許 丹,吳小清,趙春霖,朱文博,趙 天,蘇勝齊

1 西南大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院,重慶 400715 2 中國科學(xué)院山地生態(tài)恢復(fù)與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室&生態(tài)恢復(fù)與生物多樣性保育四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國科學(xué)院成都生物研究所,成都 610041 3 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049 4 成都師范學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院,成都 611130 5 西華師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,南充 637000

物種競爭理論指出,共生物種的資源分配影響群落結(jié)構(gòu)。因此,探討物種與物種之間資源分配的程度(即物種間的生態(tài)位關(guān)系)是研究群落結(jié)構(gòu)和物種共存的重要組成部分[1]。Hutchinson認(rèn)為物種基本的生態(tài)位應(yīng)當(dāng)是一個(gè)多維超體積,而每一個(gè)維度都反映了物種對環(huán)境和資源的需求[2]。因此,這些維度代表了物種所在環(huán)境中的生物和非生物變量。每一個(gè)物種在空間、時(shí)間和/或資源利用尺度上都占據(jù)著自己獨(dú)立的生態(tài)位,而這種生態(tài)位的分化被認(rèn)為是物種在群落中共存的主要機(jī)制[3- 5]。盡管Hutchinson提出的生態(tài)位概念被廣泛用于探討物種在時(shí)空尺度的重疊以及資源的競爭,但卻無法了解物種對生態(tài)過程的影響[6]。近二十年來,隨著功能生態(tài)學(xué)研究的興起,生態(tài)位的發(fā)展也被延伸至這一領(lǐng)域并提出功能生態(tài)位(functional niche)的概念[6]。這種基于物種功能性狀(即那些能夠影響生物體機(jī)能進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)功能的性狀[7])的生態(tài)學(xué)研究方法被認(rèn)為能夠用來解析物種在生態(tài)系統(tǒng)中的重要功能性作用[8-9]。

同Hutchinson的生態(tài)位概念類似,功能生態(tài)位也是一個(gè)多維超體積,只是構(gòu)成其的軸是多個(gè)功能性狀。動(dòng)物功能生態(tài)學(xué)研究中主要采用物種的生態(tài)形態(tài)學(xué)性狀作為其功能性狀(如鳥類[10]、魚類[11]、蝌蚪[12]等等)。一方面因?yàn)檫@些性狀能夠在大量個(gè)體中較為容易的獲取[13],另一方面更重要是因?yàn)檫@些性狀與反映物種營養(yǎng)生態(tài)位的穩(wěn)定同位素(δ13C和δ15N)存在顯著的相關(guān)關(guān)系[11],能夠在某種程度上反映物種對資源的真實(shí)利用。因此,功能生態(tài)位是研究物種共存的潛在、有效和較準(zhǔn)確的方法,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)有的研究。例如,Aneesh Kumar等采用這種方法揭示了資源利用的分化是阿拉伯海東南部深海魚類群落物種共存的原因[14]。又如,Woodward和Hildrew闡明了資源利用的分化和種內(nèi)的捕食是英國布羅德斯通溪流中底棲無脊椎動(dòng)物物種內(nèi)不同發(fā)育階段個(gè)體共存的原因[15]。但已有的研究大都關(guān)注植物、浮游生物、無脊椎動(dòng)物、魚類和鳥類等,極少有研究采用功能生態(tài)位解析兩棲動(dòng)物,特別是其幼體蝌蚪共存的原因。

蝌蚪在水生生態(tài)系統(tǒng)中具有重要的角色和功能,特別在缺乏更高營養(yǎng)級(jí)生物(如捕食性魚類等)的水生生態(tài)系統(tǒng)中表現(xiàn)得尤為明顯[16]。例如濾食性的蝌蚪(filtering tadpoles)可以改變藻類的豐度和物種組成,進(jìn)而影響葉綠素a和初級(jí)生產(chǎn)力[17],改善水體的濁度和富營養(yǎng)化程度等[18-19]。而刮食性的蝌蚪(grazing tadpoles)可以通過在水體底部活動(dòng)和攝食附生藻類來影響其他初級(jí)消費(fèi)者[20],進(jìn)而改變淡水生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能等。因此,揭示蝌蚪物種間共存的機(jī)制不僅能夠幫助我們了解物種、環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)之間的關(guān)系,還能為兩棲動(dòng)物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和支撐。

