青藏高原東緣高寒草甸土壤纖毛蟲群落的季節(jié)變化特征

劉旻霞，蔣曉軒，李全弟，南笑寧，夏素娟

西北師范大學地理與環(huán)境科學學院，甘肅 蘭州 730070

土壤纖毛蟲的種類繁多、數(shù)量巨大，而且分布非常廣泛，它們是土壤生態(tài)系統(tǒng)中很重要的組分（Giller，1996）。土壤纖毛蟲與生態(tài)環(huán)境之間互相影響，對自然界的能量流通和元素轉(zhuǎn)換過程中有顯著作用（Bardgett et al.，2013）。而作為地下食物鏈和食物網(wǎng)的重要組成部分，土壤纖毛蟲在凋落物的分解和土壤局部環(huán)境的改善中起到了很大作用（Liao et al.，2015）。土壤纖毛蟲生存在地表環(huán)境系統(tǒng)中，因此它們在土壤生態(tài)系統(tǒng)中的個體數(shù)量和類群組成，與環(huán)境的變化密切相關(guān)（劉潔等，2017）。許多研究表明，土壤纖毛蟲群落受氣候（Stebaeva，2003；宋理洪等，2018）、植被（林英華等，2005）、土壤（王超等，2017）等生態(tài)因子的影響。隨著溫度、降水等生態(tài)因子的變化，不同地區(qū)土壤纖毛蟲的群落組成與結(jié)構(gòu)具有明顯的地帶性特征（尹文英，1992）。作為有效指示生物之一，土壤纖毛蟲對不同季節(jié)及環(huán)境的變化極其敏感，故它們被廣泛應(yīng)用在其他生態(tài)系統(tǒng)（Petz et al.，1989；馬正學等，2008）的評價中。

位于青藏高原東緣的甘南州，草場面積達2.723×106hm-2，高寒草甸是甘南地區(qū)分布較為廣泛的生態(tài)系統(tǒng)類型，同時，也是甘南地區(qū)的重要草地資源，支撐著甘南地區(qū)的畜牧業(yè)發(fā)展，是黃河、長江的水源涵養(yǎng)區(qū)和補給區(qū)。近年來，由于全球氣溫升高、降雨量減少等自然因素和人口增加、草地過度放牧、旅游業(yè)的影響，全州草地生態(tài)環(huán)境日益惡化，天然草地大面積退化。甘南高寒草甸草場的退化和生境的改變等均會影響土壤纖毛蟲個體、種群及群落結(jié)構(gòu)的變化，反之，纖毛蟲的這些改變也會影響局部生態(tài)環(huán)境及土壤理化性質(zhì)（樊云龍等，2010；寧應(yīng)之等，2017）。

由于高寒草甸地區(qū)四季環(huán)境因子變化明顯，冬季漫長而寒冷，夏季多雨，降水集中，并且晝夜溫差非常大，加之冬夏季草場放牧強度不均衡，導致土壤等環(huán)境因子變化巨大，這些都嚴重影響了土壤纖毛蟲的生存環(huán)境。鑒于此，本文提出如下假設(shè)：（1）甘南高寒草甸土壤纖毛蟲種類和數(shù)量隨季節(jié)的不同而發(fā)生變化；（2）夏秋季土壤含水量增加，土溫升高將增大土壤纖毛蟲物種多樣性。通過對以上問題的深入研究，總結(jié)高海拔氣候變化敏感區(qū)土壤纖毛蟲群落特征，以期為青藏高原高寒草甸牧區(qū)的土壤生物多樣性保護和生態(tài)環(huán)境改善、退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

甘南藏族自治州位于甘肅省西南部（34°55′N，102°53′E），地處青藏高原東緣，平均海拔3000 m。屬高寒濕潤類型，冷季長，暖季短，晝夜溫差大，年均氣溫-0.5－3.5 ℃，極端最高氣溫28 ℃，極端最低氣溫-23 ℃。年均降水量558.8 mm，集中于7月、8月、9月。平均無霜期48 d，全年日照充足。地表徑流深200－350 mm，年蒸發(fā)量1222 mm。土壤類型為亞高山草甸土，植被類型為亞高寒草甸，主要有優(yōu)勢植物三刺草（Aristida triseta）、矮嵩草（Kobresia humilis）、珠芽蓼（Polygonum viviparum）、金露梅（Potentilla fruticosa），伴生種有火絨草（Leontopodium alpinum）、鵝絨委陵菜（Potentilla anserina）等。

