種群密度對根田鼠種群數(shù)量及皮質(zhì)酮水平的影響

種群密度對根田鼠種群數(shù)量及皮質(zhì)酮水平的影響

密度限制通過增加種群的統(tǒng)計(jì)參數(shù)來穩(wěn)定種群的波動（ostapedanderson，1995）。因此,密度制約在種群自動調(diào)節(jié)過程中具有重要的作用。在探討密度制約過程的研究中,種群生態(tài)學(xué)家更多地關(guān)注種群統(tǒng)計(jì)參數(shù)的變化(OstfeldandCanham,1995;KarelsandBoonstra,2000)及生態(tài)學(xué)機(jī)制(R?deletal.,2004),而未探討引起種群統(tǒng)計(jì)參數(shù)變化的近因(proximatecausation)。關(guān)于密度制約的生態(tài)學(xué)機(jī)制有3種觀點(diǎn):其一,成體通過社群壓力(socialstress)抑制當(dāng)年出生并具繁殖潛能的亞成體的繁殖能力(R?deletal.,2004);其二,密度制約與雌體的繁殖投入(reproductiveeffort)有關(guān)。該觀點(diǎn)認(rèn)為,雌體的繁殖投入或繁殖決策反映了當(dāng)前繁殖與將來雙親及后代存活間的權(quán)衡(Williams,1966)。由此,雌體的繁殖決策或繁殖投入與雌體對巢區(qū)、食物等繁殖資源的種內(nèi)競爭程度密切關(guān)聯(lián);其三,社會性限制(socialconstraint)抑制了個體的生長與繁殖(Bronsonetal.,1973;Lietal.,2007)。上述3種機(jī)制的共同點(diǎn)在于,密度制約與種內(nèi)個體間的社會性沖突有關(guān),而社會性沖突與種群密度有密切的相關(guān)關(guān)系(NieandLiu,2005)。高密度個體間的社會性沖突可慢性激活下丘腦—垂體—腎上腺(hypothalamic-pituitary-adrenal,HPA)軸系統(tǒng),使糖皮質(zhì)激素持續(xù)升高,引起個體一系列的應(yīng)激反應(yīng)(Christian,1980;LeeandCockburn,1985;BoonstraandBoag,1992)。應(yīng)激是動物體內(nèi)平衡受到威脅時所發(fā)生的生物學(xué)反應(yīng)(Johnsonetal.,1992)。應(yīng)激至少可通過4種途徑影響動物的繁殖(Johnsonetal.,1992;WingfieldandSapolsky,2003):其一,通過促糖皮質(zhì)激素釋放激素、內(nèi)啡肽和糖皮質(zhì)激素抑制促性腺激素釋放激素(gonadotropin-releasinghormone,GnRH)的分泌;其二,通過糖皮質(zhì)激素介導(dǎo)而降低垂體對GnRH的應(yīng)答,繼而抑制卵泡刺激素分泌;其三,糖皮質(zhì)激素直接作用于性腺而影響性激素的分泌;其四,通過糖皮質(zhì)激素作用而降低性腺靶組織對性激素的應(yīng)答。此外,HPA軸是影響免疫功能的主要軸系,各種免疫細(xì)胞上都存在HPA軸各類激素的受體(PadgettandGlaser,2003)。動物應(yīng)激時所釋放和分泌的各類神經(jīng)遞質(zhì)及激素對免疫系統(tǒng)有重要的調(diào)節(jié)作用。另一方面,密度制約表現(xiàn)為隨種群密度增加而使個體死亡率增加和繁殖率降低的過程(KarelsandBoonstra,2000)。