楊婷越 俞 丹 高 欣 劉煥章
(1. 中國科學(xué)院水生生物研究所水生生物多樣性與保護(hù)重點實驗室,武漢 430072; 2. 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)
群落構(gòu)成機(jī)制(Community assembly mechanism)一直是生態(tài)學(xué)研究的熱點問題之一, 它對于解釋物種共存(Species coexistence)至關(guān)重要[1]。近年來, 有關(guān)群落構(gòu)成機(jī)制的多種理論被提出[2—4], 而現(xiàn)代生態(tài)學(xué)則將群落的構(gòu)成機(jī)制劃分為3種類型:中性作用、競爭作用以及環(huán)境過濾作用[5,6]。Hubbell[7]提出的中性作用認(rèn)為群落中的物種在個體水平上是等價的, 物種間不表現(xiàn)為規(guī)律性的關(guān)聯(lián)。競爭作用認(rèn)為群落的資源有限, 物種間強(qiáng)烈的競爭使得生態(tài)位發(fā)生分化, 群落中的物種得以共存[8,9]。環(huán)境過濾作用認(rèn)為由于局域生境環(huán)境條件的獨特性, 使僅有適應(yīng)該條件的物種才能共存[5,10]。
近年來, 隨著系統(tǒng)發(fā)育群落結(jié)構(gòu)(Phylogenetic community structure)分析被引入群落生態(tài)學(xué), 我們可以有效地檢驗群落構(gòu)成和生物多樣性維持的各種理論假說。進(jìn)化和生態(tài)相結(jié)合的群落系統(tǒng)發(fā)育結(jié)構(gòu)(Phylogenetic community structure)研究, 可以從進(jìn)化角度深入地分析群落物種組成現(xiàn)狀, 為有效推測影響群落物種組成的不同生態(tài)學(xué)機(jī)制提供了實驗解決方法[11]。該方法認(rèn)為, 在功能性狀保守的情況下, 若群落中生境篩選作用占據(jù)主導(dǎo)地位,那么相同生境將篩選出適應(yīng)能力相似的近緣物種;相反, 競爭作用使生態(tài)相似的物種無法共存于同一環(huán)境中, 群落內(nèi)多為親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的遠(yuǎn)緣物種[12]。但是, 在眾多的群落構(gòu)建機(jī)制研究中, 不同尺度的分析得到了不同的結(jié)果[13—15], 因此亟待多尺度的研究探討。
長江流域面積廣闊, 生境復(fù)雜多樣, 魚類物種多樣性豐富, 是世界上著名的生物多樣性熱點地區(qū),具有極其重要的保護(hù)和研究價值, 據(jù)不完全統(tǒng)計,長江流域分布有魚類物種數(shù)400余種, 其中局限分布于長江上游的特有魚類多達(dá)124種[16,17]。宜昌至鄱陽湖湖口為長江中游地區(qū), 全長約955 km, 流域面積約為68×104km2[18,19]。長江中游流域底質(zhì)結(jié)構(gòu)非常多變, 河道蜿蜒曲折, 江心多有沙洲, 流態(tài)極為復(fù)雜, 是我國多種魚類尤其是洄游性魚類優(yōu)越的棲息與繁殖場所[20]。近年來, 隨著捕撈強(qiáng)度的增加,工業(yè)及生活污水的排放, 水利工程的建設(shè)等人為活動使得長江流域漁業(yè)資源、魚類群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了一系列的顯著變化[21]。本文采用系統(tǒng)發(fā)育群落結(jié)構(gòu)的方法對長江中游地區(qū)魚類群落結(jié)構(gòu)及其構(gòu)建機(jī)制進(jìn)行研究, 以期為長江中游魚類生物多樣性及資源保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。