在本研究中,我們以兩種在森林溪流生境中共存的無尾兩棲類蝌蚪(即峨眉髭蟾Leptobrachiumboringii蝌蚪和棘腹蛙Quasipaaboulengeri蝌蚪)為研究對象,通過計(jì)算兩個(gè)物種在功能生態(tài)位中的分離程度(即功能豐富度functional richness和功能定位functional identity),以及二者之間功能生態(tài)位的重疊程度(functional overlap)來揭示它們共存的主要原因。

1 材料與方法

1.1 模式動(dòng)物和標(biāo)本

峨眉髭蟾(Leptobrachiumboringii)屬于無尾目角蟾科髭蟾屬,主要分布在四川峨眉和洪雅；棘腹蛙(Quasipaaboulengeri)屬于無尾目叉舌蛙科棘胸蛙屬,廣泛分布在四川、重慶、湖南、湖北等多個(gè)省份[21]。這兩個(gè)物種的IUCN等級(jí)均為瀕危(EN)[22],在《中國生物多樣性紅色名錄2015版》和《中國兩棲動(dòng)物受威脅現(xiàn)狀評估》中均被列為易危種(VU)[23],急需開展相關(guān)保護(hù)工作。前期在四川峨眉山的野外調(diào)查發(fā)現(xiàn),這兩個(gè)物種的蝌蚪主要大量共存于清音閣附近的黑龍江(103.3970°E,29.5781°N；海拔680m)中。為了不破壞野生資源,我們選擇采用中國科學(xué)院成都生物研究所兩棲爬行動(dòng)物標(biāo)本館保存的峨眉山黑龍江共計(jì)51號(hào)峨眉髭蟾蝌蚪和69號(hào)棘腹蛙蝌蚪福爾馬林浸制標(biāo)本進(jìn)行研究。這兩批標(biāo)本均在1963年3月用手抄網(wǎng)隨機(jī)采集,能較為準(zhǔn)確的代表在黑龍江共存的棘腹蛙蝌蚪種群和峨眉髭蟾蝌蚪種群。福爾馬林浸制標(biāo)本被廣泛用于形態(tài)學(xué)[24]、系統(tǒng)學(xué)[25]、保護(hù)生物學(xué)[26]和生態(tài)學(xué)[12]研究,在全球生物多樣性極速下降的背景下扮演著越來越重要的角色和作用。

1.2 數(shù)據(jù)獲取

在實(shí)驗(yàn)室中結(jié)合游標(biāo)卡尺和帶有圖像分析系統(tǒng)(Mc50-N)的體式解剖鏡(JSZ8T,江南永新,中國)測量每一號(hào)蝌蚪標(biāo)本的10個(gè)外部形態(tài)學(xué)性狀并精確到0.01mm。這些形態(tài)學(xué)性狀包括全長、體長、體高、體寬、尾長、尾肌寬、尾高、口寬、眼間距、吻到出水孔距離(圖1)。同時(shí)采用電子天平測量每一號(hào)蝌蚪標(biāo)本的體重并精確到0.01g。測量工作由同一人完成以保證性狀測量的一致性。

圖1 蝌蚪10個(gè)外部形態(tài)學(xué)性狀測量圖[27]Fig.1 The measurement of 10 external morphological traits of tadpoles[27]TL,全長 Total length；BL,體長 Body length；BMH,體高 Body maximum height；BMW,體寬Mody maximum width；TAL,尾長 Tail length；TMW,尾肌寬 Tail muscle width；TMH,尾高 Tail muscle height；OD,口寬 Oral disk width；IO,眼間距 Interocular distance；SS,吻到出水孔距離 Distance from tip of snout to opening of spiracle

