不同抗蟲性苜蓿根圍土壤線蟲群落研究

陳 楊， 海 棠， 李志美

(內蒙古農業大學草原與資源環境學院， 內蒙古 呼和浩特 010018)

建立苜蓿人工草地時，種植抗性(抗病蟲、抗寒、抗旱)強的品種是必然的選擇[1]。土壤線蟲作為土壤動物中極為活躍的一類動物，對土壤生態系統中有機質分解、養分循環等方面發揮著關鍵的作用。土壤線蟲可通過取食、代謝等活動改善土壤質量，直接或間接影響土壤環境，同時對土壤質量起到良好的指示作用[2-4]。

不同植物根際土壤線蟲群落具有一定的特異性，且有助于我們了解生態系統地上和地下部生物群落的交互作用[5]。地上與地下部的交互作用對于調控陸地生態過程具有重要作用[6]。土壤線蟲營養級之間的相互作用能改變植物體內化學組成、影響植物生長及其抗蟲性[7]。線蟲在反映地上部植食者對土壤生物群落及生態功能影響方面具有獨特的優勢。地上部植食者會引起地下部有機碳含量的變化，可通過分析土壤線蟲群落來了解這些變化[8]。

紫花苜蓿(MedicagosativaL.)是畜牧業生產中不可或缺的優質飼料，它在建立人工草地及植被恢復過程中可固氮，也會影響土壤有機碳、全氮和速效磷含量及土壤微生物群落結構，從而進一步影響土壤線蟲群落結構[9-11]。劉滿強等[6]發現褐飛虱取食不同抗性水稻品種后強烈影響土壤線蟲數量、群落組成和營養結構。但種植不同苜蓿品種尤其是抗蟲性不同的品種對土壤線蟲群落是否有影響尚不清楚。薊馬是當前影響苜蓿產量的主要害蟲，嚴重時能使苜蓿產量降低20%～30%。‘草原2號’雜花苜蓿(以下簡稱‘草原2號’)耐干旱、抗寒性極強，屬于感蟲品種，薊馬危害點系數及蟲情指數分別為0.610和0.901；‘草原4號’紫花苜蓿(以下簡稱‘草原4號’)是抗薊馬新品種，耐旱、抗寒、耐瘠薄，薊馬危害點系數及蟲情指數分別為0.226和0.334，表現極強的抗蟲性[12]。

本試驗研究抗蟲、感蟲苜蓿品種根圍土壤線蟲群落數量、種類、營養類群的變化規律及對地下土壤線蟲群落間接的影響，旨在為了解地上、地下生態系統的相互作用及生態過程提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于呼和浩特內蒙古農業大學牧草試驗站(111°43′E，40°48′N，海拔1 040 m)。2018年開墾整地播種，供試品種為‘草原2號’和‘草原4號’均來源于內蒙古農業大學牧草實驗站(表1)。按照常規管理方式進行管理，期間施用兩次有機肥，有灌溉條件。該區屬于溫帶大陸季風氣候，年平均氣溫6.4℃，土壤類型為砂質栗鈣土，土壤相對一致。小區面積80 m2(5 m×16 m)。播種量為0.5 kg·km-2，行間距為60 cm。

表1 供試苜蓿品種特性及根圍土壤全碳、全氮含量

1.2 研究方法

1.2.1土壤樣品的采集 于2020年7月在生長2年的‘草原2號’和‘草原4號’植株根圍采取土樣。采用五點法取樣，用土鉆將土分為兩層(0～10 cm和10～20 cm)，每個處理3次重復。同一土層的土壤混勻裝至密封袋，用于分離土壤線蟲。

1.2.2線蟲的分離鑒定 采用淺盤法分離線蟲[13]。利用Olympus BX41顯微鏡，根據土壤線蟲的外形、內在結構和形態在顯微鏡下進行計數鑒定[14-16]，根據尹文英《中國土壤動物檢索圖鑒》，把線蟲分為不同營養類：食細菌線蟲、食真菌線蟲、植食性線蟲、雜食捕食類線蟲。根據Bongers等[17]方法將線蟲分為5個不同c-p(colonizer-persister)類群，根據生活史劃分為從c-p值為1的極端r-對策者到c-p值為5的k-對策者。另取20 g土壤，采用烘干法測定土壤含水量[18]。根據土壤含水量，換算成每100 g干土線蟲的數量。

