Đa dạng chức năng của cộng đồng chironomid trong các hồ cận cực qua các gradient về nhiệt độ và đặc điểm lưu vực

Limnology - Tập 22 Số 1 - Trang 5-16 - 2021
Simon Belle1, Willem Goedkoop1
1Department of Aquatic Sciences and Assessment, Swedish University of Agricultural Sciences, Uppsala, Sweden

Tóm tắt

Tóm tắtCác hệ sinh thái phía Bắc đang trải qua những biến đổi nhanh chóng và quy mô lớn do sự ấm lên gia tăng, điều này có tác động sâu sắc đến đa dạng sinh học trên cạn và trong nước ngọt. Do đó, có sự cần thiết phải hiểu biết một cách toàn diện về sự phân bố của đa dạng sinh học thủy sinh của các hệ sinh thái cận cực để dự đoán tốt hơn các quỹ đạo tương lai của đa dạng sinh học độc đáo của chúng. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã xem xét sự đa dạng chức năng của các cộng đồng chironomid trong các hồ cận cực qua gradient độ cao 1000 m, phản ánh những thay đổi dần dần về nhiệt độ và đặc điểm cảnh quan. Sử dụng các phân tích tương ứng mờ, chúng tôi đã điều tra sự biến thiên không gian trong thành phần đặc điểm của các cộng đồng chironomid từ 100 hồ ở miền Bắc Thụy Điển và kiểm tra các giả thuyết rằng (1) khí hậu hình thành trực tiếp và gián tiếp thành phần đặc điểm chironomid trên gradient đã nghiên cứu, và (2) rằng các taxon tổng quát có kích thước cơ thể nhỏ hơn và sở thích thức ăn rộng hơn có khả năng tồn tại cao hơn trong các môi trường lạnh. Kết quả của chúng tôi cho thấy các mối quan hệ phức tạp giữa các quá trình khí hậu trực tiếp (ví dụ: nhiệt độ) và gián tiếp (ví dụ: những thay đổi do độ cao trong thực vật/thích nghi) ảnh hưởng đến sự đa dạng chức năng của các cộng đồng chironomid. Cụ thể, các đặc điểm như kích thước ấu trùng, sự ưa thích thức ăn và thói quen ăn uống đã được phân tách rõ ràng dọc theo gradient, và mô hình này cho thấy rằng các hồ ở độ cao thấp có lưu vực rừng có xu hướng có nhiều taxon ăn trầm tích và ấu trùng lớn hơn so với những hồ ở trên đường rừng. Như kỳ vọng, sự sẵn có của nguồn thức ăn trong các hồ được liên kết chặt chẽ với thành phần/độ che phủ của thực vật, và các đặc điểm liên quan đến khai thác tài nguyên trong các cộng đồng chironomid do đó được ràng buộc tốt bởi các đặc điểm cảnh quan. Hơn nữa, các phát hiện của chúng tôi cho thấy vòng đời ngắn có thể tạo điều kiện cho sự phát triển của quần thể khả thi trong các hồ phía Bắc và hồ ở độ cao cao, nơi mà thời gian không có băng là yếu tố hạn chế, do đó mâu thuẫn với các mô hình cho thấy các sinh vật nhỏ hơn trong các môi trường ấm hơn đã được báo cáo cho các động vật không xương sống khác. Do hậu quả của việc ấm lên khí hậu, các hồ ở độ cao cao nhất trong các cảnh quan cận cực có khả năng sẽ mất đi các taxon chironomid thích nghi với lạnh mang tính chất đặc thù cùng với các đặc điểm chức năng của chúng, dẫn đến các tác động tiềm tàng đối với cấu trúc mạng lưới thức ăn và chức năng tổng thể của các hệ sinh thái hồ phía Bắc.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

AMAP (2011) Snow, water, ice and permafrost in the ARCTIC (SWIPA): climate change and the cryosphere. Arctic Monitoring and Assessment Programme (AMAP), Oslo

Angert AL, Crozier LG, Rissler LJ, Gilman SE, Tewksbury JJ, Chunco AJ (2011) Do species’ traits predict recent shifts at expanding range edges? Ecol Lett 14(7):677–689

