海拔梯度變化對(duì)黃緣蜾蠃筑巢結(jié)構(gòu)及相關(guān)生物學(xué)特性的影響

竇飛越,張 歡,吳智宏,林木青,束祖飛,李紅英,寇若玫,周澤揚(yáng),黃敦元,*,肖治術(shù)

1 重慶師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,媒介昆蟲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 401331 2 廣東車八嶺國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局,韶關(guān) 512500 3 中國科學(xué)院動(dòng)物研究所,農(nóng)業(yè)蟲害鼠害綜合治理研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101 4 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049

地上筑巢的野生獨(dú)棲蜂類(包括蜜蜂和胡蜂類群)喜歡選擇天然存在的空穴材料如石縫、植物莖稈、枯木中的蟲洞以及蝸牛殼等場地進(jìn)行筑巢[1—2]。研究發(fā)現(xiàn)適宜的棲息地環(huán)境、充足的食物資源以及適合的筑巢材料是這類昆蟲繁殖的主要限制因素[3—4]。因此,對(duì)獨(dú)棲蜂類而言,在資源有限的自然環(huán)境下,如何最佳利用筑巢資源以提高種群對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性是非常重要的。研究表明,在具有雌雄體型性二型現(xiàn)象的物種中,親本可以根據(jù)現(xiàn)有的筑巢資源豐度調(diào)整對(duì)子代的投資及性別分配比例[5—6]。例如,在Osmiarufa筑巢期中,由于雌性對(duì)后代提供的食物效率下降,導(dǎo)致其后代體型的減少和后代性比雄性偏多[7]。然而到目前為止,這類研究通常關(guān)注的更多的是水平帶上的差異[8—9],對(duì)于同一個(gè)地區(qū)不同海拔梯度下的獨(dú)棲蜂類是如何調(diào)整其筑巢策略以適應(yīng)環(huán)境變化,還需要進(jìn)一步研究[10]。

山地生態(tài)類環(huán)境系統(tǒng)是地球表面具有顯著起伏和坡度的三維地貌體[11]。海拔梯度作為山地生境差異的主導(dǎo)因子,其現(xiàn)象表現(xiàn)為溫度、降水、風(fēng)速、光照及土壤等自然因子隨海拔變化而出現(xiàn)規(guī)律性的梯度變化,進(jìn)而影響物種的多樣性及組成和分布[12—13]。目前的研究表明,不同類群或不同區(qū)域下的物種多樣性隨海拔梯度的分布格局各異[14],但大致呈現(xiàn)4種格局：即單調(diào)遞減格局(decreasing patterns)、低平臺(tái)高原格局(low-elevation plateaus,LP)、偏峰格局(low-elevation plateaus with a mid-elevation peak,LPMP)和中峰格局(mid-elevation peak,MP),4種格局分別占25%、15%、14%、45%[15]。除此之外,研究物種的多樣性分布格局及組成結(jié)構(gòu)隨海拔梯度的變化還有助于理解全球氣候變化對(duì)物種的影響,同時(shí)為生物多樣性的保護(hù)提供理論依據(jù)[16—20]。在昆蟲中,捕食性和寄生性昆蟲在調(diào)節(jié)獵物和宿主的種群動(dòng)態(tài)中起著至關(guān)重要的作用[21],其中野生蜂類是研究沿海拔梯度變化的模式生物之一[22]。

蜾蠃亞科(Eumeninae)隸屬于膜翅目(Hymenoptera)細(xì)腰亞目(Apocrita)針尾部(Aculeata)胡蜂科(Vespidae)[23—24],全世界共有205屬3773種,中國紀(jì)錄51屬267種[25]。研究表明,蜾蠃亞科多為獨(dú)棲類群,喜營自由生活,雌蜂交配后開始筑巢狩獵并產(chǎn)卵繁殖,其巢穴類型主要有兩種：一種是用泥土修建成中空壺狀的巢穴,另一種是利用天然空穴修建的巢穴[26—27]。該亞科的狩獵方式是雌蜂用蜇針蜇刺鱗翅目幼蟲,使獵物麻痹,再帶回巢穴中儲(chǔ)備以供后代取食。研究發(fā)現(xiàn),黃唇蜾蠃(Rhynchiumbruneum)的一個(gè)巢穴內(nèi)多達(dá)45條鱗翅目害蟲,因此蜾蠃類群對(duì)農(nóng)林害蟲防治能起到一定控制作用[28—29]。此外,蜾蠃類群的蜂毒因具有麻痹和貯存活體寄主的功能,所以在蜂毒成分研究和新型麻醉劑的開發(fā)應(yīng)用方面也具有一定的意義[30—32]。