1.2.3數據處理與分析 (1)土壤線蟲數量優勢度的劃分：個體數量占總鑒別量的10%以上、1%～10%及1%以下者分別表示為優勢類群(+++)、常見類群(++)、稀有類群(+)[19]。

(2)Shannon多樣性指數(H′)：

H′=-∑PilnPi[20]

式中，Pi為第i個(屬)分類單元中的線蟲個體占捕獲全部線蟲的比例。

(3)自由生活類線蟲成熟度指數(Maturity index，MI)[17]：

MI=∑c(i)×pi

式中，c(i)為非植物寄生性土壤線蟲第i(屬)類群colonizer-persister值。

(4)線蟲通路指數[21](Nematode channel ratio，NCR)：

NCR=NBa/(NBa+NFu)

式中，NBa和NFu分別為食細菌線蟲和食真菌線蟲占線蟲總數的相對多度。

(5)富集指數(Enrichment index，EI)：

EI=100×[e/(e+b)][22]

(6)結構指數(Structure index，SI)：

SI=100×[s/(s+b)][22]

式中，e代表食物網中的富集成分,主要指Ba1和Fu2兩個類群；b代表食物網中的基礎成分，主要指Ba2和Fu2兩個類群；s代表食物網中的結構成分,包括Ba3—Ba5，Fu3—Fu5，Om3—Om5，Ca2—Ca5類群。計算公式分別為:e=Σkene，b=Σkbnb，s=Σksns其中ke，kb和ks為各類群所對應的加權數(其值在0.8～5.0之間)，ne，nb，ns為各類群所對應的個體數量[22]。

根據土壤線蟲c-p值類群的權重區系分析，Ferris[22]提出基于EI，SI指標，擬合成4個象限的反饋土壤的信息。

圖1 土壤線蟲權重區系分析圖

(7)利用Jaccard相似性系數計算兩種苜蓿根圍線蟲群落間的相似程度，具體計算公式為:

q=c/(a+b-c)[23]

式中，c為群落A和群落B的共有物種數；a為群落A含有的總物種數；b為群落B含有的總物種數。群落相似度的劃分：當q為0～0.25，0.25～0.5，0.5～0.75和0.75～1分別表示兩群落極不相似，中等不相似，中等相似和極度相似。

用Excel 2010與Sigmaplot制作圖表和SAS 9.2軟件進行單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同抗蟲性苜蓿品種根圍土壤線蟲群落組成及優勢度

不同抗蟲性苜蓿品種根圍共分離鑒別出棱咽屬(Prismatolaimus)、麗突屬(Acrobeles)、擬麗突屬(Acrobeloides)、頭葉屬(Cephalobus)、真頭葉屬(Eucephalobus)、鹿角唇屬(Cervidellus)、原桿屬(Protorhabditis)、中桿屬(Mesorhabditis)、小桿屬(Rhabditis)、滑刃屬(Aphelenchoides)、真滑刃屬(Aphelenchus)、墊刃屬(Tylenchus)、偽墊刃屬(Nothotylenchus)、短體長針屬(Longidorella)、矮化屬(Tylenchorhynchus)、孔咽屬(Aporcelaimus)等16屬。‘草原2號’、‘草原4號’苜蓿品種根圍分別分離出15屬線蟲，‘草原4號’抗蟲苜蓿品種根圍沒有分離到矮化屬線蟲，‘草原2號’土壤根圍處沒有分離到原桿屬線蟲。‘草原2號’0～10 cm和10～20 cm土層中分離到的線蟲數量為425條·(100g干土)-1、429條·(100g干土)-1，而‘草原4號’0～10 cm和10～20 cm土層中分離到的線蟲數量為67條·(100g干土)-1和119條·(100g干土)-1。‘草原2號’根圍土壤線蟲數量顯著高于‘草原4號’抗蟲品種(P<0.05)。

