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本文利用稳定同位素分析技术，揭示了欧洲野猫、家猫及其杂交猫类在营养生态位上的显著差异，并首次通过长时序数据追踪了野猫食性随农业景观变化的长期趋势。研究通过创新性的回顾性监测方法，深入评估了杂交化、土地利用变化等人类活动对隐秘肉食动物的潜在影响，为保护生物学提供了非侵入性的有力工具。
引言
欧洲野猫是一种独居、晨昏活动和具有领域性的物种，倾向于避开人类。然而，近年来其种群在欧洲范围内不断扩张，正越来越多地进入人类活动区域。与此同时，游荡、野生和自由放养的家猫可能与野猫发生密切接触，并通过杂交影响其生态、行为和种群。欧洲野猫与家猫的杂交被认为是广泛存在的，并可能导致某些野生种群的隐性灭绝，特别是在种群扩张区域，如德国。杂交风险在人为景观、人类和家猫密度高的地区可能更高。除了家猫的竞争和杂交威胁，欧洲野猫还面临栖息地破碎化与破坏、人类引起的死亡（如狩猎、中毒、交通事故）等多种人为压力。尽管面临这些制约和威胁，欧洲野猫仍在其欧洲中部范围内持续扩散。这种扩张可能与人为气候变化有关，同时，德国自1935年起实施的严格法律保护也可能支持了种群恢复和逐步再定居。野猫也可能通过与人类共享生态的共生行为适应了人造环境。
为了理解欧洲野猫的扩张驱动因素及其对家猫竞争的生态响应，德国是一个特别合适的研究区域。近几十年来，德国的野猫种群显著增长，个体越来越多地在人类定居点附近的开放生境中被观测到，这些地方可能发生与家猫的杂交。根据2024年的数据，国家保护组织估计德国境内大约有6000只野猫。密集管理的森林、密集的道路网和高丰度的家猫共同创造了促进两种猫科动物生态相互作用和潜在竞争的条件。
了解野猫的饮食对于洞察其生态、包括适应、竞争和范围扩张至关重要。营养生态学通常是生态位分化、物种分布和种间竞争的关键因素。研究野猫摄食生态的常用方法是对死亡个体的胃内容物进行分析。虽然该方法能提供关于动物最后一餐的详细信息，但需要大量尸体和解剖胃样本以检测长期营养模式。为克服这一限制，粪便分析常被用于获取更长时间整合的饮食习性视图。然而，该方法也有局限性，特别是样本可获得性方面。与犬科或鼬科动物不同，猫科动物倾向于掩埋粪便，不将其用作领域标记，这使得粪便样本难以定位。因此，本研究聚焦于在世界其他地区更稳健且广泛应用的替代方法：毛发样本的稳定同位素分析和回顾性同位素监测。
稳定同位素追踪
稳定同位素分析是（古）生态研究中成熟的工具，用于推断随时间变化的营养关系和饮食模式。通过分析生物组织中自然存在的稳定同位素比值，最常用的是碳和氮以及硫，可以重建长期的摄食生态，因为例如毛发在生长过程中整合了同位素信号。碳同位素（δ13C）提供膳食碳的主要来源信息，可用于区分来自不同栖息地或消耗使用不同光合作用途径植物的猎物（例如，森林与开阔地物种，C3与C4植物）。氮同位素（δ15N）反映生物的营养级位置，较高的δ15N值表示在食物网中处于较高位置。硫同位素（δ34S）有助于区分陆生和水生食物来源，或可用作区域追踪同位素。需要注意的是，这些同位素信号主要从饮食的蛋白质部分掺入；因此，来自毛发的稳定同位素分析允许重建蛋白质来源而非完整的膳食组成。然而，解释食肉动物的同位素值比草食动物更具挑战性，因为食肉动物通常消耗多种可能来自不同栖息地和营养级的猎物物种。虽然草食动物的同位素特征与当地植被密切相关，从而更直接地反映栖息地利用，但食肉动物的同位素图谱代表了其猎物同位素值的平均信号。这种复杂性需要谨慎解释；然而，稳定同位素分析仍然可以揭示有意义的生态模式，例如偏好的狩猎地或饮食专业化和重叠。
