枯木、与树木相关的微生境以及森林结构特征对腐木性节肢动物多样性的影响

《Ecology and Evolution》：Influence of Deadwood, Tree-Related Microhabitats, and Forest Structural Features on Saproxylic Arthropod Diversity

　　**摘要**

森林的组成和结构多样性在塑造栖息地可用性和生物多样性方面起着关键作用，特别是影响与树木相关微生境（TreMs）相关的腐木生物的分布。TreMs和枯木是森林生态系统的重要组成部分，为腐木节肢动物提供了重要的栖息地，这些动物有助于分解过程、养分循环以及森林的整体韧性。理解森林结构、TreMs和节肢动物群落之间的复杂相互作用对于生物多样性保护和可持续森林管理至关重要。本研究探讨了德国黑森林中森林组成、枯木特征和TreMs如何影响腐木节肢动物的多样性。通过使用环境DNA（eDNA）宏条形码技术，我们评估了135个不同保留程度的森林样地中的节肢动物群落。研究结果表明，特定的TreMs（如洞穴、苔藓和昆虫通道）与节肢动物的丰富度模式有关，尤其是在弹尾目（Collembola）、半翅目（Hemiptera）和蛛形纲（Arachnida）中。树冠闭合程度是预测节肢动物丰富度的最一致因素，而与树木相关的微生境、枯木体积、残株体积和森林管理强度则显示出特定的分类群关联。这些发现表明，物种丰富度与多种生态因素相关，突显了森林生态系统的复杂性。这强调了需要采取森林管理策略来保护枯木和TreMs，增强结构异质性，并考虑更广泛的森林自然性指标，以有效支持节肢动物的多样性。

**1 引言**

森林生态系统的结构复杂性通过为众多生物提供栖息地来支撑生物多样性（Seibold, B?ssler, Baldrian等人，2016；Bauhus等人，2018；Ehbrecht等人，2017）。在这些结构特征中，枯木和与树木相关的微生境（TreMs）已成为影响节肢动物群落的关键因素，尤其是那些在其生命周期中依赖腐烂木材或树木结构的腐木生物。尽管这些组成部分在起源和形成上有所不同，但它们共同通过提供互补的生态功能来促进分解过程、养分循环和森林韧性（Seibold, B?ssler, Brandl等人，2016；Bauhus等人，2018；Ulyshen和?obotník，2018；Seibold和Thorn，2018；Majdi等人，2025）。枯木通常被定义为处于不同分解阶段的倒下的原木、站立的死树、树桩或大树枝（Stokland等人，2012；Bauhus等人，2018；Lachat等人，2013）。这些结构为腐木节肢动物提供了必要的资源，它们以腐烂的木材为食、在其中生活或以其他方式依赖它。随着枯木的分解，它创造了多样的栖息地，吸引了包括蛀木甲虫、真菌食者、捕食者和碎屑食者在内的多种物种（Ulyshen，2016；Stokland等人，2012；Wheater等人，2023）。同时，TreMs包括洞穴、树皮损伤、真菌生长和附生植物垫等特征，这些特征可以出现在活树和死树上，通常是由物理损伤、腐烂或生物活动引起的（Bütler等人，2020；Larrieu等人，2018）。虽然它们的生态功能在某些情况下可能重叠，但TreMs和枯木基质代表了森林生态系统的不同结构组成部分。它们共同增加了栖息地的多样性，并容纳了不同但往往互补的节肢动物群落（Stokland等人，2012；Seibold, B?ssler, Baldrian等人，2016；Bütler等人，2020；Larrieu等人，2018）。枯木通过营养资源和结构变异来维持更大的种群并促进共存（Wright，1983；Srivastava和Lawton，1998；Clarke和Gaston，2006）。随着分解的进行，多样性增加，从早期的食木甲虫到后期的碎屑食者、捕食者和与真菌相关的特化物种（如Ciidae）（Seibold等人，2015；Wheater等人，2023；Stokland等人，2012；Ulyshen，2016）。粗大的木质残骸，包括原木、树桩和残株，提供了稳定的微气候和长期的栖息地连续性，比较小的木质元素支持更多的腐木物种（Lachat等人，2013；Bouget等人，2013）。TreMs通过在其他方面均匀的森林中提供食物、庇护所和筑巢地点来补充这一作用，并在洞穴、附生植物和树皮特征中维持独特的特化分类群（Bütler等人，2020；Larrieu等人，2018；Bouget等人，2013；Seibold, B?ssler, Baldrian等人，2016）。尽管枯木和TreMs的生态重要性得到了广泛认可，但它们对森林组成和管理对节肢动物多样性的综合影响仍了解不足。以往的研究主要考察了与枯木相关的生物多样性的一般模式（Seibold和Thorn，2018；Stokland等人，2012；Seibold等人，2015），但很少有研究探讨树种、TreM类型、枯木异质性和保留实践如何共同塑造群落（Paillet等人，2018）。活树和死树上的TreMs提供了重要的栖息地，尤其是死树支持更高的TreM丰度和多样性，如洞穴和树皮甲虫通道，使许多森林物种受益（Asbeck等人，2022；Paillet等人，2019）。然而，由于集约化的森林经营，这些栖息地在管理森林中的可用性已经下降。长期以来以木材生产为导向的德国森林现在正转向以生物多样性为导向的管理方式（Storch等人，2020）。保留林业（保留栖息树、残株和原木）被认为有助于维持TreMs和枯木（Gustafsson等人，2012；Stokland等人，2012；Storch等人，2020）。混合树种林进一步增强了栖息地异质性、韧性和节肢动物多样性（Oxbrough等人，2012）。扩大保留面积和优先考虑多样化的树种和大小已成为保护工作的核心策略（Gro?mann等人，2023），尽管其在维持腐木群落方面的有效性仍需进一步验证（Gustafsson等人，2012；Storch等人，2020；Gro?mann等人，2023）。理解枯木和TreMs在支持陆地节肢动物方面的生态作用对于将生物多样性保护纳入森林管理至关重要。传统上，节肢动物群落是通过视觉调查、陷阱捕捉或扫网法来研究的，这些方法虽然有价值但耗时且分类学上有限（Cohnstaedt等人，2012）。基于DNA的方法和高通量测序（HTS）的进步现在允许更有效地评估复杂样本的生物多样性（Elbrecht等人，2017；Buchner等人，2021；Weber等人，2024）。环境DNA（eDNA）宏条形码技术已成为一种强大的非侵入性工具，可以从土壤、凋落物、树皮或昆虫陷阱残余物等基质中检测到广泛的节肢动物分类群（Thomsen和Willerslev，2015；Ruppert等人，2019；Krehenwinkel等人，2022；Gamonal Gomez等人，2023）。该方法具有高度敏感性，避免了破坏性采样，特别适用于敏感的森林系统（Macher等人，2024；Yoneya等人，2023；Kestel等人，2024）。最近基于滚轮的表面eDNA方法被证明能有效检测与TreMs相关的群落，尤其是碎屑食者和微节肢动物（Shuvo等人，2025），但其对不同分类群的表现仍有待评估。尽管具有这种潜力，但它很少应用于大规模的森林调查中。在这里，我们在135个黑森林样地中应用了这种方法，以评估其有效性，并研究森林结构、枯木、TreMs和管理如何影响温带森林中的节肢动物多样性。我们的研究围绕三个核心假设展开：（1）腐木节肢动物的丰富度随着森林结构复杂性的增加而增加，并与树冠闭合程度、枯木可用性（躺着的枯木和残株）以及更高的结构保留水平呈正相关。（2）特定TreMs的存在和多样性，特别是洞穴、树皮损伤、真菌生长和附生植物垫，与腐木节肢动物的丰富度呈正相关，可以作为结构有利栖息地条件的指标。（3）反映在枯木异质性和TreMs多样性中的更高结构复杂性与腐木节肢动物的分类多样性增加相关。了解这些关系有助于我们确定支持地面附近节肢动物的关键栖息地特征，并制定更有针对性的保护措施。这些发现为森林管理者提供了实际指导，帮助他们在标准森林规划中纳入栖息地保留措施，特别是在保护机会取决于管理决策的工作景观中。

