Name: 链接捕食风险，草食动物生理应激和植物凋落物的微生物分解 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-03-12T12:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 20 s
Description: 了解捕食风险如何通过改变草食动物体内化学成分来影响其尸体分解速率，并进而调控土壤微生物的分解过程与养分循环。该方法适用于草原生态系统研究。

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本研究得到了耶鲁大学气候与能源研究所和美国国家科学基金会资金的支持。

1. 在胁迫与非胁迫条件下饲养蝗虫
<ol>
 <li>使用0.5 m2的圆形封闭式中宇宙系统，以防止动物物种的迁出或迁入（图1）。采用2.4 m长、1.5 m高、¼"网孔的铝制围栏作为支架构建中宇宙系统。用2.5 m长、1.75 m高的铝制窗纱覆盖围栏，将窗纱在围栏顶部和底部折叠后用订书钉固定。将围栏两端连接形成闭合圆圈，再将重叠的窗纱部分用订书钉钉牢，形成密封。在野外通过挖掘一条深10 cm、宽4 cm的环形沟槽，将中宇宙系统底部埋入沟内，然后将沟槽周围的草皮压实，固定沉入土壤的部分。将一块圆形窗纱用订书钉固定在中宇宙系统的顶部。</li>
 <li>在野外采用重复配对实验设计布置中宇宙系统。应选择与植物物种组成及植物相对盖度相匹配的样地位置。将笼子埋入样地土壤中10 cm深。</li>
 <li>使用扫网采集早期（2nd龄）蝗虫若虫，并以自然野外密度将其放入中宇宙系统中。</li>
 <li>使用扫网捕获一种优势的“伏击型”捕食性蜘蛛（非结网型）个体。使用快干胶将蜘蛛的螯肢（用于制服猎物的口器）粘合闭合，从而将风险效应与实际存活选择（即有利于更善于逃避蜘蛛捕食的个体）分离开来。将蜘蛛以野外自然密度放入每对中宇宙系统中的其中一个。该组为胁迫处理组；不含蜘蛛的中宇宙系统则为无胁迫处理组。</li>
 <li>让蝗虫若虫发育至后期（4th和5th龄）阶段。从各笼中收集所有个体，并从每个笼中随机分配个体至以下三个后续测定组之一：（1）生理胁迫状态验证；（2）个体体元元素化学计量比变化验证；（3）微生物分解实验。</li>
</ol>
2. 验证蝗虫的应激状态
<ol>
 <li>在空气流速为 200 ml/min 的进气式气流呼吸测量系统中，测定蝗虫的标准代谢率（SMR），即二氧化碳排放速率（<img src="/files/ftp_upload/50061/50061eq1.jpg" fo:src="/files/ftp_upload/50061/50061eq1highres.jpg" alt='二氧化碳体积符号；"V̇co₂"，用于呼吸研究和气体交换分析。' data-altupdatedat="1787630408000">）。通过将流动空气经过干燥剂以去除水蒸气。</li>
 <li>在禁食 16 小时后（应提供水），称量单个蝗虫（±0.1 mg），将其放入透明的 50 ml（9.2 cm 长 × 2.0 cm 直径）呼吸室中，并在开始测量前让其恢复至少 10 分钟，以消除操作带来的干扰。</li>
 <li>在呼吸室内保持恒定的平均环境温度（温度波动范围在 ±1% 标准误差内），使用红外 CO2 分析仪（例如 Qubit S151- 1 ppm 分辨率）分析呼出空气。测量 10 分钟内的平均最小稳态 <img src="/files/ftp_upload/50061/50061eq1.jpg" fo:src="/files/ftp_upload/50061/50061eq1highres.jpg" alt='二氧化碳体积符号；"V̇co₂"，用于呼吸研究和气体交换分析。' data-altupdatedat="1787630408000">。</li>
 <li>分析仪提供的是 CO2 的摩尔分数浓度（百万分之一），但 SMR 应以速率形式报告，因此需将记录数据转换为 <img src="/files/ftp_upload/50061/50061eq2n.jpg" fo:src="/files/ftp_upload/50061/50061eq2nhighres.jpg" alt="静态平衡公式：V̇co2 = FR(F'eCO2 - FiCO2)/{1 - F'eCO2[1 - (1/RQ)]}；符号方程。" data-altupdatedat="1787630408000">，其中 <img src="/files/ftp_upload/50061/50061eq3n.jpg" fo:src="/files/ftp_upload/50061/50061eq3nhighres.jpg" alt="进气摩尔分数浓度方程，FICO2，科学记数法，CO2 分析。" data-altupdatedat="1787630408000"> <img src="/files/ftp_upload/50061/50061eq4n.jpg" fo:src="/files/ftp_upload/50061/50061eq4nhighres.jpg" alt="FeCO2 