外源性養(yǎng)分添加對高寒草甸土壤節(jié)肢動物群落的影響

李鑫，魏雪，王長庭，任曉，吳鵬飛

（西南民族大學(xué)青藏高原研究院，四川 成都 610225）

青藏高原是世界“第三極”，擁有特殊的自然環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)，同時也是眾多河流的水源地，其生態(tài)安全在我國占有重要地位［1］。高寒草甸是青藏高原逐漸適應(yīng)其環(huán)境變化的典型植被類型，是其最主要的生態(tài)系統(tǒng)［2］。近年來，受自然和人為因素的影響，高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)持續(xù)退化［3］。研究表明，減牧、滅鼠、圍欄以及養(yǎng)分添加等措施有利于退化高寒草甸的恢復(fù)和改良［4-5］。其中養(yǎng)分添加不僅能提高生產(chǎn)力，還能改善植被群落結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)物質(zhì)的含量，對改良退化高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)起積極作用［6］。

土壤動物是高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)重要組分之一，在土壤物質(zhì)分解、水分調(diào)節(jié)、植物演替中占有重要地位［7-8］。土壤動物的分布受土壤理化性質(zhì)、植物結(jié)構(gòu)等地上、地下生物多樣性的影響，并對環(huán)境變化極其敏感，具有指示作用［9-11］。養(yǎng)分添加不僅能改變植物殘留物和根際產(chǎn)物（如根分泌物、黏膠物質(zhì)）的數(shù)量和種類，還能影響土壤理化性質(zhì)，直接或間接影響土壤動物群落組成結(jié)構(gòu)和多樣性［12-13］。現(xiàn)有的研究表明，氮添加降低草原土壤線蟲和原生動物的數(shù)量和多樣性，而磷添加則可增加原生動物數(shù)量和多樣性［14］；在高寒草甸中氮和磷混合添加能提高植物群落蓋度和生產(chǎn)力［15］。但是關(guān)于外源性養(yǎng)分添加對高寒草甸土壤節(jié)肢動物群落多樣性的影響未見報道，研究這一問題可以掌握外源性養(yǎng)分添加對高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)地下生物群落結(jié)構(gòu)的影響。

以不同外源養(yǎng)分添加的高寒草甸土壤節(jié)肢動物群落為研究對象，查明土壤節(jié)肢動物群落組成及多樣性的演變規(guī)律，為高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)的施肥管理提供技術(shù)支撐，促進(jìn)青藏高原生態(tài)安全。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于川西北紅原縣（32°49′N，102°35′E），平均海拔約為3500 m，屬大陸性高原寒溫帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫1.1℃，最高氣溫24.6℃，最低氣溫-10.3℃，全年日照2000～2400 h，年平均降水量753 mm，年降水量的80%主要集中在5-9月，年均積雪期約為3個月。該區(qū)土壤為亞高山草甸土，主要植被類型是亞高山草甸，有莎草科、禾本科、豆科及雜草類等植被。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2012年5月下旬在基地選擇一塊面積為100 m×100 m的高寒草甸作為研究樣地，四周用鐵絲網(wǎng)隔離保護(hù)，以防牲畜進(jìn)入啃食和踩踏。設(shè)置60個3 m×3 m的樣方，每個樣方的4個角用木樁固定，各樣方之間有2 m間隔。

參照已有養(yǎng)分添加研究［16-17］，設(shè)計(jì)了氮添加（N）、磷添加（P）和氮磷等量混合添加（NP）3種處理。每種添加處理設(shè)3個梯度，10、20和30 g·m-2（依次記為N10、P10、NP10、N20、P20、NP20、N30、P30、NP30），以未添加養(yǎng)分的高寒草甸樣方（3 m×3 m）為對照（CK），6次重復(fù)，共計(jì)60個樣方。N添加選用的是含N量為46%的CO（NH2）2，P添加選用含P2O5量為16%的過磷酸鈣Ca（H2PO4）·H2O。從2012年開始，于每年5月中旬陰雨天后將肥料均勻施撒于各樣方中。