**2 材料与方法**

**2.1 研究区域和样地**

本研究在德国南部黑森林的135个一公顷样地进行（ConFoBi项目，成立于2016年）（图1）。该区域涵盖了超过5000平方公里的混合森林，主要由挪威云杉（Picea abies）、欧洲山毛榉（Fagus sylvatica）、银冷杉（Abies alba）以及其他常见物种（如橡树、枫树和花旗松）组成。样地的海拔范围从443米到1334米，坡度最大为34°（Storch等人，2020），并选择它们来代表森林类型、树冠覆盖度、海拔和枯木的梯度，包括未管理的林分。相邻样地之间的距离至少为750米。对于eDNA采样，每个样地选择了一棵当地优势物种（主要是云杉、冷杉或山毛榉）的站立死树（见图1了解物种分布）。样地在森林和管理类型中的分布，以及关键连续环境变量（海拔、树冠闭合度和枯木特征）的分布总结在表S1和图S2中。ConFoBi样地涵盖了森林管理强度和结构复杂性的梯度，包括树种组成、树冠闭合度、枯木数量和类型以及与树木相关的微生境可用性的变化（Storch等人，2020）。

**2.2 样本收集与处理**

现场样本分两批收集。第一批20个样本在2023年4月至5月作为方法开发的试点研究进行（Shuvo等人，2025）。主要采样在2023年8月至9月进行，涵盖了剩余的120个ConFoBi样地，其中包括3个与试点研究重叠的样地。对两批样本进行了分析以评估方法的一致性；然而，本研究中的所有统计分析和结果解释仅基于120个主要样本，以避免季节性偏差。在每个样地中，选择了距离中心点50米范围内代表优势物种的一棵站立死树进行采样，其直径（DBH）≥15厘米，高度≥3米，并根据分解阶段进行分类。如果有多棵树符合条件，则选择距离中心点最近的那一棵。物种分布在不同景观中有所不同：挪威云杉（n=60）、银冷杉（n=26）、欧洲山毛榉（n=18）、假冷杉（Pseudotsuga menziesii）（n=8）和欧洲松（Pinus sylvestris）（n=4）。这捕捉到了生态变异性，但导致样本大小不等，这在统计上得到了考虑。使用已建立的目录（Bütler等人，2020）识别了胸高以下的TreMs。采样沿着树干从底部进行到胸高，重复多次以覆盖该区域内的连续垂直树皮部分和所有可访问的TreMs，从而获得一个综合的表面样本，而不是基于点的收集。环境DNA（eDNA）是通过用浸湿了蒸馏水的10厘米无菌油漆滚轮在树皮、洞穴和其他TreM表面上滚动来收集的（Shuvo等人，2025）。基于滚轮的表面eDNA方法针对与树皮表面和与树木相关的微生境相互作用的节肢动物分类群，包括腐木节肢动物、碎屑食者和表面活跃的群体。正如Shuvo等人（2025）在方法学比较中所展示的，这种方法有效地捕获了与TreMs相关的群落，同时低估了高度移动的树冠分类群或主要栖息在土壤和凋落物层中的生物。每棵树使用不同的滚轮。滚轮在装有蒸馏水的无菌袋中摇晃，通过摩擦转移碎屑约30秒。在应用滚轮时，尽可能深入地采样洞穴表面，根据洞穴的大小和形状将滚轮引入洞穴；然而，由于滚轮的尺寸限制，对于小或狭窄的洞穴，无法接触到更深的内部表面。洞穴的存在和相关树木微生境的元数据根据标准化的TreM清单进行记录，而详细的洞穴形态测量不是基于表面eDNA采样的主要重点。样本使用50毫升无菌注射器和0.45微米聚碳酸酯膜过滤器进行过滤，然后保存在缓冲液中，用鲁尔盖密封，并在室温下保存最多7天，直到进行DNA提取（IdentMe GmbH，德国哈勒）。为防止污染，采样过程中佩戴并更换了无菌手套。

