内蒙古西部荒漠区短脚锦鸡儿灌丛对土壤线虫群落的影响

王业林，梅续芳，宋承承，张 鹏，高芳磊，解李娜，马成仓

（1.天津师范大学生命科学学院，天津300387；2.天津师范大学天津市动植物抗性重点实验室，天津300387）

近年来，灌木入侵草原已成为全球草地生态系统的普遍现象[1].在内蒙古草原，锦鸡儿属（Caragana） 植物从东北到西南均有分布[2]，是主要优势灌木.全球气候变化和过度放牧使内蒙古草原最终形成了以锦鸡儿属植物占据优势的灌丛化草原.灌木扩张会显著影响生态系统的结构和功能：一方面，会在一定程度上改变地上植物群落的物种组成、丰富度、密度、生物量等[3-4]；另一方面，会直接或间接地对地下生物群落产生影响[5].事实上，由于地下生物群落对短期环境变化更为敏感，因此灌丛对地下生物群落的影响可能要大于对地上植物群落的影响[6].

线虫作为土壤中广泛存在、数量庞大的土壤动物类群，其种类丰富，营养多样，能够对环境变化迅速做出响应，常被作为评价地下生态系统健康与否的理想指示生物，因而越来越受到人们的广泛关注.研究表明，不同土壤线虫营养类群、c-p 类群对环境变化的响应不同.如Li 等[7]研究发现，灌木入侵后食细菌类线虫和c-p 3 ～5 类群数量明显增加；Bakonyi 等[8]发现，温带半干旱灌丛中温度和湿度的变化抑制了捕食杂食类线虫的数量，促进了食细菌和食真菌类线虫的生长.因此，在研究草原灌丛化过程中，不仅需要关注灌丛对土壤线虫多度的影响，还要关注土壤线虫不同营养类群、不同c-p 类群和功能团的响应情况，这将有助于理解灌丛化对草原生态系统的影响机制.灌木对地上植物群落的影响在很大程度上依赖于所观测的植物群落指标，不同维度指标影响不同[9-10]，灌丛对地下土壤线虫群落的影响是否也依赖于不同的群落指标，目前还不清楚.关于灌丛对土壤线虫的影响，尤其是对强干旱环境下的土壤线虫群落的影响，以及这种影响随着土壤深度如何变化的研究报道很少，仅见Su 等[11]关于中国西北干旱荒漠区柽柳（Tamarix chinensis）灌木对土壤线虫群落影响的报道.

短脚锦鸡儿（Caragana brachypoda）是锦鸡儿属植物的重要物种之一.本研究选取内蒙古高原荒漠区的短脚锦鸡儿灌木，从灌丛内外不同土层中分离土壤线虫并进行鉴定，探究短脚锦鸡儿灌丛对土壤线虫群落不同营养类群、不同c-p 类群的影响，以及沿着土壤深度线虫群落的变化趋势.

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古西部阿拉善左旗（38°19′N，105°41′E），平均海拔800 ～1500 m.该地区属典型荒漠区，中温带大陆型气候，以风沙大、干旱少雨、蒸发强烈为主要气候特点.年降水量80 ～220 mm，年均蒸发量2900 ～3300 mm，日照时间3316 h，年平均气温7.2 ℃，无霜期120 ～180 d.研究区植被稀疏，多以灌木、蒿类及旱生禾本科植物为主，形成明显的灌丛斑块和草地斑块相间分布格局.其中优势灌木为锦鸡儿属（Caragana）植物.

1.2 研究方法

1.2.1 土壤样品采集

2016 年7 月，在阿拉善左旗选择地形、坡度、短脚锦鸡儿灌丛盖度基本一致的灌丛化草地进行土壤样品的采集.在样地中随机选取3 株冠幅接近的短脚锦鸡儿灌丛，先用铁铲清除地表的植物凋落物及碎石等，之后在每个样株的灌丛内外（距离灌丛边缘2 m 以上）分别采集0 ～10、10 ～20、30 ～40 cm 的土壤样品.每份土壤样品分为两部分：一部分用自封袋密封后于4 ℃进行保存，并尽快带回实验室用于土壤线虫的分离、计数和鉴定；另一部分风干后过筛，用于土壤理化性质的测定.