1.3 土壤節(jié)肢動物采集與鑒定

先后于2017和2020年的8月，根據(jù)對角線法在每個樣方內(nèi)選取3個點(diǎn)，用土鉆鉆取0～15 cm土樣，等量混合后裝入塑封袋內(nèi)并編號，于室內(nèi)分離土壤節(jié)肢動物。前后兩次共采集土樣120份。

用Tullgren干漏斗法對土壤節(jié)肢動物進(jìn)行分離，溫度控制在38℃左右，連續(xù)分離48 h。用75%的酒精保存。根據(jù)《中國土壤動物檢索圖鑒》［18］、《農(nóng)業(yè)螨類學(xué)》［19］以及彈尾綱分類系統(tǒng)［20］等參考資料，在顯微鏡（Olympus BX53、Olympus SZX16，日本）下對土壤節(jié)肢動物進(jìn)行鑒定。鑒定到屬或科，并統(tǒng)計(jì)個體數(shù)量。

1.4 植物群落和土壤理化性質(zhì)調(diào)查

在每個樣方內(nèi)選取邊長為1 m的正方形小樣方進(jìn)行植物群落調(diào)查。用收獲法收集地上生物量，將收獲的植物樣品在65°C下烘干至恒重，稱取重量。

此外，先后兩次在每個小樣方內(nèi)鉆取0～15 cm混合土樣500 g左右，共計(jì)120份，用于土壤理化性質(zhì)的分析。采用電位法測定pH；采用鉬銻抗比色法測定全磷含量；采用凱氏定氮法測定全氮含量；采用高溫加熱重鉻酸鉀氧化滴定法測定有機(jī)質(zhì)含量［21］。

1.5 數(shù)據(jù)分析處理

按照各類群個體數(shù)占總捕獲量的百分比劃分優(yōu)勢類群，10%以上者為優(yōu)勢類群，1%～10%者為常見類群，1%以下者為稀有類群［22］。

此外，甲螨亞目（Oribatida）、長角?目（Entomobryomorph）、原?目（Poduromorpha）、中氣門亞目（Mesostigmata）、前氣門亞目（Prostigmata）和同翅目（Homoptera）6個目的個體數(shù)占總個體數(shù)的94%以上，因此對以上6個主要類群（目）的密度進(jìn)行分析，以研究不同外源性養(yǎng)分添加對土壤節(jié)肢動物的群落組成結(jié)構(gòu)的影響。

利用三因素方差分析（three-way ANOVA）檢驗(yàn)?zāi)攴?、養(yǎng)分種類、處理梯度及其交互作用對土壤節(jié)肢動物群落的密度、多樣性指數(shù)以及主要類群影響的差異顯著性；單一變量之間的統(tǒng)計(jì)分析利用單因素方差分析（oneway ANOVA）檢驗(yàn)，利用T檢驗(yàn)比較兩年份之間的差異；采用單因素方差分析土壤基本概況。分析前，先對數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，如不符合正態(tài)分布，則利用lg（x+1）轉(zhuǎn)換降低數(shù)據(jù)的非正態(tài)性；對轉(zhuǎn)換后仍不符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)使用非參數(shù)檢驗(yàn)。

選擇典范對應(yīng)分析（canonical correspondence analysis，CCA）對土壤節(jié)肢動物群落與環(huán)境因子進(jìn)行排序，分析兩者之間的關(guān)系。在典范對應(yīng)分析之前，先對土壤節(jié)肢動物群落分布進(jìn)行消除趨勢對應(yīng)分析（detrended correspondence analysis，DCA），4個排序軸中最大值均大于4。此外，采用多元回歸（逐步法）分析環(huán)境因子與土壤節(jié)肢動物群落密度、多樣性和主要類群等的關(guān)系。

使用IBM SPSS 21.0、Origin 2021和Canoco for windows 5.0等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤節(jié)肢動物群落組成