1.2 試驗設(shè)計

在甘南合作市當周溝草原選取 3個樣地（20 m×20 m，樣地之間間距為200 m），分別于2015年4月（春季）、7月（夏季）、9月上旬（秋季）和12月初（冬季）在同海拔（3000 m左右）沿山頭進行取樣。同時測量土壤溫度、照度及含水量，并調(diào)查植被狀況。在每個樣地中設(shè)置 9個樣方（圖1），用直徑為5 cm的土鉆沿對角線分別取0－5、5－15、15－25 cm土層土壤，裝入自封袋，并貼好標簽，4個季節(jié)共取得土樣108份，帶回實驗室，待分析。

圖1 實驗樣地分布圖Fig.1 Plot distribution map

1.3 項目的測定與方法

1.3.1 土壤因子測定

采用烘干法測定土壤含水量；用地溫計（EM50）測定土壤溫度，以上實驗均做3次重復(fù)。用型號為ZDS-10的照度計測量各樣地光照度，測量時照度計和地面保持水平，測量高度距離地面50 cm。土壤有機碳采用重鉻酸鉀容量法測定；土壤全氮（TN）消煮后，采用硫酸-K2SO4∶CuSO4∶Se 催化法消煮，使用SmartChem 200化學分析儀進行測試。土壤全磷（TP）及速效磷（AP）采用鉬銻抗法比色法測定（Olsen et al.，1954）含量；pH值采用電位法測定；速效氮（AN）用 KCl浸提取上清液，采用SmartChem 200化學分析儀進行測試。

1.3.2 樣品培養(yǎng)與鑒定

采用“非淹沒培養(yǎng)皿法”（Foissner et al.，2002）鑒測土壤纖毛蟲。把土壤浸出液加入有土樣的培養(yǎng)皿中，將土壤充分潤濕，但不淹沒，在 25 ℃恒溫下培養(yǎng)土壤纖毛蟲，培養(yǎng)開始后每隔3 d置于光學顯微鏡下鑒定土壤纖毛蟲物種，直到?jīng)]有新物種出現(xiàn)為止。采用活體觀察法和染色制片法鑒定土壤纖毛蟲物種。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

土壤纖毛蟲的多樣性特征分析采用以下各指數(shù)計算公式（Whittaker，1972）：

（1）多樣性指數(shù)（Shannon-Wiener）公式：

（2）均勻度指數(shù)（Pieluo）公式：

（3）優(yōu)勢度指數(shù)（Simpson）公式：

式中，H為物種的多樣性指數(shù)；Pi為第i類群的個體數(shù)比，Pi=Ni/N，Ni為第 i類群的個體數(shù)，N為總個體數(shù)；S為所有類群數(shù)。

不同季節(jié)土壤纖毛蟲相似性用 Jaccard相似性指數(shù)公式計算：

式中，當 0.50≤q＜0.7時，表示中等相似；當0.25≤q＜0.50 時，表示中等不相似；0＜q＜0.25 時，表示極不相似（寧應(yīng)之等，1998）。

數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析運用Excel 2013軟件進行，運用SPSS 18.0軟件進行One-way ANOVA（單因素方差）分析，運用Canoco for windows 4.5進行RDA（Redundancy analysis）排序分析。運用SigmPlot 12.0軟件作圖。

圖2 土壤環(huán)境因子的四季變化Fig.2 Changes of soil environmental factors in the four seasons

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境因子的四季變化特征

圖2表明，研究區(qū)土壤含水量以秋季最高，其次是夏季，春冬季較小，不同季節(jié)之間存在顯著差異（P＜0.05）；土壤溫度表現(xiàn)為夏季＞秋季＞春季＞冬季，四季差異顯著（P＜0.05）；光照度除冬季較低外，其他3個季節(jié)差異不顯著；土壤全氮（TN）、全磷（TP）、有機碳（SOC）、速效氮（AN）及速效磷（AP）含量在不同季節(jié)間差異顯著（P＜0.05），春冬季土壤有機碳顯著高于其他兩個季節(jié)，這可能是由于冬春季土壤凋落物分解所致；而土壤pH春季最高，冬季次之，夏秋季相對較低，這與四季降水的不均衡有關(guān)。

