錦雞兒屬灌叢化對(duì)草原化荒漠區(qū)土壤線蟲(chóng)群落組成和代謝足跡的影響

趙 芳,張明偉,王春雯,梅續(xù)芳,解李娜,馬成倉(cāng)

天津師范大學(xué),生命科學(xué)學(xué)院,天津市動(dòng)植物抗性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300387

灌叢化是指木本植物的密度、蓋度和生物量增加的現(xiàn)象。近年來(lái),由于全球氣候變化和過(guò)度放牧等因素的影響,全球草原區(qū)灌叢化現(xiàn)象越來(lái)越普遍[1],而且灌叢擴(kuò)張的速度逐年遞增。內(nèi)蒙古草原占我國(guó)國(guó)土面積的八分之一,是我國(guó)北方重要的畜牧產(chǎn)區(qū)和生態(tài)屏障。但是,以錦雞兒屬(Caragana)灌木為主的灌叢擴(kuò)張日益成為該地區(qū)的普遍現(xiàn)象[2]。灌叢化顯著提高灌叢內(nèi)土壤含水量[3]和土壤肥力,從而對(duì)林下植物物種豐富度、生物量和物種多樣性[4]產(chǎn)生正效應(yīng)。灌叢化對(duì)地下生物群落(包括土壤微生物群落和土壤動(dòng)物群落)也有顯著影響[5—6]。

土壤線蟲(chóng)是土壤動(dòng)物的重要組成部分,其食性多樣,分布在土壤食物網(wǎng)中多個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí),是有機(jī)質(zhì)分解和養(yǎng)分循環(huán)等重要土壤過(guò)程的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因子,很容易受到灌木入侵的影響[7]。目前關(guān)于灌木對(duì)土壤線蟲(chóng)群落的研究主要集中在對(duì)其多樣性和功能指數(shù)的影響[8],尤其是物種多樣性。事實(shí)上,生物多樣性包括物種多樣性、功能多樣性和系統(tǒng)發(fā)育多樣性三個(gè)維度。與物種多樣性相比,功能多樣性和系統(tǒng)發(fā)育多樣性是近年來(lái)才被引入線蟲(chóng)生態(tài)學(xué)研究中[9—10]。因此,關(guān)于灌木對(duì)土壤線蟲(chóng)群落功能多樣性和系統(tǒng)發(fā)育多樣性的影響依然知之甚少。

多樣性指數(shù)和功能指數(shù)被認(rèn)為是描述土壤食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)和功能、評(píng)價(jià)土壤健康狀況的有效指標(biāo),但它們是建立在各類線蟲(chóng)相對(duì)比例的基礎(chǔ)上,沒(méi)有考慮到土壤線蟲(chóng)的絕對(duì)數(shù)量,從而導(dǎo)致數(shù)量不同的土壤線蟲(chóng)群落可能具有相同的土壤食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)[11]。為此,Ferris在2010年提出用線蟲(chóng)代謝足跡來(lái)反映線蟲(chóng)的碳代謝過(guò)程,即以線蟲(chóng)生物量碳和呼吸碳含量度量線蟲(chóng)的代謝活性和土壤食物網(wǎng)功能。線蟲(chóng)代謝足跡為估算線蟲(chóng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能的貢獻(xiàn)提供了有效的方法[12]。近年來(lái),有關(guān)線蟲(chóng)代謝足跡的研究開(kāi)始受到關(guān)注。但目前主要在群落水平,如：研究植被演替過(guò)程[13—14]和灌叢化過(guò)程[15—16]中土壤線蟲(chóng)代謝足跡的變化,從灌叢局域水平上的研究較少。事實(shí)上,研究不同種灌木的灌叢個(gè)體對(duì)線蟲(chóng)代謝足跡的影響更能揭示灌叢影響土壤線蟲(chóng)群落的機(jī)制。

土壤理化性質(zhì)(濕度、pH、有機(jī)質(zhì)等)和植物群落特征(植物種類、多樣性、生物量等)被認(rèn)為是影響土壤線蟲(chóng)群落組成的重要因素[17]。目前的研究主要基于土壤線蟲(chóng)豐度,從營(yíng)養(yǎng)類群、cp類群或種屬水平上探討影響土壤線蟲(chóng)組成和結(jié)構(gòu)的環(huán)境因素。研究表明：植物寄生線蟲(chóng)、食微線蟲(chóng)和捕食雜食線蟲(chóng)的豐富度隨植物種類和功能類群多樣性的增加而增加[18]；食細(xì)菌線蟲(chóng)和食真菌線蟲(chóng)相對(duì)豐度與土壤有效磷含量相關(guān),植物寄生線蟲(chóng)和捕/雜食線蟲(chóng)相對(duì)豐度與有機(jī)碳、銨態(tài)氮和全氮含量相關(guān)[19]。線蟲(chóng)功能團(tuán)將其生活史策略和食性相結(jié)合,可以更好地反映土壤食物網(wǎng)對(duì)外界環(huán)境的響應(yīng)[20]。因此,從功能團(tuán)水平探究影響群落組成的環(huán)境因子能更好的揭示灌叢影響土壤食物網(wǎng)的機(jī)制。

