用功能生態學方法揭示峨眉髭蟾蝌蚪和棘腹蛙蟾蝌蚪共存的原因

許 丹,吳小清,趙春霖,朱文博,趙 天,蘇勝齊

1 西南大學動物科技學院,重慶 400715 2 中國科學院山地生態恢復與資源利用重點實驗室&生態恢復與生物多樣性保育四川省重點實驗室,中國科學院成都生物研究所,成都 610041 3 中國科學院大學,北京 100049 4 成都師范學院化學與生命科學學院,成都 611130 5 西華師范大學生命科學學院,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構。因此,探討物種與物種之間資源分配的程度(即物種間的生態位關系)是研究群落結構和物種共存的重要組成部分[1]。Hutchinson認為物種基本的生態位應當是一個多維超體積,而每一個維度都反映了物種對環境和資源的需求[2]。因此,這些維度代表了物種所在環境中的生物和非生物變量。每一個物種在空間、時間和/或資源利用尺度上都占據著自己獨立的生態位,而這種生態位的分化被認為是物種在群落中共存的主要機制[3- 5]。盡管Hutchinson提出的生態位概念被廣泛用于探討物種在時空尺度的重疊以及資源的競爭,但卻無法了解物種對生態過程的影響[6]。近二十年來,隨著功能生態學研究的興起,生態位的發展也被延伸至這一領域并提出功能生態位(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能進而影響生態系統功能的性狀[7])的生態學研究方法被認為能夠用來解析物種在生態系統中的重要功能性作用[8-9]。

同Hutchinson的生態位概念類似,功能生態位也是一個多維超體積,只是構成其的軸是多個功能性狀。動物功能生態學研究中主要采用物種的生態形態學性狀作為其功能性狀(如鳥類[10]、魚類[11]、蝌蚪[12]等等)。一方面因為這些性狀能夠在大量個體中較為容易的獲取[13],另一方面更重要是因為這些性狀與反映物種營養生態位的穩定同位素(δ13C和δ15N)存在顯著的相關關系[11],能夠在某種程度上反映物種對資源的真實利用。因此,功能生態位是研究物種共存的潛在、有效和較準確的方法,已經被廣泛應用于現有的研究。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的捕食是英國布羅德斯通溪流中底棲無脊椎動物物種內不同發育階段個體共存的原因[15]。但已有的研究大都關注植物、浮游生物、無脊椎動物、魚類和鳥類等,極少有研究采用功能生態位解析兩棲動物,特別是其幼體蝌蚪共存的原因。

蝌蚪在水生生態系統中具有重要的角色和功能,特別在缺乏更高營養級生物(如捕食性魚類等)的水生生態系統中表現得尤為明顯[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,進而影響葉綠素a和初級生產力[17],改善水體的濁度和富營養化程度等[18-19]。而刮食性的蝌蚪(grazing tadpoles)可以通過在水體底部活動和攝食附生藻類來影響其他初級消費者[20],進而改變淡水生態系統的結構和功能等。因此,揭示蝌蚪物種間共存的機制不僅能夠幫助我們了解物種、環境和生態系統之間的關系,還能為兩棲動物多樣性和生態系統的保護提供基礎數據和支撐。

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,通過計算兩個物種在功能生態位中的分離程度(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 模式動物和標本

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、湖北等多個省份[21]。這兩個物種的IUCN等級均為瀕危(EN)[22],在《中國生物多樣性紅色名錄2015版》和《中國兩棲動物受威脅現狀評估》中均被列為易危種(VU)[23],急需開展相關保護工作。前期在四川峨眉山的野外調查發現,這兩個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院成都生物研究所兩棲爬行動物標本館保存的峨眉山黑龍江共計51號峨眉髭蟾蝌蚪和69號棘腹蛙蝌蚪福爾馬林浸制標本進行研究。這兩批標本均在1963年3月用手抄網隨機采集,能較為準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。福爾馬林浸制標本被廣泛用于形態學[24]、系統學[25]、保護生物學[26]和生態學[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 數據獲取

