皇甫川流域蠐螬群落對不同水土治理措施的響應(yīng)

李佳藝+王潤潤+劉新民

摘要：指出了綜合治理措施的實(shí)施對皇甫川流域內(nèi)水土流失起到了明顯控制作用，探究不同生物類群對各種人工植被建立的響應(yīng)是評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性和科學(xué)性的基礎(chǔ)，并可以為人工植被的管理提供參考。2007年9月～2008年9月，采用土壤樣方法采集蠐螬標(biāo)本，以不同水土治理措施植被、耕作農(nóng)田和天然草地為研究樣地，分析了內(nèi)蒙古皇甫川流域不同水土治理方式對蠐螬群落的影響。結(jié)果表明：共捕獲蠐螬578頭，隸屬于2科6屬7種。其中，優(yōu)勢種為東方絹金龜和毛缺鰓金龜。不同人工植被中蠐螬群落的個(gè)體數(shù)和多樣性均較農(nóng)田提高，人工林地中提高尤為明顯；兩種優(yōu)勢蠐螬夏季發(fā)生程度高于春季和秋季（P<0.05）。可以認(rèn)為，皇甫川小流域綜合治理工程中人工林地種植對蠐螬群落多度和多樣性的維持較為有益，人工植被的管理中應(yīng)該特別注意人工楊樹林中兩種優(yōu)勢蠐螬發(fā)生的監(jiān)測和防治。

關(guān)鍵詞：皇甫川流域；水土流失；治理；蠐螬；群落特征

中圖分類號(hào)：Q958.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（2017）6-0114-06

1 引言

皇甫川是黃河中游的一級(jí)支流，屬典型的半干旱區(qū)季節(jié)性河流，多粗泥沙，流域內(nèi)地形破碎，溝壑縱橫，由于人為干擾嚴(yán)重，水土流失極其強(qiáng)烈，并嚴(yán)重影響著流域的生態(tài)環(huán)境[1，2]。自1978年流域?qū)嵤┮越⑷斯ぶ脖粸橹饕胧┑乃辆C合治理試驗(yàn)示范研究以來，在控制水土流失方面取得了良好效果[1～3]，并在植被空間動(dòng)態(tài)變化[4]、生物多樣性恢復(fù)[5]、微生物類群組成[6]和土壤肥力改善[7]等方面起到了較好的促進(jìn)作用。

金龜總科（Scarabaeoidea）昆蟲幼蟲（俗稱蠐螬）是土壤亞系統(tǒng)中具有重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值和生態(tài)意義的類群。植食性蠐螬（主要包括鰓金龜科和麗金龜科的種類）以植物根為食，作為生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)成成分，對系統(tǒng)功能的維持有重要作用[8]，還是重要的農(nóng)、林和牧業(yè)害蟲[9～11]，其發(fā)生狀況與環(huán)境變化密切相關(guān)[12]，可以作為各種水土治理措施科學(xué)性和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的指示生物，還可為人工水土治理植被的管理提供參考[13]。

對小流域綜合治理中各種人工植被水土保持效果的科學(xué)評(píng)價(jià)是完善治理措施和在區(qū)域范圍推廣的重要環(huán)節(jié)，對區(qū)域水土保持和植被建設(shè)具有重要的理論意義和實(shí)踐意義[3]。從動(dòng)物群落角度評(píng)價(jià)防治水土流失的人工植被的科學(xué)性和穩(wěn)定性的研究相對較少。本文以皇甫川流域賀家灣五分地溝綜合治理實(shí)驗(yàn)區(qū)為研究地點(diǎn)，分析了蠐螬群落對不同水土治理措施的響應(yīng)特征，并與天然百里香草地進(jìn)行了比較，以為皇甫川流域綜合治理措施的評(píng)價(jià)和管理提供依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 研究地區(qū)概況

皇甫川位于半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，是一條典型的季節(jié)性河流，年平均氣溫6.2～7.2 ℃，≥10 ℃年均積溫約2900～3500 ℃，年降雨量379～420 mm，集中于6～8月，地帶性土壤為栗鈣土，植被以人工林、次生草地和農(nóng)田為主。