兩次調(diào)查共分離到土壤節(jié)肢動物4197只，隸屬于7綱30目151科248屬（類）。在綱層次上，螨類（Arachnida）、跳蟲（Collembola）和昆蟲綱（Insecta）為優(yōu)勢類群，分別占捕獲量的64.31%、25.04%和10.51%，其他綱共占比0.14%。在目層次上，甲螨亞目和長角?目為優(yōu)勢類群，分別占總捕獲量的50.20%和15.96%；原?目、中氣門亞目等5目為常見類群，占總捕獲量的30.26%；膜翅目（Hymenoptrera）等23目為稀有類群，占總捕獲量的3.58%。在屬水平上，無優(yōu)勢類群，常見類群包括單奧甲螨屬（Phauloppia）、球蚜科（Adelgidae）等28屬，占總捕獲量的63.28%；稀有類群包括小縫甲螨屬（Hypochthoniella）、副大翼甲螨屬（Parakalumna）等220屬，占總捕獲量的36.72%。

2.2 外源性養(yǎng)分添加對土壤節(jié)肢動物群落密度及多樣性影響

不同養(yǎng)分添加處理間土壤節(jié)肢動物群落的密度及多樣性存在差異（圖1）。N和P添加土壤節(jié)肢動物的密度、類群數(shù)和Shannon多樣性指數(shù)高于CK，但均無顯著差異（P＞0.05）；而NP混加土壤節(jié)肢動物的密度和類群數(shù)顯著高于CK（P＜0.05），Shannon多樣性指數(shù)無顯著差異（P＞0.05）（圖1）。

圖1 不同養(yǎng)分添加處理下土壤節(jié)肢動物群落密度及多樣性Fig.1 The abundances and diver sity index of soil ar thr opod communities in different nutrient addition treatments（mean±SE）

不同處理梯度也可影響土壤節(jié)肢動物的群落密度及多樣性，并存在年際間差異（圖1）。N、P添加時，除2017年的類群數(shù)在P添加各處理梯度間有顯著差異外（P＜0.05），土壤節(jié)肢動物群落的密度、類群數(shù)和Shannon多樣性指數(shù)隨養(yǎng)分添加處理梯度增加整體無顯著變化。土壤節(jié)肢動物群落的類群數(shù)和Shannon多樣性指數(shù)在2017年隨NP混加處理梯度的增加先上升后下降，在2020年則為逐漸下降趨勢（圖1）。

隨養(yǎng)分添加年份的變化，2020年CK、N、P添加處理的土壤節(jié)肢動物群落的密度、類群數(shù)和Shannon多樣性指數(shù)均高于2017年，且N和P添加處理存在顯著性差異（P＜0.05）。而NP混加條件下2020年的各指數(shù)低于2017年，其中密度和類群數(shù)的變化具有顯著差異（P＜0.05）（圖1）。

此外，土壤節(jié)肢動物群落的密度、類群數(shù)和Shannon多樣性指數(shù)還受年份、不同養(yǎng)分添加和處理梯度三者交互作用的影響（表1）。

表1 不同養(yǎng)分添加處理間土壤節(jié)肢動物群落密度及多樣性差異Table 1 Results of Thr ee-way ANOVA on the abundances and diver sity indices of soil arthropod communities（N=6）

2.3 外源性養(yǎng)分添加對土壤節(jié)肢動物主要類群的影響

不同養(yǎng)分添加對土壤節(jié)肢動物主要類群密度的影響存在差異（圖2）。與對照CK相比，N、P添加顯著增加長角?目密度（P＜0.05）；NP混加顯著增加甲螨亞目和中氣門亞目密度（P＜0.05）；P和NP添加顯著增加同翅目密度（P＜0.05）；原?目和前氣門亞目密度各養(yǎng)分添加無顯著差異（P＞0.05）（圖2）。

與2017年相比，2020年的CK、N和P添加處理的甲螨亞目、長角?目密度顯著增加（P＜0.05），而中氣門亞目、前氣門亞目和原?目密度無顯著差異（P＞0.05），但同翅目密度顯著降低（P＜0.05）；NP添加顯著降低甲螨亞目、中氣門亞目、前氣門亞目和同翅目密度，但長角?目密度顯著增加（P＜0.05）（圖2）。

