基于宏基因組(metabarcoding)技術的橡膠種植對林下節(jié)肢動物多樣性的影響

馬占霞,張 玲,甘建民,武珊珊,蘇建美,尚宇梅,李鑫鑫

(1.滇西應用技術大學普洱茶學院,云南 普洱 665000;2.中國科學院西雙版納熱帶植物園熱帶森林生態(tài)學重點實驗室,云南 勐侖 666303)

位于印度-緬甸生物多樣性熱點區(qū)域的西雙版納,是我國熱帶森林植被面積最大、類型最多樣、保存最完整、生物多樣性最豐富的地區(qū),也是具有全球意義的生物多樣性關鍵地區(qū)之一[1]。由于處于熱帶生物區(qū)系向亞熱帶生物區(qū)系過渡的生物地理群落交錯帶上,西雙版納地區(qū)生物多樣性較為豐富,但生態(tài)系統(tǒng)也較為脆弱[2-3]。近幾十年來,西雙版納地區(qū)大面積的熱帶雨林逐漸被單一種植的橡膠林替代,橡膠林面積由1976年占全區(qū)面積的1.3%擴展到2007年的11.3%[4],2017年西雙版納傣族自治州橡膠種植面積已達50.04萬hm2[5-6]。橡膠種植帶來了一系列生態(tài)問題[7-8],其中最直接的生態(tài)效應是生物多樣性降低[9-10]。

土地利用變化造成生物多樣性喪失的原因主要是:使原有生境消失,從而導致依賴這些生境的物種隨之滅絕;改變了原有生境的空間格局,影響物種的擴散、遷移和建群,從而縮小了物種的分布范圍,降低個體和種群的存活機會[11-12]。WATT等[13]研究發(fā)現(xiàn),在間伐熱帶天然林林冠上,螞蟻物種保留在87%以上,是皆伐林地的20倍。熱帶森林中甲蟲的物種豐富度比橡膠種植園高,且隨著森林破碎化程度的增高而減少[14]。不同節(jié)肢動物類群對土地利用方式的響應不同,BENG等[15]對西雙版納茶園和橡膠林中節(jié)肢動物的調查結果顯示,鞘翅目和雙翅目與土地利用方式相關,而鱗翅目和蜚蠊目對土地利用沒有響應。隨著西雙版納地區(qū)土地利用過程中干擾強度的加大及橡膠林的擴張,甲蟲、螞蟻等節(jié)肢動物物種多樣性和群落組成均受到影響[16-19]。目前,西雙版納土地利用方式對生物多樣性影響的研究主要側重于節(jié)肢動物的物種多樣性和不同土地利用方式下節(jié)肢動物多樣性的比較分析,然而在單一橡膠林種植背景下,森林鑲嵌格局在不同景觀尺度上對節(jié)肢動物物種分布格局的影響研究還鮮見報道。綜上所述,探究具有指示環(huán)境變化功能的節(jié)肢動物群落對橡膠種植的響應,可為西雙版納生物多樣性保護提供數(shù)據(jù)支撐。

筆者探究熱帶森林轉化為橡膠林后,橡膠林和森林鑲嵌景觀格局對節(jié)肢動物群落組成和物種多樣性的影響,分析影響節(jié)肢動物分布格局的環(huán)境因素,從而探討森林破碎化產(chǎn)生的生態(tài)學效應,為保護區(qū)規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支持。采用野外調查和室內分析相結合方法,探討西雙版納納板河流域橡膠林和森林鑲嵌格局對節(jié)肢動物群落結構和生物多樣性的影響,擬回答以下主要科學問題:(1)森林和橡膠林節(jié)肢動物群落組成和多樣性是否有差異?(2)橡膠林景觀背景下森林鑲嵌格局導致森林和橡膠林節(jié)肢動物群落結構發(fā)生變化的主導因素是什么?

