长期施加N、P肥对高寒草甸小型土壤节肢动物群落的影响

薛 娟,王长庭,曾 璐,魏 雪,吴鹏飞

西南民族大学青藏高原研究院,成都 610041

青藏高原高寒草甸面积约为1.33×106km2,占中国草原面积的30%[1],是我国重要牧区之一,支撑着高原畜牧业的发展。高寒草甸也是世界上海拔最高、面积最大、类型最为独特的草地生态系统,在涵养水源、保持水土、调节气候方面发挥着重要的生态作用[2]。但近年来,随着气候变化、过度放牧、人口增长和鼠类破坏[3]等因素使高寒草甸严重退化甚至沙化、土壤肥力下降[4]、草畜矛盾明显[5],从而严重限制青藏高原畜牧业的发展。有研究表明,施肥是补充土壤养分、增加可食牧草产量、缓解草地退化的重要方法[6]。在对退化天然草地改良的各单项技术中,施肥是效果最好的改良措施[7]。

土壤动物作为消费者和分解者,是草地生态系统的重要组成成分,对草地生态系统的物质循环和能量流动起着重要的调控作用[8]。此外,土壤动物对环境变化敏感[9],能够作为土壤质量评价的指标[10],反映生态系统的健康状况[11]。已有研究表明,在高寒草甸,施用氮磷肥不仅能改变土壤物理化学性质[12];还能影响土壤微生物多样性[13]和植物群落结构、地上地下生物量[14- 15]。而已有的研究表明土壤理化性质[16]、土壤微生物群落[17]、植物群落[18]的变化均可影响小型土壤动物群落组成。因此,施肥必然会影响小型土壤节肢动物群落。虽有研究报道了土壤动物群落多样性与不同施肥处理间的关系[19-21],但未见关于青藏高原高寒草甸生态系统中的施肥种类及梯度对小型土壤节肢动物的影响等方面的报道。相对于其他生态系统,高寒草甸生态系统在气候类型[22],植物群落[5],尤其是土壤动物群落组成等方面都具有独特性[1]。因此,青藏高原高寒草甸土壤动物对施肥的响应也可能与其他生态系统不同,因此有必要研究施肥对高寒草甸小型土壤节肢动物的影响。

本文研究青藏高原高寒草甸不同施肥种类和施肥梯度条件下小型土壤节肢动物群落组成及多样性演变规律,旨在为高寒草甸土壤动物多样性维持和生态服务功能提升提供科学依据,促进高寒草甸生态系统的科学管理和畜牧业可持续发展。

1 研究区概况

研究区位于四川省红原县西南民族大学生态保护与畜牧业高科技研发基地(32°49.823′ N,102°35.237′ E),海拔3494 m。该区属于大陆性高原寒温带半湿润季风气候,日温差大,霜冻期长,四季变化不明显,年平均气温1.1℃,最热月为7月,平均温度10.9℃,最冷月为1月,平均温度-10.3℃;干湿季节分明,年降水量650—800 mm,主要集中在5—9月;日照时间长,太阳辐射强,年日照时间2417.9 h,年平均相对湿度71%。草甸类型是矮嵩草草甸,植被盖度80%以上。主要类群有禾本科、莎草科、豆科以及杂类草。该区土壤类型是亚高山草甸土,其土层深度达40 cm以上。

2 实验方法

2.1 施肥方案设置

2012年5月下旬在研究区选择地势平坦、植被分布均匀的面积为100 m×100 m的未退化的矮嵩草草甸作为研究样地,在四周用围栏进行隔离保护。已有研究表明,在维持高寒草甸牧草营养品质和最佳产量的前提下，N肥的施肥量范围为30—45 g/m2,P肥的施肥范围为15—22.5 g/m2[23]。此外,还有研究表明在高寒草甸中N、P的总添加量不应超过60 g/m2[24]。参照已有施肥研究,我们设计了以下施肥方案：单施氮肥(N)、单施磷肥(P)和氮磷肥混施(NP)三种处理;每种处理的施肥量分别控制为10 g/m2(N10、P10、NP10)、20 g/m2(N20、P20、NP20)和30 g/m2(N30、P30、NP30)三种梯度,其中氮磷肥混施在施肥量不变的情况下每个施肥梯度样方大小3 m×3 m,6次重复。另设置6个不施肥的高寒草甸样方3 m×3 m作为对照(CK)。共设置了60个3 m×3 m的样方,每个样方的四个角用木桩进行固定标记,样方间距为2 m,并以随机区组方式排列。施用的N肥为含N量46%的尿素CO(NH2)2,P肥为含P2O5量16%的过磷酸钙Ca(H2PO4)·H2O。每年5月份植物生长初期的雨后,将肥料均匀施撒样方中。