對動(dòng)物體來說,功能性狀通常是通過生態(tài)形態(tài)學(xué)性狀的測量和計(jì)算來獲取的。這些性狀盡管不是動(dòng)物在生態(tài)系統(tǒng)中真實(shí)的功能表現(xiàn),但仍然被廣泛認(rèn)為能用來評估動(dòng)物在生態(tài)系統(tǒng)中的重要功能(如魚類的運(yùn)動(dòng)和捕食[28]；鳥類的覓食和運(yùn)動(dòng)[10]等等)。事實(shí)上,蝌蚪在淡水生態(tài)系統(tǒng)的重要功能跟魚類相似,主要通過運(yùn)動(dòng)和捕食來表現(xiàn)[29]。因此,基于功能性狀需要相對容易地在大批量樣本中獲取的準(zhǔn)則[13],并結(jié)合已有研究(表1),我們用前期測量的形態(tài)學(xué)性狀計(jì)算得出10個(gè)蝌蚪的功能性狀,這些功能性狀均為無單位的比值,因而排除了個(gè)體大小對形態(tài)學(xué)變動(dòng)的干擾[28,30]。具體來說,其中的3個(gè)功能性狀與蝌蚪的攝食相關(guān),包括了口器形狀、口器位置和眼睛位置；另有6個(gè)功能性狀與蝌蚪的運(yùn)動(dòng)相關(guān),包括了尾部形狀、尾部位置、尾部控制方式、身體形狀、軀干彎曲形狀和出水孔位置；而體重的對數(shù)值同時(shí)與攝食和運(yùn)動(dòng)相關(guān)(表1)。每一個(gè)功能性狀都具有其特有的生態(tài)學(xué)意義。例如,口器形狀值越低,表明個(gè)體能捕獲的食物越小,而該值越高則表明個(gè)體的口器大而圓,能捕獲的食物也相應(yīng)較大[31]。又如,軀干彎曲形狀揭示了蝌蚪的游泳方式和運(yùn)動(dòng)耐力,其值越低表明個(gè)體主要采用背腹彎曲的游泳方式,越高則表明個(gè)體主要采用大幅度脊柱彎曲的游泳方式[32]。

表1 與蝌蚪捕食和運(yùn)動(dòng)功能相關(guān)的10個(gè)功能性狀

括號(hào)內(nèi)的字母表示性狀的主要功能(F：捕食；L：運(yùn)動(dòng));TL,全長 Total length；BL,體長 Body length；BMH,體高 Body maximum height；BMW,體寬Mody maximum width；TAL,尾長 Tail length；TMW,尾肌寬 Tail muscle width；TMH,尾高 Tail muscle height；OD,口寬 Oral disk width；IO,眼間距 Interocular distance；SS,吻到出水孔距離 Distance from tip of snout to opening of spiracle

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

為了賦予每個(gè)功能性狀有相同的權(quán)重,在進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析之前先將上述提及的10個(gè)功能性狀進(jìn)行離差標(biāo)準(zhǔn)化(均值為0,方差為1)[42]。然后基于已標(biāo)準(zhǔn)化的每個(gè)個(gè)體的功能性狀,采用主成分分析方法(PCA)構(gòu)建多維功能生態(tài)位,并選擇特征值大于1的主成分作為主軸。采用公式(1)分別計(jì)算兩個(gè)物種的功能定位(FIde,即功能性狀的豐度加權(quán)平均值)[43]。

(1)

式中,Pi表示物種i在群落中的相對豐度。n表示物種數(shù),ti表示物種i的功能性狀值。然后采用非參數(shù)的多元方差分析(permutational multivariate analysis, PERMANOVA)檢驗(yàn)兩個(gè)物種的功能定位是否存在顯著性差異。接下來采用快速凸包算法(quickhull algorithm)計(jì)算了兩個(gè)物種的功能豐富度的實(shí)際值(功能生態(tài)位大小,即兩個(gè)物種所有個(gè)體在功能生態(tài)位中分別形成的凸多邊形的體積)和二者之間功能生態(tài)位重疊程度的實(shí)際值[44]。功能生態(tài)位重疊程度(FOve)的計(jì)算基于Villéger提供的方法[45],采用公式(2)計(jì)算兩個(gè)蝌蚪種群共享的功能豐富度的百分比：