2.2 樣地設(shè)置

研究地點(diǎn)選擇在皇甫川流域五分地溝（地理坐標(biāo)為39°45′N，111°07′E）和陽泉溝（地理坐標(biāo)39°45′N，111°06′E），五分地溝位于長川中游東岸，采樣點(diǎn)選擇在國家黃土高原造林示范區(qū)賀家灣水土保持站，種植人工林和人工草地為主要水土治理措施，包括人工油松（Pinus tabulaeformis）林、楊樹（Popunus simonii）林、錦雞兒（Caragana intermedia）灌木林和沙打旺（Astragalus adsurgens）草地等。陽泉溝位于長川中游西岸，成土條件及地形地貌與五分地溝相似，原生植被為本氏針茅（Stipa bungeana）草原，由于人為活動(dòng)的影響，大多被百里香（Thymus serpyllum）草地取代[4]。

為反映蠐螬群落對水土治理的響應(yīng)，在五分地溝選擇人工松樹林（PTW）、人工楊樹林（PSW）、人工錦雞兒灌木林（CIS）、人工沙打旺草地（AAM）、撂荒地（AC） 5種不同水土流失治理措施樣地。其中，PTW、PSW和CIS位于長川中游東岸，相互靠近。AAM和AC位于谷底。

以耕作農(nóng)田（FL1和FL2）作為對照。其中，F(xiàn)L1為旱作農(nóng)田，位于長川東側(cè)，屬黃土丘陵溝壑區(qū)，地形相對平緩，主要與位于長川中游東岸的PTW、PSW和CIS三種樣地比較；FL2位于長川谷底，土質(zhì)相對肥沃，主要與位于谷底的AMM和AC樣地比較。兩類農(nóng)田中種植農(nóng)作物主要有玉米（Zea mays）、馬鈴薯（Solanum tuberosum）和糜黍（Panicum miliaceum）等。

在陽泉溝選擇百里香草地（TSG）和退化草地（DG） 2種樣地，以反映未治理情況下蠐螬群落的組成特征。退化草地采樣點(diǎn)選擇在長川中游西岸岸邊，靠近居民點(diǎn)，有少數(shù)羊群自由放牧，與次生百里香草地比較，呈一定程度退化狀態(tài)。

各采樣點(diǎn)背景資料見表1。

2.3 采樣方法

采樣時(shí)間為2007年9月、2008年5月、7月和9月。

以土壤樣方法采集蠐螬標(biāo)本，樣方大小為25 cm×25 cm面積、30 cm土壤深度，每10 cm為1層，分3層采集土樣，手撿法收集蠐螬標(biāo)本，稱鮮質(zhì)量后，75%酒精中保存。每次采樣每樣地采集10個(gè)重復(fù)。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)依據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)[14]進(jìn)行分類、鑒定。

2.4 數(shù)據(jù)處理

統(tǒng)計(jì)各樣地中捕獲的蠐螬種數(shù)和個(gè)體數(shù)。個(gè)體數(shù)占群落總個(gè)體數(shù)10%以上為優(yōu)勢種，1%～10%為常見種，低于1%為稀少種。用單因素方差分析（one-way ANOVA）中的Duncan氏檢驗(yàn)做以上指標(biāo)的差異顯著性分析。采用Shannon多樣性指數(shù)（H'）、Pielou均勻度指數(shù)（E）和Odum豐富度指數(shù)（DO）[15]計(jì)算各樣地的蠐螬群落多樣性。計(jì)算不同樣地蠐螬群落之間的Sorensen指數(shù)[15]。采用Pearson相關(guān)分析檢驗(yàn)蠐螬群落個(gè)體數(shù)與不同水土流失治理措施導(dǎo)致的環(huán)境因素變化之間的相關(guān)關(guān)系。

3 研究結(jié)果分析

3.1 蠐螬群落組成

4次采樣，共捕獲蠐螬578頭，隸屬于2科6屬7種。其中，以東方絹金龜（Serica orientalis）和毛缺鰓金龜（Diphycerus davidis）為優(yōu)勢種。