2.2 土壤动物采集与鉴定

2017年8月,在每个样方内按照对角线法则随机选取3个点,用土钻按0—5 cm、5—10 cm、10—15 cm层采集土样,同层3个点的土样混合后装入自封袋内,并做相应的标记,以备室内分离。

在实验室内,用干漏斗法(Tullgren法)分离土壤动物,上层空气温度控制在38 ℃左右,分离时间为48 h。根据《中国土壤动物检索图鉴》[25]、《昆虫分类检索》[26]、《农业螨类学》[27]等参考书籍,在体视显微镜(Olympus SZX16)和光学显微镜(Olympus BX53)下对收集到的土壤动物进行鉴定。一般鉴定到属,少数类群鉴定到科,并统计个体数量。

2.3 植物群落和土壤理化性质调查

2017年8月,在每个种植小区内选取1 m×1 m 小样方进行植物群落的盖度调查。用收获法采集地上植物,并用手收取样方内的枯枝落叶,所有植物样品在65℃烘箱内烘干至恒重,称取地上生物量。

在每个3 m×3 m的样方内采集1份0—15 cm混合土样,用于分析土壤化学性质。土壤pH值采用电位法测定;土壤有机质采用重铬酸钾氧化-外加热法测定;土壤全磷采用硫酸-高氯酸消煮-钼锑抗比色法;土壤全氮采用硫酸钾-硫酸铜-硒粉消煮,定氮仪自动分析法[28]。

2.4 数据分析处理

多度划分：个体数占总数10%以上者为优势类群,1%—10%为常见类群,1%以下为稀有类群。

群落排序分析：采用主成分分析法(Principal Component Analysis,PCA)对不同施肥种类和施肥梯度间土壤动物群落进行排序。在做PCA之前,先利用log(x+1)对数据进行转换。

统计分析：利用双因素方差分析(Two-way ANOVA)检验不同施肥种类、施肥梯度及其交互作用对土壤动物的个体密度及多样性指数影响的差异显著性。分析前,先对个体密度、类群数、Shannon多样性指数等指数进行log(x+1)转换,以降低数据的非正态性。对转换后仍不符合正态分布的数据改用非参数检验。获得显著性后,采用LSD法或Duncan法进行多重比较。

土壤动物与环境因子的关系：用降趋对应分析(Detrended Correspondence Analysis, DCA)对样方及小型土壤节肢动物群落进行排序。由于第1、2排序轴长度均大于4,因此选用典范对应分析(Canonical Correspondence Analysis, CCA)对不同施肥种类、梯度下小型土壤节肢动物群落组成与环境因子的关系进行排序。此外,采用多元回归分析土壤环境与土壤动物密度、多样性的关系。

数据分析处理分别采用IBM SPSS 20.0和Canoco for windows 5.0软件进行完成。

3 结果和分析

3.1 小型土壤节肢动物群落组成

共分离到小型土壤节肢动物2295只,隶属于3纲21目91科141属(表1)。在纲层次上对分离到的土壤动物进行分类,蛛形纲(Arachnida)、昆虫纲(Insecta)、弹尾纲(Collembola)均为优势类群。其中,蛛形纲(Arachnida)包含5目63科101属,个体数占总捕获量的73.51%;昆虫纲(Insecta)包含13目22科27属,个体数占捕获量的14.90%;弹尾纲(Collembola)包含3目6科13属,个体数占捕获量的11.59%。在属水平上,没有优势类群,常见类群包括单奥甲螨属(Phauloppia)、球蚜科(Adelgidae)等27属,占总捕获量的74.92%;稀有类群包括原大翼甲螨属(Protokalumna)、跗螯螨科(Tarsocheylidae)等114属,占总捕获量的25.08%。从类群组成和个体数来看,蛛形纲是高寒草甸土壤节肢动物群落的主要组成部分。

