植茶年限對土壤團聚體線蟲群落結構的影響

賈 慧,王晟強,鄭子成,李廷軒

四川農業大學資源學院, 成都 611130

土壤線蟲不僅是土壤生態系統中重要的生物類群[1],同時也存在于食物網各個營養級和能量通道,占據食物網的中心位置,對于促進物質循環和能量流動具有重要意義[2-3]。團聚體作為土壤結構最基本的單元,其組成比例和空間排列決定了土壤孔隙的分布與土壤的水氣特征,進而影響土壤線蟲的生境[4- 6]。可見,土壤線蟲群落結構可能與其在土壤團聚體的分布特征有關。故從土壤團聚體的角度探討土壤線蟲群落的變化,將有助于揭示土壤線蟲群落變化的本質。Briar等[7]研究發現,線蟲總數在微團聚體(<0.25 mm)中數量高于0.25—1 mm粒徑團聚體,而Zhang等[8]研究則認為線蟲在微團聚體中數量最少。也有研究表明線蟲總數在團聚體中的分布規律均是隨著團聚體粒徑的減小而減少,且最大值出現在>2 mm粒徑團聚體,這與Zhang等[9]和Jiang等[10]研究結果一致。可見,線蟲在土壤各粒徑團聚體中分布各異。

茶樹(Camelliasinensis)屬山茶科山茶屬,為多年生常綠木本植物。近年來,受退耕還林、經濟發展、人口增長等因素的驅動,川西低山丘陵區土地利用結構發生了較大變化,退耕植茶已成為該區域主要退耕模式,在產生經濟效益和社會效益的同時,其生態效益備受關注。課題組前期已對不同植茶年限土壤團聚體的有機碳、養分分布和微生物群落進行了探討[11- 13],發現大粒徑團聚體有機碳穩定性較低,土壤養分和微生物的主要載體為>2 mm粒徑團聚體,且長期植茶有助于土壤有機碳、全氮、堿解氮和有效磷的積累。有機碳、養分和微生物在各粒徑團聚體分布的差異均會影響土壤線蟲的繁殖和發育[7- 10],因此,長期植茶會引起土壤團聚體線蟲群落分布的變化。本研究以川西低山丘陵區茶園土壤為研究對象,探討植茶年限對土壤團聚體線蟲群落結構的影響,旨在了解植茶過程中團聚體線蟲群落的演變規律,為揭示土壤食物網結構對植茶年限響應機理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于四川省雅安市名山區中峰鄉萬畝生態茶園(圖1),屬亞熱帶季風性氣候,年平均氣溫15.4℃,無霜期294d,年降雨量1500 mm左右,6—9月份占全年降雨量的72.6%。地貌類型以丘陵臺地為主,土壤類型為第四紀老沖積物發育而成的黃壤。老川茶從20世紀50年代一直種植至今(其余品種均為引進),形成了具有規模化不同種植年限的老川茶園。

圖1 研究區域位置Fig.1 Location of the study siteA、B、C和D分別代表植茶19、26、34和56年茶園

每年10月中旬,茶園施用豬圈肥15000 kg/hm2,K2SO4型復合肥(質量比N∶P2O5∶K2O=20∶8∶8)750 kg/hm2,沿樹冠邊緣垂直下方開溝,依次加入復合肥、豬圈肥,最后覆土。每年追肥3次,春茶追肥時期在2月中旬,施用復合肥1500 kg/hm2,尿素600 kg/hm2；夏茶追肥時期在5月下旬,施用復合肥750 kg/hm2,尿素300 kg/hm2；秋茶追肥時期在7月下旬,施入復合肥750 kg/hm2,尿素300 kg/hm2。追肥位置與基肥相同。老川茶樹修剪方式以輕修剪為主,每年修剪一次,在秋茶采摘后剪去樹冠面上的突出枝條和樹冠表層3—10 cm枝葉,然后歸還土壤。

