喀斯特生态恢复过程中土壤原生动物的指示作用研究

2015-12-08唐政李继光李慧李贵春娄翼来李忠芳

生态环境学报 2015年11期

唐政，李继光，李慧，李贵春，娄翼来，李忠芳

1. 贺州学院化学与生物工程学院，广西贺州 542899；2. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081；3. 牡丹江师范学院生命科学与技术学院，黑龙江牡丹江 157012；4. 河南农业大学资源与环境学院，河南郑州 450002

唐政1,2，李继光3，李慧4*，李贵春2，娄翼来2，李忠芳1

为了揭示土壤原生动物对喀斯特生态恢复的指示作用，进而为深入了解喀斯特生态恢复的过程机制和构建恢复技术体系提供科学依据，本研究以广西古周村典型喀斯特景观为代表，选取不同种植年限（2、4、8、12年）人工林生态恢复样地和石漠化对照样地，研究了表层土壤原生动物对人工林生态恢复的响应特征。在本研究的喀斯特样地，共鉴定到土壤原生动物22种，其中鞭毛虫8种，优势类群包括动基体目、金滴目和眼虫目；肉足虫4种，优势类群有变形目和表壳目；纤毛虫10种，优势类群包括下毛目、前口目、肾形目和侧口目。土壤原生动物总数从石漠化样地的1 g干土425×103个，逐渐增加到12年人工林恢复样地的633×103个，年恢复速率为1 g干土17.7×103个。土壤原生动物的类群数从石漠化样地的17种显著增加到12年人工林恢复样地的22种。人工林恢复样地的土壤原生动物丰富度指数（3.10～3.30）显著高于石漠化样地（2.64），平均高出19%～27%；香农多样性指数（2.59～2.77）和均匀度指数（0.86～0.91）随生态恢复的变化不明显。土壤孔隙度、湿度、总有机碳、可溶性有机碳、全氮、速效氮和微生物碳含量均随恢复年限的延长而逐渐增加或升高，其年增长速率分别为3.84%、6.85%、3.89%、11.5%、4.20%、7.13%、24.8%，并与原生动物总数、类群数和香农指数（除了总有机碳与类群数、速效氮与香农指数）均呈显著正相关关系（P<0.01）。本研究表明，土壤原生动物群落大小和多样性对喀斯特生态恢复的响应敏感，与土壤基本肥力形成协同演变，可以作为喀斯特生态恢复的指示生物。

土壤原生动物；生态恢复；喀斯特；生物指示作用

TANG Zheng, LI Jiguang, LI Hui, LI Guichun, LOU Yilai, LI Zhongfang. Bioindication of Soil Protozoa during Ecological Restoration on Karst [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(11): 1808-1813.

喀斯特地区生态环境极其脆弱，由于人们不合理的过渡开垦，造成水土流失严重，石漠化现象日趋严峻（段文军等，2013），进而严重制约了当地农业、经济和社会的可持续发展。因此，生态环境的恢复成为当前喀斯特地区的首要任务。地上植被与地下土壤系统是构成整个生态系统的重要组成部分，二者在生态恢复过程中相互作用并协同演化（唐政等，2014）。研究土壤肥力等生态特征，对于深入了解整个生态系统的恢复过程和机制有着重要意义，也是生态恢复评价和生态环境治理的重要依据。因此，关于喀斯特生态恢复对土壤性质的影响研究，近年来得到人们广泛的关注（龙健等，2006；邹军等，2010；魏媛等，2010；唐政等，2014）。例如，龙健等（2006）在典型喀斯特石漠化地区的系统研究表明，长期的封山育林等4种生态恢复措施可有效增加土壤孔隙度、水稳性团聚体含量以及保水性能，增加土壤有机碳和养分含量以及阳离子交换量，增加土壤微生物数量、呼吸强度以及酶活性。然而，以往的研究较多地关注土壤的理化及微生物性质，对于土壤原生动物尚缺乏必要的了解。土壤原生动物往往对环境变化和干扰的响应十分敏感，而且在土壤微生态系统中发挥着重要的生态作用，包括土壤有机质分解、养分循环、生态系统维持等（宋雪英等，2004；Marianne，2005；Todorov，2002），通常对土壤肥力和环境质量起到很好的指示作用（高云超等，2000；杨再超等，2009）。