在欧洲野猫的案例中，稳定同位素分析可以为栖息地利用和饮食灵活性提供有价值的见解。δ13C值可能表明个体是否主要在森林地区、开阔景观或农业区狩猎，这基于其猎物的栖息地归属。δ15N值可以揭示营养级变化，例如对啮齿动物和小型脊椎动物的依赖与包含人为食物来源。δ15N值升高可能源于以人类来源资源为食的猎物（例如，农业或城市环境中的共栖啮齿动物），或直接消耗人为材料如食物垃圾或宠物食品。最后，δ34S值可能有助于检测水生或海洋来源资源的消耗；例如，内陆野猫中海洋硫特征的存在将强烈表明其接触了与人类相关的食物来源，如食物垃圾或宠物食品。
研究目标与案例研究
本研究旨在评估回顾性稳定同位素监测在研究人为因素对欧洲野猫营养生态学影响的潜力。通过整合两个互补的案例研究，我们探讨了人类引起的因素，如杂交、景观改变和农业实践，如何在空间和时间上塑造野猫的觅食行为。我们的总体目标是展示如何利用毛发的稳定同位素数据来重建饮食模式、评估生态位动态并识别食肉动物生态变化的驱动因素。
第一个案例研究基于2021年春季使用诱引棒方法在德国两个地区收集的毛发样本：巴登-符腾堡州的Markgr?flerland和黑森州的陶努斯地区。这些样本最初是在国家野猫监测计划的框架内收集的。这两个种群在保护历史上有显著差异：陶努斯种群代表一个稳定的、长期建立的野猫种群，杂交率低（约2%），而Markgr?flerland种群是最近从邻近法国种群自然再定居的结果，表现出更高的杂交率（约43%）。在此背景下，我们调查了野猫、杂交猫和家猫在每个地区内如何划分营养空间，以及在不同杂交制度下杂交猫和家猫与野猫的重叠程度，从而评估杂交作为营养变化的潜在人为驱动因素。
第二个案例研究聚焦于1995年至2021年间在图林根州各地区收集的47份来自死亡野猫和野猫样家猫的毛发样本，样本源自耶拿的种系博物馆。这些地区涵盖了广泛的景观类型梯度，从主要为森林覆盖和结构复杂的景观（图林根森林、海尼希国家公园），到农业集约化的低地地区（图林根盆地、哈尔茨山前地），以及更异质的森林-田野镶嵌景观（东图林根）。通过碳、氮和硫的稳定同位素分析，我们重建了时间饮食趋势，并研究了野猫的觅食行为如何随时间变化以应对区域气候变化、农业发展和其他景观层面的变化。我们还评估了营养变异与个体特征（如体型大小和性别）之间的关系。
结果
在最初的78个猫毛样本中，有5个因原子C/N比超出可接受范围（3.0至4.05）而被排除，另有1个样本因碳含量过高（%C > 50）而被移除。剩余的72个样本被保留用于稳定同位素分析。
家猫通常表现出比野猫更高的δ15N值，杂交猫显示出中间值。配对Wilcoxon检验证实了家猫与野猫之间以及家猫与杂交猫之间在δ15N上存在显著差异，而野猫和杂交猫之间没有显著差异。相比之下，所有三组的δ13C值相似。对于δ34S，家猫再次具有最高值，杂交猫最低，野猫介于两者之间。家猫与杂交猫之间以及家猫与野猫之间的差异具有统计学显著性，而杂交猫和野猫之间没有显著差异。
