橫斷山區龍蜥屬(Diploderma)物種生境偏好和形態分化

石秀東,姚忠祎,文冠男,傅金鐘,謝 鋒,齊 銀,3,*

1 中國科學院成都生物研究所, 成都 610041

2 中國科學院大學, 北京 100049

3 芒康生態站,西藏生態安全屏障生態監測站網,昌都 854500

橫斷山區是國家“兩屏三帶”生態安全戰略格局中“青藏高原生態屏障”和“黃土高原-川滇生態屏障”核心區域,也是全球25個生物多樣性熱點之一,其生態安全和生物多樣性保護備受國內外關注[1—2]。該區域是龍蜥屬(Diploderma)物種集中分布區,在已報道的34種龍蜥中[3—6],有18種分布于橫斷山區及比鄰區域,占所有龍蜥屬物種的52.94%。隨著橫斷山區經濟社會發展,許多龍蜥屬物種面臨諸多挑戰,大量原始生境被道路修建和水電工程徹底破壞,有些物種甚至在局部地區滅絕。2021年新修訂的《國家重點保護野生動物名錄》中,橫斷山區有5種龍蜥被列為國家二級保護動物,表明該區域龍蜥保護已經到刻不容緩的地步。

生境偏好是保護生態學研究的重要方面。動物與生境的關系是長期進化選擇的結果[7],生境質量的優劣對物種生存和繁衍具有重要影響[8]。物種保護成效很大程度依賴于關鍵生境的發現和保護[9—10]。對保護區和放牧區4種哺乳動物數量研究表明,物種數量與生境質量密切相關,高質量的生境擁有更豐富的食物資源和更多的個體數[11]。而兩棲動物在通過保護或建立新的適宜生境后,繁殖和變態效率同樣得到有效提高[12]。因此探明動物的生境偏好性,有助于發掘關鍵生境要素以及與棲息地選擇相關的驅動因素[13—14],這對生境保護和恢復非常關鍵。

形態分化研究是準確評估物種受威脅程度的關鍵。形態特征與物種生態位大小密切相關[15],也與棲息地特征密切相關[16—17]。棲息地差異會驅動形態特征分化[18],并且這種分化會存在種內和種間差異[19—21]。當生境與形態特征相適應時,物種會獲得較高的適合度,反之,則物種的適合度會受到威脅[22—23]。對物種的形態分化進行研究,有助于評估棲息地破壞對物種的影響。

本研究對橫斷山區龍蜥物種生境偏好與形態分化進行了研究。采用樣線和樣方法,對橫斷山區9個龍蜥物種生境因子進行了測量。同時借助野外測量和標本館標本測量,對19個龍蜥物種進行了形態量化。采用廣義線性混合模型(Generalized Linear Mixed Model, GLMM)和基于系統發育的廣義最小二乘法(Phylogenetic Generalized Least-Squares, PGLS)對龍蜥生境偏好和形態特征分化進行了分析。

1 研究地概況

本研究所涉及龍蜥物種位于青藏高原東南部橫斷山區(圖1),地理坐標為26—32°N,98—104°E。區域內山高谷深,海拔落差極大(291—7556 m)。龍蜥分布范圍自西向東跨越怒江、瀾滄江和金沙江,屬亞熱帶季風氣候,植被垂直分異明顯,從河谷至頂部依次為干熱河谷稀樹灌木草叢、常綠闊葉林、針闊葉混交林、常綠針葉林、高寒常綠革葉灌叢、高寒草甸、流石灘植被[24],其中,稀樹灌木草叢是我國干熱河谷的景觀生態特征和生物多樣性的重要標志,也是我國非地帶性植被類型的重要類型[25]。

