王亞璐,陳瀟奕,郭宗林,蔣富國(guó),王國(guó)兵
(南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210037)
螞蟻是昆蟲(chóng)綱(Insecta)膜翅目(Hymenoptera)蟻科(Formicidae)的一種社會(huì)性昆蟲(chóng),全世界已知的螞蟻有13 513 多種,共計(jì)17 亞科334 屬,中國(guó)已發(fā)現(xiàn)超過(guò)600 種螞蟻。螞蟻不僅捕食許多農(nóng)林中的害蟲(chóng)[1],充當(dāng)食物鏈中的消費(fèi)者,也在食物鏈中充當(dāng)分解者的身份,螞蟻可以分解動(dòng)植物殘骸,把有機(jī)物轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)物,從而加快物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)。螞蟻數(shù)量較多,易于采集,對(duì)自然環(huán)境變化敏感,常被用作生態(tài)環(huán)境變化的指示物種[2]。
國(guó)外對(duì)螞蟻物種多樣性的研究較早,近年來(lái)主要集中在螞蟻多樣性與環(huán)境之間的關(guān)系[3-5]。我國(guó)對(duì)螞蟻物種多樣性的研究主要集中在西南地區(qū),如四川[6]、云南[7]、西藏[8]等地,對(duì)中國(guó)東部的螞蟻研究則較少。江西、湖南兩省屬于亞熱帶溫暖濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,生物資源豐富,是我國(guó)重要的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)集中分布區(qū),在我國(guó)生態(tài)與經(jīng)濟(jì)建設(shè)中居于重要地位。但近些年兩省土地利用強(qiáng)度呈增大趨勢(shì),且土壤生態(tài)服務(wù)功能也明顯退化[9-10]。目前針對(duì)兩省動(dòng)物物種多樣性的研究主要集中在兩棲動(dòng)物[11]、哺乳動(dòng)物[12]等大型動(dòng)物,而對(duì)土壤動(dòng)物多樣性的研究則較少。截止目前,長(zhǎng)江中下游人工經(jīng)營(yíng)生態(tài)系統(tǒng)土壤動(dòng)物多樣性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及館藏標(biāo)本依然嚴(yán)重缺乏,而螞蟻?zhàn)鳛橥寥绖?dòng)物的常見(jiàn)重要種類(lèi),有關(guān)螞蟻物種資源分布及生物多樣性的相關(guān)研究還少有報(bào)道,限制了關(guān)于生態(tài)環(huán)境破壞及人為干擾對(duì)該區(qū)域土壤動(dòng)物多樣性資源長(zhǎng)期持續(xù)影響的深入了解。
本研究通過(guò)對(duì)長(zhǎng)江中下游人工經(jīng)營(yíng)生態(tài)系統(tǒng)兩個(gè)省份螞蟻物種數(shù)目及不同生境下螞蟻分布的情況進(jìn)行分析,同時(shí)觀(guān)察螞蟻的物種數(shù)目變化以及對(duì)螞蟻的上顎長(zhǎng)、觸角柄節(jié)和頭寬3 個(gè)特征進(jìn)行功能特征分析,以期為建立完善中國(guó)螞蟻數(shù)據(jù)庫(kù)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ),并為螞蟻物種多樣性保護(hù)和持續(xù)利用提供理論指導(dǎo)和決策依據(jù)。