‘草原2號’0～10 cm土層中的優勢屬種類為麗突屬、頭葉屬，分別占線蟲總數量的30.72%和7.10%；‘草原2號’10～20 cm土層中的優勢屬種類為麗突屬、頭葉屬，分別占線蟲總數量的31.33%和7.23%；‘草原4號’0～10 cm土層中的優勢屬種類為麗突屬、擬麗突屬，分別占線蟲總數量的22.88%和28.37%；‘草原4號’10～20 cm土層中的優勢屬種類為麗突屬、擬麗突屬、頭葉屬，分別占線蟲總數量的26.24%，21.03%和10.76%。不同抗蟲性品種苜蓿根圍優勢屬的種類(屬)存在差異，‘草原2號’土壤線蟲優勢屬的數量占比高于‘草原4號’(表2)。

表2 兩種苜蓿品種土壤線蟲各屬的數量及優勢度

續表2

2.2 不同抗蟲性苜蓿品種根圍土壤線蟲營養類群及c-p值

‘草原2號’根圍不同土層土壤食細菌線蟲數量顯著高于‘草原4號’(P<0.05)；‘草原2號’0～10 cm土層根圍土壤食真菌線蟲、雜食捕食類線蟲數量顯著高于‘草原4號’0～10 cm土層根圍；其中食細菌線蟲是兩種苜蓿品種根圍土壤線蟲群落的優勢營養類群(圖2)。

圖2 不同抗蟲性苜蓿品種根圍土壤線蟲營養類群數量

‘草原2號’與‘草原4號’根圍土壤線蟲中，c-p1-c-p5線蟲的類群數量大不相同。在兩種苜蓿品種間不同土層c-p2的線蟲類群個體數量顯著高于其他c-p值的線蟲(圖3)。‘草原2號’根圍土壤線蟲的c-p2值類群數量顯著高于‘草原4號’(P<0.05)，‘草原2號’0～10 cm土層中的土壤線蟲c-p5值類群數量顯著高于‘草原4號’(P<0.05)，其余c-p類群線蟲數量無明顯差異。

圖3 不同抗蟲性苜蓿品種根圍土壤線蟲c-p類群數量

2.3 不同抗蟲性苜蓿根圍土壤線蟲生態特征指數

‘草原4號’根圍土壤線蟲群落的富集指數(EI)顯著高于‘草原2號’(P<0.05)，而兩種苜蓿Shannon多樣性指數(H′)、線蟲通路指數(NCR)、成熟度指數(MI)和結構指數(SI)均沒有顯著差異(表3)。

表3 不同抗蟲性苜蓿品種根圍土壤線蟲生態特征指數

2.4 不同抗蟲性苜蓿根圍土壤線蟲相似性指數

利用Jaccard相似系數計算抗蟲性不同苜蓿品種根圍土壤兩種牧草根圍線蟲群落的相似性系數。發現‘草原2號’0～10 cm和10～20 cm土層根圍土壤線蟲群落相似性系數為1，群落相同。而‘草原4號’0～10 cm和10～20 cm土層根圍土壤線蟲群落相似性系數為0.867，極相似。‘草原2號’與‘草原4號’0～10 cm，10～20 cm土壤線蟲群落處相似性指數最低，為0.813，雖然屬于極相似，但也在發生微小的變化(表4)。

表4 不同抗蟲性苜蓿根圍土壤線蟲群落的Jaccard相似性

2.5 不同抗蟲性苜蓿根圍土壤線蟲區系的分布

功能區系的劃分可以明確種植不同抗蟲性苜蓿品種對其根圍土壤線蟲群落區系分布的影響。‘草原4號’根圍處0～10 cm土層的土壤線蟲區位于A象限，表明其土壤養分狀況較好，但受干擾程度較高，食物網也受到一定程度的干擾。‘草原2號’0～10 cm土層，‘草原2號’10～20 cm土層，‘草原4號’10～20 cm土層位于D象限，表明土壤養分狀況較差而且受干擾程度最高，食物網退化(圖4)。