表1 小型土壤节肢动物群落组成及数量

不同施肥种类间土壤节肢动物的群落组成存在一定差异。在施N肥的样地中,共分离到土壤节肢动物278个,隶属于3纲10目51科68属,优势类群为球角跳属(Hypogastrura),占该样地捕获量的14.39%。在施P肥的样地中,共分离到土壤动物340个,隶属于3纲10目51科71属,优势类群为球蚜科(Adelgidae),占该样地捕获量的25.59%。在NP混施的样地中,共分离到土壤动物1611个,隶属于3纲19目73科111属,优势类群为单奥甲螨属(Phauloppia),占该样地捕获量的11.73%。而在对照样地中,共分离到土壤动物66个,隶属于3纲7目18科23属,优势类群为跗螯螨科(Tarsocheylidae)、胭螨属 (Rhodacarus)、单奥甲螨属(Phauloppia),分别占该样地捕获量的16.67%、16.67%、10.61%。由此可知,施肥能够显著增加小型土壤节肢动物群落的类群数和个体数,且NP混施时对小型土壤节肢动物群落的类群数和个体数组成的影响更明显,施同种肥料时,20 g/m2的样地土壤动物群落组成最复杂。

3.2 小型土壤节肢动物群落结构差异

同一施肥种类的不同施肥梯度间小型土壤节肢动物群落结构均有明显差异(图1)。N肥的不同施肥梯度间,在PC1轴上影响小型土壤节肢动物群落结构的主要类群是胭螨属(Rhodacarus),在PC2轴上主要是球角虫兆属(Hypogastrura);P肥的不同施肥梯度间,在PC1轴上影响群落结构的主要类群是球蚜科(Adelgidae),在PC2轴上主要影响类群是盖头甲螨属(Tectocepheus);NP混施的不同施肥梯度间, 在PC1和PC2轴上影响群落结构的主要类群分别是顶甲螨属(Tegoribates)和上罗甲螨属(Epilohmannia)。

图1 同一施肥种类不同施肥梯度间小型土壤节肢动物群落排序Fig.1 Principal component analysis on the soil microarthropod communities among different gradients of the same fertilizer

同一施肥梯度不同施肥种类间小型土壤节肢动物的群落结构也存在差异,随着施肥梯度的增加,影响小型土壤节肢动物群落结构的主要类群也不同(图2)。施10 g/m2时,在PC1轴和PC2轴上影响小型土壤节肢动物群落结构的主要类群均为球蚜科(Adelgidae);施20 g/m2时,在PC1轴上影响小型土壤节肢动物群落结构的主要类群是广缝甲螨属(Cosmochthonius),在PC2轴上主要是庭甲螨属(Dometorina);施30 g/m2时,在PC1轴上影响群落结构的主要类群是单奥甲螨属(Phauloppia),在PC2轴上主要影响类群是广缝甲螨属(Cosmochthonius)。此外,随着施肥梯度的增加,CK、施N肥和施P肥的土壤节肢动物群落结构差异越来越小,但三者和 NP混施肥的差异越来越大(图2)。

图2 同一施肥梯度不同施肥种类间小型土壤节肢动物群落排序Fig.2 Principal component analysis on the soil microarthropod communities among different fertilizers on the same gradientN: 施氮肥;P: 施磷肥;NP: 氮磷混施;10、20、30代表施服量为10g/m2、20g/m2、30g/m2

3.3 小型土壤节肢动物群落密度及多样性差异

N、P、NP三种施肥种类小型土壤节肢动物的个体密度、类群数、多样性指数呈显著增加趋势,而均匀度指数无明显变化(图3)。施肥梯度上,当施肥量为20 g/m2,在施P和NP样地小型土壤节肢动物的个体密度、类群数、多样性指数达到最大值。双因素方差分析结果表明(表2),施肥种类、梯度以及其交互作用对小型土壤节肢动物群落的个体密度、类群数、多样性指数均有显著影响(P<0.05),对均匀度指数无显著影响。

