長期施加N、P肥對高寒草甸小型土壤節肢動物群落的影響

薛 娟,王長庭,曾 璐,魏 雪,吳鵬飛

西南民族大學青藏高原研究院,成都 610041

青藏高原高寒草甸面積約為1.33×106km2,占中國草原面積的30%[1],是我國重要牧區之一,支撐著高原畜牧業的發展。高寒草甸也是世界上海拔最高、面積最大、類型最為獨特的草地生態系統,在涵養水源、保持水土、調節氣候方面發揮著重要的生態作用[2]。但近年來,隨著氣候變化、過度放牧、人口增長和鼠類破壞[3]等因素使高寒草甸嚴重退化甚至沙化、土壤肥力下降[4]、草畜矛盾明顯[5],從而嚴重限制青藏高原畜牧業的發展。有研究表明,施肥是補充土壤養分、增加可食牧草產量、緩解草地退化的重要方法[6]。在對退化天然草地改良的各單項技術中,施肥是效果最好的改良措施[7]。

土壤動物作為消費者和分解者,是草地生態系統的重要組成成分,對草地生態系統的物質循環和能量流動起著重要的調控作用[8]。此外,土壤動物對環境變化敏感[9],能夠作為土壤質量評價的指標[10],反映生態系統的健康狀況[11]。已有研究表明,在高寒草甸,施用氮磷肥不僅能改變土壤物理化學性質[12];還能影響土壤微生物多樣性[13]和植物群落結構、地上地下生物量[14- 15]。而已有的研究表明土壤理化性質[16]、土壤微生物群落[17]、植物群落[18]的變化均可影響小型土壤動物群落組成。因此,施肥必然會影響小型土壤節肢動物群落。雖有研究報道了土壤動物群落多樣性與不同施肥處理間的關系[19-21],但未見關于青藏高原高寒草甸生態系統中的施肥種類及梯度對小型土壤節肢動物的影響等方面的報道。相對于其他生態系統,高寒草甸生態系統在氣候類型[22],植物群落[5],尤其是土壤動物群落組成等方面都具有獨特性[1]。因此,青藏高原高寒草甸土壤動物對施肥的響應也可能與其他生態系統不同,因此有必要研究施肥對高寒草甸小型土壤節肢動物的影響。

本文研究青藏高原高寒草甸不同施肥種類和施肥梯度條件下小型土壤節肢動物群落組成及多樣性演變規律,旨在為高寒草甸土壤動物多樣性維持和生態服務功能提升提供科學依據,促進高寒草甸生態系統的科學管理和畜牧業可持續發展。

1 研究區概況

研究區位于四川省紅原縣西南民族大學生態保護與畜牧業高科技研發基地(32°49.823′ N,102°35.237′ E),海拔3494 m。該區屬于大陸性高原寒溫帶半濕潤季風氣候,日溫差大,霜凍期長,四季變化不明顯,年平均氣溫1.1℃,最熱月為7月,平均溫度10.9℃,最冷月為1月,平均溫度-10.3℃;干濕季節分明,年降水量650—800 mm,主要集中在5—9月;日照時間長,太陽輻射強,年日照時間2417.9 h,年平均相對濕度71%。草甸類型是矮嵩草草甸,植被蓋度80%以上。主要類群有禾本科、莎草科、豆科以及雜類草。該區土壤類型是亞高山草甸土,其土層深度達40 cm以上。

2 實驗方法

2.1 施肥方案設置

2012年5月下旬在研究區選擇地勢平坦、植被分布均勻的面積為100 m×100 m的未退化的矮嵩草草甸作為研究樣地,在四周用圍欄進行隔離保護。已有研究表明,在維持高寒草甸牧草營養品質和最佳產量的前提下，N肥的施肥量范圍為30—45 g/m2,P肥的施肥范圍為15—22.5 g/m2[23]。此外,還有研究表明在高寒草甸中N、P的總添加量不應超過60 g/m2[24]。參照已有施肥研究,我們設計了以下施肥方案：單施氮肥(N)、單施磷肥(P)和氮磷肥混施(NP)三種處理;每種處理的施肥量分別控制為10 g/m2(N10、P10、NP10)、20 g/m2(N20、P20、NP20)和30 g/m2(N30、P30、NP30)三種梯度,其中氮磷肥混施在施肥量不變的情況下每個施肥梯度樣方大小3 m×3 m,6次重復。另設置6個不施肥的高寒草甸樣方3 m×3 m作為對照(CK)。共設置了60個3 m×3 m的樣方,每個樣方的四個角用木樁進行固定標記,樣方間距為2 m,并以隨機區組方式排列。施用的N肥為含N量46%的尿素CO(NH2)2,P肥為含P2O5量16%的過磷酸鈣Ca(H2PO4)·H2O。每年5月份植物生長初期的雨后,將肥料均勻施撒樣方中。