江西省(24°29′14″ ~ 30°04′41″ N、113°34'36″ ~118°28'58″ E)位于我國(guó)東南部,長(zhǎng)江中下游南岸;湖南?。?4°39′~30°08′ N、108°47′~114°15 E)位于長(zhǎng)江中游,湖南東鄰江西。兩省均主要以丘陵山地為主,其中江西省地帶性土壤為紅壤和黃壤,湖南省地帶性土壤為紅壤;均為亞熱帶溫暖濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,植被以常綠闊葉林為主;江西省年平均氣溫約16.3 ~ 19.5 ℃,多年平均降水量在1 341 ~ 1 943 mm之間,湖南省年平均氣溫約15 ~ 18 ℃,年平均降水量在1 200 ~ 1 700 mm 之間。
江西省選取6 個(gè)采樣單元格,湖南省選取5 個(gè)采樣單元格,每個(gè)采樣單元格大小為50 km × 50 km。在選定的采樣單元格內(nèi),均設(shè)置3 個(gè)采樣區(qū)域(間距5 km 以上),在每個(gè)采樣區(qū)域內(nèi)選擇農(nóng)田、草地、人工林3 種不同采樣生境,每種采樣生境內(nèi)隨機(jī)設(shè)置5 個(gè)重復(fù)采樣樣方(1 m2,不同樣方間距10 m 以上,樣方邊界用專(zhuān)門(mén)定制的鋼板現(xiàn)場(chǎng)從四周進(jìn)行快速圈圍,兩個(gè)省共495 個(gè)采樣樣方)。采用改進(jìn)吸蟲(chóng)器對(duì)樣方內(nèi)的螞蟻進(jìn)行吸捕,吸取捕捉的時(shí)間3~5 min,吸捕結(jié)束后將采樣紗網(wǎng)袋從吸蟲(chóng)器吸管前端去除,及時(shí)扎口并置入提前裝有30 mL 無(wú)水乙醇的自封袋中。野外采集當(dāng)天晚上,將采樣紗網(wǎng)袋中的螞蟻全部挑揀出來(lái),放入5 mL 的冷凍管中并加滿(mǎn)無(wú)水乙醇保存,所有樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后置于-20℃冰箱保存。利用體視顯微鏡(LEICA M205 A)對(duì)采集回來(lái)的所有螞蟻個(gè)體樣品進(jìn)行拍照并依據(jù)其形態(tài)特征進(jìn)行分類(lèi)和鑒定,物種鑒定依據(jù)《中國(guó)螞蟻》[13]和《西雙版納自然保護(hù)區(qū)蟻科昆蟲(chóng)生物多樣性研究》[14]。
1.3.1 物種多樣性 采用優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(C)、物種多樣性指數(shù)(H)、均勻度指數(shù)(E)、豐富度指數(shù)(R)來(lái)度量地表螞蟻物種的多樣性[14]。
1.3.2 群落相似性系數(shù) 根據(jù)Jaccard 相似性公式計(jì)算相似性系數(shù)[14],即:
式中:a、b分別為兩個(gè)群落所擁有的物種數(shù)目,c為兩個(gè)群落共有的物種數(shù)目。當(dāng)q為0.00~0.25時(shí),為極不相似;當(dāng)q為0.25~0.50 時(shí),為中等不相似;當(dāng)q為0.50~0.75 時(shí),為中等相似;當(dāng)q為0.75~1.00 時(shí)為極相似。
1.3.3 螞蟻的功能特征 以螞蟻多度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),分析不同生境中地表螞蟻對(duì)群落結(jié)構(gòu)相似性的貢獻(xiàn)率,將貢獻(xiàn)率結(jié)果中百分比≥5%的螞蟻定義為主要特征種類(lèi)[15]。分析計(jì)算貢獻(xiàn)率,以上顎長(zhǎng)、觸角柄節(jié)、頭寬等3 個(gè)功能特征組合,使用SPSS 軟件進(jìn)行聚類(lèi)分析,以相似度>90%解釋聚類(lèi)結(jié)果。