土壤線蟲(chóng)群落組成(營(yíng)養(yǎng)類群、cp類群和特殊種屬)以及對(duì)環(huán)境的響應(yīng)與地上植物種有關(guān)。例如西藏北部高寒草甸 3 種典型植物群落土壤線蟲(chóng)優(yōu)勢(shì)種存在明顯差異,委陵菜群落的優(yōu)勢(shì)屬為矮化屬(Tylenchorhynchus)和螺旋屬(Helicotylenchus),高山嵩草群落的優(yōu)勢(shì)屬為墊咽屬(Tylencholaimus)和矮化屬(Tylenchorhynchus),而藏北嵩草群落的優(yōu)勢(shì)屬為鹿角唇屬(Cervidellus)和絲尾墊刃屬(Filenchus),藏北嵩草群落cp3類群的個(gè)體數(shù)量及相對(duì)多度均高于高山嵩草群落,而其它c(diǎn)p類群則低于高山嵩草群落[21]；固氮樹(shù)種(榿木)的食細(xì)菌線蟲(chóng)、植物寄生線蟲(chóng)、雜食線蟲(chóng)的豐度均顯著高于非固氮樹(shù)種(大桉)[22]；干旱顯著增加了花椒和紫花苜?；旌吓囵B(yǎng)中植物寄生類、食細(xì)菌類和食真菌類線蟲(chóng)的多度,但顯著降低了花椒和大豆混合培養(yǎng)中食細(xì)菌類和食真菌類線蟲(chóng)的多度[23]。因此,為了更好的理解灌叢對(duì)土壤線蟲(chóng)群落組成的影響,弄清營(yíng)養(yǎng)類群、cp類群以及特殊種屬線蟲(chóng)在灌叢內(nèi)外及灌木種間的差異及其影響機(jī)制至關(guān)重要。

基于以上背景,本研究在內(nèi)蒙古草原化荒漠區(qū)選擇3種錦雞兒屬灌木—墊狀錦雞兒(Caraganatibetica)、荒漠錦雞兒(C.roborovskyi)和狹葉錦雞兒(C.stenophylla),調(diào)查了灌叢內(nèi)、外的土壤線蟲(chóng)群落多樣性、組成和代謝足跡,以及相關(guān)的土壤理化性質(zhì)和植物群落特征,探討錦雞兒屬灌叢對(duì)土壤線蟲(chóng)群落的影響,同時(shí)在線蟲(chóng)功能團(tuán)水平上分析灌叢土壤線蟲(chóng)群落組成與非生物因素和生物因素的關(guān)系。試圖回答以下科學(xué)問(wèn)題：(1)灌叢如何影響土壤線蟲(chóng)群落多樣性、組成和結(jié)構(gòu)？(2)這種影響是否具有灌木種間差異？(3)灌叢如何通過(guò)非生物因素和生物因素影響土壤線蟲(chóng)群落組成？

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市西部鄂托克旗棋盤(pán)井鎮(zhèn)(38°17′ N,106°42′ E,海拔1800 m)。該地區(qū)屬溫帶草原化荒漠區(qū),典型大陸型氣候,以風(fēng)沙大、干旱少雨、日照充足、蒸發(fā)強(qiáng)烈為主要特點(diǎn)。年均降雨量222 mm,主要集中在4—9月；年均蒸發(fā)量2359 mm,是降水量的8倍以上；年日照時(shí)間3000 h左右,年均氣溫7.0℃,年均無(wú)霜期129 d。該地區(qū)植被稀疏單一,主要優(yōu)勢(shì)灌木為墊狀錦雞兒(C.tibetica)、荒漠錦雞兒(C.roborovskyi)和狹葉錦雞兒(C.stenophylla)；主要草本植物有沙生針茅(Stipaglareosa)、無(wú)芒隱子草(Cleistogenessongorica)和刺沙蓬(Salsolaruthenica)。

1.2 研究方法

1.2.1樣品采集

于2016年7月在研究地點(diǎn)選取植被生長(zhǎng)較好的灌叢化草地作為實(shí)驗(yàn)樣地。在樣地中建立一個(gè)分布有墊狀錦雞兒、荒漠錦雞兒和狹葉錦雞兒灌叢的樣方(100 m×100 m),樣方內(nèi)選取立地條件基本一致的墊狀錦雞兒、荒漠錦雞兒和狹葉錦雞兒灌叢各3株作為樣株,在每個(gè)樣株內(nèi)設(shè)置50 cm×50 cm小樣方,小樣方位于灌叢下的中心位置(灌叢內(nèi)),同時(shí)在樣方內(nèi)均勻選擇3個(gè)點(diǎn),設(shè)置同樣大小的小樣方(灌叢外),并確保灌叢外小樣方距離灌叢邊緣2 m以上。對(duì)每個(gè)小樣方,首先剪取各灌叢樣株地上部,然后調(diào)查小樣方內(nèi)草本植物種類和多度并收獲其地上部分,帶回實(shí)驗(yàn)室于65℃烘干至恒重,測(cè)定錦雞兒屬灌叢和草本植物生物量。同時(shí),分別采集樣方內(nèi)0—10 cm和10—20 cm土層的土壤樣品；每層土樣混合均勻后取300克放入自封袋,4℃保存迅速帶回實(shí)驗(yàn)室。每份土壤樣品一部分立刻用于土壤線蟲(chóng)的分離鑒定,一部分用于土壤理化性質(zhì)的測(cè)定。

1.2.2土壤線蟲(chóng)分離與鑒定

土壤線蟲(chóng)的分離提取采用改良的Baermann法[24]。從每份土壤樣品中取20 g鮮土分離土壤線蟲(chóng),分離時(shí)間為24 h,用TAF固定液(三乙醇胺-福爾馬林固定液)固定保存線蟲(chóng)。根據(jù)《中國(guó)土壤動(dòng)物檢索圖鑒》[25]、《植物線蟲(chóng)分類學(xué)》[26]和《De Nematoden van Nederland》[27]在光學(xué)顯微鏡下鑒定到屬,并記錄每個(gè)屬線蟲(chóng)數(shù)。鑒定中,如果樣品中的土壤線蟲(chóng)數(shù)低于100條,則全部鑒定；如果多于100條,則隨機(jī)抽取其中的100條進(jìn)行鑒定。將每個(gè)小樣方內(nèi)0—10 cm和10—20 cm兩個(gè)土樣統(tǒng)計(jì)鑒定結(jié)果合并表示0—20 cm的線蟲(chóng)數(shù)量特征,物種豐富度用上述40克鮮土樣的物種數(shù)表示,線蟲(chóng)多度用每100 g干土(用土壤含水量換算)中土壤線蟲(chóng)的個(gè)體數(shù)表示。