FOve=FRic(leb∩qub)/(FRic(leb)+FRic(qub)-FRic(leb∩qub)

(2)

式中,FRic(leb)是峨眉髭蟾蝌蚪種群所占據(jù)的凸多邊形體積,FRic(qub)是棘腹蛙蝌蚪種群所占據(jù)的凸多邊形體積,而FRic(leb ∩ qub)是二者占據(jù)的凸多邊形體積的交集。功能生態(tài)位重疊程度越接近0表明兩個(gè)物種的功能相似性越低,越接近1則表明二者的功能相似性越高。

由于功能豐富度和功能生態(tài)位重疊程度通常會(huì)受到個(gè)體數(shù)的影響,因此采用自助法(bootstrap)從初始樣本中重復(fù)10000次隨機(jī)替換抽樣,每次從峨眉髭蟾蝌蚪和棘腹蛙蝌蚪中分別抽樣15個(gè)個(gè)體(功能生態(tài)學(xué)研究中通常在每個(gè)物種中測量15個(gè)個(gè)體來反映該物種的平均功能性狀值[28,46])和51個(gè)個(gè)體(峨眉髭蟾蝌蚪總數(shù))并重新分別計(jì)算二者的功能豐富度和功能生態(tài)位重疊程度的隨機(jī)抽樣值,以及產(chǎn)生的平均值和95%置信區(qū)間,并比較兩個(gè)物種功能豐富度的顯著性差異。所有的計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析均在R軟件中進(jìn)行。

2 結(jié)果

共測量峨眉髭蟾蝌蚪51只,處于Gosner 25—43期之間,其全長的平均值為(60.27±24.11) mm (SD)。而棘腹蛙蝌蚪標(biāo)本共有69只,處于Gosner 24—37期之間,其全長的平均值為(38.03±13.77) mm (SD)。PCA分析中前4個(gè)主成分的特征值大于1,解釋了80.04%的總變異量(表2),被選為構(gòu)成多維功能生態(tài)位的4個(gè)主軸。其中,PC1主要與解析蝌蚪運(yùn)動(dòng)的功能性狀相關(guān)。隨著PC1值的增加,蝌蚪個(gè)體表現(xiàn)為更重,多采取背腹彎曲運(yùn)動(dòng)的方式,因而游泳時(shí)的推進(jìn)能力和靈活性較強(qiáng),但耐力較差。PC2主要與解析蝌蚪攝食的功能性狀相關(guān)。因此,PC2值越大,表明蝌蚪個(gè)體更輕,其口器大而圓,可選擇捕食食物的范圍較大。

表2 前4個(gè)主成分與10個(gè)功能性狀的Pearson相關(guān)系數(shù)分析

*數(shù)值表明二者存在顯著的相關(guān)關(guān)系(P< 0.001)

圖2 峨眉髭蟾蝌蚪和棘腹蛙蝌蚪在功能生態(tài)位中的分布情況(紅色圓點(diǎn)：峨眉髭蟾蝌蚪個(gè)體；藍(lán)色圓點(diǎn)：棘腹蛙蝌蚪個(gè)體)Fig.2 The distribution of Leptobrachium boringii and Quasipaa boulengeri tadpoles in the four dimensional functional niche (red and blue circles represent Leptobrachium boringii and Quasipaa boulengeri tadpoles, respectively) (A)構(gòu)成四維功能生態(tài)位的PC1和PC2軸；(B)構(gòu)成四維功能生態(tài)位的PC3和PC4軸;彩色多邊形代表峨眉髭蟾蝌蚪(紅)和棘腹蛙蝌蚪(藍(lán))的功能豐富度(多邊形面積);實(shí)心圓點(diǎn)代表兩個(gè)物種分別在四維功能生態(tài)中形成的多邊形的頂點(diǎn)

