草原化荒漠区中间锦鸡儿灌丛土壤线虫群落

宋承承，梅续芳，张 鹏，王业林，王德凯，解李娜，马成仓

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

灌丛扩张是指由于生物或非生物环境的改变导致本地原有的灌木种密度和盖度不断扩大的现象。灌丛扩张已成为全球草地生态系统一个普遍现象[1]。在灌丛化过程中，灌木与草本植物之间发生强烈的相互作用，从而影响群落的结构和功能。因此，灌木如何影响植物群落一直是灌丛化研究的热点问题。地下生物群落，如土壤微生物群落和土壤线虫群落，是土壤有机质分解和养分矿化等生态过程的主要调节者[2-4]。但是目前关于灌丛对地下生物群落的影响主要集中在土壤微生物群落方面[5-7]，对土壤线虫的群落结构研究，尤其是灌丛化过程中土壤线虫群落的变化没有受到足够重视，从而制约了人们对灌丛化发生机制的全面认识。研究表明，灌木盖度的增加显著改变了土壤线虫功能群结构的组成[8]；随着灌木栽植时间的增加，土壤线虫群落发生显著变化[9-10]。

依据不同的分类标准(如食性特征或生活史对策)可将土壤线虫分为不同营养类群[11-12]。土壤线虫作为地下部食物网的重要组成部分，在食物网中占据多个主要营养级[13]。不同营养级生物的相互作用对土壤有机质分解和能量流动起着关键作用[14-15]。因此，不仅需要考虑土壤线虫的物种多样性，还需综合营养类群多样性和生活史策略等信息对其生物多样性进行综合评价，从而更好地发挥土壤线虫在土壤生态系统中的生物指示作用。

不同土壤线虫营养类群对环境的响应不同。比如：植食性线虫个体密度随降水量增加而增加，而食细菌性线虫、杂食捕食性线虫则表现出相反的趋势[16]；CO2富集显著增加了食真菌线虫的数量，但降低了杂食/捕食线虫的数量[17]；高cp 值(4 或5)的土壤线虫比低cp 值的线虫对氮添加更敏感[18-20]。

土壤深度是影响土壤线虫群落动态的重要环境因子之一[9,21-22]。研究表明，土壤线虫群落往往呈现典型的垂直分布特征，这通常与各种生物、非生物因素有关[17,23-27]。因此，了解线虫不同属、不同营养类群随土壤深度的变化规律，将有助于揭示土壤线虫在灌丛化过程中的生态功能。

研究表明，灌木对植物群落的影响与所量化植物属性有关，不同植物属性影响不同。比如：相邻植物对目标植物的存活与生长[28-29]、密度与繁殖力[29]或萌发率和早期幼苗存活率[30]等不同属性影响不同。而灌木对土壤线虫群落的影响是否也依赖其不同属性目前尚不清楚。

为此，调查了内蒙古草原化荒漠区中间锦鸡儿(Caragana intermedia)灌丛不同土壤深度的土壤线虫群落，并分析不同属、不同营养级线虫与土壤营养之间的关系，目的是掌握灌木扩张后对土壤线虫群落的影响。拟回答：1)中间锦鸡儿灌丛对土壤线虫群落(不同营养类群、不同cp 类群)有何影响及其随着土壤深度如何变化？2)中间锦鸡儿灌丛对土壤线虫群落不同属性的影响是否存在差异？同时，本研究试图讨论中间锦鸡儿灌丛对土壤线虫群落不同属性影响的原因和生态意义，以期为评估内蒙古草地的健康状况以及灌木入侵草原后土壤动物多样性改变提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

样地位于鄂托克旗乌兰镇。鄂托克旗地处鄂尔多斯市西部(38°37′47″ − 39°28′12″ N，107°33′15″ −108°34′36″ E)。该地区日照丰沛，降水量少，蒸发量大，四季分明。年均日照时数约3 000 h，年均温约6.4 ℃，年均降水量约为250 mm，集中于7 月 − 9 月，年均蒸发量约为3 000 mm，无霜期约122 d。

1.2 样品采集

2016 年7 月，在研究区根据中间锦鸡儿灌丛的密度、盖度、分布状况选择合适的灌丛化草地作为实验样地。在样地中随机选取3 株立地条件基本一致的中间锦鸡儿灌丛，在灌丛内和灌丛外(距离灌丛边缘处2 m 以上)分别采集0 − 10 (A 层)、10 − 20(B 层)、30 − 40 cm (C 层) 3 层土壤，共采集约300 g 土壤样品。将土样装入自封袋密封，并用冰盒带回实验室进行土壤理化性质测定和土壤线虫分离鉴定。