1.2.3土壤理化性質(zhì)測(cè)定

土壤含水量采用烘干法；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀加熱法；硝態(tài)氮和銨態(tài)氮采用流動(dòng)分析儀法；速效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法；速效鉀采用醋酸銨浸提-火焰光度法；pH值采用水浸提電位法(水土比為2.5∶1)；電導(dǎo)率采用水土5∶1浸提后DDS—LLa型電導(dǎo)儀測(cè)量[28]。用每個(gè)小樣方內(nèi)0—10 cm和10—20 cm兩個(gè)土樣平均值表示0—20 cm的土壤理化性質(zhì)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1土壤線蟲(chóng)生態(tài)指數(shù)

(1)多樣性指數(shù)：采用物種多樣性、功能多樣性和系統(tǒng)發(fā)育多樣性3個(gè)維度分析土壤線蟲(chóng)群落的多樣性。

物種多樣性用土壤線蟲(chóng)多度(總個(gè)體數(shù))、豐富度(物種數(shù))和Shannon-Wiener指數(shù)表示。

Shannon-Wiener指數(shù)：

H′= -∑Pi(lnPi)

式中,Pi表示群落第i個(gè)物種的個(gè)數(shù)占生物總數(shù)的比例。

功能多樣性用功能豐富度(FRic)表示?；?種性狀將土壤線蟲(chóng)劃分成不同的功能類群：①營(yíng)養(yǎng)類群：根據(jù)土壤線蟲(chóng)的食性特征、食道的結(jié)構(gòu)和捕食方法等,Yeates等[29]將線蟲(chóng)劃分為8個(gè)取食類群,其中食細(xì)菌類群、食真菌類群、植物寄生類群和捕食雜食類群是土壤生態(tài)系統(tǒng)中4個(gè)主要營(yíng)養(yǎng)類群；②cp類群：根據(jù)土壤線蟲(chóng)生活史策略將線蟲(chóng)劃分為r-對(duì)策向K-對(duì)策過(guò)渡的5個(gè)cp(colonizer-persister)類群,cp1到cp5,其中cp1類群為典型 r-對(duì)策者,cp 5類群為典型K-對(duì)策者[30—31]；③線蟲(chóng)個(gè)體生物量(μg)：特定屬中所有種的平均生物量。以上線蟲(chóng)性狀特征(食性、cp,體重)均從Nematode Ecophysiological Parameter (http://nemaplex.ucdavis.edu)數(shù)據(jù)庫(kù)中獲得。功能多樣性采用R軟件 “FD” 程序包計(jì)算。

系統(tǒng)發(fā)育多樣性是基于本研究鑒定的所有線蟲(chóng)分類系統(tǒng),利用Open Tree of Life (OTL)建立系統(tǒng)發(fā)育樹(shù),然后量化群落系統(tǒng)發(fā)育總枝長(zhǎng),即系統(tǒng)發(fā)育多樣性指數(shù)。系統(tǒng)發(fā)育多樣性采用R軟件 “rotl”、“ape” 和“picante” 程序包計(jì)算[32]。

(2)土壤線蟲(chóng)成熟度指數(shù)：采用自由生活線蟲(chóng)成熟度指數(shù)(MI)和植物寄生線蟲(chóng)成熟度指數(shù)(PPI)評(píng)價(jià)土壤線蟲(chóng)對(duì)外界擾動(dòng)的響應(yīng)。

自由生活線蟲(chóng)成熟度指數(shù)：

MI=∑v(i)×f(i)

植物寄生線蟲(chóng)成熟度指數(shù)：

PPI=∑v(i)×f′(i)

式中,v(i)為線蟲(chóng)的生活史cp值；f(i)為第i類自由生活線蟲(chóng)(不包括植食性線蟲(chóng))占自由生活線蟲(chóng)總數(shù)的比例；f′(i)為第i類植物寄生線蟲(chóng)占植物寄生類線蟲(chóng)總數(shù)的比例[29—30]。

1.3.2土壤線蟲(chóng)組成

采用土壤線蟲(chóng)各營(yíng)養(yǎng)類群、cp類群和特殊屬多度反映線蟲(chóng)群落組成特征,并用非度量尺度分析法(Non-metric multidimensional scaling,NMDS；基于Bray-Curtis相異系數(shù))將其組成可視化,比較群落組成的相似性；NMDS采用PAST3軟件進(jìn)行。

1.3.3土壤線蟲(chóng)代謝足跡

利用“線蟲(chóng)-植物專家信息系統(tǒng)”(http://plpnemweb.ucdavis.edu/nemaplex)中已經(jīng)列出的各類群線蟲(chóng)的生物量(鮮重,W)計(jì)算線蟲(chóng)代謝足跡。

線蟲(chóng)代謝足跡: NMF=∑(Nt×(0.1×(Wt/mt)+0.273(Wt0.75)))

式中,Nt、Wt和mt分別表示t類線蟲(chóng)個(gè)體數(shù)量、鮮重和cp值。

根據(jù)線蟲(chóng)的營(yíng)養(yǎng)類群計(jì)算食細(xì)菌線蟲(chóng)代謝足跡、食真菌線蟲(chóng)代謝足跡、植物寄生線蟲(chóng)代謝足跡和捕食雜食線蟲(chóng)代謝足跡,其中前三者指示通過(guò)細(xì)菌通道、真菌通道和植物通道進(jìn)入土壤食物網(wǎng)的碳和能量,而捕食雜食線蟲(chóng)代謝足跡指示進(jìn)入較高營(yíng)養(yǎng)級(jí)的捕食雜食線蟲(chóng)類群的碳和能量。

