不同抗虫性苜蓿根围土壤线虫群落研究

陈 杨， 海 棠， 李志美

(内蒙古农业大学草原与资源环境学院， 内蒙古 呼和浩特 010018)

建立苜蓿人工草地时，种植抗性(抗病虫、抗寒、抗旱)强的品种是必然的选择[1]。土壤线虫作为土壤动物中极为活跃的一类动物，对土壤生态系统中有机质分解、养分循环等方面发挥着关键的作用。土壤线虫可通过取食、代谢等活动改善土壤质量，直接或间接影响土壤环境，同时对土壤质量起到良好的指示作用[2-4]。

不同植物根际土壤线虫群落具有一定的特异性，且有助于我们了解生态系统地上和地下部生物群落的交互作用[5]。地上与地下部的交互作用对于调控陆地生态过程具有重要作用[6]。土壤线虫营养级之间的相互作用能改变植物体内化学组成、影响植物生长及其抗虫性[7]。线虫在反映地上部植食者对土壤生物群落及生态功能影响方面具有独特的优势。地上部植食者会引起地下部有机碳含量的变化，可通过分析土壤线虫群落来了解这些变化[8]。

紫花苜蓿(MedicagosativaL.)是畜牧业生产中不可或缺的优质饲料，它在建立人工草地及植被恢复过程中可固氮，也会影响土壤有机碳、全氮和速效磷含量及土壤微生物群落结构，从而进一步影响土壤线虫群落结构[9-11]。刘满强等[6]发现褐飞虱取食不同抗性水稻品种后强烈影响土壤线虫数量、群落组成和营养结构。但种植不同苜蓿品种尤其是抗虫性不同的品种对土壤线虫群落是否有影响尚不清楚。蓟马是当前影响苜蓿产量的主要害虫，严重时能使苜蓿产量降低20%～30%。‘草原2号’杂花苜蓿(以下简称‘草原2号’)耐干旱、抗寒性极强，属于感虫品种，蓟马危害点系数及虫情指数分别为0.610和0.901；‘草原4号’紫花苜蓿(以下简称‘草原4号’)是抗蓟马新品种，耐旱、抗寒、耐瘠薄，蓟马危害点系数及虫情指数分别为0.226和0.334，表现极强的抗虫性[12]。

本试验研究抗虫、感虫苜蓿品种根围土壤线虫群落数量、种类、营养类群的变化规律及对地下土壤线虫群落间接的影响，旨在为了解地上、地下生态系统的相互作用及生态过程提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于呼和浩特内蒙古农业大学牧草试验站(111°43′E，40°48′N，海拔1 040 m)。2018年开垦整地播种，供试品种为‘草原2号’和‘草原4号’均来源于内蒙古农业大学牧草实验站(表1)。按照常规管理方式进行管理，期间施用两次有机肥，有灌溉条件。该区属于温带大陆季风气候，年平均气温6.4℃，土壤类型为砂质栗钙土，土壤相对一致。小区面积80 m2(5 m×16 m)。播种量为0.5 kg·km-2，行间距为60 cm。

表1 供试苜蓿品种特性及根围土壤全碳、全氮含量

1.2 研究方法

1.2.1土壤样品的采集 于2020年7月在生长2年的‘草原2号’和‘草原4号’植株根围采取土样。采用五点法取样，用土钻将土分为两层(0～10 cm和10～20 cm)，每个处理3次重复。同一土层的土壤混匀装至密封袋，用于分离土壤线虫。

1.2.2线虫的分离鉴定 采用浅盘法分离线虫[13]。利用Olympus BX41显微镜，根据土壤线虫的外形、内在结构和形态在显微镜下进行计数鉴定[14-16]，根据尹文英《中国土壤动物检索图鉴》，把线虫分为不同营养类：食细菌线虫、食真菌线虫、植食性线虫、杂食捕食类线虫。根据Bongers等[17]方法将线虫分为5个不同c-p(colonizer-persister)类群，根据生活史划分为从c-p值为1的极端r-对策者到c-p值为5的k-对策者。另取20 g土壤，采用烘干法测定土壤含水量[18]。根据土壤含水量，换算成每100 g干土线虫的数量。

1.2.3数据处理与分析 (1)土壤线虫数量优势度的划分：个体数量占总鉴别量的10%以上、1%～10%及1%以下者分别表示为优势类群(+++)、常见类群(++)、稀有类群(+)[19]。

(2)Shannon多样性指数(H′)：

H′=-∑PilnPi[20]

式中，Pi为第i个(属)分类单元中的线虫个体占捕获全部线虫的比例。

(3)自由生活类线虫成熟度指数(Maturity index，MI)[17]：

MI=∑c(i)×pi

式中，c(i)为非植物寄生性土壤线虫第i(属)类群colonizer-persister值。

(4)线虫通路指数[21](Nematode channel ratio，NCR)：

NCR=NBa/(NBa+NFu)

