目标树经营初期对柏木人工林土壤线虫群落的影响

尹海锋,苏 宇,郭茂金,李贤伟,2,*,范 川,2,刘思泽,李相君

1 四川农业大学林学院,成都 611130 2 长江上游森林资源保育与生态安全国家林业局重点实验室,成都 611130

森林是陆地生态系统的主体,是自然界最全面完善的基因库、资源库、能源库,在生态环境的改善,生态平衡的维护,人类生存发展的环境基础方面发挥着不可代替的作用[1-2]。森林可持续经营和多功能林业要求森林经营朝着近自然的方向发展[3],更多地利用天然更新实现混交异龄林分结构和森林的连续覆盖[4],基于单株林木的目标树经营是实现近自然森林经营的重要途径[5],同时也是营造工业原料林、珍稀树种和大径级用材林等国家储备林的重要经营模式[6]。

土壤线虫是土壤动物中的重要类群,作为森林生态系统的重要功能组分[7- 9],使土壤成为具有生物活性的活体和潜在的可持续利用的自然资源,对森林土壤生态系统的物质循环和能量流动,及地上植物群落的结构、功能和演替起着重要调控作用[10- 12]。土壤线虫具有生存及适应能力强、营养类群多样、能够敏感地反映生境的优越程度,生活周期较短等优点,其群落组成及结构的变化对生态系统服务及功能产生重要影响,被广泛认为是土壤中的典型指示生物[13- 19]。目前,关于森林土壤线虫的研究主要集中在不同森林类型的调查[20- 25],而森林的人为干扰对土壤线虫群落的影响研究较少[26-27]。

四川省作为国家储备林项目的重要承储省份,其中柏木(Cupressusfunebris)作为重要的培育树种之一[28]。本研究以川中丘陵区柏木人工林为研究对象,通过对柏木人工林目标树经营初期土壤线虫群落的研究,试图阐明土壤线虫对目标树经营的响应机制,探讨其在川中丘陵区柏木人工林生态功能提升的环境指示意义,以期为四川营造大径级用材林以及柏木人工林生态效益的发挥提供理论依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究地区概况

研究区位于遂宁市安居区玉丰镇(30°25′06″N,105°32′19″E),属于川中丘陵区,地质构造简单,地貌类型单一,海拔在300—600 m之间。属亚热带季风气候,气候温和、四季分明,无霜期长,热量充足,雨量充沛。年平均气温为17.4 ℃,年平均降雨量约930 mm(图1)。

图1 遂宁气温与降水量Fig.1 Suining temperature and precipitation

本研究选取的林分为1990年长防林造林工程所造柏木纯林,未进行过任何林业经营措施和抚育管理,加上林分人为干扰较小,林区生态系统以自然更新为主。由于初植密度较大,导致林分结构单一,抵抗病虫害能力较低,林下生物物种单一,生物多样性匮乏。林分密度为1667 株/hm2,郁闭度高达0.7以上,但是林分平均胸径只有12.0 cm,平均树高8.0 m,远低于国内平均水平,林木生长不良,卫生状况极差,其生态功能处于退化状态。地表灌木较少,草本盖度为75%,植被主要有铁仔(Myrsineafricana)、黄荆(Vitexnegundo)、盐肤木(Rhuschinensis)、地果(Ficustikoua)、金星蕨(Parathelypterisglanduligera)、莎草(Cyperus)等。地表凋落物以柏木的枝叶为主,厚度较薄,约为0—2 cm,部分地表裸露。

1.2 样地的设定

1.2.1目标树经营措施

研究区柏木林分的目标树经营标准参照“德国政府财政贷款四川省林业可持续经营管理项目”专家组技术标准执行：分别在667 m2的样地内选取6株、9株、12株柏木作为目标树,并采伐掉影响目标树生长的干扰树,同时保留未干扰目标树生长的一般林木。目标树样地内每棵目标树之间保持一定的间距(表1),且尽量呈现均匀分布(图2),减少目标树受其他林木干扰,促进目标树生长。目标树经营后柏木林分密度保持在1350 株/hm2。