公式；CO2 浓度测量；方程；呼吸分析。" data-altupdatedat="1787630408000"> <img src="/files/ftp_upload/50061/50061eq5n.jpg" fo:src="/files/ftp_upload/50061/50061eq5nhighres.jpg" alt="流速方程 FR=流速 (mL min⁻¹)；化学过程分析辅助。" data-altupdatedat="1787630408000"> <img src="/files/ftp_upload/50061/50061eq6n.jpg" fo:src="/files/ftp_upload/50061/50061eq6nhighres.jpg" alt="呼吸商公式，RQ=呼吸商，教育关键词，科学记数法。" data-altupdatedat="1787630408000">，草食动物的 RQ 通常假设为 0.85。</li>
</ol>
3. 验证生物体元素化学计量比的变化
<ol>
 <li>测定从野外中宇宙系统采集的蝗虫样本的碳氮比（C:N）含量。</li>
 <li>在解剖显微镜下移除蝗虫的肠道内容物，以减少因近期摄食造成的碳氮比（C:N）变异。</li>
 <li>将去除肠道后的残体和肠道分别冷冻干燥48小时，然后将每个个体的尸体和肠道研磨成均一粉末。</li>
 <li>使用CNH自动分析仪测定粉末中的碳氮（C:N）含量。</li>
</ol>
4. 微生物分解
<ol>
 <li>在野外样地放置多组重复的聚氯乙烯（PVC）环（直径15.4 cm，插入土壤约4 cm）图3C）。通过在土壤表面剪除的方式清除其中所有植被。这些环状样地用于分解作用的测定。此外，在整个样地范围内设置一组PVC环状样地，用作 13C 自然丰度对照（见下文），不添加蝗虫或草本凋落物。</li>
 <li>在每对套管中的一个套管内，加入2只完整的、冻干的蝗虫尸体（记录所添加的生物量），这些蝗虫按照上述方法利用田间围栏在有捕食风险条件下饲养而成；在每对套管中的另一个套管内，加入2只同样完整且冻干的、但在无捕食风险条件下饲养的蝗虫尸体。</li>
 <li>用筛网覆盖PVC套环，以防止食腐动物将蝗虫从样地移走，并让蝗虫尸体分解40天。</li>
 <li>在尸体分解过程中，标记草本凋落物 13C.
 <ol>
 <li>构建一个透明的亚克力腔室（60 cm × 60 cm × 1.5 m），并配备进气口和出气口阀门图3B).</li>
 <li>将一个60 cm × 60 cm的木框垂直压入地下5 cm，木框底部带有涂有硅脂的橡胶密封圈图3B).</li>
 <li>将腔室滑至木架顶部，使腔室被橡胶密封图3B).</li>
 <li>将腔室入口连接至装有99原子%压缩气体的气瓶 13CO2. 腔室内的植物将被标记 13C，其中 CO2 浓度保持在环境水平（因为提高浓度会改变植物的碳分配）。通过仅脉冲式加入标记的CO₂来维持环境水平2 短暂时间内。同时监测培养室温度，一旦温度达到 5 °C 高于环境温度</li>
 <li>标记一周后，比较δ13使用Thermo DeltaPlus同位素比值质谱仪（Thermo，San Jose，CA，USA）对从相同草种的随机样本中采集的天然丰度草屑样品进行测定。</li>
 </ol>
 </li>
 <li>40天后，加入10 g风干的 13将C标记的草屑添加到先前已加入蝗虫尸体的每个环中。</li>
 <li>监测草本凋落物的矿化速率 原位 75天内通过封闭每个环并同时监测总土壤呼吸和土壤呼吸的组分 13CO2。这通过使用流通式腔室技术实现，其中利用腔衰荡光谱法（CRDS；Picarro Inc.，Santa Clara, CA, USA；型号：G1101-i），对每个环状采样器的气体样品进行实时监测，每次持续8分钟。CRDS可同时追踪总浓度和δ13土壤呼吸的C</li>
 <li>评估……的贡献 13利用同位素混合方程测定C标记的草本凋落物对土壤总呼吸的贡献。草本凋落物来源的CO₂量2 计算公式如下：C草凋落物来源的 = C总计 × (δ13C呼吸作用- δ13Cnat.abn.)/ (δ13C草叶凋落物- δ13Cnat.abn），其中 C总计 是在给定测量期间呼吸释放的碳总量，δ13C呼吸作用 是 δ13添加标记草本凋落物的培养管中呼吸作用产生的碳的同位素比值（δ¹³C）13Cnat.abn. 是平均 δ13三个自然丰度培养管中呼吸作用释放的碳占总碳的比例即 未添加凋落物的处理组）以及 δ13C草-凋落物 是 δ13添加到套环中的草本凋落物的碳含量。</li>
 <li>使用手持式探针监测整个实验过程中土壤的温度和湿度，以校正因温度和湿度差异导致的土壤呼吸变化。</li>
 <li>尽管该腔衰荡光谱仪（Picarro Inc.，Santa Clara, CA, USA；型号：G1101-i）设计用于野外作业，但其读数对移动敏感。因此，应在所有设置有PVC环的样地中央建立一个基准测量站，并使用PVC管将仪器与各环连接。</li>
</ol>