黃緣蜾蠃(Anterhynchiumflavomarginatum)隸屬于蜾蠃亞科(Eumeninae)緣蜾蠃屬(Anterhynchium)[25],主要分布在我國浙江、上海、江西、湖南、四川、福建、廣西、云南等地[33—35]。研究表明,該蜂自然條件下選擇甲蟲廢棄的地道、樹木、竹子以及蘆葦?shù)炔牧现兄?主要以鱗翅目幼蟲為食,是一種重要的捕食性天敵昆蟲[9]。

人工巢穴技術(shù)(trap-nesting)是利用蘆葦、紙筒、竹子等材料制成一端開口一端封閉的巢管,或直接在木頭上鉆蛀不同大小的巢孔并放置在野外用以收集獨(dú)棲蜂類的一種誘集裝置[36—39]。1967年,Karl首次利用巢管收集獨(dú)棲性蜂類[40],隨著該技術(shù)的推廣和完善,目前人工巢穴技術(shù)常和網(wǎng)掃、黃盤誘集、馬來氏網(wǎng)、飛行阻截等采集方法一起對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行標(biāo)本采集并作為昆蟲多樣性分析的依據(jù)[41—42],也廣泛用于研究獨(dú)棲蜂類后代的性比及性別分配機(jī)制[5,9,43],還用于傳粉昆蟲和捕食性天敵的放養(yǎng)等[44—46]。本研究利用蘆葦制作的人工巢管,在廣東車八嶺國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)中誘集不同海拔梯度下的黃緣蜾蠃,研究海拔梯度對(duì)該蜂筑巢策略的影響,旨在進(jìn)一步探討黃緣蜾蠃等獨(dú)棲性蜂類對(duì)不同海拔梯度下特定生境的響應(yīng)。

1 材料與方法1.1 研究地概況

廣東車八嶺國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)位于中國廣東省始興縣東南部,北緯24°40′29″—24°46′21″,東經(jīng)114°07′39″—114°16′46″,總面積75.45 km2。該區(qū)地勢(shì)西北高東南低,最低處樟棟水海拔330 m,最高峰天平架海拔1256 m。保護(hù)區(qū)年均溫度19.6 ℃,最高溫38.4 ℃,年降水量1,150—2,126 mm。保護(hù)區(qū)植物區(qū)系屬于南亞熱帶向中亞熱帶的過度地帶,是南嶺山脈南緣具有代表性的中亞熱帶常綠闊葉林[47]。

1.2 樣地設(shè)置

本研究自2017年底在廣東車八嶺國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)布設(shè)人工巢箱對(duì)區(qū)內(nèi)野生蜂類多樣性進(jìn)行監(jiān)測。人工巢箱布設(shè)方案：以整個(gè)保護(hù)區(qū)全境及周邊為單位制作1 km × 1 km網(wǎng)格地圖,共設(shè)置100個(gè)調(diào)查網(wǎng)格,每個(gè)調(diào)查網(wǎng)格布設(shè)3個(gè)人工巢箱(其中1個(gè)在林內(nèi),2個(gè)在林緣),每個(gè)巢箱有2個(gè)PVC管組成(PVC規(guī)格：長25 cm,內(nèi)徑110 cm),每個(gè)PVC管內(nèi)放有約70根巢管(巢管規(guī)格：長度在8—20 cm之間,內(nèi)徑在0.5—1.7 cm之間),共300個(gè)巢箱(圖1)。使用GPS記錄所有巢箱的地理信息。野外調(diào)查時(shí)間從2018年5月初至2019年5月初,每隔1—2個(gè)月收集1次筑巢巢管并帶回室內(nèi)飼養(yǎng)觀察,同時(shí)在對(duì)應(yīng)巢箱中補(bǔ)充相同數(shù)目的空巢管；室內(nèi)飼養(yǎng)觀察持續(xù)到2019年12月。