Angilletta MJ, Steury TD, Sears MW (2004) Temperature, growth rate, and body size in ectotherms: fitting pieces of a life-history puzzle. Integr Comp Biol 44(6):498–509

Bennett KD (1996) Determination of the number of zones in a biostratigraphical sequence. New Phytol 132(1):155–170

Bennett NL, Severns PM, Parmesan C, Singer MC (2015) Geographic mosaics of phenology, host preference, adult size and microhabitat choice predict butterfly resilience to climate warming. Oikos 124(1):41–53

Berg MB (1995) Larval food and feeding behaviour. In: Armitage PD, Cranston PS, Pinder LCV (eds) The Chironomidae. Chapman and Hall, New York, pp 136–168

Bonada N, Dolédec S, Statzner B (2007) Taxonomic and biological trait differences of stream macroinvertebrate communities between mediterranean and temperate regions: implications for future climatic scenarios. Glob Change Biol 13(8):1658–1671

Brodersen KP, Quinlan R (2006) Midges as palaeoindicators of lake productivity, eutrophication and hypolimnetic oxygen. Quat Sci Rev 25(15–16):1995–2012

Chevenet F, Doléadec S, Chessel D (1994) A fuzzy coding approach for the analysis of long-term ecological data. Freshwat Biol 31(3):295–309

Chown SL, Gaston KJ (2010) Body size variation in insects: a macroecological perspective. Biol Rev 85(1):139–169

Cummins KW (1973) Trophic relations of aquatic insects. Annu Rev Entomol 18(1):183–206

Cummins KW, Klug MJ (1979) Feeding ecology of stream invertebrates. Annu Rev Ecol Syst 10(1):147–172

Daufresne M, Lengfellner K, Sommer U (2009) Global warming benefits the small in aquatic ecosystems. Proc Natl A Sci 106(31):12788–12793

Desrosiers M, Usseglio-Polatera P, Archaimbault V, Larras F, Méthot G, Pinel-Alloul B (2019) Assessing anthropogenic pressure in the St. Lawrence River using traits of benthic macroinvertebrates. Sci Total Environ 649:233–246

Dı́az S, Cabido M (2001) Vive la différence: plant functional diversity matters to ecosystem processes. Trends Ecol Evol 16(11):646–655

Dufrêne M, Legendre P (1997) Species assemblages and indicator species: the need for a flexible asymmetrical approach. Ecol Monogr 67(3):345–366

Eggermont H, Heiri O (2012) The chironomid-temperature relationship: expression in nature and palaeoenvironmental implications. Biol Rev 87(2):430–456

Gardner JL, Peters A, Kearney MR, Joseph L, Heinsohn R (2011) Declining body size: a third universal response to warming? Trends Ecol Evol 26(6):285–291

Hamerlík L, Svitok M, Novikmec M, Veselská M, Bitušík P (2017) Weak altitudinal pattern of overall chironomid richness is a result of contrasting trends of subfamilies in high-altitude ponds. Hydrobiologia 793(1):67–81

Hayden B, Myllykangas JP, Rolls RJ, Kahilainen KK (2017) Climate and productivity shape fish and invertebrate community structure in subarctic lakes. Freshwat Biol 62(6):990–1003

Heino J (2008) Patterns of functional biodiversity and function-environment relationships in lake littoral macroinvertebrates. Limnol Oceanogr 53(4):1446–1455

Heino J, Virkkala R, Toivonen H (2009) Climate change and freshwater biodiversity: detected patterns, future trends and adaptations in northern regions. Biol Rev 84(1):39–54

Heiri O (2004) Within-lake variability of subfossil chironomid assemblages in shallow Norwegian lakes. J Paleolimn 32(1):67–84

Heiri O, Wick L, van Leeuwen JFN, van der Knaap WO, Lotter AF (2003) Holocene tree immigration and the chironomid fauna of a small Swiss subalpine lake (Hinterburgsee, 1515 m asl). Palaeogeogr Palaeoecolo 189(1):35–53

Heiri O, Brooks SJ, Birks HJB, Lotter AF (2011) A 274-lake calibration data-set and inference model for chironomid-based summer air temperature reconstruction in Europe. Quat Sci Rev 30(23–24):3445–3456