式中，NBa和NFu分别为食细菌线虫和食真菌线虫占线虫总数的相对多度。

(5)富集指数(Enrichment index，EI)：

EI=100×[e/(e+b)][22]

(6)结构指数(Structure index，SI)：

SI=100×[s/(s+b)][22]

式中，e代表食物网中的富集成分,主要指Ba1和Fu2两个类群；b代表食物网中的基础成分，主要指Ba2和Fu2两个类群；s代表食物网中的结构成分,包括Ba3—Ba5，Fu3—Fu5，Om3—Om5，Ca2—Ca5类群。计算公式分别为:e=Σkene，b=Σkbnb，s=Σksns其中ke，kb和ks为各类群所对应的加权数(其值在0.8～5.0之间)，ne，nb，ns为各类群所对应的个体数量[22]。

根据土壤线虫c-p值类群的权重区系分析，Ferris[22]提出基于EI，SI指标，拟合成4个象限的反馈土壤的信息。

图1 土壤线虫权重区系分析图

(7)利用Jaccard相似性系数计算两种苜蓿根围线虫群落间的相似程度，具体计算公式为:

q=c/(a+b-c)[23]

式中，c为群落A和群落B的共有物种数；a为群落A含有的总物种数；b为群落B含有的总物种数。群落相似度的划分：当q为0～0.25，0.25～0.5，0.5～0.75和0.75～1分别表示两群落极不相似，中等不相似，中等相似和极度相似。

用Excel 2010与Sigmaplot制作图表和SAS 9.2软件进行单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同抗虫性苜蓿品种根围土壤线虫群落组成及优势度

不同抗虫性苜蓿品种根围共分离鉴别出棱咽属(Prismatolaimus)、丽突属(Acrobeles)、拟丽突属(Acrobeloides)、头叶属(Cephalobus)、真头叶属(Eucephalobus)、鹿角唇属(Cervidellus)、原杆属(Protorhabditis)、中杆属(Mesorhabditis)、小杆属(Rhabditis)、滑刃属(Aphelenchoides)、真滑刃属(Aphelenchus)、垫刃属(Tylenchus)、伪垫刃属(Nothotylenchus)、短体长针属(Longidorella)、矮化属(Tylenchorhynchus)、孔咽属(Aporcelaimus)等16属。‘草原2号’、‘草原4号’苜蓿品种根围分别分离出15属线虫，‘草原4号’抗虫苜蓿品种根围没有分离到矮化属线虫，‘草原2号’土壤根围处没有分离到原杆属线虫。‘草原2号’0～10 cm和10～20 cm土层中分离到的线虫数量为425条·(100g干土)-1、429条·(100g干土)-1，而‘草原4号’0～10 cm和10～20 cm土层中分离到的线虫数量为67条·(100g干土)-1和119条·(100g干土)-1。‘草原2号’根围土壤线虫数量显著高于‘草原4号’抗虫品种(P<0.05)。

‘草原2号’0～10 cm土层中的优势属种类为丽突属、头叶属，分别占线虫总数量的30.72%和7.10%；‘草原2号’10～20 cm土层中的优势属种类为丽突属、头叶属，分别占线虫总数量的31.33%和7.23%；‘草原4号’0～10 cm土层中的优势属种类为丽突属、拟丽突属，分别占线虫总数量的22.88%和28.37%；‘草原4号’10～20 cm土层中的优势属种类为丽突属、拟丽突属、头叶属，分别占线虫总数量的26.24%，21.03%和10.76%。不同抗虫性品种苜蓿根围优势属的种类(属)存在差异，‘草原2号’土壤线虫优势属的数量占比高于‘草原4号’(表2)。

表2 两种苜蓿品种土壤线虫各属的数量及优势度

续表2

2.2 不同抗虫性苜蓿品种根围土壤线虫营养类群及c-p值

‘草原2号’根围不同土层土壤食细菌线虫数量显著高于‘草原4号’(P<0.05)；‘草原2号’0～10 cm土层根围土壤食真菌线虫、杂食捕食类线虫数量显著高于‘草原4号’0～10 cm土层根围；其中食细菌线虫是两种苜蓿品种根围土壤线虫群落的优势营养类群(图2)。

图2 不同抗虫性苜蓿品种根围土壤线虫营养类群数量

‘草原2号’与‘草原4号’根围土壤线虫中，c-p1-c-p5线虫的类群数量大不相同。在两种苜蓿品种间不同土层c-p2的线虫类群个体数量显著高于其他c-p值的线虫(图3)。‘草原2号’根围土壤线虫的c-p2值类群数量显著高于‘草原4号’(P<0.05)，‘草原2号’0～10 cm土层中的土壤线虫c-p5值类群数量显著高于‘草原4号’(P<0.05)，其余c-p类群线虫数量无明显差异。

