农业实践是生物多样性丧失的最大贡献者之一，会大幅减少一个地区内的生态位数量（Dudley & Alexander, 2017; Wagner et al., 2021）。为了应对这一下降趋势，草原保护工作，特别是在农业生态系统中，已成为通过增加生物多样性和发展有韧性的生态系统来提高生态稳定性和功能的普遍策略（Biondini, 2007; Raven & Wagner, 2021; Tilman et al., 1998; Outhwaite et al., 2022）。草原保护既包括在先前耕种的土壤上进行重建，也包括恢复退化但未耕种的地区——这里称为恢复。然而，这两种保护策略都可能受到遗留土壤残留物中的新烟碱类污染（Aseperi et al., 2020），或者由于在相邻农田中播种时种子涂层磨损产生的叶面喷雾或灰尘的漂移（Cheng, 2021; Nuyttens et al., 2013）的影响。这种污染可能会显著影响恢复区域改善生态系统稳定性的能力（Grman et al., 2010; Ruiz-Jaen & Aide, 2005）。鉴于节肢动物占据的生态位数量众多（Longcore, 2003），农药污染可能会通过不同地影响节肢动物的多样性并改变它们的生态相互作用，从而威胁到节肢动物提供的众多关键生态系统服务。全球使用最广泛的杀虫剂类别是新烟碱类杀虫剂（Hall et al., 2022; Humann-Guilleminot et al., 2019）。新烟碱类经常出现在恢复的栖息地中（Hall et al., 2022; Main et al., 2014），其环境持久性比其他传统杀虫剂更长（Khan, 1981; Rexrode et al., 2003），并且已被确定为昆虫数量下降的主要驱动因素（Forister et al., 2016, 2019; Goulson, 2013; Pisa et al., 2021; Wagner et al., 2021）。尽管如此，我们仍缺乏从系统角度全面了解节肢动物群落与恢复区内开花植物群落如何响应新烟碱类污染的理解。大多数关于节肢动物与新烟碱类的研究仅限于个别物种或狭窄的分类群，因此缺乏生态相关的野外背景（Disque et al., 2019; Main et al., 2018）。虽然孤立的研究发现了节肢动物对新烟碱类的特定反应（Kessler et al., 2015; Morales-Rodriguez & Peck, 2009; Nauen & Elbert, 1997），但这些孤立的结果未能描述新烟碱类对更广泛的生态系统层面的影响，如摄食类数量（即食草动物、捕食者、传粉者等）和多营养级相互作用。例如，Harmon等人（2023）观察到由于群落水平的新烟碱类污染，早期季节的食草动物生物量减少，捕食者生物量长期下降。这表明新烟碱类污染有可能通过影响某些营养级而破坏节肢动物群落的稳定性，进而改变恢复区提供的生态系统和农业服务。此外，鉴于节肢动物行为、生物量和多样性对新烟碱类暴露的广泛变化，可能会影响草原植物的适应性和生长。这些植物适应性的变化在农业商品中已有充分记录（Johnson et al., 2009; Krupke et al., 2017; Orlowski et al., 2016）；然而，在自然系统中这些变化了解较少，可能会对恢复生态系统的稳定性产生巨大影响（Burghardt & Tallamy, 2013; Harvey et al., 2008; Schuldt et al., 2014）。为了更全面和系统地了解新烟碱类污染如何影响节肢动物群落及其提供的生态系统服务，我们使用了一个受控的野外实验来研究新烟碱类污染如何影响生态系统稳定性（以种子产量和植物地上生物量衡量）。这种设计允许更好地控制混杂变量，同时利用已建立的自然群落，从而保持其生物学相关性。在这里，我们探讨了（1）不同摄食类的节肢动物数量是否受到新烟碱类污染的不同影响，（2）新烟碱类污染是否改变了摄食类之间的相互作用，以及（3）这些因素是否影响植物适应性——在本研究中通过植物种子产量和地上生物量来表征。我们使用结构方程建模（SEM）来解析植物、节肢动物摄食类数量和新烟碱类之间的相互关系。这种方法使我们能够利用假设的物种间关系结构来研究新烟碱类在整个系统中的直接和间接影响，并评估每个连接在系统中的相对重要性。我们构建了两个SEM，分别研究植物地上生物量和种子产量，以更好地评估这些生态系统中草原植物的短期和长期建立情况（Biondini, 2007）。为了进一步研究趋势并在不同尺度上验证发现，我们使用非参数多元方差分析（PERMANOVA）来比较新烟碱类污染和植物种类对节肢动物家族群落结构的影响。这种方法评估了节肢动物群落结构的分类差异，而不是摄食类数量。这种实验设计结合这些分析技术，提供了新烟碱类污染对早期草原恢复群落中植物-昆虫相互作用稳定性的更全面的影响表示。
