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“偷拍”老鼠8年,终于发现了它和植物种子间的秘密

出品:科普中国

制作:田鼠之声(杨锡福)

监制:中国科学院计算机网络信息中心

回想起来,我同鼠打交道已有12个年头了。最开始接触它,还给它当了3年的保姆。

大学第一年暑期找老师做课题,因为对动物感兴趣,选择了一位研究鼠的老师,从此和鼠结缘。

记忆犹新的是,老师非常支持我跟着他学习如何开展科学研究,但一开始并没有交给我实验任务,而是安排我喂养一种从湖南省洞庭湖抓来的东方田鼠(Microtus fortis)。

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△实验室饲养的的东方田鼠

这是一种仓鼠科田鼠属的鼠种,个体不大,成体约50 g,喜欢栖息于沼泽、草甸生境。老师告诉我开展行为实验之前需要和鼠建立一定的关系,让我好生喂养,只有它对我们熟悉,不再害怕时,才可以开展实验,减少因陌生感而对鼠正常的行为产生影响。

没想到,之后的大学生活,我除了学习专业知识外,还给东方田鼠当了足足3年的保姆。这期间,我对鼠精心照顾,喂食、换垫料、洗笼子,还给鼠配对,周而复始。

东方田鼠繁殖快,一年至少可繁殖两代。刚开始时,我不敢徒手去抓,但到后来,徒手抓鼠对我而言轻而易举。可见,它们对我的熟悉程度可想而知,当然养鼠而获得的经验也发挥了一定作用。这期间开展的行为实验结果也比较理想。

因为对动物研究的热爱,我考了研究生。研究生课题也从对单一鼠的室内操控研究,转换为对野外多种鼠行为、森林鼠与植物种子之间相互关系的研究。好像命中注定一样,自从来到都江堰开展动物生态、动植物种间关系研究,就把我和鼠的命运绑在了一起。硕士、博士研究生,博士后,一直到现在工作的我依旧从事着与鼠类相关的研究。

鼠-种子互作研究野外基地

一想到野外考察,人们可能首先想到的就是那种需要去很多地方的旅行考察,每个地方仅待上几天就换下一个地方继续考察,因此常常心生向往,这想必也是很多人报考相关专业的一大诱因。

但我们的研究与旅行考察不同,会选定一个到几个地方,往后多年便默默扎根于此。因此,前期的研究地点选择相当重要,不仅要考虑研究地生态环境能否支持我们的科研目的,而且要考虑这里的人文环境是否适合我们长期开展研究。相比之下,定点研究的趣味性就少了很多。此外,由于野外研究不同于实验室研究,过程短则几个月,长可达数十年;生态学实验更是如此,为了更好地反映生态现象背后的本质,在设计实验时就要考虑多空间尺度、长时间跨度等因素。

我们实验站设在四川省都江堰市般若寺国营实验林场,地处四川盆地西缘山地,这里降水充沛、气候适宜,生物多样性丰富,周边植被保护较好。林场较远处的部分区域在上世纪80-90年曾遭受严重砍伐,因此该林场拥有不同演替阶段的植被类型,是研究亚热带森林动物与植物相互关系、生物多样性保护和生态环境评价的良好场所。

林场由于其性质一般设在村庄附近,故而我们研究站并不在大山深处。我们的生活场所离公路近,常有车辆往来,且距镇上约6公里,时不时遇到来种植农作物的村民,这些不仅解决了生活上的难题,而且也减缓了心理上的担忧。唯一不好的是,人烟稀少,少了城市激烈竞争的环境,因此长期待下去会消磨一些昂扬的斗志。

记得2012年秋季初到都江堰实验站时,站上的条件相对较差。上山工作都是步行,从基地出发,先走1-3公里路才到样地。为了节省体力和时间,之后我们配了自行车。再后来,配了电动车,更为我们出行提供了便利。

△雪景中的实验站

经过多年来如蚂蚁搬家般的建设,现在实验站的条件越来越好了,不仅实验所需的设备越来越齐全,而且配套设施也有很大的改善。站上不仅有电动车保障出行,安装了网络利于开展科研工作,而且生活场所也有很大的改变。这些为将来科研人员扎根野外研究提供了基础保障。