本研究在長江中游共設(shè)立5個采樣點(圖 1)。其中2018年7—8月對枝江、荊州、漢南、湖口4個采樣點進(jìn)行魚類資源調(diào)查, 11—12月對宜昌采樣點進(jìn)行調(diào)查。調(diào)查方式為自主捕撈或者雇請漁民進(jìn)行捕撈, 捕撈工具包括定置刺網(wǎng)、流刺網(wǎng)、地籠等,同時走訪采樣點附近周邊水產(chǎn)市場補(bǔ)充部分日常采樣中無法采集到的種類。現(xiàn)場進(jìn)行物種鑒定并記錄各采樣點魚類組成數(shù)據(jù)。物種鑒定參照《中國動物志·硬骨魚綱·鯉形目(中卷)》、《中國動物志·硬骨魚綱·鯉形目(下卷)》、《中國動物志·硬骨魚綱·鲇形目》、《中國動物志·硬骨魚綱·鱘形目海鰱目鯡形目鼠鱚目》、《中國動物志·硬骨魚綱·鱸形目(五)·蝦虎魚亞目》和《中國內(nèi)陸魚類物種與分布》[22—27]。個體較小的魚類標(biāo)本整條采用95%酒精直接固定, 個體較大的標(biāo)本剪取適量魚體背部肌肉或鰭條用95%酒精固定, 殘體用10%福爾馬林固定, 所有標(biāo)本保存于中國科學(xué)院水生生物研究所水生生物博物館。
本研究采取標(biāo)準(zhǔn)的高鹽抽提法提取魚類基因組DNA。Cytb基因的擴(kuò)增引物為: L14724(5′-GACTTGAAAAACCACCGTTG-3′), H15915(5′-CTCCGATCTCCGGATTACAAGAC-3′)[28]。PCR擴(kuò)增體系總體積為30 μL, 其中包括: 10× easytaq Buffer 3 μL, 2.5 mmol/L dNTPs 1.5 μL,TaqDNA聚合酶0.25 μL, 正反向引物各1 μL, 模板DNA 3 μL,雙蒸水20.25 μL。PCR反應(yīng)程序為: 94℃預(yù)變性5min, 94℃變性30s, 54℃退火45s, 72℃延伸1min,擴(kuò)增35個循環(huán), 72℃延伸10min。PCR產(chǎn)物經(jīng)1%的瓊脂糖凝膠電泳檢測后, 產(chǎn)物送商業(yè)公司完成純化及雙向測序。
使用Clustal X1.8軟件[29]對DNA序列進(jìn)行比對,參照測序峰圖在SEAVIEW軟件中輔以手工校正[30]。采用MEGA5.0軟件將其翻譯成相應(yīng)的氨基酸序列,以避免測序等原因造成的人為錯誤[31]。
采用MEGA5.0軟件基于Kimura 2-papamter模型計算物種間遺傳距離[31]。采用鄰接法(Neighborjoining, NJ)構(gòu)建分子系統(tǒng)發(fā)育樹。系統(tǒng)樹各分支的置信度采用自引導(dǎo)(Bootstrap)以1000次重復(fù)抽樣進(jìn)行檢驗。
本研究根據(jù)不同種類在各采樣點的出現(xiàn)情況建立 1/0(是/否)矩陣進(jìn)行分析, 其中橫坐標(biāo)為物種,縱坐標(biāo)為樣點。采用軟件 PRIMER 5.0, 以 Bray-Curtis 相似性系數(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)建不同采樣點的相似性矩陣, 采用等級聚類(未加權(quán)組平均法, 即 UPGMA)的分類方法構(gòu)建聚類分析圖[32]。
采用基于系統(tǒng)發(fā)育樹枝長距離矩陣的平均成對系統(tǒng)發(fā)育距離(Mean Pairwise Distance,MPD)以及標(biāo)準(zhǔn)化用于衡量觀測到的系統(tǒng)發(fā)育多樣性與零模型隨機(jī)生成的預(yù)期值之間差異程度的凈親緣關(guān)系指數(shù)(Net Relatedness Index,NRI)評估不同空間尺度的魚類群落系統(tǒng)發(fā)育結(jié)構(gòu)[33]。使用R軟件中的picante軟件包計算群落系統(tǒng)發(fā)育結(jié)構(gòu)指數(shù), 具體公式如下:
式中,MPDobserved為平均系統(tǒng)發(fā)育距離的觀察值,mean(MPDnull)是系統(tǒng)發(fā)育樹上物種隨機(jī)分配(Taxa shuffle)運(yùn)行999次進(jìn)行1000次迭代產(chǎn)生的每個群落999個隨機(jī)MPD值的平均值, SD(MPDrandom)則是隨機(jī)MPD值的標(biāo)準(zhǔn)差。零模型選用限制性獨立交換算法(Independent swap)。如果量化后的群落系統(tǒng)發(fā)育結(jié)構(gòu)指數(shù)顯著大于零模型, 則表明該群落系統(tǒng)發(fā)育結(jié)構(gòu)聚集(物種之間的親緣關(guān)系比預(yù)期的近);反之, 則表明該群落系統(tǒng)發(fā)育結(jié)構(gòu)發(fā)散(物種之間的親緣關(guān)系比預(yù)期的遠(yuǎn))[34]。
本研究在長江中游5個采樣點共采集到魚類79種, 隸屬于6目14科55屬, 其中鯉形目55種, 鲇形目11種, 鯡形目2種, 鱸形目9種, 合鰓魚目1種, 鱘形目1種(表 1)。宜昌共采集到物種25種, 總計3266尾,總重737.582 kg, 其中鯉形目17種, 鲇形目5種, 鱸形目2種, 鱘形目1種。枝江共采集到魚類36種, 總計2002尾, 總重92.372 kg, 其中鯉形目23種, 鲇形目8種, 鱸形目4種, 鯡形目1種。荊州共采集到魚類41種, 總計1825尾, 總重117.259 kg, 其中鯉形目28種, 鲇形目6種, 鱸形目7種。漢南共采集到魚類38種, 總計2193尾, 總重40.385 kg, 其中鯉形目26種,鲇形目4種, 鱸形目6種, 鯡形目2種。湖口共采集到魚類56種, 總計1065尾, 總重197.052 kg, 其中鯉形目42種, 鲇形目8種, 鱸形目4種, 合鰓魚目1種, 鯡形目1種。
依據(jù)不同魚類物種在各采樣點的出現(xiàn)情況進(jìn)行聚類, 聚類分析結(jié)果顯示, 在65%的相似性水平上, 所有樣點可以劃分為3個Group(圖 2), 其中GroupⅠ僅包括宜昌(S1)1個采樣點; Group Ⅱ包括枝江(S2)及荊州(S3)2個采樣點; Group Ⅲ包括漢南(S4)及湖口(S5)2個采樣點。在55%的相似性水平上, 所有樣點可以劃分為2個Group(圖 2), 其中Group A僅包括宜昌(S1)1個采樣點; Group B包括枝江(S2)、荊州(S3)、漢南(S4)及湖口(S5)4個采樣點。聚類分析的結(jié)果與采樣點的空間分布相符合。
由于本研究采集的物種為輻鰭魚類, 所以采用輻鰭魚類的姐妹群肉鰭魚類矛尾魚(Latimeria chalumnae)為外類群(GenBank登錄號NC001804),構(gòu)建長江中游79個物種基于線粒體Cytb基因的分子系統(tǒng)發(fā)育樹(圖 3)。
對不同尺度的長江中游5個采樣點魚類群落構(gòu)建機(jī)制進(jìn)行探究, 發(fā)現(xiàn)各尺度魚類群落構(gòu)建機(jī)制均不表現(xiàn)為隨機(jī)作用。以地區(qū)采樣點尺度(Local scale)對長江中游魚類群落構(gòu)建機(jī)制進(jìn)行分析, 發(fā)現(xiàn)長江中游4個采樣點(即宜昌、枝江、漢南、湖口)的NRI>0, 魚類群落系統(tǒng)發(fā)育結(jié)構(gòu)與隨機(jī)群落相比更為聚集, 魚類群落表現(xiàn)為環(huán)境因子過濾作用作為建群機(jī)制, 荊州的NRI<0, 魚類群落系統(tǒng)發(fā)育結(jié)構(gòu)與隨機(jī)群落相比更為發(fā)散, 群落內(nèi)物種間競爭作用主導(dǎo)群落構(gòu)建。
