横断山区龙蜥属(Diploderma)物种生境偏好和形态分化

石秀东,姚忠祎,文冠男,傅金钟,谢 锋,齐 银,3,*

1 中国科学院成都生物研究所, 成都 610041

2 中国科学院大学, 北京 100049

3 芒康生态站,西藏生态安全屏障生态监测站网,昌都 854500

横断山区是国家“两屏三带”生态安全战略格局中“青藏高原生态屏障”和“黄土高原-川滇生态屏障”核心区域,也是全球25个生物多样性热点之一,其生态安全和生物多样性保护备受国内外关注[1—2]。该区域是龙蜥属(Diploderma)物种集中分布区,在已报道的34种龙蜥中[3—6],有18种分布于横断山区及比邻区域,占所有龙蜥属物种的52.94%。随着横断山区经济社会发展,许多龙蜥属物种面临诸多挑战,大量原始生境被道路修建和水电工程彻底破坏,有些物种甚至在局部地区灭绝。2021年新修订的《国家重点保护野生动物名录》中,横断山区有5种龙蜥被列为国家二级保护动物,表明该区域龙蜥保护已经到刻不容缓的地步。

生境偏好是保护生态学研究的重要方面。动物与生境的关系是长期进化选择的结果[7],生境质量的优劣对物种生存和繁衍具有重要影响[8]。物种保护成效很大程度依赖于关键生境的发现和保护[9—10]。对保护区和放牧区4种哺乳动物数量研究表明,物种数量与生境质量密切相关,高质量的生境拥有更丰富的食物资源和更多的个体数[11]。而两栖动物在通过保护或建立新的适宜生境后,繁殖和变态效率同样得到有效提高[12]。因此探明动物的生境偏好性,有助于发掘关键生境要素以及与栖息地选择相关的驱动因素[13—14],这对生境保护和恢复非常关键。

形态分化研究是准确评估物种受威胁程度的关键。形态特征与物种生态位大小密切相关[15],也与栖息地特征密切相关[16—17]。栖息地差异会驱动形态特征分化[18],并且这种分化会存在种内和种间差异[19—21]。当生境与形态特征相适应时,物种会获得较高的适合度,反之,则物种的适合度会受到威胁[22—23]。对物种的形态分化进行研究,有助于评估栖息地破坏对物种的影响。

本研究对横断山区龙蜥物种生境偏好与形态分化进行了研究。采用样线和样方法,对横断山区9个龙蜥物种生境因子进行了测量。同时借助野外测量和标本馆标本测量,对19个龙蜥物种进行了形态量化。采用广义线性混合模型(Generalized Linear Mixed Model, GLMM)和基于系统发育的广义最小二乘法(Phylogenetic Generalized Least-Squares, PGLS)对龙蜥生境偏好和形态特征分化进行了分析。

1 研究地概况

本研究所涉及龙蜥物种位于青藏高原东南部横断山区(图1),地理坐标为26—32°N,98—104°E。区域内山高谷深,海拔落差极大(291—7556 m)。龙蜥分布范围自西向东跨越怒江、澜沧江和金沙江,属亚热带季风气候,植被垂直分异明显,从河谷至顶部依次为干热河谷稀树灌木草丛、常绿阔叶林、针阔叶混交林、常绿针叶林、高寒常绿革叶灌丛、高寒草甸、流石滩植被[24],其中,稀树灌木草丛是我国干热河谷的景观生态特征和生物多样性的重要标志,也是我国非地带性植被类型的重要类型[25]。

图1 龙蜥属生境类型和生境偏好研究采样点

2 研究方法

2.1 数据采集

2020年6月至9月,采用样线和样方法对横断山区9个龙蜥物种的生境特征进行了测量。在生境调查之前,根据文献资料[3—6],将龙蜥生境分为灌丛型(Shrub)和林地型(Forest)两类(图1)。在调查过程中,以蜥蜴发现点为生境偏好位点,设置2 m × 2 m实验样方,测量生境类型、植被、石块、温度等12个生境因子(测量标准见表1)[26—27]。然后以偏好位点为中心,采用随机抛石法(以实验样方为中心,由一人随机抛石确认对照样方中心点)设置对照样方,并测量相应生境因子。对照样方和实验样方距离至少10 m以上,若在对照样方内发现龙蜥,则重新设置对照样方。

表1 龙蜥微生境测量标准

通过野外测量和标本馆标本测量完成19个龙蜥物种形态测量(样本量见表2)。野外测量涉及12个物种,每个物种采用套索法捕捉至少6只(3雄和3雌)个体,测量结束后放归原始位点,对分类存疑物种经95%酒精注射安乐死后,采集肝脏和肌肉样品,用以物种鉴定及构建系统发育关系(图2),标本经10%福尔马林固定24h后长期保存至10%中性福尔马林中。标本馆标本来源于中科院成都生物研究所(CIB)和中科院昆明动物研究所(KIZ),共涉及18种197号标本。对每个物种测量20个表型特征(测量标准见表3)。为提高形态估算的准确性,每个物种雄性和雌性样本数量大于3,且测量工具为同一把游标卡尺(Pro skit),精度达0.01mm。