1.3 土壤理化性质测定

采用烘干法测定土壤含水量；采用水浸提电位法测定土壤pH；采用重铬酸钾容量法测定有机质含量；采用碳酸氢钠浸提−钼锑抗比色法测定速效磷含量；采用醋酸铵浸提−火焰光度法测定速效钾含量；采用流动分析仪测定硝态氮和铵态氮含量。

1.4 土壤线虫分离与鉴定

称取20 g 新鲜土样，采用湿漏斗法(Baermann法)分离24 h，用TAF 固定液(又称三乙醇胺 − 福尔马林固定液)保存线虫。依据《中国土壤动物检索图鉴》[31]、《植物线虫分类学》[32]在体视显微镜下观察线虫，并按科、属对线虫进行分类统计。利用土壤含水量的测定结果，将线虫个体数量转换成每100 g干土的线虫数。

1.5 土壤线虫指数计算

根据土壤线虫食性特征将土壤线虫划分为如下营养类群[12,33]：食细菌线虫(BF)、食真菌线虫(FF)、植物寄生线虫(PF)、捕食杂食类线虫(OP)。根据线虫不同的生活史对策(r-对策或K-对策)将土壤线虫划分为如下cp 类群[11]：cp1，世代时间短，产卵量大代谢快，耐环境压力，典型r-对策者；cp2，世代时间短，产卵量大较耐环境压力，一般机会主义者；cp3，世代时间较长，对环境压力较为敏感；cp4，世代时间长，对环境压力敏感；cp5，世代时间长，产卵量小，对环境压力特别敏感，典型K-对策者。土壤线虫食性特征和cp 值如附表1 所列。

采用土壤线虫物种数、Shannon-Wiener 指数、总个体数评估土壤线虫群落多样性。

式中：Pi表示群落第i 个物种的个数占生物总数的比例。Ni表示群落中第i 个生物种的数量。N 为群落中个体总数。

采用PPI/MI 评估生态系统受干扰程度。

自由生活线虫成熟度指数(maturity index, MI)：

式中：v (i)为土壤线虫第i 类群的Colonizers-Pesisters(cp)值；f (i)为自由生活线虫第i 类群的个体占群落总个体数的比例；f ′(i)为植物寄生线虫第i 类群的个体占群落总个体数的比例。

根据土壤线虫不同营养类群多度(总个体数)计算3 种营养类群比例，包括FF/(FF + BF)、(FF + BF)/PF 和OP/PF。采用FF/(FF + BF)比值说明土壤食物网分解途径(细菌分解途径vs 真菌分解途径)的相对重要性。采用(FF + BF)/PF 说明土壤线虫对植物生长的反馈作用：(FF + BF)/PF 比值越大，说明以植物为食的土壤线虫数相对减少或食微线虫相对增加，在一定程度上对植物生长具有促进作用[34-35]；(FF + BF)/PF 比值越小，说明植食线虫相对增加或食微线虫相对减少，对植物生长具有抑制作用[36]。采用OP/PF 比值说明土壤食物网的复杂程度以及捕食类线虫(top-down 因子)控制草食性线虫的能力[37-38]，即top-down 效应：OP/PF 比值越大，说明土壤食物网越复杂，top-down 效应更强。计算公式如下：

FF/(FF + BF) = 食真菌线虫多度/(食真菌线虫多度 + 食细菌线虫多度)；

(FF + BF)/ PF = (食真菌线虫多度 + 食细菌线虫多度)/植物寄生线虫多度；

OP/PF = 捕食杂食性线虫多度/植物寄生线虫多度。

构建土壤线虫生态三角模型(等边三角形)。采用等边三角形描述土壤线虫群落cp 值的分布。

1.6 统计分析

使用SPSS 20.0 软件，采用双因素方差分析检验灌丛和土壤深度对土壤线虫群落各观测指标的影响及其交互作用，并用Tukey HSD 比较各土层间的差异性，用独立样本t 检验分析灌丛内和灌丛外差异性。统计显著性水平为P ＜ 0.05。采用CANOCO 4.5 软件进行冗余分析(RDA)，分析土壤线虫和环境因子之间的关系。

2 结果与分析

2.1 土壤线虫群落多样性

灌丛显著影响中间锦鸡儿土壤线虫总数(P ＜ 0.05)，但对物种数和Shannon-Wiener 指数影响不显著(P ＞0.05) (表1)。表层土中，灌丛内土壤线虫总数大于灌丛外；深层土中，灌丛外土壤线虫总数大于灌丛内(图1)。

土壤深度对土壤线虫总数和Shannon-Wiener 指数有显著影响(P ＜ 0.05)，对物种数影响不显著(P ＞0.05) (表1)。随着土壤深度的增加，灌丛内土壤线虫总数和Shannon-Wiener 指数逐渐减小(图1)。