从六月底开始开花时起，每隔一周记录一次昆虫发生情况，持续到2022年九月的第一周，共进行了七个采样期。每个采样期包括1分钟的观察者适应期（之前确定这是昆虫访问恢复的足够时间），然后是5分钟的观察期，记录每株植物上的活跃花序数量、每株植物上的所有节肢动物以及发现节肢动物的植物。节肢动物被鉴定到最低的分类群，并拍照辅助鉴定（Borror et al., 1998; Thomas et al., 2002; Whitfield et al., 2013）。为了限制植物损伤，没有收集昆虫凭证标本。
地上生物量指标对于评估草原植物的短期和长期生产力和适应性非常有用（Biondini, 2007）。已有研究表明新烟碱类农药可以增加某些农作物的株高（Preetha & Stanley, 2012），但这一点在草原植物中尚未得到验证。我们的结果显示，噻虫胺污染对所研究的草原草本植物的地上生物量既没有显著的直接影响，也没有间接影响。尽管我们预期食草动物在受污染植物上的数量会减少，但我们发现它们并未受到噻虫胺污染的显著影响。这一发现与一些行作物研究的结果一致（Krupke et al., 2017）；然而，这些结果并不一致，因为其他研究显示新烟碱类农药对害虫具有有效的控制作用（Kundoo et al., 2018; Lee & Davis, 2023）。此外，需要指出的是，我们划分的食草动物群体实际上包含了多种可能对新烟碱类农药反应不同的物种。因此，需要不同的实验设计和统计分析来直接在物种层面分析这些趋势。虽然我们植物中的噻虫胺含量（附录S1：表S3）在恢复生境中可能被认为是较高的（Cheng, 2021），但在行作物农业中则不足以构成显著影响（Alford & Krupke, 2017）。事实上，某些作物害虫，如黑切根虫（Agrotis ipsilon），在受到亚致死剂量噻虫胺处理时，其繁殖率会增加（Ding et al., 2018）。虽然这不能代表所有食草动物，但某些叶食性昆虫，如A. ipsilon，对新烟碱类农药的敏感性远低于其他节肢动物群体，如蜜蜂（Beadle et al., 2019; Costa et al., 2015; Mayack & Boff, 2019），这表明节肢动物食物群可能受到新烟碱类农药污染的不同影响。这些差异可能由多种因素造成，包括基于进食习惯的不同暴露途径（Bonmatin et al., 2015）以及解毒新烟碱类农药的基因组能力差异（Ahn et al., 2012; Beadle et al., 2019; Berenbaum & Johnson, 2015; Hayward et al., 2019）。虽然需要更高的分类分辨率来确定噻虫胺污染如何影响长期食草动物结构，但我们的研究表明，总体而言，食草动物的访问频率并未受到我们研究中使用的噻虫胺水平的影响。捕食者的数量同样没有受到噻虫胺污染的显著影响。关于新烟碱类农药污染对捕食者的影响，目前的研究结果尚无定论，因此需要进一步研究（Prabhaker et al., 2011, 2017; Rix & Cutler, 2020）。新烟碱类农药对捕食者的亚致死效应包括对 Pentatomid 捕食者繁殖的促进作用（Rix & Cutler, 2020），导致捕食者总体生物量的显著减少（Harmon et al., 2023），以及严重影响某些捕食性甲虫的移动和摄食能力（Tooming et al., 2017）。尽管许多这些发现是特定于某些类群的，并且常常缺乏野外环境的生物学背景，但这些结果的变化可能预示着这些受污染生态系统中的节肢动物食物群结构的重组或不稳定。因此，需要进行长期研究以评估这些变化的趋势。虽然在我们的种子设定模型中这一效应不显著（见上文），但在地上生物量模型中，杂食动物的数量确实因噻虫胺而显著减少。这一趋势可能是由于蚂蚁数量的增加所致，特别是那些在 C. fasciculata 上发现的蚂蚁，它们占本研究中观察到的所有杂食动物的66%。蚂蚁通常会在 C. fasciculata 的花外蜜腺（EFNs）上活动，并经常提供对食草动物的防御（Fehling, 2022）。除了总体数量减少外，我们没有观察到由于蚂蚁数量增加而导致的其他食草动物减少的情况。在这些 EFNs 上觅食的蚂蚁可能比不直接摄取花蜜的杂食动物暴露于更多的新烟碱类农药中。