1.2 土樣采集與處理

在野外調查的基礎上,于2018年7月,綜合考慮茶園的地質地貌條件和經營措施等,選擇成土母質相同、地塊相對集中且經營措施相似的不同植茶年限(19年、26年、34年和56年)老川茶園土壤為采樣對象。在每個茶園中按“品”字形布設3個典型樣方(15 m×15 m),各樣方間距離50 m,每個樣方內按“S”形設置5個采樣點,具體采樣位置設在樹冠邊緣垂直下方。將這5點土樣混合作為1次重復,每個茶園重復3次。在0—5 cm采集原狀土樣,盡量避免擠壓,以保持原狀土樣結構。將采集的12個混合土壤樣品沿自然結構輕輕掰開,過5 mm篩除去動植物殘體和小石塊等,然后置于4℃冰箱保存,供土壤團聚體分級和線蟲的分離鑒定。采樣點基本情況見表1。

1.3 土壤團聚體分級

為了減少對土壤生境的破壞,在4℃冰箱下風干至含水量10%左右,采用干篩法[14]將其分為>2 mm、2—1 mm、1—0.25 mm和<0.25 mm粒徑團聚體(表2)。

1.4 土壤線蟲分離與鑒定

土壤線蟲分離采用改良的Baermann漏斗法[15],每個樣品稱取土樣50 g,置于烘蟲箱內分離,48 h后用離心管收集線蟲,60℃溫熱殺死后,用三乙醇胺和福爾馬林(TAF)固定,分離所得的土壤線蟲在OLYMPUS BX51顯微鏡下直接計數。并根據土壤的自然含水量,將土壤線蟲數量換算成每100 g干土中線蟲的數量。從每個樣品中隨機抽取100條線蟲在OLYMPUS BX51顯微鏡下參考《長白山森林土壤線蟲》[16]、《中國淡水和土壤線蟲研究》[17]和《Soil And Freshwater Nematodes》[18]進行科屬鑒定(不足100條的全部鑒定)。利用OLYMPUS BX51顯微鏡及其數碼顯微成像系統對觀測到的線蟲優勢屬及常見屬進行拍照記錄。采用形態法根據線蟲頭部和取食生境將線蟲劃分為食細菌線蟲(Bacterivores,Ba)、食真菌線蟲(Fungivores,Fu)、植食線蟲(Plant-parasites,Pp)和捕食/雜食線蟲(Omnivores-Predators,OP) 4個營養類群[19]。

表1 不同植茶年限土壤理化性質

同行不同小寫字母表示數據在不同植茶年限間差異達5%顯著水平

表2 不同植茶年限土壤團聚體組成

同行不同大寫字母表示數據在不同粒徑團聚體間差異達5%顯著水平,同列不同上標字母表示數據在不同植茶年限間差異達5%顯著水平

1.5 數據處理

各類群數量優勢度的劃分：個體數量占總捕獲量10%以上者為優勢類群,個體數占總捕捕獲量1%—10%為常見類群,個體數占總捕獲量<1%以下為稀有類群[16]。試驗鑒定出線蟲屬的數量作為線蟲的類群數。

根據Bongers劃分線蟲的不同生活史c-p(colonizer-persister)值。線蟲的生態指數按以下公式[20]計算：

富集指數(Enrichment index, EI)=100×e/(e+b)

結構指數(Structure index, SI)=100×s/(b+s)

式中,e為食物網中的富集成分,主要指食細菌線蟲中c-p值為1和食真菌線蟲c-p值為2的類群；b代表食物網中的基礎成分,主要指食細菌線蟲和食真菌線蟲中c-p值為2的類群；s代表食物網中的結構成分,分別為食細菌線蟲、食真菌線蟲和雜食/捕食線蟲中c-p值為2的類群。

采用DPS 11.0進行試驗數據統計分析,采用雙因素方差分析(two-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)比較不同植茶年限團聚體線蟲多度、類群數量和營養類群的差異；圖表制作采用Excel 2010和Origin 9.0。各圖表中數據均為平均值±標準誤。