2.2 土壤纖毛蟲的群落組成

圖3顯示：在研究區(qū)春季土壤中共鑒出97種纖毛蟲，分屬于9綱17目32科49屬，其中旋毛綱（Spirotrichea）和裂口綱（Litostomatea）為優(yōu)勢類群，分別有16屬26種和7屬20種。夏季土壤纖毛蟲有141種，分屬于9綱17目32科55屬，其中旋毛綱和裂口綱為優(yōu)勢類群，分別有18屬40種和10屬28種。秋季土壤中共有105種纖毛蟲，分屬于9綱17目32科48屬，旋毛綱和裂口綱為優(yōu)勢類群，分別有16屬26種和9屬22種。冬季共有纖毛蟲78種，分屬于9綱17目32科42屬，旋毛綱和裂口綱為優(yōu)勢類群，分別有13屬21種和8屬15種。土壤纖毛蟲的豐度四季變化明顯，秋季的豐度高于夏季和冬季，春季稍低一些。

圖3 土壤纖毛蟲群落的四季變化Fig.3 Changes of soil ciliates community in four seasons

圖4 不同季節(jié)土壤纖毛蟲多樣性指數(shù)Fig.4 Diversity index of soil ciliates in different seasons

2.3 土壤纖毛蟲群落多樣性與相似性

Margalef豐富度指數(shù)（4.64）和Pieluo均勻度指數(shù)（0.98）均是春季相對較高，其他季節(jié)相對較低。Shannon-Wiener多樣性指數(shù)（10.56）、Simpson優(yōu)勢度指數(shù)（0.26）、物種數(shù)（91）和豐度（5332）均是夏季最高，其他季節(jié)相對較低，其中豐度以冬季最低（256）（圖4）。

土壤纖毛蟲群落的相似性指數(shù)在 0.546－0.738之間（表1），其中夏秋季相似性指數(shù)最高（0.738），春夏季次之（0.688），為中等相似，冬夏季相似性指數(shù)較低（0.546）。

表1 土壤纖毛蟲群落相似性分析Table1 Similarity analysis of soil ciliates community

圖5 不同季節(jié)土壤纖毛蟲種類數(shù)量的垂直分布Fig.5 Species number and abundance distribution of soil ciliates in different seasons

圖6 土壤纖毛蟲種群在四季分布的聚類分析Fig.6 Cluster analysis of the distribution of soil ciliates in four seasons

2.4 土壤纖毛蟲垂直分布動態(tài)

隨土層加深，4個季節(jié)纖毛蟲種類數(shù)和豐度都呈逐漸減少的趨勢，表明土壤纖毛蟲主要分布在表層土壤，中層和深層分布較少。夏季和秋季的物種數(shù)和豐度較冬春季高，4個季節(jié)的物種數(shù)和個體數(shù)差異顯著（P＜0.05）。不同季節(jié)間，0－5 cm的物種數(shù)以夏季最高（63.4），個體數(shù)則以秋季最高（3214），春季的類群數(shù)（43.4）和個體數(shù)（794）相對較低。5－15 cm 的物種數(shù)（48.2）和個體數(shù)（1808）均以夏季為最高，秋季次之，春（37.4和556）冬（28.2和590）季較低。與表中層相比，10－15 cm土層的物種數(shù)和個體數(shù)波動幅度不大（圖5）。高寒草甸土壤纖毛蟲物種數(shù)和個體數(shù)的垂直分布均有一定的表聚性，但表聚性程度因季節(jié)而異。

2.5 不同季節(jié)土壤纖毛蟲聚類分析

根據(jù)不同季節(jié)土壤纖毛蟲的類群數(shù)進行分析，結(jié)果如圖6所示，春季和秋季最先聚為一類，隨后冬季和春季聚為一類后與夏季聚為一類，表明春秋季的土壤纖毛蟲分布最為相似，夏季差異最大，相似度表現(xiàn)出隨季節(jié)變化、環(huán)境變化及纖毛蟲種類數(shù)量的變化而變化的特征（圖6）。