根據(jù)線蟲(chóng)的生活史策略計(jì)算富集代謝足跡、結(jié)構(gòu)代謝足跡和功能代謝足跡。富集代謝足跡和結(jié)構(gòu)代謝足跡分別反映較低營(yíng)養(yǎng)級(jí)線蟲(chóng)和較高營(yíng)養(yǎng)級(jí)線蟲(chóng)的碳代謝過(guò)程[12]。功能代謝足跡是富集代謝足跡和結(jié)構(gòu)代謝足跡的總面積,即(Fs×Fe)/2,反映土壤食物網(wǎng)調(diào)控和維持代謝平衡的能力。功能足跡越大,反映線蟲(chóng)對(duì)土壤食物網(wǎng)的調(diào)控能力越強(qiáng),被捕食者與捕食者之間維持代謝平衡的能力越強(qiáng)[12]。

1.3.4土壤線蟲(chóng)區(qū)系分析

計(jì)算線蟲(chóng)群落的富集指數(shù)(EI)和結(jié)構(gòu)指數(shù)(SI),并結(jié)合EI和SI指數(shù)進(jìn)行線蟲(chóng)區(qū)系分析,評(píng)估土壤食物網(wǎng)的結(jié)構(gòu)與功能變化,從而評(píng)價(jià)土壤食物網(wǎng)對(duì)外界干擾的響應(yīng)和恢復(fù)狀況。

結(jié)構(gòu)指數(shù)：

SI= 100×[s/(s+b)]

富集指數(shù)：

EI= 100×[e/(e+b)]

式中,b代表食物網(wǎng)中的基礎(chǔ)成分,主要指cp值為2的食細(xì)菌線蟲(chóng)和食真菌線蟲(chóng)；e代表食物網(wǎng)中的富集成分,主要指cp值為1的食細(xì)菌線蟲(chóng)和cp值為2的食真菌線蟲(chóng)；s代表食物網(wǎng)中的結(jié)構(gòu)成分,包括cp3- 5的食細(xì)菌線蟲(chóng)、食真菌線蟲(chóng)和捕食雜食線蟲(chóng)[31]。

根據(jù)計(jì)算出的Fe和Fs,在A、B、C、D 4個(gè)象限中以菱形圖的方式反映土壤食物網(wǎng)狀況。菱形的中心點(diǎn)坐標(biāo)為(SI, EI),4個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(SI-0.5Fs/k, EI)、(SI+0.5Fs/k, EI)、(SI, EI- 0.5Fe/k)和(SI, EI+0.5Fe/k)。其中k為轉(zhuǎn)換常數(shù),乘以0.5是為了使 Fs和Fe能圍繞中心坐標(biāo)點(diǎn)(SI, EI)對(duì)稱分布。依次連接4個(gè)坐標(biāo)點(diǎn),所圈定的菱形區(qū)域的面積為線蟲(chóng)的功能代謝足跡。菱形橫軸和縱軸方向?qū)蔷€的長(zhǎng)度可以反映Fs和Fe的相對(duì)大小,若菱形橫軸對(duì)角線的尺度大于縱軸對(duì)角線的尺度,說(shuō)明Fs大于Fe；反之亦然。當(dāng)線蟲(chóng)區(qū)系分布在A象限時(shí),表明土壤環(huán)境受干擾程度較高；在B象限時(shí),表明土壤養(yǎng)分狀況較好而且受干擾程度較小,食物網(wǎng)穩(wěn)定成熟；在C象限時(shí),表明土壤受干擾程度較小,食物網(wǎng)處于結(jié)構(gòu)化狀態(tài)；在D象限時(shí),表明土壤受干擾程度最高,食物網(wǎng)退化[31]。

1.3.5土壤線蟲(chóng)物種選擇性

以物種對(duì)生境的特異性和適宜性為基礎(chǔ),采用物種指示值分析法[33]計(jì)算土壤線蟲(chóng)的指示值(Indicator value；IndVal),并通過(guò)IndVal值確定灌叢選擇性物種(物種通常僅生長(zhǎng)在灌叢內(nèi)或灌叢外)和灌叢非選擇性物種(物種在灌叢內(nèi)和灌叢外均可生長(zhǎng))。如果IndVal值大于0.6,則認(rèn)為該物種是灌叢選擇性物種,否則為灌叢非選擇性物種；灌叢內(nèi)IndVal值大于0.6,為灌叢正選擇物種,灌叢外IndVal值大于0.6,為灌叢負(fù)選擇物種。然后,計(jì)算灌叢正選擇性物種和負(fù)選擇性物種占總物種的百分比。物種IndVal值采用R軟件中 “l(fā)abdsv” 程序包計(jì)算。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用IBM SPSS 19軟件,通過(guò)單因素方差分析檢驗(yàn)錦雞兒屬灌叢對(duì)各指標(biāo)影響的顯著性,并用Duncan檢驗(yàn)做多重比較,用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)分析灌叢內(nèi)和灌叢外的差異。采用ANOSIM檢驗(yàn)錦雞兒屬灌叢對(duì)線蟲(chóng)群落組成影響的顯著性,ANOSIM分析采用R軟件“vegan”程序包進(jìn)行。采用Mantel tests分析土壤線蟲(chóng)群落組成與環(huán)境因子的相關(guān)性,Mantel tests采用R軟件“vegan”程序包進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤線蟲(chóng)總多度和各營(yíng)養(yǎng)類群多度