2 結果與分析

2.1 土壤團聚體線蟲群落組成

本研究共捕獲線蟲6602條,隸屬于46屬,平均為421條/(100g)干土。其中,食細菌線蟲17屬,食真菌線蟲6屬,植食線蟲17屬,雜食/捕食線蟲6屬。擬麗突屬Acrobeloides為優勢屬,相對多度達33.3%—53.3%,盆咽屬Panagrolaimus和小桿屬Rhabditis等為常見屬,矛線屬Dorylaimus和瘤咽屬Tylencholaimellus等為稀有屬(表3)。

由圖2可知,隨著植茶年限的延長,>0.25 mm各粒徑團聚體土壤線蟲數量呈單峰的變化趨勢,且在植茶26年時顯著高于其他年限,而<0.25 mm團聚體線蟲數量則隨著植茶年限的延長逐漸增加。各植茶年限土壤線蟲數量隨粒徑的增大而增加,在>2 mm粒徑團聚體中最高。

由圖2可知,隨著植茶年限的延長,線蟲類群數在>2 mm粒徑中均未達到顯著差異,在2—1 mm和<0.25 mm粒徑團聚體中逐漸升高,在1—0.25 mm粒徑中則先升高后降低。而隨著粒徑的減小,各植茶年限線蟲類群數均逐漸減少。

圖2 不同植茶年限土壤團聚體中線蟲多度和類群數Fig.2 Abundance of total nematodes and the group number of nematodes genera within aggregate fractions under the four tea plantations with different ages不同小寫字母表示數據在不同粒徑團聚體間差異達5%顯著水平,不同上標字母表示數據在不同植茶年限間差異達5%顯著水平

2.2 土壤團聚體線蟲營養類群結構

由圖3可知,土壤線蟲各營養類群數量差異明顯。不同植茶年限土壤團聚體食細菌線蟲數量最高(896—28.1條/(100g)),占土壤線蟲總數的83%—96%；其次是食真菌線蟲和植食線蟲,其數量分別為1.5—96條/(100g)和1.5—64條/(100g),分別占土壤線蟲總數的1%—11%和1.6%—8%；而雜食/捕食線蟲數量最少(1.5—10.7條/(100g)),占土壤線蟲總數的1%—6.7%。可見,在本研究中食細菌線蟲在不同營養類群中占絕對優勢。

與土壤線蟲總數相似,食細菌線蟲、食真菌線蟲和植食線蟲在>0.25 mm各粒徑團聚體數量呈現單峰的變化趨勢,在植茶26年時顯著高于其他年限；而在<0.25 mm粒徑團聚體中,食細菌線蟲數量逐漸升高,食真菌線蟲和植食線蟲數量差異不顯著。隨著粒徑的減小,各植茶年限食細菌線蟲、食真菌線蟲和植食線蟲數量逐漸減少。雜食/捕食線蟲數量在各植茶年限和粒徑間,均未達到顯著差異。

圖3 不同植茶年限土壤團聚體中線蟲營養類群的多度Fig.3 Abundance of nematode trophic groups within aggregate fractions under the four tea plantations with different ages

2.3 土壤團聚體線蟲群落生態指數

由圖4可知,SI值多數均小于50(除<0.25 mm粒徑),EI值均大于50。隨著植茶年限的延長,>2 mm粒徑團聚體中線蟲區系分布逐漸從B象限向D象限方向靠攏；2—0.25 mm粒徑團聚體中線蟲區系分布不一,而<0.25 mm粒徑團聚體中線蟲分布逐漸從A象限向B象限方向靠攏。各植茶年限均隨著粒徑的減小,線蟲區系分布逐漸從A象限向B象限方向靠攏。

圖4 不同植茶年限土壤團聚體中線蟲區系分析Fig.4 Nematode faunal analysis of cucumber within aggregate fractions under the four tea plantations with different ages

