外源性养分添加对高寒草甸土壤节肢动物群落的影响

李鑫，魏雪，王长庭，任晓，吴鹏飞

（西南民族大学青藏高原研究院，四川 成都 610225）

青藏高原是世界“第三极”，拥有特殊的自然环境和生态系统，同时也是众多河流的水源地，其生态安全在我国占有重要地位［1］。高寒草甸是青藏高原逐渐适应其环境变化的典型植被类型，是其最主要的生态系统［2］。近年来，受自然和人为因素的影响，高寒草甸生态系统出现持续退化［3］。研究表明，减牧、灭鼠、围栏以及养分添加等措施有利于退化高寒草甸的恢复和改良［4-5］。其中养分添加不仅能提高生产力，还能改善植被群落结构和营养物质的含量，对改良退化高寒草甸生态系统起积极作用［6］。

土壤动物是高寒草甸生态系统重要组分之一，在土壤物质分解、水分调节、植物演替中占有重要地位［7-8］。土壤动物的分布受土壤理化性质、植物结构等地上、地下生物多样性的影响，并对环境变化极其敏感，具有指示作用［9-11］。养分添加不仅能改变植物残留物和根际产物（如根分泌物、黏胶物质）的数量和种类，还能影响土壤理化性质，直接或间接影响土壤动物群落组成结构和多样性［12-13］。现有的研究表明，氮添加降低草原土壤线虫和原生动物的数量和多样性，而磷添加则可增加原生动物数量和多样性［14］；在高寒草甸中氮和磷混合添加能提高植物群落盖度和生产力［15］。但是关于外源性养分添加对高寒草甸土壤节肢动物群落多样性的影响未见报道，研究这一问题可以掌握外源性养分添加对高寒草甸生态系统地下生物群落结构的影响。

以不同外源养分添加的高寒草甸土壤节肢动物群落为研究对象，查明土壤节肢动物群落组成及多样性的演变规律，为高寒草甸生态系统的施肥管理提供技术支撑，促进青藏高原生态安全。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于川西北红原县（32°49′N，102°35′E），平均海拔约为3500 m，属大陆性高原寒温带季风气候，年平均气温1.1℃，最高气温24.6℃，最低气温-10.3℃，全年日照2000～2400 h，年平均降水量753 mm，年降水量的80%主要集中在5-9月，年均积雪期约为3个月。该区土壤为亚高山草甸土，主要植被类型是亚高山草甸，有莎草科、禾本科、豆科及杂草类等植被。

1.2 试验设计

2012年5月下旬在基地选择一块面积为100 m×100 m的高寒草甸作为研究样地，四周用铁丝网隔离保护，以防牲畜进入啃食和踩踏。设置60个3 m×3 m的样方，每个样方的4个角用木桩固定，各样方之间有2 m间隔。

参照已有养分添加研究［16-17］，设计了氮添加（N）、磷添加（P）和氮磷等量混合添加（NP）3种处理。每种添加处理设3个梯度，10、20和30 g·m-2（依次记为N10、P10、NP10、N20、P20、NP20、N30、P30、NP30），以未添加养分的高寒草甸样方（3 m×3 m）为对照（CK），6次重复，共计60个样方。N添加选用的是含N量为46%的CO（NH2）2，P添加选用含P2O5量为16%的过磷酸钙Ca（H2PO4）·H2O。从2012年开始，于每年5月中旬阴雨天后将肥料均匀施撒于各样方中。

1.3 土壤节肢动物采集与鉴定

先后于2017和2020年的8月，根据对角线法在每个样方内选取3个点，用土钻钻取0～15 cm土样，等量混合后装入塑封袋内并编号，于室内分离土壤节肢动物。前后两次共采集土样120份。

用Tullgren干漏斗法对土壤节肢动物进行分离，温度控制在38℃左右，连续分离48 h。用75%的酒精保存。根据《中国土壤动物检索图鉴》［18］、《农业螨类学》［19］以及弹尾纲分类系统［20］等参考资料，在显微镜（Olympus BX53、Olympus SZX16，日本）下对土壤节肢动物进行鉴定。鉴定到属或科，并统计个体数量。

