疾病避难所还是生态陷阱：两栖动物热点保护区的区位特异性表现

《Ecology and Evolution》：Disease Refuge or Ecological Trap: Location-Specific Performance of Amphibian Hotspot Shelters

　　**摘要**

许多陆生变温动物（两栖动物、爬行动物）会选择温暖的避难所，这可能有助于它们逃避那些无法耐受高温的病原体的影响。最近的研究利用了宿主与病原体在耐热性上的这种差异，通过提供太阳能加热的人工热点避难所来保护濒危青蛙免受壶菌病（由Batrachochytrium dendrobatridis引起）的侵害。这些人工避难所由砖块和小温室组成，使濒危青蛙能够在冬季保持温暖，从而减少并清除壶菌感染，并在低温条件下也能发展出对未来感染的抵抗力。在阳光充足的凉爽天气中，这样的避难所可以成为保护工作的宝贵工具；然而，在多云的天气下，其保暖效果会减弱；而在过冷的条件下，加热反而可能为壶菌的生长创造有利条件。我们在澳大利亚的两个地点监测了冬季热点避难所内的温度：一个位于凉爽的半干旱气候区（维多利亚州的Werribee），另一个位于潮湿的亚热带气候区（新南威尔士州的Sydney），以评估不同气候条件下避难所的保暖效果。我们的监测结果显示，在较冷的地点，避难所的保暖效果较为有限——Werribee的避难所在一天中仅有13.1%的时间温度超过25°C，而Sydney的避难所这一比例达到了82.5%。热点避难所在青蛙保护方面具有巨大潜力，但它们并非万能解决方案，因为栖息地条件的多样性和目标物种的反应都会影响其效果。

**1 引言**

全球两栖动物数量的下降激发了人们研究如何缓解这些威胁因素（Clulow等人2018年；Kosch等人2022年；Scheele等人2021年）。其中一种威胁因素是由真菌Batrachochytrium dendrobatidis引起的壶菌病（Scheele等人2021年）。这种真菌通过宠物贸易在全球范围内传播（Fu和Waldman 2022年）。壶菌病与季节性大规模死亡事件、种群数量下降以及澳大利亚七种两栖动物的灭绝有关（Scheele等人2017年）。生活在凉爽和高海拔地区的物种因壶菌病而遭受的损失尤为严重（Scheele等人2019年），这表明环境条件与受壶菌病影响的两栖动物的易感性之间存在关联。陆生变温动物的两个核心特征是：（1）它们依赖环境温度的差异来选择有助于提高适应度的体温（Pough 1980年）；（2）不活动时的能量消耗较低，个体可以在安全的避难所中长时间保持静止状态（Pough 1980年）。避难所内的温度条件可能会影响与适应度相关的特征，如感知捕食者的能力、消化猎物的能力、引发免疫反应的能力以及抑制不耐热病原体的能力（George等人2017年；Puschendorf等人2011年；Rollins-Smith 2020年；Stevenson等人2013年）。讽刺的是，虽然温暖的气候可能因过热而危及许多变温动物（Kearney等人2009年），但其他一些物种却可能因缺乏热量而受到威胁。例如，森林密度的增加和杂草入侵会消除适合它们生存的避难所（Croak等人2013年）。为了应对人为造成的温暖避难所的减少，爬行动物研究人员通过清除植被（Morrison 2013年）和/或设置人工避难所（Croak等人2013年）来改善温度条件。然而，对于两栖动物来说，这种干预措施很少被尝试，因为它们通常选择较低的体温（Tracy等人2010年）。不过，有些青蛙在白天会晒太阳，并且喜欢温暖的环境（Hamer等人2003年）。事实上，树冠覆盖较少、晒太阳机会较多的自然区域似乎能保护青蛙免受传染病的侵袭（Puschendorf等人2011年）。因此，温暖的避难所可能对受威胁的两栖动物和爬行动物都有益处（Puschendorf等人2011年；Scheele等人2019年）。最近的一项研究在这方面取得了显著成功：Waddle等人（2024年）在悉尼的户外微生态系统（微型栖息地）内用砖块建造了热点避难所。这些微生态系统由10,000升的水培箱组成，部分填充了砾石和水，模拟池塘边缘的环境。每个微生态系统都放养了金铃蛙（Litoria aurea），其中一半被实验性地感染了壶菌。所有微生态系统内都有砖块堆，但有一半的温室覆盖了90%的遮阳布以减少被动加热效果。在Werribee的避难所中，只有13.1%的日子温度超过25°C持续至少1小时，而在Sydney的避难所中这一比例为82.5%。热点避难所在青蛙保护方面具有巨大潜力，但它们并非万能解决方案，因为栖息地条件的多样性和目标物种的反应会影响其效果。