在實驗室中結合游標卡尺和帶有圖像分析系統(Mc50-N)的體式解剖鏡(JSZ8T,江南永新,中國)測量每一號蝌蚪標本的10個外部形態學性狀并精確到0.01mm。這些形態學性狀包括全長、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)。同時采用電子天平測量每一號蝌蚪標本的體重并精確到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個外部形態學性狀測量圖[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

對動物體來說,功能性狀通常是通過生態形態學性狀的測量和計算來獲取的。這些性狀盡管不是動物在生態系統中真實的功能表現,但仍然被廣泛認為能用來評估動物在生態系統中的重要功能(如魚類的運動和捕食[28]；鳥類的覓食和運動[10]等等)。事實上,蝌蚪在淡水生態系統的重要功能跟魚類相似,主要通過運動和捕食來表現[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則[13],并結合已有研究(表1),我們用前期測量的形態學性狀計算得出10個蝌蚪的功能性狀,這些功能性狀均為無單位的比值,因而排除了個體大小對形態學變動的干擾[28,30]。具體來說,其中的3個功能性狀與蝌蚪的攝食相關,包括了口器形狀、口器位置和眼睛位置；另有6個功能性狀與蝌蚪的運動相關,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；而體重的對數值同時與攝食和運動相關(表1)。每一個功能性狀都具有其特有的生態學意義。例如,口器形狀值越低,表明個體能捕獲的食物越小,而該值越高則表明個體的口器大而圓,能捕獲的食物也相應較大[31]。又如,軀干彎曲形狀揭示了蝌蚪的游泳方式和運動耐力,其值越低表明個體主要采用背腹彎曲的游泳方式,越高則表明個體主要采用大幅度脊柱彎曲的游泳方式[32]。

表1 與蝌蚪捕食和運動功能相關的10個功能性狀

括號內的字母表示性狀的主要功能(F：捕食；L：運動);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 數據統計分析

為了賦予每個功能性狀有相同的權重,在進行統計分析之前先將上述提及的10個功能性狀進行離差標準化(均值為0,方差為1)[42]。然后基于已標準化的每個個體的功能性狀,采用主成分分析方法(PCA)構建多維功能生態位,并選擇特征值大于1的主成分作為主軸。采用公式(1)分別計算兩個物種的功能定位(FIde,即功能性狀的豐度加權平均值)[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,ti表示物種i的功能性狀值。然后采用非參數的多元方差分析(permutational multivariate analysis, PERMANOVA)檢驗兩個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)計算了兩個物種的功能豐富度的實際值(功能生態位大小,即兩個物種所有個體在功能生態位中分別形成的凸多邊形的體積)和二者之間功能生態位重疊程度的實際值[44]。功能生態位重疊程度(FOve)的計算基于Villéger提供的方法[45],采用公式(2)計算兩個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的凸多邊形體積,FRic(qub)是棘腹蛙蝌蚪種群所占據的凸多邊形體積,而FRic(leb ∩ qub)是二者占據的凸多邊形體積的交集。功能生態位重疊程度越接近0表明兩個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位重疊程度通常會受到個體數的影響,因此采用自助法(bootstrap)從初始樣本中重復10000次隨機替換抽樣,每次從峨眉髭蟾蝌蚪和棘腹蛙蝌蚪中分別抽樣15個個體(功能生態學研究中通常在每個物種中測量15個個體來反映該物種的平均功能性狀值[28,46])和51個個體(峨眉髭蟾蝌蚪總數)并重新分別計算二者的功能豐富度和功能生態位重疊程度的隨機抽樣值,以及產生的平均值和95%置信區間,并比較兩個物種功能豐富度的顯著性差異。所有的計算和統計分析均在R軟件中進行。

2 結果

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),被選為構成多維功能生態位的4個主軸。其中,PC1主要與解析蝌蚪運動的功能性狀相關。隨著PC1值的增加,蝌蚪個體表現為更重,多采取背腹彎曲運動的方式,因而游泳時的推進能力和靈活性較強,但耐力較差。PC2主要與解析蝌蚪攝食的功能性狀相關。因此,PC2值越大,表明蝌蚪個體更輕,其口器大而圓,可選擇捕食食物的范圍較大。

