內蒙古西部荒漠區短腳錦雞兒灌叢對土壤線蟲群落的影響

王業林，梅續芳，宋承承，張 鵬，高芳磊，解李娜，馬成倉

（1.天津師范大學生命科學學院，天津300387；2.天津師范大學天津市動植物抗性重點實驗室，天津300387）

近年來，灌木入侵草原已成為全球草地生態系統的普遍現象[1].在內蒙古草原，錦雞兒屬（Caragana） 植物從東北到西南均有分布[2]，是主要優勢灌木.全球氣候變化和過度放牧使內蒙古草原最終形成了以錦雞兒屬植物占據優勢的灌叢化草原.灌木擴張會顯著影響生態系統的結構和功能：一方面，會在一定程度上改變地上植物群落的物種組成、豐富度、密度、生物量等[3-4]；另一方面，會直接或間接地對地下生物群落產生影響[5].事實上，由于地下生物群落對短期環境變化更為敏感，因此灌叢對地下生物群落的影響可能要大于對地上植物群落的影響[6].

線蟲作為土壤中廣泛存在、數量龐大的土壤動物類群，其種類豐富，營養多樣，能夠對環境變化迅速做出響應，常被作為評價地下生態系統健康與否的理想指示生物，因而越來越受到人們的廣泛關注.研究表明，不同土壤線蟲營養類群、c-p 類群對環境變化的響應不同.如Li 等[7]研究發現，灌木入侵后食細菌類線蟲和c-p 3 ～5 類群數量明顯增加；Bakonyi 等[8]發現，溫帶半干旱灌叢中溫度和濕度的變化抑制了捕食雜食類線蟲的數量，促進了食細菌和食真菌類線蟲的生長.因此，在研究草原灌叢化過程中，不僅需要關注灌叢對土壤線蟲多度的影響，還要關注土壤線蟲不同營養類群、不同c-p 類群和功能團的響應情況，這將有助于理解灌叢化對草原生態系統的影響機制.灌木對地上植物群落的影響在很大程度上依賴于所觀測的植物群落指標，不同維度指標影響不同[9-10]，灌叢對地下土壤線蟲群落的影響是否也依賴于不同的群落指標，目前還不清楚.關于灌叢對土壤線蟲的影響，尤其是對強干旱環境下的土壤線蟲群落的影響，以及這種影響隨著土壤深度如何變化的研究報道很少，僅見Su 等[11]關于中國西北干旱荒漠區檉柳（Tamarix chinensis）灌木對土壤線蟲群落影響的報道.

短腳錦雞兒（Caragana brachypoda）是錦雞兒屬植物的重要物種之一.本研究選取內蒙古高原荒漠區的短腳錦雞兒灌木，從灌叢內外不同土層中分離土壤線蟲并進行鑒定，探究短腳錦雞兒灌叢對土壤線蟲群落不同營養類群、不同c-p 類群的影響，以及沿著土壤深度線蟲群落的變化趨勢.

1 材料和方法

1.1 研究區概況

研究區位于內蒙古西部阿拉善左旗（38°19′N，105°41′E），平均海拔800 ～1500 m.該地區屬典型荒漠區，中溫帶大陸型氣候，以風沙大、干旱少雨、蒸發強烈為主要氣候特點.年降水量80 ～220 mm，年均蒸發量2900 ～3300 mm，日照時間3316 h，年平均氣溫7.2 ℃，無霜期120 ～180 d.研究區植被稀疏，多以灌木、蒿類及旱生禾本科植物為主，形成明顯的灌叢斑塊和草地斑塊相間分布格局.其中優勢灌木為錦雞兒屬（Caragana）植物.

1.2 研究方法

1.2.1 土壤樣品采集

2016 年7 月，在阿拉善左旗選擇地形、坡度、短腳錦雞兒灌叢蓋度基本一致的灌叢化草地進行土壤樣品的采集.在樣地中隨機選取3 株冠幅接近的短腳錦雞兒灌叢，先用鐵鏟清除地表的植物凋落物及碎石等，之后在每個樣株的灌叢內外（距離灌叢邊緣2 m 以上）分別采集0 ～10、10 ～20、30 ～40 cm 的土壤樣品.每份土壤樣品分為兩部分：一部分用自封袋密封后于4 ℃進行保存，并盡快帶回實驗室用于土壤線蟲的分離、計數和鑒定；另一部分風干后過篩，用于土壤理化性質的測定.

