草原化荒漠區(qū)中間錦雞兒灌叢土壤線蟲群落

宋承承，梅續(xù)芳，張 鵬，王業(yè)林，王德凱，解李娜，馬成倉

（天津師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 / 天津市動植物抗性重點實驗室，天津 300387）

灌叢擴(kuò)張是指由于生物或非生物環(huán)境的改變導(dǎo)致本地原有的灌木種密度和蓋度不斷擴(kuò)大的現(xiàn)象。灌叢擴(kuò)張已成為全球草地生態(tài)系統(tǒng)一個普遍現(xiàn)象[1]。在灌叢化過程中，灌木與草本植物之間發(fā)生強烈的相互作用，從而影響群落的結(jié)構(gòu)和功能。因此，灌木如何影響植物群落一直是灌叢化研究的熱點問題。地下生物群落，如土壤微生物群落和土壤線蟲群落，是土壤有機(jī)質(zhì)分解和養(yǎng)分礦化等生態(tài)過程的主要調(diào)節(jié)者[2-4]。但是目前關(guān)于灌叢對地下生物群落的影響主要集中在土壤微生物群落方面[5-7]，對土壤線蟲的群落結(jié)構(gòu)研究，尤其是灌叢化過程中土壤線蟲群落的變化沒有受到足夠重視，從而制約了人們對灌叢化發(fā)生機(jī)制的全面認(rèn)識。研究表明，灌木蓋度的增加顯著改變了土壤線蟲功能群結(jié)構(gòu)的組成[8]；隨著灌木栽植時間的增加，土壤線蟲群落發(fā)生顯著變化[9-10]。

依據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)(如食性特征或生活史對策)可將土壤線蟲分為不同營養(yǎng)類群[11-12]。土壤線蟲作為地下部食物網(wǎng)的重要組成部分，在食物網(wǎng)中占據(jù)多個主要營養(yǎng)級[13]。不同營養(yǎng)級生物的相互作用對土壤有機(jī)質(zhì)分解和能量流動起著關(guān)鍵作用[14-15]。因此，不僅需要考慮土壤線蟲的物種多樣性，還需綜合營養(yǎng)類群多樣性和生活史策略等信息對其生物多樣性進(jìn)行綜合評價，從而更好地發(fā)揮土壤線蟲在土壤生態(tài)系統(tǒng)中的生物指示作用。

不同土壤線蟲營養(yǎng)類群對環(huán)境的響應(yīng)不同。比如：植食性線蟲個體密度隨降水量增加而增加，而食細(xì)菌性線蟲、雜食捕食性線蟲則表現(xiàn)出相反的趨勢[16]；CO2富集顯著增加了食真菌線蟲的數(shù)量，但降低了雜食/捕食線蟲的數(shù)量[17]；高cp 值(4 或5)的土壤線蟲比低cp 值的線蟲對氮添加更敏感[18-20]。

土壤深度是影響土壤線蟲群落動態(tài)的重要環(huán)境因子之一[9,21-22]。研究表明，土壤線蟲群落往往呈現(xiàn)典型的垂直分布特征，這通常與各種生物、非生物因素有關(guān)[17,23-27]。因此，了解線蟲不同屬、不同營養(yǎng)類群隨土壤深度的變化規(guī)律，將有助于揭示土壤線蟲在灌叢化過程中的生態(tài)功能。

研究表明，灌木對植物群落的影響與所量化植物屬性有關(guān)，不同植物屬性影響不同。比如：相鄰植物對目標(biāo)植物的存活與生長[28-29]、密度與繁殖力[29]或萌發(fā)率和早期幼苗存活率[30]等不同屬性影響不同。而灌木對土壤線蟲群落的影響是否也依賴其不同屬性目前尚不清楚。