目标树：可长期保留、完成天然下种更新并达到目标直径后才采伐利用的林木[29]。

干扰树：以目标树为中心,树冠与目标树接触或者一定距离内(对目标树生长产生干扰)的周围林木。

一般林木：采伐掉干扰树后,林分中除目标树以外的其他一般树木。

1.2.2试验地设置

2015年10月,选择立地条件和林分状况基本一致的12个样地,每个面积为667 m2(25.82 m×25.82 m),分别设置目标树密度为：6 株/667 m2、9 株/667 m2、12 株/667 m2各3个样地,以及3个对照样地。每个样地间隔5 m以上。目标树采用在胸径位置用红油漆标记,样地边界采用白油漆标记。

试验设置3种目标树密度(6株、9株、12株)和对照(即未进行目标树经营的样地),共4种处理(表1)。

表1 目标树数量与距离

CK：未进行目标树经营,No crop-tree release；6C：目标树密度为6 株/667 m2样地的目标树单株,The crop trees with a crop tree density of 6 trees /667 m2；6N：目标树密度为6 株/667 m2样地的整个样地,The whole plot with crop tree density of 6 trees /667 m2；9C：目标树密度为9 株/667 m2样地的目标树单株,The crop trees with a crop tree density of 9 trees /667 m2；9N：目标树密度为9 株/667 m2样地的整个样地,The whole plot with crop tree density of 9 trees /667 m2；12C：目标树密度为12 株/667 m2样地的目标树单株,The crop trees with a crop tree density of 12 trees /667 m2；12N：目标树密度为12 株/667 m2样地的整个样地,The whole plot with crop tree density of 12 trees /667 m2

1.3 样品的采集及测定

图2 采样点示意图Fig.2 Sampling point diagram 灰色树为目标树,The gray tree are the crop tree；白色树为一般林木,The white tree are the genial tree；●为目标树冠幅垂直投影内采样点(第一种样品),represents the sampling point within the crown width vertical projection of the crop tree (first sample)；○为样地内随机采样点(第二种样品),represents a random sampling point in the plot (second sample)

在采用目标树经营1年后,于2016年10月(秋)、2017年1月(冬)、4月(春)、7月(夏),在4种处理的样地内采集3层样品：凋落物层采集10 cm×10 cm,土壤用直径为5 cm的土壤动物采集器[30]分别取0—10 cm和10—20 cm两层土壤。

在目标树保留6株、9株、12株的每个样地采集两种样品(图2)：

(1)第一种代表目标树单株状况,采样方法是在每个样地内随机选取3棵目标树,在其冠幅垂直投影内且距离树干50 cm的区域采样,每棵目标树采集2个点,将其6个点的样品分层混合成1个样品；

(2)第二种代表整个样地的状况,采样方法是在样地内随机选取6处采样,将其6处的样品分层混合成1个样品。

在对照样地随机选取6处采样,并分层混合成1个样品。在每种处理的另外两个重复样地采用相同的方式采样,一共采集252个样品。

目标树保留6株、9株、12株样地采集的第一种样品标记为6C、9C、12C,采集的第二种样品标记为6N、9N、12N；在对照样地采集的样品标记为CK。将样品当日带回实验室分离土壤线虫,并立即测定土壤含水量和土壤容重；待土壤风干后,测定全氮、全磷、pH和有机质含量[31]。

每个凋落物样品称取10 g,土壤样品称取50 g,采用改进的Baermann湿漏斗法[32]提取土壤线虫,每份样品做3个重复。用体视显微镜(Olympus SZX12)进行土壤线虫计数,用显微镜(Olympus BX51)根据线虫的形态特征,将线虫鉴定到属,并将线虫个体数量转化成条/100 g干土。

土壤线虫的分类鉴定：参照《DE NEMATODEN VAN NEDERLAND》、《SOIL AND FRESHWATER NEMATODES》、《中国土壤动物检索图鉴》和“nematode.unl.edu”线虫图片库,将各个属的特征和照片提取出来,进行整理,并做成一个更加完善的分类系统,利用此分类系统再对土壤样品中分离的土壤线虫进行鉴定。根据线虫的取食类群和食道特征将其划分为：食细菌线虫(Bacterivores)、食真菌线虫(Fungivores)、植食性线虫(Plant parasite)以及捕食/杂食线虫(Predators/Omnivores)4大营养类群[33]。