1.2.2 土壤線蟲分離與鑒定

采用改良的貝爾曼（Baermann）法從20 g 鮮土中分離土壤線蟲，分離時間為24 h，用TAF 固定液（三乙醇胺-福爾馬林固定液）固定保存線蟲.依據《中國土壤動物檢索圖鑒》[12]和《植物線蟲分類學》[13]在光學顯微鏡下鑒定到屬，并統計線蟲個體數.利用土壤含水量將提取分離后獲得的土壤線蟲數量折算成100 g 干土中線蟲多度.

1.2.3 土壤理化性質測定

土壤含水量采用烘干法進行測定；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；土壤有機質測定采用重鉻酸鉀加熱法；硝態氮和銨態氮采用流動分析儀進行測定.

1.3 數據處理與分析

根據土壤線蟲的形態學特征和食性特征，將線蟲劃分為食真菌線蟲（fungal-feeding nematode，FF）、食細菌線蟲（bacterial-feeding nematode，BF）、植物寄生線蟲（plant parasitic nematode，PP）、捕食/雜食線蟲（omnivorous-predation nematode，OP）4 個營養群（nematode trophic group）.Bongers[14]依據線蟲不同的生活史對策將其劃分為r-對策（對環境干擾不敏感）向K-對策者（對環境干擾敏感）過渡的5 個c-p（colonizer-persister）類群，其中c-p 1 類群為典型r-對策者，c-p 5 類群為典型K-對策者，c-p 2、c-p 3、c-p 4 分別為中間3種過渡類群.

采用土壤線蟲豐富度（物種數）、線蟲多度（物種個體數目）、Shannon-Wiener 指數（H′）評估土壤線蟲群落多樣性.計算公式如下：

式（1）中：Pi為各種群的個體數與群落總個體數的比值.

采用自由生活線蟲成熟度指數（MI）評價生態系統的穩定性及其受干擾的程度[15].計算公式如下：

式（2）中：v（i）為土壤線蟲第i 類群的c-p 值；f（i）為自由生活線蟲第i 類群個體數占群落總個體數的比值.

采用土壤線蟲功能團指數，包括結構指數（SI）、富集指數（EI）和通道指數（CI），綜合反映食物網的變化情況.計算公式如下：

式（3）—（5）中：b（basal component）為基礎組分，b=0.8×（BF2+ FF2）；e(enrichment component)為富集組分，e =3.2×BF1+0.8×FF2；s（structural component）為結構組分，s=BFn×Wn+FFn×Wn+OPn×Wn（n=3 ～5，W3=1.8，W4=3.2，W5=5.0），W 為權重，n 為c-p 值，BF1、BF2、OP2中的下標代表c-p 值.

SI 和EI 指數值均在0～100 之間變化.SI 指數表示對環境干擾敏感的K-對策者的相對豐度，用于評價土壤食物網的食物鏈長度和復雜性聯通度；EI 指數用于評價土壤養分富集狀況，值越大，表明外界投入的養分越多，土壤線蟲食物資源越豐富[16]；CI 指數在一定程度上可以反映土壤食物網的分解特征，如果CI 值大于50，間接說明土壤分解途徑以真菌為主，數值小于50，說明以細菌分解途徑為主[17-18].SI 和EI 指數聯合使用可以將線蟲區系劃分為4 個象限，A 象限（EI大于50 且SI 小于50）表明土壤養分較好，干擾程度高，細菌降解途徑為主，食物網不穩定；B 象限（EI 和SI 都大于50）表明土壤養分較好，干擾程度低或中等，降解平衡，食物網穩定；C 象限（EI 小于50 且SI 大于50）表明土壤養分較差，無干擾，真菌降解途徑為主，食物網穩定；D 象限（EI 和SI 都小于50）表明土壤養分差，干擾程度最高，真菌降解途徑為主，食物網退化[19].這4 個象限代表了食物網不同的特征.