2.6 土壤纖毛蟲與不同季節(jié)環(huán)境因子關(guān)系

采用RDA（冗余分析）方法進行相關(guān)分析，圖7中箭頭（實線）所在的位置代表排序軸和環(huán)境因子之間的相關(guān)性（正負），其箭頭和排序軸的夾角大小表示環(huán)境因子的相關(guān)性大小。結(jié)果顯示，大部分的纖毛蟲物種分布在夏秋兩季，尤其以夏季居多。纖毛蟲與土壤含水量、光照度、土壤溫度呈顯著正相關(guān)，與其他環(huán)境因子呈負相關(guān)關(guān)系，且正相關(guān)性大小表現(xiàn)為：土壤溫度＞光照度＞土壤含水量。由不同科土壤纖毛蟲冗余分析的第一、二排序軸和環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù)可知，第一軸排序軸解釋信息量為83.6%，第二排序軸為8.9%。第一、二排序軸累積可以解釋信息量達92.5%，可以說明前兩個排序軸反映了環(huán)境因子與纖毛蟲結(jié)構(gòu)的大部分信息（表2）。

圖7 不同季節(jié)土壤纖毛蟲物種與環(huán)境因子的冗余分析Fig.7 RDA of soil ciliate species and environmental factors in different seasons

表2 排序軸與環(huán)境因子的冗余分析Table2 RDA analysis of ordination axis and environmental factors

3 討論

不同季節(jié)土壤溫度、光照度、土壤含水量及土壤養(yǎng)分含量等外界條件的差異會影響土壤纖毛蟲的群落結(jié)構(gòu)、多樣性等的變化。本研究中，土壤養(yǎng)分、含水量、光照度、土溫及pH等在不同季節(jié)間有顯著差異（圖 2），其中，土壤溫度的四季差異最為顯著，光照度冬季偏低，土壤含水量夏秋季高于其他兩季，土壤養(yǎng)分含量在植物生長的旺季相對較低，主要原因是甘南地區(qū)夏秋季降水較多，而過多的降水會造成土壤養(yǎng)分尤其是表層養(yǎng)分流失嚴重。除此之外，夏秋季植物生長較為旺盛，為了滿足其自身生長發(fā)育對養(yǎng)分的需求，植物根系同樣需要吸納大量的養(yǎng)分，從而導致土壤養(yǎng)分損耗較多，養(yǎng)分含量呈下降趨勢，這與其他相關(guān)研究（薛敬意等，2003）結(jié)果一致。土壤有機碳含量在春冬季較高，這可能與植物凋落物回歸有關(guān)，生長旺盛期的土壤pH值低于其他季節(jié)，這與江遠清等（江遠清等，2007）的發(fā)現(xiàn)基本吻合，說明土壤pH值的變化是一個相對復(fù)雜的過程，土壤中 H+濃度容易受土壤溫濕度及其他陽離子等的影響（Baldrian et al.，2013）。