**2 材料与方法**

2.1 热点避难所的设计

我们使用标准砖块（每个砖块尺寸为230×110×75毫米，含有10个直径30毫米的圆形孔，堆叠成10层）建造了人工避难所（见图S2）。每个避难所上都搭建了一个温室（Greenlife Square Drop Over Greenhouse，尺寸为1850×850×1020毫米，带有PE覆盖层）。我们在每个避难所的砖块孔中放置了两个温度数据记录器（Thermochron iButtons型号DS1921G-F5，Maxim Integrated Products公司，加州Sunnyvale），一个位于砖块的最低层，另一个位于第二高的层，与砖块直接接触。我们还在温室旁边的地面上放置了矩形木板（尺寸为660×95毫米，厚度为30毫米），以测量两栖动物常用的避难所内的温度（Hamer等人2003年）。数据记录器被设置为每30分钟测量并记录一次温度。2022年6月至7月期间，在墨尔本大学Werribee校区（南纬37.8899°，东经144.6934°，海拔35米）设置了三个每个包含两个数据记录器的避难所（共60天，分为两个监测期：2022年6月18日至7月6日和7月10日至8月20日）。该地区属于冷半干旱气候（Beck等人2018年），选择这个地点是为了最大限度地增加日晒时间，以便评估在凉爽温带气候下的最佳保暖效果。Waddle等人（2024年）在之前的研究中也在悉尼的Fauna Park（直径3.6米、高1000毫米的圆形聚乙烯箱内）设置了三个类似的避难所，时间从2021年6月10日至7月19日（共40天）。这些Sydney的避难所数据用于与Werribee的数据进行对比分析。监测是在冬季进行的，以捕捉温度最低、避难所保暖效果最有限的时期。

2.2 数据分析

我们使用R 4.3.1版本（R Core Team 2025）分析了温度数据。为了量化实际温度，我们计算了每天温度超过20°C、25°C和30°C的小时数。这些温度阈值具有生物学意义：例如，壶菌在温度超过25°C时存活能力下降，在超过30°C时几乎无法存活（Stevenson等人2013年）。因此，我们使用25°C作为可能抑制壶菌生长的保守基准温度，同时考虑到暴露时间和之前的低温期可能会影响结果。在环境温度超过25°C的情况下，L. aurea种群中的感染率和感染负荷显著下降（Clulow等人2018年；Waddle等人2024年）。总体而言，许多变温动物的生理功能——包括运动能力、代谢率、免疫功能和繁殖能力——在这个温度范围内都会受到显著影响，通常随着温度的升高而改善，直到达到最佳点（Angilletta 2006年；Clusella-Trullas和Chown 2014年）。我们还计算了每个地点结构内的每日平均最高和最低温度。然后，我们将这些温度与每个地点最近的澳大利亚气象局（BOM）气象站记录的每日太阳辐射量（MJ/m2）、降水量（毫米）以及最高和最低温度（°C）进行了比较。气象站详细信息见表S1和S2。相关数据可通过澳大利亚政府气象局的气候数据在线门户网站访问：http://www.bom.gov.au/climate/data/。由于Sydney和Werribee的试验发生在不同的年份和气候条件下，我们没有直接进行统计比较。相反，我们评估了每天避难所和两栖动物避难所（木板下的数据记录器）的温度如何响应每个地点的天气条件。我们使用了带有自回归相关结构（AR(1)）的广义最小二乘（GLS）模型来解释天数之间的时间自相关性。每天避难所和木板的最高温度被建模为环境最高温度（°C）和每日太阳辐射量（MJ/m2）的函数。类似的模型还研究了每天避难所温度超过25°C的小时数。分析分别针对每个地点进行，模型斜率用于量化微生境温度对当地天气变化的响应程度。