為此，調(diào)查了內(nèi)蒙古草原化荒漠區(qū)中間錦雞兒(Caragana intermedia)灌叢不同土壤深度的土壤線蟲群落，并分析不同屬、不同營養(yǎng)級線蟲與土壤營養(yǎng)之間的關(guān)系，目的是掌握灌木擴(kuò)張后對土壤線蟲群落的影響。擬回答：1)中間錦雞兒灌叢對土壤線蟲群落(不同營養(yǎng)類群、不同cp 類群)有何影響及其隨著土壤深度如何變化？2)中間錦雞兒灌叢對土壤線蟲群落不同屬性的影響是否存在差異？同時，本研究試圖討論中間錦雞兒灌叢對土壤線蟲群落不同屬性影響的原因和生態(tài)意義，以期為評估內(nèi)蒙古草地的健康狀況以及灌木入侵草原后土壤動物多樣性改變提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

樣地位于鄂托克旗烏蘭鎮(zhèn)。鄂托克旗地處鄂爾多斯市西部(38°37′47″ ? 39°28′12″ N，107°33′15″ ?108°34′36″ E)。該地區(qū)日照豐沛，降水量少，蒸發(fā)量大，四季分明。年均日照時數(shù)約3 000 h，年均溫約6.4 ℃，年均降水量約為250 mm，集中于7 月 ? 9 月，年均蒸發(fā)量約為3 000 mm，無霜期約122 d。

1.2 樣品采集

2016 年7 月，在研究區(qū)根據(jù)中間錦雞兒灌叢的密度、蓋度、分布狀況選擇合適的灌叢化草地作為實驗樣地。在樣地中隨機(jī)選取3 株立地條件基本一致的中間錦雞兒灌叢，在灌叢內(nèi)和灌叢外(距離灌叢邊緣處2 m 以上)分別采集0 ? 10 (A 層)、10 ? 20(B 層)、30 ? 40 cm (C 層) 3 層土壤，共采集約300 g 土壤樣品。將土樣裝入自封袋密封，并用冰盒帶回實驗室進(jìn)行土壤理化性質(zhì)測定和土壤線蟲分離鑒定。

1.3 土壤理化性質(zhì)測定

采用烘干法測定土壤含水量；采用水浸提電位法測定土壤pH；采用重鉻酸鉀容量法測定有機(jī)質(zhì)含量；采用碳酸氫鈉浸提?鉬銻抗比色法測定速效磷含量；采用醋酸銨浸提?火焰光度法測定速效鉀含量；采用流動分析儀測定硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量。

1.4 土壤線蟲分離與鑒定

稱取20 g 新鮮土樣，采用濕漏斗法(Baermann法)分離24 h，用TAF 固定液(又稱三乙醇胺 ? 福爾馬林固定液)保存線蟲。依據(jù)《中國土壤動物檢索圖鑒》[31]、《植物線蟲分類學(xué)》[32]在體視顯微鏡下觀察線蟲，并按科、屬對線蟲進(jìn)行分類統(tǒng)計。利用土壤含水量的測定結(jié)果，將線蟲個體數(shù)量轉(zhuǎn)換成每100 g干土的線蟲數(shù)。

1.5 土壤線蟲指數(shù)計算

根據(jù)土壤線蟲食性特征將土壤線蟲劃分為如下營養(yǎng)類群[12,33]：食細(xì)菌線蟲(BF)、食真菌線蟲(FF)、植物寄生線蟲(PF)、捕食雜食類線蟲(OP)。根據(jù)線蟲不同的生活史對策(r-對策或K-對策)將土壤線蟲劃分為如下cp 類群[11]：cp1，世代時間短，產(chǎn)卵量大代謝快，耐環(huán)境壓力，典型r-對策者；cp2，世代時間短，產(chǎn)卵量大較耐環(huán)境壓力，一般機(jī)會主義者；cp3，世代時間較長，對環(huán)境壓力較為敏感；cp4，世代時間長，對環(huán)境壓力敏感；cp5，世代時間長，產(chǎn)卵量小，對環(huán)境壓力特別敏感，典型K-對策者。土壤線蟲食性特征和cp 值如附表1 所列。