1.2.2 土壤线虫分离与鉴定

采用改良的贝尔曼（Baermann）法从20 g 鲜土中分离土壤线虫，分离时间为24 h，用TAF 固定液（三乙醇胺-福尔马林固定液）固定保存线虫.依据《中国土壤动物检索图鉴》[12]和《植物线虫分类学》[13]在光学显微镜下鉴定到属，并统计线虫个体数.利用土壤含水量将提取分离后获得的土壤线虫数量折算成100 g 干土中线虫多度.

1.2.3 土壤理化性质测定

土壤含水量采用烘干法进行测定；速效磷测定采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法；速效钾测定采用醋酸铵浸提-火焰光度法；土壤有机质测定采用重铬酸钾加热法；硝态氮和铵态氮采用流动分析仪进行测定.

1.3 数据处理与分析

根据土壤线虫的形态学特征和食性特征，将线虫划分为食真菌线虫（fungal-feeding nematode，FF）、食细菌线虫（bacterial-feeding nematode，BF）、植物寄生线虫（plant parasitic nematode，PP）、捕食/杂食线虫（omnivorous-predation nematode，OP）4 个营养群（nematode trophic group）.Bongers[14]依据线虫不同的生活史对策将其划分为r-对策（对环境干扰不敏感）向K-对策者（对环境干扰敏感）过渡的5 个c-p（colonizer-persister）类群，其中c-p 1 类群为典型r-对策者，c-p 5 类群为典型K-对策者，c-p 2、c-p 3、c-p 4 分别为中间3种过渡类群.

采用土壤线虫丰富度（物种数）、线虫多度（物种个体数目）、Shannon-Wiener 指数（H′）评估土壤线虫群落多样性.计算公式如下：

式（1）中：Pi为各种群的个体数与群落总个体数的比值.

采用自由生活线虫成熟度指数（MI）评价生态系统的稳定性及其受干扰的程度[15].计算公式如下：

式（2）中：v（i）为土壤线虫第i 类群的c-p 值；f（i）为自由生活线虫第i 类群个体数占群落总个体数的比值.

采用土壤线虫功能团指数，包括结构指数（SI）、富集指数（EI）和通道指数（CI），综合反映食物网的变化情况.计算公式如下：

式（3）—（5）中：b（basal component）为基础组分，b=0.8×（BF2+ FF2）；e(enrichment component)为富集组分，e =3.2×BF1+0.8×FF2；s（structural component）为结构组分，s=BFn×Wn+FFn×Wn+OPn×Wn（n=3 ～5，W3=1.8，W4=3.2，W5=5.0），W 为权重，n 为c-p 值，BF1、BF2、OP2中的下标代表c-p 值.

SI 和EI 指数值均在0～100 之间变化.SI 指数表示对环境干扰敏感的K-对策者的相对丰度，用于评价土壤食物网的食物链长度和复杂性联通度；EI 指数用于评价土壤养分富集状况，值越大，表明外界投入的养分越多，土壤线虫食物资源越丰富[16]；CI 指数在一定程度上可以反映土壤食物网的分解特征，如果CI 值大于50，间接说明土壤分解途径以真菌为主，数值小于50，说明以细菌分解途径为主[17-18].SI 和EI 指数联合使用可以将线虫区系划分为4 个象限，A 象限（EI大于50 且SI 小于50）表明土壤养分较好，干扰程度高，细菌降解途径为主，食物网不稳定；B 象限（EI 和SI 都大于50）表明土壤养分较好，干扰程度低或中等，降解平衡，食物网稳定；C 象限（EI 小于50 且SI 大于50）表明土壤养分较差，无干扰，真菌降解途径为主，食物网稳定；D 象限（EI 和SI 都小于50）表明土壤养分差，干扰程度最高，真菌降解途径为主，食物网退化[19].这4 个象限代表了食物网不同的特征.