蠐螬群落個(gè)體數(shù)在人工楊樹林（PSW）最高（277頭），顯著高于其他樣地（P<0.05），其次為未治理的百里香草地（TSG） （115頭）；位于谷底的耕作農(nóng)田（FL1）最低（5頭）（表2）。9種樣地中，物種數(shù)較高的是人工楊樹林（PSW）、人工松樹林（PTW）和人工沙打旺草地（AAM），均為5種，較低的是位于谷底的農(nóng)田和人工錦雞兒灌木林（分別為1種和2種）。

與農(nóng)田比較，不同水土治理措施均有使蠐螬群落個(gè)體數(shù)和物種數(shù)提高的趨勢，并以人工楊樹林提高最為顯著。與未治理的百里香草地比較，退化草地（DG）中蠐螬群落的個(gè)體數(shù)（P<0.05）和物種數(shù)均成降低趨勢。

東方絹鰓金龜在各樣地中均為優(yōu)勢種，且優(yōu)勢度均較高，僅在撂荒地（AC）和百里香草地（TSG）中優(yōu)勢度相對較低（分別為34.09%和12.17%）。毛缺鰓金龜在撂荒地和百里香草地中有較相對較高的優(yōu)勢度（分別為63.64%和84.35%；表3）。華北大黑鰓金龜（Holotrichia oblita）和福婆鰓金龜（Brahmina faldermanni）分別在人工沙打旺草地（AAM）和人工松樹林（PTW）有較高優(yōu)勢度（分別為37.50%和31.03%）。

3.2 蠐螬群落和主要種群季節(jié)動(dòng)態(tài)

從圖1可以看出，兩種農(nóng)田（FL1和FL2）中，蠐螬群落個(gè)體數(shù)隨季節(jié)變化的波動(dòng)較小，各采樣時(shí)間捕獲的個(gè)體數(shù)也較少。人工松樹林（PSW）、百里香草地（TSG）和撂荒地（AC）3種樣地中不同季節(jié)捕獲個(gè)體數(shù)有一定程度波動(dòng)。以PSW波動(dòng)最為顯著，2007年秋季和2008年夏季的捕獲量顯著高于其他樣地（P<0.05）。

兩種優(yōu)勢種（東方絹金龜和毛缺鰓金龜）多度的季節(jié)變化特征與蠐螬群落極為相似（圖1），均為2007年秋季和2008年夏季的捕獲量較高。有特點(diǎn)的是，東方絹金龜?shù)亩喽炔▌?dòng)僅出現(xiàn)在樣地PSW；而毛缺鰓金龜則出現(xiàn)在樣地PSW、TSG和AC。

3.3 蠐螬群落垂直分布

兩種農(nóng)田樣地（FL1和FL2）中，10～20 cm土層中蠐螬分布比例相對較高，位于谷底的農(nóng)田（FL1）中20～30 cm土層中無蠐螬分布。與多數(shù)土壤動(dòng)物垂直分布具有表聚性不同，由于耕作活動(dòng)的擾動(dòng)，農(nóng)田中蠐螬的垂直分布以20～30 cm土層中比例相對較高。

人工松樹林（PSW）、人工楊樹林（PTW）和人工錦雞兒灌木林（CIS）3種樣地與位于梁茆區(qū)域的農(nóng)田（FL1）比較，蠐螬群落垂直分布變化的共同特點(diǎn)是20～30 cm土層中有分布。人工沙打旺（AAM）樣地與同位于谷底的農(nóng)田（FL2）比較，蠐螬群落垂直分布無明顯變化，撂荒地（AC）樣地20～30 cm土層中蠐螬多度的相對比例提高。

百里香草地中蠐螬群落的垂直分布顯示較為明顯的隨土層加深多度遞減的特征。退化草地（DG）中20～30 cm土層無蠐螬分布。

3.4 不同樣地蠐螬群落物種多樣性和相似性

計(jì)算了不同水土治理措施樣地中蠐螬群落的3種多樣性指數(shù)（表4）。各樣地Shannon多樣性指數(shù)（H′）的大小排序是PTW>AAM>DG>PSW>AC>FL2>TSG>FL1；Pielou均勻度指數(shù)（E）為CIS>PTW>DG> AMM>AC>FL2>PSW>TSG；Odum豐富度指數(shù)（DO）為PTW>AMM>DG>FL2>PSW>TSG>AC>CIS>FL1。

