个重要功能是将代谢重新定向到利用内源能量储存，因此当能量摄入减少时，皮质酮水平会增加。先前的研究发现，暴露于食物消耗减少和食物丰度低的三趾鸥血浆皮质酮显著增加，内源脂质资源水平较低。反过来，循环皮质酮被发现被动沉积在生长的羽毛中，基线血浆皮质酮水平与fCORT呈正相关。先前的研究还表明，fCORT是食物可获性的一个有效指标：在食物匮乏条件下，补充喂养的三趾鸥比对照个体具有更低的fCORT，并且fCORT在繁殖季节间与中上层鱼类生物量呈负相关。因此，fCORT的高值很可能代表了一个在羽毛生长期间经历更大能量失衡、营养相对更受限的个体。
2.4 繁殖成功
为了量化fCORT与繁殖产出之间的关系，我们监测了雏鸟孵化后2周的存活情况。繁殖成功标准化为雏鸟存活至15天，因为并不总是能监测巢穴至离巢（平均离巢日龄：40天）。约75%的三趾鸥雏鸟死亡发生在头10天内，因此我们的测量可能捕捉了大部分雏鸟损失。每只个体每繁殖尝试产1-3枚卵，但我们研究中没有个体在15天内成功抚养超过一只雏鸟。三趾鸥通常每个季节只有一次繁殖尝试，但如果卵在孵化早期失败，可能会重新产卵。
2.5 返回率
为了衡量fCORT对未来繁殖产出的潜在影响，我们量化了次年返回群殖地的比率。返回率可能代表跳过繁殖、死亡或永久迁出群殖地，但三趾鸥的成体扩散非常低，群殖地的重见率很高，表明返回率可能是存活率的良好估计。重见数据显示，某一年存在而下一年不存在的个体再次不被看到的可能性是其两倍。返回率基于每个繁殖季节在群殖地的存在或缺失，通过有色环个体的重见确定（每年至少一个月每3-4天监测一次）。
2.6 资源可获性的环境指标
2.6.1 大西洋水指数
斯瓦尔巴群岛周围大西洋水的流入量量化为Isfjorden内大西洋水总贡献百分比。大西洋水被定义为温度大于3°C且实用盐度大于34.65 psu的水。越来越温暖和更咸的大西洋水流入北极，即北极大西洋化加剧，增加了浮游动物的可获性，从而增加了海鸟的潜在猎物，并增加了三趾鸥饮食中大西洋鱼类的出现。因此，更大的大西洋水流入预计将由于猎物丰度增加而有益于三趾鸥，并已知影响在斯瓦尔巴繁殖的海鸟的觅食行为。
每年的AWI计算如下。AWI与fCORT的关系似乎是非线性的，拟合负指数关系比线性关系更好。因此，在我们的模型中，也包含了exp(-AWI)来解释这一点。
2.6.2 副极地环流
作为非繁殖期食物丰度的指标，我们使用了副极地环流强度。副极地环流是北大西洋西北部主要的表面环流特征，大多数斯瓦尔巴三趾鸥在此越冬，对该区域内水团的平流和性质有重大影响。更强的SPG与北大西洋浮游动物丰度增加相关，对在北大西洋越冬的海鸟存活率及随后的繁殖成功有积极影响。
SPG指数（SPG-I）是使用60°W–10°E和40–65°N区域的海面高度数据图生成的。然后创建月平均图以代表每年每个月的平均状况。SPG-I然后被定义为应用于海平面高度场的经验正交函数分析的第一主成分。对于SPG-I对fCORT影响的分析，SPG-I在最可能换羽的月份（繁殖后期和繁殖前期分别为11月至12月和2月至3月）进行平均。
2.7 数据分析
所有统计分析在R中进行。所有建模均在贝叶斯框架内使用“brms”包进行。所有模型使用弱信息先验运行，使用替代的、信息量较小的先验不会改变我们模型的解释。
2.7.1 环境、fCORT和胆大度之间的关系
我们首先研究了胆大度与AWI（繁殖期资源可获性的指标）的交互作用及其与fCORT的关系。拟合了一个以log10变换的fCORT为响应的线性混合模型（LMM），固定效应为exp(-AWI)、胆大度、性别、exp(-AWI)与胆大度的交互作用，以及个体ID作为随机效应。