**2.3 DNA提取、PCR扩增和测序**

DNA提取使用IdentMe公司的改良DNeasy Blood and Tissue Kit（Qiagen，德国希伦）按照既定协议进行（Miya等人，2016；Hausmann等人，2020）。提取的DNA被转移到AIM（德国莱比锡）进行宏条形码分析。对于每个样本，使用Plant MyTaq（Bioline，德国卢肯瓦尔德）和针对线粒体COI区域（313 bp；dgLCO1490/dgHCO2198，Leray等人，2013）的迷你条形码引物扩增5微升基因组DNA。PCR扩增遵循标准循环条件，包括初始变性步骤、35个扩增循环和最终延伸步骤，使用与既定宏条形码协议一致的退火温度（Leray等人，2013；Shuvo等人，2025）。扩增子通过凝胶电泳验证、纯化并重新悬浮在分子级水中。在第二次PCR中，Illumina Nextera XT索引（Illumina Inc.，美国圣地亚哥）被连接，成功通过凝胶电泳确认。DNA浓度使用Qubit荧光计（Life Technologies，美国卡尔斯巴德）进行定量，样本以等摩尔量（每个100 ng）合并。混合物使用MagSi-NGSprep Plus珠子（Steinbrenner Laborsysteme GmbH，德国维森巴赫）进行纯化，并在Illumina MiSeq v3平台上测序（2×300 bp，600个循环，最多2500万个配对末端读段）。

**2.4 生物信息学处理**

序列使用AIM的管道进行处理（Hausmann等人，2020）。质量评估使用了FastQC v0.11.9，读取数据合并使用了Usearch v11.0.667（Edgar 2010），引物修剪使用了Cutadapt 3.5（Martin 2011），序列（300–315 bp，≤ 1个预期错误）过滤使用了Vsearch v2.21.1（Rognes等人2016）。非单倍序列在97%相似度下被聚类为OTUs，并移除了嵌合体。一个自定义的Perl脚本（AIM）保留了非嵌合序列并恢复了经过质量过滤的读取数据，包括单倍序列。OTU表是使用SWARM v3.1.0（Mahé等人2022）生成的。分类分配使用了MegaBLAST针对GenBank（NCBI核苷酸）和BOLD的自定义数据库，并在Geneious v10.2.5中进行了整理（Morinière等人2016），RDP分类器则是在节肢动物/脊索动物COI数据集上训练的（Porter和Hajibabaei 2018）。如果阴性对照中的OTU数量低于最大控制值，则将其移除。共识分类来自BOLD、NCBI和RDP；真菌OTU被单独分析。未至少解析到科级别的OTU或非节肢动物被丢弃，重复的物种被合并。群落组成分析集中在典型的枯木节肢动物科和目上（表S2；Bütler等人2020；Stokland等人2012）。所有分析都在过滤和未过滤的数据集上进行，以评估数据集的影响。

2.5 变量描述

我们选择了一组环境变量来测试它们对节肢动物OTU丰富度的影响，包括（1）森林结构（平均胸径DBH、基底面积、针叶树比例和冠层闭合度），（2）森林管理强度，以及（3）枯木特征（倒下的枯木体积、枯立木和枯木腐烂阶段），（4）与树木相关的微生境（TreMs），（5）平均海拔（表1）。森林结构变量包括平均DBH、基底面积、针叶树比例和冠层闭合度。管理强度通过森林管理强度指数（ForMI；Kahl和Bauhus 2014）来量化，该指数综合了采伐的树木体积、非本地树种和锯切枯木的比例。较高的ForMI值表示更高的管理强度。使用了2016-2017年的森林清查数据和2020年的枯木调查数据（Storch等人2020；Asbeck和Frey 2021）。在数据收集到2023年采样期间，地块之间没有进行任何干预，因此假设地块之间的相对差异是稳定的。枯木体积（m3）是根据V型样带上的倒下和站立的树木（DBH > 7 cm，高度≥ 1.3 m）使用标准公式计算得出的。记录了腐烂阶段和TreMs，以捕捉每棵树的TreMs数量和多样性（Bütler Sauvain等人2024）。与树木相关的微生境（TreMs）是在树木层面根据标准化的TreM清查记录的（Kraus等人2016；Bütler等人2020）。记录的TreMs包括主要微生境类别，如洞穴（例如啄木鸟洞穴、树干洞穴和昆虫隧道）、树皮相关特征（例如树皮损失和损伤）、木材腐烂特征（例如暴露的边材）、附生结构（例如苔藓和地衣）以及真菌子实体。在分析中，TreMs被总结为每棵树的总TreM丰富度以及个别TreM类型的存在，对应于图4中显示的TreM类别。TreM丰富度被用作衡量树上不同微生境类型数量的描述性指标，并没有给个别TreM类型赋予相同的权重，这些类型也被单独分析。森林组成通过2017年清查的树种丰富度和针叶树比例来描述（Storch等人2020）。冠层开放度是通过每个地块使用Solariscope SOL300在草本层高度拍摄18张半球形照片来测量的（Ing. -Büro Behling, Wedemark）。结构复杂性通过基于陆地激光扫描的林分结构复杂性指数（SSCI）来量化，该指数结合了多个地块位置的平均分形维度和有效层数（Ehbrecht等人2017；Frey等人2020）。表1提供了所有测试变量和单位的最小值、最大值和平均值的总结。表1. 120个地块上森林结构、枯木、管理强度和节肢动物OTU丰富度的变量描述性统计（平均值、标准差、最小值、最大值）。

2.6 统计分析

所有统计分析都在R v4.1.1中进行，图像调整使用Inkscape v1.3.2。为了检查样本量不等的枯木物种中的节肢动物丰富度，我们应用了基于1000次自助重采样的稀释方法，标准化到最小的组大小（n = 4）。使用vegan包（Oksanen等人2001）计算每次迭代的平均丰富度值，得到分数估计。首先使用Pearson相关性探索预测因子-响应关系，并用散点图矩阵可视化（GGally包，Schloerke等人2021）。计算方差膨胀因子（VIF）以评估多重共线性（car包，Fox等人2007）。然后使用mgcv包（Wood 2015；Wood 2017）分别为每个节肢动物组拟合广义加性模型（GAMs）。在每个模型中，节肢动物OTU丰富度被用作响应变量，预测变量代表森林结构、枯木可用性、与树木相关的微生境、管理强度和海拔。GAMs使用惩罚样条平滑器进行拟合，平滑参数通过受限最大似然估计，以允许灵活但受控的非线性响应。