利用土壤養分肥力指標（包括速效磷、速效鉀、有機質、硝態氮、銨態氮），采用平均值法[20]計算短腳錦雞兒灌叢的肥島效應指數.采用相對相互作用強度指數[21]（relative interaction intensity，RII）評估灌叢對土壤線蟲群落的影響.

式（6）中：X 為灌叢內（XS）、灌叢外（XO）響應變量觀測值.RII 值在-1 到1 之間變動，如果RII 值大于0，說明灌叢對土壤線蟲群落具有正效應；如果RII 值小于0，說明灌叢對土壤線蟲群落具有負效應.分別計算土壤線蟲群落物種數和總數RII 值，取二者平均值作為土壤線蟲群落豐度RII 值.

采用雙因素方差分析檢驗短腳錦雞兒灌叢和土壤深度對土壤線蟲群落各觀測指標影響及其交互作用的顯著性，并用Tukey HSD 做土層之間的多重比較，用獨立樣本T 檢驗分析灌叢內和灌叢外之間的差異.統計顯著性水平為P ＜0.05.數據分析采用SPSS 20.0軟件.

2 結果與分析

2.1 短腳錦雞兒灌叢土壤線蟲群落的數量和多樣性

短腳錦雞兒灌叢內外不同土層深度土壤線蟲的多樣性特征如圖1 所示.由圖1 可以看出，短腳錦雞兒灌叢對土壤線蟲的豐富度（F1，12=4.89，P ＜0.05）和多度（F1，12=25.31，P ＜0.05）影響顯著，土壤深度僅對灌叢土壤線蟲多度影響顯著（F2，12=6.45，P ＜0.05），對線蟲豐富度（F2，12=0.65，P=0.54）影響不顯著.灌叢和土壤深度對Shannon-Wiener 指數（F1，12=0.40，P=0.54；F2，12=0.06，P=0.94）影響均不顯著.不同土層土壤線蟲的豐富度和多度均表現為灌叢內大于灌叢外，其中表層土的豐富度灌叢內外差異顯著（P ＜0.05），線蟲次表層和深層多度灌叢內外差異顯著（P ＜0.05），表層土壤線蟲的多度大于其他土層的多度.

圖1 短腳錦雞兒灌叢內和灌叢外不同土層土壤線蟲的多樣性指數Fig.1 Biodiversity index inside and outside shrub canopies of Caragana brachypoda at different soil depths

2.2 短腳錦雞兒灌叢土壤線蟲群落的營養結構及生活史特征

土壤線蟲不同營養類群在短腳錦雞兒灌叢內外的多度如圖2 所示.

圖2 短腳錦雞兒灌叢內和灌叢外不同土層土壤線蟲營養類群和c-p 類群的多度Fig.2 Abundance of nematode trophic groups inside and outside shrub of Caragana brachypoda at different soil depths

由圖2（a）可以看出，4 個營養類群中，食細菌類線蟲的多度在各土層中均最大，且灌叢內的多度均大于灌叢外的多度.對于植物寄生類線蟲，0 ～10 cm 土層灌叢內外的多度基本一致，30 ～40 cm 土層的多度則表現為灌叢外大于灌叢內. 無論是灌叢內還是灌叢外，食細菌類線蟲多度均在表層土中最大，具有明顯的表聚性.捕食/雜食類線蟲在不同土層均是灌叢內的多度顯著大于灌叢外的多度.由圖2（b）可以看出，5種c-p 類群中，c-p 2 類群比例在灌叢內、灌叢外及不同土層均最大，且灌叢內的多度顯著大于灌叢外的多度，表層土的多度高于其他土層的多度.

灌叢和土壤深度對土壤線蟲不同類群的影響如表1 所示.由表1 可以看出，灌叢顯著影響了食細菌類和植物寄生類線蟲的多度，土壤深度顯著影響了食細菌類線蟲的多度. 灌叢和土壤深度均顯著影響c-p 2類群土壤線蟲的多度.灌叢和土壤深度對4 種營養類群均沒有明顯的交互作用.