甘南高寒草甸土壤纖毛蟲群落具有顯著的季節(jié)變化特征，印證了本文提出的第一個假設(shè)。4個季節(jié)中物種數(shù)和豐度在夏秋季最多，而旋毛綱和裂口綱為優(yōu)勢類群（圖3）。土壤動物季節(jié)動態(tài)分布受溫度、降水和植被等的影響而出現(xiàn)波動（Morónríos et al.，2010），不同地區(qū)土壤動物多樣性的季節(jié)動態(tài)不同。有研究表明，土壤動物的類群數(shù)和密度隨土溫的升高而減小，然而在長白山地區(qū)隨土壤溫度的升高，土壤動物類群數(shù)和密度呈增大趨勢（李紅月，2015）；另有研究發(fā)現(xiàn)，土壤動物的個體數(shù)、類群數(shù)及多樣性在雨季最低（楊效東等，2003）。在寒溫帶和中溫帶地區(qū)土壤動物密度在 7－9月達到最大；在夏秋季節(jié)（雨熱同期）的土壤動物群落多樣性和數(shù)量都較高，相反冬春季就較少（殷秀琴等，2010；李玉杰等，2018）。多樣性指數(shù)（Shannon Wiener）、均勻度指數(shù)（Pielou）在春季最高；優(yōu)勢度指數(shù)（Simpson）、豐富度指數(shù)（Margalef）、物種數(shù)和豐度在夏季最高（圖4），這可能與四季的環(huán)境因子變化有關(guān)。春季土溫，降水及養(yǎng)分都比較適中，適合大部分纖毛蟲的生長，所以土壤纖毛蟲的多樣性較高；而夏秋季降水較多，土壤淋溶以及地上植被快速增長消耗碳氮磷等養(yǎng)分，除此之外降水過多也會改變土壤中溶液的滲透壓、破壞土壤團粒結(jié)構(gòu)，使土壤纖毛蟲及微生物等的生命活動減弱（戴允澤等，2018）。細菌、輪蟲和動植鞭毛蟲等物種數(shù)的減少無疑會影響到一些對食物有選擇性的纖毛蟲的食物來源（齊莎等，2010）。這樣就會導致部分纖毛蟲過度生長而競爭排除掉其他物種，使少數(shù)纖毛蟲成為優(yōu)勢度，從而使優(yōu)勢種和豐度等相應(yīng)增加，這與本文提出的第二個假設(shè)不一致。土壤纖毛蟲群落相似性（表 1）顯示，4個季節(jié)之間，夏秋季相似性指數(shù)最高（0.738），春夏季次之（0.688），均為中等相似，冬夏季相似性指數(shù)較低（0.546）。這可能與各個季節(jié)的環(huán)境因子影響有關(guān)。群落結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和各種群數(shù)量受到環(huán)境因子和生物群落適應(yīng)能力的雙重影響。

高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)土壤纖毛蟲類群數(shù)和個體數(shù)的垂直分布均有一定的表聚性，但不同季節(jié)表聚性程度不同（圖5）。已有研究表明，土壤動物的垂直分布受土壤理化性質(zhì)和營養(yǎng)狀況的影響（肖能文等，2009）。草原生態(tài)系統(tǒng)表層土壤是植物根系的主要分布區(qū)，土壤相對疏松，通氣性好，營養(yǎng)豐富因而土壤動物相對較多。植被結(jié)構(gòu)和土壤理化性質(zhì)是決定土壤動物垂直分布的相對穩(wěn)定性因子。

RDA進一步分析結(jié)果表明（圖7），四季環(huán)境因子均對土壤纖毛蟲的分布產(chǎn)生了影響，其中土壤溫度的影響最大。這與其他研究結(jié)果一致，即土壤溫度和大氣降水導致的土壤溫濕度變化是引起原生動物種群產(chǎn)生季節(jié)差異的主要原因（王薪琪等，2017）。土壤纖毛蟲生存最適宜的溫度是地表溫度在14.3－24.3 ℃范圍（寧應(yīng)之等，2017）。處于甘肅省南部的甘南州草原冬季漫長而寒冷，進入夏秋季后雨量增加，氣候變暖，土壤濕度增加（圖2），土壤動物繁殖能力增強。本研究中，與其他 3個季節(jié)相比，土壤溫度和含水量在夏季最高，這與寧應(yīng)之等（2017）的研究結(jié)果一致。另外，夏季土壤溫度和濕度的變化還可以影響植物的生理和群落結(jié)構(gòu)，從而影響土壤原生動物的資源可得性和微生境。

4 結(jié)論

（1）甘南高寒草甸隨著季節(jié)的變化，降水、溫度及土壤養(yǎng)分等不同，土壤纖毛蟲群落多樣性表現(xiàn)出顯著不同。物種豐富度、多樣性、物種數(shù)等總體來說在夏秋季較高，分別為：5332，10.56及91；冬季較低，分別為：256，5.9及47.4，體現(xiàn)了最優(yōu)良的生境和最大的物種多樣性指數(shù)。

（2）土壤溫度、全磷含量、光照度和含水量等均影響了甘南高寒草甸土壤纖毛蟲群落的分布，其中土壤溫度是關(guān)鍵限制因子。

（3）土壤纖毛蟲物種數(shù)和豐度垂直分布明顯，均為0－5 cm＞5－15 cm＞15－25 cm，這體現(xiàn)了纖毛蟲分布的表聚性。