表2 不同施肥种类间小型土壤节肢动物群落密度及差异性分析

图3 不同施肥种类小型土壤节肢动物群落密度及多样性(平均值±标准误)Fig.3 The individual density and diversity indices of soil microarthropod communities among different treatments (Mean±SE)不同大写字母表示不同施肥种类中差异显著(P<0.05),不同小写字母表示同一施肥种类不同施肥梯度差异显著(P<0.05)

在施N肥中,小型土壤节肢动物群落仅有均匀度指数在施肥梯度间存在显著差异(P<0.05)。施P肥中,仅有类群数在施肥梯度间存在显著差异(P<0.05)。NP混施肥中,小型土壤节肢动物群落的个体密度、类群数、多样性指数随着施肥梯度的增加呈先上升后下降的趋势,在NP20达到最大值,且NP20和NP30的个体密度、类群数、多样性指数显著高于CK、NP10(P<0.05)。以上结果表明,小型土壤节肢动物群落的多样性在各施肥种类、梯度间均有差异,且受施肥种类和施肥梯度交互作用的影响。

3.4 环境因子与小型土壤节肢动物群落的关系

典范对应分析(CCA)对单施N、P和NP混施同一施肥种类不同施肥梯度中小型土壤节肢动物群落排序(图4)表明：第1、2排序轴对小型土壤节肢动物和土壤环境因子关系的解释率分别为7.30%和7.03%、8.26%和6.52%、6.98%和5.61%;

单施N肥中,第一排序轴解释的信息量不显著,但所有排序轴解释的信息量具有显著性(F=1.3,P=0.002); 第1排序轴与有机质含量(SOM)呈显著负相关(P<0.05);第2排序轴与地上生物量(AB)呈显著负相关(P<0.05)(图4)。单施P肥中,第1排序轴(F=0.3,P=0.01)和所有排序轴(F=1.3,P=0.002)解释的信息量均具有显著性(F=1.3,P=0.002)。其中,第1排序轴与有机质含量(SOM)呈显著负相关(P<0.05),第2排序轴的主要影响因子为土壤pH和群落盖度(Co)(图4)。NP混施中,第一排序轴和所有排序轴解释的信息量均不显著;第1排序轴的主要影响因子为土壤pH和群落盖度(Co);第2排序轴的主要影响因子为有机质含量(SOM)(图4)。由此可知有机质含量(SOM)是影响小型土壤节肢动物群落组成的主要环境因子。

图4 小型土壤节肢动物群落与环境因子的典范对应分析Fig.4 Canonical correspondence analysis on the relationship between soil microarthropods and environmental factorsTN: 全氮 Total nitrogen; TP: 全磷 Total phosphorus; SOM：有机质 Soil organic matter; AB：地上生物量 Aboveground biomass;CO: 群落盖度 Coverage

小型土壤节肢动物群落各参数与环境因子的回归分析(表3)结果表明,类群数与pH呈显著负相关(P<0.05),个体密度与全氮含量呈显著正相关(P<0.05),而全磷含量与个体密度、类群数、Shannon多样性指数均呈显著正相关(P<0.05)。

表3 小型土壤节肢动物与环境因子间的回归分析

4 讨论

4.1 施肥对小型土壤节肢动物群落结构的影响

高寒草甸小型土壤节肢动物群落组成在施肥后发生明显变化,表明施肥对高寒草甸小型土壤节肢动物群落有明显影响。首先,3种不同施肥种类均使小型土壤节肢动物的类群数增加。其原因可能是与对照相比,施肥改善土壤深层结构,降低土壤致密性,刺激了植物根系生长,增加了微生物的数量[29],有利于根食性和菌食性等各类小型土壤节肢动物生长和繁殖。而其他研究也表明,食物资源的多寡和环境条件改变是影响小型土壤节肢动物群落结构的主要原因[30]。其次，在单施N、P、NP混施中,特有类群大部分属于螨类。有研究表明施肥可以提高土壤有机质的含量[31],改善土壤孔隙度和通气状况并降低土壤容重[10],这些变化更有利于多种土壤螨类的生存和繁殖[32]。而在NP混施中,特有土壤昆虫类群数仅次于特有土壤螨类群数,可能是因为与对照、单施N和P肥相比,NP混施显著增加了土壤自然含水量和贮水量[33]。而土壤水分是氧的载体,可以导致某些需要土壤高湿度的土壤昆虫,如鞘翅目、双翅目幼虫等种类增加[34];此外,氮磷混施能缓解青藏高原高寒草甸植物生长的营养限制, 促进植物生长[35],从而给小型土壤节肢动物提供更加充足的食物资源和栖息环境。