1.4 数据处理与统计分析

按照线虫个体数量进行优势度的划分：个体数量占总体数量10%以上的为优势类群(+++),个体数量占总体数量1%—10%的为常见类群(++),个体数量占总体数量1%以下的为稀有类群(+),未出现的类群用(-)表示。根据线虫不同的生活史策略,将土壤线虫划分为5个colonizer persister(c-p)类群,分类参考Neher等[34]。

分析土壤线虫群落结构采用以下几个指标：

多样性指数Shannon-Wiener index(H′)

式中,S表示总的物种数,pi表示第i个种占总数的比例。

均匀度指数Pielou evenness index(J)

式中,S表示总的物种数。

优势度指数Simpson index(λ)

式中,S表示总的物种数,pi表示第i个种占总数的比例。

总丰富度指数Margalef′s richness(D)

式中,S是系统中物种数目,n是样品中物种总个体数。

线虫营养多样性指数Trophic Diversity(TD)

线虫营养多样性指数可以指示线虫营养类群的相对多度和均匀度,公式如下：

式中,pi为个营养类群在线虫群落中所占的比例。线虫营养多样性指数的大小能够反映出线虫食性多样性的高低。

线虫成熟度指数Maturity index(MI)

MI=∑v(i)·f(i)

式中,i是根据线虫的生活策略进行分组的组别,v(i)是按照线虫属于K-选择到r-选择分别赋予的c-p值,f(i)是自由生活线虫线虫属在线虫种群中所占的比重。

线虫通路比值Nematoda Channel Ratio(NCR)

式中,B代表食细菌线虫占线虫总数的相对多度,F代表食真菌线虫占线虫总数的相对多度,NCR的值在1和0之间波动,1为完全由细菌控制(totally bacterial-mediated),0为完全由真菌控制(totally fungal-mediated)。

采用Excel 2013进行数据的整理和计算；使用SPSS 20.0软件对数据进行方差分析ANOVA,CK与目标树经营各处理的土壤理化性质差异显著性检验采用Least-Significant Difference(LSD)方法,不同处理和不同季节的土壤线虫属数量、密度、营养类型和生态学指数采用Duncan′s multiple range test(Duncan)方法；采用Origin 8.0做图；土壤线虫群落结构与环境之间的相关分析,采用Canoco for Windows 4.5软件进行冗余分析(Redundancy analysis,RDA)。

2 结果与分析

2.1 目标树经营对土壤理化性质的影响

采用ANOVA分析CK与目标树经营各处理的差异,差异显著性检验采用最小极差法(LSD)方法,结果表明目标树经营对土壤理化性质的影响较大(表2)。土壤含水量呈现N(整个样地)比C(目标树单株)含水量高,CK显著高于C(P<0.05)。土壤容重在目标树经营样地9N中较CK有显著下降(P<0.05),其余处理均未降低。采用目标树经营的有机质含量显著高于CK(P<0.05),在3种目标树保留密度的样地中均呈现出C较N的有机质含量高,但差异不显著(P>0.05)。全磷只有6C和9N较CK有所提高,全氮各处理与CK差异不显著(P>0.05)。12N与CK的pH差异不显著(P>0.05),其余处理与CK样地的pH差异显著(P<0.05),且采用目标树经营后的土壤pH趋向中性。

2.2 土壤线虫科属及营养类群

从4个季节的柏木人工林土壤样品中共分离出15945条线虫,平均密度凋落物中为4253 条/100 g,土壤中为159 条/100 g干土,共鉴定出59科143属。Prionchulus为优势属,其个体数量占总数的10.46%,Enchodelus、Panagrolaimus等为常见属,占总数的58.31%,Longidorella、Paraxonchium等为稀有属,占总数的31.12%,未知17条,占总数的0.11%。食细菌性线虫(Bacterivores)有38属,食真菌性线虫(Fungivores)有12属,植食性线虫(Plant parasite)有36属,杂食/捕食性线虫(Omnivores/Predators)有57属(表3)。

表2 不同处理的土壤理化性质

平均值±标准差；同列数据后不同字母表示差异显著(P<0.05, LSD)