圖4 土壤線蟲權重區系分析圖

3 討論

在試驗中種植不同抗蟲性苜蓿品種會影響其根圍土壤線蟲群落。試驗中共發現16屬土壤線蟲，而‘草原4號’、‘草原2號’根圍分別分離到15屬線蟲，‘草原4號’根圍土壤未分離到屬于植物寄生線蟲的矮化屬線蟲，而‘草原2號’根圍土壤未分離到屬于食細菌線蟲原桿屬。‘草原4號’根圍分離到9屬食細菌線蟲，而‘草原2號’為8屬；‘草原2號’及‘草原4號’根圍分別分離到3屬及2屬植物寄生線蟲。研究者認為土壤線蟲群落的營養結構依賴于不同營養類群所取食的食物資源狀況[22]。對植物寄生線蟲而言，植物根系的生長狀況是影響其分布的主要因素之一[24]。薩如拉等[12]研究表明，‘草原4號’的根部皮層薄壁細胞厚度、內皮層厚度、維管形成層厚度、木質部厚度均比‘草原2號’厚，而木射線具有顯著變寬的趨勢，是否可以抵抗‘草原4號’根圍植物寄生線蟲種類的侵染，需做進一步的根系侵染試驗。

本試驗分離鑒別出線蟲數量67～429條·(100g干土)，與前人研究相比，發現的線蟲屬和線蟲數量較少，這與試驗地開墾年限短、取樣前一天正逢下雨有直接關聯，研究表明降雨是導致土壤線蟲豐富度和數量降低的主要因素[25-28]。劉滿強等[6]研究表明，褐飛虱侵害水稻9 d后，感蟲品種(‘廣四’和‘汕優63’)的土壤線蟲總數、屬數等數量會增加。Fu等[29]發現蝗蟲取食玉米24 h后會使土壤線蟲群落發生變化，Vesterg?rd等[30]發現蚜蟲取食大麥7 d就會影響土壤線蟲群落的發展。在兩種豆科牧草間線蟲數量以及群落組成表現出了一定的差異，且這種差異隨著時間的延長而更加顯著[31]。湯英等[32]研究發現種植易感褐飛虱的水稻品種會影響土壤活性碳氮水平，土壤碳氮資源的分配格局及質量也受到植物品種特性的影響[33]。‘草原4號’土壤線蟲數量低于‘草原2號’根圍土壤線蟲，說明抗蟲性不同的苜蓿根圍土壤碳、氮同化及分配格局存在差異，且會影響土壤線蟲群落的變化。苜蓿品種抗蟲性方面的差異可能也會影響到植物碳、氮分配格局，最終造成土壤線蟲數量的降低，需要做植食者取食強度的試驗進一步明確。

本研究發現種植兩種抗蟲性不同的苜蓿沒有對其土壤線蟲Shannon多樣性指數(H′)、線蟲通路指數(NCR)、成熟度指數(MI)和結構指數(SI)等指數產生影響。線蟲生態指數沒有產生明顯差異，與苜蓿種植年限有很大關系[10]。

從Jaccard群落相似性指數可以看出兩種抗蟲性不同的苜蓿土壤線蟲群落的相似性極大，表明親緣關系愈近的植物在生態學上就愈相似。如Gorman等[34]研究發現，親緣種越接近，土壤節肢動物群落組成越相似。

從線蟲區系分布可看出，SI和EI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[22]。在本試驗中，‘草原4號’抗蟲苜蓿品種的線蟲群落EI指數更高，說明‘草原4號’土壤線蟲群落食物資源優于‘草原2號’，并且能較好地改善土壤環境。

4 結論

不同抗蟲性品種對土壤線蟲群落乃至土壤生態系統結構及功能存在一定程度的影響。本試驗通過研究‘草原2號’感蟲苜蓿和‘草原4號’抗蟲苜蓿根圍土壤線蟲的群落特征，發現其種類(屬)、c-p值及營養類群的土壤線蟲數量存在一定的差異，而從生態指數、Jaccard群落相似性指數來看無顯著差異。從線蟲區系分布可看出，‘草原4號’0～10 cm土層的土壤養分狀況較好。綜合考慮，在種植不同抗蟲性苜蓿及建立苜蓿人工草地時，應先考慮種植抗蟲性較強的‘草原4號’。