荒漠草原小葉錦雞兒灌叢土壤線蟲群落研究

王躍棠， 梅續芳， 解李娜， 張國剛， 李清芳， 馬成倉

(天津師范大學生命科學學院，天津市動植物抗性重點實驗室， 天津 300387)

植物是改變土壤動物群落結構的重要驅動因子。土壤線蟲作為土壤動物群落的一個重要組成部分，其功能結構對植物的響應已引起國內外學者廣泛興趣。研究表明有植被生長的土壤中，線蟲群落的時空分布格局與無植被土壤具有顯著差異[1]，且植物多樣性增大，根系增加，線蟲數量顯著增加[2]；不同植物種類對線蟲群落的影響不同[3]，如：豆科植物土壤中食細菌線蟲較多，非豆科植物土壤中食真菌線蟲較多，禾本科植物土壤中植物寄生性線蟲數量較多；同一棲息地檉柳灌叢內線蟲豐度顯著高于灌叢外[4]。

灌木入侵已成為全球草地生態系統的普遍現象，其密度和蓋度正在逐漸增加。灌叢的形成引起灌叢內水分和養分的富集，改變土壤的資源分配，形成比周圍環境更適宜的微氣候區域，即沃島效應[5]。“沃島”引發土壤資源的空間異質性加劇以及灌叢內外植被異質化，從而影響土壤動物群落[6-7]。錦雞兒屬(Caragana)植物是內蒙古地區的常見灌木，同時也是引起該地區灌叢化現象的主要植物種[8]。小葉錦雞兒(C.microphylla)是錦雞兒屬的重要物種。關于小葉錦雞兒的研究主要在科爾沁沙地人工種植的小葉錦雞兒固沙林地開展的，天然草地小葉錦雞兒灌叢對土壤線蟲的影響研究較少。科爾沁沙地小葉錦雞兒人工固沙林固定沙丘在春季，迎風坡和坡頂土壤線蟲數量隨著土層的加深而減少，在夏季，受高溫干旱的影響，0～5 cm土層線蟲數量較少，5～10 cm較多，下層依次減少[9]。

除了植物因素，土壤環境條件也是影響土壤線蟲群落的重要因素之一。土壤氮含量影響土壤線蟲的物種豐富度和群落結構穩定性[10]；土壤濕度是土壤線蟲群落結構的重要因子，有研究表明土壤含水量與線蟲數量正相關[11]或負相關[1]；土壤溫度在一定程度上影響土壤線蟲分布，這種影響因土壤線蟲食性和種類的不同而有差異。

本研究假設小葉錦雞兒灌叢的形成改變土壤環境條件，從而影響土壤線蟲群落功能結構。以內蒙古荒漠草原區小葉錦雞兒為研究對象，比較灌叢內外、不同土層土壤線蟲群落組成、多樣性指數和功能性指數的差異，為理解植物通過影響土壤線蟲來調控土壤生態系統過程提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究地點和材料

本研究于2016年7月在內蒙古蘇尼特右旗朱日和鎮進行。朱日和鎮位于42°40′ N，112°90′ E，海拔1 150.8 m；降水少且不均勻；年平均降水量約為221 mm；年平均蒸發量2 400～2 800 mm，是降水量的8到12倍；平均氣溫4.93℃。土壤質地以疏松的砂質壤土或沙土為主。

小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)，豆科灌木，根系龐大，枝條再生能力強，是干旱草原、荒漠草原地帶的優勢種。具有耐高溫、抗寒、抗旱、抗風蝕沙埋等生物學特性，同時還能夠防風固沙、保持水土。

1.2 研究方法

1.2.1土壤樣品采集 2016年7月在朱日和鎮選取3個優勢種為小葉錦雞兒的實驗樣地，每個樣地隨機選取3株小葉錦雞兒灌叢，分別在灌叢內、灌叢外(距離灌叢邊緣2米)采集0～10 cm(A層)、10～20 cm(B層)、30～40 cm(C層)的土壤樣品約300 g，將樣品用自封袋密封后于4℃保存，并盡快帶回實驗室。一部分用于土壤理化性質的測定，一部分用于土壤線蟲多樣性的分析。