所以，本研究以广西古周村典型喀斯特景观为例，采用空间代替时间的方法，选取不同种植年限（2、4、8、12年）人工林样地和石漠化对照样地为对象，研究了表层土壤原生动物群落随人工林生态恢复的变化特征，旨在揭示土壤原生动物在喀斯特生态恢复过程中的指示作用，为深入了解喀斯特生态恢复的地下过程机制和构建生态恢复技术体系提供理论依据。

1 材料与方法

1.1研究地点概况

研究地点位于广西壮族自治区西北部环江毛南族自治县古周村，属于典型的喀斯特景观。该地区海拔376～816 m，属中亚热带南缘季风气候，年均气温19.9 ℃，年均降雨1389 mm。土壤类型为碳酸岩发育的棕色石灰土。当地由于过度开垦导致的石漠化问题日趋严峻，为了改善生态环境，上世纪 90年代末开始逐步实施退耕还林，主要恢复为自然或人工林地，少量恢复为草地。古周村土地面积186.7 hm2，其中耕地17.3 hm2。

1.2样地设置

在研究区内，选取种植年限分别为2、4、8和12年的人工林生态恢复样地，种植树种为板栗（1600株·hm-2），同时选取附近的石漠化样地作为对照，控制各样地的海拔（380 m左右）、坡度（10°左右）和坡向等条件基本一致，控制样地面积为100 m×100 m。将每个样地视作一个处理，分别记作CK（石漠化对照）、F-2a（2年龄人工林）、F-4a（4年龄人工林）、F-8a（8年龄人工林）、F-12a（12年龄人工林）。

1.3样品采集与分析

2012年4月，在各个样地内，随机选取6个样方（10 m × 10 m）作为重复，在每个样方内剔除地表凋落物后，用土钻按 S型多点混合取样法采集0～10 cm表层土壤样品。采用三级10倍环式稀释法培养计数原生动物（孙炎鑫等，2003；尹文英，1992）。称取土壤10 g，加入90 mL无菌水和5个玻璃珠，充分振荡（150～170 r·min-1，30 min），按照10倍稀释法，依次制备10-2、10-3和10-4土壤悬液。分别吸取1 mL于盐水培养基的玻璃环中，黑暗条件下培养4 d（26～28 ℃），在显微镜下观察鉴定并计数（300×），鉴定到目，原生动物数量以1 g烘干土的原生动物个数来表示。环刀法测定土壤孔隙度；烘干法测定土壤湿度；酸度计测定土壤pH；元素分析仪测定总有机碳（TOC）和全氮（TN）；5∶1水土比浸提，TOC仪测定可溶性有机碳（DOC）（Lou et al.，2011）；流动分析仪测定速效氮（AN：NO3--N和NH4+-N之和）；氯仿熏蒸-浸提法测定土壤微生物生物量碳（MBC）（Xu et al.，2011；Andernson，2003）。

1.4数据处理

各类群数量等级划分，以个体数量占全部捕获量10%以上为优势类群，介于1%～10%之间的为常见类群，1%以下的为稀有类群。群落多样性指数采用丰富度指数（Species Richness Index，SR）、均匀度指数（Evenness Index，J′）和香农-威纳指数（Shannon-Wiener Diversity Index，H′）。SR=(S-1)/ln N；J′=H'/lnS；H′= –Σpi(ln pi)。其中，pi为第i类群的个体数占所有类群个体总数的比例，S为类群的数目，N为所有类群的个体总数。在SPSS 12.0软件下，采用单因素方差分析评价原生动物群落特征指标的处理间差异显著性；采用简单相关分析评价土壤原生动物群落特征和基本肥力因子的相关关系。