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于云南省西雙版納傣族自治州景洪市與勐?？h接壤處的納板河流域國家級自然保護區(qū)及其周邊森林和橡膠林,總面積為270.1 km2,海拔為800～2 304 m,全區(qū)地勢西北高東南低,中部為納板河流域谷地;氣候類型屬北熱帶濕潤氣候區(qū),年降水量為1 100～1 600 mm;保護區(qū)按小流域生物圈保護區(qū)理念建設,劃分核心區(qū)、緩沖區(qū)和試驗區(qū)3大功能區(qū)。在緩沖區(qū)和試驗區(qū)遍布數(shù)個村寨及大面積橡膠林,其中,零星散布著被橡膠林隔斷的殘余森林片段。

1.2 取樣方法

通過實地情況調查并結合使用IKONOS衛(wèi)星地圖[20],選取9個片段森林及其相毗鄰的9個橡膠林為取樣樣地(圖1、表1)。節(jié)肢動物的獲取采用馬氏網(wǎng)(長×寬×高為3.5 m×2.0 m×1.5 m)的方法[21]。在所選取的每個樣地內分別設置4個馬氏網(wǎng),且兩網(wǎng)間距大于100 m,距離林地邊緣大于100 m,以避免邊緣效應對實驗結果的影響。定期收集樣品,包括旱季(2014年3—5月)和雨季末(2014年9—11月),每15 d清空1次收集瓶,旱季和雨季各收集6次節(jié)肢動物樣品。所收集樣品均保存在φ=95%的酒精中帶回實驗室進行分子生物學實驗,利用metabarcoding技術鑒定至可操縱的分類單元(operational taxonomic units,OTUs)。

表1 納板河研究樣地基本信息

1.3 樣地環(huán)境因子的測定

調查過程中,用手持GPS儀(GARMIN 62S)記錄相關樣點經(jīng)緯度、海拔、坡度和坡向等樣點信息。每個取樣點的土地利用和森林覆蓋情況,使用分辨率圖像(來自DigitalGlobe衛(wèi)星的ArcGIS 10.5 Baseman圖像)進行繪制。在景觀尺度上,以樣地為中心,分別以500、600、700、800、900和1 000 m為半徑畫圈,得到6個尺度的覆蓋區(qū),并從該區(qū)內提取所需要的森林覆蓋率指數(shù)。對不同景觀尺度的森林覆蓋率和節(jié)肢動物物種多樣性做logistic回歸分析,結果顯示,在以500 m為半徑的區(qū)域內,節(jié)肢動物物種多樣性和森林覆蓋率的相關性尤為顯著(R2=0.75,P=0.001),同時,鞘翅目(R2=0.48,P=0.017)、雙翅目(R2=0.62,P=0.004)和膜翅目(R2=0.50,P=0.025)與森林覆蓋率的相關性也在該區(qū)域內尤為顯著。因此,最終確定景觀尺度為以500 m為半徑的圓。在樣方尺度上,變量在半徑為50 m的覆蓋區(qū)內進行評估。選擇不同的空間尺度,以覆蓋具有不同覓食距離的一些節(jié)肢動物的“效應尺度”。景觀尺度環(huán)境變量包括天然森林覆蓋率、取樣點到森林距離。橡膠林內的環(huán)境變量包括膠樹年齡、橡膠樹間距、取樣點到片段森林邊緣距離、海拔、坡度和坡向。森林內的環(huán)境變量包括森林面積、樹種多樣性、取樣點到片段森林邊緣距離(表1～2)。所有景觀變量采用ArcGIS 10.5計算。

表2 景觀尺度和樣方尺度的解釋變量及其描述

1.4 分子實驗流程

節(jié)肢動物樣品參照YU等[3]方法進行挑撿,即從每一只節(jié)肢動物上獲取組織材料,不同節(jié)肢動物取樣位置不同,如較小的節(jié)肢動物取整只,較大的取前足;如鞘翅目、鱗翅目和蜘蛛目等一般取前足,大小如蚊子大小。用德國QIAGEN公司提供的DNA提取試劑盒(QIAGEN DNeasy Blood & Tissue)對混合樣品提取總DNA。利用美國invitrogenQubit 2.0熒光定量儀和QubitdsDNA HS分析試劑盒對基因組DNA精確定量,以確定PCR反應加入的DNA量。PCR選取的引物和反應體系參照YU等[3]的實驗。PCR產(chǎn)物定量混合后制備文庫,用美國Illumina公司提供的建庫試劑盒,按照建庫說明書建立文庫,并用北京索萊寶科技有限公司提供的2×SYBRGreen qpcr 試劑盒對文庫進行絕對定量。等濃度混合文庫后,按照說明書,使用MiSeq ReagentKit v3(Illumina,nc.,2015)進行測序。用Soapbarcode[22]流程對所得序列進行分析,包括降噪、嵌合體識別、OTU挑選和分類歸屬鑒定等。

