模拟CO2浓度升高对三江平原中小型土壤动物多样性和功能群结构的影响

伍一宁，许 楠，王 贺，钟海秀，李金博，王丽媛，杨立宾，VIADISLAV Leonov，SERGEY Tsurikov，倪红伟，邹红菲

（1.东北林业大学野生动物资源学院，黑龙江 哈尔滨 150040；2.黑龙江省科学院自然与生态研究所，黑龙江 哈尔滨 150040；3.俄罗斯科学院谢韦尔佐夫生态与进化研究所，莫斯科 119071）

近百年来，由于工业革命迅猛发展以及人类活动的加剧，全球大气CO2浓度上升迅猛。IPCC指出按照当前增长速率，大气CO2浓度已经由工业革命前的 280 μmol·mol-1增加到目前的 370 μmol·mol-1，预计到21世纪中期CO2浓度将达到550 μmol·mol-1，到 21 世纪末期将超过 700 μmol·mol-1[1]。CO2作为光合作用中最基础的原料之一，其浓度的升高影响由光合作用驱动的生态过程，促进了植物的光合作用以及增加的光合产物由植物韧皮部输送到地下生态系统，而增加的这部分地下碳输入也是给土壤动物提供能量和养分的关键，因此可以直接或间接地影响土壤动物的群落结构和生态功能[2]。土壤动物群落对全球变化的响应研究，将是保护土壤生态系统生物多样性、维持生态系统结构、功能和稳定性的关键[3]。

目前，关于CO2浓度升高已经开展近30年，随着土壤生态学与全球变化的相关研究的不断深入，关于土壤动物对CO2浓度升高响应的研究逐渐受到关注。已有研究表明，土壤动物对CO2的响应因动物的体长和所处营养级别而不同[4]，小型土壤动物类群数与CO2浓度呈正相关关系，而中型土壤动物与CO2浓度却表现为负相关关系[5-6]。综合分析表明，已有研究主要集中于森林[7-8]、农田[9-10]等生态系统中土壤动物对CO2浓度升高的响应研究，而对于湿地生态系统的探究较少。

三江平原是我国面积最大、分布最集中的淡水沼泽湿地分布区，目前关于CO2浓度升高对三江湿地生态系统的影响已经做了大量的研究，如植物生物量的变化[11]、营养物质循环的变化[12]、土壤微生物的变化[13]等方面。同时，CO2浓度升高从多种尺度上如物种个体行为、种群动态、群落多样性以及整个生态系统的功能等方面对湿地生态系统产生广泛而深刻的影响[14]。但是，关于该区域土壤中小型土壤动物群落多样性对CO2增加的响应规律尚不清楚。土壤动物不仅是土壤生态系统重要的组成部分，也是生态系统元素迁移转化、凋落物分解以及土壤有机质矿化生态过程的重要参与者[15]。因此，本研究以中小型土壤动物为主要研究对象，采用野外原位模拟试验探讨中小型土壤动物对CO2浓度升高的响应特征，旨在为三江平原湿地生态系统土壤动物多样性保护、响应气候变化及生态系统管理提供科学依据。

1 试验材料与方法

1.1 研究区概况

本研究依托于黑龙江省科学院自然与生态研究所三江平原湿地生态定位研究站模拟气候变化实验平台进行。平台位于三江平原东北部的洪河国家级自然保护区内，该地区海拔55-65 m，地理坐标47°42′01″-47°52′00″ N，133°34′38″- 133°46′29″ E。年均降水量550～600 mm，降水主要集中在6-9月，年均气温1.9 ℃，无霜期127 d左右。试验地土壤类型也从草甸土向草甸沼泽土、腐殖质沼泽土以及泥炭土演变。试验地主要优势物种为小叶章(Calamagrostis angustifolia)、毛果苔草(Carex lasiocarpa)、狭叶甜茅(Glyceria spiculosa)、漂筏苔草(C.pseudocuraica)等[16]。

1.2 试验设计

于2009年采用OTC开顶式气室进行模拟CO2浓度升高野外原位试验，设置3个处理，分别为低浓度 370 μmol·mol-1CO2、中浓度 550 μmol·mol-1CO2、高浓度 700 μmol·mol-1CO2。每个处理设置3个重复，共计9个气室，气室面积为11 m2，每年4-10月生长季期间通气(雨天停止通气)。OTC气室内植被主要以小叶章为主，盖度在85%以上，土壤类型主要有草甸沼泽土和泥炭沼泽土。