然后，我们研究了胆大度与副极地环流指数（SPG-I，非繁殖期资源可获性的指标）的交互作用及其与fCORT的关系。这里，拟合了两个以fCORT为响应的线性混合模型（一个用于繁殖后期，一个用于繁殖前期），固定效应为SPG-I、胆大度、它们的交互作用、性别和上一季繁殖成功，个体ID作为随机效应。包含上一季繁殖成功是为了考虑成功繁殖增加的能量消耗的任何遗留效应。
所有三个模型均假设高斯误差分布运行。
2.7.2 fCORT的可重复性和年内变化
为了确定fCORT是否在个体基础上可重复以及fCORT如何随生活史阶段变化，我们拟合了一个以所有年份和换羽期的log10变换的fCORT测量值为响应的线性混合模型。我们使用了一个标准化的环境测量，以便在换羽期间进行比较，通过均值中心化并除以两个标准差，使得低值代表低AWI或低SPG（取决于换羽期）。我们使用了与换羽期的交互作用，以便考虑到AWI、SPG与它们各自对应的换羽期之间的不同关系。为了探索胆大度与fCORT的关系是否随一年中的时间而变化，我们包含了胆大度与换羽期的交互作用。还有性别的固定效应，并且个体ID和羽毛换羽年份都作为随机效应纳入。然后计算了fCORT在个体ID上跨所有羽毛样本的调整后重复性，并考虑了上述模型结构中的固定效应。
该模型假设高斯误差分布运行。
2.7.3 fCORT变化的生活史相关性
为了评估fCORT与繁殖成功之间的相关性，我们拟合了一个以雏鸟存活率为响应变量的线性混合模型。固定效应包括繁殖期fCORT、胆大度、性别以及该繁殖季节峡湾内的AWI。一个巢中每年只捕获一对中的一只成员。为了评估胆大度是否影响繁殖投资，我们还拟合了繁殖期fCORT与胆大度的交互作用。个体ID在所有三个模型中作为随机效应纳入。
为了量化繁殖后期和繁殖前期fCORT对次年繁殖成功的潜在遗留效应，我们再次拟合了一个以雏鸟存活率为响应变量的广义线性混合模型（GLMM）。固定效应包括繁殖后期或繁殖前期fCORT、胆大度、fCORT与胆大度的交互作用、性别以及该繁殖季节峡湾内的AWI。
使用三个广义线性混合模型（以二值作为响应变量）量化fCORT与成体返回率之间的相关性。这里我们使用了繁殖期（年t-1）和非繁殖季节（繁殖后期和繁殖前期分别为年t-1和t）的fCORT值，并量化了其对年t+1返回率的影响。因此，固定效应包括fCORT、胆大度、它们的交互作用、性别、年t的繁殖成功以及随后越冬期的SPG-I。个体ID在所有三个模型中作为随机效应纳入。
所有模型均假设伯努利分布运行。
2.7.4 模型评估
模型收敛性使用几个预设标准进行评估。首先，我们确保模型参数超过1000的最小有效样本量。为了评估链间和链内收敛性，我们分别使用了Gelman-Rubin和Geweke诊断工具。如果89%可信区间不重叠0，我们将固定效应定义为统计显著。我们使用89%可信区间，因为它们能产生更可靠的可信区间估计，特别是当有效样本量低于10,000时。
3 结果
3.1 环境、fCORT和胆大度之间的关系
在任何一年中的任何时间，胆大度与AWI或SPG（分别代表繁殖期和非繁殖期资源可获性的指标）对fCORT均无交互作用。
繁殖期资源可获性的指标（AWI）对繁殖期fCORT有显著影响，但对非繁殖期没有。AWI增加导致繁殖期fCORT减少。这种关系不是线性的，在低AWI水平时fCORT下降更大，然后趋于平缓。fCORT在性别之间存在显著差异，但仅在繁殖期，雄性表现出比雌性更低的fCORT水平。