以區(qū)域尺度(Regional scale)對長江中游魚類群落構(gòu)建機(jī)制進(jìn)行分析, 在65%的相似性水平上, 即劃分為3個Group時, 僅GroupⅠ(即宜昌)采樣點NRI>0, 魚類群落系統(tǒng)發(fā)育結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為聚集, 環(huán)境因子過濾作用主導(dǎo)群落構(gòu)建, 其余2個Group(即枝江+荊州、漢南+湖口)均為NRI<0, 魚類群落系統(tǒng)發(fā)育表現(xiàn)為發(fā)散, 物種間的競爭排斥作用主導(dǎo)群落構(gòu)建;在55%的相似性水平上, 即劃分為2個Group時,Group A(即宜昌)NRI>0, 魚類群落系統(tǒng)發(fā)育表現(xiàn)為聚集, 環(huán)境過濾作用主導(dǎo)群落構(gòu)建, Group B(即枝江+荊州+漢南+湖口)NRI<0, 魚類群落系統(tǒng)發(fā)育表現(xiàn)為發(fā)散, 物種間的競爭排斥作用主導(dǎo)群落構(gòu)建(表 2)。
表1 長江中游5個采樣點魚類群落物種組成Tab. 1 Species composition of fish community in 5 sampling sites in the middle reaches of the Yangtze River
續(xù)表 1
長江中游地區(qū)五個江段采集的魚類自上游向下游表現(xiàn)為魚類物種數(shù)逐漸增加(除漢南外)的現(xiàn)象, 其中鯉科魚類均占半數(shù)以上, 漢南采樣點(38種)略少于荊州(41種)可能是由于存在采樣誤差,這與Rahel和Hubert[35]提出的自上游到下游魚類物種多樣性增加相一致。其中相較于其余4個采樣點宜昌采集到的物種最少, 漁獲物種類僅為25種, 且結(jié)構(gòu)較為單一。由于三峽大壩建成蓄水后, 引起河道形態(tài)、底質(zhì)類型及水文條件的改變, 使得長江干流壩下江段魚類群落結(jié)構(gòu)發(fā)生重大變化, 物種多樣性降低[36]。
相較于其他4個采樣點, 湖口采集到的魚類種類最多為56種, 鄱陽湖是長江中下游僅存的兩個通江湖泊之一, 與長江物質(zhì)及能量交換頻繁, 加上靜水、流水生境的互補(bǔ)作用, 形成獨特的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng), 湖口是長江干流與鄱陽湖通江水道的交叉口,其生境相對更為復(fù)雜, 靜水、流水生境的互補(bǔ)作用使得湖口生物多樣性相對較多, 魚類資源更為豐富[37]。
依據(jù)采集到的魚類物種有無進(jìn)行聚類, 聚類分析的結(jié)果與采樣點的空間分布相符合, 推測是由于長江中游自上而下水環(huán)境逐漸發(fā)生變化, 地理距離相對較近的采樣點水流流速、水溫、溶解氧等水環(huán)境條件較為相似, 魚類群落中物種組成也更為接近,使得聚類分析結(jié)果符合采樣點的空間分布。
圖2 長江中游5個采樣點魚類群落結(jié)構(gòu)空間格局的等級聚類圖Fig. 2 Dendrogram of hierarchical clustering based on fish data of 5 sampling sites in the middle reaches of the Yangtze River
地區(qū)采樣點尺度(Local scale)魚類群落構(gòu)建機(jī)制長江中游地區(qū)5個采樣點的魚類群落系統(tǒng)發(fā)育結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明, 僅荊州采樣點魚類群落系統(tǒng)發(fā)育結(jié)構(gòu)發(fā)散, 群落內(nèi)物種間的競爭排斥作用主導(dǎo)群落構(gòu)建。