1.3 中小型土壤动物分离及鉴定

2017年秋季，即连续8年模拟CO2升高试验之后，取面积为15 cm × 15 cm、深度为10 cm的土壤样品带回实验室。共9个土壤样品用于分离中小型土壤动物，分离土壤动物的土壤进行下一步理化性质分析。中小型干生土壤动物主要采用Tullgren干漏斗法烘干分离7 d，分离出的干生土壤动物用盛有75%酒精的器皿内收集。由于湿地湿生土壤动物较多且移动较慢，土壤温度过高或过低都会影响其分离效果，因此采用湿漏斗法(Baermann)进行分离。分离所得的土壤动物采用多功能变焦显微镜Nikon AZ100体视显微镜Olympus SZX7观察，参考《中国土壤动物检索图鉴》[17]和《中国亚热带土壤动物》[18]进行分类鉴定，并统计数量(单位：只)，所有土壤动物除线虫纲和原尾纲均鉴定至科的水平。

1.4 环境因子测定

小叶章总生物量由地上生物量和地下生物量组成。地上生物量取样面积与土壤动物取样面积一致，即15 cm × 15 cm，用剪刀沿土壤表面剪下植物的地上部分；植物地下生物量使用挖掘法，挖取深度为0-10 cm，取出后用清水将根冲洗干净分别置于80 ℃烘箱中烘干至恒重，每个处理重复3次。

土壤有机质采用重铬酸钾容量法测定[19]，土壤全氮采用半微量开氏法测定，土壤全磷采用硫酸-高氯酸消煮法测定，土壤含水率采用烘干法测定，土壤pH采用pH计(Sartorius PB-10)测定。

1.5 数据分析与处理

中小型土壤动物优势类群按照不同土壤动物类群在群落总数量中所占比例划分，分为优势类群(＞ 10%)，常见类群 (1～10%)和稀有类群 (＜ 1%)。

根据土壤动物生活型和食性差异，将土壤动物分为杂食性(omnivore,Om)、植食性(phytophage,Ph)、捕食性(predator,Pr)和腐食性(saprophyte,Sa)4类取食功能群[20]。

采用如下公式对调查获得的中小型土壤动物多样性进行分析[21]。

式中：N为群落所有种类的个体总数，S为群落类群数，Pi=ni/N为第i个类群的多度比例。

所有试验数据运用SPSS 20.0和CANOCO 4.5软件进行统计分析，数据分析前，对中小型土壤动物数据进行lg(x+1)对数转换，对于服从正态分布的土壤动物数据采用单因素方差分析(One-way ANOVA)和多重比较法(LSD)分析不同处理间数据的差异。在处理中小型土壤动物和土壤环境因子数据之前进行DCA分析，结果发现Lengths of gradient的第一轴小于3.0，因此选择冗余分析(RDA)进行相关分析。图中土壤动物密度数据为分离的土壤动物个体数量换算成的平均密度(× 103ind·m-2)，并使用ORIGIN 9.0和CANOCO 4.5软件进行制图。

2 结果与分析

2.1 CO2浓度升高对中小型土壤动物群落组成的影响

共捕获中小型土壤动物4 985只，隶属于7纲13目62个类群(成虫和幼虫分开统计)(表1)。在370 μmol·mol-1CO2处理样地中，优势类群是甲螨若螨 (Oribatida nymphs)，占捕获量的20.95%；550 μmol·mol-1CO2处理样地中，优势类群主要是甲螨若螨和奥甲螨科，占捕获量的27.9%；700 μmol·mol-1CO2处理样地中，优势类群主要是甲螨若螨、奥甲螨科、盲甲螨科和步甲螨科，占捕获量的50.84%。3个不同CO2处理样地中常见类群分别有23、18和17类；稀有类群分别有20、30和26类。不同处理样地的土壤动物类群组成差异较明显。370 μmol·mol-1CO2处理地势较低且季节性积水较多，因此取样时导致部分土壤动物如线虫等数量较低。在3种CO2浓度处理的样地中甲螨若螨均是优势土壤动物，常见类群为盖头甲螨科、丽甲螨科、珠甲螨科、卷甲螨科、尖棱甲螨科、大翼甲螨科、小赫甲螨、菌甲螨科、四奥甲螨科、洼甲螨科、鲜甲螨科、等节跳虫科、跳虫科、长脚跳科和摇蚊科幼虫。这表明共有优势土壤动物和常见土壤动物是研究区域内对环境变化适应能力最强的土壤动物类群。此外，盲甲螨科和步甲螨科在3种不同处理样地中作为优势类群或常见类群，表明这3类土壤动物是本研究区域内广适性土壤动物类群。

表1 不同CO2浓度处理下中小型土壤动物群落组成Table 1 Composition of soil meso- and micro-fauna at different concentrations of carbon dioxide

续表1Table 1 (Continued)