圖2 不同養(yǎng)分添加處理下土壤節(jié)肢動物的主要類群密度Fig.2 The abundances of the major soil arthropod groups in different nutrient treatments（mean±SE）

2.4 環(huán)境因子與土壤節(jié)肢動物的關(guān)系

不同養(yǎng)分添加處理間的土壤有機(jī)質(zhì)含量無顯著差異（P＞0.05），而土壤p H、TN、TP、地上生物量及群落蓋度均有顯著差異（P＜0.05）（表2）。其中，CK的土壤pH顯著高于養(yǎng)分添加處理（P＜0.05）；NP30土壤全P、地上生物量顯著高于對照（P＜0.05）；P20、NP20、NP30植物群落蓋度顯著高于對照（P＜0.05）（表2）。由此可知，養(yǎng)分添加可降低土壤p H，增加植物群落蓋度和地上生物量。

表2 不同養(yǎng)分添加樣地的基本概況Table 2 Basic infor mation of sample plots with different nutrient additions

典范對應(yīng)分析（CCA）結(jié)果（圖3）表明，添加N、P和NP能影響土壤節(jié)肢動物群落組成結(jié)構(gòu)。第1排序軸分別解釋了土壤節(jié)肢動物群落與環(huán)境關(guān)系的15.12%、22.05%和11.26%；第2排序軸分別解釋了土壤節(jié)肢動物群落與環(huán)境關(guān)系的7.40%、10.60%和8.69%（圖3）。N添加中，TP是影響土壤節(jié)肢動物群落的主要因素，解釋了環(huán)境因子對土壤節(jié)肢動物群落影響的6.3%（P=0.002）；P添加中，群落蓋度是影響土壤節(jié)肢動物群落的主要因素，解釋率為6.1%（P=0.008），其次是SOM（4.2%，P=0.044）和地上生物量（4.1%，P=0.030）；NP混加中，土壤p H是影響土壤節(jié)肢動物群落的主要因素，解釋率為4.3%（P=0.008）（圖3）。由此可知，影響土壤節(jié)肢動物群落組成的主要環(huán)境因子分別是土壤p H、TP和群落蓋度。

圖3 土壤節(jié)肢動物群落與環(huán)境因子的典范對應(yīng)分析Fig.3 Canonical cor respondence analysis on the r elationships between soil ar thropod communities and envir onmental factor s

土壤節(jié)肢動物群落密度及多樣性與環(huán)境因子的多元回歸分析結(jié)果（表3）表明，密度、類群數(shù)和Shannon多樣性指數(shù)與TP和地上生物量均呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），甲螨亞目與TN、TP和群落蓋度均呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），中氣門亞目與pH和群落蓋度均呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），長角?目與TN呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）。總體上，土壤TP和地上生物量是影響土壤節(jié)肢動物群落的主要因素。

表3 土壤節(jié)肢動物及主要類群與環(huán)境因子的多元回歸分析Table 3 The multiple regression analysis on the relationships among the soil arthropod communities，major groups and environmental factor s

3 討論

外源營養(yǎng)物質(zhì)添加能改變土壤性質(zhì)、土壤污染狀況、土壤水分，直接或間接地影響土壤動物群落結(jié)構(gòu)［23］。本研究表明外源性養(yǎng)分添加樣地的土壤節(jié)肢動物群落密度及多樣性高于對照樣地。這可能是外源性養(yǎng)分添加不僅改善了土壤結(jié)構(gòu)，還增加土壤養(yǎng)分含量，從而提高高寒草甸生物量［15］，為土壤動物生活所需食物和環(huán)境提供了優(yōu)越條件，滿足其生存繁殖的需要［24］。