为了探索不同分类群和地区之间营养生态位结构的差异，我们基于δ13C和δ15N值计算了一系列群落范围的Layman指标。这些指标为每个群体的生态策略提供了互补的见解。总面积（TA）是包围同位素空间中所有个体的凸包，作为总生态位宽度的代理。杂交猫表现出最大的TA，其次是家猫和野猫。为了评估核心生态位宽度，我们计算了校正标准椭圆面积（SEAc）和贝叶斯椭圆面积（SEAb）。SEAc近似每个群体同位素分布的40%核心区域，并且对样本量具有稳健性，而SEAb通过贝叶斯估计提供椭圆大小的后验分布。与TA结果一致，杂交猫显示出最大的核心生态位宽度，其次是家猫和野猫。在区域上，SEAc值在Markgr?flerland最高，特别是在杂交猫和家猫中，而在陶努斯和Markgr?flerland的野猫中最低，反映了更窄的营养生态位。δ13C和δ15N范围反映了基础资源和营养级变异性，遵循相似的模式。杂交猫显示两种同位素的最大范围，表明更高的饮食异质性，而野猫显示出更受限的范围。质心距离（CD）表示个体与同位素质心的平均距离，被解释为营养多样性的度量。杂交猫和野猫显示出比家猫更高的CD值，最高值出现在Markgr?flerland和图林根地区。平均最近邻距离（NND）及其标准差（SDNND）用于评估营养冗余度和均匀度。野猫表现出最低的NND和SDNND，表明高营养冗余度和个体生态位的均匀分布。相比之下，杂交猫显示出最高的NND和SDNND，反映了低营养冗余度、高个体间分化和高度不均匀的生态位结构。
为了评估潜在的营养竞争，我们计算了家猫和杂交猫占据野猫同位素生态位的程度。总体而言，杂交猫与野猫有大量重叠，平均占据了野猫同位素生态位空间的72.6%。在区域上，这种重叠在Markgr?flerland最高，其次是陶努斯。相比之下，家猫与野猫的生态位重叠最小，在所有样本中平均仅为5.9%。区域估计显示，在Markgr?flerland的重叠为0.0%，在图林根为2.6%。
为了研究摄食生态随时间变化的潜在变化，我们检查了图林根地区野猫和家猫δ13C、δ15N和δ34S值的线性趋势。几个野猫种群显示出δ13C值随时间微弱但一致地增加。这在东图林根、图林根森林和哈尔茨山前地尤为明显，尽管没有趋势达到统计显著性。在考虑季节性时，δ13C的增加主要由夏季生长的毛发驱动。在东图林根、海尼希和哈尔茨山前地的夏季样本中观察到更强的正斜率，而冬季生长毛发的δ13C值保持稳定或仅显示边际变化。这种模式可能反映了猎物可获得性和栖息地利用的季节性差异，冬季觅食更严格地局限于森林主导的栖息地，较少受到具有较高δ13C特征的农业相关猎物的影响。相比之下，家猫显示出可变的δ13C值，没有明确的时间模式。对于δ15N和δ34S，在野猫中没有观察到一致的时间变化。一个例外是哈尔茨山前地野猫的δ34S显著增加，这可能表明环境硫基线发生了变化。
为了进一步探索同位素变异的生态和生理驱动因素，我们检查了稳定同位素值（δ13C、δ15N、δ34S）与环境、形态和地理变量之间的皮尔逊相关性。相关分析揭示了同位素值与解释变量之间的明显关系，特别是土地利用和个体特征。δ13C值与牧场、油菜籽、谷物和玉米呈中度正相关，表明与农业环境相关的猎物的膳食贡献。相比之下，δ13C值与体重、体长、后足长和性别呈负相关。这表明较小的个体，很可能是雌性，往往显示出更高的δ13C值。相应的t检验支持这一模式，雌性表现出比雄性显著更高的δ13C值。反映营养级的δ15N值与体重、后足长和性别呈正相关，表明雄性和较大的个体往往具有更高的δ15N值。这一趋势与性别之间δ15N值的微弱但不显著的差异一致。δ34S值仅与测试变量呈弱相关；观察到的最强相关性与夏季温度和性别有关，表明环境梯度或个体特征对硫同位素变异的影响有限。纬度和经度与所有同位素系统仅显示弱或可忽略的相关性，强调了土地利用模式和形态在塑造同位素特征方面的重要性。
讨论
野猫、家猫及其杂交猫的营养生态学
