無齒螳臂相手蟹對互花米草群落土壤因子的影響分析

肖孟陽，羅康寧，廖安邦，劉茂松

(南京大學 生命科學學院，江蘇 南京 210023)

濱海灘涂濕地是分布最廣的生態系統類型之一，具有生物棲息地、營養物質過濾器、固碳等多種重要的生態系統服務功能[1]。蟹類作為灘涂濕地常見的大型底棲動物，其植食、掘穴等行為可影響微地貌、改變土壤物理化學性質，影響生態系統的物質循環和能量流動。相關研究發現，蟹類的掘穴行為能增加表層土壤的含水率[2]，降低土壤容重[3]；蟹洞也可以滯留有機碎屑，減少有機質輸出量，顯著增加沉積物中的TOC、TN含量[4-5]。有研究認為，蟹類的生物擾動作用提高了沉積物中活性有機碳的比例[6]，掘穴活動也能增加沉積物表面的有機質的含量[7]。而在不同季節，蟹類活動的生態效應存在一定差異。陳淑云等[8]研究指出，蟹類擾動區沉積物土壤總氮含量受季節變化影響差異顯著，在中潮灘區域，蟹類擾動區沉積物土壤總氮含量在秋季顯著高于冬夏兩季。

沉積物或底泥土壤理化性質的改變，將直接影響生態系統的物質循環和能量流動過程，影響植物的生長狀況，甚至群落的演替趨勢[9]?；诘讞珓游锘顒优c土壤因子相互作用，通過增加或減少底棲動物的擾動作用，可在一定程度改變土壤條件，調節濕地生態系統的生態功能。本研究在江蘇大豐麋鹿國家級自然保護區第三核心區的灘涂濕地，選取互花米草(Spartinaalterniflora)群落開展野外受控實驗，通過控制本地底棲動物優勢種無齒螳臂相手蟹(Chiromantesdehaani)種群密度的相對大小，研究不同擾動強度對土壤性質及植物生長造成的影響及季節差異，以期為通過底棲動物調控濕地生態過程提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料

研究地位于江蘇省鹽城市江蘇大豐糜鹿國家級自然保護區的第三核心區(33°05′N，120°49′E)，氣候屬北亞熱帶向暖溫帶的過渡帶。年均氣溫14.5 ℃，相對濕度80%左右，年均降水量751 mm，全年無霜期299 d，研究地土壤為粉砂質土壤[10]。植物群落主要有互花米草群落、白茅群落、蘆葦群落等。研究地互花米草群落大型底棲動物優勢種為無齒螳臂相手蟹、中型仿相手蟹等。

1.2 方法

本研究于2018年5月初在大豐糜鹿國家級自然保護區第三核心區內選擇自然狀態下典型的互花米草群落樣地設計圍隔實驗，以樣地內原有的底棲動物優勢物種無齒螳臂相手蟹(以下均簡稱相手蟹)作為實驗動物。用1.5 m長的PVC管及網眼邊長1 cm的漁網構建面積為1.5 m×2 m大小的圍隔，圍隔高1 m，將漁網嵌入土層0.5 m深處，阻止相手蟹掘穴逃出。

設置少蟹組、多蟹組，并以相鄰自然狀態下無圍隔處理區為對照組，每組各設3個重復。從各少蟹組圍隔中各捕捉10只相手蟹，并從周邊捕捉5只相手蟹放置到多蟹組對應圍隔中，用漁網將圍隔頂部蓋住，用細繩將頂部漁網和側面漁網縫合，防止鳥類取食。

分別于2018年5月初(初夏，2018-05-18)、10月初(秋季，2018-10-18)和2019年1月初(冬季，2019-01-19)在每個圍隔內取表層土樣(0～20 cm)，用環刀法采集土樣用以測定土壤BD，土樣帶回實驗室測定土壤DS、TN、TP、TOC等，冬季收割植物地上部分測量生物量(BIO)，并計數每個實驗樣方內孔穴數量(CAV)。

土壤鹽度使用雷磁DDS-307電導率儀測定；總有機碳采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法進行測定；總氮采用半微量凱氏法(HJ 717—2014)進行測定；總磷采用氫氧化鈉熔融—鉬銻抗比色法(HJ 632—2011)進行測定。

1.3 數據處理與分析

運用單因素方差分析(one-way ANOVA)對3個季節和3種處理方式下表層土壤因子和蟹穴數量的差異性進行分析，如有顯著差異，選用Tukey HSD法進行多重比較，通過計算數據間的Pearson相關系數檢驗不同季節和處理方式下土壤因子之間的相關性，所有統計分析在SPSS 26.0中完成，用Origin 2017繪制柱狀圖。