3 结果

3.1 节肢动物群落的分类组成

对从含有与树木相关微生境（TreMs）的枯木结构中收集的120个eDNA样本进行 metabarcoding，得到7,372,587个配对末端读取（14,745,174个序列），在质量过滤之前。合并配对末端读取、修剪引物并应用质量过滤器后，剩余6,256,624个序列。预聚类和新的嵌合体检测产生了11,066个操作分类单元（OTUs），其中9,661个与GenBank数据库匹配。在识别的真核生物中，58%被分类为子囊菌门，8%为担子菌门，18%为节肢动物。共有4,073个独特的OTUs被分配给节肢动物，其中910个OTUs在质量过滤后保留，相似度超过97%，并移除了重复物种。在这些OTUs中，节肢动物的组成和相对丰度显示昆虫纲是最主要的类，占总分类单元的约45%。在这个纲中，双翅目、膜翅目和鞘翅目是主要的贡献者。弹尾目占了相当大的比例，约占总分类单元的25%。总体而言，Entomobryomorpha是数据集中最主要的弹尾目目，Entomobrya nivalis和Orchesella bifasciata分别占总分布的2%和3%。蛛形纲也总体上存在，约占15%，包括蛛形目和蜱螨目。不太主要的类，如双足目和软甲目，总共占不到1%的分类单元。此外，大约30%的总分类单元未被分配到特定的节肢动物组，或在总OTU计数中的份额很小，被归类为“其他节肢动物”（图2）。经过另一轮过滤以识别与TreMs相关的节肢动物（Bütler Sauvain等人2024；Bütler等人2020；Stokland等人2012）后，我们识别了不同分类纲和目中的55个科。因为在固定相似度阈值下进行OTU聚类可能会对分类学上分辨率较低的组（如弹尾目和蜱螨目）引入偏差，所以丰富度和组成模式在科和目水平上解释。鞘翅目和双翅目在昆虫中占主导地位，而Entomobryomorpha在弹尾目中贡献最多，Mesostigmata在蛛形纲中是最丰富的目。总共，我们在五个分类纲中识别了18个节肢动物目。此外，物种积累曲线显示了采样工作在捕捉分类丰富度方面的有效性（图S1）。在所有组中，随着样本数量的增加，丰富度增加，尽管不同组和分类级别的分类单元数量有所不同。鞘翅目和蛛形纲检测到的物种数量最多，鞘翅目也有最多的属和科。膜翅目和半翅目显示出相似的趋势，但总体上的分类单元较少。弹尾目在所有级别上显示出中等的丰富度，而双足目检测到的分类单元数量最少，且在曲线中没有达到平台期。

3.2 节肢动物丰富度与枯木物种的关联

基于反映在相同采样努力下预期家族级多样性的稀释估计，节肢动物丰富度在不同枯木物种之间有所差异（见方法部分）。Pseudotsuga menziesii和Fagus sylvatica在家族水平上支持最高的整体丰富度，蛛形纲是最多样化的组（分别为18.7和18.4个科），紧随其后的是Abies alba和Picea abies（均为18.0）。相比之下，Pinus sylvestris在大多数组中显示出最低的丰富度，包括蛛形纲（16.2个科）。在节肢动物组中，蛛形纲在所有树种中始终显示出最高的丰富度。鞘翅目的丰富度在Fagus sylvatica中最高（6.7个科），其次是Pseudotsuga menziesii（6.0）和Picea abies（5.6），而Abies alba也支持中等丰富度（5.5）。弹尾目的丰富度在物种之间相对稳定，范围从4.7到5.5个科。双足目的丰富度通常较低，其中Pseudotsuga menziesii的值最高（1.5个科），而在Pinus sylvestris中的代表性最低（0.2个科）（图3）。与这些描述性模式一致，使用基于排列的测试没有检测到枯木树种与总节肢动物家族丰富度之间的显著关联（F = 1.22，R2 = 0.04，p = 0.32）。树种身份不独立于其他森林结构变量，如枯木特征和林分结构，这些在后续的多变量分析中进行了明确检查。不同节肢动物分类群也根据不同枯木物种中不同TreM类型的可用性显示出变化。TreMs是在树木层面记录的，每个采样的枯树都根据Kraus等人（2016）的现场目录进行了微生境特征的视觉评估。在所有观察到的结构中，昆虫隧道、树皮损失和附生苔藓在各个地块中最常见。几种TreM与节肢动物丰富度显示出显著的相关性，这些相关性在不同节肢动物组之间有所不同。弹尾目和半翅目在具有啄木鸟洞穴、附生苔藓和昆虫隧道的树木中更常见。更多的弹尾目也出现在暴露的边材上，而在树干洞穴中较少见。半翅目通常与丛生地衣和其他附生结构相关联。双足目在所有TreMs中显示出一般的弱模式，表明对栖息地特征的广泛耐受性。蛛形纲和膜翅目更常出现在具有啄木鸟洞穴和无树皮的树木中，但在表现出树皮损失、树干洞穴或树干损伤的树木中出现的频率较低（图3）。

3.3 森林结构、管理和枯木特征对节肢动物组的影响

森林结构、管理强度和枯木特征在不同地块之间有所差异（表1），多重共线性有限（图S2）。倒下的枯木体积与枯立木之间有强相关性（r = 0.82），TreMs与枯树数量之间也有强相关性（r = 0.85）。平均DBH与海拔呈正相关，与冠层闭合度呈负相关。在节肢动物组中（图S3），鞘翅目与膜翅目和半翅目相关，而物种丰富度随着膜翅目和半翅目的增加而增加。蛛形纲与双足目显示出弱负相关。广义加性模型（表2）揭示了节肢动物OTU丰富度与栖息地变量之间的共享和特定分类单元的关联。冠层闭合度是最一致的预测因子，显示出与膜翅目、半翅目、弹尾目和蛛形纲的关联，以及与鞘翅目的边缘关联。与树木相关的微生境（TreMs）与膜翅目、双足目和蛛形纲呈正相关。死亡木体积和残枝体积对于半翅目（Hemiptera）和弹尾目（Collembola）尤为重要，尽管不同预测因子之间的支持程度有所不同：残枝体积对半翅目显著，而死亡木体积对弹尾目显著，而其他相关关联则较为微弱。双足目（Diplopoda）还显示出与树干直径平均值（DBH）、基底面积、针叶树比例以及森林结构复杂性指数（SSCI）的额外关联，表明它们对更广泛的林分结构条件敏感。森林管理强度与蛛形纲（Arachnida）、弹尾目和双足目的关联较弱但存在重复性。对于甲虫目（Coleoptera），仅检测到微弱的关联，主要与树冠闭合度和针叶树比例有关（表2和图5）。