兩個(gè)蝌蚪種群在四維功能生態(tài)位中的功能定位存在顯著性差異(PERMANOVA,P< 0.001,圖2)。峨眉髭蟾蝌蚪主要分布于PC1的正值和PC2的負(fù)值區(qū)域,而棘腹蛙蝌蚪主要分布于PC1的負(fù)值和PC2的正值區(qū)域。峨眉髭蟾蝌蚪種群功能豐富度的實(shí)測值為12.59%(n=51),而棘腹蛙蝌蚪種群功能豐富度的實(shí)測值為46.67%(n=69)(表3)。采用自助法計(jì)算所得的結(jié)果表明,當(dāng)從兩個(gè)蝌蚪種群中分別隨機(jī)抽樣15個(gè)個(gè)體時(shí),峨眉髭蟾蝌蚪種群功能豐富度的平均值為2.08%±1.24%(SD),而棘腹蛙蝌蚪種群功能豐富度的平均值為7.40%±2.93%(表3)。比較二者的95%置信區(qū)間,棘腹蛙蝌蚪種群功能豐富度的平均值顯著高于峨眉髭蟾蝌蚪種群功能豐富度的平均值。當(dāng)從兩個(gè)蝌蚪種群中分別隨機(jī)抽樣51個(gè)個(gè)體時(shí),棘腹蛙蝌蚪種群功能豐富度的平均值為36.32%±3.90%(表3)。二者的95%置信區(qū)間表明棘腹蛙蝌蚪種群功能豐富度的平均值仍舊顯著高于峨眉髭蟾蝌蚪種群功能豐富度的平均值。兩個(gè)蝌蚪種群功能生態(tài)位重疊程度的實(shí)測值為1.47%。當(dāng)采用自助法從兩個(gè)種群中分別隨機(jī)抽樣15個(gè)個(gè)體時(shí),二者功能生態(tài)位重疊程度的平均值為0.06%±0.19%。當(dāng)從兩個(gè)種群中分別隨機(jī)抽樣51個(gè)個(gè)體時(shí),二者功能生態(tài)位重疊程度的平均值為0.99%±0.55%。

表3 峨眉髭蟾蝌蚪種群和棘腹蛙蝌蚪種群的個(gè)體數(shù),功能豐富度的實(shí)測值、自助法隨機(jī)抽樣值(個(gè)體數(shù)為15和個(gè)體數(shù)為51)的95%置信區(qū)間

Table 3 Number of individuals inLeptobrachiumboringiiandQuasipaaboulengeritadpole populations, observed and bootstrap functional richness values when considering 15 or 51 individuals(95% confidence interval)

種群 Population功能豐富度 Functional richness個(gè)體數(shù) Individuals實(shí)測值 Observed valueBootstrappedn=15Bootstrappedn=51峨眉髭蟾蝌蚪 L. boringii tadpoles5112.59%0.57%—2.72%-棘腹蛙蝌蚪 Q. boulengeri tadpoles6946.67%5.35%—14.09%28.00%—43.12%