采用土壤線蟲物種數(shù)、Shannon-Wiener 指數(shù)、總個體數(shù)評估土壤線蟲群落多樣性。

式中：Pi表示群落第i 個物種的個數(shù)占生物總數(shù)的比例。Ni表示群落中第i 個生物種的數(shù)量。N 為群落中個體總數(shù)。

采用PPI/MI 評估生態(tài)系統(tǒng)受干擾程度。

自由生活線蟲成熟度指數(shù)(maturity index, MI)：

式中：v (i)為土壤線蟲第i 類群的Colonizers-Pesisters(cp)值；f (i)為自由生活線蟲第i 類群的個體占群落總個體數(shù)的比例；f ′(i)為植物寄生線蟲第i 類群的個體占群落總個體數(shù)的比例。

根據(jù)土壤線蟲不同營養(yǎng)類群多度(總個體數(shù))計算3 種營養(yǎng)類群比例，包括FF/(FF + BF)、(FF + BF)/PF 和OP/PF。采用FF/(FF + BF)比值說明土壤食物網(wǎng)分解途徑(細(xì)菌分解途徑vs 真菌分解途徑)的相對重要性。采用(FF + BF)/PF 說明土壤線蟲對植物生長的反饋作用：(FF + BF)/PF 比值越大，說明以植物為食的土壤線蟲數(shù)相對減少或食微線蟲相對增加，在一定程度上對植物生長具有促進(jìn)作用[34-35]；(FF + BF)/PF 比值越小，說明植食線蟲相對增加或食微線蟲相對減少，對植物生長具有抑制作用[36]。采用OP/PF 比值說明土壤食物網(wǎng)的復(fù)雜程度以及捕食類線蟲(top-down 因子)控制草食性線蟲的能力[37-38]，即top-down 效應(yīng)：OP/PF 比值越大，說明土壤食物網(wǎng)越復(fù)雜，top-down 效應(yīng)更強。計算公式如下：

FF/(FF + BF) = 食真菌線蟲多度/(食真菌線蟲多度 + 食細(xì)菌線蟲多度)；

(FF + BF)/ PF = (食真菌線蟲多度 + 食細(xì)菌線蟲多度)/植物寄生線蟲多度；

OP/PF = 捕食雜食性線蟲多度/植物寄生線蟲多度。

構(gòu)建土壤線蟲生態(tài)三角模型(等邊三角形)。采用等邊三角形描述土壤線蟲群落cp 值的分布。

1.6 統(tǒng)計分析

使用SPSS 20.0 軟件，采用雙因素方差分析檢驗灌叢和土壤深度對土壤線蟲群落各觀測指標(biāo)的影響及其交互作用，并用Tukey HSD 比較各土層間的差異性，用獨立樣本t 檢驗分析灌叢內(nèi)和灌叢外差異性。統(tǒng)計顯著性水平為P ＜ 0.05。采用CANOCO 4.5 軟件進(jìn)行冗余分析(RDA)，分析土壤線蟲和環(huán)境因子之間的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤線蟲群落多樣性

灌叢顯著影響中間錦雞兒土壤線蟲總數(shù)(P ＜ 0.05)，但對物種數(shù)和Shannon-Wiener 指數(shù)影響不顯著(P ＞0.05) (表1)。表層土中，灌叢內(nèi)土壤線蟲總數(shù)大于灌叢外；深層土中，灌叢外土壤線蟲總數(shù)大于灌叢內(nèi)(圖1)。

土壤深度對土壤線蟲總數(shù)和Shannon-Wiener 指數(shù)有顯著影響(P ＜ 0.05)，對物種數(shù)影響不顯著(P ＞0.05) (表1)。隨著土壤深度的增加，灌叢內(nèi)土壤線蟲總數(shù)和Shannon-Wiener 指數(shù)逐漸減小(圖1)。