兩種農(nóng)田樣地蠐螬群落的三項(xiàng)多樣性指數(shù)明顯不同，位于谷底的農(nóng)田蠐螬群落多樣性極低（三項(xiàng)指數(shù)值均為零或計(jì)算結(jié)果無數(shù)學(xué)意義）。這應(yīng)該與兩種農(nóng)田的人為擾動(dòng)程度的差別有關(guān)。位于谷底的農(nóng)田（FL1）極低的蠐螬群落多樣性顯然與人為耕作活動(dòng)頻繁有關(guān)。

與相應(yīng)的農(nóng)田對照比較，各種水土治理措施樣地蠐螬群落的三項(xiàng)多樣性指數(shù)值均有提高趨勢，僅撂荒地樣地的H′指數(shù)提高不明顯，E和DO指數(shù)降低。百里香草地蠐螬群落的三項(xiàng)多樣性指標(biāo)在幾種樣地中相對較低，草地退化則有使蠐螬群落多樣性提高的趨勢。

兩種農(nóng)田之間，蠐螬群落的相似性較低（相似性系數(shù)為0.500；表5）。位于谷底的農(nóng)田（FL1） 與人工錦雞兒灌木林（CIS）相似性較高，與人工松樹林（PTW）和人工楊樹林（PSW）的相似性較低；位于梁茆區(qū)域的旱作農(nóng)田（FL2）與退化草地（DG）、百里香草地（TSG）以及人工錦雞兒灌木林（CIS）的相似性較高，與FL1類似，F(xiàn)L2與人工松樹林（PTW）和人工楊樹林（PSW）的相似性較低。

PTW和PSW之間蠐螬群落的相似性較高。

3.5 蠐螬群落組成與環(huán)境因素變化的Pearson相關(guān)分析

對蠐螬群落個(gè)體數(shù)和種數(shù)以及各物種個(gè)體數(shù)與樹（草）高、土壤含水量等8種環(huán)境要素的相關(guān)關(guān)系（表6）作了分析。

蠐螬群落個(gè)體數(shù)、東方絹鰓金龜、福婆鰓金龜、波婆鰓金龜與樹（草）高成極顯著正相關(guān)（P<0.01）；優(yōu)勢種毛缺鰓金龜與土壤pH成極顯著正相關(guān)（P<0.01）；群落物種數(shù)與土壤含水量成極顯著正相關(guān)（P<0.01）；華北大黑鰓金龜和黃褐異麗金龜與多項(xiàng)土壤因素的變化有顯著相關(guān)關(guān)系。

4 結(jié)果討論

農(nóng)耕和過度放牧是皇甫川流域環(huán)境退化的基本誘因[4]。農(nóng)田耕作活動(dòng)和高強(qiáng)度持續(xù)放牧顯著改變了耕作層土壤的性質(zhì)和地表覆被狀況，使由風(fēng)蝕[16]和水蝕作用引起的土壤侵蝕過程更加顯著[17]。

改善地表覆被狀況是減緩黃土丘陵區(qū)土壤侵蝕過程的有效措施，皇甫川小流域綜合治理試驗(yàn)示范內(nèi)，各種人工植被的種植均消除了人為耕作和放牧活動(dòng)的干擾，對流域局部區(qū)域的環(huán)境改善起到了明顯的促進(jìn)作用[4，18，19]，對土壤有機(jī)碳含量和酶活性有促進(jìn)作用[20]，改善了土壤動(dòng)物的生存條件，吸引更多土壤動(dòng)物棲居和生存[21，22]，土壤動(dòng)物群落組成和結(jié)構(gòu)[23]發(fā)生了顯著變化，群落個(gè)體數(shù)、類群數(shù)和生物量均較耕作農(nóng)田顯著提高[24，25]。