主成分分析(PCA)在Canoco 5.0中完成，顯著性水平設定為α=0.05。

2 結果與分析

2.1 不同處理組間主要土壤因子的季節變化

比較互花米草群落內土壤主要指標在不同處理組間的相對大小及變化趨勢(圖1～2)，發現實驗初期，僅多蟹區土壤TP顯著高于少蟹區，其他指標均在3組間無顯著性差異；而在實驗末期，組間差異達顯著水平的有TOC、TN、TP。末期蟹穴數量組間差異也達顯著水平，依次為多蟹組>少蟹組>對照組(圖1)，且蟹穴數量越大，群落地上生物量也越高。

柱間無相同大寫字母表示組間地上生物量差異顯著(P<0.05)；無相同小寫字母表示組間洞穴密度差異顯著(P<0.05)。

比較發現，土壤BD在不同處理組間變化趨勢相對一致，且同期組間差異也不顯著，表明不同處理對土壤容重的影響相對較??；土壤DS在不同處理組間均呈先上升后下降的變化趨勢，組間差異在實驗初期和末期均不顯著，但秋季多蟹組顯著低于少蟹組和對照組。

土壤TOC、TN、TP等變化趨勢及相對大小在不同處理組間均存在較大差異。其中，土壤TOC秋季最高，初夏組間差異不顯著，秋季多蟹組高于少蟹組和對照組，冬季少蟹組高于多蟹組和對照組，多蟹組季節間變化幅度最大；土壤TN初夏組間差異不顯著，秋季對照組顯著高于多蟹和少蟹組，冬季少蟹組顯著高于多蟹和對照組，在季節之間有較大差異，組間差異及不同季節組間相對差異與TOC相似，但少蟹組季節間相對增幅最大；土壤TP秋季相對較低，季節間均呈現先下降后上升的趨勢，多蟹組季節間變化幅度更大，初夏多蟹組顯著高于少蟹和對照組，秋季組間差異不顯著，冬季多蟹組顯著低于少蟹和對照組。

2.2 主要土壤因子間相關關系的比較分析

土壤理化因子間往往存在一定的相互作用及關聯特征。分別計算幾個土壤因子在同季節、不同組別間主要指標的相關關系。比較不同處理組組內相關性達顯著水平的土壤因子，發現在多蟹組，初夏土壤TP與TN、TP與DS呈極顯著負相關，TN與DS呈極顯著正相關，秋季DS與TN呈極顯著負相關；少蟹組，僅初夏TP與TOC呈顯著負相關；對照組，初夏TP與TN呈極顯著正相關，秋季DS與TN呈極顯著負相關，冬季TOC與TP呈極顯著負相關(表1)。

柱間無相同大寫字母表示同一季節不同處理方式間的差異顯著(P<0.05)；無相同小寫字母表示同一處理方式不同季節間的差異顯著(P<0.05)。BD—土壤容重；DS—土壤鹽度；TOC—土壤總有機碳；TN—土壤總氮；TP—土壤總磷。圖3同。

表1 土壤因子間相關關系

進一步比較發現，從初夏到冬季，土壤DS與BD在少蟹組一直呈負相關關系，但在多蟹組和對照組隨季節而變化；DS與TOC，在初夏3種處理均為正相關關系，多蟹組從初夏到冬季一直為正相關，而少蟹組、對照組則從正相關變為負相關；DS與TP在對照組一直呈較強的正相關關系，在多蟹組和少蟹組的相關性則均較弱；DS與TN在多蟹組從極顯著正相關變為極顯著負相關，再到不顯著正相關，少蟹組和對照組，僅秋季對照組達到極顯著負相關，其余未達顯著水平；TN和TP在多蟹組一直呈負相關，少蟹組和對照組的相關性隨季節而變化；TOC與TN隨季節變化，但均未達到顯著性水平，且組間變化趨勢不一致；TOC與TP在多蟹組和少蟹組的相關性隨季節變化依次為負相關、正相關、正相關，對照組的相關性變化為正相關、負相關、負相關，初夏少蟹組和冬季對照組達到顯著的負相關水平。

總體上，研究地土壤TN與TP多呈負相關，DS與TOC呈正相關，DS與TN相關性相對較強，TOC與TN、TP相關性相對較弱；存在顯著相關關系的土壤因子組合，在不同季節、不同處理組間均存在較大差異，在冬季顯著少于夏季、秋季，少蟹組總體上少于多蟹組與對照組。顯示較強的蟹類活動(多蟹組)，土壤因子間的相關關系總體上較強。