表1 原生动物群落组成Table 1 Protozoa community composition 103个

2 结果与分析

2.1土壤原生动物群落组成

在本研究的5个喀斯特生态恢复样地中，共鉴定到土壤原生动物22种，其中鞭毛虫8种，优势类群包括动基体目、金滴目和眼虫目，常见类群包括尾滴目、隐滴目和泥生目，腰鞭目和团虫目为稀有类群；肉足虫4种，优势类群有变形目和表壳目，常见类群有裂芡目和网足目；纤毛虫 10种，优势类群包括下毛目、前口目、肾形目和侧口目，常见类群有蓝口目、管口目、膜口目、盾纤目和缘毛目，合膜目为稀有类群（表1）。土壤原生动物总数在石漠化样地最低，为1 g干土425×103个，之后随人工林生态恢复逐渐增加到12年恢复样地的633×103个（P=0.007），增加幅度为 48.9%，年恢复速率为1 g干土17.8×103个。除了隐滴目、膜口目和盾纤目之外，其余各个类群的数量总体均随生态恢复年限的延长而呈现不同程度的增加。

2.2土壤原生动物群落多样性

土壤原生动物群落多样性结果如图1所示。其中，土壤原生动物的类群数从石漠化样地的 17种显著增加到 12年人工林恢复样地的 22种（P=0.005），随生态恢复年限的延长呈逐渐增加趋势，其中稀有类群的腰鞭目、团虫目和合膜目以及常见类群网足目和缘毛目在石漠化样地未被观测到，而随恢复年限的延长逐渐出现；人工林恢复样地的土壤原生动物丰富度指数（3.10～3.30）显著高于石漠化样地（2.64）（P=0.006），平均高出19%～27%；土壤原生动物的香农多样性指数和均匀度指数分别在2.59～2.77和0.86～0.91范围之间，平均值分别为2.66和0.88，两者在不同处理之间均无显著差异。

图1 喀斯特生态恢复下土壤原生动物群落物种多样性Fig. 1 Soil protozoa diversity following the Karst ecological restoration

2.3土壤基本肥力

图2显示了喀斯特土壤基本肥力随人工林生态恢复年限的变化情况。其中，土壤孔隙度、湿度、总有机碳、可溶性有机碳、全氮、速效氮和微生物碳均随恢复年限的延长而逐渐增加或升高，均与年限呈显著的线性正相关关系（r：0.943～0.995，n=5），其年变化速率分别为3.84%、6.85%、3.89%、11.5%、4.20%、7.13%、24.8%；土壤 pH随生态恢复年限没有发生显著变化。

2.4土壤原生动物群落特征和基本肥力的相关分析

从表2的相关分析结果可知，除土壤pH外，土壤孔隙度等各基本肥力指标均与土壤原生动物总数呈极显著正相关。除总有机碳外，土壤孔隙度等各基本肥力指标均与原生动物类群数呈显著或极显著正相关。除总有机碳和全氮之外，土壤孔隙度等各基本肥力指标均与原生动物丰富度指数呈显著或极显著正相关。除速效氮和pH外，其余各肥力指标均与香农指数呈显著或极显著正相关。均匀度指数仅与土壤pH呈显著负相关。