2.2 CO2浓度升高对中小型土壤动物多样性的影响

CO2浓度升高对中小型土壤动物的多度影响显著 (图1)。700 μmol·mol-1CO2处理下中小型土壤动物的多度显著高于 550 μmol·mol-1CO2处理 (P＜0.05)，550 μmol·mol-1CO2处理下的中小型土壤动物显著高于 370 μmol·mol-1CO2处理 (P＜ 0.05)。在550 μmol·mol-1CO2处理下中小型土壤动物的类群数显著高于 370 μmol·mol-1CO2处理 (P＜ 0.05)，但是550 μmol·mol-1CO2处理下的中小型土壤动物的类群数与 700 μmol·mol-1CO2处理并无显著差异 (P＞ 0.05)。

图1 CO2浓度升高对中小型土壤动物群落多度和类群数的影响Figure 1 Effect of different concentrations of carbon dioxide on the abundance and group number of soil meso- and micro-fauna

不同CO2浓度处理下，中小型土壤动物的Shannon-Wiener多样性指数、Simspon优势度指数和Margalef丰富度指数均无显著差异(P＞ 0.05)，但Pielou均匀度指数对CO2浓度升高有显著响应(P＜ 0.05) (图2)，Pielou 均匀度指数均表现为 370 μmol·mol-1CO2＞550 μmol·mol-1CO2＞ 700 μmol·mol-1CO2。

2.3 CO2浓度升高对中小型土壤动物功能群结构的影响

在所有样地捕获的中小型土壤动物中，其多度以腐食性动物为主，占总多度的84.94%，包含26个类群，其中甲螨若螨占总多度的18.67%，其次依次是杂食性(6.70%)、植食性(6.22%)和捕食性(2.14%)。在所有样地共捕获的中小型土壤动物中，以腐食性类群数为主，占总类群数的42.62%，其次是捕食性(26.23%)、植食性(19.67%)和杂食性(11.48%)。腐食性动物在 700 μmol·mol-1CO2处理下多度明显高于 550 μmol·mol-1CO2处理 (P＜ 0.05)，但类群数却无显著差异(P＞ 0.05)；杂食性动物多度与类群数随CO2浓度升高显著增加(P＜ 0.05)；植食性动物和捕食性动物的多度和类群数对CO2浓度升高均无显著响应(P＞ 0.05) (图3)。

2.4 不同类群中小型土壤动物和环境因子的冗余分析

选择7种环境因子与中小型土壤动物的多度、类群数进行冗余分析(RDA)并进行排序。结果表明前两个排序轴对物种的贡献率累计达到88.90%，且蒙特卡洛检验表明，环境因子对土壤动物的影响达到显著水平(第1排序轴F= 4.362，P= 0.036；所有排序轴F= 6.850，P= 0.078)，这说明环境因子可以在较大程度上反映不同类群土壤动物和环境因子之间的关系(表2)。

其中，第1轴与全磷呈显著正相关关系(P＜ 0.05)，与总生物量和CO2浓度呈极显著正相关关系(P＜ 0.01)；第2轴与有机质呈显著正相关关系(P＜ 0.05)。由排序图可以看出环境因子对中小型土壤动物分布相关性大小表现为：总生物量 ＞ CO2浓度 ＞ 有机质 ＞全磷 ＞ 全氮 ＞ pH ＞ 含水量 (表3)。

图2 浓度升高对中小型土壤动物群落多样性指数的影响Figure 2 Effect of different concentrations of carbon dioxide on the ecology index of soil meso- and micro-fauna community diversity

图3 不同CO2浓度处理对中小型土壤动物不同功能群的多度和类群数的影响Figure 3 Effect of different concentrations of carbon dioxide on the abundance of different feeding groups of soil meso- and micro-fauna

表2 RDA排序轴的特征值、动物类群与环境因子的相关系数Table 2 Eigenvalues and taxa-environment correlation coefficients for the RDA ordination axes

表3 环境变量与RDA排序轴的相关系数Table 3 Correlation coefficients of environmental variables with RDA ordination axes

尾足螨科与长足虻科幼虫，尖翅蝇科幼虫与长脚毛蚊科幼虫，蟹蛛科与蚤蝇科幼虫，丽甲螨科与尖棱甲螨科，寄螨科、派盾螨科与舞虻科幼虫，正蚓科、毛蠓科幼虫、盘甲科、土蝽科、姬蠊科若虫与虱啮科等中小型土壤动物类群分布差异较小(图4)。蟹蛛科、蚤蝇科幼虫和等节跳虫科等中小型土壤动物分布于两个排序轴垂直交叉点附近，集中在图的中心位置。其中盖头甲螨科与CO2浓度相关性较大，步甲科与土壤有机质相关性较大，摇蚊科幼虫与全氮相关性较大，尾足螨科、长足虻科幼虫与全磷相关性较大，沼啮科与生物量相关性较大，正蚓科、毛蠓科幼虫、盘甲科、土蝽科、姬蠊科若虫)和虱啮科均与土壤pH、土壤含水量紧密相关。