R?del等(2004)的研究結(jié)果表明,繁殖期穴兔(Oryctolaguscuniculus)雌體的密度與子代平均數(shù)量之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系;而草原田鼠(Microtuspennsylvanicus)高密度種群的補(bǔ)充率顯著降低(OstfeldandCanham,1995)。李鳳華等(2003)的研究結(jié)果也表明,隨著密度的升高,布氏田鼠(Lasiopodomysbrandtii)的體重和雄性睪丸的重量有所降低?；谏鲜鲅芯拷Y(jié)果與分析,本研究做出如下假設(shè):種群密度制約與社群應(yīng)激有密切關(guān)系。本研究以棲息于青海高寒草甸地區(qū)根田鼠(Microtusoeconomus)為研究對象,以實(shí)驗(yàn)生態(tài)學(xué)方法,通過在圍欄建立不同密度的種群,以研究繁殖期根田鼠種群密度對種群補(bǔ)充率及存活率的效應(yīng),以及對個體皮質(zhì)酮水平及脾臟的影響,以分析根田鼠種群密度對種群統(tǒng)計(jì)參數(shù)及個體皮質(zhì)酮水平的作用,旨在驗(yàn)證本研究提出的密度制約與社群應(yīng)激有密切關(guān)系的假設(shè)。1試驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究方法1.1植被類型和優(yōu)勢植物本項(xiàng)研究于2005年4～7月在中國科學(xué)院高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)定位站地區(qū)進(jìn)行。有關(guān)該地區(qū)的自然概況、植被類型以及鳥類和獸類的種類和數(shù)量已有詳細(xì)報(bào)道(夏武平,1982;劉季科等,1982)。實(shí)驗(yàn)圍欄的植被類型為垂穗披堿草草甸。主要優(yōu)勢植物為垂穗披堿草(Elymusnutans)、早熟禾(Poasp.)、矮嵩草(Kobresiahumilis)、苔草(Carexsp.)、金露梅(Potentillafruticos)等。該植被類型土壤疏松,植被覆蓋度較大,為根田鼠自然棲息地。1.2密度和繁殖方法圍欄以2m×1m的鍍鋅鋼板構(gòu)成。鋼板埋入地下0.5m,地上部分高1.5m。鋼板之間用L45×45角鋼固定。圍欄總面積為0.6hm2,由4個0.15hm2(50m×30m)的圍欄組成。實(shí)驗(yàn)前,用2周時間去除圍欄內(nèi)留居根田鼠和非靶動物。將放入圍欄以建立圍欄種群的個體稱之為圍欄種群的建群者(founder)。建群者為2004年9月在研究地區(qū)不同地點(diǎn)捕獲的當(dāng)年未參加繁殖的亞成體(雄性體重<25g,雌性體重<20g)。各捕獲點(diǎn)的密度均為低密度。將雌雄個體分別置于TPX-CP-4(44.60cm×31.40cm×20.00cm)聚丙烯飼養(yǎng)籠飼養(yǎng),每籠放置3只同性個體,籠內(nèi)以木屑和脫脂棉為巢材,供給充足飲水和兔顆粒飼料(北京實(shí)驗(yàn)動物飼養(yǎng)中心生產(chǎn)),室溫為20℃±2℃,光照周期為16L∶8D。2005年4月18日,將4個圍欄劃分成2個種群密度處理,即高密度和低密度處理。每個密度處理有2個重復(fù)。高密度處理為每欄放入30對實(shí)驗(yàn)室飼養(yǎng)的建群者個體,低密度處理為每欄放入6對建群者個體。由于根田鼠在不同棲息地間及年內(nèi)不同季節(jié)的種群數(shù)量均可相差3倍以上(姜永進(jìn)等,1991;孫平等,2005),且考慮到建群者在放入圍欄初期可能由于某些原因而死亡,故將高密度和低密度處理的實(shí)驗(yàn)動物數(shù)量設(shè)置為5倍的差異,該配置分別為研究地區(qū)根田鼠自然種群的高和中等水平(劉季科等,1982;姜永進(jìn)等,1991)。