圖1 龍蜥屬生境類型和生境偏好研究采樣點

2 研究方法

2.1 數據采集

2020年6月至9月,采用樣線和樣方法對橫斷山區9個龍蜥物種的生境特征進行了測量。在生境調查之前,根據文獻資料[3—6],將龍蜥生境分為灌叢型(Shrub)和林地型(Forest)兩類(圖1)。在調查過程中,以蜥蜴發現點為生境偏好位點,設置2 m × 2 m實驗樣方,測量生境類型、植被、石塊、溫度等12個生境因子(測量標準見表1)[26—27]。然后以偏好位點為中心,采用隨機拋石法(以實驗樣方為中心,由一人隨機拋石確認對照樣方中心點)設置對照樣方,并測量相應生境因子。對照樣方和實驗樣方距離至少10 m以上,若在對照樣方內發現龍蜥,則重新設置對照樣方。

表1 龍蜥微生境測量標準

通過野外測量和標本館標本測量完成19個龍蜥物種形態測量(樣本量見表2)。野外測量涉及12個物種,每個物種采用套索法捕捉至少6只(3雄和3雌)個體,測量結束后放歸原始位點,對分類存疑物種經95%酒精注射安樂死后,采集肝臟和肌肉樣品,用以物種鑒定及構建系統發育關系(圖2),標本經10%福爾馬林固定24h后長期保存至10%中性福爾馬林中。標本館標本來源于中科院成都生物研究所(CIB)和中科院昆明動物研究所(KIZ),共涉及18種197號標本。對每個物種測量20個表型特征(測量標準見表3)。為提高形態估算的準確性,每個物種雄性和雌性樣本數量大于3,且測量工具為同一把游標卡尺(Pro skit),精度達0.01mm。

表2 龍蜥生境偏好和形態分化研究樣本量

圖2 龍蜥屬系統發育樹

表3 龍蜥形態測量標準

2.2 系統發育關系構建

為了反映系統發育關系對龍蜥物種形態分化的影響,以樹蜥屬(Calotes)、棘蜥屬(Acanthosaura)和擬樹蜥屬(Pseudocalotes)物種為外群,對相關龍蜥物種構建了系統發育關系。參考Wang 等[28]獲取新采集個體的線粒體ND2基因序列(1022bp),并通過GenBank下載其它龍蜥物種和外群物種的ND2基因序列。采用JModeltest[29—30]進行系統發育樹模型篩選,并基于每個模型進行ML系統發育樹構建和評估,在確定最優模型后,基于MrBayes[31]進行系統發育樹構建(圖2)。

2.3 數據分析

2.3.1生境偏好分析

采用廣義線性混合模型(Generalized Linear Mixed Model,GLMM)進行生境偏好分析。在建立模型之前,對所有生境因子進行pearson相關分析,以降低因子之間的自相關性對模型分析結果的影響,并對所有連續變量采用scale函數進行標準化處理,以提高模型之間的可比性。在模型建立過程中,將實驗和對照樣方變量分別記為“1”和“0”,并作為因變量,以生境因子為自變量,以物種為隨機變量,建立logistic廣義線性混合模型。采取逐步后退法(Step-back),按照赤池信息準則(Akaike information criterion, AIC)選擇最優模型[32],并最終確定龍蜥生境偏好性。數據分析使用R(vision3.6.3)lme4包完成,并采用visreg函數繪制最優模型中選擇概率相對于每個預測因子的分布趨勢,以顯示龍蜥對生境因子的偏好方向[33—34]。為了反映龍蜥偏好生境的植被組成,對樣方內出現的優勢灌木和多年生草本植物進行頻次統計,并進行卡方分析(chi-square test)。

2.3.2形態分化分析

采用基于系統發育關系的廣義最小二乘法(Phylogenetic Generalized Least-Squares, PGLS)[35]分析龍蜥表型與生境之間的相關性。在正式分析之前,采取頭體長(Snout vent length, SVL)對所有物種表型數據進行標準化,即各表型與頭體長的比值。然后以表型為因變量,生境類型為自變量,在考慮物種系統發育關系影響情況下,采取R軟件中的 caper 包構建PGLS模型,分析表型與生境類型的相關性,并以lamda(λ)作為表型特征系統發育信號強弱的指示[36—37]。若λ=0,表明表型的變化與系統發育沒有顯著相關性；若0<λ<1,表明表型變化與系統發育關系具有一定相關性；若λ=1,表明表型變化與系統發育關系密切相關。為了反映形態適應的兩性差異,分別分析了雌性和雄性表型與生境的相關性。

