內(nèi)蒙古短花針茅荒漠草原土壤線蟲群落的垂直分布特征

孟 元 ，賈美清 ，林 宇 ，韓國(guó)棟 ，黃 靜，隋 鑫 ，尹 雪 ，楊向蕓 ，張國(guó)剛 ，5

(1.天津師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，天津300387；2.天津市水資源與水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300387；3.天津出入境檢驗(yàn)檢疫局動(dòng)植物與食品檢測(cè)中心，天津300461；4.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院，呼和浩特010019；5.天津師范大學(xué)天津市動(dòng)植物抗性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300387)

土壤線蟲是土壤動(dòng)物的重要組成部分，其種類和數(shù)量豐富，食性多種多樣，占據(jù)食物網(wǎng)中的多個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)，直接參與生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)，易于分離，許多種類能在極端條件下存活并能對(duì)環(huán)境變化作出反應(yīng)[1-2].因此，線蟲作為指示生物用來評(píng)估土壤的健康水平越來越受關(guān)注[3].

荒漠草原位于草原和荒漠兩大陸地生態(tài)系統(tǒng)的中間地帶[5]，我國(guó)內(nèi)蒙古荒漠草原約占內(nèi)蒙古草原總面積的10.7%.由于植物稀少，氣候干旱，土壤養(yǎng)分狀況較差，加上人為因素干擾，導(dǎo)致荒漠化日益嚴(yán)重.與其他草原類型相比，荒漠草原穩(wěn)定性較差，對(duì)外界環(huán)境和人為因素的干擾比較敏感.近年來，由于畜牧業(yè)的快速發(fā)展，荒漠草原食草動(dòng)物數(shù)量大幅度增加，導(dǎo)致植物種類減少，植被蓋度降低，草原荒漠化加劇.目前對(duì)荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)的研究主要集中在氣候變化、放牧方式等對(duì)草原的群落結(jié)構(gòu)、植被空間異質(zhì)性及土壤微生物的影響等方面[4-5]，關(guān)于荒漠草原土壤線蟲對(duì)環(huán)境變化響應(yīng)的研究相對(duì)較少.本研究對(duì)內(nèi)蒙古短花針茅荒漠草原土壤線蟲的群落組成和多樣性進(jìn)行調(diào)查，旨在揭示土壤線蟲在荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)中的地位和作用，為荒漠草原的恢復(fù)和利用提供理論參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

樣地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市四子王旗農(nóng)牧科學(xué)院長(zhǎng)期定位試驗(yàn)站(N41°47′17″，E111°53′46″)，海拔高度為1 456 m，平均氣溫為3.4℃，樣地內(nèi)的放牧為開放自由式.植被類型為典型荒漠草原，植物組成匱乏，建群種為短花針茅(Stipa breviflora)，優(yōu)勢(shì)種為冷蒿(ArtemisiafrigidaWilld)和無芒隱子草(Cleistogenes songorica)，伴生種主要有木地膚(Kochia prostrata)、阿氏旋花(Apgarbindweed)、細(xì)葉蔥(Alliumtenuissimum)、羊草(Leymus chinensis)等.

1.2 研究方法

1.2.1 土壤樣品采集

2016年8月初，在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)選擇3塊典型的短花針茅荒漠草原樣地，在每塊樣地內(nèi)分別用土壤環(huán)刀采集 0～5、5～10、10～20、20～30 cm 的 4 層土壤，每層 3 次重復(fù).為了減少土壤線蟲空間分布差異所造成的影響，每次重復(fù)對(duì)樣地內(nèi)進(jìn)行多點(diǎn)取樣，每個(gè)取樣點(diǎn)地上植被類型必須為典型短花針茅荒漠草原群落.將土樣裝入密封袋中帶回實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，放入4℃冰箱中備用.

1.2.2 土壤線蟲分離和鑒定

漏斗中鐵絲網(wǎng)上放入紗布包裹好的土壤，漏斗上端設(shè)置有60 W的白熾燈，下端裝有帶止水夾的乳膠管，加入蒸餾水浸沒土壤，20℃條件下分離，期間不斷加入蒸餾水.24 h后將液體收集到離心管中，65℃水浴加熱30 min，加入等體積的TAF固定液，保存待用.