不同密度處理的圍欄設(shè)置采用系統(tǒng)設(shè)計(jì)(systematicdesign)。4個圍欄的建群者個體體重彼此相近(高密度雌體:23.22g±5.75g和24.99g±4.46g;高密度雄體:33.54g±7.60g和36.18g±7.86g;低密度雌體:22.52g±7.92g和25.05g±3.36g;低密度雄體:37.43g±7.80g和34.40g±6.85g;F3,144=1.14,P=0.336)。建群者放入圍欄適應(yīng)1周后,于2005年4月26日開始正式實(shí)驗(yàn)。正式實(shí)驗(yàn)時,采用標(biāo)志重捕方法估計(jì)圍欄種群數(shù)量及種群統(tǒng)計(jì)參數(shù)的變化。每圍欄內(nèi),以5m×5m的網(wǎng)格設(shè)立置籠站。每置籠站附近放1～2只小型木質(zhì)的自制活捕鼠籠。籠內(nèi)放入脫脂棉作為根田鼠的巢材,并放入少量胡蘿卜塊為誘餌。鼠籠頂部用一塊木板遮擋,以防氣溫過高或淋雨而造成進(jìn)籠個體的死亡。每隔1周標(biāo)志重捕1次,每次持續(xù)3～4d。在標(biāo)志重捕期,6:00～6:30開放鼠籠,20:00～0:30關(guān)閉鼠籠,以防夜晚溫度過低而使實(shí)驗(yàn)個體死亡。每天查籠4～5次。標(biāo)志重捕的間隔期關(guān)閉鼠籠。對首次捕獲的個體剪指標(biāo)記。對所有捕獲的個體記錄捕獲位點(diǎn)、剪指號、性別、體重、繁殖狀況及其他相關(guān)項(xiàng)目。陰囊肥大、睪丸下降的雄體為處于繁殖狀態(tài)的雄體。雌體則以陰道開裂程度、腹部及乳房是否膨大,以及乳頭周圍的毛發(fā)是否脫落判斷其繁殖狀態(tài)。2005年6月30日結(jié)束圍欄實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時,將建群者從圍欄帶回實(shí)驗(yàn)室測定激素。在與周圍環(huán)境相同的光照和溫度條件下,建群者在實(shí)驗(yàn)室適應(yīng)性飼養(yǎng)3d,以消除飼養(yǎng)環(huán)境對個體的影響,并使激素測定條件標(biāo)準(zhǔn)化。1.3血漿皮質(zhì)酮含量檢測方法由于妊娠雌體皮質(zhì)酮變化較大,故在測定血漿皮質(zhì)酮含量時,將妊娠雌體剔除。將種群建群者個體快速斷頭采血。每只個體的采血過程在1min內(nèi)完成。在4℃條件下,以4000r/min離心15min,分離血漿,放入液氮速凍,之后轉(zhuǎn)移到-20℃冰箱保存以備皮質(zhì)酮測定(高密度:n♂=11,n♀=12;低密度:n♂=3,n♀=5)。動物采血后,取脾臟器官,并稱重。血漿皮質(zhì)酮的測定采用酶聯(lián)免疫(ELISA)競爭法,其原理是根據(jù)樣品皮質(zhì)酮和一定量的辣根過氧化物酶(horse-radishperoxidase)標(biāo)記的皮質(zhì)酮與包被在測定板上的皮質(zhì)酮抗血清競爭結(jié)合的原理進(jìn)行檢測。檢測試劑盒由Biosource公司提供。具體實(shí)驗(yàn)方法如下:1)取出抗皮質(zhì)酮抗體包被好的96孔板;2)孔中分別加入25μl標(biāo)準(zhǔn)品(0,5,15,30,60,120,240nmol)或樣品,再加入100μl酶標(biāo)皮質(zhì)酮試劑;3)輕輕混勻30s,在20℃～25℃條件下溫育60min;4)去除孔內(nèi)液體,用洗滌液清洗反應(yīng)板3次;5)每孔加入200μl顯色液,輕輕混勻10s,室溫放置15min;6)每孔加入100μl終止液。