為進一步分析表型變化與生境的相關性,通過 ape[38]、geiger[39]、phytool[40]軟件包的phyANOVA函數,在考慮系統發育關系影響的情況下,比較了表型在不同生境類型之間的差異。為了簡化分析,首先對頭部大小和肢體大小相關的形態指標做主成分分析,并各自提取一個主成分作為頭部大小和肢體大小的量度,然后分別比較了頭體長、尾長、頭部大小、肢體大小在不同生境下的差異。

3 結果

3.1 生境偏好

共計完成372個實驗和對照樣方的生境測量,其中灌叢型290個,林地型82個(表2)。經pearson相關性分析發現,各生境因子間相關性均不顯著。

對灌叢型龍蜥而言,生境偏好最優模型包含生境類型(Habitat type, HT)、坡向(Slope direction, SD)、坡度(Gradient, Gr)、平均石塊粒徑(Stone size, SS)和環境溫度(Temperature, Te)(表4),其中平均石塊粒徑(P=0.014)、坡向(P=0.037)、坡度(P=0.043)和平均石塊粒徑(P<0.001)的影響顯著(表5),表明灌叢型龍蜥偏好有石塊灌木、陽坡、陡坡、較大的石塊和適宜的環境溫度的生境。

表4 龍蜥生境偏好模型選擇

對林地型龍蜥而言,生境偏好最優模型包含生境類型HT、坡位(Slope position, SP)、坡度Gr、植被覆蓋率(Vegetation coverage, VC)(表4),其中生境類型(P=0.002)影響顯著(表5),表明林地型龍蜥偏好選擇高大喬木、較陡的上坡位和植被覆蓋率高的生境。

表5 龍蜥屬物種生境偏好

表6 龍蜥屬偏好生境中優勢植物占比

3.2 形態分化

共完成352號樣本形態測量,涉及雌性龍蜥物種19種161只,雄性龍蜥15種191只(表2)。PGLS分析顯示：雄性龍蜥相對尾長(Relatively tail length, RTL;P=0.011)、吻長(Relatively snout length, RSNL;P=0.016)、鼻眼距(Relatively nose-eye distance, RNED;P<0.001)、第4指長(Relatively 4th finger length, RF4L;P=0.029)、脛骨長(Relatively femur length, RFL;P=0.031)以及第4趾爪長(Relatively claw length of the 4th toe, RT4CL;P=0.035)與生境類型顯著相關(圖3),除相對脛骨長和相對吻長外,其它形態指標均為林地型大于灌叢型；雌性龍蜥相對尾長(P=0.007)、頭長(Relatively head length, RHL;P=0.047)、吻長(P=0.038)、鼻眼距(P<0.001)、第4指長(P=0.018)、第4趾長(Relatively 4th toe length, RT4L;P=0.042)以及第4趾爪長(P=0.009)與生境類型顯著相關,所有形態指標均為林地型大于灌叢型(圖3)。

圖3 龍蜥屬物種形態分化PGLS分析

表7 龍蜥屬物種形態分化phyANOVA分析

4 討論

本研究揭示了橫斷山區特有物種龍蜥生境偏好和形態分化,結果顯示：來自不同生境的龍蜥對生境因子具有特殊的偏好。灌叢型龍蜥更偏好陽坡、石塊覆蓋率和植被覆蓋率較高的生境,喜好生境中往往有兩頭毛分布；林地型龍蜥偏好喬木生境,偏好生境中往往有紅花羊蹄甲分布。從形態分化來看,灌叢型和林地型龍蜥在體型大小和運動形態方面發生了明顯地分化,林地型龍蜥擁有更大的頭部和更長的指趾和尾巴。本研究有助于理解龍蜥對干熱河谷生境的適應策略,同時為科學制定龍蜥保護計劃提供重要支撐。