尽管基于一组数量有限的毛发样本，我们的同位素结果为欧洲野猫、家猫及其杂交猫的营养生态学提供了细致的见解。虽然野猫通常表现出最窄的同位素生态位，表明其饮食更加特化，主要依赖森林栖息的小型哺乳动物（低δ13C和δ15N值），但这种模式在空间和时间上并不统一。例如，在Markgr?flerland，野猫显示出高度受限的同位素生态位，表明基于2021年春季收集的毛发样本存在强烈的生态特化。然而，这种受限的生态位可能反映了资源利用的临时性有限模式，而非长期的生态特化。由于Markgr?flerland种群代表了最近重新定居的范围边缘种群，狭窄的同位素生态位可能捕捉的是单季期间在当地丰富且可预测的猎物条件下的短期觅食行为，而非降低的营养灵活性。相比之下，来自图林根野猫的长期数据显示δ13C值随时间增加，表明饮食逐渐从森林栖息猎物转向与农业栖息地相关的物种，如以农作物为食的啮齿动物。这一趋势，加上图林根境内栖息地的大空间范围和环境异质性，可能导致这里观察到的野猫δ13C范围的扩大。尽管如此，这一范围仍小于在杂交猫或家猫中观察到的范围，后者的饮食通常更广泛且更受人为食物来源的塑造。这种渐进的生态位扩张反映了意大利的发现，在那里野猫越来越多地消耗与人类改变的景观相关的猎物，并得到了强调该物种对破碎化或受农业影响栖息地适应性的研究的支持。
我们对图林根死亡猫科动物的数据也揭示了野猫营养生态学中与性别和体型相关的明显模式。雌性表现出比雄性显著更高的δ13C值，且δ13C值与体重、总长和后足长呈负相关。这表明较小的个体，尤其是雌性，倾向于更频繁地在开放或边缘栖息地觅食，那里与农业或镶嵌景观相关的猎物物种更为丰富。相比之下，雄性表现出持续较低的δ13C值，我们将其解释为对森林栖息猎物物种的更强依赖以及对结构封闭栖息地的偏好。δ13C与体型大小之间的负相关支持了这一观点，表明较大的个体（主要是雄性）主要在森林内部觅食，那里拥有稳定的、基于C3植物的食物网且人为影响有限。此外，δ15N值与体型大小呈正相关，这意味着较大的个体（主要是雄性）可能部分以更高营养级的猎物为食。这可能反映了较大个体向更大猎物或小型杂食动物和食虫动物（包括鸟类）的转变，而较小的野猫似乎更多地依赖田鼠和其他低营养级啮齿动物。这些模式与一般食肉动物生态学和独居捕食者中常见的性别特异性觅食策略相符。
人为影响对野猫营养行为的影响
人为影响，特别是通过农业和杂交，成为欧洲野猫营养动态的重要驱动因素。杂交猫总体上与野猫显示出显著的同位素生态位重叠（72.8%），在Markgr?flerland达到93%，在陶努斯达到68.3%。这种显著的重叠，特别是在遗传研究报告只有低杂交率（约2%）的陶努斯，表明杂交猫经常利用与野猫相似的营养资源，不能被视作营养上的不同。相比之下，家猫表现出最小的重叠，平均仅为5.9%，在Markgr?flerland为0%，在图林根参考数据集中也观察到类似低的重叠值，这表明营养相似性和竞争压力有限。这些结果与来自法国东北部的研究结果一致，该研究报告杂交猫的膳食组成介于野猫和家猫之间，与野猫有相当大的生态位重叠。类似的结论也通过传统膳食分析得出，为野猫和杂交猫之间的实质性营养重叠提供了独立支持。在杂交频繁发生的Markgr?flerland，杂交猫不仅与野猫大量重叠，而且占据了最大的同位素生态位区域，反映了更大的饮食灵活性和生态整合。在我们的数据集中，来自陶努斯的杂交猫主要是回交到野猫的个体，但也包括一个F1代个体，而来自Markgr?flerland的杂交猫则由F1和F2代组成。