2.2 土壤動物采集與鑒定

2017年8月,在每個樣方內按照對角線法則隨機選取3個點,用土鉆按0—5 cm、5—10 cm、10—15 cm層采集土樣,同層3個點的土樣混合后裝入自封袋內,并做相應的標記,以備室內分離。

在實驗室內,用干漏斗法(Tullgren法)分離土壤動物,上層空氣溫度控制在38 ℃左右,分離時間為48 h。根據《中國土壤動物檢索圖鑒》[25]、《昆蟲分類檢索》[26]、《農業螨類學》[27]等參考書籍,在體視顯微鏡(Olympus SZX16)和光學顯微鏡(Olympus BX53)下對收集到的土壤動物進行鑒定。一般鑒定到屬,少數類群鑒定到科,并統計個體數量。

2.3 植物群落和土壤理化性質調查

2017年8月,在每個種植小區內選取1 m×1 m 小樣方進行植物群落的蓋度調查。用收獲法采集地上植物,并用手收取樣方內的枯枝落葉,所有植物樣品在65℃烘箱內烘干至恒重,稱取地上生物量。

在每個3 m×3 m的樣方內采集1份0—15 cm混合土樣,用于分析土壤化學性質。土壤pH值采用電位法測定;土壤有機質采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定;土壤全磷采用硫酸-高氯酸消煮-鉬銻抗比色法;土壤全氮采用硫酸鉀-硫酸銅-硒粉消煮,定氮儀自動分析法[28]。

2.4 數據分析處理

多度劃分：個體數占總數10%以上者為優勢類群,1%—10%為常見類群,1%以下為稀有類群。

群落排序分析：采用主成分分析法(Principal Component Analysis,PCA)對不同施肥種類和施肥梯度間土壤動物群落進行排序。在做PCA之前,先利用log(x+1)對數據進行轉換。

統計分析：利用雙因素方差分析(Two-way ANOVA)檢驗不同施肥種類、施肥梯度及其交互作用對土壤動物的個體密度及多樣性指數影響的差異顯著性。分析前,先對個體密度、類群數、Shannon多樣性指數等指數進行log(x+1)轉換,以降低數據的非正態性。對轉換后仍不符合正態分布的數據改用非參數檢驗。獲得顯著性后,采用LSD法或Duncan法進行多重比較。

土壤動物與環境因子的關系：用降趨對應分析(Detrended Correspondence Analysis, DCA)對樣方及小型土壤節肢動物群落進行排序。由于第1、2排序軸長度均大于4,因此選用典范對應分析(Canonical Correspondence Analysis, CCA)對不同施肥種類、梯度下小型土壤節肢動物群落組成與環境因子的關系進行排序。此外,采用多元回歸分析土壤環境與土壤動物密度、多樣性的關系。

數據分析處理分別采用IBM SPSS 20.0和Canoco for windows 5.0軟件進行完成。

3 結果和分析

3.1 小型土壤節肢動物群落組成

共分離到小型土壤節肢動物2295只,隸屬于3綱21目91科141屬(表1)。在綱層次上對分離到的土壤動物進行分類,蛛形綱(Arachnida)、昆蟲綱(Insecta)、彈尾綱(Collembola)均為優勢類群。其中,蛛形綱(Arachnida)包含5目63科101屬,個體數占總捕獲量的73.51%;昆蟲綱(Insecta)包含13目22科27屬,個體數占捕獲量的14.90%;彈尾綱(Collembola)包含3目6科13屬,個體數占捕獲量的11.59%。在屬水平上,沒有優勢類群,常見類群包括單奧甲螨屬(Phauloppia)、球蚜科(Adelgidae)等27屬,占總捕獲量的74.92%;稀有類群包括原大翼甲螨屬(Protokalumna)、跗螯螨科(Tarsocheylidae)等114屬,占總捕獲量的25.08%。從類群組成和個體數來看,蛛形綱是高寒草甸土壤節肢動物群落的主要組成部分。