3 討論

本研究通過功能生態(tài)學(xué)的研究方法,采用3個(gè)指標(biāo)(即功能豐富度、功能定位和功能生態(tài)位重疊程度)來揭示峨眉髭蟾蝌蚪和棘腹蛙蝌蚪共存的機(jī)制。結(jié)果表明,峨眉髭蟾蝌蚪的功能豐富度顯著低于棘腹蛙蝌蚪的功能豐富度,二者的功能定位存在顯著差異,且二者功能生態(tài)位的重疊程度極低。以上所有結(jié)果表明這兩種蝌蚪的功能生態(tài)位存在顯著分化。本課題組之前的研究表明功能性狀和穩(wěn)定同位素(δ13C和δ15N)之間存在顯著的相關(guān)關(guān)系[11],而穩(wěn)定同位素被廣泛用于研究消費(fèi)者和食物資源之間的關(guān)系[47]。另一方面,食物資源的分化被認(rèn)為主要與物種捕食食物的大小和運(yùn)動(dòng)能力相關(guān)[48]。因而本研究中峨眉髭蟾蝌蚪和棘腹蛙蝌蚪功能生態(tài)位的顯著分化在某種程度上反映了二者利用的主要食物資源存在明顯分化,是促使二者共存的主要機(jī)制。類似的研究結(jié)果在兩種大量共存的海洋魚類(Psenopsiscyanea和Bembropscaudimacula)中也被發(fā)現(xiàn),支持了功能生態(tài)位重疊程度和群落中共存物種的豐度存在負(fù)相關(guān)關(guān)系的觀點(diǎn)[49]。即共存物種的豐度越高時(shí),功能生態(tài)位的重疊程度越低,功能生態(tài)位的分化程度越高。

本研究的結(jié)果還表明,棘腹蛙蝌蚪和峨眉髭蟾蝌蚪功能生態(tài)位的分化主要是二者攝食和運(yùn)動(dòng)能力的分化。具體來說,棘腹蛙蝌蚪主要分布于PC1的負(fù)值和PC2的正值區(qū)域。在該區(qū)域分布的蝌蚪表現(xiàn)為開口較大,眼睛間距較小,水面取食,因此更多的利用浮游生物和較大的水生昆蟲。同時(shí),這些蝌蚪的身體較為扁平,尾部較為短小,多采用脊椎彎曲的游泳模式,游動(dòng)速度快但耐力較差,對生態(tài)系統(tǒng)自上而下的影響相對較小。而峨眉髭蟾蝌蚪主要分布于PC1的正值和PC2的負(fù)值區(qū)域,表現(xiàn)為個(gè)體較大,開口較小,眼睛位置偏向于頭部兩側(cè),水中或水底取食,多利用水中的固著生物和底棲腐殖質(zhì)。同時(shí),它們的尾部發(fā)達(dá),多采用背腹彎曲的游泳模式,游動(dòng)速度慢但耐力較強(qiáng),對生態(tài)系統(tǒng)自上而下的影響較為明顯。這種共存物種之間功能性狀的分化還被認(rèn)為能在某種程度上反映其主要棲息地微生境的分化[50]。因而我們推測棘腹蛙蝌蚪主要棲息于溪流中水流較緩、浮游生物和水生昆蟲較為豐富、初級(jí)生產(chǎn)力較高的區(qū)域；而峨眉髭蟾蝌蚪主要棲息于溪流中有一定流速、固著藻類和腐殖質(zhì)較為豐富的區(qū)域。下一步的研究將圍繞這兩種蝌蚪對微生境的選擇和食性分析來驗(yàn)證這一推測。

實(shí)際上,功能生態(tài)位只是物種的基礎(chǔ)生態(tài)位,反映了物種在生態(tài)系統(tǒng)中具有的潛在的生物學(xué)功能[51]。因而其能否真實(shí)準(zhǔn)確的反映共存物種對資源利用的相似程度還存在一定的爭議。例如,Pool等[52]利用北美洲的魚類為模式動(dòng)物揭示了群落中功能相似性和營養(yǎng)相似性之間的相關(guān)性很弱,占據(jù)較大功能生態(tài)位的魚類也可能對單一食物具有較強(qiáng)的偏好。因此,單純采用功能生態(tài)學(xué)的方法來闡明物種共存的原因存在一定的局限性。將來的研究可結(jié)合功能生態(tài)位和基于穩(wěn)定同位素分析的營養(yǎng)生態(tài)位(即物種的真實(shí)生態(tài)位)來揭示物種間穩(wěn)定共存的機(jī)制,以及具體哪些資源是降低共存物種間競爭的主要貢獻(xiàn)者[53]。