圖1 廣東車八嶺國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)巢管位點(diǎn)分布及安裝示意圖Fig.1 Site distribution and installation of trap nests in the Chebaling National Nature Reserve,Guangdong Province黑色 的點(diǎn)代表巢管安裝的位點(diǎn)分布

1.3 研究方法

室內(nèi)對(duì)黃緣蜾蠃的筑巢巢管進(jìn)行編號(hào),用解剖刀把巢管剖開約1/3,使用電子游標(biāo)卡尺測量巢管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)大小,包括：巢管內(nèi)徑、蟲室長度、間室長度和前庭長度(相鄰隔板間的距離),并統(tǒng)計(jì)每根巢管中的蟲室數(shù)量和間室數(shù)量(圖2),最后將解剖后的巢管放入無菌玻璃試管內(nèi)并用藥棉堵塞管口,以便后續(xù)觀測記錄。羽化成蟲及其寄生類群用5 mL凍蟲管獨(dú)立分裝,酒精浸泡后放入冰柜中冷凍保存以便后續(xù)相關(guān)研究。使用電子游標(biāo)卡尺測量兩翅膀基部間的距離(胸寬)。

圖2 黃緣蜾蠃的巢管結(jié)構(gòu)Fig.2 Nest structure of A. flavomarginatum

1.4 數(shù)據(jù)分析

廣義加合模型(generalized additive model,GAM)的特征是不需要預(yù)先設(shè)定自變量和因變量之間的具體函數(shù)關(guān)系,其可以通過自變量和因變量之間的光滑函數(shù)來構(gòu)建數(shù)學(xué)關(guān)系,所以能最大程度符合原始數(shù)據(jù)的規(guī)律[48]。該模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下[49]：

F(x)=f1(x1)+f2(x2)+…+fn(xn)+b0

式中,F(x)為鏈接函數(shù),fn為解釋變量關(guān)系的非參數(shù)函數(shù),b0為常數(shù)截距項(xiàng)。

本研究中,運(yùn)用GAM模型分別對(duì)巢內(nèi)徑、巢室長度、巢室數(shù)量、雌雄數(shù)量及雌蟲胸寬進(jìn)行回歸分析。數(shù)據(jù)經(jīng)過Excel 2016軟件統(tǒng)計(jì)后,利用R 3.6.2軟件中“mgcv”包中的“gam”函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行GAM模型分析[50],通過“plot”函數(shù)實(shí)現(xiàn)所有的圖形可視化[51],分析結(jié)果通過P值和調(diào)整判定系數(shù)(R2)來表征。其中,P值代表統(tǒng)計(jì)結(jié)果的顯著性水平,本文的顯著性水平取P<0.05,R2用于判定回歸方程的擬合效果,值域?yàn)閇0,1],值越大擬合效果越好。

2 結(jié)果與分析

2.1 海拔梯度對(duì)巢管大小選擇的影響

對(duì)野外回收167根黃緣蜾蠃筑巢巢管的內(nèi)徑和長度進(jìn)行測量發(fā)現(xiàn),雌蟲偏好選擇的巢管內(nèi)徑范圍在5.63—19.13 mm之間,平均長度為(11.98 ± 2.20)mm(n=167)。對(duì)不同海拔梯度下該蜂的筑巢巢管內(nèi)徑數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析發(fā)現(xiàn),隨著海拔梯度增加,巢管內(nèi)徑呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)(R2=0.28,P<0.01)(圖3)。

圖3 基于GAM模型的海拔與巢管內(nèi)徑最優(yōu)擬合結(jié)果 Fig.3 Results of GAM analysis on altitude and nest inner diameter 實(shí)點(diǎn)表示觀測的巢管內(nèi)徑,實(shí)線為模型預(yù)測的擬合曲線,虛線表示模型預(yù)測的95%置信區(qū)間,縱坐標(biāo)為平滑函數(shù)的值