<ol><li>Wardle, D. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ecological+linkages+between+aboveground+and+belowground+biota%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Ecological linkages between aboveground and belowground biota.</a> Science. 304, 1629-1633 (2004).</li>
<li>Hattenschwiler, S., Tiunov, A. V., Scheu, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biodiversity+and+litter+decomposition+in+terrestrial+ecosystems%5BTitle%5D)+AND+%22Annu.+Rev.+Ecol.+Syst%22%5BJournal%5D)">Biodiversity and litter decomposition in terrestrial ecosystems.</a> Annu. Rev. Ecol. Syst. 36, 191-218 (2005).</li>
<li>Cebrian, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Role+of+first-order+consumers+in+ecosystem+carbon+flow%5BTitle%5D)+AND+%22Ecol.+Lett%22%5BJournal%5D)">Role of first-order consumers in ecosystem carbon flow.</a> Ecol. Lett. 7, 232-240 (2004).</li>
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<li>Schmitz, O. J., Hawlena, D., Trussell, G. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Predator+control+of+ecosystem+nutrient+dynamics%5BTitle%5D)+AND+%22Ecol.+Lett%22%5BJournal%5D)">Predator control of ecosystem nutrient dynamics.</a> Ecol. Lett. 13, 1199-1209 (2010).</li>
<li>Hawlena, D., Strickland, M. S., Bradford, M. A., Schmitz, O. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fear+of+predation+slows+plant+litter+decomposition%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Fear of predation slows plant litter decomposition.</a> Science. 336, 1434-1438 (2012).</li>
<li>Hawlena, D., Schmitz, O. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Physiological+stress+as+a+fundamental+mechanism+linking+predation+to+ecosystem+functioning%5BTitle%5D)+AND+%22Am.+Nat%22%5BJournal%5D)">Physiological stress as a fundamental mechanism linking predation to ecosystem functioning.</a> Am. Nat. 176, 537-556 (2010).</li>
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<li>Allison, S. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Low+levels+of+nitrogen+addition+stimulate+decomposition+by+boreal+forest+fungi%5BTitle%5D)+AND+%22Soil+Biol.+Biochem%22%5BJournal%5D)">Low levels of nitrogen addition stimulate decomposition by boreal forest fungi.</a> Soil Biol. Biochem. 41, 293-302 (2009).</li>
<li>Bump, J. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ungulate+carcasses+perforate+ecological+filters+and+create+biogeochemical+hotspots+in+forest+herbaceous+layers+allowing+trees+a+competitive+advantage%5BTitle%5D)+AND+%22Ecosystems%22%5BJournal%5D)">Ungulate carcasses perforate ecological filters and create biogeochemical hotspots in forest herbaceous layers allowing trees a competitive advantage.</a> Ecosystems. 12, 996-1007 (2009).</li>
<li>Yang, L. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Periodical+cicadas+and+resource+pulses+in+North+American+forests%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Periodical cicadas and resource pulses in North American forests.</a> Science. 306, 1565(2004).</li>
<li>Belovsky, G. E., Slade, J. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Insect+herbivory+accelerates+nutrient+cycling+and+increases+plant+production%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+Nat.+Acad.+Sci.+U.S.A%22%5BJournal%5D)">Insect herbivory accelerates nutrient cycling and increases plant production.</a> Proc. Nat. Acad. Sci. U.S.A. 97, 14412(2000).</li>
<li>Frost, C. J., Hunter, M. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Recycling+of+nitrogen+in+herbivore+feces%3A+plant+recovery%2C+herbivore+assimilation%2C+soil+retention%2C+and+leaching+losses%5BTitle%5D)+AND+%22Oecologia%22%5BJournal%5D)">Recycling of nitrogen in herbivore feces: plant recovery, herbivore assimilation, soil retention, and leaching losses.</a> Oecologia. 151, 42(2007).</li>
</ol>