表2 龙蜥生境偏好和形态分化研究样本量

图2 龙蜥属系统发育树

表3 龙蜥形态测量标准

2.2 系统发育关系构建

为了反映系统发育关系对龙蜥物种形态分化的影响,以树蜥属(Calotes)、棘蜥属(Acanthosaura)和拟树蜥属(Pseudocalotes)物种为外群,对相关龙蜥物种构建了系统发育关系。参考Wang 等[28]获取新采集个体的线粒体ND2基因序列(1022bp),并通过GenBank下载其它龙蜥物种和外群物种的ND2基因序列。采用JModeltest[29—30]进行系统发育树模型筛选,并基于每个模型进行ML系统发育树构建和评估,在确定最优模型后,基于MrBayes[31]进行系统发育树构建(图2)。

2.3 数据分析

2.3.1生境偏好分析

采用广义线性混合模型(Generalized Linear Mixed Model,GLMM)进行生境偏好分析。在建立模型之前,对所有生境因子进行pearson相关分析,以降低因子之间的自相关性对模型分析结果的影响,并对所有连续变量采用scale函数进行标准化处理,以提高模型之间的可比性。在模型建立过程中,将实验和对照样方变量分别记为“1”和“0”,并作为因变量,以生境因子为自变量,以物种为随机变量,建立logistic广义线性混合模型。采取逐步后退法(Step-back),按照赤池信息准则(Akaike information criterion, AIC)选择最优模型[32],并最终确定龙蜥生境偏好性。数据分析使用R(vision3.6.3)lme4包完成,并采用visreg函数绘制最优模型中选择概率相对于每个预测因子的分布趋势,以显示龙蜥对生境因子的偏好方向[33—34]。为了反映龙蜥偏好生境的植被组成,对样方内出现的优势灌木和多年生草本植物进行频次统计,并进行卡方分析(chi-square test)。

2.3.2形态分化分析

采用基于系统发育关系的广义最小二乘法(Phylogenetic Generalized Least-Squares, PGLS)[35]分析龙蜥表型与生境之间的相关性。在正式分析之前,采取头体长(Snout vent length, SVL)对所有物种表型数据进行标准化,即各表型与头体长的比值。然后以表型为因变量,生境类型为自变量,在考虑物种系统发育关系影响情况下,采取R软件中的 caper 包构建PGLS模型,分析表型与生境类型的相关性,并以lamda(λ)作为表型特征系统发育信号强弱的指示[36—37]。若λ=0,表明表型的变化与系统发育没有显著相关性；若0<λ<1,表明表型变化与系统发育关系具有一定相关性；若λ=1,表明表型变化与系统发育关系密切相关。为了反映形态适应的两性差异,分别分析了雌性和雄性表型与生境的相关性。

为进一步分析表型变化与生境的相关性,通过 ape[38]、geiger[39]、phytool[40]软件包的phyANOVA函数,在考虑系统发育关系影响的情况下,比较了表型在不同生境类型之间的差异。为了简化分析,首先对头部大小和肢体大小相关的形态指标做主成分分析,并各自提取一个主成分作为头部大小和肢体大小的量度,然后分别比较了头体长、尾长、头部大小、肢体大小在不同生境下的差异。

3 结果

3.1 生境偏好

共计完成372个实验和对照样方的生境测量,其中灌丛型290个,林地型82个(表2)。经pearson相关性分析发现,各生境因子间相关性均不显著。

对灌丛型龙蜥而言,生境偏好最优模型包含生境类型(Habitat type, HT)、坡向(Slope direction, SD)、坡度(Gradient, Gr)、平均石块粒径(Stone size, SS)和环境温度(Temperature, Te)(表4),其中平均石块粒径(P=0.014)、坡向(P=0.037)、坡度(P=0.043)和平均石块粒径(P<0.001)的影响显著(表5),表明灌丛型龙蜥偏好有石块灌木、阳坡、陡坡、较大的石块和适宜的环境温度的生境。

表4 龙蜥生境偏好模型选择

对林地型龙蜥而言,生境偏好最优模型包含生境类型HT、坡位(Slope position, SP)、坡度Gr、植被覆盖率(Vegetation coverage, VC)(表4),其中生境类型(P=0.002)影响显著(表5),表明林地型龙蜥偏好选择高大乔木、较陡的上坡位和植被覆盖率高的生境。

表5 龙蜥属物种生境偏好

表6 龙蜥属偏好生境中优势植物占比

3.2 形态分化

共完成352号样本形态测量,涉及雌性龙蜥物种19种161只,雄性龙蜥15种191只(表2)。PGLS分析显示：雄性龙蜥相对尾长(Relatively tail length, RTL;P=0.011)、吻长(Relatively snout length, RSNL;P=0.016)、鼻眼距(Relatively nose-eye distance, RNED;P<0.001)、第4指长(Relatively 4th finger length, RF4L;P=0.029)、胫骨长(Relatively femur length, RFL;P=0.031)以及第4趾爪长(Relatively claw length of the 4th toe, RT4CL;P=0.035)与生境类型显著相关(图3),除相对胫骨长和相对吻长外,其它形态指标均为林地型大于灌丛型；雌性龙蜥相对尾长(P=0.007)、头长(Relatively head length, RHL;P=0.047)、吻长(P=0.038)、鼻眼距(P<0.001)、第4指长(P=0.018)、第4趾长(Relatively 4th toe length, RT4L;P=0.042)以及第4趾爪长(P=0.009)与生境类型显著相关,所有形态指标均为林地型大于灌丛型(图3)。