輕輕混勻30s,15min內(nèi)在450nm處讀吸光值。本試劑盒的靈敏度為0.7nmol/L。批內(nèi)差和批間差分別小于5%和7%。1.4種群補(bǔ)充率與變化率采用最小存活數(shù)(minimumnumberalive)估計(jì)圍欄種群數(shù)量。由于實(shí)驗(yàn)期間各圍欄不同密度處理根田鼠種群的平均捕獲率均大于70%(表1),因此,采用標(biāo)志重捕法獲得的最少存活個體數(shù)能精確反映不同處理種群的密度(Krebsetal.,1976)。建群者存活率定義為t+1誘捕期存活個體數(shù)占t誘捕期個體的比率。另外,依據(jù)捕獲日歷,統(tǒng)計(jì)了各誘捕期新生個體存活率。種群補(bǔ)充率定義為t誘捕期捕獲的未標(biāo)記新生幼體數(shù)量與t-1誘捕期雌體數(shù)量的比率。脾臟指數(shù)定義為脾臟重量與體重之比?；诜N群連續(xù)增長模型dN/dt=rN,種群變化率按下列公式計(jì)算:rt=1/Tln(Nt+T/Nt)。Nt為t時的種群數(shù)量,T為測定種群變化的時間間隔,即為2個誘捕期的間隔時間。在進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析時,首先將各種群數(shù)量進(jìn)行l(wèi)n轉(zhuǎn)換,使其近似服從正態(tài)分布后,再進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。為進(jìn)一步分析密度制約作用,分別將不同密度處理種群t時間的建群者數(shù)量與t時間的種群補(bǔ)充率與變化率進(jìn)行回歸分析。采用重復(fù)方差分析(repeatedANOVAs)測定實(shí)驗(yàn)期間不同密度處理對種群數(shù)量、種群變化率、補(bǔ)充率、存活率等參數(shù)的效應(yīng)。采用雙因素方差分析(two-wayANOVA)分別檢驗(yàn)不同密度處理及性別對皮質(zhì)酮含量及脾臟指數(shù)的效應(yīng)。2結(jié)果2.1不同密度種群的增加在實(shí)驗(yàn)期間,不同密度處理的種群數(shù)量具有顯著差異(圖1a,F1,2=22.03,P=0.043)。在建立實(shí)驗(yàn)種群時(第0周),高密度處理種群數(shù)量是低密度的5倍(高密度種群為60只/0.15hm2,低密度種群為12只/0.15hm2),但實(shí)驗(yàn)結(jié)束時的第9周,不同密度處理間種群數(shù)量間的差異僅約為2倍(高密度種群為54.5只/0.15hm2,低密度種群為31只/0.15hm2),表明,不同密度處理種群數(shù)量間的差異呈降低趨勢。雖然不同密度建群者數(shù)量在整個實(shí)驗(yàn)期間呈降低趨勢(圖1b),但實(shí)驗(yàn)結(jié)束時,高密度種群的建群者數(shù)量仍約為低密度的4倍(高密度為19.5只/0.15hm2,低密度為5.5只/0.15hm2),且實(shí)驗(yàn)期間二者數(shù)量呈顯著性差異(F1,2=209.12,P=0.005)。在第3周,不同處理各有1個圍欄捕獲到新生個體。從第5周開始,在各個圍欄均捕獲到新生個體(圖1c)。重復(fù)方差分析結(jié)果表明,不同密度處理子代的數(shù)量在實(shí)驗(yàn)期間無顯著差異(F1,2=0.37,P=0.604)。2.2密度對子代存活率的影響實(shí)驗(yàn)期間,高密度種群建群者的存活率明顯低于低密度(圖2),但二者間無顯著差異(F1,2=13.23,P=0.068)。