观察到的杂食动物减少与先前研究表明的蚂蚁暴露于新烟碱类农药后觅食减少的结果一致（Thiel & Köhler, 2016）。此外，与其他真社会性膜翅目昆虫一样，长期暴露于新烟碱类农药会降低蚁后的繁殖能力（Schläppi et al., 2020; Wu-Smart & Spivak, 2016）。蚂蚁的负面影响可能特别严重，因为蚂蚁在草原生态系统中占据了许多生态位并提供了多种生态系统服务（Nemec, 2014; Wills & Landis, 2018）。尽管新烟碱类农药暴露的影响不显著，但地上生物量仍受到花序数量的直接影响和间接影响。花序数量对地上生物量的间接影响是通过食草动物数量介导的，这与早期研究结果一致，即花序数量的增加与食草活动的增加相关（Sletvold & Grindeland, 2008）。此外，食草活动可以在多种植物中引发补偿性生长，在某些情况下甚至过度补偿（Garcia & Eubanks, 2019）。花序数量与地上生物量之间的正相关关系也可能仅仅与较大植物尺寸带来的更多资源有关（Younginger et al., 2017）。
与我们的 SEM 结果一致，这些结果强调了植物对节肢动物的重要性。我们的 PERMANOVA 分析表明，节肢动物群落在科水平上受到植物种类的显著影响，但未受到噻虫胺污染或植物种类与噻虫胺之间相互作用的影响。此外，这表明节肢动物的植物资源和潜在生态位在不同植物科之间存在差异，从而导致不同植物之间的节肢动物群落关联存在显著差异。这一点可以通过比较菊科植物（其节肢动物群落结构最为相似，见图3）与其他研究中的植物来看出。先前的研究支持了植物种类组成在塑造节肢动物群落结构中的重要性（Schaffers et al., 2008），尽管我们在研究中添加了新烟碱类农药，但仍然得到了类似的结果。我们认为，改善植物群落组成是促进早期恢复区和退化景观中节肢动物群落恢复力和稳定性的最重要因素。尽管由于节肢动物的分组方式不同，PERMANOVA 和 SEM 的结果不能直接比较，但两项分析都表明，植物种类和花特征比新烟碱类农药污染对访问节肢动物群落结构和食物群丰度的影响更大。
新烟碱类农药对新的和现有的自然栖息地的污染可能会持续，并且在未来可能还会增加，因为美国目前种植的大部分玉米和大豆田都使用了某种形式的新烟碱类农药（Douglas & Tooker, 2015），并且每粒种子的施用率有增加的趋势（Tooker et al., 2017）。我们的研究表明，在农业生态系统中建立多样化的植物群落对于节肢动物群落结构和食物群丰度的稳定性更为关键，而不是新烟碱类农药污染可能带来的负面影响。然而，由于亚致死剂量新烟碱类农药暴露的潜在代际影响，需要进一步的纵向研究来更准确地评估新烟碱类农药污染对恢复生态系统的潜在影响。虽然本研究中没有进行相关研究，但新烟碱类农药在这些系统中影响较小的一个可能解释是，经过多年的栖息地退化、自然区域丧失和持续使用农药后，这些地区的昆虫群落已经减少为耐干扰的物种。
**作者贡献** Jonathan Tetlie：概念化；数据管理；正式分析；资金获取；调查；方法论；项目管理；资源；软件；验证；可视化；初稿撰写；审稿和编辑。 Alexandra Harmon-Threatt：概念化；资金获取；项目管理；资源；监督；验证；审稿和编辑。
**致谢** 作者感谢 Adam Dolezal、May Berenbaum 和 Anthony Yannarell 在项目建立过程中的贡献，感谢 Jamie Ellis 和 Nate Hudson 在选址和建立研究地点方面的帮助，以及 Nick Anderson、Scott Clem、Marissa Chase、Annaliese Wargin、Virginia Roberts、Kristine Schoenecker、Adrien Seabloom、Timo Wayman、Amauri Middleton、Jacob Chow 和 Jenaya Wilder 对手稿提供的反馈。作者还要感谢以下资金来源：本研究得到了 USDA-NIFA 奖项的支持：2018-67013-27537 和 2022-67013-36273（授予 Alexandra Harmon-Threatt）以及 2023-67011-40487（授予 Jonathan Tetlie）；以及伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校综合生物学学院的支持（Fred H. Schmidt 夏季学者奖、Francis M. 和 Harlie M. Clark 研究支持基金以及 Harley J. Van Cleave 研究奖）。