**3 结果**

3.1 Sydney地点

记录到的平均每日最高环境温度为17.6°C（标准差=2.3°C），最高日温度达到了22.5°C。平均每日最低温度为7.1°C（标准差=2.6°C），最低日温度为3.2°C。地面木板下的温度从未达到25°C，平均每日最高温度仅为15.4°C（标准差=0.9°C）。避难所内记录的最高平均每日最高温度为46.0°C，而木板下的温度仅为17.0°C，避难所的每日平均最高温度为35.1°C（标准差=10.0°C）（图1）。在40天中的33天里，避难所的平均最高温度至少达到了25°C（约82.5%），并且在整个监测期间，每天平均有4.2小时的温度超过25°C（图S3）。避难所内的每日平均最高温度比环境最高温度高出17.5°C。在整个监测期间，每日全球太阳辐射平均为9.3 MJ/m2（标准差=2.8 MJ/m2），最高达到12.1 MJ/m2，并且在40天中的21天（约52.5%）超过了10 MJ/m2（图1）。在40天中的18天（约45.0%）有降雨记录，平均每日降雨量为1.4 mm（标准差=2.7 mm），单日最大降雨量为11 mm。

图1：悉尼（a）和Werribee（b）在冬季监测期间的太阳辐射和温度。悉尼的监测时间为2021年6月10日至7月19日，Werribee的监测时间为2022年6月18日至7月6日，然后是2022年7月10日至8月20日。温度在左侧轴上，太阳辐射在右侧轴上。灰色阴影区域表示每日环境温度的最低值和最高值之间的范围，黄色实线表示避难所的每日平均最高温度，蓝色虚线表示每日太阳辐射，绿色点线表示木板下的平均每日最高温度。避难所的每日最高温度受到太阳辐射和环境温度的强烈影响（GLS：βsolar=3.23±0.25，βambient=1.24±0.25，两者p<0.001；Φ=0.42），表明每增加1°C的环境条件，避难所的每日温度变化会放大超过1°C；每增加1 MJ/m2的太阳辐射，温度变化会放大超过3°C。相比之下，木板下的温度随天气变化的幅度较小（βsolar=0.14±0.03，βambient=0.13±0.04），反映了更高的热稳定性（图S5）。避难所每天超过25°C的时间也随着环境温度和太阳辐射的增加而显著增加（p<0.01）。

3.2 Werribee站点

Werribee的环境温度比悉尼低得多，两个时期的平均最高环境温度为14.3°C（标准差=2.0°C），最高每日环境温度仅为19.1°C。平均每日最低温度为6.2°C（标准差=3.0°C），最低每日最低温度记录为-1.1°C。木板下的温度从未超过17.7°C（图1），平均每日最高温度仅为8.8°C（标准差=3.4°C）。避难所内记录的最高平均每日温度为29.3°C（标准差=4.2°C）。在61天中的8天（约13.1%）里，避难所的平均最高温度至少达到25°C，每天平均只有0.32小时的温度超过25°C（图S3）。避难所内的每日平均最高温度比环境最高温度高出6.3°C。每日全球太阳辐射平均为8.4 MJ/m2（标准差=2.2 MJ/m2），最高达到13.1 MJ/m2，并且在61天中的17天（约27.9%）超过了10 MJ/m2（图1）。在61天中的30天（约49.2%）有降雨记录，平均每日降雨量为1.1 mm，单日最大降雨量为10 mm。避难所的温度主要受太阳辐射驱动（βsolar=1.30±0.21，p<0.001），而环境温度的影响较小（p=0.74）。木板下的温度变化趋势相反，主要受环境温度影响（βambient=0.46±0.08，p<0.001），而不受太阳辐射影响（p=0.64）（图S5）。这两个变量都无法显著预测避难所超过25°C的时间（p>0.4）。