我们无任何利益冲突需要披露。

本文所介绍的方法流程可系统地测量地上食物网中物种所受胁迫如何启动土壤微生物群落，进而导致植物凋落物后续分解过程的改变。这些方法非常适合研究由节肢动物消费者和草本植物组成的生态系统，因为完整的食物网可以在空间上被明确界定并容纳于中型实验系统（mesocosms）中。
由于背景土壤湿度、土壤温度、植物养分含量等因素的梯度变化，可能存在空间异质性。etc. 研究设计允许将微宇宙和PVC环沿空间环境梯度分块排列，从而在分析效应时能够考虑此类环境变异。
尽管该仪器设计用于野外使用，但腔衰荡光谱仪（Picarro 公司，美国加利福尼亚州圣克拉拉；型号：G1101-i）的读数对移动较为敏感。因此，应在所有设置有PVC套管的样地中央建立一个基准测量站，并使用PVC管将仪器与各套管连接。
土壤凋落物分解的传统测定方法是将已知量的凋落物封入玻璃纤维网袋中，将网袋放置于田间土壤表面，并定期重新测量网袋以量化凋落物的消失速率（即分解速率）。该方法的局限性在于无法追踪已分解物质的去向，也无法区分添加的凋落物所贡献的土壤改良剂CO2矿化量与背景土壤自身CO2矿化量。本文介绍的使用标记CO2的示踪方法有助于克服这一技术限制。
生态系统生态学与生物地球化学长期遵循一种工作范式，即由于未被取食的植物凋落物构成了碎屑的主体，地上食物网中较高营养级生物（如植食性动物本身）的生物量输入对地下生态系统过程的影响微乎其微6。然而，越来越多的证据表明，生态系统中较高营养级的物种可能对地下过程产生深远影响1,4,5。本文所介绍的方法有助于更准确地量化较高营养级生物对生态系统养分循环的贡献，这种贡献既可直接通过尸体沉积（例如 12, 13）、排泄和排遗（例如 14, 15）带来的生物量输入实现，也可间接通过改变植物群落组成（例如 9）产生影响。此类量化研究有助于揭示动物如何调控生态系统动态的机制，从而推动对当前关于生物调控生态系统功能的工作范式的完善与修订。

<table><tbody><tr><td>腔衰荡光谱仪</td><td>Picarro Inc., Santa Clara, CA, USA</td><td>型号 # G1101-i</td><td> </td></tr><tr><td>CO2呼吸测定仪</td><td>Qubit Systems, Kingston, ON, Canada</td><td>型号 # S151</td><td></td></tr><tr><td>13C</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>372382</td><td></td></tr><tr><td>分光光度计</td><td>Thermo, San Jose CA, USA</td><td>型号: Delta V Plus 同位素比值质谱分光光度计</td><td></td></tr></tbody></table>

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

Linking Predation Risk, Herbivore Physiological Stress and Microbial Decomposition of Plant Litter

进入土壤的碎屑数量和质量决定了微生物群落的分解速率以及氮（N）和碳（C）固定的循环速率1,2。植物凋落物构成了碎屑的主体3，因此通常认为动物生物量输入（如食草动物和食肉动物）对分解过程的影响甚微4,5。然而，食肉动物可能通过一系列相互作用影响植物凋落物的微生物分解过程，即捕食风险改变其食草类猎物的生理状态，而当这些食草动物尸体被分解时，进一步改变土壤微生物的功能6。食草动物对捕食风险产生的生理应激反应会改变其生物量中的碳氮元素组成7,8,9，因为在养分受限的系统中，捕食压力导致食草动物基础能量需求上升，迫使其将资源摄取从支持生长和繁殖的富氮资源转向支持代谢增强的富碳碳水化合物资源6。食草动物储存过量营养物质的能力有限，因此在增加碳水化合物碳摄入的同时会排出氮7。最终，遭受捕食压力的猎物体内碳氮比升高7,10，因其可利用的活性氮较少，不利于微生物酶的合成，从而成为土壤微生物群落质量较低的资源6。因此，受应激的食草动物尸体分解后会对微生物群落功能产生启动效应，降低微生物后续分解植物凋落物的能力6,10,11。
我们介绍了评估捕食风险与土壤微生物对凋落物分解作用之间关联的方法。本文描述了如何：由捕食风险诱导植食动物产生应激反应；测量这些应激反应；以及测量其对微生物分解过程的影响。我们以一个模式草地生态系统为例，该系统包括捕食性蜘蛛（Pisuarina mira）、一种优势蝗虫植食者（Melanoplus femurrubrum）以及多种禾草和非禾草植物9。