图4 不同CO2浓度处理下的中小型土壤动物类群与环境因子RDA分析Figure 4 RDA analysis between soil meso- and micro-fauna groups and environmental variables at different CO2 concentrations

3 讨论与结论

3.1 CO2浓度升高对中小型土壤动物群落组成及多样性特征的影响

土壤动物群落组成及多样性动态研究是土壤动物生态学的基础[22]，不仅能揭示土壤动物对环境变化的响应，还能够揭示群落的形成演替规律以及维持机制。三江平原中小型土壤动物群落的多度和类群数随着CO2浓度升高呈显著上升趋势，国内外有关CO2浓度升高对土壤动物的影响结果表明，CO2浓度升高对土壤动物产生正面影响[23-25]，通过刺激植物的光合作用并提高植物的生物量，植被生物量的增加可以提高土壤表层的有机物输入，并为土壤动物提供了食物资源和营养生态位，对土壤动物产生积极的间接作用。CO2浓度的增加通过提高初级生产力进一步导致凋落物增加、根系分泌物增多以及土壤食物网的分解，进而对土壤动物产生影响[26]。本研究得出CO2浓度升高对三江平原中小型土壤动物的多样性指数、优势度指数、丰富度指数均无显著影响，但对均匀度指数有显著影响。一般来说群落优势度指数越大，说明群落内某种优势土壤动物占群落总数的比例越高，进而导致土壤动物群落物种分布越不均匀[27]。本研究中共有优势土壤动物甲螨若螨随CO2浓度升高而数量增加，因此随CO2浓度升高优势度指数增加，均匀度指数减少，这与上述结论一致。

3.2 CO2浓度升高对中小型土壤动物功能类群的影响

土壤动物通过各功能类群间的食物网关系实现其生态作用，已有研究表明CO2浓度升高影响土壤动物不同功能类群数量,进而影响土壤整个食物网结构[28]。本研究中杂食性动物的多度和类群数以及腐食性动物的多度随CO2浓度升高明显增加，这与Eisenhauer等[29]研究结果一致。杂食性土壤动物多度增加的原因可能是CO2浓度升高增加植物的生物量和土壤动物的多度，进而增加杂食性土壤动物的食物来源。腐食性动物主要取食降解后的动植物残体，CO2浓度升高增加了土壤中凋落物的分解效率加速了腐殖质的形成，导致腐食性土壤动物对CO2浓度升高有正向反应。

3.3 中小型土壤动物与环境因子的关系

土壤生境条件决定了土壤动物存在的类群密度，土壤动物群落结构主要受到土壤有机质、植物生物量等环境因子的影响[30]。本研究结果显示CO2浓度升高增加了土壤有机质含量和植物总生物量等，改变了土壤动物的生存环境。而土壤动物是地下生态系统重要的组成部分，能够对土壤环境变化做出快速反应，因此土壤的环境指标可以作为衡量土壤质量变化的重要因子[26]。土壤动物受到土壤环境因子的间接影响，比如引起土壤土壤环境因子的变化间接影响土壤动物的群落多样性[31]，或者通过影响植物生长状态影响着土壤动物栖息的土壤环境因子，而不同类群的土壤动物对环境因子的选择存在差异性，因此对土壤动物产生直接或间接的影响[32]。已有研究表明，土壤动物的密度与有机质、全磷的相关性最大[33]，与土壤含水量、土壤pH、全氮关联性并不显著[34]，不同物种受环境因子影响程度存在一定差异性[35]。为此本文进行冗余分析(RDA)结果发现CO2浓度、植物总生物量、有机质以及全磷是影响土壤动物群落组成的主要因素，而CO2浓度升高直接导致植物总生物量、有机质含量等土壤环境因子增加，以丰富的食物资源和良好的土壤环境对土壤动物产生间接作用。因此，未来研究中应该更注重于长期监测中土壤环境因子与中小型土壤动物群落的关系，在多尺度、多时间序列的环境数据中对研究对象进行综合分析讨论。

随着CO2浓度升高显著影响中小型土壤动物的群落组成结构，但是不同的功能类群的土壤动物产生不同的响应特征。在CO2浓度升高的驱动条件下，腐食性土壤动物和杂食性土壤动物做出正向响应，而植食性土壤动物和捕食性土壤动物对其响应不敏感。中小型土壤动物群落受植物生物量、全磷和土壤有机质含量的间接调控，不同类群的土壤动物对环境变化的适应程度不同。因此，说明CO2浓度升高在一定程度上影响三江平原湿地地下生态系统功能。在全球气候变化背景下，地上-地下相互作用在调控生态系统和功能方面发挥至关重要的作用，在今后的研究中应综合多因素耦合作用进行深入研究，揭示土壤动物群落对全球变化的调节功能和适应机制。