**表2.** 广义加性模型（GAMs）测试结果，用于分析节肢动物OTU丰富度与森林结构、枯木、微生境和管理变量之间的关联。

| 响应变量 | 预测变量 | F统计量 | p值 |
|---------|---------|--------|------|
| 甲虫目 | 树冠闭合度 | 2.22 | 0.087 |
| 甲虫目 | 针叶树比例 | 1 | 0.09 |
| 蜜蜂目 | 与树木相关的微生境 | 1 | 0.04* |
| 半翅目 | 树冠闭合度 | 7.21 | 0.007** |
| 半翅目 | 残枝体积 | 1 | 0.018* |
| 半翅目 | 死亡木体积 | 1.79 | 0.054 |
| 蜜蜂目 | 树种丰富度 | 2.13 | 0.055 |
| 蜜蜂目 | 基底面积 | 1.2 | 0.095 |
| 弹尾目 | 树冠闭合度 | 1 | 10.312 |
| 弹尾目 | 死亡木体积 | 1 | 0.017* |
| 弹尾目 | 森林结构复杂性指数 | 1.71 | 0.023* |
| 双足目 | 树干直径平均值 | 8.13 | 0.002** |
| 双足目 | 基底面积 | 1 | 0.008** |
| 双足目 | 针叶树比例 | 2.95 | 0.009** |
| 双足目 | 森林管理强度 | 1.21 | 0.071 |
| 蜘蛛纲 | 与树木相关的微生境 | 1 | 0.003** |

**图5.** 广义加性模型（GAM）部分关系图，显示了选定的森林生境变量与不同分类群节肢动物OTU丰富度之间的关联。各面板展示了基于研究主要生态假设选择的四个关键预测因子的拟合平滑曲线：树冠闭合度、森林管理强度、死亡木体积和残枝体积。行代表节肢动物群体，点代表观察到的标准化丰富度值。实线表示拟合的GAM平滑曲线，阴影带表示95%的置信区间。彩色面板表示统计上支持的关系，灰色面板表示不显著的关系。F统计量和p值显示在面板内。向上的（黑色）和向下的（红色）符号表示拟合关系在观察梯度上的总体方向。

**讨论**

本研究旨在了解森林组成和结构特征，特别是枯木和与树木相关的微生境（TreMs），如何影响管理下的温带森林中的节肢动物生物多样性。我们的发现表明，某些类型的微生境，如洞穴和附生苔藓，与多个节肢动物群体的丰富度模式相关，其中树冠闭合度是最一致的预测因子，而死亡木体积和残枝体积则显示出特定分类群的额外关联。我们还观察到不同树种之间的节肢动物多样性存在显著差异，其中欧洲云杉（Abies alba）和曼氏伪冷杉（Pseudotsuga menziesii）支持最高的丰富度，而欧洲松（Pinus sylvestris）则始终支持最低的丰富度。在分类群方面，昆虫纲（Insecta）占所有检测到的OTUs的45%，弹尾目（Collembola）占25%，这反映了它们在近地面森林生境中的数量优势以及这些相对研究较为充分的群体的较高可检测性。森林结构的影响，特别是树冠闭合度和枯木特征，是塑造节肢动物群落的核心因素，而较高的森林管理强度与多个节肢动物群体的OTU丰富度降低以及如残枝和微生境元素的变化有关。