1.4 植物群落和土壤理化性质调查

在每个样方内选取边长为1 m的正方形小样方进行植物群落调查。用收获法收集地上生物量，将收获的植物样品在65°C下烘干至恒重，称取重量。

此外，先后两次在每个小样方内钻取0～15 cm混合土样500 g左右，共计120份，用于土壤理化性质的分析。采用电位法测定pH；采用钼锑抗比色法测定全磷含量；采用凯氏定氮法测定全氮含量；采用高温加热重铬酸钾氧化滴定法测定有机质含量［21］。

1.5 数据分析处理

按照各类群个体数占总捕获量的百分比划分优势类群，10%以上者为优势类群，1%～10%者为常见类群，1%以下者为稀有类群［22］。

此外，甲螨亚目（Oribatida）、长角䖴目（Entomobryomorph）、原䖴目（Poduromorpha）、中气门亚目（Mesostigmata）、前气门亚目（Prostigmata）和同翅目（Homoptera）6个目的个体数占总个体数的94%以上，因此对以上6个主要类群（目）的密度进行分析，以研究不同外源性养分添加对土壤节肢动物的群落组成结构的影响。

利用三因素方差分析（three-way ANOVA）检验年份、养分种类、处理梯度及其交互作用对土壤节肢动物群落的密度、多样性指数以及主要类群影响的差异显著性；单一变量之间的统计分析利用单因素方差分析（oneway ANOVA）检验，利用T检验比较两年份之间的差异；采用单因素方差分析土壤基本概况。分析前，先对数据进行正态性检验，如不符合正态分布，则利用lg（x+1）转换降低数据的非正态性；对转换后仍不符合正态分布的数据使用非参数检验。

选择典范对应分析（canonical correspondence analysis，CCA）对土壤节肢动物群落与环境因子进行排序，分析两者之间的关系。在典范对应分析之前，先对土壤节肢动物群落分布进行消除趋势对应分析（detrended correspondence analysis，DCA），4个排序轴中最大值均大于4。此外，采用多元回归（逐步法）分析环境因子与土壤节肢动物群落密度、多样性和主要类群等的关系。

使用IBM SPSS 21.0、Origin 2021和Canoco for windows 5.0等软件进行数据分析处理。

2 结果与分析

2.1 土壤节肢动物群落组成

两次调查共分离到土壤节肢动物4197只，隶属于7纲30目151科248属（类）。在纲层次上，螨类（Arachnida）、跳虫（Collembola）和昆虫纲（Insecta）为优势类群，分别占捕获量的64.31%、25.04%和10.51%，其他纲共占比0.14%。在目层次上，甲螨亚目和长角䖴目为优势类群，分别占总捕获量的50.20%和15.96%；原䖴目、中气门亚目等5目为常见类群，占总捕获量的30.26%；膜翅目（Hymenoptrera）等23目为稀有类群，占总捕获量的3.58%。在属水平上，无优势类群，常见类群包括单奥甲螨属（Phauloppia）、球蚜科（Adelgidae）等28属，占总捕获量的63.28%；稀有类群包括小缝甲螨属（Hypochthoniella）、副大翼甲螨属（Parakalumna）等220属，占总捕获量的36.72%。

2.2 外源性养分添加对土壤节肢动物群落密度及多样性影响

不同养分添加处理间土壤节肢动物群落的密度及多样性存在差异（图1）。N和P添加土壤节肢动物的密度、类群数和Shannon多样性指数高于CK，但均无显著差异（P＞0.05）；而NP混加土壤节肢动物的密度和类群数显著高于CK（P＜0.05），Shannon多样性指数无显著差异（P＞0.05）（图1）。

图1 不同养分添加处理下土壤节肢动物群落密度及多样性Fig.1 The abundances and diver sity index of soil ar thr opod communities in different nutrient addition treatments（mean±SE）