墊狀錦雞兒灌叢共分離土壤線蟲(chóng)208條/100 g干土,17個(gè)物種,隸屬于2綱3目8科17屬。優(yōu)勢(shì)屬共3屬,包括麗突屬(Acrobeles)、擬麗突屬(Acrobeloides)和真滑刃屬(Aphelenchus),占土壤線蟲(chóng)總數(shù)的63.45%(表1)；荒漠錦雞兒灌叢共分離土壤線蟲(chóng)247條/100 g干土,21個(gè)物種,隸屬于2綱3目10科21屬。優(yōu)勢(shì)屬共3屬,包括麗突屬(Acrobeles)、擬麗突屬(Acrobeloides)和真滑刃屬(Aphelenchus),占土壤線蟲(chóng)總數(shù)的76.08%(表1)；狹葉錦雞兒灌叢共分離土壤線蟲(chóng)162條/100 g干土,17個(gè)物種,隸屬于2綱3目9科17屬。優(yōu)勢(shì)屬共3屬,包括麗突屬(Acrobeles)、擬麗突屬(Acrobeloides)、真矛線屬(Eudorylaimus),占土壤線蟲(chóng)總數(shù)的54.47%(表1)。3種錦雞兒屬灌叢土壤線蟲(chóng)總多度和物種豐富度灌叢內(nèi)外均無(wú)顯著差異,不同灌木種之間也無(wú)顯著差異(表1)。

表1 3種錦雞兒屬灌叢內(nèi)外土壤線蟲(chóng)豐富度(屬/100g干土)和多度(條/100g干土)

從營(yíng)養(yǎng)類群上看,3種錦雞兒屬灌叢均表現(xiàn)為食細(xì)菌類線蟲(chóng)多度最大,占總數(shù)的比例約為39.23%—55.31%；其次為食真菌類線蟲(chóng)。墊狀錦雞兒多度最小的是捕食雜食類線蟲(chóng),占總數(shù)的11.20%；荒漠錦雞兒和狹葉錦雞兒多度最小的是植物寄生類線蟲(chóng),占總線蟲(chóng)的比例分別為7.77%和16.97%。3種錦雞兒屬灌木中,只有墊狀錦雞兒灌叢土壤食真菌類線蟲(chóng)多度顯著大于灌叢外,其余各營(yíng)養(yǎng)類群在灌叢內(nèi)外和種間差異均不顯著(表1中類群合計(jì))。

2.2 土壤線蟲(chóng)群落組成分析

在分離得到的28屬土壤線蟲(chóng)中,食細(xì)菌類線蟲(chóng)麗突屬(Acrobeles)、食真菌類線蟲(chóng)真滑刃屬(Aphelenchus)和絲尾墊刃屬(Filenchus)以及捕食雜食類線蟲(chóng)真矛線屬(Eudorylaimus)和桑尼屬(Thornia)5屬線蟲(chóng)在灌叢內(nèi)外或灌木種間存在顯著差異(表1)。其中,荒漠錦雞兒麗突屬多度最大,且顯著大于狹葉錦雞兒；墊狀錦雞兒和荒漠錦雞兒真滑刃屬多度相差不大,但均顯著大于狹葉錦雞兒；狹葉錦雞兒絲尾墊刃屬多度顯著大于墊狀錦雞兒和荒漠錦雞兒,灌叢外未分離出該屬線蟲(chóng)；狹葉錦雞兒真矛線屬多度顯著大于墊狀錦雞兒和荒漠錦雞兒；荒漠錦雞兒桑尼屬多度最大,且顯著大于墊狀錦雞兒(表1)。

非度量多維尺度(NMDS)分析排序了不同種錦雞兒灌叢內(nèi)和灌叢外土壤線蟲(chóng)群落組成。土壤線蟲(chóng)食細(xì)菌類、食真菌類、植物寄生類、cp2類群和總線蟲(chóng)群落的Stress≤0.2,說(shuō)明整體上NMDS分析3種錦雞兒屬灌叢土壤線蟲(chóng)群落結(jié)構(gòu)擬合度高(圖1)。ANOSIM檢驗(yàn)結(jié)果顯示,錦雞兒屬灌叢顯著(或接近顯著)影響了食細(xì)菌類群(P=0.048)、食真菌類群(P=0.052)、cp2類群(P=0.007)和總線蟲(chóng)群落(P=0.007)的組成(圖1)。

圖1 3種錦雞兒灌叢內(nèi)外土壤線蟲(chóng)營(yíng)養(yǎng)類群、cp類群和總線蟲(chóng)群落的非度量多維尺度分析(NMDS)和ANOSIM檢驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Non-metric multidimensional scale analysis (NMDS) and ANOSIM test of soil nematode trophic groups, cp groups and nematode community outside and inside three Caragana shrub canopiesBF：食細(xì)菌類 Bacterial feeders；FF：食真菌類線蟲(chóng) Fungal feeders；PP：植物寄生類 Plant-parasites；OP：捕食雜食類 Omnivores-predators；Community：總線蟲(chóng)群落;T：墊狀錦雞兒灌叢內(nèi) Inside C. tibetica canopies；R：荒漠錦雞兒灌叢內(nèi) Inside C. roborovskyi canopies；S：狹葉錦雞兒灌叢內(nèi) Inside C. stenophylla canopies；N：灌叢外 Outside shrub canopies；P值為ANOSIM檢驗(yàn)結(jié)果,P < 0.05,表示差異顯著

2.3 土壤線蟲(chóng)生活史特征

圖2 3種錦雞兒灌叢內(nèi)外土壤線蟲(chóng)cp2和cp3- 5類群多度 Fig.2 Abundance of nematode cp2 and cp3- 5 groups outside and inside three Caragana shrub canopies*表示灌叢內(nèi)和灌叢外差異顯著(t-test, P < 0.05)；不同小寫(xiě)字母表示3種錦雞兒灌叢之間差異顯著(Duncan tests, P < 0.05)