在江西省3 種生境中,共采集到螞蟻1 054 頭,隸屬4 亞科19 屬33 種,其中人工林采集螞蟻種類(lèi)最多,共計(jì)4 亞科17 屬31 種;在湖南省3 種生境中,共采集到螞蟻1 608 頭,隸屬4 亞科22 屬35種,其中人工林采集到的螞蟻種類(lèi)也是最多的,共計(jì)4 亞科18 屬28 種。人工林采集到的螞蟻種類(lèi)最多,說(shuō)明人工林系統(tǒng)內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定,生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜,可以為螞蟻提供良好的生活環(huán)境。
表1 江西省不同生境螞蟻種類(lèi)和數(shù)量Table 1 The species and quantity of ants in different habitats in Jiangxi Province
表2 湖南省不同生境螞蟻種類(lèi)和數(shù)量Table 2 The species and quantity of ants in different habitats in Hunan Province
從采集到的的螞蟻數(shù)量以及種類(lèi)上看,江西省3 種生境中優(yōu)勢(shì)種(即達(dá)到物種數(shù)量10%以上的物種)為草地鋪道蟻(Tetramorium caespitum)(15.84%)、刻點(diǎn)棱胸蟻(Pristomyrmex punctatus)(10.25%)和布尼蘭蟻(Nylanderia bourbonica)(24.67%)。湖南省3 種生境中優(yōu)勢(shì)種為寬結(jié)搖蟻(Erromyrma latinodis)(25.68%)、日本弓背蟻(Camponotus vitiosus)(15.36%)、草地鋪道蟻(13.25%)。草地鋪道蟻為兩個(gè)省的優(yōu)勢(shì)種。
湖南省不論從螞蟻種類(lèi)還是采集的螞蟻數(shù)量上都大于江西省,說(shuō)明湖南省環(huán)境條件優(yōu)于江西省,資源較豐富。
從表3 中可以看出,江西省3 種生境的種類(lèi)豐富度、多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)的變化情況表現(xiàn)為從農(nóng)田到草地再到人工林依次遞增,可見(jiàn)人工林無(wú)論是螞蟻種類(lèi)還是數(shù)量、分布上看,都處在較好的位置,而農(nóng)田最弱。湖南省的種類(lèi)豐富度指數(shù)和多樣性指數(shù)也是從農(nóng)田到草地再到人工林依次遞增,但是均勻度指數(shù)則是表現(xiàn)為人工林>農(nóng)田>草地。從優(yōu)勢(shì)度指數(shù)上看,兩省整體表現(xiàn)為農(nóng)田>草地>人工林。這充分的反映了生境質(zhì)量的優(yōu)劣情況,在農(nóng)田中由于其生態(tài)環(huán)境過(guò)于單一,資源貧乏,受到的人為干擾比較嚴(yán)重,所以能夠留下的都是在該生境中抗干擾能力強(qiáng)的螞蟻類(lèi)群,所以導(dǎo)致了螞蟻種類(lèi)少,而優(yōu)勢(shì)度高的情況。
表3 不同生境下螞蟻多樣性指數(shù)Table 3 Ant diversity index for different habitats
通過(guò)表4 可以看出,江西省人工林與農(nóng)田、人工林與草地為中等不相似,農(nóng)田與草地為中等相似;湖南省人工林與農(nóng)田、人工林與草地、農(nóng)田與草地均為中等不相似。通過(guò)比較同種螞蟻在不同生境中的數(shù)量,可以得出結(jié)論:同種螞蟻在人工林中種群數(shù)量通常高于草地和農(nóng)田,這是由于在人工林中受到的人為干擾很小,且環(huán)境穩(wěn)定,植被豐富,因此人工林的螞蟻種群數(shù)量大;而草地和農(nóng)田因?yàn)槭艿降娜藶楦蓴_較大,且植被少,資源少,所以其螞蟻種群數(shù)量都比較小。
表4 不同生境螞蟻種類(lèi)相似性系數(shù)Table 4 Similarity coefficients of ant species in different habitats
