内蒙古短花针茅荒漠草原土壤线虫物种多样性对水分调控的响应

孟 元，贾美清，李 阳，黄 静，尹 雪，杨向芸，杨英花，张国刚，3*

（1.天津师范大学生命科学学院，天津 300387；2.天津市水资源与水环境重点实验室，天津 300387；3.天津市动植物抗性重点实验室，天津 300387）

现今全球环境问题日益突出[1]，降水量不断下降，导致土壤干旱频发[2]，草原荒漠化速度加快[3，4]，致使植被种类和数量减少[5]，土壤养分含量下降[6]，土壤中的生物群落及多样性发生改变[7，8]。在全球气候变化背景下，我国的草原生态环境也在发生改变。内蒙古荒漠草原是对气候变化最为敏感的草原类型，气候变干已成为影响其生态系统的关键限制因子[9]。

土壤线虫是土壤生物的重要组成部分，在维持生态系统稳定方面发挥着重要作用。由于土壤线虫具有数量多，种类丰富，占据食物网的多个营养级，对环境变化敏感等特点[10～12]，因此，经常被当作指示生物来表征土壤受干扰的程度。研究土壤线虫对气候变化的响应及适应机制，不仅可以明确地下生物群落与多样性对气候变化的响应过程和机制，也可以为预见气候变化对地下生态系统组成与功能的影响奠定理论基础。为了明确环境变化对荒漠草原生态系统的影响，以内蒙古短花针茅荒漠草原为试点，通过开展干旱模拟试验，对土壤线虫的群落组成和多样性进行研究，以明确土壤线虫对水分调控的响应。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2016年6～8月在内蒙古自治区乌兰察布市四子王旗内蒙古农牧科学院实验基地（东经111°53′46″，北纬 41°47′17″） 进行。试验地海拔高度约1 456 m；年平均降水量248 mm，且主要集中在6～9月（占全年总降水量的70%以上）；年平均蒸发量2 947 mm；0～30 cm土壤有机质含量19.27g/kg。植被类型为典型的荒漠草原，植物组成较匮乏，草地类型为短花针茅（Stipa breviflora），优势种为冷蒿（Artemisia frigida） 和无芒隐子草（Cleistogenes songorica）。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计 试验水分管理设自然降水（CK）、减少自然降水30%（减水处理）和增加自然降水30%（增水处理）3个处理。自然降水处理在露地进行，不进行任何人工控制，小区面积72m2（6m×12m）。减水处理和增水处理均在自动化旱棚（6 m×12 m）内进行，小区面积均为36 m2（6 m×6 m），其中，减水处理通过控制旱棚顶部（透光率100%）开放面积实现减少自然降水量的30%，旱棚底部设置降水收集装置；增水处理旱棚顶部全部开放，通过将减水小区降水收集装置中收集的自然降水喷洒至增水小区，实现增加自然降水量的30%。自然降水处理与自动化旱棚间隔2m，按照干旱模拟试验设计图（图1）进行小区排列，6次重复。

图1 干旱模拟试验设计图Fig.1 Design of drought simulation test

1.2.2 测定项目与方法 8月初每个小区均随机选择3个样点，利用环刀分别采集0～5 cm、5～10 cm、10～15 cm的土壤样品，装入密封袋内带回实验室，置4℃冰箱内保存，备用。采用烘干法，测定土壤样品的含水量。根据各土样的含水量称取相当于25 g干土的鲜土样，采用贝尔曼漏斗法分离线虫，然后将各土样中分离出的线虫于倒置显微镜下观察，依据《中国土壤动物检索图鉴》和《植物线虫分类学》对土壤线虫进行物种鉴定（至属），并折算成1 kg干土中线虫的数量。

选取皮洛均匀度指数（J）、玛格列夫丰富度指数（SR）、香农-威纳指数（H′）和辛普森多样性指数（D）表征土壤线虫群落的多样性。各指标计算公式为∶

式中，Pi—为第i个物种的个体数量与群落总个体数量的比值，S—群落中物种的种类（以属划分），N—群落中线虫的总个体数量。

1.2.3 数据处理 采用Excel 2013和SPSS17.0软件进行数据处理与分析。

2 结果与分析

2.1 土壤线虫数量对水分调控的响应

随着土层深度的增加，不同水分处理的土壤线虫数量均逐渐降低（图2和3）。与CK相比，减水处理0～5 cm、5～10 cm、10～15 cm 土层的指标值均有所降低，降幅分别为44.03%、33.54%和18.12%，其中，0～5 cm土层的指标值与CK差异达到了显著水平；增水处理0～5 cm和5～10 cm土层的指标值有所增加，增幅分别为10.89%和2.50%，而10～15 cm土层的指标值降低了14.85%，但各土层的指标值与CK差异均不显著。