橫斷山區龍蜥生境偏好可能與熱調節和捕食效率密切相關。灌叢型龍蜥往往沿河谷分布,谷底至林地下緣的灌叢為主要棲息生境,海拔落差較大,生境主要由石塊和灌叢組成。陽坡位置能提供更多有效的曬背區域,會對龍蜥熱調節提供有利條件；較高的石塊和植被覆蓋率則有利于龍蜥在正午高溫條件下遮蔭或躲避天敵[41]。林地型龍蜥則往往分布于森林邊緣或間隙,個體較大,需要更多的食物來維持日常活動,高大的樹木一方面有助于龍蜥攀爬至喬木冠層或間隙處曬背,同時也能為龍蜥提供更充足的獵物[42]。此外,灌叢型龍蜥偏好有多年生草本植物兩頭毛的區域,這可能是由于兩頭毛是組成龍蜥食物網的重要一環,也可能是由于該物種特殊的氣味和顏色能夠吸引更多的獵物。林地型龍蜥偏好有紅花羊蹄甲分布的區域,這可能是由于這種植物是所在區域的優勢植物物種,也可能是由于這種植物能夠為龍蜥提供更好的捕食環境。類似的研究發現：安樂蜥(Anoliscarolinensis)偏好有露兜樹屬(Pandanus)分布的生境,因為該類植物即是該地區的優勢種,又擁有特殊的裸露莖干和基部間隙,有助于蜥蜴曬太陽、觀察獵物等生理和行為需求[43]。

生境差異會促使動物形態發生相應變化,相應地,形態變化也反映出物種對生境的適應[44—47]。關于獸類研究發現物種的形態變化和生境類型密切相關,樹棲松鼠較陸棲松鼠足部更短、更寬、更厚[48],森林環境貓科動物比開闊陸地環境貓科動物前臂骨更短,這可能與面對的復雜環境有關[49]。林地型龍蜥在個體大小、頭部大小、四肢長度和尾巴長度方面比灌叢型龍蜥更大、更長,這可能與林地型龍蜥需要依賴攀爬來完成捕食和資源競爭有關,較大的體型、較靈活的運動能力、較好的身體平衡能力能夠提高林地型龍蜥的適合度,這與飛蜥屬6個物種肢體功能形態適應的研究結果一致[50]。此外,林地型龍蜥尾巴顯著長于灌叢型,這可能與身體平衡相關。尾巴在脊椎動物運動中發揮重要作用,魚類[51]和水生哺乳類[52]尾巴是重要的運動推進器,陸生靈長類在林間運動時使用尾巴抓握樹枝[53],有袋目Marsupialia動物將尾巴當作第5條腿[54],貓科動物在高速行進時則依賴尾巴保持平衡[55]。蜥蜴的尾巴可以使其在高速奔跑和跳躍時保持平衡,準確高效地抵達目標地點,同時在自由落體或跳躍時輔助調整身體姿態[56—57],失去尾巴后的安樂蜥,跳躍時就無法控制身體平衡[58]。

總之,本研究揭示了橫斷山區龍蜥的生境偏好和形態分化,這一方面有助于理解龍蜥對高山峽谷環境的適應性,同時也為龍蜥保護提供重要支撐。對偏好生境的調查和保護能夠有效提升龍蜥保護成效,同時對形態分化的研究能夠指導遷地保護策略的制定。下一步將結合行為學和遺傳學手段研究龍蜥對生境變化和人為干擾的抵御能力,揭示龍蜥對干擾的自適應能力和趨利避害能力。

致謝：感謝黃坤、付磊、李凌及相關保護區在野外調查中提供的幫助,感謝王剴博士在建立系統發育樹時提供的幫助,感謝車靜研究員、陳競峰副研究員、丁利副研究員、吳亞勇副教授、中國科學院成都生物研究所兩棲爬行動物標本館在查閱館藏標時給予的幫助, 感謝徐波副研究員幫助植物鑒定。