2.2 土壤線蟲群落功能性指數(shù)

灌叢顯著影響中間錦雞兒土壤線蟲PPI/MI 比值(P ＜ 0.05)，但土壤深度對該比值影響不顯著(P ＞0.05) (表1)。灌叢外各土層PPI/MI 比值均大于灌叢內(nèi)，但在各土層灌叢內(nèi)外差異都不顯著(圖2)。

3.2.2 非虛擬化場景(硬件解決方案)。資源池全部采用純物理服務(wù)器，無虛擬機(jī)。此場景下采用硬件SDN交換機(jī)方案。SDN網(wǎng)絡(luò)包括硬件接入交換機(jī)、SDN網(wǎng)關(guān)、增值業(yè)務(wù)網(wǎng)元。

表1 灌叢、土壤深度以及交互作用對線蟲群落影響的方差分析結(jié)果(F 值)Table 1 F-values of the ANOVAs for the effect of canopy conditions, soil depths, and their interactions on nematode communities

圖1 中間錦雞兒灌叢內(nèi)和灌叢外不同土層土壤線蟲物種數(shù)、線蟲總數(shù)和Shannon-Wiener 指數(shù)Figure 1 Species number, total number of nematodes, and Shannon-Wiener index inside and outside the shrub canopies of Caragana intermedia at different soil depths

2.3 土壤線蟲各營養(yǎng)類群線蟲總數(shù)

土壤線蟲4 種食性類型中，食細(xì)菌類線蟲總數(shù)最多(圖3)。cp2 類群比例在食微線蟲(包括食細(xì)菌類和食真菌類線蟲)中最大，而cp3 - cp5 類群是植物寄生線蟲和捕食雜食線蟲主要優(yōu)勢類群。

灌叢顯著影響食微線蟲總數(shù)(P ＜ 0.05) (表1)。無論是食細(xì)菌線蟲還是食真菌線蟲，其總數(shù)在表層土中灌叢內(nèi)大于灌叢外，而在深層土中灌叢外大于灌叢內(nèi)(圖3)。

土壤深度對食真菌線蟲無顯著影響(P ＞ 0.05)，但是顯著影響食細(xì)菌線蟲、植物寄生線蟲和捕食雜食線蟲總數(shù)(P ＜ 0.05) (表1)。后3 種食性類型線蟲總數(shù)無論是灌叢內(nèi)還是灌叢外，均表現(xiàn)為0 - 10 cm或10 - 20 cm 土層最多(圖3)。

圖2 中間錦雞兒灌叢內(nèi)和灌叢外不同土層土壤線蟲PPI/MIFigure 2 PPI/MI values for soil nematodes inside and outside the shrub canopies of Caragana intermedia at different soil depths

土壤線蟲生態(tài)三角模型反映了不同生活史對策(cp)的土壤線蟲組成的分布變化。隨著土壤深度的增加，灌叢內(nèi)土壤線蟲向居住者類型(persister，cp3 - cp5)轉(zhuǎn)變；而灌叢外向殖民者類型(colonizer，cp1或cp2)轉(zhuǎn)變(圖4)。

圖3 中間錦雞兒灌叢內(nèi)和灌叢外不同土層各土壤線蟲食性類型的cp 類群豐度Figure 3 Nematodes numbers with different cp strategies within each nematode feeding types inside and outside the shrub canopies of Caragana intermedia at different soil depths

2.4 土壤線蟲營養(yǎng)類群比例

由于中間錦雞兒灌叢外30 - 40 cm 土層中未發(fā)現(xiàn)食真菌類線蟲(圖3)，因此FF/(FF + BF)值等于0。各土層灌叢內(nèi)FF/(FF + BF)值均大于灌叢外，且該值在表層土中最大(圖5)。這說明灌叢內(nèi)表層土食真菌途徑較為重要。