**4.1 不同森林类型中的节肢动物组成和生境偏好**

对节肢动物群落的分析显示了分类组成的显著多样性，昆虫纲占所有识别出的分类单元的约45%。这一发现与先前关于与枯木和微生境相关的节肢动物群落的研究结果一致，其中双翅目（Diptera）、蜜蜂目（Hymenoptera）和甲虫目（Coleoptera）构成了节肢动物群落的主要部分（Shuvo等人2025；Bütler Sauvain等人2024）。这些群体在授粉、分解和捕食中扮演着关键生态角色，从而增强了森林生物多样性和生态系统功能（Stokland等人2012）。弹尾目约占总分类单元的25%，进一步强调了它们作为分解者群体的关键作用，促进了土壤和腐烂木材生境中的养分循环和有机物分解（Bütler Sauvain等人2024）。蛛形纲（Arachnida），特别是蜘蛛目（Araneae）和螨目（Acari），也频繁出现在数据集中，占识别出的分类单元的15%。这种模式表明蛛形纲分类单元与站立的枯木及其相关的树木微生境有持续的关联。特别是蜘蛛，经常与枯木相关联，利用树干和原木作为结网和捕猎的场所。然而，尽管枯木对许多蛛形纲物种至关重要，但只有少数物种严格依赖腐木生存（Buddle 2001）。双足目（Diplopoda）和软甲纲（Malacostraca）的代表比例较低（不到1%），这可能反映了它们相对于昆虫而言数量较少、可检测性差异以及它们主要出现在土壤和落叶层中而非腐烂木材中的倾向（Stokland等人2012）。我们的观察表明，本研究中检测到的分类单元更常与木材表面相关联，支持了不同节肢动物群体表现出不同程度的生境特化的观点。除了这些组成趋势外，我们的发现还揭示了物种可检测性和分类学分辨率的关键限制。大约30%的总分类单元未被分配或代表性不足，反映了参考数据库的不足以及使用eDNA检测小型或隐秘群体的挑战。物种积累曲线显示，甲虫目和蛛形纲在我们的采样方法中得到了较好的捕捉，而弹尾目，尤其是双足目，继续增加，表明可能存在采样不足。这可能反映了它们对土壤和落叶环境的偏好，以及基于滚轮的采样方法的偏差，该方法更有利于在枯木表面发现的分类单元。虽然这种方法对表面活跃的群体有效，但对于与木材基质关联较弱的群体则不太适用。这些模式不仅突出了采样的完整性，还强调了不同节肢动物群体的生态可检测性。为了改进未来的评估，应考虑针对额外微生境的补充方法。除了分类学差异外，节肢动物丰富度在不同枯木树种之间也有显著差异。曼氏伪冷杉和欧洲赤杨（Fagus sylvatica）在分类科水平上支持最高的节肢动物丰富度，其中蛛形纲是所有物种中多样性最高的群体。值得注意的是，欧洲云杉（Abies alba）的丰富度水平与前两种物种相当，强调了其作为生态上有利基质的角色。这与我们最初的预期略有不同，即认为欧洲云杉会支持最高的丰富度，但与新兴证据一致，表明阔叶树种和非本地针叶树可以为多种节肢动物提供复杂且适宜的微生境。这一发现与先前的研究结果一致，表明针叶树种为各种节肢动物提供了有利的条件，这可能是由于它们的结构特性，包括树皮质地和木材组成。在这种情况下，欧洲云杉的枯木支持相对较高的节肢动物丰富度，可能是因为其持久的、有裂纹的树皮和相对缓慢的、保持水分的腐烂过程，促进了真菌的发展，并为腐木依赖性和捕食性节肢动物提供了稳定的微生境（Stokland等人2012；Sp?nu等人2024；Emrich等人2025）。在欧洲赤杨中观察到的甲虫目家族的高丰富度可能与其较平滑的树皮和更快的腐烂动态有关，这增强了与木材相关的甲虫的生境适宜性（Trappmann等人2013；Kahl等人2017）。欧洲冷杉（Picea abies）也支持相对较高的节肢动物多样性，尤其是蛛形纲和甲虫目的丰富度。这与其他温带森林研究的结果一致，这些研究表明不同树种通过不同的结构和化学途径为不同节肢动物群体提供了不同程度的生境适宜性（Bütler Sauvain等人2024）。相比之下，欧洲松（Pinus sylvestris）在所有分类单元中始终表现出最低的节肢动物丰富度，包括蛛形纲、甲虫目和双足目。这可能是由于欧洲松较高的树脂含量和不同的化学组成，可能阻止了某些节肢动物物种在其上定殖（Mumm和Hilker 2006）。树种的化学特性影响了在其腐烂木材中繁衍的微生物和无脊椎动物的类型，某些树种为分解者和捕食者提供了更有利的条件（Stokland等人2012）。所有物种中双足目的低丰富度仍然值得注意，可能反映了它们对特定微生境的偏好或有限的扩散能力。在样地层面，基于排列的分析表明，仅枯木树种本身并不能解释节肢动物丰富度的很大比例变化，这表明观察到的物种水平差异最好结合结构属性和与树木相关的微生境来理解。这些模式强调了针对不同节肢动物群体的生境可用性和质量的针对性研究的必要性。

**4.2 节肢动物分类群对特定微生境的差异反应**

特定微生境的可用性和特征显著影响了节肢动物的分布和丰富度。几种类型的微生境，包括啄木鸟洞穴、附生苔藓、灌木状地衣和昆虫隧道，显示出强烈的正相关，这与先前研究的结果一致，这些微生境被认为是节肢动物的关键资源（Bütler Sauvain等人2024；Stokland等人2012；Larrieu等人2018）。相比之下，树干洞穴、树皮损失和树干损伤等特征与某些群体的较低丰富度相关，说明了微生境选择的复杂性和相互作用生态因素的影响。弹尾目主要是分解者，与暴露的木材有强烈的正相关，这有利于微生物的定殖和真菌生长，从而支持分解活动（Stokland等人2012）。它们也经常出现在苔藓、地衣和昆虫隧道中，这些提供了额外的食物和水分（Skuba?a和Marzec 2013）。这种强烈的偏好表明弹尾目的分布与枯木生态系统中的分解过程和微生物群落密切相关。相反，它们在树干和霉菌洞穴中的存在减少可能是由于在更受保护的环境中微生物基质有限。半翅目同样与啄木鸟洞穴、昆虫隧道和附生结构等微生境有正相关，它们可能从多样的食物来源（真菌菌丝、植物物质）和压力保护中受益（Bütler Sauvain等人2024）。它们在苔藓和地衣中的频繁出现进一步表明这些特征促进了富含微生物生命的微环境，从而增强了半翅目的觅食和繁殖（Larrieu等人2018；Stokland等人2012）。双足目与大多数微生境的关联较弱，表明它们对特定微生境的依赖性较低。它们对不同条件的耐受性可能解释了它们更广泛的分布，而缺乏强烈模式表明它们的数量更多受到腐烂阶段或微气候因素（如湿度）的影响（Seibold等人2015；Puverel等人2019）。蛛形纲和蜜蜂目的反应各不相同。蜜蜂目经常与无树皮的损伤相关，可能提供了筑巢基质或狩猎场所，而蛛形纲在大多数微生境中的反应较弱或中性。这些模式更简单地可以用与暴露的木材结构和特定微生境的共享关联来解释，而不是直接推断蜜蜂目的功能角色。这两个群体与树皮损失和树干洞穴的关联较少，这些特征的特点是更高的微气候暴露和较少的庇护。同样，与啄木鸟洞穴和树干损伤的弱关联表明洞穴相关结构对不同节肢动物群体的相关性不同。木材密度也可能影响微生境的稳定性，较密的木材可以缓冲水分和温度波动（Seibold等人2015）。然而，暴露的木材虽然对某些分类单元有利，但对其他分类单元不利，可能由于快速干燥和微气候稳定性降低。因此，过度暴露于阳光和风可能限制了许多腐木依赖性节肢动物的生境适宜性。总之，这些结果强调了微生境多样性和微气候条件共同塑造节肢动物群落的重要性，以及在稳定条件下保护一系列特征对生物多样性的关键作用。细尺度的结构特征，如昆虫隧道和苔藓垫，通过提供不同的资源和微气候增强了节肢动物的多样性。这种模式支持了生态位分化和生境过滤的生态理论（Wright 1983；Seibold等人2015）。双足纲（Diplopoda）的弱或不一致的响应可能反映了它们作为依赖湿度的碎屑食者的生态特征，以及它们有限的移动能力，这使它们与特定树木相关微生境的关联不如移动能力更强或结构更特殊的节肢动物群体紧密。相比之下，对于蛛形纲（Arachnida）、膜翅目（Hymenoptera）和半翅目（Hemiptera）观察到的更明确的关联突显了特定树木相关微生境（TreMs）在提供庇护所、狩猎基质或资源获取方面的作用，表明特定分类群的生态特征塑造了节肢动物对微生境多样性的响应（Stokland等人2012年；Seibold等人2015年）。诸如啄木鸟洞穴、附生植物垫和树皮损伤等特征一致支持了更广泛的分类群，而其他特征，如树干洞穴和树皮丧失，则与某些群体的减少丰富度相关。这些发现表明，在森林群落中保持不同类型的树木相关微生境的多样性有助于保护腐木性节肢动物。因此，通过保留代表性的树木相关微生境来维护森林结构异质性的管理策略可能会提高生产森林中死木生境的生态价值。