3 討論

3.1 土壤團聚體線蟲群落組成

土壤線蟲總數的變化體現了土壤資源的總體有效性[21]。在本研究中,除<0.25 mm粒徑團聚體外,其余粒徑在植茶26年時線蟲數量顯著高于其他年限,這主要因為植茶26年茶樹凋落物中易分解組分相對較多[11],土壤活性有機碳有所積累,進而有利于大粒徑團聚體的形成與穩定；其次,該植茶年限土壤微生物量在大粒徑團聚體中處于較高水平[22],為線蟲繁殖發育提供了大量的食源。此外,該植茶年限茶樹凋落物C∶N為15.72[22],易于形成品質好的軟腐殖質。而土壤腐殖質品質影響線蟲數量的多少,Yeates[23]研究表明,凋落物C∶N等于13.8時,土壤線蟲密度為4224×103條/(100m2),當C∶N升高到18.3時,土壤線蟲密度則降低到2133×103條/(100m2)。可見,植茶26年土壤含有更多適宜線蟲生長繁殖的較大粒徑團聚體,并且可以提供其生長繁殖的大量食源,故線蟲在該植茶年限土壤中易于聚集。

Briar等[7]研究發現,線蟲總數在團聚體中的分布狀況因管理方式的不同而異,如常規種植番茄,線蟲總數的最大值出現在>l mm粒徑團聚體,而在有機種植條件下線蟲總數的最大值出現在<1 mm粒徑團聚體。而在本研究中,各植茶年限在>0.25 mm粒徑團聚體中土壤線蟲數量隨著粒徑的減小而減少。表明植茶年限不影響線蟲在團聚體中的分布情況,這和Zhang等[9]研究結果一致。不同粒徑團聚體導致土壤空隙狀況差異,進而影響土壤線蟲分布。Hassink等[24]發現線蟲的數量和土壤中30—90 μm的孔隙數量成正相關；Briar等[7]發現土壤線蟲在0.25—1 mm粒徑團聚體中密度低。而本研究卻發現>2 mm粒徑團聚體中線蟲總數最高,表明大粒徑團聚體更適合線蟲生存。一方面是因為大粒徑團聚體中包裹著較多數量的新鮮有機質[22]；另一方面大粒徑團聚體孔隙度好,良好的通氣性,為線蟲的繁殖提供了適宜的生存環境。表明>2 mm粒徑團聚體的形成與穩定對于維持茶園土壤線蟲群落的數量具有重要意義。

在本研究中,擬麗突屬作為該區域的絕對優勢屬,和Zhang等[9]研究黑土區域的結果一致。這主要是因為表層土壤有機質豐富,為其提供了良好的繁殖環境。自然選擇的作用使該類群繁殖力增強,通過提高某些線蟲類群的線蟲個體數量來替代一些在該環境中不易生存的線蟲的作用,從而維持整個土壤生態系統的穩定,這與Walker[25]提出的“冗余種”假說一致。

3.2 土壤團聚體線蟲營養類群結構

土壤線蟲營養類群反映了土壤線蟲食物資源組成比例,資源的有效性增加可以導致微生物數量的增加,并進一步在土壤食物網內的更高營養級上反映出來,符合資源影響食物網結構的“上行效應”趨勢[21]。土壤團聚體的空間分布和形狀大小不同,從而導致不同粒徑團聚體中水熱條件存在差異,進而影響團聚體中線蟲營養類群的分布特征。在本研究中,食細菌線蟲、食真菌線蟲和植食線蟲數量的分布規律相似,均是隨著植茶年限的延長先升高后降低,在植茶26年時數量較高,且在>2 mm粒徑團聚體中數量最多。這與土壤微生物在各植茶年限土壤團聚體的變化趨勢基本一致[22]。此外,由于食細菌線蟲在該研究區域營養類群占據主導地位,從而導致線蟲總數在團聚體中的分布規律與食細菌線蟲相似。可見,土壤線蟲的分布會因植茶階段的不同而發生改變,且分布存在臨界年限。表明在茶園生態系統中,植茶26年的土壤更有利于線蟲總數和大部分營養類群的繁殖。由于土壤線蟲的群落結構和食物資源的變化、有機物的分解途徑及能量流動等生態過程密切相關[26]。因此,植茶26年土壤食物網物質循環和能量流動周轉速率可能較高。