1.5 統(tǒng)計分析

利用配對F檢驗分析片段森林和橡膠林中節(jié)肢動物物種多樣性差異(R軟件包vegan)。對不同土地利用方式節(jié)肢動物物種組成進行維恩圖(Venn diagram)分析(R軟件包VennDiagram),并對節(jié)肢動物物種組成進行稀疏曲線分析和制圖(R軟件包vegan和elasticnet包)。為了探究森林和橡膠林中節(jié)肢動物群落組成,對節(jié)肢動物群落組成結構差異性進行分析:用bray相異性指數(shù)度量森林之間和橡膠林之間節(jié)肢動物群落的beta多樣性(R軟件包vegan),并做非度量多維尺度法(nonmetric multidimensional scaling,NMDS)和差異性檢驗(R軟件包vegan和cluster),用脅強系數(shù)(stress,S)衡量NMDS分析結果的優(yōu)劣。通常認為當S<0.2時,可用NMDS的二維點圖表示,其圖形有一定的解釋意義;當S<0.1時,可認為是一個好的排序;當S<0.05時,認為具有很好的代表性。為了確定不同景觀尺度下每個變量對響應變量的影響,在R軟件包中挖掘1組預測變量,對候選模型(廣義線性模型,GLM)進行方差分析,選出最優(yōu)模型(R軟件包lme4)。然后對最佳候選模型進行多模型推理(R軟件包MuMIn),采用赤池信息準則(AIC，CAI)比較不同模型的擬合優(yōu)度,其中,AIC的截止閾值(ΔwAIC,ΔCwAI)<2[23],并對最佳模型集進行平均化。

2 結果與分析

2.1 橡膠林和森林林下節(jié)肢動物群落組成和alpha多樣性

在片段森林中采集節(jié)肢動物共14 451個個體,隸屬于27個類群。其中,優(yōu)勢類群包括彈尾目(Collembola)、鱗翅目(Lepidoptera)、蜱螨目(Acarina)和雙翅目(Diptera),4者個體數(shù)之和占總個體數(shù)的70.22%;常見類群包括膜翅目(Hymenoptera)、鞘翅目(Coleoptera)、嚙目(Psocoptera)、蜘蛛目(Araneae)、同翅目(Homoptera)、等翅目(Isoptera)、纓翅目(Physopoda)和直翅目(Orthoptera),占總個體數(shù)的26.42%;其余稀有類群有15目,占總個體數(shù)的3.36%。橡膠林中采集到節(jié)肢動物10 754個個體,隸屬于24個類群。其中,優(yōu)勢類群包括蜱螨目、鱗翅目、雙翅目和膜翅目,占總個體數(shù)的71%;常見類群包括彈尾目、鞘翅目、嚙目、直翅目和蜘蛛目,占總個體數(shù)的24.69%;其余稀有類群有15目,占總個體數(shù)的4.31%。橡膠林和森林中節(jié)肢動物群落物種組成的稀疏曲線見圖2,森林中節(jié)肢動物alpha多樣性(OTUs)明顯高于橡膠林。在森林和橡膠林中共得到397個OTUs,其中,片段森林中有347個,橡膠林中有136個。片段森林和橡膠林中共有OTUs為86個,片段森林節(jié)肢動物特有OTUs為261個,占物種總數(shù)的65.74%,橡膠林中節(jié)肢動物特有OTUs為50個,占物種總數(shù)的12.59%。森林節(jié)肢動物群落組成中,鞘翅目(F=12.01,P=0.003)、雙翅目(F=12.43,P=0.003)、鱗翅目(F=7.365,P=0.015)和膜翅目(F=20.98,P<0.001)均顯著高于橡膠林(圖3)。

2.2 橡膠林和森林林下節(jié)肢動物群落beta多樣性

單因素方差分析結果表明,林型對節(jié)肢動物的beta多樣性(bray相異性指數(shù))有顯著影響(F=4.47,P=0.038),森林之間、橡膠林之間beta多樣性平均值分別為0.760和0.706。NMDS分析結果(圖4)表明,片段森林和橡膠林中節(jié)肢動物物種組成存在差異。脅強系數(shù)(stress)為0.19,表明前兩個維度解釋了高百分比的排序。