在压力与无压力条件下蝗虫标准代谢率的一个示例图谱如下所示 图2由于不同个体蝗虫的体重存在差异，且代谢率随体重变化而变化，因此图表应呈现代谢率与蝗虫体重之间的关系。不同处理组的趋势平行表明，代谢率以标准代谢率的恒定倍数上升。即 所有应激个体中均不存在体重与代谢率的交互作用。
在风险和无风险条件下，蝗虫体内的碳（C）和氮（N）元素含量如表1所示。值得注意的是，不同处理间蝗虫体碳氮比的差异极小（4%）。然而，这些微小差异可能在土壤微生物群对草本枯落物的分解过程中转化为显著差异（图3）。
将禾草凋落物添加到先前接种了受胁迫或未受胁迫蝗虫的PVC环中，会导致不同程度的凋落物分解，这反映在由微生物呼吸作用引起的土壤累积CO2释放曲线中（图3）。实验应持续监测至累积曲线开始趋于饱和。
<table border="1">
 <tbody>
 <tr>
 <td></td>
 <td>胁迫</td>
 <td>无胁迫</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>碳 (%)</td>
 <td>48.44±0.32</td>
 <td>44.73±0.46</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>氮 (%)</td>
 <td>12.11±0.08</td>
 <td>11.62±0.12</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>碳:氮</td>
 <td>4.00±0.03</td>
 <td>3.85±0.04</td>
 </tr>
 </tbody>
</table>
表1. 面临捕食风险（胁迫）与无捕食风险（无胁迫）条件下，蝗虫植食性个体尸体化学成分的比较。数值为平均值 ± 1 个标准误。
<img src="/files/ftp_upload/50061/50061fig1.jpg" alt="蝗虫代谢率与分解研究；风险条件设置及野外试验示意图。" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图1"> 
 图1. 实验中所用野外中型生态系统（mesocosm）设计示意图，以及对风险效应影响凋落物分解的整体实验评估方案。
<img src="/files/ftp_upload/50061/50061fig2.jpg" alt="代谢率与体重关系图；对照组与捕食压力组比较；生态学研究分析" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 2"> 
 图 2. 植食性动物标准代谢率与体重关系的散点图。数据根据实验处理分为两类：来自含有捕食者（捕食压力）以诱导应激反应的中型生态系统（mesocosm）中的蚱蜢，以及来自无捕食者（对照组）因而未诱导应激反应的中型生态系统中的蚱蜢。数据来自 D. Halwena 和 O.J. Schmitz 2010 年未发表的研究。
<img src="/files/ftp_upload/50061/50061fig3.jpg" alt="累积CO2产生曲线、土壤呼吸室、野外研究中的CO2通量测量装置。" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/50061/50061fig3highres.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图3"> 
 图3. 描述微生物群落在分解实验性草本凋落物输入过程中累积释放CO2的曲线。图中数据为平均值±1个标准误。该图表明，经受胁迫的蚱蜢尸体（捕食者处理）引发的土壤，其植物凋落物分解速率比未受胁迫的蚱蜢尸体（对照）引发的土壤低19%（ANOVA F1,6 = 9.06，P &lt; 0.05）。插图为野外使用的PVC套管装置。图改编自Hawlena et al.6 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50061/50061fig3large.jpg" target="_blank"> 点击此处查看高清大图</a>。

我们介绍了评估捕食风险如何通过诱导食草动物改变饮食以满足 heightened stress 状态下的需求，从而改变其化学品质，以及这些处于胁迫状态的食草动物尸体的分解如何减缓土壤微生物对后续植物凋落物分解的方法。

进入土壤的碎屑数量和质量决定了微生物群落的分解速率以及养分的循环速率……

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。

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科研

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Biology

生物学

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