Hevia V, Martín-López B, Palomo S, García-Llorente M, de Bello F, González JA (2017) Trait-based approaches to analyze links between the drivers of change and ecosystem services: synthesizing existing evidence and future challenges. Ecol Evol 7(3):831–844

Hooper DU, Chapin FS, Ewel JJ, Hector A, Inchausti P, Lavorel S, Wardle DA (2005) Effects of Biodiversity on ecosystem functioning: a consensus of current knowledge. Ecol Monogr 75(1):3–35

Hulot FD, Lacroix G, Lescher-Moutoué F, Loreau M (2000) Functional diversity governs ecosystem response to nutrient enrichment. Nature 405(6784):340

Johnson RK, Goedkoop W (2002) Littoral macroinvertebrate communities: spatial scale and ecological relationships. Freshwat Biol 47:1840–1854

Jourdan J, Baranov V, Wagner R, Plath M, Haase P (2019) Elevated temperatures translate into reduced dispersal abilities in a natural population of an aquatic insect. J Anim Ecol 88(10):1498–1509

Kivilä EH, Luoto TP, Rantala MV, Kiljunen M, Rautio M, Nevalainen L (2019) Environmental controls on benthic food web functions and carbon resource use in subarctic lakes. Freshwat Biol 64(4):643–658

Larocque I, Hall RI, Grahn E (2001) Chironomids as indicators of climate change: a 100-lake training set from a subarctic region of northern Sweden (Lapland). J Paleolimnol 26(3):307–322

Lau DCP, Christoffersen KS, Erkinaro J, Hayden B, Heino J, Hellsten S, Holmgren K, Kahilainen KK, Kahlert M, Karjalainen SM, Karlsson J, Forsström L, Lento J, Mjelde M, Ruuhijärvi J, Sandøy S, Schartau AK, Svenning M-A, Vrede T, Goedkoop W (2020) Multitrophic biodiversity patterns and environmental descriptors of sub-Arctic lakes in northern Europe. Freshwat Biol. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/fwb.13477(in press)

Lavergne S, Mouquet N, Thuiller W, Ronce O (2010) Biodiversity and climate change: integrating evolutionary and ecological responses of species and communities. Annu Rev Ecology Evol S 41:321–350

Legendre P, Legendre LFJ (2012) Numerical ecology. Elsevier, Amsterdam

Lento J, Goedkoop W, Culp J et al (2019) Report state of the Arctic Freshwater Biodiversity. Conservation of Arctic Flora and Fauna International Secretariat, Akureyri. ISBN 978-9935-431-77-6

Luoto TP, Nevalainen L (2015) Climate-forced patterns in midge feeding guilds. Hydrobiologia 742(1):141–152

Luoto TP, Nevalainen L (2018) Temperature-precipitation relationship of the Common Era in northern Europe. Theor Appl Climatol 132:933–938

MacLean SA, Beissinger SR (2017) Species’ traits as predictors of range shifts under contemporary climate change: a review and meta-analysis. Glob Change Biol 23(10):4094–4105

McLean M, Auber A, Graham NAJ, Houk P, Villéger S, Violle C, Mouillot D (2019) Trait structure and redundancy determine sensitivity to disturbance in marine fish communities. Glob Change Biol 25:3424–3437

Motta L, Massaferro J (2019) Climate and site-specific factors shape chironomid taxonomic and functional diversity patterns in northern Patagonia. Hydrobiologia 839:131–143

Nolte U, Hoffmann T (1992) Fast life in cold water: Diamesa incallida (Chironomidae). Ecography 15(1):25–30

Northington RM, Keyse MD, Beaty SR, Whalen SC, Sokol ER, Hershey AE (2010) Benthic secondary production in eight oligotrophic arctic Alaskan lakes. J N Am Benthol Soc 29(2):465–479

Nylin S, Gotthard K (1998) Plasticity in life-history traits. Annu Rev Entomol 43(1):63–83

Picazo F, Millán A, Dolédec S (2012) Are patterns in the taxonomic, biological and ecological traits of water beetles congruent in Mediterranean ecosystems? Freshwat Biol 57(11):2192–2210