2.2 海拔梯度對(duì)巢室長度的影響

通過室內(nèi)對(duì)黃緣蜾蠃筑巢巢管的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測量發(fā)現(xiàn)：該蜂筑巢巢管的蟲室、間室、前庭的長度范圍分別在8.68—45.65 mm、4.63—39.26 mm、3.75—49.98 mm,平均長度分別為(24.64 ± 7.51)mm(n=302)、(16.21 ± 7.30)mm(n=152)、(19.60 ± 10.39)mm(n=122)?；貧w結(jié)果顯示,蟲室、間室和前庭與海拔之間具有相關(guān)性,但解釋程度較低,為弱相關(guān),模型顯示蟲室、間室和前庭的長度隨著海拔增加總體上都呈現(xiàn)先減后增的趨勢(shì)(R2=0.14,P<0.01；R2=0.16,P<0.01；R2=0.46,P<0.01)(圖4)。

圖4 基于GAM模型的海拔與巢室長度(蟲室長度,間室長度,前庭長度)最優(yōu)擬合結(jié)果Fig.4 Results of GAM analysis on altitude and nest length (brood cell length;intercalary cell length;vestibular cell length)實(shí)點(diǎn)表示觀測的巢室長度,實(shí)線為模型預(yù)測的擬合曲線,虛線表示模型預(yù)測的95%置信區(qū)間,縱坐標(biāo)為平滑函數(shù)的值

2.3 海拔梯度對(duì)巢室數(shù)量的影響

對(duì)黃緣蜾蠃所有筑巢巢管內(nèi)的巢室數(shù)量統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：每個(gè)巢管中的蟲室數(shù)量在1—6之間,平均為(2.39 ± 1.06)(n=167)；間室數(shù)量在1—4之間,平均值為(1.66 ± 0.71)(n=167)。對(duì)該蜂不同海拔梯度下的筑巢巢管的蟲室數(shù)目和間室數(shù)目進(jìn)行回歸分析發(fā)現(xiàn),隨著海拔梯度增加,蟲室數(shù)和間室數(shù)均表現(xiàn)為先增后減的趨勢(shì),但解釋程度較低,為弱相關(guān)(R2=0.10,P<0.001；R2=0.15,P<0.01)(圖5)。

圖5 基于GAM模型的海拔與巢室數(shù)量(蟲室數(shù)量,間室數(shù)量)最優(yōu)擬合結(jié)果Fig.5 Results of GAM analysis on altitude and nest number (brood cell number;intercalary cell length)實(shí)點(diǎn)表示觀測的巢室數(shù)量,實(shí)線為模型預(yù)測的擬合曲線,虛線表示模型預(yù)測的95%置信區(qū)間,縱坐標(biāo)為平滑函數(shù)的值

2.4 海拔梯度對(duì)子代雌雄分配的影響

2018年5月初至2019年5月初期間,只有46%的羽化蜂被成功收集(在巢管解剖前就有蜂羽化出巢,或者在室內(nèi)孵育過程因寄生生物、病蟲害造成死亡,以及未知原因造成的死亡),共173只,其中雌性個(gè)體55只,雄性個(gè)體118只,雌雄性比為1∶2.1。對(duì)該蜂不同海拔梯度下的雌雄數(shù)量進(jìn)行回歸分析發(fā)現(xiàn),隨著海拔梯度增加,單根巢管內(nèi)的雄性數(shù)量呈現(xiàn)多波峰的非線性關(guān)系(R2=0.14,P=0.02),而單根巢管內(nèi)的雌性數(shù)量呈先增后減的趨勢(shì)(R2=0.28,P<0.01),但對(duì)單根巢管內(nèi)的雄性數(shù)量解釋程度較低,為弱相關(guān)(圖6)。

圖6 基于GAM模型的海拔與子代雌雄數(shù)量(雄性數(shù)量,雌性數(shù)量)最優(yōu)擬合結(jié)果Fig.6 Results of GAM analysis on altitude and number of male and female offspring (male number;female number)實(shí)點(diǎn)表示觀測的子代雌雄數(shù)量,實(shí)線為模型預(yù)測的擬合曲線,虛線表示模型預(yù)測的95%置信區(qū)間,縱坐標(biāo)為平滑函數(shù)的值