本研究還發(fā)現(xiàn)，添加N、P和NP均提高了高寒草甸土壤節(jié)肢動物的群落密度及多樣性，以養(yǎng)分添加梯度為20 g·m-2和NP混加處理最明顯，說明對高寒草甸進(jìn)行適宜的氮磷添加可以緩解土壤養(yǎng)分對土壤節(jié)肢動物生長繁殖的限制。此外，NP混加土壤節(jié)肢動物群落密度和多樣性增加比N、P添加更顯著，表明NP混加對土壤節(jié)肢動物群落具有一定的綜合效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，高寒草甸土壤線蟲密度隨N添加5～15 g·m-2呈先增加后降低的趨勢，而在P添加2～8 g·m-2和NP混施12～18 g·m-2處理下土壤線蟲密度均降低，并以NP混加處理最顯著［25］。高寒草甸土壤節(jié)肢動物密度隨N添加10～30 g·m-2呈先降低后升高的趨勢，而在P添加10～30 g·m-2和NP添加10～30 g·m-2處理下均呈先增加后降低的趨勢，同樣以NP混加處理最顯著［26］。這表明不同的土壤動物類群對養(yǎng)分添加量的響應(yīng)不同，其原因可能是土壤節(jié)肢動物和線蟲對N、P的需求或響應(yīng)途徑存在差異。此外，其他研究發(fā)現(xiàn)，N肥添加量在15～30 g·m-2，P肥添加量在15～22.5 g·m-2，N肥和P肥總添加量不應(yīng)超過60 g·m-2的情況下，才能確保高寒草甸的牧草質(zhì)量和產(chǎn)量最優(yōu)［16-17］。因此，在高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)中進(jìn)行外源養(yǎng)分添加時，應(yīng)綜合考慮對地下土壤生物多樣性和地上植物產(chǎn)量等多方面的影響。

研究發(fā)現(xiàn)，與CK相比，單施N、P和NP混施均能夠提高跳蟲和螨類的密度，但N、P單施更有利于跳蟲，而NP混施則更有利于螨類。甲螨亞目密度主要是受土壤TP、TN和群落蓋度的影響，中氣門亞目密度主要與土壤pH、群落蓋度呈正相關(guān)，而長角?目密度僅與TN呈顯著正相關(guān)（表3）。其他研究發(fā)現(xiàn)施有機(jī)肥有利于等節(jié)?科、球角?科和棘?科等跳蟲，而有機(jī)無機(jī)肥料混合添加有利于提高螨類的豐富度［27］。跳蟲和螨類與環(huán)境因子的關(guān)系說明跳蟲生長繁殖速度對環(huán)境變化的響應(yīng)機(jī)制相對簡單，能對單一環(huán)境因子變化做出顯著響應(yīng)，而螨類生長繁殖速度對環(huán)境變化的響應(yīng)機(jī)制相對復(fù)雜，需要多因子綜合作用。因此，跳蟲適合用于指示和監(jiān)測單一因子環(huán)境變化，而螨類適合用于指示和監(jiān)測環(huán)境的多因子綜合變化。

本研究發(fā)現(xiàn)先后兩次采樣間，螨類和昆蟲綱個體數(shù)量減少，跳蟲個體數(shù)量增加，而螨類、跳蟲和昆蟲綱三類群個體占比由第1次采樣的73.51%、11.59%、14.90%變化為第2次采樣的53.21%、41.27%、5.21%。表明長期添加N、P肥對土壤節(jié)肢動物群落中螨類和昆蟲綱不利，對跳蟲較為有利。其他研究也發(fā)現(xiàn)長期養(yǎng)分添加可降低螨類數(shù)量［28］，增加跳蟲數(shù)量［29］，本研究結(jié)果與之一致。本研究中，昆蟲綱個體數(shù)量的降低主要是因?yàn)橥崮總€體的減少，但同翅目的密度與土壤p H、SOM、TP、TN等無顯著相關(guān)（P＞0.05）。因此，在高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)中，同翅目可能是受到其他環(huán)境因素的影響。有研究發(fā)現(xiàn)同翅目受時間和空間變化的影響比較敏感［30］。螨類、跳蟲和昆蟲個體數(shù)量及所占比例的變化表明，長期養(yǎng)分添加改變了土壤節(jié)肢動物群落的組成結(jié)構(gòu)，將會導(dǎo)致其生態(tài)功能的改變。