荊州江段環(huán)境廣泛多樣, 競爭排斥作用的建群機(jī)制使得群落內(nèi)容納的多為親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的遠(yuǎn)緣物種, 許多遠(yuǎn)緣物種食性相似, 食物來源存在重疊, 如采集到的蒙古鲌(Culter mongolicus)、翹嘴鲌(Culter alburnus)等鲌類與光澤黃顙魚(Pelteobaggrus nitidus)、鱖(Siniperca chuatsi)等肉食性魚類多以小型魚類、蝦、水生昆蟲為食[22,24,26], 食物來源的重疊使物種間表現(xiàn)了較強(qiáng)的競爭作用。其余4個采樣點魚類群落系統(tǒng)發(fā)育結(jié)構(gòu)聚集, 表現(xiàn)為環(huán)境過濾作用主導(dǎo)群落構(gòu)建。群落生境是物種定居于某個區(qū)域的首要限制因素, 4個采樣點區(qū)域空間具有生境異質(zhì)性, 環(huán)境條件如水流流速、水溫、溶解氧含量等各不相同,具有特殊性。
區(qū)域尺度(Regional scale)魚類群落構(gòu)建機(jī)制在區(qū)域尺度下, 當(dāng)聚類為3組時, Group Ⅰ(宜昌)魚類群落系統(tǒng)發(fā)育結(jié)構(gòu)聚集, 表現(xiàn)為環(huán)境過濾作用主導(dǎo)群落構(gòu)建;Group Ⅱ(枝江+荊州)及GroupⅢ(漢南+湖口)魚類群落系統(tǒng)發(fā)育結(jié)構(gòu)均轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)散, 物種間的競爭排斥作用主導(dǎo)群落構(gòu)建。當(dāng)尺度進(jìn)一步擴(kuò)大即聚類為2組時, Group A(宜昌)魚類群落系統(tǒng)發(fā)育結(jié)構(gòu)始終為聚集, 表現(xiàn)為環(huán)境過濾作用主導(dǎo)群落構(gòu)建。Group B(枝江+荊州+漢南+湖口)魚類群落系統(tǒng)發(fā)育結(jié)構(gòu)則變?yōu)榘l(fā)散, 表現(xiàn)為物種間的競爭作用主導(dǎo)群落構(gòu)建。
然而無論從地區(qū)采樣點尺度或區(qū)域尺度進(jìn)行魚類群落系統(tǒng)發(fā)育結(jié)構(gòu)分析, 長江中游宜昌江段魚類群落均表現(xiàn)為系統(tǒng)發(fā)育結(jié)構(gòu)聚集, 表明宜昌江段具有強(qiáng)烈的、特殊的環(huán)境因子, 致使該位點始終為環(huán)境過濾作用主導(dǎo)群落構(gòu)建。宜昌江段是長江中上游的分界點, 上游河床比降大, 水流湍急, 中游河床比降銳減, 水流較平緩, 宜昌江段其環(huán)境條件相對于其他4個采樣點更為特殊, 使得該采樣點群落構(gòu)建機(jī)制始終為環(huán)境過濾作用[18]。在不同的研究尺度下, 荊州采樣點由于環(huán)境抑制性相對較為均衡,其魚類群落系統(tǒng)發(fā)育結(jié)構(gòu)始終不變表現(xiàn)為發(fā)散, 物種間競爭作用主導(dǎo)群落構(gòu)建。這反映出荊州江段環(huán)境的廣泛多樣, 容納了較多的遠(yuǎn)緣物種。其余江段(枝江、漢南、湖口)在地區(qū)采樣點尺度下, 由于區(qū)域空間生境具有異質(zhì)性, 各采樣點江段特殊的環(huán)境因子使得僅適應(yīng)該環(huán)境條件的物種得以共存, 群落內(nèi)多為近緣物種, 各江段群落的構(gòu)建機(jī)制均表現(xiàn)為環(huán)境因子過濾作用; 隨著研究尺度的擴(kuò)大即在區(qū)域尺度下, 環(huán)境多樣性增加, 群落內(nèi)容納的遠(yuǎn)緣物種增加, 從而導(dǎo)致魚類群落構(gòu)建機(jī)制發(fā)生轉(zhuǎn)變, 由環(huán)境因子過濾作用轉(zhuǎn)變?yōu)槲锓N間競爭作用。