灌叢內(nèi)(FF + BF)/PF 比值明顯大于灌叢外(圖5)。這指示灌叢外植食性線蟲豐度相對增加或食微線蟲豐度相對減少。

OP/PF 的比值在不同土層均表現(xiàn)為灌叢內(nèi)大于灌叢外，且無論是灌叢內(nèi)還是灌叢外，隨著土壤深度的增加，OP/PF 的比值逐漸增加(圖5)。這說明灌叢內(nèi)30 - 40 cm 土層食物網(wǎng)更復(fù)雜，top-down 效應(yīng)更強。

2.5 土壤線蟲群落與土壤環(huán)境之間的關(guān)系

圖4 中間錦雞兒灌叢內(nèi)和灌叢外不同土層土壤線蟲生態(tài)三角模型Figure 4 Ecological triangle model of soil nematodes inside and outside the shrub canopies of Caragana intermedia at different soil depths

圖5 中間錦雞兒灌叢內(nèi)和灌叢外不同土層土壤營養(yǎng)類群比例Figure 5 Soil trophic group ratios inside and outside shrub canopies of Caragana intermedia at different soil depths

3 討論

群落不同屬性的特異性響應(yīng)在植物-植物相互關(guān)系中起著關(guān)鍵性作用[39-40]。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，中間錦雞兒灌叢顯著影響土壤線蟲總數(shù)，但對土壤線蟲豐度(物種數(shù))、Shannon-Wiener 指數(shù)影響不顯著。這說明灌叢對土壤線蟲群落的影響與所量化的物種多樣性屬性有關(guān)，不同物種多樣性屬性影響不同。這與Thakur 等[41]研究發(fā)現(xiàn)灌木Populus tremuloides對土壤線蟲豐度和Shannon-Wiener 指數(shù)沒有顯著影響的結(jié)果一致。

圖6 中間錦雞兒灌叢土壤線蟲群落和土壤環(huán)境因子的冗余分析Figure 6 Redundancy analysis (RDA) of soil nematode communities as related to the soil environmental variables for Caragana intermedia

研究表明，在相對干旱環(huán)境中，灌木易形成“沃島”，對灌叢斑塊內(nèi)生物群落具有促進(jìn)效應(yīng)[25,42-44]。本研究中，中間錦雞兒灌叢內(nèi)表層土壤中線蟲總數(shù)大于灌叢外(圖1)。這是因為灌叢內(nèi)良好的微環(huán)境(如：高土壤濕度、高土壤養(yǎng)分含量、低風(fēng)速等)有利于林下草本植物物種多樣性和生產(chǎn)力維持[45-48]，從而產(chǎn)生較多的凋落物。凋落物的增加為表層土壤線蟲提供了更多的食物資源，尤其是食微類線蟲。研究表明，與其他食性類型的線蟲相比，食微類線蟲更容易受資源可利用性限制[49]，本研究也發(fā)現(xiàn)灌叢僅顯著影響食微線蟲，對其他類型線蟲影響不顯著(表1)。在深層土中，土壤線蟲總數(shù)灌叢外顯著大于灌叢內(nèi)(圖1)。這是因為在空曠地，沒有灌叢的遮陰和庇護(hù)，表層土水分含量較低(3.19%)，土壤線蟲從表層土向深層土遷移，從而導(dǎo)致深層土土壤線蟲數(shù)增加。

大量研究表明，隨著土壤深度的增加，土壤線蟲群落總數(shù)逐漸減少[9,50]，本研究結(jié)果與其一致(圖1)。這與上述土壤資源的垂直分布有關(guān)。土壤線蟲群落組成(不同屬、不同營養(yǎng)級)隨著土壤深度的增加也發(fā)生明顯的變化，且具有明顯差異(圖3)。這說明土壤線蟲群落對環(huán)境變化的響應(yīng)依賴于不同屬線蟲[10]。土壤線蟲各營養(yǎng)級的垂直分布特征往往與土壤理化性質(zhì)有關(guān)[51-52]。RDA 結(jié)果也表明不同土壤理化性質(zhì)對各土壤線蟲營養(yǎng)級的影響具有明顯差異(圖6)，不同類土壤線蟲對環(huán)境響應(yīng)不同。