图3 龙蜥属物种形态分化PGLS分析

表7 龙蜥属物种形态分化phyANOVA分析

4 讨论

本研究揭示了横断山区特有物种龙蜥生境偏好和形态分化,结果显示：来自不同生境的龙蜥对生境因子具有特殊的偏好。灌丛型龙蜥更偏好阳坡、石块覆盖率和植被覆盖率较高的生境,喜好生境中往往有两头毛分布；林地型龙蜥偏好乔木生境,偏好生境中往往有红花羊蹄甲分布。从形态分化来看,灌丛型和林地型龙蜥在体型大小和运动形态方面发生了明显地分化,林地型龙蜥拥有更大的头部和更长的指趾和尾巴。本研究有助于理解龙蜥对干热河谷生境的适应策略,同时为科学制定龙蜥保护计划提供重要支撑。

横断山区龙蜥生境偏好可能与热调节和捕食效率密切相关。灌丛型龙蜥往往沿河谷分布,谷底至林地下缘的灌丛为主要栖息生境,海拔落差较大,生境主要由石块和灌丛组成。阳坡位置能提供更多有效的晒背区域,会对龙蜥热调节提供有利条件；较高的石块和植被覆盖率则有利于龙蜥在正午高温条件下遮荫或躲避天敌[41]。林地型龙蜥则往往分布于森林边缘或间隙,个体较大,需要更多的食物来维持日常活动,高大的树木一方面有助于龙蜥攀爬至乔木冠层或间隙处晒背,同时也能为龙蜥提供更充足的猎物[42]。此外,灌丛型龙蜥偏好有多年生草本植物两头毛的区域,这可能是由于两头毛是组成龙蜥食物网的重要一环,也可能是由于该物种特殊的气味和颜色能够吸引更多的猎物。林地型龙蜥偏好有红花羊蹄甲分布的区域,这可能是由于这种植物是所在区域的优势植物物种,也可能是由于这种植物能够为龙蜥提供更好的捕食环境。类似的研究发现：安乐蜥(Anoliscarolinensis)偏好有露兜树属(Pandanus)分布的生境,因为该类植物即是该地区的优势种,又拥有特殊的裸露茎干和基部间隙,有助于蜥蜴晒太阳、观察猎物等生理和行为需求[43]。

生境差异会促使动物形态发生相应变化,相应地,形态变化也反映出物种对生境的适应[44—47]。关于兽类研究发现物种的形态变化和生境类型密切相关,树栖松鼠较陆栖松鼠足部更短、更宽、更厚[48],森林环境猫科动物比开阔陆地环境猫科动物前臂骨更短,这可能与面对的复杂环境有关[49]。林地型龙蜥在个体大小、头部大小、四肢长度和尾巴长度方面比灌丛型龙蜥更大、更长,这可能与林地型龙蜥需要依赖攀爬来完成捕食和资源竞争有关,较大的体型、较灵活的运动能力、较好的身体平衡能力能够提高林地型龙蜥的适合度,这与飞蜥属6个物种肢体功能形态适应的研究结果一致[50]。此外,林地型龙蜥尾巴显著长于灌丛型,这可能与身体平衡相关。尾巴在脊椎动物运动中发挥重要作用,鱼类[51]和水生哺乳类[52]尾巴是重要的运动推进器,陆生灵长类在林间运动时使用尾巴抓握树枝[53],有袋目Marsupialia动物将尾巴当作第5条腿[54],猫科动物在高速行进时则依赖尾巴保持平衡[55]。蜥蜴的尾巴可以使其在高速奔跑和跳跃时保持平衡,准确高效地抵达目标地点,同时在自由落体或跳跃时辅助调整身体姿态[56—57],失去尾巴后的安乐蜥,跳跃时就无法控制身体平衡[58]。

总之,本研究揭示了横断山区龙蜥的生境偏好和形态分化,这一方面有助于理解龙蜥对高山峡谷环境的适应性,同时也为龙蜥保护提供重要支撑。对偏好生境的调查和保护能够有效提升龙蜥保护成效,同时对形态分化的研究能够指导迁地保护策略的制定。下一步将结合行为学和遗传学手段研究龙蜥对生境变化和人为干扰的抵御能力,揭示龙蜥对干扰的自适应能力和趋利避害能力。

致谢：感谢黄坤、付磊、李凌及相关保护区在野外调查中提供的帮助,感谢王剀博士在建立系统发育树时提供的帮助,感谢车静研究员、陈竞峰副研究员、丁利副研究员、吴亚勇副教授、中国科学院成都生物研究所两栖爬行动物标本馆在查阅馆藏标时给予的帮助, 感谢徐波副研究员帮助植物鉴定。