2.5 海拔梯度對(duì)雌性成蟲胸寬的影響

對(duì)羽化出巢后的雌性黃緣蜾蠃的胸寬進(jìn)行測量發(fā)現(xiàn)：該蜂雌性成蟲的胸寬在4.50—6.16 mm,平均值為(5.23 ± 0.35)mm(n=55)。對(duì)該蜂不同海拔梯度下雌性成蟲的胸寬大小進(jìn)行回歸分析發(fā)現(xiàn)：隨著海拔梯度增加,雌性成蟲胸寬總體呈先增后減的趨勢(shì),在海拔400—700 m之間逐漸上升,在約700 m之后逐漸下降(R2=0.31,P<0.01)(圖7)。

圖7 基于GAM模型的海拔與子代雌性成蟲胸寬最優(yōu)擬合結(jié)果 Fig.7 Results of GAM analysis on altitude and female breast wide of offspring實(shí)點(diǎn)表示觀測的子代雌性成蟲胸寬,實(shí)線為模型預(yù)測的擬合曲線,虛線表示模型預(yù)測的95%置信區(qū)間,縱坐標(biāo)為平滑函數(shù)的值

3 結(jié)果和討論

獨(dú)棲蜂類依賴于現(xiàn)存的孔洞筑巢,一旦雌蜂筑好巢穴,其后代從卵、幼蟲到蛹會(huì)一直在巢穴中生活[37],因此雌蜂對(duì)巢穴大小的選擇就顯得非常重要。目前已有研究表明巢穴尺寸會(huì)影響到這類昆蟲后代的性別比偏向,具體而言,在內(nèi)徑較小的巢穴中,雄性比例會(huì)上升,而在內(nèi)徑較大的巢穴中,雌性比例會(huì)上升[52]。同樣地,郭鵬飛等人在研究黃緣蜾蠃后代性別的分配時(shí)也發(fā)現(xiàn),隨著巢管直徑的增加,雌性比例增加的現(xiàn)象[9]。為了進(jìn)一步探究這種現(xiàn)象背后的原因,本研究將海拔梯度作為解釋變量,實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)了,隨著海拔的增加,黃緣蜾蠃選擇的巢管內(nèi)徑尺寸先增后減,而后代中雌性數(shù)量也出現(xiàn)了先增后減的趨勢(shì)。盡管研究還發(fā)現(xiàn)了后代中雄性數(shù)量有著與雌性數(shù)量變化相反的趨勢(shì),但是模型顯示了雄性數(shù)量與海拔之間相關(guān)性較弱。因此,本研究認(rèn)為海拔梯度主要影響了黃緣蜾蠃對(duì)巢管內(nèi)徑的選擇以及對(duì)后代中雌性的投資比例。根據(jù)以往的研究結(jié)果顯示,巢穴附近的食物豐富度會(huì)影響?yīng)殫漕悓?duì)后代性別比的分配。Seidelmann等人認(rèn)為,在巢管空間不限制下,親本將調(diào)整對(duì)后代的投資至上限,這種調(diào)整將有利于體型較大的雌性個(gè)體[1,53],而巢穴的內(nèi)徑大小又決定了每個(gè)蟲室中可投資的食物上限[54]。因此,在食物可觀的情況下,親本會(huì)選擇較大的巢管來繁殖更多的雌性后代。吳艷光在調(diào)查長白山地區(qū)的昆蟲多樣性中發(fā)現(xiàn),在不同海拔高度的垂直帶中,針闊混交林群落相比其它群落具有更高的昆蟲物種數(shù)和個(gè)體數(shù)[55]。梁召俊在調(diào)查川西高原森林昆蟲種類多樣性發(fā)現(xiàn),鱗翅目昆蟲在人工林的數(shù)量總體少于原始林[56]。而對(duì)于黃緣蜾蠃,該蜂是一種以鱗翅目幼蟲為食的獨(dú)棲性捕食昆蟲,據(jù)研究顯示,車八嶺植被垂直類型為：從低海拔以常綠闊葉林、針葉林和人工林為主(330—500 m),中海拔以常綠闊葉林和針葉林為主(500—800 m),高海拔以灌叢草坡為主(800—1256 m)[57]。因此在該片區(qū),中海拔的常綠闊葉林和針葉林具有的昆蟲多樣性更高,黃緣蜾蠃可以獲得更多的食物資源,從而促使其選擇更大內(nèi)徑的巢穴,以繁殖更多的雌性后代。