1.2.2土壤理化性質的測定 取50 g土風干，去除雜質、研磨過篩。土壤含水量采用烘干法；速效磷測定采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法；速效鉀測定采用醋酸銨浸提-火焰光度法；pH值用水浸提電位法(水土比為2.5∶1)；土壤有機質測定采用重鉻酸鉀加熱法；硝態氮和銨態氮測定采用流動分析儀法；電導率采用水土5∶1浸提后用DDS～LLA型電導儀測定。小葉錦雞兒灌叢內、灌叢外土壤理化性質見表1。

1.2.3土壤線蟲群落多樣性測定 稱取20 g鮮土，采用Baermaim法分離線蟲。在倒置顯微鏡下按科、屬對線蟲進行分類、計數。按公式計算灌叢內外、不同分層土壤線蟲指數。

采用Shannon-Wiener指數描述土壤線蟲多樣性。用植物寄生線蟲成熟度指數(PPI)、自由生線蟲成熟度指數(MI)描述土壤線蟲的成熟度。用結構指數(SI)、富集指數(EI)、通道指數(CI)來指示各生境中土壤線蟲群落功能結構特征。

Shannon-Wiener指數H’=-∑PilnPi

植物寄生線蟲成熟度指數 PPI=∑v(i)× f’(i)

自由生線蟲成熟度指數 MI=∑v(i)× f(i)

結構指數 SI=100×(s/(s+b))

富集指數 EI=100×(e/(e+b))

通道指數 CI=100×(0.8×FF2/(3.2×BF1+0.8×FF2))

Bongers(1990)依據線蟲的生活史對策(K-對策和r-對策)將線蟲劃分為5個c-p類群。c-p 1類群為典型r-對策者，而c-p 5類群為典型K-對策者。根據土壤線蟲的食性特征將土壤線蟲劃分為植物寄生線蟲(PP)、食真菌線蟲(FF)、食細菌線蟲(BF)、捕食/雜食性類線蟲(OP)。其中，S為物種數，Pi=Ni/N，為各個種群的個體數量與群落總個體數量的比值。v(i)為土壤線蟲第i類群的Colonizers-Pesisters(c-p)值；f(i)為植物寄生線蟲第i類群的個體占群落總個體數的比例；f’(i)為自由生活線蟲第i類群的個體占群落總個體數的比例。

表1 小葉錦雞兒灌叢內外土壤理化性質Table 1 Physical and chemical characteristics of soil inside and outside shrub canopies of C. microphylla

富集指數(EI)可用于評估食物網對可利用資源的響應。結構指數(SI)可指示在干擾(脅迫)或生態恢復過程中地下食物鏈完整性的變化。通道指數(CI)是考察線蟲分解途徑的指數，加權了線蟲c-p值，進一步分析線蟲的分解途徑。其中b=0.8×(BF2+FF2)；e=3.2×BF1+0.8×FF2；s=BFn×Wn+FFn×Wn+OPn×Wn(n=3～5，W3=1.8，W4=3.2，W5=5.0)。

根據計算的EI、SI指數可以將線蟲區系劃分為A、B、C、D四個象限，其中EI和SI值在0～100之間，當EI大于50但SI小于50(A象限)時，表明土壤養分狀況較好但受干擾程度較高，食物網受到一定程度的干擾；當EI和SI都大于50(B象限)時，表明土壤養分狀況較好而且受干擾程度較小，食物網穩定成熟；EI小于50但SI大于50(C象限)時，表明土壤養分狀況較差但受干擾程度較小，食物網處于結構化的狀態;而EI和SI都小于50時(D象限)時，表明土壤養分狀況較差而且受干擾程度最高，已對環境造成脅迫，食物網退化[12]。