这些杂交组成的差异也可能有助于解释观察到的地区间营养重叠程度的不同。在陶努斯，以回交到野猫的个体为主，杂交猫的同位素生态位与野猫非常接近，反映了相似的觅食策略和资源利用。相比之下，在Markgr?flerland，早期世代杂交猫和回交到家猫的个体同时存在，杂交猫不仅显示出与野猫最高的重叠，而且占据了最大的同位素生态位区域。这个更广泛的生态位可能反映了从两个亲本谱系继承的联合营养灵活性以及利用人为食物来源的更高倾向。这些差异强调了杂交的生态后果不仅取决于其频率，还取决于杂交群体的世代组成。这些模式强调了杂交、景观改变和生态角色转变之间的联系，特别是当野猫扩展到人类改变的环璄并表现出更多的共生行为时。
为了进一步研究这种共生关系，我们考察了区域农业土地利用是否有助于解释在图林根野猫中观察到的δ13C趋势和同位素生态位动态。在我们的长期图林根数据集中，野猫的δ13C值随时间逐渐增加，表明与农业环境相关的猎物的膳食贡献不断增长，特别是油菜籽、牧场和谷物种植。农业区在野猫生态学中扮演着双重角色：一方面，它们在结构上塑造了景观，并可能提供有吸引力的边缘栖息地；另一方面，它们与结构化的、未受干扰的森林竞争，而森林传统上被认为是欧洲野猫的首选栖息地。然而，我们的数据中观察到的同位素生态位表明存在一定程度的生态可塑性，个体（特别是在夏季）越来越多地利用开阔地区的食物资源。我们的同位素发现与最近的空间生态学研究一致，表明欧洲野猫越来越多地利用以农业为主的景观。值得注意的是，森林边缘等异质特征的存在缓冲了农业集约化的负面影响，这表明结构复杂的农业镶嵌景观仍然可以支持野猫种群。我们的数据与栖息地利用模式相符，研究发现野猫，特别是雌性，严重依赖小尺度的庇护结构，如树篱、休耕地和生态交错带，以在开阔景观中导航和存续。他们的结果还表明了栖息地利用的季节性变化，夏季当作物提供临时覆盖时，对开放栖息地的容忍度更高。我们的季节性同位素数据同样显示，夏季毛发的δ13C值高于冬季，表明在生长季节增加了对开放农业区的觅食。与δ13C观察到的清晰模式相反，δ34S与环境变量和个体变量之间的弱相关性进一步支持了对本研究中硫同位素数据的谨慎解释。虽然δ34S具有指示水生或海洋来源食物来源或人为输入的潜力，但这种信号在我们的数据集中并未一致地表达出来。这很可能反映了所研究系统中陆地猎物的主导地位和区域稳定的硫基线，而非人为影响的完全缺失。
综上所述，这些发现强烈表明野猫对人为景观变化的适应性营养响应。虽然这种可塑性可能有助于在人类主导的栖息地中持续存在，但它也可能增加与家猫杂交的潜力以及与杂交猫日益增加的生态重叠，对野猫生态和遗传完整性的长期保护构成挑战。
回顾性同位素监测作为食肉动物营养生态学的工具
来自我们两个案例研究的综合见解，涵盖了空间对比和时间动态，突出了回顾性稳定同位素分析在理解复杂和变化景观中食肉动物营养生态学的价值。通过整合跨分类群、时间段和环境梯度的同位素数据，这种方法能够重建原本可能无法检测的饮食模式、生态位转变和个体水平变异。我们的研究结果证明了如何利用来自存档或机会性收集材料的稳定同位素数据，不仅可以揭示野猫、家猫和杂交猫之间的生态分化，还可以追踪野猫营养行为对杂交和农业集约化等人为压力的微妙响应。这些应用强调了回顾性同位素监测作为推进食肉动物生态学和指导长期保护战略的一种成本效益高、可扩展和非侵入性工具的潜力。回顾性同位素监测能够重建时间上的生态响应，特别是在直接行为或膳食数据不可用时。通过分析存档组织（如毛发、骨骼或牙齿）中的稳定同位素特征，研究人员可以以精细的时间分辨率推断过去的营养关系和栖息地利用。