图2 减水处理对不同深度土层土壤线虫数量的影响Fig.2 The effects of water reduction treatment on the number of nemtodes in different soil layers

图3 增水处理对不同深度土层土壤线虫数量的影响Fig.3 The effects of water increase treatment on the number of nematodes in different soil layers

综上所述，与自然降水相比，减水处理会降低土壤中的线虫数量，但只有0～5 cm土层减少明显；增水处理虽然对土壤线虫数量的影响因土层深度的不同而不同，但影响效果均不明显。说明本研究条件下，仅减水处理明显降低了0～5 cm土层的土壤线虫数量。

2.2 土壤线虫物种多样性对水分调控的响应

2.2.1 玛格列夫丰富度指数对水分调控的响应 随着土层深度的增加，不同水分处理的土壤线虫玛格列夫丰富度指数变化趋势不同，其中，减水处理的指标值逐渐降低，增水处理的指标值呈先升高后降低趋势，而CK的指标值呈先降低后升高趋势（图4和5）。与CK相比，减水处理0～5 cm土层的指标值增加了18.88%，而5～10 cm和10～15 cm土层的指标值分别下降了3.50%和38.61%，但与CK差异均未达到显著水平；增水处理0～5 cm和5～10 cm土层的指标值略有增加，增幅分别为18.46%和30.58%，而10～15 cm土层的指标值降低了5.94%，但与CK差异均未达到显著水平。

图4 减水处理对不同深度土层土壤线虫玛格列夫丰富度指数的影响Fig.4 The effects of water reduction treatment on Margalef richness index of nematodes in different soil layers

图5 增水处理对不同深度土层土壤线虫玛格列夫丰富度指数的影响Fig.5 The effects of water increase treatment on Margalef richness index of nematodes in different soil layers

综上所述，与自然降水相比，减水和增水处理对土壤线虫玛格列夫丰富度指数产生的影响不同，但效果差异均不显著。说明本研究条件下，水分调控未对土壤线虫的物种丰富度造成显著影响。

2.2.2 皮洛均匀度指数对水分调控的响应 随着土层深度的增加，不同水分处理的土壤线虫皮洛均匀度指数变化趋势不同，其中，减水处理的指标值和CK均呈先减小后增大趋势，增水处理的指标值逐渐降低（图6和7）。与CK相比，减水处理0～5 cm、5～10 cm、10～15 cm土层的指标值均有所增加，增幅分别为11.49%、9.76%、8.89%，其中，0～5 cm土层与CK差异达到了显著水平；增水处理0～5 cm和5～10 cm土层的指标值有所增加，增幅分别为9.41%和11.90%，而10～15cm土层的指标值降低了9.76%，其中，5～10cm和10～15 cm土层的指标值与CK差异达到了显著水平，而0～5 cm土层的指标值与CK差异不显著。

图6 减水处理对不同深度土层土壤线虫皮洛均匀度指数的影响Fig.6 The effects of water reduction treatment on Pielou evenness index of nematodes in different soil layers

图7 增水处理对不同深度土层土壤线虫皮洛均匀度指数的影响Fig.7 The effects of water increase treatment on Pielou evenness index of nematodes in different soil layers

综上所述，与自然降水相比，除增水处理10～15 cm土层的土壤线虫皮洛均匀度指数显著下降外，其他处理和土层的土壤线虫皮洛均匀度指数均有所提高。其中，减水处理0～5 cm土层的土壤线虫皮洛均匀度指数增加显著，可能与减水处理使得土壤原有的数量较少的耐干旱线虫如丽突属[13]等数量增多，对水分敏感的线虫消失，各种属间个体数量差异缩小有关；增水处理5～10 cm土层的土壤线虫皮洛均匀度指数增加显著，可能与各种属间的水分竞争减小，个体数量趋于平均有关；增水处理10～15 cm土层的土壤线虫皮洛均匀度指数显著下降，可能与土壤含水量高致使深层土壤含氧量降低，对氧气需求竞争加剧，线虫种类减少，个体数量分布不均匀有关。说明本研究条件下，水分调控对土壤线虫的皮洛均匀度指数影响较大。