1.3 統計分析

用SPSS 17.0軟件進行單因素方差分析，分析灌叢內或灌叢外不同土層線蟲數量和多樣性的差異，用Tukey HSD做多重比較；采用獨立樣本t檢驗分析灌叢內和灌叢外的差異；采用CANOCO 4.5軟件進行冗余分析(RDA)，分析土壤線蟲和環境因子之間的關系。用Monte Carlo置換檢驗分析環境因子顯著性。統計顯著性水平為P<0.05。

2 結果與分析

2.1 灌叢土壤線蟲的數量和多樣性指數

小葉錦雞兒灌叢內線蟲數量顯著高于灌叢外(P<0.05，圖1A)。不同土層小葉錦雞兒灌叢內土壤線蟲總數均高于灌叢外，其中A層、B層差異顯著(P<0.05)。無論是灌叢內還是灌叢外，土壤線蟲總數隨著土壤深度的增加呈下降的趨勢(灌叢內：F2,6=33.277，P<0.05；灌叢外：F2,6=2.987，P=0.126；圖1B)。

圖1 小葉錦雞兒灌叢內和灌叢外不同深度土壤線蟲總數Fig.1 The total number of soil nematodes inside and outside shrub canopies of C. microphylla at different soil depths.注：*表示同一土壤深度灌叢內和灌叢外差異顯著(t-test,P<0.05)；不同字母(灌叢內：小寫字母；灌叢外：大寫字母)表示不同土層間差異顯著(Tukey HSD tests,P<0.05)。A表示0～10 cm土層、B表示10～20 cm土層、C表示30～40 cm土層，下同Note:Different letters (inside-shrub:lowercase;outside-shrub:uppercase) indicate significant differences in the means between soil depth (Tukey HSD tests,P<0.05). In the same soil depth asterisks indicate significant differences in the means between inside-shrub and outside-shrub (t-test,P< 0.05). A:0～10 cm soil layer,B:10～20 cm soil layer,C:30～40 cm soil layer,the same as below

在表層土中，小葉錦雞兒灌叢內土壤線蟲Shannon-Wiener指數高于灌叢外，而中層土和深層土均低于灌叢外。隨土壤深度的增加，灌叢內和灌叢外Shannon-Wiener指數均呈下降的趨勢(灌叢內：F2,6=8.811，P<0.05；灌叢外：F2,6=0.241，P=0.793)，灌叢內深層土顯著低于表層土(圖2)。

圖2 小葉錦雞兒灌叢土壤線蟲Shannon-Wiener指數Fig.2 Shannon-Wiener index of soil nematodesinside and outside shrub canopies of C. microphyllaat different soil depths

2.2 灌叢土壤線蟲群落組成

小葉錦雞兒灌叢內和灌叢外共鑒定出土壤線蟲21屬，其中食細菌類線蟲6屬，食真菌類線蟲2屬，植食性線蟲8屬，捕食-雜食類線蟲5屬(表2)。如圖3所示，灌叢內和灌叢外土壤線蟲組成不同，灌叢內土壤線蟲18屬，灌叢外13屬，且無論灌叢內還是灌叢外，食細菌類線蟲占土壤線蟲總數比例均最大(灌叢內：BF:49.13%；FF:12.59%；PP:20.66%；OP:17.56%；灌叢外：BF:49.82%；FF:26.55%；PP:6.19%；OP:17.45%)。灌叢內土壤線蟲種類明顯多于灌叢外(表2)。

圖3 小葉錦雞兒灌叢內外不同土層土壤線蟲營養類群Fig.3 Abundance of nematode trophic groupsinside and outside shrub of C. microphylla atdifferent depth of soil注：BF:食細菌線蟲；FF:食真菌線蟲；PP:植物寄生線蟲；OP:捕食-雜食線蟲Note：BF:Bacterial-Feeding nematode;FF:Fungal-Feeding nematode;PP:Plant parasitic nematodes;OP:Omnivorous-Predation nematodes

表2 小葉錦雞兒灌叢土壤線蟲的群落組成、營養類群和c-p值Table 2 Composition,trophic groups and c-p values of soil nematodes C. microphylla