利用土壤养分肥力指标（包括速效磷、速效钾、有机质、硝态氮、铵态氮），采用平均值法[20]计算短脚锦鸡儿灌丛的肥岛效应指数.采用相对相互作用强度指数[21]（relative interaction intensity，RII）评估灌丛对土壤线虫群落的影响.

式（6）中：X 为灌丛内（XS）、灌丛外（XO）响应变量观测值.RII 值在-1 到1 之间变动，如果RII 值大于0，说明灌丛对土壤线虫群落具有正效应；如果RII 值小于0，说明灌丛对土壤线虫群落具有负效应.分别计算土壤线虫群落物种数和总数RII 值，取二者平均值作为土壤线虫群落丰度RII 值.

采用双因素方差分析检验短脚锦鸡儿灌丛和土壤深度对土壤线虫群落各观测指标影响及其交互作用的显著性，并用Tukey HSD 做土层之间的多重比较，用独立样本T 检验分析灌丛内和灌丛外之间的差异.统计显著性水平为P ＜0.05.数据分析采用SPSS 20.0软件.

2 结果与分析

2.1 短脚锦鸡儿灌丛土壤线虫群落的数量和多样性

短脚锦鸡儿灌丛内外不同土层深度土壤线虫的多样性特征如图1 所示.由图1 可以看出，短脚锦鸡儿灌丛对土壤线虫的丰富度（F1，12=4.89，P ＜0.05）和多度（F1，12=25.31，P ＜0.05）影响显著，土壤深度仅对灌丛土壤线虫多度影响显著（F2，12=6.45，P ＜0.05），对线虫丰富度（F2，12=0.65，P=0.54）影响不显著.灌丛和土壤深度对Shannon-Wiener 指数（F1，12=0.40，P=0.54；F2，12=0.06，P=0.94）影响均不显著.不同土层土壤线虫的丰富度和多度均表现为灌丛内大于灌丛外，其中表层土的丰富度灌丛内外差异显著（P ＜0.05），线虫次表层和深层多度灌丛内外差异显著（P ＜0.05），表层土壤线虫的多度大于其他土层的多度.

图1 短脚锦鸡儿灌丛内和灌丛外不同土层土壤线虫的多样性指数Fig.1 Biodiversity index inside and outside shrub canopies of Caragana brachypoda at different soil depths

2.2 短脚锦鸡儿灌丛土壤线虫群落的营养结构及生活史特征

土壤线虫不同营养类群在短脚锦鸡儿灌丛内外的多度如图2 所示.

图2 短脚锦鸡儿灌丛内和灌丛外不同土层土壤线虫营养类群和c-p 类群的多度Fig.2 Abundance of nematode trophic groups inside and outside shrub of Caragana brachypoda at different soil depths

由图2（a）可以看出，4 个营养类群中，食细菌类线虫的多度在各土层中均最大，且灌丛内的多度均大于灌丛外的多度.对于植物寄生类线虫，0 ～10 cm 土层灌丛内外的多度基本一致，30 ～40 cm 土层的多度则表现为灌丛外大于灌丛内. 无论是灌丛内还是灌丛外，食细菌类线虫多度均在表层土中最大，具有明显的表聚性.捕食/杂食类线虫在不同土层均是灌丛内的多度显著大于灌丛外的多度.由图2（b）可以看出，5种c-p 类群中，c-p 2 类群比例在灌丛内、灌丛外及不同土层均最大，且灌丛内的多度显著大于灌丛外的多度，表层土的多度高于其他土层的多度.

灌丛和土壤深度对土壤线虫不同类群的影响如表1 所示.由表1 可以看出，灌丛显著影响了食细菌类和植物寄生类线虫的多度，土壤深度显著影响了食细菌类线虫的多度. 灌丛和土壤深度均显著影响c-p 2类群土壤线虫的多度.灌丛和土壤深度对4 种营养类群均没有明显的交互作用.