獨(dú)棲蜂的親本對(duì)后代體型有高度控制權(quán),食物的攝入量與獨(dú)棲性后代體型大小密切相關(guān)[6]。Alonso等人在調(diào)查一種泥蜂時(shí)發(fā)現(xiàn),體重更大的泥蜂能捕捉獵物體重的范圍更大[52]。此外,對(duì)于這類獨(dú)棲昆蟲而言,雌性通常扮演者筑巢、捕食和繁殖的角色,而雄性通常只負(fù)責(zé)求偶交配。顯然,雌性在種群中具有更多的功能屬性。在本研究,黃緣蜾蠃后代中雌蜂的數(shù)量和胸寬都隨海拔增加先增后減,而雄性數(shù)量與海拔呈弱相關(guān)性。這可能就是因?yàn)?雌性在種群中的重要地位決定的。而雌蜂的這種重要性,促使親本在食物更多的中海拔區(qū)對(duì)雌性子代具有更多的投資,結(jié)果表現(xiàn)為更大體型和更多數(shù)量的雌性后代,以提高種群生存和繁殖的競爭力。相反,對(duì)于雄性的投資就顯得不太重要。

獨(dú)棲蜂類的巢管結(jié)構(gòu)主要包括蟲室(brood cells/provisioned cells)、間室(intercalary cell)及前庭(vestibular cell)3個(gè)部分[30]。Polidori等人[5]認(rèn)為,野生蜂類親本除了考慮選擇適宜的巢管大小外,還要考慮對(duì)筑巢空間的分配,即雌蜂需要根據(jù)現(xiàn)有環(huán)境權(quán)衡后代大小和數(shù)量間的關(guān)系,Smith和Fretwell研究發(fā)現(xiàn),親本對(duì)子代數(shù)量上的投資大于后代個(gè)體大小的投資,因?yàn)樽哟鷶?shù)量對(duì)整個(gè)種群穩(wěn)定的維持更加顯著[58]。而在海拔梯度上,本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),盡管隨著海拔增加,蟲室長度、間室長度、蟲室數(shù)和間室數(shù)分別有對(duì)應(yīng)的變化趨勢(shì),但模型的解釋程度較低,這些因子與海拔之間呈弱相關(guān)。相反，前庭長度表現(xiàn)出較高相關(guān)性。在Asís等人的研究中發(fā)現(xiàn)，較長的前庭不僅能夠減少子代在發(fā)育最初階段的死亡率，還能夠減少巢穴外剩余空間大小，以防止其它雌性前來筑巢[59]。因此,結(jié)果表明了海拔在筑巢空間上主要體現(xiàn)在對(duì)前庭長度的影響。

對(duì)獨(dú)棲蜂類而言,在資源有限的自然環(huán)境下,如何最佳利用筑巢資源以提高種群對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性是非常重要的。本研究顯示,海拔主要影響的是黃緣蜾蠃對(duì)巢管內(nèi)徑大小的選擇,而不是對(duì)巢室長度和數(shù)量的分配,同時(shí),黃緣蜾蠃對(duì)巢管內(nèi)徑的選擇可以影響到后代性別比,這種策略主要體現(xiàn)在親本對(duì)雌性子代的投資,而不是雄性子代。由此可見黃緣蜾蠃可通過調(diào)整其筑巢策略以應(yīng)對(duì)不同海拔下的環(huán)境,但對(duì)于其它獨(dú)棲蜂類而言,是否也具有一致的調(diào)整策略尚未清楚,仍需進(jìn)一步研究。