不同处理梯度也可影响土壤节肢动物的群落密度及多样性，并存在年际间差异（图1）。N、P添加时，除2017年的类群数在P添加各处理梯度间有显著差异外（P＜0.05），土壤节肢动物群落的密度、类群数和Shannon多样性指数随养分添加处理梯度增加整体无显著变化。土壤节肢动物群落的类群数和Shannon多样性指数在2017年随NP混加处理梯度的增加先上升后下降，在2020年则为逐渐下降趋势（图1）。

随养分添加年份的变化，2020年CK、N、P添加处理的土壤节肢动物群落的密度、类群数和Shannon多样性指数均高于2017年，且N和P添加处理存在显著性差异（P＜0.05）。而NP混加条件下2020年的各指数低于2017年，其中密度和类群数的变化具有显著差异（P＜0.05）（图1）。

此外，土壤节肢动物群落的密度、类群数和Shannon多样性指数还受年份、不同养分添加和处理梯度三者交互作用的影响（表1）。

表1 不同养分添加处理间土壤节肢动物群落密度及多样性差异Table 1 Results of Thr ee-way ANOVA on the abundances and diver sity indices of soil arthropod communities（N=6）

2.3 外源性养分添加对土壤节肢动物主要类群的影响

不同养分添加对土壤节肢动物主要类群密度的影响存在差异（图2）。与对照CK相比，N、P添加显著增加长角䖴目密度（P＜0.05）；NP混加显著增加甲螨亚目和中气门亚目密度（P＜0.05）；P和NP添加显著增加同翅目密度（P＜0.05）；原䖴目和前气门亚目密度各养分添加无显著差异（P＞0.05）（图2）。

与2017年相比，2020年的CK、N和P添加处理的甲螨亚目、长角䖴目密度显著增加（P＜0.05），而中气门亚目、前气门亚目和原䖴目密度无显著差异（P＞0.05），但同翅目密度显著降低（P＜0.05）；NP添加显著降低甲螨亚目、中气门亚目、前气门亚目和同翅目密度，但长角䖴目密度显著增加（P＜0.05）（图2）。

图2 不同养分添加处理下土壤节肢动物的主要类群密度Fig.2 The abundances of the major soil arthropod groups in different nutrient treatments（mean±SE）

2.4 环境因子与土壤节肢动物的关系

不同养分添加处理间的土壤有机质含量无显著差异（P＞0.05），而土壤p H、TN、TP、地上生物量及群落盖度均有显著差异（P＜0.05）（表2）。其中，CK的土壤pH显著高于养分添加处理（P＜0.05）；NP30土壤全P、地上生物量显著高于对照（P＜0.05）；P20、NP20、NP30植物群落盖度显著高于对照（P＜0.05）（表2）。由此可知，养分添加可降低土壤p H，增加植物群落盖度和地上生物量。

表2 不同养分添加样地的基本概况Table 2 Basic infor mation of sample plots with different nutrient additions

典范对应分析（CCA）结果（图3）表明，添加N、P和NP能影响土壤节肢动物群落组成结构。第1排序轴分别解释了土壤节肢动物群落与环境关系的15.12%、22.05%和11.26%；第2排序轴分别解释了土壤节肢动物群落与环境关系的7.40%、10.60%和8.69%（图3）。N添加中，TP是影响土壤节肢动物群落的主要因素，解释了环境因子对土壤节肢动物群落影响的6.3%（P=0.002）；P添加中，群落盖度是影响土壤节肢动物群落的主要因素，解释率为6.1%（P=0.008），其次是SOM（4.2%，P=0.044）和地上生物量（4.1%，P=0.030）；NP混加中，土壤p H是影响土壤节肢动物群落的主要因素，解释率为4.3%（P=0.008）（图3）。由此可知，影响土壤节肢动物群落组成的主要环境因子分别是土壤p H、TP和群落盖度。