4 讨论

我们的结果表明，在一年中较凉爽的月份里，Werribee站点或类似气候条件下的热点避难所会创造一种热环境，这可能会通过增加Bd的生长速度来恶化疾病结果，而不会达到Bd生长在体外减少的临界温度（约25°C）。在每个站点内，避难所内的每日最高温度与同时发生的天气条件密切相关，特别是太阳辐射，而木板下的温度变化则较弱（图S5）。与之前的研究（Waddle等人，2024年）一致，温室内的砖堆裂缝比木制覆盖物下的温度更高。然而，减轻Bd的关键问题是温度升高了多少，持续了多久，以及在什么环境条件下？我们在悉尼的热点避难所在凉爽的天气中也能保持高温数小时，至少有82.5%的天数每天温度超过25°C（图2，图S4），这些条件在Waddle等人（2024年）的研究中改善了疾病结果。在悉尼，避难所的温度每升高1°C，温度大约增加1°C；每增加1 MJ/m2的日太阳辐射，温度增加超过3°C（图S5）。这些结果表明，避难所放大了局部天气变化，而不仅仅是跟随天气变化（图1）。在Werribee部署的热点避难所的表现并不一致，平均每天只有0.31小时的温度超过25°C，且只有大约13.1%的天数温度超过25°C（图1和图2）。我们注意到这里使用25°C作为一个保守的指标，表示可能抑制Bd的条件。在接近20°C–25°C的温度下，病原体生长可能仍然有利，而短暂超过25°C的时间可能无法完全抵消这些影响。因此，这个阈值应该被视为潜在抑制Bd的比较指标，而不是严格的生物学临界值。我们对悉尼避难所温度剖面的描述，可以在之前显示可以缓解壶菌病的条件下，为这种管理方法的部署提供信息。

图2：每个站点的每日太阳辐射和最高环境温度。悉尼站点用圆形点表示，Werribee站点用三角形点表示。颜色表示在相应条件下超过25°C的时间长度，颜色越深表示时间越长。虽然这些结果描述了避难所内的热环境，但它们并不直接代表青蛙实际经历的体温（Tb）。青蛙可以在避难所内通过行为调节体温，聚集、体重、姿势和皮肤湿度等因素可能导致体温与环境条件有小的但生物学上有意义的偏差。因此，从数据记录器推断出的高于或低于阈值的累积时间应被视为潜在的暴露时间，而不是实际暴露时间。未来的研究结合操作温度模型（例如，琼脂或铜模型）或直接测量体温，可以量化这种关系，并评估避难所内的细微差异。热点创建的保护价值取决于环境条件；在过于寒冷或过于温暖的地方，或者没有足够太阳辐射的地方部署热点避难所是没有意义的。在我们的研究中，当环境最高温度超过15.5°C且每日太阳辐射超过7 MJ/m2时，人工避难所的好处最大（即温度超过25°C至少1小时）。在这些条件下，悉尼站点在40天中的34天（约85.0%）满足了这些条件，其中33天（约97.1%）避难所的温度超过25°C至少1小时。然而，在Werribee站点，这些条件在61天中的14天（约23.0%）得到满足，但在这14天中只有2天的避难所温度超过25°C至少1小时（约14.3%）。在Werribee站点，其余6天中避难所温度超过25°C至少1小时的天气要么太阳辐射较低（5.8–6.8 MJ/m2），要么最高温度较低（11.9°C–13.1°C）（图2）。我们的研究集中在冬季中期，这时Bd的流行通常达到高峰。避难所在此期间的表现可能因季节性变化而大不相同，因为太阳辐射和温度的季节性变化会影响加热潜力。评估不同季节热点避难所的表现，特别是在全年都有Bd压力的站点，将进一步明确这种管理方法的时间限制。在Werribee站点，即使在太阳辐射和环境温度与悉尼站点相当的日子里，避难所的升温效果也不如悉尼明显（图1和图2）。我们注意到这里使用25°C作为一个保守的指标，表示可能抑制Bd的条件。在接近20°C–25°C的温度下，病原体生长可能仍然有利，而短暂超过25°C的时间可能无法完全抵消这些影响。因此，这个阈值应该被视为潜在抑制Bd的比较指标，而不是严格的生物学临界值。我们对悉尼避难所温度剖面的描述，可以在之前显示可以缓解壶菌病的条件下，为这种管理方法的部署提供信息。