已有研究發(fā)現(xiàn)群落構(gòu)建成因會由于尺度的不同而存在差異, 體現(xiàn)出空間尺度在群落構(gòu)建機(jī)制研究中的重要性[13,38,39]。Hubert等[38]分析了印度洋及太平洋3個島嶼、14個采樣點珊瑚礁魚類的群落構(gòu)建機(jī)制。結(jié)果發(fā)現(xiàn), 在地區(qū)采樣點尺度下(Local scale), 14個采樣點內(nèi)部, 群落構(gòu)成機(jī)制為中性隨機(jī)作用;在區(qū)域尺度下(Regional scale), 不同島嶼珊瑚礁魚類群落構(gòu)建機(jī)制為競爭排斥作用。然而對于陸生植物群落來說, 不同的研究尺度, 群落的構(gòu)建機(jī)制表現(xiàn)不同于魚類群落。Kembel和Hubbell[39]在研究巴拿馬熱帶雨林植物群落時, 發(fā)現(xiàn)在小尺度上, 群落的構(gòu)成機(jī)制為競爭作用, 譜系結(jié)構(gòu)發(fā)散, 隨著研究尺度的增加, 環(huán)境變量逐漸增多, 生境過濾則成為群落構(gòu)建的主要成因。
圖3 基于線粒體Cyt b序列構(gòu)建的長江中游5個采樣點魚類物種NJ系統(tǒng)發(fā)育樹Fig. 3 Neighbor-joining (NJ) tree of fish community based on Cyt b gene from 5 sampling sites of the middle reaches of the Yangtze River
本研究對長江中游干流不同尺度魚類群落結(jié)構(gòu)構(gòu)建機(jī)制進(jìn)行分析, 發(fā)現(xiàn)在地區(qū)采樣點尺度下,荊州江段魚類群落構(gòu)建機(jī)制為競爭作用, 其余4個采樣點均表現(xiàn)為環(huán)境過濾作用主導(dǎo)群落構(gòu)建; 在區(qū)域尺度下, 宜昌江段魚類群落構(gòu)建機(jī)制始終為環(huán)境過濾作用, 荊州江段魚類群落構(gòu)建機(jī)制始終為競爭作用, 其余3個采樣點(枝江、漢南、湖口)擴(kuò)大尺度后魚類群落構(gòu)建機(jī)制發(fā)生轉(zhuǎn)變, 由環(huán)境過濾作用轉(zhuǎn)變?yōu)楦偁幣懦庾饔弥鲗?dǎo)群落構(gòu)建。與Rahel等[35]的研究結(jié)果類似, 存在部分一致性。這反映出水生動物與陸生植物在不同的研究尺度上群落構(gòu)建機(jī)制存在差異。陸生植物群落環(huán)境因素對其物種組成有著非常重要的作用, 小空間尺度下的生境較為均質(zhì), 資源相對有限, 物種間的競爭作用主導(dǎo)群落構(gòu)建[11], 隨著研究尺度的增加, 群落內(nèi)溫度、水分、風(fēng)力、光照和土壤等諸多生態(tài)因子增加, 環(huán)境因子過濾作用成為群落構(gòu)建的主導(dǎo)因素[12,40]。但在水體環(huán)境中, 隨著研究尺度的增加, 水環(huán)境的多樣性使得群落內(nèi)容納了更多的遠(yuǎn)緣物種, 群落構(gòu)成的生態(tài)機(jī)制表現(xiàn)為競爭作用。因此, 不同的生境,不同的生物類群其群落構(gòu)建機(jī)制在不同尺度上表現(xiàn)不同。此外, 本研究顯示, 在長江中游干流的宜昌江段與其他江段有明顯的差別。因此, 在未來的保護(hù)工作中應(yīng)予以關(guān)注, 區(qū)別對待。
表2 長江中游魚類群落不同尺度下平均成對分類系統(tǒng)發(fā)育距離(MPD)和凈親緣關(guān)系指數(shù)(NRI)Tab. 2 Mean pairwise phylogenetic distance (MPD) and net relatedness index (NRI) with different spatial scales of fish community in the middle reaches of the Yangtze River
致謝:
感謝中國科學(xué)院水生生物研究所但勝國、張智、陳林、倪述、唐瑞和高嘉昕在采樣方面給予的幫助。