△重新装修后的实验站的一角

互相关的命运:森林鼠和植物种子

我们主要想知道,在人类干扰下破碎后的森林生态系统动植物如何发生相互关系,进而维持生态系统多样性和稳定性,因此我们需要了解植物多样性、种子产量、鼠类种群动态、鼠类行为、种子扩散等等方面。

由于都江堰种子成熟季在8月-12月,因此我们一般会提前设计好研究方案,在7月下旬或8月初前往都江堰开展实验。抵达都江堰,我们的野外生活就正式开始了,并将持续到农历除夕前几天结束。换句话说,一年之中的两大季节——秋冬季我们都在野外度过。

不像松鼠类物种,都江堰地区多数鼠类物种是夜行性的动物,因此白天一般难以观察到,这给我们开展森林鼠与植物种子相互关系研究带来了极大的挑战。不过,由于人类超高的智慧,科技的发展给研究带来了便利。人类对自然的了解从达尔文时代的直接观测描述,到现在从宏观和微观揭示自然规律,为人类了解、改造自然,促进人与自然和谐共生提供了科学依据。

调查鼠类的方法也在不断进步,从早期的直接观测,到后来发展起来的夹捕法、陷阱法、笼捕法,再到现在结合高科技力量的红外自动感应相机监测法,技术的改进不仅节约了劳动成本、对生态环境的破坏越来越小,而且研究结果的可信度也越来越高。

△笼捕法捕获的小泡巨鼠,正在被称量体重(539.6g)

为了探明鼠与种子之间的相互关系以及影响种子命运的因素,科学家们也绞尽脑汁,试验了各种方法,如同位素标记法、金属及磁铁标记法、线标记法、色彩或荧光标记法、种子标签标记法和无线电标签标记法等。

我们主要采用种子标签标记法,即将种子和标签牌用10~15cm长的细铁丝相连,并在每个标签牌上单独编号,因此在野外不仅能通过搜索标签牌找到释放的种子,而且可以知道每个种子最终的命运。为了明确到底是何种动物将种子搬走,我们在种子释放点还安放了红外感应相机。当动物处理种子时,红外感应相机会自动拍摄,鉴定视频便可一目了然。

我们研究的大致流程为:首先根据研究方案,选定研究样地,并在样地内安放种子雨收集器,从种子开始掉落至结束,定期查看收集器内种子情况。根据种子雨,我们可以知道每个样地的植物组成、产量,结合多年的调查结果还可以了解每种植物间隔几年大规模繁殖一次,即“大年结实”。期间,采集完好的壳斗科植物种子(主要依靠鼠传播)以备开展种子释放实验。其次,在释放种子之前,采用笼捕法对每个样地内的鼠类种群进行调查,并在鼠背部用染发剂进行不同形状的染色标记,便于后期红外相机监控下识别鼠种类。最后,就是我们实验的核心,标记、释放以及追踪种子。这一过程也将占据我们大部分时间,由于释放的种子陆续被动物搬运,而且贮藏的种子存在多次扩散的可能,因此追踪种子命运将持续1月到2月不等。

△种子收集器(左)、鼠笼布设矩阵(中)和野外布设的鼠笼(右)

△在种子释放点安放红外感应相机(动物处理种子时会自动拍摄)

在追踪种子命运的过程中,也是最辛苦的。有些鼠将种子贮藏到枯枝落叶下、洞穴,甚至坟洞中;有些鼠将种子搬运到树上贮藏起来;也有些是松鸦(Garrulus glandarius)等鸟叼走很远或贮藏在高大的树上,因此往往难以将所有释放的种子找回。可以这样形容下释放种子的样地环境,在开始释放种子时,草绿叶茂、杂草丛生,而当我们完成种子查看后,林下基本光光如也。此外,都江堰雨水多,为了不耽搁实验,有时候我们冒雨上山查看种子,甚至下雪天上山。

△在一个洞穴发现了贮藏的标记种子

△鼠将油茶种子搬运到树上贮藏起来

△雪雨天野外查看种子命运(还是比较辛苦的……)

种子为何“不翼而飞”?