3種錦雞兒屬灌叢土壤均未分離出cp1類群線蟲(chóng),且cp2類群線蟲(chóng)多度大于cp 3- 5類群(圖2)。墊狀錦雞兒灌叢內(nèi)cp2類群線蟲(chóng)多度顯著大于灌叢外,其余種灌叢內(nèi)外均無(wú)顯著差異,也沒(méi)有種間差異,cp3- 5類群線蟲(chóng)多度在灌叢內(nèi)外和不同灌木種之間均無(wú)顯著差異(圖2)。

2.4 土壤線蟲(chóng)生態(tài)指數(shù)

土壤線蟲(chóng)多樣性指數(shù)(包括Shannon-Wiener、功能豐富度指數(shù)和系統(tǒng)發(fā)育多樣性指數(shù))和成熟度指數(shù)(MI和PPI)在灌叢內(nèi)外及灌木種間均沒(méi)有顯著差異(圖3,圖4)。

2.5 土壤線蟲(chóng)生態(tài)足跡和區(qū)系分析

各營(yíng)養(yǎng)類群的代謝足跡在灌叢內(nèi)外以及灌木種間均無(wú)顯著差異(圖5),但cp類群的代謝足跡具有顯著差異(Fe:F3,8= 4.95;P<0.05)(圖6)?；诖x足跡的區(qū)系分析顯示：灌叢外土壤線蟲(chóng)分布在CD象限之間；狹葉錦雞兒灌叢土壤線蟲(chóng)分布灌叢外右側(cè),C象限,比灌叢外更靠近B象限；墊狀錦雞兒和荒漠錦雞兒灌叢土壤線蟲(chóng)分布在灌叢外左側(cè),D象限,比灌叢外更靠近A象限(圖6)。線蟲(chóng)功能足跡(菱形總面積)表現(xiàn)為荒漠錦雞兒>墊狀錦雞兒>狹葉錦雞兒和灌叢外。3種錦雞兒屬灌叢的富集指數(shù)(菱形中心位置)均高于灌叢外(圖6)。

2.6 灌木對(duì)線蟲(chóng)群落物種的選擇性

錦雞兒屬灌叢對(duì)線蟲(chóng)營(yíng)養(yǎng)類群和cp類群具有選擇性。3種錦雞兒屬灌叢食真菌類和cp2類線蟲(chóng)的正選擇性物種比例均大于負(fù)選擇性物種比例；但植物寄生類線蟲(chóng)和cp3- 5恰好相反,表現(xiàn)為正選擇性物種比例小于負(fù)選擇性物種比例(表2)。

圖3 3種錦雞兒灌叢內(nèi)外土壤線蟲(chóng)群落多樣性指數(shù)Fig.3 Diversity index of soil nematode outside and inside three Caragana shrub canopies

圖4 3種錦雞兒屬灌叢內(nèi)外土壤線蟲(chóng)群落MI和 PPI指數(shù) Fig.4 MI and PPI indexes of soil nematode outside and inside three Caragana shrub canopiesMI：自由生活線蟲(chóng)成熟度指數(shù) Maturity index；PPI：植物寄生線蟲(chóng)成熟度指數(shù) Plant parasitic index

各營(yíng)養(yǎng)類群線蟲(chóng)選擇性物種在灌木種間存在明顯差異。食細(xì)菌類,荒漠錦雞兒正選擇性物種比例最大,無(wú)負(fù)選擇性物種；食真菌類,3種錦雞兒均只有正選擇性物種,其中狹葉錦雞兒正選擇性物種比例最大；植物寄生類,3種錦雞兒均只有負(fù)選擇性物種,其中墊狀錦雞兒和狹葉錦雞兒負(fù)選擇性物種比例相差不大,荒漠錦雞兒比例最??；捕食雜食類,荒漠錦雞兒正選擇性物種比例最大(表2)。麗突屬(Acrobeles)和頭葉屬(Cephalobus)是荒漠錦雞兒的指示物種；滑刃屬(Aphelenchoides)和絲尾墊刃屬(Filenchus)是狹葉錦雞兒的指示物種；盤(pán)咽屬(Discolaimus)和桑尼屬(Thornia)是荒漠錦雞兒的指示物種。

圖5 3種錦雞兒屬灌叢內(nèi)外土壤線蟲(chóng)代謝足跡 Fig.5 Metabolic footprint of soil nematode outside and inside three Caragana shrub canopiesBFMF：食細(xì)菌類線蟲(chóng)代謝足跡 Metabolic footprint of bacterial feeders; FFMF：食真菌類線蟲(chóng)代謝足跡 Metabolic footprint of fungal feeders；PPMF：植物寄生類線蟲(chóng)代謝足跡 Metabolic footprint of plant parasitic nematodes；OPMF：捕食雜食類線蟲(chóng)代謝足跡 Metabolic footprint of omnivores-predators nematodes

圖6 3種錦雞兒屬灌叢內(nèi)外土壤線蟲(chóng)區(qū)系分析(基于線蟲(chóng)代謝足跡)Fig.6 Analysis of soil nematode fauna outside and inside three Caragana shrub canopies (based on nematode metabolic footprints)

各cp類群線蟲(chóng)選擇性物種在灌木種間也存在明顯差異。cp2類群,荒漠錦雞兒和狹葉錦雞兒正選擇性物種比例相差不大,但均大于墊狀錦雞兒正選擇性物種比例(表2)。cp3- 5類群,墊狀錦雞兒負(fù)選擇性物種比例最大(表2)。