植物群落和土壤是影響土壤動物群落兩個最重要的因素［22］。本研究發(fā)現(xiàn)高寒草甸土壤p H、SOM、TN、TP、地上生物量及植物群落蓋度對土壤節(jié)肢動物群落組成有不同程度的影響，且不同養(yǎng)分添加處理的土壤節(jié)肢動物群落所受影響的環(huán)境因子不同，說明不同養(yǎng)分添加樣地間環(huán)境因子的差異是導(dǎo)致土壤節(jié)肢動物群落變化的重要因素。本研究中，土壤節(jié)肢動物群落密度、類群數(shù)和Shannon多樣性指數(shù)與TP和地上生物量均呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）。而其他研究發(fā)現(xiàn)放牧條件下的高寒草甸土壤節(jié)肢動物群落總類群數(shù)與土壤TP呈顯著正相關(guān)，Shannon多樣性指數(shù)和豐富度指數(shù)與土壤pH呈顯著正相關(guān)［31］；高寒人工草地土壤線蟲群落密度與速效氮呈顯著負(fù)相關(guān)，類群數(shù)與土壤有機(jī)質(zhì)呈顯著負(fù)相關(guān)，Shannon多樣性指數(shù)與速效磷呈顯著正相關(guān)［32］；錫林郭勒草原土壤動物群落密度與地上生物量顯著相關(guān)［33］。這些研究結(jié)果表明，在不同的草地生態(tài)系統(tǒng)中影響土壤動物多樣性的環(huán)境因子存在較大差異，但土壤磷含量與土壤動物多樣性均呈正相關(guān)，可能是因?yàn)橥寥懒缀康脑黾訙p輕了磷的限制作用并改變土壤其他理化性質(zhì)，進(jìn)而影響植物根系和植物群落特征，增加植物的生物量［34］，為土壤動物提供適宜的棲息環(huán)境和豐富的食物資源。

土壤動物多樣性和功能能夠靈敏反映人為干擾等環(huán)境變化，并通過與生物和非生物組分間的相互作用對地上生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生反饋?zhàn)饔茫?5］。本研究不同養(yǎng)分添加處理及前后兩次采樣的年際間變化表明，連續(xù)8年N、P添加對土壤節(jié)肢動物多樣性仍能起促進(jìn)作用，但是NP混加則開始對土壤節(jié)肢動物多樣性起抑制作用。其他研究表明，連續(xù)8年外源性養(yǎng)分添加對農(nóng)田土壤動物群落影響顯著，其中秸稈與化肥混加和有機(jī)肥兩種養(yǎng)分添加中土壤動物群落的多樣性顯著高于對照、氮和氮磷鉀等3種養(yǎng)分添加，說明有機(jī)肥的長期添加有利于提高土壤動物的生存和繁殖［36］。從本研究中土壤節(jié)肢動物多樣性變化趨勢來看，在高寒草甸上連續(xù)8年NP混加后土壤節(jié)肢動物多樣性開始下降，而N、P添加處理下土壤節(jié)肢動物多樣性還在增加，表明NP混加下的土壤環(huán)境已經(jīng)超過土壤節(jié)肢動物的耐受上限。因此，可以暫停NP養(yǎng)分的輸入，以免降低高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)土壤分解食物網(wǎng)的功能。

4 結(jié)論

外源性氮、磷添加能增加高寒草甸土壤節(jié)肢動物群落的密度及多樣性，以20 g·m-2的氮磷混加處理效果最明顯。氮、磷單獨(dú)添加對跳蟲更有利，而氮磷混加則對螨類更有利。連續(xù)8年氮、磷單獨(dú)添加對土壤節(jié)肢動物多樣性起促進(jìn)作用，而氮磷混加則對土壤節(jié)肢動物多樣性起抑制作用。影響土壤節(jié)肢動物群落密度和多樣性的主要因素是土壤全磷含量和地上生物量。因此，建議在高寒草甸進(jìn)行外源性養(yǎng)分添加，以年添加量為20 g·m-2的氮磷混加為宜，且不宜超過8年。