表1 小型土壤節肢動物群落組成及數量

不同施肥種類間土壤節肢動物的群落組成存在一定差異。在施N肥的樣地中,共分離到土壤節肢動物278個,隸屬于3綱10目51科68屬,優勢類群為球角跳屬(Hypogastrura),占該樣地捕獲量的14.39%。在施P肥的樣地中,共分離到土壤動物340個,隸屬于3綱10目51科71屬,優勢類群為球蚜科(Adelgidae),占該樣地捕獲量的25.59%。在NP混施的樣地中,共分離到土壤動物1611個,隸屬于3綱19目73科111屬,優勢類群為單奧甲螨屬(Phauloppia),占該樣地捕獲量的11.73%。而在對照樣地中,共分離到土壤動物66個,隸屬于3綱7目18科23屬,優勢類群為跗螯螨科(Tarsocheylidae)、胭螨屬 (Rhodacarus)、單奧甲螨屬(Phauloppia),分別占該樣地捕獲量的16.67%、16.67%、10.61%。由此可知,施肥能夠顯著增加小型土壤節肢動物群落的類群數和個體數,且NP混施時對小型土壤節肢動物群落的類群數和個體數組成的影響更明顯,施同種肥料時,20 g/m2的樣地土壤動物群落組成最復雜。

3.2 小型土壤節肢動物群落結構差異

同一施肥種類的不同施肥梯度間小型土壤節肢動物群落結構均有明顯差異(圖1)。N肥的不同施肥梯度間,在PC1軸上影響小型土壤節肢動物群落結構的主要類群是胭螨屬(Rhodacarus),在PC2軸上主要是球角蟲兆屬(Hypogastrura);P肥的不同施肥梯度間,在PC1軸上影響群落結構的主要類群是球蚜科(Adelgidae),在PC2軸上主要影響類群是蓋頭甲螨屬(Tectocepheus);NP混施的不同施肥梯度間, 在PC1和PC2軸上影響群落結構的主要類群分別是頂甲螨屬(Tegoribates)和上羅甲螨屬(Epilohmannia)。

圖1 同一施肥種類不同施肥梯度間小型土壤節肢動物群落排序Fig.1 Principal component analysis on the soil microarthropod communities among different gradients of the same fertilizer

同一施肥梯度不同施肥種類間小型土壤節肢動物的群落結構也存在差異,隨著施肥梯度的增加,影響小型土壤節肢動物群落結構的主要類群也不同(圖2)。施10 g/m2時,在PC1軸和PC2軸上影響小型土壤節肢動物群落結構的主要類群均為球蚜科(Adelgidae);施20 g/m2時,在PC1軸上影響小型土壤節肢動物群落結構的主要類群是廣縫甲螨屬(Cosmochthonius),在PC2軸上主要是庭甲螨屬(Dometorina);施30 g/m2時,在PC1軸上影響群落結構的主要類群是單奧甲螨屬(Phauloppia),在PC2軸上主要影響類群是廣縫甲螨屬(Cosmochthonius)。此外,隨著施肥梯度的增加,CK、施N肥和施P肥的土壤節肢動物群落結構差異越來越小,但三者和 NP混施肥的差異越來越大(圖2)。

圖2 同一施肥梯度不同施肥種類間小型土壤節肢動物群落排序Fig.2 Principal component analysis on the soil microarthropod communities among different fertilizers on the same gradientN: 施氮肥;P: 施磷肥;NP: 氮磷混施;10、20、30代表施服量為10g/m2、20g/m2、30g/m2

3.3 小型土壤節肢動物群落密度及多樣性差異

N、P、NP三種施肥種類小型土壤節肢動物的個體密度、類群數、多樣性指數呈顯著增加趨勢,而均勻度指數無明顯變化(圖3)。施肥梯度上,當施肥量為20 g/m2,在施P和NP樣地小型土壤節肢動物的個體密度、類群數、多樣性指數達到最大值。雙因素方差分析結果表明(表2),施肥種類、梯度以及其交互作用對小型土壤節肢動物群落的個體密度、類群數、多樣性指數均有顯著影響(P<0.05),對均勻度指數無顯著影響。