3.2 fCORT的可重复性和年内变化
fCORT的个体内重复性非常低。胆大度与一年中的时间对fCORT存在统计显著的交互作用。虽然我们观察到在繁殖前期胆大度与fCORT呈正相关关系，但我们在繁殖期和繁殖后期发现了相反的关系。
3.3 fCORT变化的生活史相关性
3.3.1 fCORT与繁殖成功的关系
胆大度在任何模型中均未作为繁殖成功的显著预测因子出现。在繁殖季节，fCORT与雏鸟存活率之间存在显著的负相关关系，但在一年中的任何其他时期均未发现。繁殖期fCORT水平更高的个体繁殖成功率更低，fCORT每增加0.1，雏鸟存活率下降6.4%。
3.3.2 fCORT与返回率的关系
胆大度不是任何模型中返回率的显著预测因子。繁殖前期fCORT与返回率之间存在显著的负相关关系，但繁殖期或繁殖后期fCORT与返回率之间没有发现显著关系。繁殖前fCORT更高的个体返回群殖地的可能性更低，fCORT每增加0.1，返回可能性下降约3.4%。在其他模型中，雄性的返回率显著低于雌性，并且成功的繁殖与更高的返回可能性相关。
4 讨论
4.1 性格与环境诱导应激之间的动态关系
我们的研究提供了长期证据，表明胆大与羞怯个体在年周期不同阶段经历环境诱导应激（通过fCORT测量）的方式不同。胆大度与fCORT之间的关系在不同换羽阶段发生翻转：在繁殖期和繁殖后期，羞怯个体比胆大个体表现出更高的fCORT，而在繁殖前期，胆大个体表现出更高的fCORT。这些发现表明，性格与应激之间的相互作用依赖于个体在年周期中所处的特定时间和空间背景，从而调节了个体对环境变化的反应方式。
4.2 性格在介导环境-适应度关系中的有限作用
与我们的假设相反，我们没有发现证据表明性格介导了环境指标（AWI和SPG）与fCORT之间的关系，也没有介导fCORT与适应度结果（繁殖成功和返回率）之间的关系。相反，环境诱导应激对适应度的负面影响在不同性格类型中普遍存在。这表明，尽管胆大和羞怯个体可能以不同方式体验应激，但最终应激对适应度的负面影响可能对所有个体都是一致的，无论其性格如何。
4.3 年周期约束对生理反应的塑造
繁殖期fCORT受到当地环境条件（AWI）的强烈影响，而非繁殖期fCORT则未受到显著影响。这突显了繁殖期作为中央位置觅食者所带来的空间约束如何限制了个体的行为灵活性，导致所有个体对环境变化表现出更同质的生理反应。相反，在非繁殖期，个体从这些约束中解放出来，可能能够采用更灵活的策略来应对环境挑战，这可能导致性格与fCORT之间关系的模式不同。
4.4 对适应度的影响
我们的研究结果证实了长期环境诱导应激对海鸟适应度的负面影响。繁殖期更高的fCORT与更低的雏鸟存活率相关，而繁殖前期更高的fCORT与更低的成年返回率相关。这些发现强调了考虑年周期不同阶段长期应激测量的重要性，因为它可以揭示对适应度不同组成部分的不同影响。
4.5 对未来研究和保护的意义
在快速变化的环境中，了解个体变异如何影响种群对气候变化的反应至关重要。我们的研究表明，虽然性格可能影响个体体验应激的方式，但环境诱导应激的负面影响在所有性格类型中普遍存在。这意味着保护和管理工作应侧重于减轻所有个体面临的环境胁迫，而不是针对特定性格类型。此外，我们的研究强调了在年周期不同阶段监测长期生理标志物的重要性，以全面了解环境变化对野生动物种群的累积影响。
总之，这项对北极繁殖三趾鸥的长期研究揭示了性格、环境诱导应激和适应度之间复杂的、依赖于背景