2.3 不同處理組間土壤因子的變化趨勢分析

為分析群落土壤特征因不同處理方式而發生的變化趨勢，分別在不同季節，對多蟹組、少蟹組、對照組采集的土樣基于主要土壤因子特征進行主成分分析(PCA)。結果表明，在實驗初期(初夏)，不同處理組各土樣間的差異相對較小，其中多蟹組與對照組、多蟹組與少蟹組、少蟹組與對照組，均存在不同組別樣本因土壤因子相近而劃入同一個類型中的情況(圖示圈內)，即不同處理組間基于土壤因子排序存在一定的樣本交叉(圖3)。至秋季，土壤因子發生顯著變化，其中多蟹組和少蟹組存在樣本交叉，而與對照組有較大差異，分屬不同的群體，組間土壤因子交叉重合相對較小。冬季，基于土壤因子的排序，3種不同處理組顯著分開，土壤特征出現明顯的分異現象。

a—初夏；b—秋季；c—冬季；○—多蟹組；—少蟹組；◇—對照組。

進一步分析發現，在不同季節由于土壤因子的變化，不同采樣點之間土壤因子差異性主要因季節差異性而不同。實驗初期，不同采樣點之間的差異主要體現在TOC、TN、TP等因子；在秋季，不同采樣點之間的差異主要體現在TOC、BD、TN、DS等因子；在冬季，不同采樣點的主要差異體現在DS、BD、TN、TOC等因子?？傮w上，多蟹組的TOC、TN較少，少蟹區的TOC、TN較多，蟹類活動有利于降低土壤TOC、TN的累積。對照組和處理組相比，對應高含量的DS、TP。

3 討論

3.1 蟹類活動對植被和土壤因子的影響

無齒螳臂相手蟹密度與洞穴密度呈顯著正相關[11]，洞穴數量可作為蟹類活動強度的相對指標。本研究在冬季采樣結束后計數洞穴數量，結果顯示，多蟹組洞穴密度顯著高于少蟹組。實驗中對照組密度最低，推測可能由于在沒有圍隔限制活動范圍的對照組，相手蟹可選擇更合適區域掘穴，而圍隔區相手蟹掘穴只能在圍隔內掘穴。

有研究[3]認為，蟹類活動可降低土壤容重，而對土壤鹽度影響較小[8]。對于土壤TOC、TN，一般鹽沼植被生物量可直接以枯落物或分泌物形式進入沉積物，或在沉積過程中被埋入沉積物[12]，蟹類通過進食與排泄、蟹穴沉積等活動可促進碳、氮元素在土壤中的累積[13]，還可加速凋落物分解并促進氮素等養分物質的釋放[14]，而蟹類通過刮食有機碎屑也可顯著降低有機物質含量[15]。此外，蟹穴形成過程可促進有機質礦化[16]，減少TOC含量[4]，潮汐過程則可造成溶解性無機氮含量的大量流失[17]。關于土壤TP，有研究認為，蟹類活動有利于可溶性總磷從沉積物向表層間隙水和上覆水的釋放，并由此造成表層沉積物中TP含量的降低[18]，而李翔等[19]研究發現，互花米草生境沉積物總磷含量在季節間不存在顯著差異，蟹洞存在與否影響也較小。

本研究中，不同處理對土壤水分、容重的影響相對較小，對土壤鹽分在秋季影響顯著，夏、冬兩季影響較小。土壤TOC在初夏組間差異不顯著，秋季多蟹組高于少蟹組和對照組，冬季少蟹組高于多蟹組和對照組，多蟹組季節間變化幅度最大。土壤TN在實驗初期組間差異不顯著，秋季對照組顯著高于多蟹和少蟹組，但冬季少蟹組顯著高于多蟹和對照組，其相對含量隨季節變化有較大差異，不同組別間相對大小及其隨季節的變化趨勢與TOC相似，但TOC在多蟹組季節間變化幅度最大，而TN在少蟹組季節間相對變幅最大。初夏多蟹組土壤TP顯著高于少蟹和對照組，秋季組間差異不顯著，冬季多蟹組顯著低于少蟹和對照組，季節間均呈現先下降后上升的趨勢，多蟹組季節間變化幅度更大。