4.2 施肥对小型土壤节肢动物群落多样性的影响

三种施肥种类中,NP混施处理小型土壤节肢动物群落的个体密度、多样性指数显著高于N、P单施,主要是由于NP混施中的单奥甲螨属和广缝甲螨属的个体密度显著增加。而单奥甲螨属和广缝甲螨属主要为腐食性[36],由此可知NP混施有利于腐食性的螨类。有研究表明,氮磷混施能更好的补充植物群落所需的营养物质,显著提高植物茎秆中粗蛋白、粗脂肪和粗灰分等营养物质含量[37]。此外,合理的化肥混施能显著提高活性有机C和土壤酶活性[38],有利于促进土壤微生物生长和繁殖[14],也能促进土壤腐殖质的积累和提高活性腐殖质组分含量[39],从而有利于腐食性小型土壤节肢动物。

本研究表明,当P和NP施肥量为20 g/m2时,小型土壤节肢动物群落的类群数、多样性指数均最高。其原因可能是高寒草甸的土壤有机碳、微生物碳含量及代谢活性在施肥量为20 g/m2时最高[40],改善了土壤水分、降低土壤容重、增加土壤透气性等小型土壤节肢动物生存的微环境,可以促进小型土壤节肢动物的活动、增加小型土壤节肢动物群落多样性[41]。且当施肥量为20 g/m2时,三种施肥样地的土壤pH值均最低,这可能是在当施肥量为20 g/m2时,显著增加了微生物的数量,提高了微生物的活性,促进腐殖质和腐殖酸的形成,降低土壤pH。而本文发现土壤pH与小型土壤节肢动物群落类群数呈负相关(表3),在高寒草甸的其他研究中也有类似的发现[42]。因此,土壤维持适当的酸性有利于提高土壤动物多样性。

此外,本研究还发现全磷含量与小型土壤节肢动物群落的个体密度、类群数、Shannon多样性指数呈正相关,表明土壤磷含量是影响土壤节肢动物群落的重要因子。这与其他研究结果具有一致性[30]。在一定范围内,提高土壤磷含量能提高地上植物初级生产力[43],而植物是土壤节肢动物的直接和间接食物来源[44]。因此,适当增加土壤磷含量能提高小型土壤节肢动物群落密度和多样性。此外,其他研究还发现小型土壤节肢动物群落的个体密度与群落盖度、地上生物量、有机质含量呈显著正相关[45- 46]。本研究中植物群落盖度、地上生物量、有机质含量与小型土壤节肢动物的个体密度无显著相关关系,但其变化趋势总体上与小型土壤节肢动物群落多样性趋于一致。

本文表明,施加N、P尤其NP混施肥,能明显改变小型土壤节肢动物群落组成结构,增加其群落密度及多样性;且当施肥量为20 g/m2时,NP混施中,小型土壤节肢动物群落的密度和的多样性指数均达到最大值。因此建议,按照20 g/m2的量对高寒草甸进行NP混施,以提高小型土壤节肢动物群落多样性及其生态功能。本研究仅初步探索施肥对高寒草甸小型土壤节肢动物群落影响,但对于施肥,尤其是NP混施导致小型土壤节肢动物群落的类群数增加的具体机制还不清楚,今后有必要从植物、土壤等多方面深入研究施肥对高寒草甸小型土壤节肢动物群落多样性的影响机制。

5 结论

高寒草甸中施加氮、磷肥以及氮磷混施能明显改变小型土壤节肢动物的群落组成结构,显著增加小型土壤节肢动物的群落密度和多样性。当施肥量为20 g/m2时,单施磷肥和氮磷混施均使小型土壤节肢动物的群落密度和多样性达到最大值。磷含量是影响小型土节肢动物群落密度和多样性的主要因子。因此,建议对高寒草甸进行适量的氮磷混施,以提高小型土壤节肢动物群落密度和多样性,增强高寒草甸生态系统地下物质循环功能。