关联捕食风险、植食动物生理应激与植物凋落物的微生物分解

本实验的总体目标是确定动物尸体在遭受捕食压力后，其体内化学成分如何影响有机物的分解速率。首先需在野外条件下建立实验性饲养环境，使猎物分别处于面临捕食风险的压力组和无捕食风险的对照组。第二步是从各实验处理组中采集蝗虫，通过呼吸法检测其代谢状态后将其处死，随后在实验室中分析其体内同位素化学成分，并在野外启动分解过程的前期准备。

接下来，将蝗虫尸体放入封闭的样地内，使其自然分解40天。同时，在微宇宙系统中用碳13标记的二氧化碳对植物进行标记。在蝗虫尸体分解完成前约10天，从这些微宇宙系统中采集草料，进行风干处理。

在第40天时，将干燥的草放入围栏中。最后一步是通过连续流动腔室技术结合离轴积分腔输出光谱法，监测草凋落物在原位75天内的分解速率，该技术同时追踪土壤呼吸和碳13标记的二氧化碳的呼吸释放。最终，这些方法可量化捕食压力下植食性动物体内化学变化如何调控土壤微生物对凋落物的分解速率。

这表明，即使种群数量较少的动物也可能产生重要的倍增效应。然而，在生态系统中，我们今天所讨论的方法适用于这种古老的草地生态系统，更广泛地也适用于其他草原系统，例如非洲稀树草原或黄石国家公园的草原，这些地区通常会有大量食草动物尸体进入土壤，而这些尸体的分解可能以重要方式对生态系统产生影响。

在这些地点观察到的生态系统养分循环过程中，使用直径0.5米的圆形封闭式中宇宙系统，以防止动物物种的迁入或迁出。每个中宇宙围栏由2.4米长、1.5米高、四分之一英寸网孔的铝制围栏网构成，并覆盖2.5米长、1.75米高的铝制筛网。在野外设置围栏时，需在围栏基部周围挖掘一条深10厘米、宽4厘米的沟槽，将围栏埋入土壤中。

然后将笼子沉入沟槽中，深度为10厘米，并压实沟槽周围的土壤。将一块圆形的窗纱用订书钉固定在中宇宙笼的顶部。中宇宙系统应在田间地块中按照重复配对的实验设计进行布置，地块的选择应与植物物种组成及植物相对盖度相匹配。

使用扫网采集二龄星形蝗虫若虫，并以野外密度将其放入中型生态系统中。然后使用扫网捕捉一种优势的伏击型、依靠体重捕食但不结网的蜘蛛捕食者个体。在用快干水泥将蜘蛛的毒腺封闭后，将蜘蛛以野外密度放入每对中型生态系统的其中一个中。

这将是施加胁迫处理的中型生态系统，不含蜘蛛的组别作为跳蝻经历后的无胁迫处理。若虫已发育至第四和第五龄期。从各笼中收集所有个体，并从每个笼中随机分配个体至后续三个测定组之一。

第一组验证生理应激。第二组验证机体元素化学计量比的变化，第三组通过微生物分解来测量微生物分解作用。在野外样地放置多对PVC环。

通过在土壤表面剪除的方式，清除每个环内的所有植被。此外，在野外样地内设置一组 PVC 环，作为碳13自然丰度的对照，不添加蝗虫或草屑。然后，在每对环中的一个环内，添加一只完整且冻干的蝗虫尸体（该蝗虫在之前实验中经捕食风险条件下饲养所得），使用田间笼具进行操作，同时务必记录添加至另一环的生物量。

每对样方中加入两只未受损伤的、在无捕食风险条件下饲养的冻干蝗虫尸体，并再次记录所添加的生物量。用筛网覆盖PVC套管，防止食腐动物将蝗虫尸体从样方中移走，让蝗虫尸体在自然条件下分解40天。

在此期间，通过将一个带有橡胶密封圈且密封圈上涂有硅脂的正方形木框（60厘米×60厘米）插入地下5厘米深处，对草屑进行碳13标记。然后将一个顶部带有进气阀和出气阀的透明聚甲基丙烯酸甲酯（Plexiglas）腔室滑入木框上方，使橡胶密封圈确保腔室与立柱基座测量站紧密贴合，这些测量站位于所有包含PVC颜色标记的样地中央。在碳13标记一周后，按照文中所述实验方案，连接腔室衰荡光谱仪，并使用Thermo Delta Plus同位素比值质谱仪或类似设备，将草屑的δ碳13值与在40天草叶残体分解试验结束前约10天从周围相同草种随机样本中采集的自然丰度值进行比较。在标记后40天，收获已标记的草屑并进行风干处理。

将10克风干的碳13标记的草本凋落物分别添加到之前已加入蚱蜢尸体的各颜色处理组中。通过使用流通式密闭室技术，首先封闭每个颜色处理组，并在75天内原位监测草本凋落物的矿化速率，同时追踪土壤总呼吸以及碳13二氧化碳的呼吸量。利用离轴积分腔输出光谱技术，每八分钟实时监测各颜色处理组的气体样品，从而实现对土壤呼吸总量及碳13同位素比值（δ¹³C）的同步追踪。

使用同位素混合方程估算碳13标记的草本凋落物对土壤总呼吸的贡献。根据文本方案中的说明，该图显示了植食性动物标准代谢率与其身体质量之间的关系。数据根据实验处理分为两类：来自含有捕食者以诱导胁迫的中型生态系统（mesocosms）的蝗虫，以及来自不含捕食者的对照中型生态系统的蝗虫（无胁迫诱导）。由于个体蝗虫之间存在身体质量差异，且代谢率随身体质量变化，因此图中应呈现代谢率与蝗虫身体质量之间的关系。

不同处理组的平行趋势表明，代谢率以标准代谢率的恒定倍数上升。所有受胁迫个体均不存在体质量与代谢率之间的交互作用。本表列出了在风险和无风险条件下蝗虫身体的碳、氮元素含量。值得注意的是，不同处理组之间体碳氮比差异极小，仅为4%。然而，这些微小差异可能导致土壤微生物群对草本凋落物分解作用产生显著差异。

这些曲线展示了微生物群落在分解实验性草本凋落物过程中累积释放的 CO₂，其中 PVC 管中不同处理组的数据以均值加减一个标准误差表示。该图表明，经受胁迫的蝗虫尸体（即捕食者情境）引发的土壤激发效应，导致植物凋落物的分解速率比经无胁迫蝗虫尸体引发的对照土壤低 19%。

该方法有助于我们通过追踪植物叶片中的碳进入不同土壤库的过程，并追踪这些库中养分再循环至地上植物部分的命运，从而回答生态系统、生态学和生物地球化学领域的一些关键科学问题。