不同密度處理子代的存活率也無顯著差異(F1,2=0.23,P=0.679)。高密度種群的補(bǔ)充率低于低密度種群(圖3)。從第5周至實(shí)驗(yàn)結(jié)束的第9周,高密度種群的補(bǔ)充率顯著低于低密度(F1,2=41.95,P=0.023)。2.3種群變化率、種群補(bǔ)充率和子代數(shù)量之間的關(guān)系重復(fù)性方差分析結(jié)果表明,高密度種群在實(shí)驗(yàn)期間的種群變化率顯著低于低密度處理(圖4,F1,2=2774.61,P=0.000)。種群變化率與建群者數(shù)量之間的回歸分析結(jié)果表明,二者存在顯著的線性回歸關(guān)系(圖5a,R2=0.24,F1,19=5.62,P=0.029)。但種群變化率與種群數(shù)量(建群者和子代數(shù)量之和)之間則無此關(guān)系(R2=0.08,F1,19=1.60,P=0.222)。相應(yīng)地,種群補(bǔ)充率與建群者數(shù)量之間也存在顯著的線性回歸關(guān)系(圖5b,R2=0.40,F1,19=9.23,P=0.009),但種群補(bǔ)充率與種群數(shù)量之間則無顯著線性回歸關(guān)系(R2=0.04,F1,19=0.54,P=0.473)。表明,在實(shí)驗(yàn)期間,建群者數(shù)量對種群補(bǔ)充率和增長率有顯著的密度制約性效應(yīng),而種群數(shù)量則無此作用。2.4密度處理與性別間的交互作用高密度建群者的皮質(zhì)酮含量高于低密度處理(圖6)。雙因素方差分析結(jié)果表明,不同密度處理對建群者皮質(zhì)酮水平具有顯著效應(yīng)(F1,31=6.70,P=0.015)。雖然雌體皮質(zhì)酮含量高于雄體,但二者間無顯著的性別差異(F1,31=3.17,P=0.086),密度處理與性別間也無顯著的交互作用(F1,31=1.68,P=0.206)。高密度處理建群者的脾臟指數(shù)大于低密度處理(圖7),且不同密度處理對脾臟指數(shù)具有顯著效應(yīng)(F1,30=4.85,P=0.037),但不同性別間的脾臟指數(shù)無顯著差異(F1,30=0.19,P=0.669),性別與密度處理間的交互作用也無顯著性差異(F1,30=0.34,P=0.567)。3高密度密度對根田鼠種群的密度制約作用田鼠類密度制約效應(yīng)的研究主要集中在種群的周期性波動與統(tǒng)計(jì)參數(shù)之間關(guān)系的探討(Krebsetal.,1973;KrebsandMyers1974;LeDucandKrebs,1975;HanssonandHenttonen1985;Bernshteinetal.,1989)。然而,在密度制約過程中,種群統(tǒng)計(jì)參數(shù)的變化應(yīng)該是對當(dāng)前密度而不是對波動期密度變化率的反應(yīng)(OstfeldandCanham,1995);其次,種群不同波動階段具有不同的環(huán)境條件且存在遲滯性密度制約效應(yīng),因而,由于上述問題,使此類研究結(jié)果存在局限性和不一致性(KrebsandMyers,1974;Mihoketal.,1985;RoddandBoonstra,1984)。此外,研究者還通過構(gòu)建種群密度與種群變化率之間的回歸關(guān)系,以及用時間序列(time-series)分析以探討密度制約效應(yīng)(Hanskietal.,1993;Turchin,1993)。但此類研究中,前者無法闡明密度與種群變化率之間的直接因果關(guān)系,而后者過高估計(jì)密度制約的作用且存在數(shù)據(jù)的時間自相關(guān)性(autocorrelation)。