營養類群Trophic Groups屬名GenusC-P值灌叢內Inside-shrub灌叢外Outside-shrub0～10 cm10～20 cm30～40 cm0～10 cm10～20 cm30～40 cm食細菌(BF)柄端球屬Paurodontus1+++++++++++++-偽桿咽屬Rhabdontolaimus1+-----異球屬Anisakis1---+++++++++板唇屬Chiloplacus2++++++---麗突屬Acrobeles2+--++++++擬麗突屬Acrobeloides2++++++++++++-食真菌(FF)滑刃屬Aphelenchoides2++++++++++++++++真滑刃屬Aphelenchus2++-++++-植寄生類(PP)矮化屬Tylenchorhynchus2++-----散香屬Boleodorus2+++++++--偽墊刃屬Nothotylenchus2++++-++++++短體屬Pratylenchus3+-----螺旋屬Helicotylenchus3---+++-+++盤旋屬Rotylenchus3+++----潛根屬Hirschmanniella3++-----頭墊刃屬Tetylenchus3+++++--++捕食-雜食(OP)桑尼屬Thorni4+++++++++++++真矛線屬Eudorylaimus4+--+++++++刺咽屬Monochulus5---++++++孔咽屬Aporcelaimus5+++----中矛線屬Mesodorylaimus5++++++---

注：+++表示優勢屬，>10%；++表示常見屬，1%～10%；+表示稀有屬，<1%；-表示沒有出現

Note：+++:Dominant genus;++:Frequent genus;+:Raregenus;-:Not detected

2.3 灌叢土壤線蟲功能性指數

小葉錦雞兒灌叢內表層土中自由生活線蟲成熟度指數(MI)顯著低于灌叢外(P<0.05)，深層土MI高于灌叢外，但差異不顯著(P=0.602)。不同土層，無論灌叢內還是灌叢外MI均表現為表層土或次表層土最大(圖4A)。

圖4 小葉錦雞兒灌叢內和灌叢外不同土層土壤線蟲成熟度指數和通道指數Fig.4 Maturity index of free nematodes and CI index inside and outside shrub canopies of C. microphyllaat different soil depths

灌叢內表層土中植物寄生性線蟲成熟度指數(PPI)顯著高于灌叢外(P<0.05)，其它土層中灌叢內低于灌叢外，差異不顯著(P=0.760)。灌叢內PPI隨土壤深度的增加而下降，其中中層土和深層土顯著低于表層土，而灌叢外PPI指數變化不大(灌叢內：F2,6=9.513，P<0.05；灌叢外：F2,6=0.074，P=0.930；圖4B)。

除灌叢內表層土線蟲通道指數(CI)小于50外，其余處理CI均大于50(圖4C)。

2.4 灌叢土壤線蟲區系分析

各樣品結構指數(SI)和富集指數(EI)樣點多分布在C、D兩個象限。這說明荒漠化草原土壤養分條件很差。表層土SI最大，EI也相對較高，尤其是灌叢內，說明灌叢內表層土受干擾程度較低(圖5)。

圖5 小葉錦雞兒灌叢土壤線蟲區系分析圖Fig.5 Analysis of soil nematode fauna of C. microphyllashrub注：▲：灌叢內0～10 cm;■：灌叢內10～20 cm;●：灌叢內30～40 cm;△：灌叢外0～10 cm;□：灌叢外10～20 cm;□：灌叢外30～40 cmNote：▲：inside-shrub at the depth of 0～10 cm;■：outside-shrub at the depth of 0～10 cm;●：inside-shrub at the depth of 10～20 cm;△：outside-shrub at the depth of 10～20 cm;□：inside-shrub at the depth of 30～40 cm;□：outside-shrub at the depth of 30～40 cm