2.2 土壤线虫群落功能性指数

灌丛显著影响中间锦鸡儿土壤线虫PPI/MI 比值(P ＜ 0.05)，但土壤深度对该比值影响不显著(P ＞0.05) (表1)。灌丛外各土层PPI/MI 比值均大于灌丛内，但在各土层灌丛内外差异都不显著(图2)。

3.2.2 非虚拟化场景(硬件解决方案)。资源池全部采用纯物理服务器，无虚拟机。此场景下采用硬件SDN交换机方案。SDN网络包括硬件接入交换机、SDN网关、增值业务网元。

表1 灌丛、土壤深度以及交互作用对线虫群落影响的方差分析结果(F 值)Table 1 F-values of the ANOVAs for the effect of canopy conditions, soil depths, and their interactions on nematode communities

图1 中间锦鸡儿灌丛内和灌丛外不同土层土壤线虫物种数、线虫总数和Shannon-Wiener 指数Figure 1 Species number, total number of nematodes, and Shannon-Wiener index inside and outside the shrub canopies of Caragana intermedia at different soil depths

2.3 土壤线虫各营养类群线虫总数

土壤线虫4 种食性类型中，食细菌类线虫总数最多(图3)。cp2 类群比例在食微线虫(包括食细菌类和食真菌类线虫)中最大，而cp3 - cp5 类群是植物寄生线虫和捕食杂食线虫主要优势类群。

灌丛显著影响食微线虫总数(P ＜ 0.05) (表1)。无论是食细菌线虫还是食真菌线虫，其总数在表层土中灌丛内大于灌丛外，而在深层土中灌丛外大于灌丛内(图3)。

土壤深度对食真菌线虫无显著影响(P ＞ 0.05)，但是显著影响食细菌线虫、植物寄生线虫和捕食杂食线虫总数(P ＜ 0.05) (表1)。后3 种食性类型线虫总数无论是灌丛内还是灌丛外，均表现为0 - 10 cm或10 - 20 cm 土层最多(图3)。

图2 中间锦鸡儿灌丛内和灌丛外不同土层土壤线虫PPI/MIFigure 2 PPI/MI values for soil nematodes inside and outside the shrub canopies of Caragana intermedia at different soil depths

土壤线虫生态三角模型反映了不同生活史对策(cp)的土壤线虫组成的分布变化。随着土壤深度的增加，灌丛内土壤线虫向居住者类型(persister，cp3 - cp5)转变；而灌丛外向殖民者类型(colonizer，cp1或cp2)转变(图4)。

图3 中间锦鸡儿灌丛内和灌丛外不同土层各土壤线虫食性类型的cp 类群丰度Figure 3 Nematodes numbers with different cp strategies within each nematode feeding types inside and outside the shrub canopies of Caragana intermedia at different soil depths

2.4 土壤线虫营养类群比例

由于中间锦鸡儿灌丛外30 - 40 cm 土层中未发现食真菌类线虫(图3)，因此FF/(FF + BF)值等于0。各土层灌丛内FF/(FF + BF)值均大于灌丛外，且该值在表层土中最大(图5)。这说明灌丛内表层土食真菌途径较为重要。

灌丛内(FF + BF)/PF 比值明显大于灌丛外(图5)。这指示灌丛外植食性线虫丰度相对增加或食微线虫丰度相对减少。

OP/PF 的比值在不同土层均表现为灌丛内大于灌丛外，且无论是灌丛内还是灌丛外，随着土壤深度的增加，OP/PF 的比值逐渐增加(图5)。这说明灌丛内30 - 40 cm 土层食物网更复杂，top-down 效应更强。

2.5 土壤线虫群落与土壤环境之间的关系

图4 中间锦鸡儿灌丛内和灌丛外不同土层土壤线虫生态三角模型Figure 4 Ecological triangle model of soil nematodes inside and outside the shrub canopies of Caragana intermedia at different soil depths

图5 中间锦鸡儿灌丛内和灌丛外不同土层土壤营养类群比例Figure 5 Soil trophic group ratios inside and outside shrub canopies of Caragana intermedia at different soil depths

3 讨论

群落不同属性的特异性响应在植物-植物相互关系中起着关键性作用[39-40]。研究结果发现，中间锦鸡儿灌丛显著影响土壤线虫总数，但对土壤线虫丰度(物种数)、Shannon-Wiener 指数影响不显著。这说明灌丛对土壤线虫群落的影响与所量化的物种多样性属性有关，不同物种多样性属性影响不同。这与Thakur 等[41]研究发现灌木Populus tremuloides对土壤线虫丰度和Shannon-Wiener 指数没有显著影响的结果一致。

