贵州高原型喀斯特森林土壤线虫密度特征

胡潇飞，刘立斌,2*，倪健,2,3

(1．浙江师范大学 化学与生命科学学院，浙江 金华 321004； 2．中国科学院 普定喀斯特生态系统观测研究站，贵州 安顺 561000； 3．中国科学院 地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室，贵阳 550081)

0 引言

土壤线虫一般仅占土壤动物和微生物总重量的0.2%，但是其数量丰富、种类繁多，是土壤生物中的优势类群，广泛存在于地球上各类生态系统土壤生境中[1]。它们是土壤食物网中的关键环节之一，与土壤生态系统稳定性和生物多样性的维持，物质循环和能量流动的促进等生态过程密切相关[2-3]；而且，土壤线虫世代时间短，对土壤环境扰动高度敏感的特点，使其成为反映土壤健康状况的有效指示生物[4]。因此，土壤线虫研究是深入了解复杂地下生态系统生态过程和功能的重要内容。

中国土壤线虫研究始于20世纪90年代，最初仅针对农田生态系统，随后逐渐涉猎沙地、草地、湿地和森林等生态系统。其中，森林生态系统土壤线虫研究起步最晚，研究较少。已有研究表明，森林生态系统土壤线虫密度最大，物种多样性最高[5]；森林地上植物组成、林龄、土壤含水量、酸度(pH)、微生物生物量碳(MBC)、微生物生物量氮(MBN)和碳氮比(C/N)等均可成为限制森林土壤线虫密度、物种组成和功能的关键环境因子[6-10]。但是，已有森林土壤线虫研究多是在常态地貌类型上开展的，对于非常态地貌类型，如中国西南(尤其是贵州省、云南省和广西壮族自治区)广泛分布的喀斯特地貌类型，森林土壤线虫研究十分匮乏。目前仅有Hu等[11]和Zhao等[12]对广西环江地区峰林平原型喀斯特退化植被土壤线虫结构和群落多样性等进行过研究，发现喀斯特地区土壤线虫群落组成异于非喀斯特地区。这表明喀斯特地区独特的土壤类型(石灰土)和性质(土壤浅薄且不连续，土壤蓄水能力差，单位容积土壤养分含量高但总养分储量低)会对其中的土壤线虫密度、物种组成和功能产生影响。而不同类型喀斯特地貌发育的适宜气候、地质地貌条件，以及各自的环境特点均存在较大差异[13]，这些差异又势必会对土壤线虫产生影响。因此，其他地区、其他类型喀斯特植被土壤线虫研究的开展非常必要且紧迫。

鉴于此，以贵州省中部高原型喀斯特常绿落叶阔叶混交林为研究对象，对其土壤性质和土壤线虫数量进行分析，旨在回答以下2个问题：1)高原型喀斯特森林土壤线虫密度特征如何，是否与非喀斯特森林土壤线虫密度特征存在显著差异？2)限制高原型喀斯特森林土壤线虫密度的关键土壤因子有哪些？本研究可为了解喀斯特森林复杂地下生态系统生态过程和功能提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

研究地为中国科学院普定喀斯特生态系统观测研究站的综合观测场——天龙山永久监测样地(105°45′ E，26°14′N，1 402～1 512 m)，地貌类型为典型的高原型喀斯特地貌。气候属中亚热带季风性湿润气候，根据贵州省普定县气象站(105°27′ E，26°11′ N，1 274.5 m)在1961—2013年的观测记录，该地区多年平均气温为15.2 ℃，多年平均降水量为1 341 mm，雨热同期，超过70%的降水发生在5—9月的高温期。地带性植被为亚热带典型常绿阔叶林，地带性土壤包括赤红壤、红壤和黄壤等，但喀斯特地貌的广泛发育，导致喀斯特地区顶极植被类型为气候和土壤共同控制的常绿落叶阔叶混交林，土壤类型以石灰土为主。样地内植被为20世纪50年代末期遭砍伐破坏后恢复起来的天然次生常绿落叶阔叶混交林，处于演替的次顶极阶段。根据2012年天龙山永久监测样地的植被调查数据，该喀斯特森林乔木层高6～10 m，郁闭度0.73，胸径≥1 cm植物个体的平均胸径为5.4 cm，密度为8 410.5 株·hm-2，优势树种包括窄叶石栎(Lithocarpusconfinis)、化香树(Platycaryastrobilacea)、云南鼠刺(Iteayunnanensis)、安顺润楠(Machiluscavaleriei)和云贵鹅耳枥(Carpinuspubescens)[14]。土壤为棕色石灰土，平均厚度仅有44.8 cm，单位容积土壤有机碳(SOC)和营养元素含量较高但总储量相对较低。