植物种子成熟后会掉落到地面,刚开始的时候,我们会发现母树下铺满了种子,然而过几天再去观察时就会发现地面基本没有了种子,我们不禁疑惑种子为何“不翼而飞”了

通过多年的研究,我们发现,原来多数种子被中华姬鼠(Apodemus draco)、针毛鼠(Niviventer fulvescens)和小泡巨鼠(Leopoldamys edwardsi)等鼠类搬离母树,少数被松鸦、灰翅噪鹛(Garrulax cineraceus)等鸟叼走,并贮藏在林间空地的浅层土壤或枯枝落叶中,搬运距离一般在20米内,但也有少量被搬运到40米外。搬运后的种子大多被动物吃掉,少数幸存的种子遇到合适的阳光、温度和水分等条件就会抽出幼苗。因此,鼠类对种子既有害,又有利,在生态学上认为鼠与种子的这种关系既包含了捕食关系又包含了互惠关系。

△鼠在处理释放的种子,左为两只中华姬鼠,右为小泡巨鼠(红外感应相机拍摄)

△鸟在处理释放的种子,左为松鸦,右为灰翅噪鹛(红外感应相机拍摄)

我们设置了14个不同大小和演替阶段的样地,通过为期3年的研究追踪了13830粒枹栎(Quercus serrata)、栓皮栎(Quercus variabilis)、油茶(Camellia oleifera)等10种植物种子,鉴定了237.3 GB的视频后,初步构建了鼠—种子互作网络图谱,并发现人类干扰导致的森林演替对鼠-种子互作网络结构影响很大,森林演替年龄越大越有利于生态系统的稳定性。因此,为了保护青山绿水,我们需要减少人类对森林的干扰;若森林已受到干扰,为了加快森林的更新和恢复,需要进行必要的干预措施,保护分散贮藏的,控制入侵森林的家鼠(它们只吃种子而不分散埋藏种子)。

鼠种

△都江堰研究样地(A)和鼠—种子互作双向网络(B) (图片来源:参考文献[1])

此外,在森林中,还会发现一些有趣的现象。这也是大自然拥有无穷奥秘让人着迷的地方。比如有些树种同期生产种子,而有些树种异步生产种子。由于它们的种子主要依靠鼠传播,我们猜想是不是鼠起到了调控作用。通过为期4年的研究标记追踪了21600颗栓皮栎、栲树(Castanopsis fargesii)、青冈栎(Cyclobalanopsis glauca)等6种植物的种子,我们发现,当植物同步生产种子时,大量的种子刺激鼠分散贮藏种子且增加了种子逃逸的几率,使得参与大年结实的植物受益,这在生态学上被称为“似然互惠”;相反,当植物异步生产种子时,大年结实树种吸引鼠取食种子时会增加生产少量种子的压力,这一过程增加了两者之间的竞争,要么两方都受害,要么一方受益一方受害,这种现象被称为“似然竞争”或“似然捕食”。这样看来,生长在同一区域的植物也会通过采取不同的繁殖策略,来吸引传播者传播种子,进而调控植物之间的共存关系。

森林鼠与种子之间还存在很多秘密等待我们去探寻。例如,植物之间如何相互交流、协调,进而同步繁殖?有些植物毗邻生长,而有些相距很远,什么因素造就?动物如何感知植物即将进入“大年”?不同森林鼠-种子互作网络结构和功能有何变化?它们如何互作进而维持生态系统的稳定和健康?等等。

八年的野外研究经历,让我和鼠类、种子结下了“不解之缘”,或许我这一生都将与鼠-种子互作关系研究结伴而行。

团队介绍:

田鼠之声是一支以博士为主的科普团队,带你追踪生态学相关领域的科研热点,挖掘不同领域科研经过的趣事,让你发现,原来科学研究还能这么“玩”!

参考文献:

[1] Yang, X., C. Yan, Q. Zhao, M. Holyoak, M. A. Fortuna, J. Bascompte, P. A. Jansen, and Z. Zhang. 2018. Ecological succession drives the structural change of seed-rodent interaction networks in fragmented forests. Forest Ecology and Management 419:42-50.

[2] Yang, X., C. Yan, H. Gu, and Z. Zhang. 2020. Interspecific synchrony of seed rain shapes rodent-mediated indirect seed-seed interactions of sympatric tree species in a subtropical forest. Ecology Letters 23:45-54.

[3] 杨锡福, 张洪茂,张知彬. 2020. 植物大年结实及其与动物贮食行为之间的关系. 生物多样性 28:821-832.

[4] 张知彬主编. 2019. 森林生态系统鼠类与植物种子关系研究--探索对抗者之间合作的秘密. 科学出版社, 北京.

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