土壤線蟲鑒定：根據(jù)文獻(xiàn)[6]在顯微鏡和體式顯微鏡等儀器下對(duì)線蟲進(jìn)行分類鑒定.

1.2.3 數(shù)據(jù)處理方法

本研究以每100g干土中土壤線蟲的數(shù)量對(duì)線蟲進(jìn)行計(jì)數(shù).基于不同類群的數(shù)量百分比劃分優(yōu)勢(shì)：個(gè)體數(shù)占總數(shù)10%以上的為優(yōu)勢(shì)種；占總數(shù)1%～10%的為常見種；占總數(shù)1%以下的為罕見種.根據(jù)形態(tài)特征和取食特性將土壤線蟲劃分為4個(gè)功能類群：植食性類群(phytophagous nematode)、食細(xì)菌類群(bacterivorous nematode)、食真菌類群(fungi-feeding nematode)和捕食雜食類群(omni-vorous nematode).采用如下參數(shù)計(jì)算土壤線蟲的群落多樣性：

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)：H=-∑Pi× lnPi

Pielou均勻度指數(shù)(J)：J=H/lnS

Margalef豐富度指數(shù)(SR)：SR=(S-1)/lnN植物寄生線蟲指數(shù)(PPI)：PPI= ∑vi× fi

自由生線蟲成熟度指數(shù)(MI)：MI= ∑vi× fi′

式中：S為物種數(shù)；Pi=Ni/N，為各個(gè)種群的個(gè)體數(shù)量與群落總個(gè)體數(shù)量的比值；vi為土壤線蟲第i類群的c-p值；fi為植物寄生線蟲第i類群的個(gè)體占群落總個(gè)體數(shù)的比例；fi′為自由生線蟲第i類群的個(gè)體占群落總個(gè)體數(shù)的比例.

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤線蟲的數(shù)量變化

土壤線蟲在不同土層的數(shù)量分布如圖1所示.

圖1 不同土壤深度線蟲的數(shù)量Fig.1 Number of nematodes at different soil depth

由圖1可以看出，不同土層間的土壤線蟲數(shù)量差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05).土壤線蟲數(shù)量的垂直分布呈現(xiàn)明顯的表聚型，即線蟲主要集中在0～5 cm層，該層土壤線蟲數(shù)量占總數(shù)的53.78%，表明0～5 cm層土壤環(huán)境更適合土壤線蟲生存.隨著土層深度的增加，土壤線蟲數(shù)量逐漸減少，20～30 cm層土壤線蟲數(shù)量最少，僅占總數(shù)的0.91%.

2.2 土壤線蟲不同功能類群的數(shù)量變化

土壤線蟲4個(gè)功能類群在不同土壤深度下的數(shù)量及比例如圖2所示.

圖2 不同土壤深度線蟲群落中各功能類群線蟲的數(shù)量及比例Fig.2 Mean abundance and proportion of four trophic groups of the nematode communities at different soil depth

由圖2可以看出，4個(gè)功能類群線蟲的垂直分布均呈現(xiàn)表聚型.植食性線蟲的數(shù)量在0～5 cm層最高，5～10 cm和10～20 cm層分別下降了35.29%和82.35%，20～30 cm層中未發(fā)現(xiàn)植食性線蟲.食細(xì)菌線蟲在0～5 cm層每100 g干土中的數(shù)量為615只，其他3個(gè)土層依次減少了29.28%、68.33%和97.40%.食真菌線蟲僅出現(xiàn)在0～5 cm和5～10 cm土層.捕食雜食性線蟲5～10 cm和10～20 cm層的數(shù)量分別比0～5 cm土層減少36.11%和86.11%，20～30 cm層中未發(fā)現(xiàn)捕食雜食性線蟲.