表2 3種錦雞兒屬灌叢土壤線蟲(chóng)選擇性物種比例/%

2.7 生物、非生物因素與線蟲(chóng)群落組成的相關(guān)性分析

Mantel tests是評(píng)估群落物種組成和環(huán)境之間相關(guān)性的一種檢驗(yàn)方法。Mantel tests結(jié)果顯示：土壤速效鉀(P<0.05)和土壤含水量(P<0.01)與cp值為2的食真菌類線蟲(chóng)功能團(tuán)組成呈顯著正相關(guān)；銨態(tài)氮與cp值為2的植食線蟲(chóng)功能團(tuán)組成呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；土壤速效磷與cp值為4的捕食雜食類線蟲(chóng)功能團(tuán)組成呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；其它生物因素(灌叢生物量、林下植物生物量和豐富度)和非生物因素(土壤理化性質(zhì))與線蟲(chóng)各功能團(tuán)組成無(wú)顯著相關(guān)性(表3,表4)。

表3 生物和非生物因素與土壤線蟲(chóng)群落功能團(tuán)組成的Mantel tests結(jié)果(R)

表4 3種錦雞兒屬灌叢內(nèi)外土壤理化性質(zhì)和植物群落特征

3 討論

本文研究結(jié)果表明錦雞兒屬灌叢對(duì)土壤線蟲(chóng)多度、豐富度和多樣性無(wú)顯著影響,但卻顯著影響土壤線蟲(chóng)群落組成。5個(gè)屬(占總屬的17.86%)線蟲(chóng)多度在灌叢內(nèi)外或灌木種間出現(xiàn)顯著差異(表1),絕大多數(shù)線蟲(chóng)營(yíng)養(yǎng)類群和cp類群組成也表現(xiàn)出灌叢內(nèi)外或灌木種間的顯著差異(圖1)。非度量多維度尺度(NMDS)分析也顯示線蟲(chóng)群落組成在灌叢內(nèi)外或灌木種間差異很大,進(jìn)一步的ANOSIM檢驗(yàn)證實(shí)錦雞兒屬灌叢對(duì)土壤線蟲(chóng)群落組成,以及一些營(yíng)養(yǎng)類群和cp類群的組成具有顯著或接近顯著的影響(圖1)。以往的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)不同的灌木對(duì)土壤線蟲(chóng)的組成產(chǎn)生不同的影響,如,Dasiphorafrutico的存在不影響土壤線蟲(chóng)群落多度和組成[34],但是Piliostigmareticulatum顯著影響植物寄生類線蟲(chóng)豐度[35]。

認(rèn)為灌叢通過(guò)兩種機(jī)制影響土壤線蟲(chóng)群落、營(yíng)養(yǎng)類群和cp類群的組成。第一,灌叢對(duì)土壤線蟲(chóng)群落具有物種選擇性。(1)從群落水平上,3種錦雞兒灌木對(duì)不同線蟲(chóng)屬具有偏好或排斥性(表2),從而導(dǎo)致土壤線蟲(chóng)群落組成的差異。(2)從營(yíng)養(yǎng)類群水平上,3種錦雞兒屬灌叢食真菌類線蟲(chóng)正選擇性物種比例大于負(fù)選擇性物種比例,而植物寄生類則相反,負(fù)選擇性物種比例更大(表2)。這說(shuō)明錦雞兒屬灌叢可能更有利于食真菌類線蟲(chóng)定居,尤其是滑刃屬(Aphelenchoides),這可能是因?yàn)楣鄥驳恼陉幒屯寥赖母纳菩?yīng)提高了灌叢土壤的保濕能力[36],而滑刃屬中的某些種更適合在相對(duì)濕度較高的環(huán)境中生存[37—38]。與其它營(yíng)養(yǎng)類群線蟲(chóng)相比,植物寄生類線蟲(chóng)可能更適合在無(wú)灌叢區(qū)域定居(表2)。其原因是,與灌木相比,灌叢外的禾草類能提供質(zhì)量更高的根系資源[39],從而對(duì)一些以植物為食的線蟲(chóng)有更大的吸引力[40]。另外,對(duì)于食細(xì)菌類線蟲(chóng),荒漠錦雞兒正選擇性物種比例最大,而狹葉錦雞兒僅有負(fù)選擇性物種(表2)。這說(shuō)明荒漠錦雞兒可能更有利于食細(xì)菌類線蟲(chóng)生長(zhǎng),而狹葉錦雞兒對(duì)其具有負(fù)效應(yīng),表明線蟲(chóng)營(yíng)養(yǎng)類群對(duì)灌叢的響應(yīng)依賴于所關(guān)注的灌木物種,即不同植物種對(duì)線蟲(chóng)的影響不同[41]。(3)從cp類群水平上,3種錦雞兒屬灌叢cp2類群正選擇性物種比例大于負(fù)選擇性物種比例,cp3- 5類群的負(fù)選擇性物種比例更大。這說(shuō)明土壤線蟲(chóng)機(jī)會(huì)主義者(cp2)對(duì)土壤食物資源增加的響應(yīng)程度強(qiáng)于定居者(cp3- 5)。由此我們推測(cè)灌叢內(nèi)土壤線蟲(chóng)的生活史策略可能以偏 r-對(duì)策為主[42]。這種演變的原因是較低cp值的線蟲(chóng)(比如：cp2類群)有較強(qiáng)的適應(yīng)環(huán)境變化的能力,而較高cp值的線蟲(chóng)(如：cp3)可能更適合比較干旱的環(huán)境[43]；在錦雞兒灌叢生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中,外源營(yíng)養(yǎng)不斷向灌叢下聚集,形成一個(gè)變化的營(yíng)養(yǎng)環(huán)境,從而可能有利于一些cp2類線蟲(chóng)種定居；而灌叢外的干旱環(huán)境更適宜cp3- 5類線蟲(chóng)種定居。另外,灌叢內(nèi)cp2類群指示物種主要是麗突屬、真滑刃屬、絲尾墊刃屬,灌叢外cp3- 5類群指示物種主要是矛線目(如矮化屬、短體屬、真矛線屬、桑尼屬)。這與Guan等[44]研究結(jié)果一致,即麗突屬和矛線屬可作為灌木的指示物種。由于不同的錦雞兒屬灌木會(huì)形成特異的土壤環(huán)境,因此線蟲(chóng)會(huì)遷移到適合自己生長(zhǎng)的棲息地。這也是導(dǎo)致這些指示物種多度具有明顯的灌木種間差異的原因(表2)。