目前,通過圍欄以調(diào)控種群密度的實(shí)驗(yàn)是探討密度制約過程的最有效方法(KarelsandBoonstra,2000)。本研究結(jié)果表明,高密度處理顯著降低了種群補(bǔ)充率和種群變化率。種群補(bǔ)充率和變化率分別與建群者數(shù)量間呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。說明,在繁殖期,根田鼠種群密度對種群補(bǔ)充率存在密度制約作用,而圍欄種群建群者數(shù)量是產(chǎn)生密度制約的唯一制約因子。對棲息于北半球、經(jīng)歷寒冷且漫長冬季的小型哺乳動物而言,存活率,尤其是冬季存活率是限制種群增長的一個重要因素(Cherynavskietal.,1981;Hansenetal.,1999)。在青海高寒草甸地區(qū),根田鼠種群在繁殖末期,越冬個體大量死亡,而參加當(dāng)年越冬個體的冬季存活率則決定著來年的種群繁殖基數(shù),直接影響根田鼠種群的波動幅度(姜永進(jìn)等,1991)。然而,本研究未發(fā)現(xiàn)高密度處理對其建群者及子代存活率的顯著效應(yīng)。其原因可能是由于實(shí)驗(yàn)時間較短而不足以充分反映密度對種群存活率的制約作用。因而,本研究尚不能據(jù)此得出密度對存活率不存在密度制約的結(jié)論。Ostfeld和Canham(1995)將草原田鼠種群調(diào)控成高、中、低密度16個月后,高密度和中密度成體存活率顯著降低。因此,根田鼠種群對存活率尤其是越冬存活率的密度制約效應(yīng)值得進(jìn)一步研究和探討。姜永進(jìn)等(1991)、聶海燕等(1995,2006)及Nie和Liu(2005)認(rèn)為,攻擊行為在根田鼠種群波動過程中起主要調(diào)節(jié)作用。實(shí)際上,攻擊行為對種群的調(diào)節(jié)作用就是密度制約的一種行為機(jī)制。在小哺乳動物種群中,隨種群密度的增加,動物繁殖和生存所需的相對資源量降低。為爭奪有限資源,個體間的攻擊行為勢必增加。聶海燕等(2006)和Nie和Liu(2005)在捕食和附加食物交互作用條件下對根田鼠攻擊行為的研究表明,具有明顯攻擊性的恐嚇、進(jìn)攻及爭斗等行為分別與種群密度呈顯著或極顯著的線性正相關(guān)關(guān)系。而Boonstra和Boag(1992)、Rogovin等(2003)及Li等(2007)分別對草原田鼠和大沙鼠(Rhombomysopimus)及布氏田鼠的研究則表明,攻擊行為是引起種群個體糖皮質(zhì)激素水平升高且使其處于應(yīng)激狀態(tài)的重要應(yīng)激源(stressor)。本研究結(jié)果表明,高密度處理建群者的血漿皮質(zhì)酮水平和脾臟指數(shù)較低密度建群者顯著升高和增大。脾臟指數(shù)增大的原因可能是個體處于應(yīng)激狀態(tài)而使其對外界病菌抵抗力下降而引起的感染反應(yīng)所致。Avitsur等(2002)對小鼠的研究結(jié)果也表明,社群應(yīng)激引起個體脾臟腫大和免疫細(xì)胞功能及形態(tài)的改變。上述結(jié)果說明,高密度處理使建群者處于亞病理狀況的應(yīng)激狀態(tài),其主要原因應(yīng)歸結(jié)于建群者間的攻擊行為或社會性沖突所致。應(yīng)激可通過下丘腦—垂體—性腺軸而影響動物的繁殖功能及性行為(Johnsonetal.,1992;Marchlewska-koj,1997;WingfieldandSapolsky,2003)。Bian等(2005)對根田鼠的研究表明,將雄性根田鼠暴露給捕食者氣味20d后,其皮質(zhì)酮水平顯著升高,而性激素及性行為均被抑制。Boonstra等(1998)對美洲兔