表1 灌叢、土壤深度以及互作對土壤線蟲不同營養類群和c-p 類群豐度影響的方差分析結果（F 值）Tab.1 F-values of ANOVAS for the effects of canopy conditions，soil depth and their interaction on different nematode groups and c-p groups

2.3 短腳錦雞兒灌叢土壤線蟲群落的功能性指數

土壤線蟲在短腳錦雞兒灌叢內外和不同土層的功能性指數如圖3 所示.

圖3 短腳錦雞兒灌叢內和灌叢外不同土層土壤線蟲的成熟度指數和通道指數Fig.3 Soil nematode maturity index and channel index inside and outside shrub of Caragana brachypoda at different soil depths

由圖3 可以看出，灌叢和土壤深度對自由生活線蟲的成熟度指數（MI）影響不顯著（灌叢：F1，12=0.04，P=0.85；土壤深度：F2，12=0.25，P=0.79）.灌叢對線蟲通道指數（CI）的影響顯著（F1，12=0.18，P ＜0.05），其中，0 ～10 cm 土層與10 ～20 cm 土層灌叢內的CI 顯著大于灌叢外的數值，30 ～40 cm 土層灌叢內外的CI 差異不顯著.土壤深度對線蟲CI 的影響不顯著（F2，12=0.60，P=0.58）.

2.4 短腳錦雞兒灌叢土壤線蟲區系分析

短腳錦雞兒灌叢土壤線蟲的食物網特征如圖4所示.

圖4 短腳錦雞兒灌叢土壤線蟲區系分析Fig.4 Analysis of soil nematode flora Caragana brachypoda

從圖4 可以看出，SI 和EI 樣點主要分布在C、D 2個象限，表明荒漠區短腳錦雞兒灌叢土壤養分的富集情況較差，土壤食物網趨于退化狀態.灌叢內不同土層的SI 和EI 組主要分布在D 象限，灌叢外除表層外主要分布在C 象限，這說明灌叢內的土壤環境干擾程度高于灌叢外.SI 指數主要計算對環境干擾敏感的K-對策者的相對豐度，灌叢外各土層的SI 指數均大于灌叢內，說明灌叢外K-對策者土壤線蟲較多，土壤食物網較灌叢內復雜.另外，隨土壤深度增加，灌叢外SI 指數呈現增長趨勢，灌叢內變化不明顯.

2.5 短腳錦雞兒灌叢對土壤營養分布和土壤線蟲群落的影響

短腳錦雞兒灌叢的肥島效應以及對土壤線蟲群落的影響如圖5 所示.由圖5 可以看出，短腳錦雞兒灌叢能夠聚集養分，促進土壤肥島的形成.土壤線蟲群落豐富度RII 值大于0，說明短腳錦雞兒灌叢對土壤線蟲群落為正效應，即具有促進作用.

圖5 短腳錦雞兒灌叢肥島效應指數與土壤線蟲群落的RII 值Fig.5 Fertile island effect and RII value of soil nematode community for Caragana brachypoda

3 討論

本研究調查了內蒙古草原荒漠區短腳錦雞兒灌叢土壤線蟲的群落多樣性特征，并分析灌叢對線蟲群落的影響.研究表明，土壤線蟲群落具有明顯的垂直分布特性，即隨著土壤深度的增加，線蟲的豐富度和多度逐漸減少.Zhi 等[22]對騰格里沙漠土壤線蟲的研究也發現隨著土壤深度增加，土壤線蟲的多度減少.土壤線蟲群落的垂直異質性可能受食物資源的可利用性驅動，土壤表層較多的凋落物為土壤線蟲群落提供了數量更多、質量更好的可利用食物資源，因此線蟲呈現出表聚效應.