4.3 森林结构和死木属性的多方面影响

广义加性模型（GAM）的结果显示，节肢动物的丰富度与森林结构和死木可用性的多个维度相关，但这些关联的强度和形式在不同分类群之间有所不同。这一总体模式与我们的第一个和第三个假设一致，这些假设预测腐木性节肢动物的丰富度会对结构复杂性、死木可用性和微生境异质性作出反应。在测试的预测因子中，树冠闭合度是跨所有分类群最一致的节肢动物丰富度相关因素。它与膜翅目、半翅目、弹尾目（Collembola）和蛛形纲显著相关，并与甲虫目（Coleoptera）有边缘相关性。这种广泛的模式表明，树冠结构是这些森林系统中生境适宜性的核心组成部分，可能是因为树冠闭合度影响了死木表面附近的湿度稳定性、温度缓冲和干燥风险，而这些因素通过真菌、微生物和碎屑资源直接和间接地影响节肢动物群落（Seibold, B?ssler, Brandl等人2016年；Wu等人2021年）。与死木相关的预测因子也发挥了重要作用，特别是对弹尾目和半翅目而言。无论是躺着的死木体积还是残株体积都与这些群体的丰富度模式相关，但支持强度不同：躺着的死木对弹尾目显著相关，而对半翅目则仅是边缘相关；残株体积对半翅目显著相关，而对弹尾目则是边缘相关。这些结果在生态上是合理的，因为站立的死木和躺着的死木提供了互补的生境功能。躺着的死木倾向于保持湿度，支持真菌生长，并促进分解过程，而残株则提供了垂直结构复杂性、树皮表面异质性和更移动和表面活跃的分类群的庇护机会（Stokland等人2012年；Ulyshen 2016年；Seibold和Thorn 2018年）。这两个变量都相关，但在不同分类群中的相关性并不相同，这加强了这样一个观点：仅靠死木的数量是不够的，死木基质的形式和多样性对于维持腐木性群落也很重要。与树木相关的微生境（TreMs）仍然是此处观察到的节肢动物丰富度模式的另一个核心组成部分。在GAMs中，TreMs与膜翅目、双足纲和蛛形纲显著相关，与弹尾目则仅有边缘相关。这一结果与我们的第二个假设相符，该假设提出TreMs的存在和多样性将与腐木性节肢动物的丰富度呈正相关，并表明了结构上有利的生境条件。TreMs捕捉到了更广泛的生境变化，这些变化是更广泛的群落指标无法完全描述的。洞穴、树皮损伤、真菌结构、附生植物和暴露的木材表面可以各自创造不同的庇护所、湿度、觅食基质和定殖机会组合，从而促进局部生境异质性（Bütler等人2020年；Larrieu等人2018年；Asbeck等人2021年）。因此，我们的结果支持这样的解释：TreMs不仅是描述性的生物多样性指标，还是与节肢动物丰富度差异相关的结构上有意义的生境属性。双足纲在所有响应群体中显示出最广泛的显著关联，包括树干直径（DBH）平均值、基底面积、针叶树百分比、SSCI和TreMs，此外还与森林管理强度有边缘关联。这表明双足纲可能特别响应群落结构和微生境可用性的综合梯度。它们与DBH平均值和基底面积的强关联表明，较大的树木和更密集的群落条件可能通过湿度缓冲、凋落物积累和基质连续性影响生境适宜性，而它们对针叶树比例和SSCI的响应表明它们对更广泛的森林结构背景敏感，而不仅仅是样本死木树的局部属性。由于双足纲是相对低移动性的碎屑食者，且高度依赖湿度，这种更广泛的结构关联在生态上是合理的，并且与早期研究表明该群体对微气候和基质条件的响应而非仅对个别TreM特征的响应一致（Seibold等人2015年；Puverel等人2019年）。相比之下，甲虫目仅与树冠闭合度和针叶树百分比有边缘关联。这一点值得注意，因为甲虫是最常研究的腐木性分类群之一，通常与死木特征有很强的关联（Stokland等人2012年；Seibold和Thorn 2018年）。在当前的数据集中，甲虫的较弱信号可能反映了结合了具有不同生态策略的分类群的广泛OTU丰富度方法，以及基于表面的eDNA采样对于与深层木材组织或更内部微生境相关的分类群的局限性。因此，该系统中甲虫的丰富度可能取决于更细尺度的基质属性，如树皮状况、真菌定殖、木材质量和腐烂连续性，这些在当前模型中并未完全解决。森林管理强度与蛛形纲、弹尾纲和双足纲有较弱但重复出现的关联。尽管这些不是模型中最强的效应，但它们在不同群体中的反复出现与预期一致，即密集管理与简化生境结构和减少与死木相关资源的多样性有关（Jonsson等人2016年；L?froth等人2023年）。在本研究中，森林管理强度最好被解释为长期群落背景的综合描述符，而不是直接的机制驱动因素。其关联可能反映了死木保留、残株连续性、群落开放度和微生境可用性的连锁变化，这与先前的研究结果一致，即管理过的森林通常支持较少的对死木依赖的生物多样性重要的结构元素，即使一些保留特征仍然存在（Gro?mann等人2023年；Storch等人2020年）。总的来说，这些发现强化了这样一个观点：腐木性节肢动物的丰富度是由重叠但不同的生境维度塑造的。树冠结构、死木数量和形式、TreMs的可用性以及更广泛的群落结构条件都对丰富度模式有所贡献，但它们的相对重要性在不同分类群中有所不同。这支持了研究的一个核心信息：管理过的温带森林中的节肢动物生物多样性反映了森林结构和树木级生境复杂性的综合影响，不同分类群对这一结构马赛克的不同组成部分有不同的响应。由于这些分析基于观察数据，所确定的关系应被视为关联模式，而不是直接的因果效应。尽管如此，几个预测因子在不同群体中的一致性，特别是树冠闭合度、死木可用性和TreMs，支持了它们的生态相关性和对生物多样性导向的森林管理的实际价值。