由于部分线虫属名未查询到有中文命名,因此表格中只有拉丁文; *线虫营养类型参考Yeates等[33]；**c-p：线虫生活史策略colonizer persister,分类参考Neher等[34];Ba：食细菌线虫,Bacterivores；Fu：食真菌线虫,Fungivores；OP：杂食/捕食性线虫,Omnivores-predators；PP：植食性线虫,Herbivores；+++：个体数量占总体数量10%以上的类群,The group with more than 10% of the total number of individuals；++：个体数量占总体数量1%—10%的类群,The group with individual number of 1%—10%；+：个体数量占总体数量1%以下的类群,The group with less than 1% of the total number of individuals；-：未出现的类群,The group that do not appear

对不同处理以及不同季节的土壤线虫属数量进行方差分析表明(表4),不同处理间线虫属数量差异不显著(P>0.05),12C线虫属数量最多,为(27.9±16.6)属；而不同季节土壤线虫属数量差异显著(P<0.05),其中秋季最多,为(34.2±5.8)属,说明土壤线虫的季节分布差异较大。

所有分离得到的线虫生活史策略colonizer persister(c-p)以c-p 4类群为主,占总数的44.33%,c-p 1类群占比最低,为12.07%。从图3可以看出,采用目标树经营的处理各类群所占比例差异较大,均是c-p 4类群所占比重大,其中9N的c-p 4与c-p 5之和所占比例最高；而未采用目标树经营(CK)的各类群所占比例差异较小,各类群分布较均匀,表明目标树经营提高了c-p 4和c-p 5的比例。

图3 不同处理土壤线虫 c-p 组成比例Fig.3 Different treatments of soil nematode c-p composition ratioc-p 1：线虫生活史策略为1,colonizer persister 1；c-p 2：线虫生活史策略为2,colonizer persister 2；c-p 3：线虫生活史策略为3,colonizer persister 3；c-p 4：线虫生活史策略为4,colonizer persister 4；c-p 5：线虫生活史策略为5,colonizer persister 5

2.3 目标树经营对土壤线虫密度和不同营养类型线虫数量的影响

采用目标树经营对土壤线虫的密度影响较大(表4、图4),CK的线虫密度低于3种处理下目标树单株区域,且低于3种处理的整体样地线虫密度。其中9C线虫密度最大,为(1829.3±875.2) 条/100 g干土；CK线虫密度最小,为(1075.3±525.4) 条/100 g干土；9C与CK的线虫密度呈显著差异(P<0.05)。图4所示,CK的线虫密度在不同季节以及不同土层均低于采用目标树经营的样地和目标树单株。在采用目标树经营的3个处理中,保留9株和12株的处理中,呈现出C线虫密度大于N,而保留6株的处理中表现出C小于N。在各处理间总体上目标树保留9株的线虫密度最大。不同季节线虫密度差异显著(P<0.05),其中春季线虫密度最大,为(2598.6±591.3) 条/100 g干土；冬季土壤线虫密度最低,为(582.1±119.4) 条/100 g干土。土壤线虫在不同土层中的个体密度排序为：凋落层>0—10 cm>10—20 cm(图4)。

图4 土壤线虫个体密度的季节变化和垂直分布Fig.4 Seasonal variation and vertical distribution of individual density of soil nematodes

所有分离得到的土壤线虫按不同营养类型划分,其数量依次为：杂食/捕食性线虫>食细菌性线虫>植食性线虫>食真菌性线虫(表4)。其中采用目标树经营的处理中均为杂食/捕食性线虫数量最多,食细菌性线虫其次,而CK为食细菌性线虫数量最多,杂食/捕食性线虫数量其次(图5)；CK的食细菌性线虫数量显著高于其他处理(P<0.05),而CK的杂食/捕食性线虫数量均低于目标树经营的各处理,其中6C和9C显著高于CK(P<0.05),表明目标树经营增加了杂食/捕食性线虫数量。不同季节均表现为杂食/捕食性线虫数量最多,冬、春、秋为食细菌性线虫数量其次,而夏季为植食性线虫数量其次。在各季节中春季的杂食/捕食性线虫数量最多,为(115.6±31.1)条；冬季的植食性线虫数量最少,为(5.1±6.3)条。植食性线虫在各季节的数量分布与植物生长状况的变化趋势一致。