研究表明[26]，皇甫川流域不同人工植被中依賴哺乳動(dòng)物糞生存的糞金龜子各項(xiàng)群落指標(biāo)并不顯著高于農(nóng)田和天然草地，這與土壤動(dòng)物群落的響應(yīng)特征明顯不同。還有研究表明，土地翻耕可以降低蠐螬群落的多度和多樣性[27，28]。這意味著，具有不同生活習(xí)性的動(dòng)物類群對不同水土治理人工植被有不同的響應(yīng)特征。作為一個(gè)特殊營養(yǎng)類群，食根性蠐螬群落的多度、物種組成和多樣性以及主要物種的發(fā)生程度在生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和功能完整性方面有重要作用。本文的研究結(jié)果表明，不同水土治理措施人工植被均使蠐螬群落的個(gè)體數(shù)和多樣性較耕作農(nóng)田有不同程度提高，其中，人工楊樹林中群落個(gè)體數(shù)和物種多樣性的提高尤為顯著，人工松樹林中盡管個(gè)體數(shù)提高不很明顯，但物種多樣性較農(nóng)田有明顯提高，本文選擇的兩種農(nóng)田樣地中蠐螬群落的各項(xiàng)指標(biāo)均相對較低，這與農(nóng)田和人工林地在人為擾動(dòng)程度（特別是土地翻耕）、植被覆蓋狀況（如樹高或草高）、以及凋落物積累量和土壤濕度的差別有關(guān)[29]。與農(nóng)田比較，由于人工林地較高的郁閉度和較厚的地表凋落物層，使得林地中土壤狀況有了明顯改變，且在管理中還徹底排除了人為擾動(dòng)的影響，這是兩類樣地間蠐螬群落組成和多度形成差別的根本原因；兩種人工林地比較，楊樹林適當(dāng)?shù)闹昃嗪洼^大的林下空間應(yīng)該是較人工油松林（種植密度較高，林下空間相對較?。┲邢擉┒喽群投鄻有蕴岣叩闹饕?。也與采集到的蠐螬種類（特別是優(yōu)勢種）在本研究地區(qū)的特殊環(huán)境狀況下多傾向于在人工林地（特別是人工楊樹林）產(chǎn)卵[13]有關(guān)。因此，就皇甫川流域蠐螬群落對幾種水土治理人工植被的響應(yīng)特征而言，人工林地有益于蠐螬群落多度和多樣性的維持。

本文共采集到7種蠐螬，它們多為重要農(nóng)林害蟲[30]。優(yōu)勢種東方絹鰓金龜是中國北方廣泛分布的重要林業(yè)害蟲[31，32]，還是內(nèi)蒙古草原地區(qū)蠐螬群落的優(yōu)勢種[33]。本研究中其幼蟲主要分布在人工楊樹林樣地，在其他樣地（特別是百里香草地）中分布較少；即，局部區(qū)域中的人工楊樹林地是東方絹鰓金龜?shù)淖钸m宜產(chǎn)卵地。毛缺鰓金龜則在人工楊樹林和百里香草地有較高的個(gè)體數(shù)分布，在采樣中還發(fā)現(xiàn)，夏季有較多毛缺鰓金龜成蟲集群在林地內(nèi)活動(dòng)。顯然，皇甫川流域蠐螬群落的2個(gè)優(yōu)勢種（東方絹鰓金龜和毛缺鰓金龜）主要分布于人工楊樹林；就人工水土治理植被管理中兩種優(yōu)勢金龜子發(fā)生的監(jiān)測和防治而言，人工楊樹林中其幼蟲發(fā)生的監(jiān)測和防治應(yīng)該是重點(diǎn)。

5 結(jié)語

皇甫川流域不同水土治理人工植被中蠐螬群落的個(gè)體數(shù)和多樣性均較農(nóng)田提高，人工林地中提高尤為明顯；兩種優(yōu)勢蠐螬夏季發(fā)生程度高于春季和秋季。

可以認(rèn)為，皇甫川流域水土流失綜合治理工程中人工林地種植對蠐螬群落多度和多樣性的維持較為有益；人工植被的管理中應(yīng)該特別注意人工楊樹林中兩種優(yōu)勢蠐螬發(fā)生的監(jiān)測和防治。

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