表2 不同施肥種類間小型土壤節肢動物群落密度及差異性分析

圖3 不同施肥種類小型土壤節肢動物群落密度及多樣性(平均值±標準誤)Fig.3 The individual density and diversity indices of soil microarthropod communities among different treatments (Mean±SE)不同大寫字母表示不同施肥種類中差異顯著(P<0.05),不同小寫字母表示同一施肥種類不同施肥梯度差異顯著(P<0.05)

在施N肥中,小型土壤節肢動物群落僅有均勻度指數在施肥梯度間存在顯著差異(P<0.05)。施P肥中,僅有類群數在施肥梯度間存在顯著差異(P<0.05)。NP混施肥中,小型土壤節肢動物群落的個體密度、類群數、多樣性指數隨著施肥梯度的增加呈先上升后下降的趨勢,在NP20達到最大值,且NP20和NP30的個體密度、類群數、多樣性指數顯著高于CK、NP10(P<0.05)。以上結果表明,小型土壤節肢動物群落的多樣性在各施肥種類、梯度間均有差異,且受施肥種類和施肥梯度交互作用的影響。

3.4 環境因子與小型土壤節肢動物群落的關系

典范對應分析(CCA)對單施N、P和NP混施同一施肥種類不同施肥梯度中小型土壤節肢動物群落排序(圖4)表明：第1、2排序軸對小型土壤節肢動物和土壤環境因子關系的解釋率分別為7.30%和7.03%、8.26%和6.52%、6.98%和5.61%;

單施N肥中,第一排序軸解釋的信息量不顯著,但所有排序軸解釋的信息量具有顯著性(F=1.3,P=0.002); 第1排序軸與有機質含量(SOM)呈顯著負相關(P<0.05);第2排序軸與地上生物量(AB)呈顯著負相關(P<0.05)(圖4)。單施P肥中,第1排序軸(F=0.3,P=0.01)和所有排序軸(F=1.3,P=0.002)解釋的信息量均具有顯著性(F=1.3,P=0.002)。其中,第1排序軸與有機質含量(SOM)呈顯著負相關(P<0.05),第2排序軸的主要影響因子為土壤pH和群落蓋度(Co)(圖4)。NP混施中,第一排序軸和所有排序軸解釋的信息量均不顯著;第1排序軸的主要影響因子為土壤pH和群落蓋度(Co);第2排序軸的主要影響因子為有機質含量(SOM)(圖4)。由此可知有機質含量(SOM)是影響小型土壤節肢動物群落組成的主要環境因子。

圖4 小型土壤節肢動物群落與環境因子的典范對應分析Fig.4 Canonical correspondence analysis on the relationship between soil microarthropods and environmental factorsTN: 全氮 Total nitrogen; TP: 全磷 Total phosphorus; SOM：有機質 Soil organic matter; AB：地上生物量 Aboveground biomass;CO: 群落蓋度 Coverage

小型土壤節肢動物群落各參數與環境因子的回歸分析(表3)結果表明,類群數與pH呈顯著負相關(P<0.05),個體密度與全氮含量呈顯著正相關(P<0.05),而全磷含量與個體密度、類群數、Shannon多樣性指數均呈顯著正相關(P<0.05)。

表3 小型土壤節肢動物與環境因子間的回歸分析

4 討論

4.1 施肥對小型土壤節肢動物群落結構的影響

高寒草甸小型土壤節肢動物群落組成在施肥后發生明顯變化,表明施肥對高寒草甸小型土壤節肢動物群落有明顯影響。首先,3種不同施肥種類均使小型土壤節肢動物的類群數增加。其原因可能是與對照相比,施肥改善土壤深層結構,降低土壤致密性,刺激了植物根系生長,增加了微生物的數量[29],有利于根食性和菌食性等各類小型土壤節肢動物生長和繁殖。而其他研究也表明,食物資源的多寡和環境條件改變是影響小型土壤節肢動物群落結構的主要原因[30]。其次，在單施N、P、NP混施中,特有類群大部分屬于螨類。有研究表明施肥可以提高土壤有機質的含量[31],改善土壤孔隙度和通氣狀況并降低土壤容重[10],這些變化更有利于多種土壤螨類的生存和繁殖[32]。而在NP混施中,特有土壤昆蟲類群數僅次于特有土壤螨類群數,可能是因為與對照、單施N和P肥相比,NP混施顯著增加了土壤自然含水量和貯水量[33]。而土壤水分是氧的載體,可以導致某些需要土壤高濕度的土壤昆蟲,如鞘翅目、雙翅目幼蟲等種類增加[34];此外,氮磷混施能緩解青藏高原高寒草甸植物生長的營養限制, 促進植物生長[35],從而給小型土壤節肢動物提供更加充足的食物資源和棲息環境。