表4 不同处理以及不同季节各营养类型土壤线虫数量

平均值±标准差；同列数据后字母不同表示差异显著(P<0.05, Duncan)

图5 不同处理各营养类型线虫数量比例Fig.5 The proportion of nematode populations of each feeding types in different treatments

2.4 目标树经营对土壤线虫群落结构的影响

不同处理土壤线虫群落生态学指数如表5所示,采用目标树经营样地的多样性指数(H′)高于CK,但其差异不显著(P>0.05)。均匀度指数(J)6N显著高于9N、12N和CK(P<0.05)。优势度指数(λ)9C最高,为0.143±0.151。总丰富度指数(D)9N最高,显著高于12N(P<0.05)；9N高于6N和CK但不显著(P>0.05)。线虫营养多样性指数(TD)6C低于CK,其余均高于CK,其中12N显著高于CK(P<0.05)。线虫成熟度指数(MI)采用目标树经营样地均高于CK,其中12N与CK差异性不显著(P>0.05),其余处理与CK差异均显著(P<0.05)；目标树密度为9株的MI均高于目标树密度为6株和12株,且显著大于CK(P<0.05)。线虫通路比值(NCR)采用目标树经营样地均于CK差异性显著(P<0.05),但均大于0.5,表明土壤的分解过程均以细菌为主导的能量通道。

表5 不同处理土壤线虫群落生态学指数(N=12)

各线虫指数值=平均值±标准差；同列数据后字母不同表示差异显著(P<0.05, Duncan)

不同季节土壤线虫群落生态学指数如表6,多样性指数(H′)夏秋两季与冬春两季差异显著(P<0.05),其中秋季最高3.068±0.267,冬季最低1.885±0.360。优势度指数(λ)冬季显著高于春、夏、秋季(P<0.05)。总丰富度指数(D)冬、夏季显著高于春、秋季(P<0.05)。线虫营养多样性指数(TD)秋季最大2.863±0.357,且显著高于冬、春季(P<0.05)。线虫成熟度指数(MI)春、夏、秋显著高于冬季(P<0.05),且春季最高。线虫通路比值(NCR)均大于0.5,夏季且显著大于春季(P<0.05)。

表6 不同季节土壤线虫群落生态学指数 (N=21)

各线虫指数值=平均值±标准差；同列数据后字母不同表示差异显著(P<0.05, Duncan)

2.5 土壤线虫群落与环境因子之间的关系

对不同处理的土壤线虫群落结构指标与环境因子进行RDA排序(图6),第一轴和第二轴特征值分别为0.417和0.205,且土壤线虫群落结构和环境的相关性分别达到0.627和0.936,且结果均达到显著水平(P<0.05)。环境因子和线虫群落生态学指数主要与第一轴相关,总丰富度指数和线虫成熟度指数与线虫属的数量和杂食/捕食性线虫数量正相关,多样性指数和线虫营养多样性指数与土壤含水量和土壤pH相关。在各处理中,12N与CK之间差异较小,而其他处理与CK差异较明显。

图6 土壤线虫群落结构与环境指标的冗余分析(RDA)Fig.6 Redundancy analysis of soil nematode community structure and environmental indicators (RDA)P：土壤全磷含量,Total phosphorus；N：土壤全氮含量,Total nitrogen；SOM：土壤有机质含量,Soil organic matter；ρb：土壤容重,Soil bulk density；ω：土壤含水量,Soil water content；pH：土壤pH值。Gen：属数,Number of genus；ND：线虫总数,Total number of nematodes；H：多样性指数,Shannon-Wiener index；J：均匀度指数,Pielou evenness index；λ：优势度指数,Simpson index；D：总丰富度指数,Margalef′s richness；TD：线虫营养多样性指数,Trophic Diversity；MI：线虫成熟度指数,Maturity index；NCR：线虫通路比值,Nematoda Channel Ratio