2.4.1 江西省螞蟻功能特征 江西省3 種生境的主要特征種結(jié)果(表5)顯示:寬結(jié)搖蟻、雙齒多刺蟻(Polyrhachis dives)、無(wú)毛凹臭蟻(Ochetellus glaber)和扁平虹臭蟻(Iridomyrmex anceps)僅為草地的主要特征種;刻點(diǎn)棱胸蟻僅為人工林的主要特征種;日本弓背蟻、日本黑褐蟻(Formica japonica)為農(nóng)田和人工林的共有特征種;草地鋪道蟻和布尼蘭蟻為農(nóng)田、草地、人工林3 種生境的共有特征種。
表5 江西省各生境螞蟻群落中的主要特征種Table 5 The main characteristic species in ant communities in various habitats in Jiangxi Province
根據(jù)上述特征物種結(jié)果,進(jìn)一步進(jìn)行聚類(lèi)分析,以上顎長(zhǎng)度聚類(lèi),相似度>90%進(jìn)行分類(lèi),上顎的長(zhǎng)度越長(zhǎng)越有利于捕食,聚類(lèi)結(jié)果見(jiàn)圖1:日本弓背蟻的上顎最長(zhǎng),更有利于捕食;其次為雙齒多刺蟻和日本黑褐蟻為一類(lèi);接下來(lái)是草地鋪道蟻和扁平虹臭蟻為一類(lèi);布尼蘭蟻、刻點(diǎn)棱胸蟻和無(wú)毛凹臭蟻為一類(lèi),上顎較短,捕食能力弱;寬結(jié)搖蟻的上顎最短,捕食能力最弱。
圖1 江西省地表螞蟻上顎長(zhǎng)功能聚類(lèi)Figure 1 Functional clustering of upper jaw length of surface ants in Jiangxi Province
以觸角柄節(jié)聚類(lèi),以相似度>90%進(jìn)行分類(lèi),觸角柄節(jié)越長(zhǎng)廣布種的可能性越大,聚類(lèi)結(jié)果見(jiàn)圖2:日本弓背蟻聚為一類(lèi),觸角柄節(jié)最長(zhǎng),廣布種的可能性最大;其次為日本黑褐蟻和雙齒多刺蟻為一類(lèi);布尼蘭蟻和扁平虹臭蟻一類(lèi);草地鋪道蟻、無(wú)毛凹臭蟻和刻點(diǎn)棱胸蟻為一類(lèi);寬結(jié)搖蟻一類(lèi),觸角柄節(jié)最短,廣布性最差。
圖2 江西省地表螞蟻觸角柄節(jié)長(zhǎng)功能聚類(lèi)Figure 2 Functional clustering of antennal peduncle length of ants on the surface in Jiangxi Province
以頭寬聚類(lèi),按相似度>90%進(jìn)行分類(lèi),頭寬越長(zhǎng)要求通過(guò)空間余越寬闊,聚類(lèi)結(jié)果見(jiàn)圖3:日本弓背蟻頭寬最大,可通過(guò)空間要求大,適宜開(kāi)闊的棲境;草地鋪道蟻和雙齒多刺蟻為一類(lèi),頭寬較大,要求通過(guò)空間寬闊;日本黑褐蟻為一類(lèi);布尼蘭蟻、扁平虹臭蟻和刻點(diǎn)棱胸蟻為一類(lèi),頭寬居中,適合一般棲境空間生存;無(wú)毛凹臭蟻聚為一類(lèi);寬結(jié)搖蟻聚為一類(lèi),頭寬最小,能夠在復(fù)雜棲境生存。
圖3 江西省地表螞蟻頭寬功能聚類(lèi)Figure 3 Functional clustering of ants' head width on surface in Jiangxi Province
2.4.2 湖南省螞蟻功能特征 湖南省3 種生境的主要特征種結(jié)果為(表6):厚結(jié)大頭蟻(Pheidole nodifera)僅為人工林的主要特征種;刻點(diǎn)棱胸蟻為農(nóng)田和人工林的共有特征種;布尼蘭蟻和日本黑褐蟻為農(nóng)田和草地的共有特征種;草地鋪道蟻、寬結(jié)搖蟻和日本弓背蟻為農(nóng)田、草地、人工林3 種生境的共有特征種。