食細菌線蟲是土壤中最主要的自由生活線蟲,也是土壤線蟲中優勢的營養類群[27]。在農田生態系統中達60%以上,在根際土壤的比例可達90%以上[28-29]。研究表明,一條成熟的食細菌線蟲每天大約可取食105—106個細菌來維持其生長[30]。在本研究中,食細菌線蟲占據主導優勢且在植茶26年時最高。其根本原因是細菌為該區域的優勢類群且植茶26年時細菌生物量相較于其他年限多。值得注意的是,植茶26年時,植食線蟲數量也相對較高。一般認為,植食線蟲與植物根系生長情況有關[31]。植食線蟲生存的場所主要是根際,它們以新鮮細根為食物,依賴根系生存。植茶26年時茶齡相對較短,發達的幼根為植食線蟲提供了更多的取食位點。這與Cepelle等[32]和Liu等[33]研究結果一致。雜食/捕食線蟲是決定土壤食物網復雜性的關鍵生物類群[34]。而在本研究中,其數量最少且在團聚體和年限變化間均未達到顯著差異,可能跟該類群營養類群c-p值高,體型較大,處于較高的營養級有關[35]。

3.3 土壤團聚體線蟲群落生態指數

Ferris等[20]在線蟲功能團劃分的基礎上提出了線蟲區系分析的方法用來反應土壤食物網結構、土壤養分富集狀況和分解途徑等信息。EI主要用于評估食物網對可利用資源的響應,EI數值越高,表明食物資源豐富,有機質的分解以細菌通道為主。SI主要用于評價食物網的長度及關聯度。SI值越高,表明食物網的長度越長,關聯度越復雜,食物網越穩定。二者結合可以更好地指示土壤環境所受到的擾動和土壤食物網情況。本研究發現隨著植茶年限的延長,>2 mm粒徑團聚體中,富集指數和結構指數逐漸降低且線蟲區系分布從B象限向D象限方向靠攏。表明隨著植茶年限的延長,土壤食物資源減少,食物網結構變得簡單,使得土壤養分富集狀況變差,食物網逐漸退化。而隨著團聚體粒徑的變化,富集指數和結構指數在各植茶年限均有增加的趨勢,且<0.25 mm粒徑團聚體中逐漸向B象限靠攏,這表明相較>0.25 mm粒徑團聚體,<0.25 mm粒徑團聚體食物資源豐富,受到的干擾少,食物網較穩定。由于土壤食物網的調控方式以自下而上為主,自上而下為輔,即作為土壤食物網能量來源的碎屑,其數量和質量決定了食物網的結構和功能。因此,土壤食物網管理主要通過連續不斷的補充外源有機質,來維持食物網的穩定[3]。故研究區在退耕植茶工程的實施過程中,應在植茶后期注意對有機肥的合理配施,保持茶園土壤的肥力和土壤食物網結構,以實現茶園土壤的可持續利用。同時,土地利用方式、耕作制度等土地管理措施的影響首先體現在大團聚體中,故在植茶后期也應加強對土地管理等措施的改善,盡量減少大粒徑團聚體的人為干擾。

4 結論

(1)不同植茶年限土壤團聚體線蟲群落以擬麗突屬Acrobeloides為優勢屬,線蟲總數隨植茶年限的延長呈先升高后降低的變化趨勢,植茶26年數量最高,隨粒徑的減小而減少。隨著植茶年限的延長,線蟲類群數在>2 mm粒徑團聚體中響應不敏感；隨著粒徑的減小,各植茶年限線蟲類群數均減少。

(2)不同植茶年限土壤團聚體線蟲群落以食細菌線蟲為主,多數線蟲營養類群數量均隨植茶年限的延長呈先升高后降低的變化趨勢,在植茶26年數量最高,且隨粒徑的減小而減少。表明植茶26年土壤更適合線蟲繁殖且大粒徑土壤團聚體更有利于線蟲生存。

(3)線蟲區系分析表明,隨著植茶年限的延長,土壤養分變差,食物網退化；相較>0.25 mm粒徑團聚體,<0.25 mm粒徑團聚體受到的干擾少。