在各層土壤線蟲群落中，食細(xì)菌性線蟲占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，所占比例隨著土壤深度的增加而增加，在4個(gè)土層中的占比分別為64.53%、74.80%、87.96%和100%.植食性和食真菌類群數(shù)量相近，捕食雜食類群數(shù)量最少.

2.3 土壤線蟲的群落組成及數(shù)量關(guān)系

在內(nèi)蒙古短花針茅荒漠草原共分離鑒定出土壤線蟲26個(gè)屬，群落組成如表1所示.

表1 不同深度土壤線蟲的群落組成Tab.1 Amount and type of nematodes at different soil depth

由表 1可知，麗突屬(Acrobeles)和擬麗突屬(Acrobeloides)為優(yōu)勢(shì)種，占線蟲總數(shù)的65.48%，其中麗突屬占46.75%，擬麗突屬占18.73%.柄端球?qū)?Paurodontus)、小桿屬(Rhabditis)、鹿角唇屬(Cervidellus)、矮化屬(Tylenchorhynchus)、墊咽屬(Tylencholaimus)、真滑刃屬(Aphelenchus)、滑刃屬(Aphelenchoides)、真矛線屬(Eudorylaimus)、孔咽屬(Aporcelaimus)、缽盤屬(Mylodiscs)、單齒屬(Mononchus)為常見屬，占線蟲總數(shù)的29%，其余屬為罕見屬.麗突屬、擬麗突屬在各個(gè)土層均有分布；板唇屬(Chiloplacus)、裸矛屬(Psilenchus)、大矛屬(macrodora)、桑尼屬(Thornia)、狹咽屬(Discolaimium)只出現(xiàn)在 0～5 cm 土層；真頭葉屬(Eucephalobus)、螺旋屬(Helicotylenchus)、短體屬(Pratylenchus)、頭墊刃屬(Tetylenchus)、偽墊刃屬(Nothotylenchus)、輪屬(Criconrmoides)、墊咽屬、真滑刃屬、滑刃屬、真矛線屬、擬桑尼屬(Thorneella)、缽盤屬、單齒屬在10～20 cm層開始消失；在20～30 cm層只發(fā)現(xiàn)了麗突屬和擬麗突屬；散香屬(Beleodorus)只出現(xiàn)在5～10 cm層，孔咽屬出現(xiàn)在5～10 cm層和10～20 cm層.隨著土壤深度的增加，土壤線蟲數(shù)量逐漸減少，絕大多數(shù)土壤線蟲的垂直分布呈表聚型.

2.4 土壤線蟲群落多樣性及成熟度指數(shù)

內(nèi)蒙古短花針茅荒漠草原不同深度土壤線蟲群落的多樣性特征如表2所示.

表2 不同深度土壤線蟲群落的多樣性Tab.2 Diversity of the nematode communities at different soil depth

由表2可以看出，隨著土層深度的增加，土壤線蟲群落的多度(Abundance)呈下降趨勢(shì)，各層之間的差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)，多度的垂直分布呈現(xiàn)明顯的表聚型.線蟲多樣性指數(shù)(H)隨著土層深度的增加而逐漸下降，各層之間的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05).均勻度指數(shù)(J)在20～30 cm層的數(shù)值最大，顯著高于其他土層，其他土層的線蟲均勻度指數(shù)相近.豐富度指數(shù)(SR)在0～5 cm層數(shù)值最大，略高于5～10 cm層，顯著高于10～20 cm和20～30 cm層(P＜0.05).植物寄生線蟲指數(shù)(PPI)在 0～5、5～10 和 10～20 cm層變化不顯著，5～10 cm層的植物寄生線蟲指數(shù)略高.自由生線蟲指數(shù)(MI)是用于評(píng)價(jià)擾動(dòng)程度的指標(biāo)，低MI值表明系統(tǒng)擾動(dòng)強(qiáng)烈，反之則表明系統(tǒng)穩(wěn)定，自由生線蟲指數(shù)在0～5 cm層的數(shù)值顯著高于5～10 cm層和10～20 cm層，與20～30 cm層的差異不顯著，說明0～5 cm和20～30 cm層抗干擾能力強(qiáng)，系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定.