这种方法已经在各种系统中被证明是有用的：例如，一项研究展示了回顾性同位素数据如何揭示了河流食物网对水文调控数十年的生态系统响应。同样，北方森林的研究表明，哺乳动物组织中的δ13C和δ15N值可以可靠地追踪栖息地干扰后的觅食行为变化，强调了该方法对土地利用变化的敏感性。我们的研究结果证实，野猫毛发中的稳定同位素特征既反映了生态特化，也反映了日益增强的人为整合。重要的是，通过结合空间和时间数据集，我们能够检测到δ13C值的微妙变化，而这些变化在短期研究中很可能被遗漏。此外，δ34S的加入通过可能捕捉大气沉降或肥料使用引起的基线变化，增加了另一层分辨率，这进一步增强了该方法在农业景观中的适用性。这与观测结果一致，即稳定同位素方法可以为哺乳动物生态学提供长期基线，并强调对环境压力的延迟响应。在此背景下，同位素监测对于像欧洲野猫这样的受保护和难以捉摸的食肉动物尤其相关，其行为适应和生态角色正日益受到人类活动的塑造。
局限性与未来方向
尽管获得了有价值的见解，但本研究的一些局限性应予承认。各个分类群和地区内的样本量相对较小，特别是杂交猫，这限制了统计分辨率和检测微妙营养或季节效应的能力。此外，地区间不均衡的样本量可能影响基于范围的生态位指标，如总面积（TA）和同位素范围，因此应谨慎解释；相应地，更侧重于核心生态位（SEAc）和最近邻指标，这些指标对样本量效应不那么敏感。此外，杂交的程度和方向（F1、F2代或回交到野猫或家猫）无法纳入统计分析，因为该信息与不同地区（陶努斯与Markgr?flerland）相关联。数据集还包含了性别和季节的异质分布，这可能影响了同位素变异并限制了组间的可比性。尽管如此，这些结果为了解毛发稳定同位素分析作为自然保护和生态监测工具的潜力提供了一个可靠的初步概述。未来的研究应致力于更广泛的季节覆盖和更平衡的采样设计，因为野猫、家猫和杂交猫之间可能存在明显的季节性觅食行为差异。此外，分析连续生长组织的多个部分，如触毛或连续毛发分段，可以提供更高的时间分辨率，并允许重建个体内的短期饮食变化。整合同位素、遗传和空间数据将进一步加深我们对杂交和人为景观变化如何共同塑造欧洲野猫营养生态学的理解。
材料与方法
本研究共分析了78个猫毛样本，源自两个独立的案例研究。案例研究1包括2021年春季诱引棒监测期间收集的31个毛发样本，旨在比较两个地区：陶努斯和Markgr?flerland。在陶努斯，样本集包括10只野猫（5雄5雌）、1只家猫（雌）和5只杂交猫（4雄1雌）。来自陶努斯的杂交猫被有意地有针对性地过度采样，以达到与Markgr?flerland相当的样本量，从而能够跨地区进行平衡的同位素生态位分析。这种采样策略并不反映种群水平的杂交率。在Markgr?flerland，包括5只野猫（4雄1雌）、4只家猫（3雄1雌）和5只杂交猫（3雄2雌）。案例研究2包括1995年至2021年间在图林根州从路杀猫收集的47个毛发样本。该数据集包括28只野猫（13雄15雌）、18只家猫（15雄3雌）和1只杂交猫（雌）。所有个体都经过基因测试，并使用一组为杂交测试设计的祖先信息性SNP标记分配到野猫、家猫或杂交猫。对于来自陶努斯的案例研究1，来自基因分析的剩余毛发（每个个体2根至>10根）由森肯伯格研究所野生动物遗传学中心提供，并转交给蒂宾根大学地球科学系生物地质学实验室/森肯伯格人类进化与古环境中心进行同位素分析。在案例研究2中，毛发样本直接从耶拿大学种系博物馆收藏的野猫标本的毛皮上取下。使用干净的剪刀小心地从尾部区域剪下小