4.4 对保护和管理的影响

我们的结果与先前的研究一致，这些研究报道在管理强度较高的森林群落中节肢动物多样性较低。减少残株和死木、缩短轮伐期、高采伐率和种植快速生长物种等做法简化了生境并减少了生物多样性（L?froth等人2023年；Jonsson等人2016年）。这种简化限制了结构多样性和关键资源，如死木和TreMs，而这些资源对节肢动物群落至关重要（Stokland等人2012年；Bütler等人2020年）。保持树冠闭合度和保护如洞穴和附生植物等微生境的管理策略可以减轻这些影响，有助于减少采伐影响并保护生物多样性（Stokland等人2012年；Paillet等人2018年）。我们的结果还揭示了研究空白。一个关键的限制是关注了分类群的丰富度，而功能多样性和生态相互作用尚未得到充分探索。诸如进食、繁殖和种间相互作用等功能特征对于评估生态系统服务至关重要（Elizalde等人2020年）。尽管eDNA使得广泛的分类群检测成为可能，但由于特征数据库有限和OTU分辨率不完整，未能分配腐木性亲和力等功能角色。未来的工作应该基于特征链接的资源来整合分类学和功能视角（Le Guillarme等人2023年）。节肢动物提供了诸如养分循环、土壤通气和害虫调节等服务，功能分析将澄清它们在生态系统稳定性中的作用。尽管一些群体，特别是弹尾纲和双足纲，在调查中经常被忽视，但它们在生态上扮演着重要角色。它们较低的检测率突显了结合eDNA和传统方法的综合方法的必要性（Shuvo等人2025年；Leclerc等人2023年；Ruppert等人2019年）。为了维持节肢动物生物多样性，管理应保留站立和躺着的死木，因为每种都提供了不同的微生境。不同腐烂阶段的死木支持不同的群落，从富含真菌的原木到分解中的树皮（Stokland等人2012年）。森林管理者应保护多样化的死木类型和额外的特征，如洞穴、洞穴和附生植物（?ebek 2016年）。面对气候变化，结构复杂、物种混合的群落和保留林业对生物多样性和韧性至关重要（Gro?mann等人2023年）。通过促进死木、TreMs和多样化的群落，管理者和政策制定者可以维持节肢动物生物多样性和生态系统服务，增强森林的稳定性和生产力。这些结果是在本研究的观察和景观尺度范围内解释的。我们确定了森林结构、死木属性、与树木相关的微生境和腐木性节肢动物丰富度之间的一致关联，这些被评估为共变模式，而不是直接因果关系的证据。与树木相关的微生境被评估为基于存在的结构特征，这限制了标准化微生境单位之间的直接比较。森林管理强度代表了长期管理背景的综合描述符，因此与其与结构生境元素的关联有关，而不是作为直接测试的机制驱动因素。除了揭示腐木性节肢动物群落的广泛、结构中介导的模式外，这项研究还表明基于滚轮的表面eDNA方法可以在景观尺度上可靠地捕捉生态上有意义的生物多样性信号。这为未来的更有针对性的生态和保护研究奠定了基础。

5 结论

节肢动物的多样性受到森林组成、死木可用性和如TreMs这样的微生境特征的复杂相互作用的影响，反映了节肢动物群落内的生态多样性和专门化。我们的发现表明，树冠结构、死木可用性和与树木相关的微生境丰富度是温带森林景观中节肢动物丰富度和分布的重要预测因子。更高的森林管理强度与几个节肢动物群体的较低丰富度相关，这突显了需要有利于生物多样性的、更接近自然的林业实践（Larsen等人2022年）。保留多样化的死木结构和促进生境复杂性可以减轻这些影响。未来的研究应整合功能特征分析和分子技术，以提高分类学分辨率并改进保护策略。实施基于证据的管理实践将有助于维持节肢动物生物多样性，确保长期的生态系统稳定性和韧性。

作者贡献

Mohammad Jamil Shuvo：概念化（负责人）、数据管理（负责人）、正式分析（负责人）、调查（负责人）、方法学（负责人）、可视化（负责人）、写作——初稿（负责人）。Michael Wohlwend：数据管理（支持）、正式分析（支持）、项目管理（同等负责）、写作——审阅和编辑（同等负责）。Katrin Heer：概念化（支持）、正式分析（支持）、监督（同等负责）、写作——审阅和编辑（同等负责）。Yoan Paillet：数据管理（支持）、正式分析（支持）、验证（支持）、可视化（支持）、写作——审阅和编辑（同等负责）。Gernot Segelbacher：概念化（同等负责）、数据管理（支持）、正式分析（支持）、资金获取（同等负责）、项目管理（同等负责）、监督（同等负责）、写作——审阅和编辑（同等负责）。

致谢

我们衷心感谢巴登-符腾堡州林业局（ForstBW）对野外工作的支持和便利——没有他们的出色支持，我们的研究将无法进行。我们还要感谢ConFoBi团队的全心投入和对这个项目的宝贵贡献，特别是Anna-Lena Hendel在统计建模方面的指导。我们还要感谢Mira、Sabrina、Tasmina和Victor在野外工作方面的协助，以及Theresa Waldvogel在行政事务上的协调。我们衷心感谢德国科学基金会（DFG）的支持，特别是ConFoBi研究培训组（GRK 2123/1 TPX）。开放获取资金由Project DEAL提供和组织。

本工作得到了GRK 2123/1 TPX的支持。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

数据可用性声明

当前研究中生成和分析的数据集可在Figshare仓库中找到：https://doi.org/10.6084/m9.figshare.30421744。该仓库包括处理过的环境DNA（eDNA）数据集、森林结构和节肢动物多样性元数据，以及用于相关分析和统计建模的所有R脚本。