短腳錦雞兒灌叢顯著影響了土壤線蟲群落的豐富度和多度，但對Shannon-Wiener 指數影響不顯著.這說明灌叢對地下土壤線蟲群落的影響依賴于所測指標，不同維度指標影響不同.這與楊銳等[23]的研究結果一致，該研究發現天然草地在種植燕麥后，土壤線蟲群落密度顯著增加，但多樣性指數無顯著變化.土壤線蟲群落的豐富度和多度在不同土層灌叢內均大于灌叢外，這主要是因為灌叢內食細菌類線蟲的密度顯著大于灌叢外的密度.食物資源的供給狀況是影響土壤線蟲群落豐度的主要因素之一.短腳錦雞兒灌叢促進土壤肥島的形成，導致灌叢內植物群落豐富度大于灌叢外[24]，凋落物增加.較多的凋落物為土壤微生物提供了更多的食物資源，同時也促進了以它為食的食細菌線蟲豐度的增加.另外一個原因可能是土壤線蟲對外界干擾（尤其是放牧）非常敏感[25]，而灌叢對土壤線蟲有一定的庇護作用[26]，為其提供了良好的生存環境，導致灌叢內土壤線蟲多度大于灌叢外.總之，短腳錦雞兒灌叢對土壤線蟲群落的豐度具有明顯正效應.

短腳錦雞兒灌叢對土壤線蟲群落不同營養類群的影響不同，而且在不同土壤深度其數量也存在明顯差異.研究發現灌叢和土壤深度對食細菌類線蟲均有顯著影響，且該類群主要分布在表層土.這主要是因為表層土具有豐富的食物資源[27].植物寄生類線蟲主要受灌叢的影響，這是因為不同種類植物的根系分布存在較大差異. 同草本植物相比，短腳錦雞兒的根系非常發達，具有很多側根，根長可達1 m，從而導致植物寄生類線蟲即使在深層土也很容易獲得食物資源[28].

SI、EI 和CI 指數能夠很好地反映土壤食物網的復雜性、土壤養分富集情況以及土壤養分的分解途徑[29].本研究發現，隨著土壤深度的增加，灌叢外的SI 指數逐漸增加，灌叢內變化不明顯.這是因為SI 指數主要受c-p 值較大的捕食/雜食性線蟲數量的影響，而灌叢外捕食/雜食性線蟲密度隨土壤深度的變化大于灌叢內.捕食/雜食性線蟲是高營養級捕食者，是決定土壤食物網復雜性、穩定性的關鍵生物類群.研究發現，不同土層SI 指數均表現為灌叢外大于灌叢內，這說明灌叢外的土壤食物網更復雜、更穩定.土壤線蟲區系分析表明SI 和EI 樣點主要分布在C、D 兩個象限，這說明雖然短腳錦雞兒灌叢具有明顯的肥島效應，但與環境友好地區相比，土壤養分情況還是較差，土壤食物網趨于退化狀態.另外，灌叢內不同土層SI 和EI 組主要分布在D 象限，說明灌叢內土壤環境的干擾程度高于灌叢外.這主要是因為灌叢能夠聚集養分，導致營養環境波動.短腳錦雞兒灌叢內不同土層的CI 值均大于50，灌叢外小于50，這在一定程度上說明灌叢內的碎屑食物網以真菌分解途徑為主，灌叢外以細菌分解途徑為主.以細菌分解途徑為主的食物網物質循環速率較快，更有利于生物群落從土壤中吸收養分[15]，但從長遠來看，養分周轉速率快將會導致土壤中有機質、硝態氮等養分消耗較快，進一步造成土壤貧瘠.

綜合來看，在荒漠區短腳錦雞兒灌叢促進了土壤肥島的形成，從而使土壤線蟲群落的多度增加. 灌叢對土壤線蟲群落的影響依賴于所量化指標，不同指標（豐富度、多樣性）和不同營養類群的效應不同. 土壤線蟲群落及其不同營養類群均具有明顯的表聚性.灌叢肥島效應導致灌叢內的土壤環境干擾程度高于灌叢外，進而影響土壤線蟲的區系分布.灌叢雖然對荒漠區惡劣的環境有一定的緩沖作用，但該地區土壤養分條件還是較差，土壤食物網趨于退化狀態.