2.2.3 香农-威纳指数对水分调控的响应 随着土层深度的增加，不同水分处理的土壤线虫香农-威纳指数变化趋势不同，其中，减水处理和CK的指标值均呈先降低后升高趋势，增水处理的指标值逐渐降低（图8和9）。与CK相比，减水处理0～5 cm和5～10 cm土层的指标值略有增加，增幅分别为14.29%和6.25%，而10～15 cm土层的指标值降低了10.58%，但与CK差异均未达到显著水平；增水处理0～5 cm和5～10cm土层的指标值略有增加，增幅分别为15.42%和22.17%，而10～15 cm土层的指标值降低了10.58%，但与CK差异均未达到显著水平。

图8 减水处理对不同深度土层土壤线虫香农-威纳指数的影响Fig.8 The effects of water reduction treatment on Shannon-Weiner index of nematodes in different soil layers

图9 增水处理对不同深度土层土壤线虫香农-威纳指数的影响Fig.9 The effects of water increase treatment on Shannon-Weiner index of nematodes in different soil layers

综上所述，与自然降水相比，减水和增水处理0～5 cm和5～10 cm土层的土壤线虫香农-威纳指数均有所增加，10～15 cm土层的土壤线虫香农-威纳指数均有所降低，但效果差异均不显著。说明本研究条件下，水分调控未对土壤线虫的香农-威纳指数造成显著影响。

2.2.4 辛普森多样性指数对水分调控的响应 随着土层深度的增加，不同水分处理的土壤线虫辛普森多样性指数变化趋势不同，其中，减水处理和CK的指标值均呈先降低后升高趋势，增水处理的指标值逐渐降低（图10和11）。与CK相比，减水处理0～5 cm和5～10 cm土层的指标值显著增加，增幅分别为8.14%和6.33%，而10～15 cm土层的指标值微降了1.20%；增水处理0～5 cm和5～10 cm土层的指标值分别增加了8.14%和11.90%，10～15 cm土层的指标值降低了9.64%，且与CK差异均达到了显著水平。

图10 减水处理对不同深度土层土壤线虫辛普森多样性指数的影响Fig 10 The effects of water reduction treatment on Simpson’s diversity index of nematodes in different soil layers

图11 增水处理对不同深度土层土壤线虫辛普森多样性指数的影响Fig.11 The effects of water increase treatment on Simpson’s diversity index of nematodes in different soil layers

综上所述，与自然降水相比，减水和增水处理均显著提高了0～5 cm和5～10 cm土层的土壤线虫辛普森多样性指数，增水处理显著降低了10～15 cm土层的土壤线虫辛普森多样性指数。说明本研究条件下，水分调控对土壤线虫的辛普森多样性指数影响较大。

香农-威纳指数和辛普森多样性指数都从物种的丰富度和均匀度2个方面综合反映了群落物种的多样性，其中，香农-威纳指数对物种丰富度更敏感，而辛普森多样性指数对物种均匀度更为敏感。本研究条件下，水分调控对土壤线虫均匀度影响较大，对丰富度影响不明显，从而使得不同水分处理间辛普森多样性指数产生较大差异，而香农-威纳指数差异不显著。

3 结论与讨论

全球气候变化加剧引发了众多的环境问题，如地面植被减少、草原荒漠化加重，对草原地下环境造成了严重影响[4]。土壤线虫作为生态系统的指示生物，可通过其数量及多样性指数的变化表征环境受干扰的程度。干旱模拟试验结果显示，干旱会影响内蒙古短花针茅荒漠草原土壤线虫的数量和多样性。本研究条件下，与自然降水相比，减少自然降水30%处理显著降低了0～5cm土层的土壤线虫数量，显著提高了0～5 cm土层土壤线虫的皮洛均匀度指数以及0～10 cm土层土壤线虫的辛普森多样性指数。干旱致使土壤线虫数量下降的研究结果与前人研究结果[14]相一致。

与自然降水相比，增加自然降水30%处理可略微增加土壤线虫的数量（4.45%），显著提高5～10 cm土层土壤线虫的均匀度和0～10 cm土层土壤线虫的辛普森多样性指数，明显降低10～15 cm土层土壤线虫的均匀度和辛普森多样性指数。Ruan等[15]研究表明，增加降水量对土壤线虫多度有显著影响。本研究结果与前人研究结果不一致，可能是因为土壤线虫种类不同，对水分的敏感程度不同，也可能与土壤结构和组成不同[16，17]有关。本研究结果仅仅是根据2个月的短暂水分调控得出的，长期水分调控以及温度等条件变化对内蒙古短花针茅荒漠草原土壤线虫物种多样性的影响有待进一步研究。

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