图2：每个站点的每日太阳辐射和最高环境温度。悉尼站点用圆形点表示，Werribee站点用三角形点表示。颜色表示在相应条件下超过25°C的时间长度，颜色越深表示时间越长。虽然这些结果描述了避难所内的热环境，但它们并不直接代表青蛙实际经历的体温（Tb）。青蛙可以在避难所内通过行为调节体温，聚集、体重、姿势和皮肤湿度等因素可能导致体温与环境条件有小的但生物学上有意义的偏差。因此，从数据记录器推断出的高于或低于阈值的累积时间应被视为潜在的暴露时间，而不是实际的暴露时间。未来的研究结合操作温度模型（例如，琼脂或铜模型）或直接测量体温，可以量化这种关系，并评估避难所内的细微差异。热点创建的保护效果取决于环境条件；在过于寒冷或过于温暖的地方，或者没有足够太阳辐射的地方部署热点避难所是没有意义的。在我们的研究中，当环境最高温度超过15.5°C且每日太阳辐射超过7 MJ/m2时，人工避难所的好处最大。这些条件在悉尼站点在40天中的34天（约85.0%）得到满足，其中33天（约97.1%）避难所的温度超过25°C至少1小时。然而，在Werribee站点，这些条件在61天中的14天（约23.0%）得到满足，但在这14天中只有2天的避难所温度超过25°C至少1小时（约14.3%）。在Werribee站点，其余6天中避难所温度超过25°C至少1小时的天气要么太阳辐射较低（5.8–6.8 MJ/m2），要么最高温度较低（11.9°C–13.1°C）（图2）。我们的研究集中在冬季中期，这时Bd的流行通常达到高峰。避难所在此期间的表现可能因季节性变化而大不相同，因为太阳辐射和温度的季节性变化会影响加热潜力。这些气候因素的年际变化也可能影响结果。评估不同季节热点避难所的表现，特别是在全年都有Bd压力的站点，将进一步明确这种管理方法的时间限制。在Werribee站点，即使在太阳辐射和环境温度与悉尼站点相当的日子里，避难所的升温效果也不如悉尼明显，这与我们的模型显示的两个预测因子的斜率较弱一致（图2，图S5）。这种差异可能是由于Werribee的整体环境温度较低，导致更多的热量散失到环境中。Werribee的环境湿度也比悉尼低（Beck等人，2018年），这可能导致Werribee的避难所热量散失更快。尽管没有收集风速数据，但Werribee站点似乎比悉尼站点风更大（例如，一个温室在监测期结束时因强风而损坏）。强风会进一步增加Werribee避难所内的热量散失。因此，仅凭太阳辐射和环境温度的信息可能不足以准确预测避难所的热性能。局部气候条件、避难所的热性能及其对某些物种的适用性之间的关系需要进一步研究，以阐明哪些因素组合最能预测热性能，从而准确预测避难所成为生态陷阱的风险。热点避难所的实用性因物种和站点而异，因为不同物种使用热点避难所的倾向不同，以及在不同站点使用这些避难所的成本和收益也不同。例如，我们在悉尼试验中达到的温度高于许多冷气候两栖动物和一些爬行动物的自愿热极限，甚至高于它们的临界热极限（Duarte等人，2012年；Urban等人，2014年）。宿主对疾病的反应也因物种和环境条件而异。虽然Bd在培养中的热性能相对一致，在约25°C及以上温度下生长受到抑制，在29°C至30°C之间死亡（Longcore等人，1999年；Stevenson等人，2013年；Voyles等人，2017年；Turner等人，2021年；Kásler等人，2022年），但疾病强度和影响并不能可靠地通过现场环境温度来预测（Sonn等人，2017年；Turner等人，2021年）。实际上，降低或消除活体Bd感染所需的高温持续时间尚未明确，且差异很大。尽管29°C–30°C一直被认为是Bd在体外的临界热极限，但Holmes等人（2024年）报告称，在21°C至29°C之间保持4周后，仍有4只青蛙重新感染。同样，Chatfield和Richards-Zawacki（2011年）报告称，在30°C下保持10天后，只有26只个体成功清除感染。这些结果表明，体外研究中报告的Bd的一致上限热极限可能并不直接适用于活体情况（见表1；Holmes等人，2024年，详细总结了不同温度下的活体结果）。环境条件、避难所的热性能及其对某些物种的适用性之间的复杂相互作用需要进一步研究，以阐明哪些因素组合最能预测热性能，从而准确预测避难所成为生态陷阱的风险。在性别、体型或物种之间存在热偏好差异的情况下（Yang等人，2019年），增加庇护所可以减少这些亚群体之间的空间重叠。例如，当环境条件均匀时，同域分布的两栖动物物种可能会共同占据避难所，但当环境异质性增加时，它们会分开。这种分离可能会减少种间病原体的传播，这对于易受壶菌感染的物种来说是一个主要风险（Burns等人，2021年）。适应寒冷环境的易感物种如果能够被引导到不同的避难所中，可能会受益；相反，较温暖的避难所可能会使通常保持分离的物种聚集在一起，从而增加交叉感染的风险。通过在寒冷地区对庇护所进行工程改造以显著提高温度，可以减少一些不利因素。因此，未来的研究不仅可以探讨砖堆的热效应，还可以研究其他具有更活跃加热功能的庇护所。其他加热方式，如太阳能板（Hettyey等人，2019年）和通过分解堆肥进行的水循环系统（Nwanze和Clark，2019年），在某些情况下也可能有效。形状不易被风吹动的结构（例如圆顶）也可以减少风大环境中的热量损失，尤其是如果这些结构使用了隔热材料的话。无论如何，首先需要确定目标物种减少疾病负担所需的热条件，从而根据具体情况确定庇护所内所需的温度升高范围。不能简单地假设体外实验中Bd的热性能在所有物种和所有环境中都同样适用。创建和部署热避难所并没有“一刀切”的方法。Waddle等人（2024年）提出的热点系统可能对生活在相对开阔（因此暴露在阳光下的）栖息地中的喜热物种最为有利，这些气候既不极端炎热也不极端寒冷，并且现有的潜在避难所地点的热变化较小。但这种扩大避难所中非生物条件范围的方法应该适用于多种受威胁的生物类群。鉴于环境温度对变温动物生物学的重要性，调节体温调节的机会可能提供一种简单而有效的方法来提高生物的生存能力。尽管这种方法需要大量人力，但它非常适合广大社区参与野生动物保护的工作——当然我们必须根据当地条件调整方法。通过在较冷的环境中测试热点庇护所的性能，我们建议如果在不适宜的环境中部署这些庇护所，可能会对青蛙的健康产生负面影响而非正面影响。