3 讨论

在本研究中，喀斯特生态恢复后土壤总有机碳和可溶性有机碳含量显著提高，这与绝大多数相关研究的结果一致（龙健等，2006；唐政等，2014）。其原因在于，土壤有机碳动态取决于碳的输入和输出的相对平衡，生态恢复以后，一方面随着地上植被生物量以及凋落物的增加碳输入增多；另一方面生态恢复可能改善土壤结构，进而可能增强土壤有机碳的物理保护而减少碳输出。碳输入的增多和输出的减少势必导致土壤有机碳的积累。土壤碳、氮通常高度耦合，本研究发现伴随着土壤有机碳水平的增加，生态恢复后土壤全氮和速效氮含量亦显著增加。龙健等（2006）也报道了类似的土壤碳氮结果。植物根系和微生物特别是真菌菌丝是土壤团聚体形成和稳定的重要生物因子（唐政等，2014）。人工林生态恢复下，植物根系生物量势必增多，此外包括真菌在内的微生物生物量和有机质含量也会增加，所以石漠化喀斯特在人工林生态恢复条件下，土壤结构必然得到改善，土壤孔隙度增大，导水和保水性能增强，最终导致土壤湿度随生态恢复年限的延长而显著增加。当然，土壤湿度的增加也可能是植被涵养水源功能增强的结果。土壤微生物群落大小及活性主要取决于底物（数量、质量）和环境条件（温度、水分、氧气、pH等）（魏媛等，2010；唐政等，2014）。在本研究中，随着喀斯特生态恢复的进行，一方面由于作为微生物的碳源、能源的有机碳底物迅速增多，另一方面因为土壤湿度、孔性、结构、保水和通气性等物理性质的改善，土壤微生物生物量、碳含量显著升高，这与其他相关研究结果相类似（邹军等，2010；魏媛等，2010）。可见，随着退化喀斯特地上植被的恢复，土壤有机碳、氮、孔性和微生物等表征土壤基本肥力指标得到明显提高，土壤动物生境得到逐步改善。

图2 土壤基本肥力随生态恢复年限的变化（n=5）Fig. 2 Soil basic fertility as a function of reforestation age (n =5)

表2 土壤原生动物群落特征和土壤基本肥力间的相关系数Table 2 Correlation coefficients between soil protozoa community characteristics and soil basic fertilities

影响土壤动物群落的环境因素复杂多样，包括土壤（温度、湿度、pH、有机质、土壤容重、凋落物数量、土壤矿质元素以及污染物质含量等）、植被、气候和地形等，它们构成土壤动物群落的栖息环境，对土壤动物群落的组成与数量、水平结构和垂直结构等产生重大影响（朱永恒等，2005；武海涛等，2006）。本研究发现，石漠化喀斯特生态恢复后，土壤原生动物的总数显著增加，且相关分析结果显示土壤原生动物总数与孔隙度、湿度、总有机碳、可溶性有机碳、全氮、速效氮和微生物碳含量均呈极显著正相关关系。说明喀斯特土壤基本肥力的恢复改善了动物的生境，导致土壤原生动物数量的增加。朱强根等（2010）在华北潮土研究发现，土壤动物与土壤有机质、全氮含量等理化性质密切相关；冯伟松等（2000）在南极菲尔德斯半岛的调查分析表明，土壤原生动物密度与土壤含水量呈显著正相关关系；廖庆玉等（2008）通过相关关系研究发现，不同生境条件下森林土壤原生动物密度受土壤含水量、pH值、有机质、总氮等诸多肥力因子的影响；杨再超等（2009）研究发现，土壤原生动物群落大小和多样性受土壤pH影响较大。在本研究中，土壤pH变化不明显，其与原生动物的相关性较差，而土壤孔隙度、湿度、可溶性碳、全氮和微生物碳是土壤原生动物密度的主要驱动因子。

在群落研究中，物种多样性指数是一个代表群落组织水平及其功能特性的综合指标，不同群落具有不同的物种多样性水平，对理论和生产实践都具有重要意义。一般来说，生态环境条件越优越受人类活动干扰越小，土壤动物群落多样性越高（吴东辉等，2004）。吴东辉等（2004）在松嫩草原中南部的研究发现，土壤动物群落生物多样性能够指示退化草地生态系统的恢复与重建过程；刘莉莉等（2005）也有类似的研究报道；还有研究指出土壤动物群落多样性对鞍山市大孤山铁矿废弃地生态环境的恢复与重建具有良好的指示作用（吴东辉等，2003）；土壤节肢动物多样性对退化红壤人工林生态恢复响应敏感（刘满强等，2002）。本研究发现，喀斯特生态恢复样地的土壤原生动物类群数和丰富度指数显著高于石漠化样地，说明土壤原生动物群落多样性随喀斯特生态恢复的不断进行而得以明显提高。简单相关分析表明，喀斯特生态恢复条件下，土壤原生动物多样性的提高与土壤孔隙度、湿度、有机碳和微生物碳等基本肥力因子的恢复有关。