研究結果顯示，不同處理組間C、N、P變化趨勢存在一定差異，表明底棲動物擾動可在一定程度上影響灘涂濕地TOC、TN、TP相對含量及變化趨勢；同時也發現，群落中土壤N、C代謝過程密切相關，但其受底棲生物活動的影響也存在一定差異。與相關研究比較，底棲動物活動對土壤DS、BD等影響也相對較小，對土壤C、N、P含量的相對大小及變化趨勢等有較大影響，但因時、因地、因動物擾動強度、因因子等而不盡相同，應根據研究地生境特征、動物擾動特征等而具體分析。

3.2 蟹類活動對土壤因子相關性的影響

土壤中不同理化因子間往往存在一定的相關性，苗萍等[20]研究發現，膠州灣互花米草濕地土壤TP、TN與土壤TOC含量呈顯著正相關，TP、DS與TN呈顯著的正相關，TOC、TN與pH呈顯著負相關，其余指標間相關性較弱；金寶石等[21]研究發現，閩江河口濕地冬季互花米草群落土壤TOC與DS呈顯著正相關；王維奇等[22]研究也發現，在閩江口濕地蘆葦沼澤土壤TOC含量隨著DS升高而增加；而仲崇慶等[23]研究表明，鹽城濱海濕地的互花米草群落在生長季和非生長季土壤TN與TP存在較弱的負相關關系；夏雯雯[24]研究也發現，鹽城濱海濕地的互花米草群落夏季土壤表層TN和TP呈顯著負相關，土壤TOC、TN與DS呈顯著負相關，鹽度增加有利于土壤有機碳分解[25]?？傮w上，在不同的研究地、不同濕地生態系統中，主要土壤因子間的相關關系及顯著水平存在較大差異。

本研究發現，不同處理組因子之間的相關性存在較大差異并且隨著季節有不同的變化，其中多蟹組土壤TN和TP從初夏到冬季一直呈負相關，少蟹組和對照組的相關性隨不同季節而變化；DS與TOC在初夏3種處理均為正相關，多蟹組從初夏到冬季一直為正相關，而少蟹組、對照組則從正相關變為負相關；DS與TN在多蟹組從極顯著正相關變為極顯著負相關，再到不顯著正相關，少蟹組和對照組僅秋季對照組達到極顯著負相關。同一研究地蟹類數量不同對土壤因子相關性存在季節差異。

蟹類活動一定程度上影響了土壤因子之間的相關性，不同季節也有不同的表現，跟相關研究相比，總體上表明，適當控制底棲生物數量，不僅可改變土壤因子的相對大小及變化趨勢，對因子之間的相關性也有一定影響。本研究PCA分析結果顯示，隨著處理時間的延長，不同處理組間土壤因子的差異也越來越大，表明底棲動物活動強度不同，也可促進土壤特征的分異。

4 小結

通過對多蟹組、少蟹組和對照組間主要土壤因子相對大小、變化趨勢以及顯著相關因子差異性的比較分析，發現：

土壤鹽度和總有機碳從初夏到冬季都先上升后降低，對照區土壤DS和多蟹區土壤TOC在不同季節間變化幅度最大，土壤BD不同處理組間季節變化趨勢一致，同一季節組間差異不顯著，不同處理對土壤BD的影響較小。土壤TN從初夏到冬季總體上持續上升，土壤TP則先下降后上升；多蟹組土壤TN增幅最小，少蟹組增幅最大，而多蟹組土壤TP含量降低，少蟹組含量升高。控制蟹類數量，對土壤BD和DS影響較小，對TN、TOC、TP的影響相對較高。

存在顯著相關關系的土壤因子在不同季節、不同處理組間均存在較大差異，冬季顯著少于夏季、秋季，少蟹組總體上少于多蟹組與對照組。蟹類數量相對大小對土壤因子之間的相關性存在季節差異。其中，初夏多蟹組土壤DS與TOC均呈正相關，秋季少蟹組DS與TOC呈負相關，冬季對照組DS與TP呈正相關。蟹穴數量與植物地上生物量呈正相關，適當提高土壤的生物擾動強度能促進互花米草群落植物地上生物量。

通過PCA分析發現，不同季節各處理組采樣點間土壤因子的差異性因處理時間而變化，實驗初期不同處理組間各土壤因子的差異性較小，隨著處理時間的延長，土壤理化性質的組間差異越來越大，多蟹組對應較高的土壤BD，較低的TOC、TN，少蟹組對應較高的土壤TOC、TN，較低的BD，對照組對應較高的DS、TP，存在組間土壤特征分異現象。