2.3 森林和橡膠林鑲嵌景觀對林下節(jié)肢動物多樣性影響的因素分析

用廣義線性模型對節(jié)肢動物物種多樣性和不同尺度下的環(huán)境解釋變量做回歸分析,在所得到的模型中選擇ΔCwAI<2的模型,所選模型中的環(huán)境解釋變量為在該尺度下對節(jié)肢動物多樣性有影響的環(huán)境因子。在景觀尺度(表3)上,最優(yōu)模型1環(huán)境解釋變量為森林覆蓋率和到森林距離;優(yōu)化模型2環(huán)境解釋變量為森林覆蓋率。模型預測結果表明,節(jié)肢動物物種多樣性與森林覆蓋率的增加有關。在樣方尺度上,橡膠林中的多模型分析(表3)表明模型6最優(yōu),其環(huán)境解釋變量包括膠樹年齡和到森林邊緣距離。對于片段森林中節(jié)肢動物物種(表3)而言,模型8最優(yōu),其環(huán)境解釋變量包括片段森林面積、樹種多樣性、到森林邊緣距離、坡向和海拔。

表3 影響節(jié)肢動物物種多樣性(OTUs)的優(yōu)化模型

3 討論

3.1 森林和橡膠林對節(jié)肢動物物種多樣性和beta多樣性的影響

在西雙版納納板河自然保護區(qū),橡膠林種植導致的橡膠林和森林鑲嵌性格局中,節(jié)肢動物群落物種多樣性和群落結構因土地利用方式的改變而變化。森林中節(jié)肢動物的多度和物種豐富度均顯著高于與之相毗鄰的橡膠林。這一結果與其他關于土地利用變化對節(jié)肢動物影響的研究結果一致,表明將自然林轉變?yōu)槿斯ち謺档凸?jié)肢動物物種多樣性。森林雖然在結構上已經(jīng)被破壞,但是其相對于環(huán)境單一、異質性低的橡膠林,擁有更豐富的食物資源和更適宜的環(huán)境,利于對環(huán)境要求高的生物類群生存[24]。MENG等[17]對納板河流域甲蟲的調查結果顯示,橡膠林中甲蟲多度和物種多樣性顯著低于自然林;也有研究表明橡膠林步行蟲物種豐富度比森林低,原因可能是活動能力強的昆蟲會選擇較適宜的生境[25]。

對節(jié)肢動物beta多樣性的研究結果表明森林中節(jié)肢動物與橡膠林中具有顯著差異,森林中的物種更替速率快于橡膠林。盡管由于取樣量的問題,在森林和橡膠林中節(jié)肢動物取樣量均未達到可以對其進行全面調查的程度,但是通過采樣量外推后,兩種生境中節(jié)肢動物物種豐富度依然表現(xiàn)為森林顯著高于橡膠林,這說明對于節(jié)肢動物群落分布,森林生境更加異質化。HOUSTON等[26]研究發(fā)現(xiàn),白蟻群落組成受植被類型的影響,植被類型相似性越高,其中的白蟻群落組成相似性就越高。LIU等[19]對西雙版納地區(qū)螞蟻的研究結果也表明,橡膠林環(huán)境的同質性導致橡膠林中螞蟻beta多樣性較低,即螞蟻的群落組成比較相似。在納板河地區(qū),各個片段森林因地理因素和植被類型不同,生境異質性較高且存有豐富的節(jié)肢動物物種多樣性。另一方面,在自然林向橡膠林轉變的過程中,環(huán)境受到很大破壞,較為單一的橡膠林生境只能保存對生境質量要求不高的類群,所以橡膠林中節(jié)肢動物物種的beta多樣性較低。

值得注意的是,即使橡膠林中節(jié)肢動物物種數(shù)量和物種多樣性均小于森林,但橡膠林之間節(jié)肢動物物種組成也存在差異,當采樣量加大時,橡膠林中也會發(fā)現(xiàn)更多的節(jié)肢動物物種。這可能是由不同橡膠林樣地的不同管理方式所致,如殺蟲劑的使用與否,施肥量的不同以及刈割的頻率與程度不同等,使不同的橡膠林樣地所受干擾程度有所差異。另外,也可能是由于橡膠林的林齡不同,納板河流域大多數(shù)橡膠林都是低齡林,隨著橡膠林齡的增長,棲息地的生存環(huán)境質量會下降,這對某些昆蟲物種極為不利,尤其對專性昆蟲和稀有種的影響更大。