图3 土壤节肢动物群落与环境因子的典范对应分析Fig.3 Canonical cor respondence analysis on the r elationships between soil ar thropod communities and envir onmental factor s

土壤节肢动物群落密度及多样性与环境因子的多元回归分析结果（表3）表明，密度、类群数和Shannon多样性指数与TP和地上生物量均呈显著正相关（P＜0.05），甲螨亚目与TN、TP和群落盖度均呈显著正相关（P＜0.05），中气门亚目与pH和群落盖度均呈显著正相关（P＜0.05），长角䖴目与TN呈显著正相关（P＜0.05）。总体上，土壤TP和地上生物量是影响土壤节肢动物群落的主要因素。

表3 土壤节肢动物及主要类群与环境因子的多元回归分析Table 3 The multiple regression analysis on the relationships among the soil arthropod communities，major groups and environmental factor s

3 讨论

外源营养物质添加能改变土壤性质、土壤污染状况、土壤水分，直接或间接地影响土壤动物群落结构［23］。本研究表明外源性养分添加样地的土壤节肢动物群落密度及多样性高于对照样地。这可能是外源性养分添加不仅改善了土壤结构，还增加土壤养分含量，从而提高高寒草甸生物量［15］，为土壤动物生活所需食物和环境提供了优越条件，满足其生存繁殖的需要［24］。

本研究还发现，添加N、P和NP均提高了高寒草甸土壤节肢动物的群落密度及多样性，以养分添加梯度为20 g·m-2和NP混加处理最明显，说明对高寒草甸进行适宜的氮磷添加可以缓解土壤养分对土壤节肢动物生长繁殖的限制。此外，NP混加土壤节肢动物群落密度和多样性增加比N、P添加更显著，表明NP混加对土壤节肢动物群落具有一定的综合效应。研究发现，高寒草甸土壤线虫密度随N添加5～15 g·m-2呈先增加后降低的趋势，而在P添加2～8 g·m-2和NP混施12～18 g·m-2处理下土壤线虫密度均降低，并以NP混加处理最显著［25］。高寒草甸土壤节肢动物密度随N添加10～30 g·m-2呈先降低后升高的趋势，而在P添加10～30 g·m-2和NP添加10～30 g·m-2处理下均呈先增加后降低的趋势，同样以NP混加处理最显著［26］。这表明不同的土壤动物类群对养分添加量的响应不同，其原因可能是土壤节肢动物和线虫对N、P的需求或响应途径存在差异。此外，其他研究发现，N肥添加量在15～30 g·m-2，P肥添加量在15～22.5 g·m-2，N肥和P肥总添加量不应超过60 g·m-2的情况下，才能确保高寒草甸的牧草质量和产量最优［16-17］。因此，在高寒草甸生态系统中进行外源养分添加时，应综合考虑对地下土壤生物多样性和地上植物产量等多方面的影响。

研究发现，与CK相比，单施N、P和NP混施均能够提高跳虫和螨类的密度，但N、P单施更有利于跳虫，而NP混施则更有利于螨类。甲螨亚目密度主要是受土壤TP、TN和群落盖度的影响，中气门亚目密度主要与土壤pH、群落盖度呈正相关，而长角䖴目密度仅与TN呈显著正相关（表3）。其他研究发现施有机肥有利于等节䖴科、球角䖴科和棘䖴科等跳虫，而有机无机肥料混合添加有利于提高螨类的丰富度［27］。跳虫和螨类与环境因子的关系说明跳虫生长繁殖速度对环境变化的响应机制相对简单，能对单一环境因子变化做出显著响应，而螨类生长繁殖速度对环境变化的响应机制相对复杂，需要多因子综合作用。因此，跳虫适合用于指示和监测单一因子环境变化，而螨类适合用于指示和监测环境的多因子综合变化。