4 结论

在本研究的喀斯特石漠化人工林生态恢复条件下，随着土壤孔隙度、湿度、有机碳等基本肥力因子的显著提高，土壤原生动物群落数量和多样性显著提高，土壤基本肥力与原生动物群落特征之间存在高度相关性。土壤原生动物对喀斯特人工林生态恢复的响应敏感，能够指示土壤肥力的演变。

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Bioindication of Soil Protozoa during Ecological Restoration on Karst

TANG Zheng1,2, LI Jiguang3, LI Hui4*, LI Guichun2, LOU Yilai2, LI Zhongfang1
1. College of Chemistry and Bioengineering, Hezhou University, Hezhou 542899, China; 2. Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China; 3. College of Life Sciences and Technology, Mudanjiang Normal University, Mudanjiang 157012, China; 4. College of Resources and Environmental Sciences, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China

This study aimed to examine the bioindication of soil protozoa to Karst ecological restoration, and in turn to better understand the Karst ecological restoration processes and mechanisms and to provide scientific basis for the Karst ecological mangement. The investigation was carried out at Guzhou village of Guangxi Province, the artificial forest plots with a standing age gradients (2, 4, 8, 12 years) and the adjacent degraded plot as the control were selected to investigate responses of topsoil protozoa community to the Karst reforestation. In our study, the collected protozoa were identified as 22 groups, including 8 groups of Mastigophora dominated by Kinetoplastida, Chrysomonadida and Euglenida, 4 groups of Sarcodina dominated by Amoebida and Arcellinida, 10 groups of Ciliophora dominated by Hypotrichida, Prostomatida, Colpodida and Pleurostomatida. The total number of soil protozoa increased from 425×103in per gram dry soil in the control plots to 633×103in the 12-yr forested plots with a mean annual rate of 17.7×103·in per gram dry soil. Soil protozoa species number (SN) increased from17 in the control plots to 22 in the 12-yr forested plots with a mean annual rate of 17.7×103·in per gram dry soil. The protozoa richness index (SR, 3.10～3.30) in the forested plots was significantly higher by 19%～27% than that (2.64) in the control plot. The Shannon-Wiener index (H′, 2.59～2.77) and the evenness index (J′, 0.86～0.91) showed no significant changes following the reforestation. As soil basic fertility indicators, porosity, moisture, total organic carbon (TOC) and dissolved carbon (DOC), total nitrogen (TN), available nitrogen (AN) and microbial biomass carbon (MBC) contents generally increased with increasing forestation ages, with mean annual rates of 3.84%, 6.85%, 3.89%, 11.5%, 4.20%, 7.13% and 24.8%, respectively, and all were significantly positively correlated with protozoa total number, SN and H′ (except for TOC with SN and AN with H′; P < 0.01) under the reforestation. Our results indicated that soil protozoa community size and diversity sensitively respond to the Karst eco-restoration and show co-succession together with soil basic fertilities, and can thus be bio-indicator for Karst eco-restoration.

soil protozoa; ecological restoration; Karst; bio-indication

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.11.008

Q148；X17

1674-5906（2015）11-1808-06

国家自然科学基金项目（41361068）；国家重点实验室开放基金项目（LFSE2015-14）。

唐政（1976年生），男，副研究员，博士，研究方向为土壤生物生态。E-mail: bioecology74tang@yeah.net *通信作者：李慧，副教授。E-mail: lihui4007@163.com

2015-08-27

引用格式：唐政, 李继光, 李慧, 李贵春, 娄翼来, 李忠芳. 喀斯特生态恢复过程中土壤原生动物的指示作用研究[J]. 生态环境学报, 2015, 24(11): 1808-1813.