2.5 灌叢土壤線蟲群落與環境因子的關系

RDA直接排序圖顯示第一軸、第二軸對響應變量的解釋比例分別為64.9%，19.4%(圖6)。Monte Carlo置換檢驗均達到顯著水平(第一排序軸：F=11.109,P<0.05;所有排序軸：F=3.804,P=0.01)，說明環境因子顯著影響土壤線蟲群落。與第一軸關系最密切的是灌叢(r=0.5940)，與第二軸關系最緊密的是電導率(r=0.2081)。RDA排序圖結果表明，板唇、真滑刃、擬麗突、盤旋和麗突屬與硝態氮和含水量呈明顯正相關，與pH呈明顯負相關。墊刃、潛根、散香、真滑刃、短體、偽桿咽、異球、柄端球、真矛線、矮化、頭墊刃、桑尼、中矛線、偽墊刃、刺咽和孔咽屬與速效磷、速效鉀、有機質和銨態氮呈明顯正相關，與pH和電導率呈明顯負相關。螺旋屬與pH呈明顯正相關，與其它環境變量均呈顯著負相關。

圖6 小葉錦雞兒灌叢土壤線蟲群落和環境因子的冗余分析Fig.6 Redundancy analysis (RDA) diagram of therelation between soil nematode communities andenvironmental parameters for C. microphylla注：A:0～10cm;B:10～20cm;C:30～40cm;inner:灌叢內;outer:灌叢外;NOx-N:硝態氮;NH3-N:銨態氮;P:速效磷;K:速效鉀;organic:有機質;moisture:含水量;conducti：電導率;Aph.：真滑刃屬；Chi.：板唇屬；Tho.：桑尼屬；Bol.：散香屬；Aphe.：滑刃屬；Eud.：真矛線屬；Mes.：中矛線屬；Pau.：柄端球屬；Acrobeloides：擬麗突屬；Acrobeles：麗突屬；Apo.：孔咽屬；Tylen.：矮化屬；Tet.：頭墊刃屬；Not.：偽墊刃屬；Rot.：盤旋屬；Hir.：潛根屬；Tyle.：墊刃屬；Pra.：短體屬；Rha.：偽桿咽屬；Ani.：異球屬；Hel.：螺旋屬Note：A:0～10cm;B:10～20cm;C:30～40cm;inner:Inside-shrub;outer:Outside-shrub;NOx-N:Nitrate N;NH3-N:Ammonium N;P:Available P;K:Available K;organic:Organic Matter;moisture:Water Content; conducti：Conductivity;Aph.：Aphelenchus；Chi.：Chiloplacus；Tho.：Thorni；Bol.：Boleodorus；Aphe.：Aphelenchoides；Eud.：Eudorylaimus；Mes.：Mesodorylaimus；Pau.：Paurodontus；Acrobeloides：Acrobeloides；Acrobeles：Acrobeles；Apo.：Aporcelaimus；Tylen.：Tylenchorhynchus；Tet.：Tetylenchus；Not.：Nothotylenchus；Rot.：Rotylenchus；Hir.：Hirschmanniella；Tyle.：Tylenchus；Pra.：Pratylenchus；Rha.：Rhabdontolaimus；Ani.：Anisakis；Hel.：Helicotylenchus

3 討論

荒漠化草原區小葉錦雞兒灌叢內土壤線蟲的數量、表層土Shannon-Wiener指數均高于灌叢外。這主要是由灌叢的“肥島效應”引起的。一方面灌叢引起土壤資源異質化，導致灌叢內環境條件、土壤資源優于灌叢外，灌叢內植物多樣性高于灌叢外[13]。高的植物多樣性有利于土壤微生物的生長[14-15]，進而增加了土壤線蟲數量和多樣性。另一方面灌叢可以有效的保護土壤線蟲免受高溫和干旱等脅迫影響。RDA分析表明，灌叢與土壤線蟲群落關系密切，這進一步說明灌叢強烈影響土壤線蟲群落。這也與Martius等[16]研究結果一致，即灌叢對土壤線蟲分布具有重要作用。