4.2 施肥對小型土壤節肢動物群落多樣性的影響

三種施肥種類中,NP混施處理小型土壤節肢動物群落的個體密度、多樣性指數顯著高于N、P單施,主要是由于NP混施中的單奧甲螨屬和廣縫甲螨屬的個體密度顯著增加。而單奧甲螨屬和廣縫甲螨屬主要為腐食性[36],由此可知NP混施有利于腐食性的螨類。有研究表明,氮磷混施能更好的補充植物群落所需的營養物質,顯著提高植物莖稈中粗蛋白、粗脂肪和粗灰分等營養物質含量[37]。此外,合理的化肥混施能顯著提高活性有機C和土壤酶活性[38],有利于促進土壤微生物生長和繁殖[14],也能促進土壤腐殖質的積累和提高活性腐殖質組分含量[39],從而有利于腐食性小型土壤節肢動物。

本研究表明,當P和NP施肥量為20 g/m2時,小型土壤節肢動物群落的類群數、多樣性指數均最高。其原因可能是高寒草甸的土壤有機碳、微生物碳含量及代謝活性在施肥量為20 g/m2時最高[40],改善了土壤水分、降低土壤容重、增加土壤透氣性等小型土壤節肢動物生存的微環境,可以促進小型土壤節肢動物的活動、增加小型土壤節肢動物群落多樣性[41]。且當施肥量為20 g/m2時,三種施肥樣地的土壤pH值均最低,這可能是在當施肥量為20 g/m2時,顯著增加了微生物的數量,提高了微生物的活性,促進腐殖質和腐殖酸的形成,降低土壤pH。而本文發現土壤pH與小型土壤節肢動物群落類群數呈負相關(表3),在高寒草甸的其他研究中也有類似的發現[42]。因此,土壤維持適當的酸性有利于提高土壤動物多樣性。

此外,本研究還發現全磷含量與小型土壤節肢動物群落的個體密度、類群數、Shannon多樣性指數呈正相關,表明土壤磷含量是影響土壤節肢動物群落的重要因子。這與其他研究結果具有一致性[30]。在一定范圍內,提高土壤磷含量能提高地上植物初級生產力[43],而植物是土壤節肢動物的直接和間接食物來源[44]。因此,適當增加土壤磷含量能提高小型土壤節肢動物群落密度和多樣性。此外,其他研究還發現小型土壤節肢動物群落的個體密度與群落蓋度、地上生物量、有機質含量呈顯著正相關[45- 46]。本研究中植物群落蓋度、地上生物量、有機質含量與小型土壤節肢動物的個體密度無顯著相關關系,但其變化趨勢總體上與小型土壤節肢動物群落多樣性趨于一致。

本文表明,施加N、P尤其NP混施肥,能明顯改變小型土壤節肢動物群落組成結構,增加其群落密度及多樣性;且當施肥量為20 g/m2時,NP混施中,小型土壤節肢動物群落的密度和的多樣性指數均達到最大值。因此建議,按照20 g/m2的量對高寒草甸進行NP混施,以提高小型土壤節肢動物群落多樣性及其生態功能。本研究僅初步探索施肥對高寒草甸小型土壤節肢動物群落影響,但對于施肥,尤其是NP混施導致小型土壤節肢動物群落的類群數增加的具體機制還不清楚,今后有必要從植物、土壤等多方面深入研究施肥對高寒草甸小型土壤節肢動物群落多樣性的影響機制。

5 結論

高寒草甸中施加氮、磷肥以及氮磷混施能明顯改變小型土壤節肢動物的群落組成結構,顯著增加小型土壤節肢動物的群落密度和多樣性。當施肥量為20 g/m2時,單施磷肥和氮磷混施均使小型土壤節肢動物的群落密度和多樣性達到最大值。磷含量是影響小型土節肢動物群落密度和多樣性的主要因子。因此,建議對高寒草甸進行適量的氮磷混施,以提高小型土壤節肢動物群落密度和多樣性,增強高寒草甸生態系統地下物質循環功能。