Poff NL (1997) Landscape filters and species traits: towards mechanistic understanding and prediction in stream ecology. J N Am Benthol Soc 16(2):391–409

Poff NL, Olden JD, Vieira NKM, Finn DS, Simmons MP, Kondratieff BC (2006) Functional trait niches of North American lotic insects: traits-based ecological applications in light of phylogenetic relationships. J N Am Benthol Soc 25(4):730–755

R Core Team (2018) R: a language and environment for statistical computing. R Foundation for Statistical Computing, Vienna, Austria. ISBN 3-900051-07-0. http://www.R-project.org

Reynolds CS, Huszar V, Kruk C, Naselli-Flores L, Melo S (2002) Towards a functional classification of the freshwater phytoplankton. J Plankton Res 24(5):417–428

Richards C, Johnson LB, Host GE (1996) Landscape-scale influences on stream habitats and biota. Can J Fish Aquat Sci 53(S1):295–311

Richards C, Haro R, Johnson L, Host G (1997) Catchment and reach-scale properties as indicators of macroinvertebrate species traits. Freshwat Biol 37(1):219–230

Schmera D, Heino J Podani, Erős T, Dolédec S (2017) Functional diversity: a review of methodology and current knowledge in freshwater macroinvertebrate research. Hydrobiologia 787:27–44

Serra SRQ, Cobo F, Graça MAS, Dolédec S, Feio MJ (2016) Synthesising the trait information of European Chironomidae (Insecta: Diptera): towards a new database. Ecol Indic 61:282–292

Serra SRQ, Graça MAS, Dolédec S, Feio MJ (2017) Chironomidae of the Holarctic region: a comparison of ecological and functional traits between North America and Europe. Hydrobiol 794(1):273–285

Smol JP (1992) Paleolimnology: an important tool for effective ecosystem management. J Aquat Ecosyst Health 1(1):49–58

Statzner B, Dolédec S, Hugueny B (2004) Biological trait composition of European stream invertebrate communities: assessing the effects of various trait filter types. Ecography 27(4):470–488

Townsend CR, Dolédec S, Norris R, Peacock K, Arbuckle C (2003) The influence of scale and geography on relationships between stream community composition and landscape variables: description and prediction. Freshw Biol 48(5):768–785

Urban MC, Tewksbury JJ, Sheldon KS (2012) On a collision course: competition and dispersal differences create no-analogue communities and cause extinctions during climate change. Proc R Soc B-Biol Sci 279:2072–2080

Usseglio-Polatera P, Bournaud M, Richoux P, Tachet H (2000) Biological and ecological traits of benthic freshwater macroinvertebrates: relationships and definition of groups with similar traits. Freshwat Biol 43(2):175–205

van Hardenbroek M, Heiri O, Wilhelm MF, Lotter AF (2010) How representative are subfossil assemblages of Chironomidae and common benthic invertebrates for the living fauna of Lake De Waay, the Netherlands? Aquat Sci 73(2):247–259

van Kleef H, Verberk WCEP, Kimenai FFP, van der Velde G, Leuven RSEW (2015) Natural recovery and restoration of acidified shallow soft-water lakes: Successes and bottlenecks revealed by assessing life-history strategies of chironomid larvae. Basic Appl Ecol 16(4):325–334

Verbruggen F, Heiri O, MeriläInen JJ, Lotter AF (2011) Subfossil chironomid assemblages in deep, stratified European lakes: relationships with temperature, trophic state and oxygen. Freshwat Biol 56(3):407–423

Walker IR (2001) Midges: chironomidae and related diptera. In: Smol JP, Birks HJB, Last WM (eds) Tracking environmental change using lake sediments. Springer, Dordrecht, pp 43–66

Ward J (1963) Hierarchical grouping to optimize an objective function. J Am Stat Assoc 58(301):236–244

Wiederholm T (ed) (1983) Chironomidae of the Holarctic region: keys and diagnoses. Part 1 Larvae Entomologica Scandinavica Supplement No. 19:1–457

Thông tin
Thông tin xuất bản

Limnology

Tập 22 Số 1

5-16

Thông tin tác giả