隨土壤深度的增加，小葉錦雞兒灌叢土壤線蟲數量和多樣性均呈下降趨勢，這說明灌叢土壤線蟲具有明顯表聚性，這與土壤資源可利用性以及土壤非生物因素有關[17]。植物凋落物一直被認為是土壤食物網的主要可利用資源[18-19]，而土壤線蟲群落與由植物凋落物供給的土壤資源狀況(如有機碳)成正相關關系[20-21]。土壤表層覆蓋較多凋落物，凋落物分解將有效可利用資源輸入土壤，有利于土壤表層線蟲生長。另外，研究表明土壤線蟲群落受土壤性質影響，如土壤類型[22]、土壤水分[11]、pH、電導率[23]等。隨著土壤深度的增加，土壤性質具有明顯差異(表1)，因此導致不同土層土壤線蟲群落的差異。我們RDA分析表明，土壤線蟲群落與土壤電導率具有明顯相關性，這說明土壤電導率顯著影響土壤線蟲群落。

研究表明食微線蟲豐富度與土壤微生物數量和活性有關。由于灌叢“肥島效應”，灌叢內土壤微生物豐富度高于灌叢外[7]，從而造成灌叢內外食微線蟲豐富度明顯大于灌叢外。同時隨土壤深度的增加，土壤微生物數量的減少[24]也造成食微線蟲數量下降。捕食雜食類線蟲在一定程度上反映了土壤食物網的復雜度[25]。灌叢內外捕食雜食類線蟲比例沒有顯著變化(均大約為17.58%)，這說明灌叢并沒有影響土壤食物網的復雜性。無論灌叢內還是灌叢外，隨著土壤深度的增加，植物寄生類線蟲比例逐漸下降。這是由于植物寄生類線蟲主要取食于植物根系，而土壤表層或次表層植物根系復雜多樣。另外，深層土壤環境狀況(厭氧和較低的溫度)也抑制植物寄生線蟲的生長[26]。相比其它線蟲，擬麗突屬(Acrobeloides)與溫度成正相關關系[27]。在我們研究中，擬麗突屬為小葉錦雞兒灌叢內優勢屬，這也說明灌叢具有保溫作用。

MI和PPI指數反映土壤線蟲群落功能結構特征，可以評價土壤的健康程度、受干擾程度及土壤生物群落的演替狀態[28]。本文結果表明灌叢內表層土MI指數最低，這說明灌叢內表層土具有相對穩定的土壤環境，且土壤生物群落處于演替初期。隨土壤深度的增加，PPI指數呈下降趨勢，這與植物寄生類線蟲比例降低，食微線蟲比例增加有關。Bongers(1997) 等人研究發現PPI值與土壤營養狀況有關，并隨著土壤營養狀況的增加而增加，但這種現象只有當c-p值大于3的植物寄生線蟲增加時才會出現[29]。這與我們的研究結果相反，本文并沒有發現c-p值大于3的植物寄生線蟲，只觀察到c-p值等于2或3的植物寄生線蟲，因此本文PPI值的降低依賴于c-p值等于2或3的植物寄生線蟲。

在我們研究中，小葉錦雞兒灌叢表層土自由生活線蟲豐富度最大，因此EI相對較高，且SI最大，尤其是灌叢內表層土。這同樣也說明灌叢內表層土環境穩定，受干擾程度較低，也間接證明了豆科植物顯著增加了土壤食物網的結構，具有較高的SI[30]。灌叢內表層土線蟲CI小于50，其余樣品土壤CI均大于50。這說明小葉錦雞兒灌叢內表層土線蟲分解有機物以細菌通道為主，灌叢外以真菌通道為主。

4 結論

在荒漠化草原區，小葉錦雞兒灌叢能夠提高土壤線蟲數量和多樣性，這種效應隨著土層深度增加，逐漸減弱。土壤線蟲成熟度指數、富集指數和結構指數分析說明灌叢內表層土具有相對穩定的土壤環境，受干擾程度較低。土壤線蟲的通道指數分析說明灌叢內表層土線蟲分解有機物以細菌通道為主，灌叢外以真菌通道為主。小葉錦雞兒灌叢通過影響土壤資源和土壤環境穩定性而影響土壤線蟲的群落結構和功能。