表6 湖南省各生境螞蟻群落中的主要特征種Table 6 The main characteristic species of ant communities in various habitats in Hunan Province
據(jù)上述特征物種結(jié)果,進(jìn)一步進(jìn)行聚類(lèi)分析,以上顎長(zhǎng)度聚類(lèi),相似度>90%進(jìn)行分類(lèi),上顎的長(zhǎng)度越長(zhǎng)越有利于捕食,聚類(lèi)結(jié)果見(jiàn)圖4:日本弓背蟻和日本黑褐蟻聚為一類(lèi),其中日本弓背蟻的上顎最長(zhǎng),更有利于捕食;草地鋪道蟻為一類(lèi);接下來(lái)是刻點(diǎn)棱胸蟻、布尼蘭蟻和厚結(jié)大頭蟻為一類(lèi),上顎較短,捕食能力弱;寬結(jié)搖蟻為單獨(dú)的一類(lèi),其上顎最短,捕食能力最弱。
圖4 湖南省地表螞蟻上顎長(zhǎng)功能聚類(lèi)Figure 4 Functional clustering of upper jaw length of surface ants in Hunan Province
以觸角柄節(jié)聚類(lèi),以相似度>90%進(jìn)行分類(lèi),觸角柄節(jié)越長(zhǎng)廣布種的可能性越大,聚類(lèi)結(jié)果見(jiàn)圖5:日本弓背蟻聚為一類(lèi),觸角柄節(jié)最長(zhǎng),廣布種的可能性最大;其次為日本黑褐蟻為一類(lèi);布尼蘭蟻和厚結(jié)大頭蟻為一類(lèi);草地鋪道蟻、寬結(jié)搖蟻和刻點(diǎn)棱胸蟻為一類(lèi),其中寬結(jié)搖蟻的觸角柄節(jié)最短,廣布性最差。
圖5 湖南省地表螞蟻觸角柄節(jié)長(zhǎng)功能聚類(lèi)Figure 5 Functional clustering of antennal peduncle length of ants on the surface in Hunan Province
以頭寬聚類(lèi),按相似度>90%進(jìn)行分類(lèi),頭寬越長(zhǎng)要求通過(guò)空間余越寬闊,聚類(lèi)結(jié)果見(jiàn)圖6:日本弓背蟻單獨(dú)分為一類(lèi),頭寬最大,可通過(guò)空間要求大,適宜開(kāi)闊的棲境;日本黑褐蟻為一類(lèi),頭寬較大,要求通過(guò)空間寬闊;草地鋪道蟻、厚結(jié)大頭蟻、刻點(diǎn)棱胸蟻和布尼蘭蟻為一類(lèi),頭寬居中,適合一般棲境空間生存;寬結(jié)搖蟻為一類(lèi),頭寬最小,因此寬結(jié)搖蟻更能夠在復(fù)雜的棲息地生存。
圖6 湖南省地表螞蟻頭寬功能聚類(lèi)Figure 6 Functional clustering of ants' head width on the surface in Hunan Province
不同生境采集到的螞蟻數(shù)量及物種數(shù)目是不同的。在本次調(diào)查中,農(nóng)田樣地采集到的螞蟻數(shù)量及物種數(shù)目均最少,而人工林中由于環(huán)境條件好,氣候因子穩(wěn)定且人為干擾程度低,所以螞蟻的種類(lèi)最為豐富,并且遠(yuǎn)大于農(nóng)田和草地。草地可視為人工林與農(nóng)田的過(guò)渡地帶,即群落交錯(cuò)區(qū)域,在群落的交錯(cuò)區(qū)域中也有著較多的螞蟻種類(lèi)出現(xiàn)。Santos 等在巴西亞馬遜地區(qū)調(diào)查了由于畜牧業(yè)而導(dǎo)致的棲息地的喪失對(duì)螞蟻豐富度和組成的影響,結(jié)果表明,不同生境的螞蟻豐富度差異不顯著,螞蟻物種組成由于生境不同形成了2 個(gè)分離的群落,最終得出結(jié)論,維持次生林對(duì)保護(hù)生物多樣性具有重要意義,而畜牧業(yè)直接影響亞馬遜生物群落中的螞蟻物種的分類(lèi)組成[16]。