1.2 土壤样品采集和测定

于2015年夏季，随机在样地的上坡位、中坡位和下坡位分别挖掘3个土壤剖面(共9个)，每个土壤剖面利用自封袋按0～10、10～0、20～30 和>30 cm共4层采集土壤样品，采集土壤样品共36份。每份土壤样品分成两部分，一部分及时带回实验室，于4 ℃冰箱冷藏保存，用于土壤线虫计数和土壤微生物生物量分析；另一部分及时称量土壤鲜重，随后风干加烘干处理，计算土壤含水量和测定土壤pH、SOC、全氮(TN)和全磷(TP)含量。

利用酸度计测定土壤pH，利用重铬酸钾氧化-外加热法测定SOC，元素分析仪测定TN，电感耦合等离子体发射光谱法测定TP，氯仿熏蒸法测定MBC和MBN。

每份土壤样品称取约100 g样本，利用淘洗-过筛-蔗糖离心法分离线虫，将线虫在60 ℃温热杀死后，用三乙醇胺和福尔马林固定，倒入标本瓶，通过解剖镜直接观察并计数。最后根据每份土壤样品的含水量，将每份土壤样品中线虫的数量折算成每100 g干土中的线虫数量[15]。

1.3 数据分析

单因素方差分析(ANOVA)用于分析不同土层土壤性质的差异，不同坡位和不同土层线虫密度的差异；皮尔森积差相关和冗余分析(RDA)用于分析土壤线虫密度与土壤性质之间的相关性；独立样本t检验用于分析喀斯特森林土壤线虫密度与中国非喀斯特森林土壤线虫密度的差异。所有的统计分析在SPSS 20.0和CANOCO 5中进行。

2 结果与分析

2.1 土壤理化性质和微生物生物量

土壤pH、C/N和C/P随土壤深度的增加有升高趋势，其他土壤性质如含水量、MBC、MBN、SOC、TN、TP和N/P均随土壤深度的增加而降低(表1)。各土壤性质在各土层间差异显著或不显著。其中土壤pH、C/N和C/P在各土层间差异不显著；0～10 cm土层含水量显著高于深层次土壤(P<0.05)，10～20 cm土层含水量显著高于>30 cm土层(P<0.05)；0～10 cm土层MBC显著高于20～30 cm和>30 cm土层(P<0.05)；0～10 cm土层MBN显著高于深层次土壤(P<0.05)，10～20 cm土层MBN显著高于>30 cm土层(P<0.05)；0～10 cm土层SOC、TN、TP和N/P显著高于深层次土壤(P<0.05)(表1)。各土壤样品pH变异最小，变异系数最低；土壤含水量变异亦较小；而其他土壤性质变异较大，变异系数均较高，尤其是C/N，变异系数可超过100%(表1)。

表 1 土壤理化性质和微生物生物量Table 1 Soil physical and chemical properties and microbial biomass

2.2 土壤线虫密度

图 1 不同坡位土壤线虫密度Figure 1 Soil nematode densities in different slope positions

喀斯特森林土壤线虫密度在25.51条/100 g干土至508.60 条/100 g干土之间，平均为207.44 条/100 g干土。上坡位(257.36 条/100 g干土)和中坡位(237.50 条/100 g干土)土壤线虫密度显著(P<0.05)高于下坡位土壤线虫密度(127.47 条/100 g干土)(图1)。土壤线虫密度随土壤深度的增加而降低，0～10 cm(283.72 条/100 g干土)和10～20 cm(247.92 条/100 g干土)土层土壤线虫密度显著(P<0.05)高于>30 cm(101.06 条/100 g干土)土层土壤线虫密度。

图 2 土壤线虫密度与土壤性质冗余分析Figure 2 Biplot of soil nematode density and soil properties from redundancy analysis

2.3 土壤线虫密度与土壤性质关系

统计分析表明，喀斯特森林土壤线虫密度与土壤含水量(相关系数0.488)、MBC(0.586)、MBN(0.567)和TN(0.478)含量呈极显著相关(P<0.01)，随着土壤含水量、MBC、MBN和TN含量的增加而极显著增加(图2)；与SOC(0.331)和TP(0.398)含量呈显著正相关(P<0.05)，随着SOC和TP含量的增加而显著增加(图2)；与N/P(0.267)呈轻微的正相关，与土壤pH(-0.300)、C/N(-0.125)和C/P(-0.068)呈轻微的负相关，但相关性不显著(P>0.05)(图2)。