第二,在草原化荒漠區(qū),錦雞兒屬灌叢可能主要是通過(guò)根系分泌物、凋落物質(zhì)量等因素,而非土壤理化性質(zhì)和林下植物群落影響土壤線蟲(chóng)群落組成。以往的研究主要通過(guò)結(jié)構(gòu)方程模型(SEM)表明灌叢通過(guò)影響土壤理化性質(zhì)(如：pH、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤含水量等)和林下植物群落影響土壤線蟲(chóng)群落組成[34]。我們通過(guò)Mantel tests發(fā)現(xiàn),絕大多數(shù)土壤理化性質(zhì)和所有植物群落特性對(duì)線蟲(chóng)功能團(tuán)組成影響不顯著,而土壤速效鉀、銨態(tài)氮和土壤含水量與cp值為2的線蟲(chóng)功能團(tuán)組成呈顯著正相關(guān)(表3),這是因?yàn)榈蜖I(yíng)養(yǎng)級(jí)線蟲(chóng)直接依賴土壤營(yíng)養(yǎng)。

土壤線蟲(chóng)組成的變化引起線蟲(chóng)代謝足跡發(fā)生明顯變化。灌叢內(nèi)土壤線蟲(chóng)功能代謝足跡(菱形總面積)大于灌叢外(除狹葉錦雞兒外),說(shuō)明灌叢內(nèi)土壤線蟲(chóng)群落對(duì)碳的利用率更高。這可能是因?yàn)楣鄥矁?nèi)食真菌類線蟲(chóng)比例較大,且全是cp2類群線蟲(chóng)(表1)。cp 值較小的線蟲(chóng)通常為 r-對(duì)策者,個(gè)體較小,生命周期相對(duì)短,代謝快,對(duì)外源養(yǎng)分的輸入反應(yīng)非常迅速,從而導(dǎo)致其較高的資源利用率。不同灌木線蟲(chóng)代謝足跡不同。3種錦雞兒屬灌木中,狹葉錦雞兒的結(jié)構(gòu)代謝足跡最大,表明相比于其它類群線蟲(chóng),狹葉錦雞兒對(duì)捕食雜食類線蟲(chóng)代謝活性的促進(jìn)作用可能更強(qiáng)。這是因?yàn)楠M葉錦雞兒灌叢生物量大,灌叢對(duì)土壤營(yíng)養(yǎng)富集狀況好,土壤食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)成熟穩(wěn)定,捕食雜食類線蟲(chóng)比例最大(表1),所以更多的物質(zhì)和能量從被捕食者(較低營(yíng)養(yǎng)級(jí))向捕食者(較高營(yíng)養(yǎng)級(jí))流動(dòng)。富集指數(shù)可用于評(píng)價(jià)土壤養(yǎng)分富集狀況,值越大,表明外界投入的養(yǎng)分越多,土壤線蟲(chóng)食物資源越豐富[20]。我們研究發(fā)現(xiàn)3種錦雞兒屬灌叢的富集指數(shù)(菱形中心位置)均高于灌叢外,說(shuō)明灌叢內(nèi)土壤養(yǎng)分富集狀況好于灌叢外,這是灌叢的資源島效應(yīng)。

土壤線蟲(chóng)組成的變化通過(guò)線蟲(chóng)代謝足跡導(dǎo)致土壤食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)顯著變化。基于線蟲(chóng)代謝足跡的土壤線蟲(chóng)區(qū)系分析結(jié)果表明,狹葉錦雞兒灌叢在C象限,比灌叢外更靠近B象限,說(shuō)明灌叢內(nèi)土壤干擾程度低,營(yíng)養(yǎng)富集狀況好,食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)更成熟穩(wěn)定；墊狀錦雞兒和荒漠錦雞兒灌叢在D象限,比灌叢外更靠近A象限,說(shuō)明土壤環(huán)境干擾程度高,營(yíng)養(yǎng)富集較好,食物網(wǎng)有退化傾向。形成這些結(jié)果的原因是：(1)錦雞兒屬灌叢具有富集土壤營(yíng)養(yǎng)和改善土壤環(huán)境效應(yīng)；(2)狹葉錦雞兒灌叢生物量大、灌叢結(jié)構(gòu)致密,資源島效應(yīng)和環(huán)境改善效應(yīng)更明顯,而墊狀錦雞兒矮小、荒漠錦雞兒稀疏,二者資源島效應(yīng)較弱,土壤環(huán)境更容易受外界干擾；(3)雖然灌叢具有資源島效應(yīng)和環(huán)境改善效應(yīng),但草原化荒漠區(qū)土壤的營(yíng)養(yǎng)仍然處于較貧瘠狀態(tài),環(huán)境干擾和低營(yíng)養(yǎng)依然是調(diào)控線蟲(chóng)群落組成的主要因素。

總之,雖然錦雞兒屬灌叢沒(méi)有增加土壤線蟲(chóng)多度、豐富度和多樣性,但卻引起土壤線蟲(chóng)群落組成和結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化,且這種變化具有明顯種間差異。土壤線蟲(chóng)組成的變化引起線蟲(chóng)代謝足跡發(fā)生明顯變化,進(jìn)一步導(dǎo)致土壤食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)的顯著變化。