图6 中间锦鸡儿灌丛土壤线虫群落和土壤环境因子的冗余分析Figure 6 Redundancy analysis (RDA) of soil nematode communities as related to the soil environmental variables for Caragana intermedia

研究表明，在相对干旱环境中，灌木易形成“沃岛”，对灌丛斑块内生物群落具有促进效应[25,42-44]。本研究中，中间锦鸡儿灌丛内表层土壤中线虫总数大于灌丛外(图1)。这是因为灌丛内良好的微环境(如：高土壤湿度、高土壤养分含量、低风速等)有利于林下草本植物物种多样性和生产力维持[45-48]，从而产生较多的凋落物。凋落物的增加为表层土壤线虫提供了更多的食物资源，尤其是食微类线虫。研究表明，与其他食性类型的线虫相比，食微类线虫更容易受资源可利用性限制[49]，本研究也发现灌丛仅显著影响食微线虫，对其他类型线虫影响不显著(表1)。在深层土中，土壤线虫总数灌丛外显著大于灌丛内(图1)。这是因为在空旷地，没有灌丛的遮阴和庇护，表层土水分含量较低(3.19%)，土壤线虫从表层土向深层土迁移，从而导致深层土土壤线虫数增加。

大量研究表明，随着土壤深度的增加，土壤线虫群落总数逐渐减少[9,50]，本研究结果与其一致(图1)。这与上述土壤资源的垂直分布有关。土壤线虫群落组成(不同属、不同营养级)随着土壤深度的增加也发生明显的变化，且具有明显差异(图3)。这说明土壤线虫群落对环境变化的响应依赖于不同属线虫[10]。土壤线虫各营养级的垂直分布特征往往与土壤理化性质有关[51-52]。RDA 结果也表明不同土壤理化性质对各土壤线虫营养级的影响具有明显差异(图6)，不同类土壤线虫对环境响应不同。

灌丛内表层土FF/(FF + BF)值最大(图5)。这说明真菌分解途径对灌丛内表层土有机质分解贡献较大，且主要是cp2 类型的真滑刃属和滑刃属。(FF +BF)/PF 比值灌丛内明显大于灌丛外(图5)，这主要是因为灌丛外植食性线虫丰度明显大于灌丛内(图3)，这也直接导致PPI/MI 比值在不同土层均表现为灌丛外大于灌丛内(图2)。本研究还发现，OP/PF 的比值在各土层均表现为灌丛内大于灌丛外，且无论是灌丛内还是灌丛外，随着土壤深度的增加，OP/PF 的比值呈上升的趋势(图5)。这说明灌丛内深层土食物网更复杂，群落结构更稳定。另外，捕食杂食类线虫主要通过取食植物寄生类线虫而促进植物生长[53]，是较强的top-down 因子。因此OP/PF 的比值的变化也说明灌丛内深层土具有较强的top-down 效应。

随着土壤深度的增加，灌丛内土壤线虫向居住者类型(persister，cp3 - cp5)转变，而灌丛外向殖民者类型(colonizer，cp1 或cp2)转变(图4)。这说明灌丛内深层土壤环境更适宜cp 值较高的土壤线虫生存，灌丛外则更有利于代谢快、耐受力较好，即cp 值较低的土壤线虫。

食细菌线虫是中间锦鸡儿灌丛占优势的营养类群(图3)。研究表明食细菌线虫与土壤养分显著相关，这是导致食细菌线虫在各食性类型比例最大的原因之一[54-55]。的确，RDA 分析表明在测量的7 个土壤环境因子中，食细菌类线虫与绝大多数土壤营养因子显著正相关。本研究还发现，深层土中食真菌类线虫数量最少，甚至不存在(图3)。这是因为食真菌类线虫更适合在有氧环境中生存[56]，而深层土中氧含量较少。

4 结论

在草原化荒漠区，中间锦鸡儿灌丛对土壤线虫群落总数具有促进作用，但对物种数和多样性指数无显著影响；灌丛显著增加了食微类线虫的总数，对植物寄生类和捕食杂食类线虫无显著影响。随着土壤深度的增加，土壤线虫总数和Shannon-Wiener指数逐渐减少，但土壤深度对土壤线虫物种数无显著影响；表层土或次表层土食细菌线虫、植物寄生线虫和捕食杂食线虫总数最多。灌丛内深层土壤环境更适宜cp 值较高的土壤线虫生存，灌丛外则更有利于cp 值较低的土壤线虫。总之，灌丛对土壤线虫群落的影响依赖于所量化的物种多样性属性以及营养级类群，而且它们在不同土层具有明显差异。