3.2 橡膠林和森林鑲嵌格局中影響節(jié)肢動物多樣性的主要環(huán)境變量

在景觀尺度上,研究顯示節(jié)肢動物物種多樣性與森林覆蓋率顯著相關。當森林覆蓋率大于50%時,節(jié)肢動物物種多樣性大幅度增加?？赡艿脑蚴窃谏指采w率大于50%的區(qū)域內,景觀受人類活動的干擾較小,基質連通性高,且植物物種資源豐富,可以容納更多的生物種群。

在樣方尺度上,地形因子坡向和海拔對森林節(jié)肢動物群落組成有不同程度的影響。海拔、坡向和坡度等地形因子影響光照、溫濕度和養(yǎng)分等的空間分布,對生物多樣性也會產(chǎn)生影響[27-28]。其中,海拔影響著森林土壤、植被、小氣候以及樹木的生長和分布等,對昆蟲的生長、發(fā)育、存活和生殖力產(chǎn)生影響,進而影響昆蟲群落的組成、結構和功能[29];因橡膠的種植有人為因素的影響,多數(shù)橡膠林坡向向陽,所以筆者研究所調查的森林和橡膠林之間存在一定的海拔、坡度和坡向差異,給分析節(jié)肢動物群落的分布格局帶來一定影響。

在橡膠林中樣方尺度上,橡膠林林齡和到森林邊緣距離對節(jié)肢動物物種多樣性產(chǎn)生顯著影響。林齡小于20 a的橡膠林(低齡林)具有開放式林冠,郁閉度較低,而林齡在20～40 a(高齡林)的橡膠林具有較密閉的林冠層,郁閉度相對較高。研究發(fā)現(xiàn),低齡橡膠林中食蚜蠅的物種豐富度提高,而野蜂物種多樣性下降[17];步甲在低齡橡膠林中的個體數(shù)量雖與森林中相似,但在高齡橡膠林中的數(shù)量下降,這些都說明隨著膠樹年齡的變化,節(jié)肢動物的群落組成也會有差別[30]。在森林中樣方尺度上,片段森林面積、樹種多樣性和樣點到森林邊緣距離是影響節(jié)肢動物多樣性的主要環(huán)境變量。有關種-面積曲線的研究結果表明,與小片段島嶼相比,大片段島嶼可容納更多的物種數(shù),這是因為更大面積的生境具有更高的環(huán)境異質性,因此生物類群的數(shù)量和組成均顯著優(yōu)于小片段生境,較高的生境異質性在提高物種多樣性的同時,也為更多的特有種生存提供了可能[31-32]。小面積片段森林受生存資源不足、邊緣效應即樣點到森林邊緣距離和樹種多樣性較低等因素的影響,生存環(huán)境穩(wěn)定性減弱,可能易導致物種間的競爭加強,促使動物群落中優(yōu)勢物種過度繁殖,從而可能導致小片段森林中節(jié)肢動物優(yōu)勢種群所占比例比大片段森林要高,但物種豐富度降低。

4 結論

(1)以橡膠林為背景的土地利用景觀格局中,橡膠種植選址應充分考慮周邊森林的樹種多樣性,適當保留向陽坡向的森林片段,提高森林與橡膠林鑲嵌格局的異質性,將有利于節(jié)肢動物多樣性的保護。

(2)在500 m研究尺度上,當森林覆蓋率大于50%時,節(jié)肢動物物種多樣性顯著增加,即在該尺度上,森林覆蓋率至少要維持在50%以上,才能更好地保護節(jié)肢動物多樣性。

(3)隨著膠齡的增加,開展多層次、多物種的人工橡膠林群落構建模式,包括橡膠與茶、咖啡、可可、大葉千斤拔,甚至多物種混合的復合混農林體系,豐富樹種多樣性將有利于保護鳥類、土壤動物和昆蟲等群落的物種多樣性。