表1 灌丛、土壤深度以及互作对土壤线虫不同营养类群和c-p 类群丰度影响的方差分析结果（F 值）Tab.1 F-values of ANOVAS for the effects of canopy conditions，soil depth and their interaction on different nematode groups and c-p groups

2.3 短脚锦鸡儿灌丛土壤线虫群落的功能性指数

土壤线虫在短脚锦鸡儿灌丛内外和不同土层的功能性指数如图3 所示.

图3 短脚锦鸡儿灌丛内和灌丛外不同土层土壤线虫的成熟度指数和通道指数Fig.3 Soil nematode maturity index and channel index inside and outside shrub of Caragana brachypoda at different soil depths

由图3 可以看出，灌丛和土壤深度对自由生活线虫的成熟度指数（MI）影响不显著（灌丛：F1，12=0.04，P=0.85；土壤深度：F2，12=0.25，P=0.79）.灌丛对线虫通道指数（CI）的影响显著（F1，12=0.18，P ＜0.05），其中，0 ～10 cm 土层与10 ～20 cm 土层灌丛内的CI 显著大于灌丛外的数值，30 ～40 cm 土层灌丛内外的CI 差异不显著.土壤深度对线虫CI 的影响不显著（F2，12=0.60，P=0.58）.

2.4 短脚锦鸡儿灌丛土壤线虫区系分析

短脚锦鸡儿灌丛土壤线虫的食物网特征如图4所示.

图4 短脚锦鸡儿灌丛土壤线虫区系分析Fig.4 Analysis of soil nematode flora Caragana brachypoda

从图4 可以看出，SI 和EI 样点主要分布在C、D 2个象限，表明荒漠区短脚锦鸡儿灌丛土壤养分的富集情况较差，土壤食物网趋于退化状态.灌丛内不同土层的SI 和EI 组主要分布在D 象限，灌丛外除表层外主要分布在C 象限，这说明灌丛内的土壤环境干扰程度高于灌丛外.SI 指数主要计算对环境干扰敏感的K-对策者的相对丰度，灌丛外各土层的SI 指数均大于灌丛内，说明灌丛外K-对策者土壤线虫较多，土壤食物网较灌丛内复杂.另外，随土壤深度增加，灌丛外SI 指数呈现增长趋势，灌丛内变化不明显.

2.5 短脚锦鸡儿灌丛对土壤营养分布和土壤线虫群落的影响

短脚锦鸡儿灌丛的肥岛效应以及对土壤线虫群落的影响如图5 所示.由图5 可以看出，短脚锦鸡儿灌丛能够聚集养分，促进土壤肥岛的形成.土壤线虫群落丰富度RII 值大于0，说明短脚锦鸡儿灌丛对土壤线虫群落为正效应，即具有促进作用.

图5 短脚锦鸡儿灌丛肥岛效应指数与土壤线虫群落的RII 值Fig.5 Fertile island effect and RII value of soil nematode community for Caragana brachypoda

3 讨论

本研究调查了内蒙古草原荒漠区短脚锦鸡儿灌丛土壤线虫的群落多样性特征，并分析灌丛对线虫群落的影响.研究表明，土壤线虫群落具有明显的垂直分布特性，即随着土壤深度的增加，线虫的丰富度和多度逐渐减少.Zhi 等[22]对腾格里沙漠土壤线虫的研究也发现随着土壤深度增加，土壤线虫的多度减少.土壤线虫群落的垂直异质性可能受食物资源的可利用性驱动，土壤表层较多的凋落物为土壤线虫群落提供了数量更多、质量更好的可利用食物资源，因此线虫呈现出表聚效应.