3 讨论

川中丘陵区柏木人工林存在林分密度大、柏木生长空间不足、生态功能退化等问题[35- 37],采用目标树经营后,林分密度得到不同程度的降低,特别是目标树单株生长空间得以释放,光照、水分等得以补充,柏木生长环境得到改善[5, 38-39]。本研究结果表明采用目标树经营明显增加了土壤有机质含量,且改善了土壤pH,这可能与林分密度下降,林分结构改善有关。目标树单株周围的土壤有机质积累均高于整个样地,主要是由于目标树获得更大的生长空间,林地地表光照增加,使土壤温度升高,为微生物分解有机质提供了一个更加适宜的环境[40]。目标树单株土壤含水量低于整个样地,且低于CK,可能是由于林冠空隙的增大,林地蒸发量增加造成的[41]。从各处理的土壤线虫群落与环境因子的相关性来看,目标树经营使各处理样地与CK差异明显。

目标树经营改变了林分环境,也影响土壤线虫数量和组成。采用目标树经营增加了线虫属数量和线虫密度,其中线虫密度在9C达到最大,9N次之,而CK最小,表明采用目标树经营有助于促进土壤线虫数量的增加,特别是目标树密度为9 株/667 m2,增加效果最为明显。本研究发现土壤线虫的属数量和个体密度在各季节差异显著,且不同季节的土壤线虫科属差异也较大,这与线虫的生活周期较短有关,因此在研究土壤线虫群落时,应对每个季节的土壤线虫群落进行研究,才能体现此生境的土壤线虫群落特征；本研究的各处理之间土壤线虫属的数量差异不显著,这可能是由于仍处于目标树经营初期,其差异较小造成的。采用目标树经营的线虫生活史策略以c-p 4和c-p 5为主,占总数的54.6%,其中9N的c-p 4和c-p 5占比较CK提升了28.96%,而CK的线虫生活史策略c-p 1和c-p 2所占比重较高。c-p值是按照线虫属于K-对策到r-对策分别赋予的[34],表明采用目标树经营改善了线虫的生存环境,线虫类群由机会主义转变为保守主义,环境趋向于稳定状态[17, 42]。

目标树经营也对土壤线虫优势类群产生了影响。采用目标树经营的处理中均为杂食/捕食性线虫数量最多,其中9C均高于其他处理,而CK为食细菌性线虫数量最多。杂食/捕食性线虫是决定食物网复杂性的关键功能类群[26,43],焦向丽等对东北原始林和次生林中土壤线虫调查发现,原始林中杂食/捕食性较多,而次生林中食细菌性线虫较多[27],主要是由于原始林中生态系统完整,物种多样性高,为杂食/捕食性的生存提供更好的环境,因此杂食/捕食性线虫较多。本研究对柏木人工林采用目标树经营后,杂食/捕食性线虫数量增加,表明土壤线虫食物网拥有了更多的营养层次,土壤动物数量和多样性增多,土壤食物网更稳定,林内环境得到改善。

采用目标树经营的样地多样性指数(H′)、均匀度指数(J)、线虫营养多样性指数(TD)、线虫成熟度指数(MI)均高于CK；线虫通路比值(NCR)表明在各处理样地土壤的分解过程均以细菌为主导,而CK更趋向于细菌控制。多样性指数(H′)、线虫成熟度指数(MI)和线虫营养多样性指数(TD)比起种群个体数量或个体营养类群而言,能更好地诠释线虫群落,更好的评价环境对土壤线虫群落的影响[44- 48]。从本研究的土壤线虫生态学指数来看,采用目标树经营优化了土壤线虫群落结构,提高了土壤线虫多样性,且目标树密度为9 株/667 m2的样地最为显著。

4 结论

目标树经营改善了林分生长环境,特别是目标树单株生长空间得以释放,有机质得以积累。目标树经营也增加了土壤线虫的数量,9C的线虫密度达到最大；目标树经营改善了线虫的生存环境,线虫类群由机会主义转变为保守主义,环境趋向于稳定状态；采用目标树经营的处理中均以杂食/捕食性线虫数量最多,其中9C的杂食/捕食性线虫数量均高于其他处理,而CK则是食细菌性线虫数量最多；采用目标树经营提高了多样性指数(H′)、均匀度指数(J)、线虫营养多样性指数(TD)、线虫成熟度指数(MI),增加了土壤线虫群落多样性,其中目标树密度为9 株/667 m2样地线虫成熟度指数(MI)和总丰富度指数(D)最高。因此,从采用目标树经营对土壤线虫群落的影响角度来看,目标树密度为9 株/667 m2对土壤线虫群落和柏木人工林生态系统的优化最为有利。