表2 前4個主成分與10個功能性狀的Pearson相關系數分析

*數值表明二者存在顯著的相關關系(P< 0.001)

圖2 峨眉髭蟾蝌蚪和棘腹蛙蝌蚪在功能生態位中的分布情況(紅色圓點：峨眉髭蟾蝌蚪個體；藍色圓點：棘腹蛙蝌蚪個體)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)構成四維功能生態位的PC1和PC2軸；(B)構成四維功能生態位的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)的功能豐富度(多邊形面積);實心圓點代表兩個物種分別在四維功能生態中形成的多邊形的頂點

兩個蝌蚪種群在四維功能生態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的負值區域,而棘腹蛙蝌蚪主要分布于PC1的負值和PC2的正值區域。峨眉髭蟾蝌蚪種群功能豐富度的實測值為12.59%(n=51),而棘腹蛙蝌蚪種群功能豐富度的實測值為46.67%(n=69)(表3)。采用自助法計算所得的結果表明,當從兩個蝌蚪種群中分別隨機抽樣15個個體時,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。當從兩個蝌蚪種群中分別隨機抽樣51個個體時,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。兩個蝌蚪種群功能生態位重疊程度的實測值為1.47%。當采用自助法從兩個種群中分別隨機抽樣15個個體時,二者功能生態位重疊程度的平均值為0.06%±0.19%。當從兩個種群中分別隨機抽樣51個個體時,二者功能生態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體數,功能豐富度的實測值、自助法隨機抽樣值(個體數為15和個體數為51)的95%置信區間

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個體數 Individuals實測值 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學的研究方法,采用3個指標(即功能豐富度、功能定位和功能生態位重疊程度)來揭示峨眉髭蟾蝌蚪和棘腹蛙蝌蚪共存的機制。結果表明,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,且二者功能生態位的重疊程度極低。以上所有結果表明這兩種蝌蚪的功能生態位存在顯著分化。本課題組之前的研究表明功能性狀和穩定同位素(δ13C和δ15N)之間存在顯著的相關關系[11],而穩定同位素被廣泛用于研究消費者和食物資源之間的關系[47]。另一方面,食物資源的分化被認為主要與物種捕食食物的大小和運動能力相關[48]。因而本研究中峨眉髭蟾蝌蚪和棘腹蛙蝌蚪功能生態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制。類似的研究結果在兩種大量共存的海洋魚類(Psenopsiscyanea和Bembropscaudimacula)中也被發現,支持了功能生態位重疊程度和群落中共存物種的豐度存在負相關關系的觀點[49]。即共存物種的豐度越高時,功能生態位的重疊程度越低,功能生態位的分化程度越高。

本研究的結果還表明,棘腹蛙蝌蚪和峨眉髭蟾蝌蚪功能生態位的分化主要是二者攝食和運動能力的分化。具體來說,棘腹蛙蝌蚪主要分布于PC1的負值和PC2的正值區域。在該區域分布的蝌蚪表現為開口較大,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,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,游動速度快但耐力較差,對生態系統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的負值區域,表現為個體較大,開口較小,眼睛位置偏向于頭部兩側,水中或水底取食,多利用水中的固著生物和底棲腐殖質。同時,它們的尾部發達,多采用背腹彎曲的游泳模式,游動速度慢但耐力較強,對生態系統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、初級生產力較高的區域；而峨眉髭蟾蝌蚪主要棲息于溪流中有一定流速、固著藻類和腐殖質較為豐富的區域。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證這一推測。

實際上,功能生態位只是物種的基礎生態位,反映了物種在生態系統中具有的潛在的生物學功能[51]。因而其能否真實準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物揭示了群落中功能相似性和營養相似性之間的相關性很弱,占據較大功能生態位的魚類也可能對單一食物具有較強的偏好。因此,單純采用功能生態學的方法來闡明物種共存的原因存在一定的局限性。將來的研究可結合功能生態位和基于穩定同位素分析的營養生態位(即物種的真實生態位)來揭示物種間穩定共存的機制,以及具體哪些資源是降低共存物種間競爭的主要貢獻者[53]。