3 讨论

中国西南喀斯特地貌类型区山体多陡峭(坡度常大于30°)，岩石裸露率高，地上和地下二元三维岩-土景观结构复杂等特点大大增加了喀斯特森林土壤研究的困难性，且现有喀斯特森林土壤研究多集中于土壤生态化学计量特征和土壤微生物[16-17]。本研究以贵州省中部高原型喀斯特常绿落叶阔叶混交林为研究对象，对其土壤线虫密度特征进行了初步探索，在一定程度上填补了中国西南高原型喀斯特地貌类型区土壤线虫研究的空白。但是本研究仅涉及单个森林单一时间点上的土壤线虫密度。研究表明，不同演替阶段森林的土壤线虫密度，同一森林不同季节(旱季/雨季)的土壤线虫密度往往可能存在很大的差异[7-8]。另外本研究仅对该喀斯特森林的土壤线虫密度特征进行了分析，未深入探讨其土壤线虫的物种组成和功能特征。因此，未来仍需进一步研究不同演替阶段和不同季节喀斯特森林土壤线虫的密度、物种组成和功能特征，为进一步了解喀斯特森林复杂地下生态系统生态过程和功能增添理论基础。

喀斯特森林林下生境高度异质[18]。在本研究中，除了土壤pH和含水量变异系数较低外，其他土壤理化性质和微生物生物量指标，变异系数均较高，均表现出较高的异质性，尤其是C/N，变异系数可超过100%(表1)。各土壤样品中土壤线虫密度同样具有较高的差异性，变异系数达到64.25%，最高土壤样品线虫密度是最低土壤样品线虫密度的20倍。因此，未来对高度异质的喀斯特森林土壤理化性质、微生物生物量、线虫密度、物种组成与功能进行研究时，非常有必要增加土壤样品的采集数量，才能尽可能地消除研究结果的不确定性，从而保证研究结果的准确性。

中国亚热带和其他气候带非喀斯特森林的土壤线虫密度特征，因森林类型、森林所处的演替阶段、土壤类型、研究季节、经度、纬度和海拔等的不同而呈现一定程度的差异(表2)。而本研究的贵州高原型喀斯特次生林土壤线虫密度特征是在雨季进行的，研究结果在25.51条/100 g干土至508.60条/100 g干土之间，平均仅为207.44条/100 g干土。Hu等[11]研究的广西峰林平原型喀斯特人工林土壤线虫密度在76 条/100 g干土至432条/100 g干土之间，平均仅为206条/100 g干土。与非喀斯特森林相比[7-10, 19]，喀斯特森林为低土壤线虫密度森林(P<0.01)(表2)。

高原型喀斯特森林土壤线虫密度随着土壤深度的增加而降低，呈现“表聚”的现象，这与其他森林土壤线虫研究结果一致[19]。这是因为随着土壤深度的增加，土壤含水量和SOC、TN、TP等养分急剧降低，从而影响土壤线虫数量的垂直分布。相关分析表明，土壤含水量、MBC、MBN、SOC、TN和TP含量是限制该喀斯特森林土壤线虫密度的关键土壤因子。虽然喀斯特森林土壤有机质和营养元素含量较高，但是岩石裸露率高、土壤浅薄且分布不连续的特点导致土壤总量少，从而造成土壤有机质和营养元素总储量较低，再加上喀斯特森林土壤渗漏严重、蓄水能力差，这些都可能是导致喀斯特森林土壤线虫密度显著低于非喀斯特森林土壤线虫密度的重要原因[20]。

表 2 喀斯特森林与非喀斯特森林土壤线虫密度比较Table 2 Comparison of soil nematode density in karst and nonkarst forests

注：香椿Toonasinensis，木果柯Lithocarpusxylocarpus，硬叶柯Lithocarpuscrassifolius，滇山杨Populusbonatii，旱冬瓜Alnusnepalensis，岷江冷杉Abiesfaxoniana，红桦Betulaalbosinensis，木荷Schimasuperba，尾叶桉Eucalyptusurophylla，泰竹Thyrsostachyssiamensis，青皮Vaticamangachapoi，油松Pinustabuliformis，白桦Betulaplatyphylla，山杨Populusdavidiana，红松Pinuskoraiensis，紫椴Tiliaamurensis，硕桦Betulacostata。

4 结论

本研究首次对中国西南高原型喀斯特森林的土壤线虫密度特征进行了探索。该喀斯特森林土壤线虫密度平均为207.44条/100 g干土，显著低于中国非喀斯特森林土壤线虫密度。土壤线虫密度随土壤深度的增加而降低。土壤含水量、MBC、MBN、SOC、TN和TP含量是限制喀斯特森林土壤线虫密度的关键土壤因子。未来仍需研究不同演替阶段和不同季节喀斯特森林土壤线虫的密度、物种组成和功能特征，且增加土壤样品的采集数量。