作者贡献：
Madeleine L. Holmes：概念构思（支持）、数据管理（主导）、正式分析（主导）、可视化（主导）、初稿撰写（平等参与）、审稿和编辑（平等参与）。
Shannon W. Kaiser：数据管理（支持）、调查（平等参与）、审稿和编辑（平等参与）。
Sneha S. Basu：概念构思（平等参与）、调查（平等参与）、审稿和编辑（平等参与）。
Lee Berger：概念构思（平等参与）、调查（支持）、方法论（平等参与）、监督（平等参与）、审稿和编辑（平等参与）。
Lee F. Skerratt：概念构思（平等参与）、调查（支持）、监督（平等参与）、审稿和编辑（平等参与）。
Richard Shine：概念构思（平等参与）、数据管理（支持）、正式分析（支持）、调查（支持）、方法论（平等参与）、监督（平等参与）、初稿撰写（平等参与）、审稿和编辑（平等参与）。
Anthony W. Waddle：概念构思（平等参与）、调查（平等参与）、方法论（平等参与）、项目管理（平等参与）、监督（平等参与）、审稿和编辑（支持）。

致谢：
我们感谢Melanie Elphick、Robby Miller和Hayley Malouf在实验装置方面的帮助。资金由麦考瑞大学提供。L.F.S.获得了A.R.C. FT190100462项目的支持；M.L.H.获得了澳大利亚政府研究培训计划（RTP）奖学金；A.W.W.获得了墨尔本研究奖学金、美国-澳大利亚协会的研究生教育奖学金以及Schmidt科学奖学金（与Rhodes Trust合作）的支持。

利益冲突：
作者声明没有利益冲突。

数据可用性声明：
支持这项研究的数据可在Dryad平台上公开获取，网址为：https://doi.org/10.5061/dryad.0zpc867b6。环境天气数据来自澳大利亚气象局（BOM）的气候数据在线门户，该门户可公开访问：http://www.bom.gov.au/climate/data。