本研究发现先后两次采样间，螨类和昆虫纲个体数量减少，跳虫个体数量增加，而螨类、跳虫和昆虫纲三类群个体占比由第1次采样的73.51%、11.59%、14.90%变化为第2次采样的53.21%、41.27%、5.21%。表明长期添加N、P肥对土壤节肢动物群落中螨类和昆虫纲不利，对跳虫较为有利。其他研究也发现长期养分添加可降低螨类数量［28］，增加跳虫数量［29］，本研究结果与之一致。本研究中，昆虫纲个体数量的降低主要是因为同翅目个体的减少，但同翅目的密度与土壤p H、SOM、TP、TN等无显著相关（P＞0.05）。因此，在高寒草甸生态系统中，同翅目可能是受到其他环境因素的影响。有研究发现同翅目受时间和空间变化的影响比较敏感［30］。螨类、跳虫和昆虫个体数量及所占比例的变化表明，长期养分添加改变了土壤节肢动物群落的组成结构，将会导致其生态功能的改变。

植物群落和土壤是影响土壤动物群落两个最重要的因素［22］。本研究发现高寒草甸土壤p H、SOM、TN、TP、地上生物量及植物群落盖度对土壤节肢动物群落组成有不同程度的影响，且不同养分添加处理的土壤节肢动物群落所受影响的环境因子不同，说明不同养分添加样地间环境因子的差异是导致土壤节肢动物群落变化的重要因素。本研究中，土壤节肢动物群落密度、类群数和Shannon多样性指数与TP和地上生物量均呈显著正相关（P＜0.05）。而其他研究发现放牧条件下的高寒草甸土壤节肢动物群落总类群数与土壤TP呈显著正相关，Shannon多样性指数和丰富度指数与土壤pH呈显著正相关［31］；高寒人工草地土壤线虫群落密度与速效氮呈显著负相关，类群数与土壤有机质呈显著负相关，Shannon多样性指数与速效磷呈显著正相关［32］；锡林郭勒草原土壤动物群落密度与地上生物量显著相关［33］。这些研究结果表明，在不同的草地生态系统中影响土壤动物多样性的环境因子存在较大差异，但土壤磷含量与土壤动物多样性均呈正相关，可能是因为土壤磷含量的增加减轻了磷的限制作用并改变土壤其他理化性质，进而影响植物根系和植物群落特征，增加植物的生物量［34］，为土壤动物提供适宜的栖息环境和丰富的食物资源。

土壤动物多样性和功能能够灵敏反映人为干扰等环境变化，并通过与生物和非生物组分间的相互作用对地上生态系统产生反馈作用［35］。本研究不同养分添加处理及前后两次采样的年际间变化表明，连续8年N、P添加对土壤节肢动物多样性仍能起促进作用，但是NP混加则开始对土壤节肢动物多样性起抑制作用。其他研究表明，连续8年外源性养分添加对农田土壤动物群落影响显著，其中秸秆与化肥混加和有机肥两种养分添加中土壤动物群落的多样性显著高于对照、氮和氮磷钾等3种养分添加，说明有机肥的长期添加有利于提高土壤动物的生存和繁殖［36］。从本研究中土壤节肢动物多样性变化趋势来看，在高寒草甸上连续8年NP混加后土壤节肢动物多样性开始下降，而N、P添加处理下土壤节肢动物多样性还在增加，表明NP混加下的土壤环境已经超过土壤节肢动物的耐受上限。因此，可以暂停NP养分的输入，以免降低高寒草甸生态系统土壤分解食物网的功能。

4 结论

外源性氮、磷添加能增加高寒草甸土壤节肢动物群落的密度及多样性，以20 g·m-2的氮磷混加处理效果最明显。氮、磷单独添加对跳虫更有利，而氮磷混加则对螨类更有利。连续8年氮、磷单独添加对土壤节肢动物多样性起促进作用，而氮磷混加则对土壤节肢动物多样性起抑制作用。影响土壤节肢动物群落密度和多样性的主要因素是土壤全磷含量和地上生物量。因此，建议在高寒草甸进行外源性养分添加，以年添加量为20 g·m-2的氮磷混加为宜，且不宜超过8年。