短脚锦鸡儿灌丛显著影响了土壤线虫群落的丰富度和多度，但对Shannon-Wiener 指数影响不显著.这说明灌丛对地下土壤线虫群落的影响依赖于所测指标，不同维度指标影响不同.这与杨锐等[23]的研究结果一致，该研究发现天然草地在种植燕麦后，土壤线虫群落密度显著增加，但多样性指数无显著变化.土壤线虫群落的丰富度和多度在不同土层灌丛内均大于灌丛外，这主要是因为灌丛内食细菌类线虫的密度显著大于灌丛外的密度.食物资源的供给状况是影响土壤线虫群落丰度的主要因素之一.短脚锦鸡儿灌丛促进土壤肥岛的形成，导致灌丛内植物群落丰富度大于灌丛外[24]，凋落物增加.较多的凋落物为土壤微生物提供了更多的食物资源，同时也促进了以它为食的食细菌线虫丰度的增加.另外一个原因可能是土壤线虫对外界干扰（尤其是放牧）非常敏感[25]，而灌丛对土壤线虫有一定的庇护作用[26]，为其提供了良好的生存环境，导致灌丛内土壤线虫多度大于灌丛外.总之，短脚锦鸡儿灌丛对土壤线虫群落的丰度具有明显正效应.

短脚锦鸡儿灌丛对土壤线虫群落不同营养类群的影响不同，而且在不同土壤深度其数量也存在明显差异.研究发现灌丛和土壤深度对食细菌类线虫均有显著影响，且该类群主要分布在表层土.这主要是因为表层土具有丰富的食物资源[27].植物寄生类线虫主要受灌丛的影响，这是因为不同种类植物的根系分布存在较大差异. 同草本植物相比，短脚锦鸡儿的根系非常发达，具有很多侧根，根长可达1 m，从而导致植物寄生类线虫即使在深层土也很容易获得食物资源[28].

SI、EI 和CI 指数能够很好地反映土壤食物网的复杂性、土壤养分富集情况以及土壤养分的分解途径[29].本研究发现，随着土壤深度的增加，灌丛外的SI 指数逐渐增加，灌丛内变化不明显.这是因为SI 指数主要受c-p 值较大的捕食/杂食性线虫数量的影响，而灌丛外捕食/杂食性线虫密度随土壤深度的变化大于灌丛内.捕食/杂食性线虫是高营养级捕食者，是决定土壤食物网复杂性、稳定性的关键生物类群.研究发现，不同土层SI 指数均表现为灌丛外大于灌丛内，这说明灌丛外的土壤食物网更复杂、更稳定.土壤线虫区系分析表明SI 和EI 样点主要分布在C、D 两个象限，这说明虽然短脚锦鸡儿灌丛具有明显的肥岛效应，但与环境友好地区相比，土壤养分情况还是较差，土壤食物网趋于退化状态.另外，灌丛内不同土层SI 和EI 组主要分布在D 象限，说明灌丛内土壤环境的干扰程度高于灌丛外.这主要是因为灌丛能够聚集养分，导致营养环境波动.短脚锦鸡儿灌丛内不同土层的CI 值均大于50，灌丛外小于50，这在一定程度上说明灌丛内的碎屑食物网以真菌分解途径为主，灌丛外以细菌分解途径为主.以细菌分解途径为主的食物网物质循环速率较快，更有利于生物群落从土壤中吸收养分[15]，但从长远来看，养分周转速率快将会导致土壤中有机质、硝态氮等养分消耗较快，进一步造成土壤贫瘠.

综合来看，在荒漠区短脚锦鸡儿灌丛促进了土壤肥岛的形成，从而使土壤线虫群落的多度增加. 灌丛对土壤线虫群落的影响依赖于所量化指标，不同指标（丰富度、多样性）和不同营养类群的效应不同. 土壤线虫群落及其不同营养类群均具有明显的表聚性.灌丛肥岛效应导致灌丛内的土壤环境干扰程度高于灌丛外，进而影响土壤线虫的区系分布.灌丛虽然对荒漠区恶劣的环境有一定的缓冲作用，但该地区土壤养分条件还是较差，土壤食物网趋于退化状态.