3 討論

在內(nèi)蒙古短花針茅荒漠草原共發(fā)現(xiàn)土壤線蟲26個(gè)屬，麗突屬和擬麗突屬是該地區(qū)的優(yōu)勢(shì)種.土壤線蟲種群密度為每100 g干土中有1 765條，與以往研究相近(每100 g干土中有504～3 121條)[7].內(nèi)蒙古荒漠草原與其他3種草原類型相比土壤線蟲數(shù)量與種類較少，這與張瑞易的研究結(jié)果一致[8].這可能是因?yàn)樵摰貐^(qū)植物種類和數(shù)量稀少，氣候干旱，土壤養(yǎng)分狀況較差.土壤線蟲是典型的濕生動(dòng)物，土壤濕度也是影響線蟲數(shù)量的重要原因.內(nèi)蒙古短花針茅荒漠草原土壤線蟲總數(shù)隨著土壤深度的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，垂直分布特征為表聚型[9]，0～5 cm層線蟲的數(shù)量最大，這與Liu等[10]的研究結(jié)果一致.這主要是因?yàn)?～5 cm土層的土壤比較疏松且營(yíng)養(yǎng)豐富，適宜土壤線蟲的生存[11].不同深度土壤線蟲數(shù)量的變化可能與其食物資源有關(guān)[12]，隨著土壤深度的增加，線蟲的食物資源越來越匱乏，導(dǎo)致土壤線蟲的數(shù)量減少.本研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)蒙古短花針茅荒漠草原的土壤線蟲群落中食細(xì)菌線蟲數(shù)量最多，而且食細(xì)菌線蟲數(shù)量在各個(gè)土層之間的差異性顯著，這與Zhang等[13]對(duì)沙丘土壤線蟲的研究結(jié)果一致.由于本研究區(qū)域?yàn)檩^干旱的內(nèi)蒙古短花針茅荒漠草原，較高的土壤有機(jī)質(zhì)含量導(dǎo)致細(xì)菌資源豐富，為食細(xì)菌線蟲提供了充足的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，因此食細(xì)菌線蟲數(shù)量較多[14].而大多數(shù)植食性線蟲存活于根際土壤中，主要取食土壤中的植物根系，而荒漠草原中植物種類及數(shù)量相對(duì)較少，因此植食性線蟲食物來源較少，導(dǎo)致植食性線蟲的種類和數(shù)量減少.自由生線蟲指數(shù)MI可以用來反映土壤生態(tài)系統(tǒng)受干擾的程度[15].本研究發(fā)現(xiàn)，短花針茅荒漠草原的MI指數(shù)變化范圍為1.81～2.00，低于Zhang等[16]報(bào)道的2.58～2.88.隨著土層深度的增加，自由生線蟲指數(shù)MI呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，表明內(nèi)蒙古短花針茅荒漠草原土壤表層和深層的線蟲群落具有較強(qiáng)的抗干擾能力.

深入了解線蟲生物多樣性和土壤生態(tài)系統(tǒng)功能可以更好地發(fā)揮土壤線蟲在草原生態(tài)系統(tǒng)的生物指示作用.在以土壤線蟲作為指示生物的研究中，可以通過了解線蟲群落和優(yōu)勢(shì)種對(duì)環(huán)境變化作出的響應(yīng)來評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)的土壤健康水平.這種指示作用需要對(duì)線蟲進(jìn)行種類鑒定[17]，依據(jù)線蟲形態(tài)特征的傳統(tǒng)鑒定方法對(duì)鑒定者要求極高[18]，隨著分子生物技術(shù)的發(fā)展，越來越多的學(xué)者開始嘗試?yán)梅肿臃椒ㄔu(píng)價(jià)線蟲多樣性[19].本研究對(duì)內(nèi)蒙古短花針茅荒漠草原土壤線蟲群落進(jìn)行了形態(tài)學(xué)研究，為進(jìn)一步建立土壤線蟲形態(tài)學(xué)鑒定與其分子身份的對(duì)應(yīng)關(guān)系提供理論依據(jù).

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