不同生境之間棲息地的異質(zhì)性會(huì)對(duì)螞蟻物種多樣性產(chǎn)生較大影響[17]。江西、湖南各生境的物種多樣性也表現(xiàn)出了顯著差異,人工林的環(huán)境容納量大,并且在資源上的獲取相對(duì)容易,更適合螞蟻的生存和繁衍,物種多樣性指數(shù)最大,而農(nóng)田中由于經(jīng)常性人為干擾,土壤分布零散,螞蟻的生存空間小,資源獲取困難,故物種多樣性指數(shù)在3 種生境中最小。江西省物種多樣性指數(shù)與均勻度指數(shù)表現(xiàn)一致,3 種生境表現(xiàn)出來(lái)的螞蟻群落的均勻度指數(shù)為人工林>草地>農(nóng)田,這與劉紅等[18]對(duì)山東曲阜地區(qū)螞蟻群落結(jié)構(gòu)及物種多樣性研究結(jié)論相一致,即人為干擾程度越小的生境,其無(wú)論是物種豐富度指數(shù)還是物種多樣性指數(shù)都大于人為干擾嚴(yán)重的地區(qū)。多樣性指數(shù)中包含了種類(lèi)數(shù)和均勻度兩種分析,湖南省的農(nóng)田均勻度大于草地均勻度,但是農(nóng)田多樣性指數(shù)仍然不如草地,這是因?yàn)楹鲜〉牟莸厣持蟹N類(lèi)豐富度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于農(nóng)田所導(dǎo)致的,這與王玉玲等[19]對(duì)豫東平原螞蟻群落結(jié)構(gòu)及物種多樣性的研究結(jié)論相一致。
生境差異性越大,地表螞蟻群落相似性越低。從兩省3 種生境螞蟻群落相似性來(lái)看,除江西省農(nóng)田與草地相似性為中等相似外,其他均為中等不相似,說(shuō)明兩省3 種生境存在較大差異。這與張智英等[20]對(duì)云南石林公園不同生境螞蟻多樣性的研究結(jié)果一致,即螞蟻群落相似性的差別主要是因?yàn)槿祟?lèi)活動(dòng)對(duì)生境產(chǎn)生了干擾,從而對(duì)螞蟻群落產(chǎn)生了較大影響。
形態(tài)學(xué)特征都與生境有關(guān),螞蟻形態(tài)特征直接關(guān)系到物種與環(huán)境之間的相互作用[21]。螞蟻不同功能特征特性指標(biāo)確定:(1)食物攜帶。螞蟻通過(guò)上顎搬運(yùn)食物,上顎越長(zhǎng)越有利于食物搬運(yùn)。(2)食物發(fā)現(xiàn)。螞蟻的觸角更容易發(fā)現(xiàn)新的食物,觸角越長(zhǎng)表明螞蟻越容易發(fā)現(xiàn)食物且分布越廣泛。(3)棲息地特征。螞蟻頭部的寬度可以有效反映其生存環(huán)境的復(fù)雜程度:頭寬越大則生存環(huán)境越簡(jiǎn)單,生境結(jié)構(gòu)較為單一[22]。
螞蟻群落功能多樣性的高低與生境的復(fù)雜程度明顯相關(guān),生境越復(fù)雜,地表螞蟻功能多樣性越高[23]。本研究中發(fā)現(xiàn)江西省和湖南省螞蟻的上顎長(zhǎng)、觸角柄節(jié)長(zhǎng)和頭寬的最大最小種類(lèi)均表現(xiàn)一致:即日本弓背蟻的上顎最長(zhǎng),捕食能力最強(qiáng),寬結(jié)搖蟻的上顎最短,捕食能力最弱;日本弓背蟻的觸角柄節(jié)最長(zhǎng),廣布種的可能性最大,寬結(jié)搖蟻的觸角柄節(jié)最短,廣布種最差;頭寬對(duì)比中,日本弓背蟻的頭寬最大,需要比較開(kāi)闊的生存空間,寬結(jié)搖蟻的頭寬最小,能夠在復(fù)雜的環(huán)境生存。
綜上所述,湖南省螞蟻物種資源比江西省略豐富;螞蟻群落物種多樣性和豐富度與生境的復(fù)雜程度密切相關(guān),生境越復(fù)雜,螞蟻物種多樣性越高,種類(lèi)豐富度越大,地表螞蟻功能多樣性越高;生境差異性越大,螞蟻群落相似性越小。
安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2022年3期