灌叢內(nèi)表層土FF/(FF + BF)值最大(圖5)。這說明真菌分解途徑對灌叢內(nèi)表層土有機(jī)質(zhì)分解貢獻(xiàn)較大，且主要是cp2 類型的真滑刃屬和滑刃屬。(FF +BF)/PF 比值灌叢內(nèi)明顯大于灌叢外(圖5)，這主要是因為灌叢外植食性線蟲豐度明顯大于灌叢內(nèi)(圖3)，這也直接導(dǎo)致PPI/MI 比值在不同土層均表現(xiàn)為灌叢外大于灌叢內(nèi)(圖2)。本研究還發(fā)現(xiàn)，OP/PF 的比值在各土層均表現(xiàn)為灌叢內(nèi)大于灌叢外，且無論是灌叢內(nèi)還是灌叢外，隨著土壤深度的增加，OP/PF 的比值呈上升的趨勢(圖5)。這說明灌叢內(nèi)深層土食物網(wǎng)更復(fù)雜，群落結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。另外，捕食雜食類線蟲主要通過取食植物寄生類線蟲而促進(jìn)植物生長[53]，是較強的top-down 因子。因此OP/PF 的比值的變化也說明灌叢內(nèi)深層土具有較強的top-down 效應(yīng)。

隨著土壤深度的增加，灌叢內(nèi)土壤線蟲向居住者類型(persister，cp3 - cp5)轉(zhuǎn)變，而灌叢外向殖民者類型(colonizer，cp1 或cp2)轉(zhuǎn)變(圖4)。這說明灌叢內(nèi)深層土壤環(huán)境更適宜cp 值較高的土壤線蟲生存，灌叢外則更有利于代謝快、耐受力較好，即cp 值較低的土壤線蟲。

食細(xì)菌線蟲是中間錦雞兒灌叢占優(yōu)勢的營養(yǎng)類群(圖3)。研究表明食細(xì)菌線蟲與土壤養(yǎng)分顯著相關(guān)，這是導(dǎo)致食細(xì)菌線蟲在各食性類型比例最大的原因之一[54-55]。的確，RDA 分析表明在測量的7 個土壤環(huán)境因子中，食細(xì)菌類線蟲與絕大多數(shù)土壤營養(yǎng)因子顯著正相關(guān)。本研究還發(fā)現(xiàn)，深層土中食真菌類線蟲數(shù)量最少，甚至不存在(圖3)。這是因為食真菌類線蟲更適合在有氧環(huán)境中生存[56]，而深層土中氧含量較少。

4 結(jié)論

在草原化荒漠區(qū)，中間錦雞兒灌叢對土壤線蟲群落總數(shù)具有促進(jìn)作用，但對物種數(shù)和多樣性指數(shù)無顯著影響；灌叢顯著增加了食微類線蟲的總數(shù)，對植物寄生類和捕食雜食類線蟲無顯著影響。隨著土壤深度的增加，土壤線蟲總數(shù)和Shannon-Wiener指數(shù)逐漸減少，但土壤深度對土壤線蟲物種數(shù)無顯著影響；表層土或次表層土食細(xì)菌線蟲、植物寄生線蟲和捕食雜食線蟲總數(shù)最多。灌叢內(nèi)深層土壤環(huán)境更適宜cp 值較高的土壤線蟲生存，灌叢外則更有利于cp 值較低的土壤線蟲?？傊鄥矊ν寥谰€蟲群落的影響依賴于所量化的物種多樣性屬性以及營養(yǎng)級類群，而且它們在不同土層具有明顯差異。