图3 不同抗虫性苜蓿品种根围土壤线虫c-p类群数量

2.3 不同抗虫性苜蓿根围土壤线虫生态特征指数

‘草原4号’根围土壤线虫群落的富集指数(EI)显著高于‘草原2号’(P<0.05)，而两种苜蓿Shannon多样性指数(H′)、线虫通路指数(NCR)、成熟度指数(MI)和结构指数(SI)均没有显著差异(表3)。

表3 不同抗虫性苜蓿品种根围土壤线虫生态特征指数

2.4 不同抗虫性苜蓿根围土壤线虫相似性指数

利用Jaccard相似系数计算抗虫性不同苜蓿品种根围土壤两种牧草根围线虫群落的相似性系数。发现‘草原2号’0～10 cm和10～20 cm土层根围土壤线虫群落相似性系数为1，群落相同。而‘草原4号’0～10 cm和10～20 cm土层根围土壤线虫群落相似性系数为0.867，极相似。‘草原2号’与‘草原4号’0～10 cm，10～20 cm土壤线虫群落处相似性指数最低，为0.813，虽然属于极相似，但也在发生微小的变化(表4)。

表4 不同抗虫性苜蓿根围土壤线虫群落的Jaccard相似性

2.5 不同抗虫性苜蓿根围土壤线虫区系的分布

功能区系的划分可以明确种植不同抗虫性苜蓿品种对其根围土壤线虫群落区系分布的影响。‘草原4号’根围处0～10 cm土层的土壤线虫区位于A象限，表明其土壤养分状况较好，但受干扰程度较高，食物网也受到一定程度的干扰。‘草原2号’0～10 cm土层，‘草原2号’10～20 cm土层，‘草原4号’10～20 cm土层位于D象限，表明土壤养分状况较差而且受干扰程度最高，食物网退化(图4)。

图4 土壤线虫权重区系分析图

3 讨论

在试验中种植不同抗虫性苜蓿品种会影响其根围土壤线虫群落。试验中共发现16属土壤线虫，而‘草原4号’、‘草原2号’根围分别分离到15属线虫，‘草原4号’根围土壤未分离到属于植物寄生线虫的矮化属线虫，而‘草原2号’根围土壤未分离到属于食细菌线虫原杆属。‘草原4号’根围分离到9属食细菌线虫，而‘草原2号’为8属；‘草原2号’及‘草原4号’根围分别分离到3属及2属植物寄生线虫。研究者认为土壤线虫群落的营养结构依赖于不同营养类群所取食的食物资源状况[22]。对植物寄生线虫而言，植物根系的生长状况是影响其分布的主要因素之一[24]。萨如拉等[12]研究表明，‘草原4号’的根部皮层薄壁细胞厚度、内皮层厚度、维管形成层厚度、木质部厚度均比‘草原2号’厚，而木射线具有显著变宽的趋势，是否可以抵抗‘草原4号’根围植物寄生线虫种类的侵染，需做进一步的根系侵染试验。

本试验分离鉴别出线虫数量67～429条·(100g干土)，与前人研究相比，发现的线虫属和线虫数量较少，这与试验地开垦年限短、取样前一天正逢下雨有直接关联，研究表明降雨是导致土壤线虫丰富度和数量降低的主要因素[25-28]。刘满强等[6]研究表明，褐飞虱侵害水稻9 d后，感虫品种(‘广四’和‘汕优63’)的土壤线虫总数、属数等数量会增加。Fu等[29]发现蝗虫取食玉米24 h后会使土壤线虫群落发生变化，Vestergård等[30]发现蚜虫取食大麦7 d就会影响土壤线虫群落的发展。在两种豆科牧草间线虫数量以及群落组成表现出了一定的差异，且这种差异随着时间的延长而更加显著[31]。汤英等[32]研究发现种植易感褐飞虱的水稻品种会影响土壤活性碳氮水平，土壤碳氮资源的分配格局及质量也受到植物品种特性的影响[33]。‘草原4号’土壤线虫数量低于‘草原2号’根围土壤线虫，说明抗虫性不同的苜蓿根围土壤碳、氮同化及分配格局存在差异，且会影响土壤线虫群落的变化。苜蓿品种抗虫性方面的差异可能也会影响到植物碳、氮分配格局，最终造成土壤线虫数量的降低，需要做植食者取食强度的试验进一步明确。

本研究发现种植两种抗虫性不同的苜蓿没有对其土壤线虫Shannon多样性指数(H′)、线虫通路指数(NCR)、成熟度指数(MI)和结构指数(SI)等指数产生影响。线虫生态指数没有产生明显差异，与苜蓿种植年限有很大关系[10]。

从Jaccard群落相似性指数可以看出两种抗虫性不同的苜蓿土壤线虫群落的相似性极大，表明亲缘关系愈近的植物在生态学上就愈相似。如Gorman等[34]研究发现，亲缘种越接近，土壤节肢动物群落组成越相似。

从线虫区系分布可看出，SI和EI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[22]。在本试验中，‘草原4号’抗虫苜蓿品种的线虫群落EI指数更高，说明‘草原4号’土壤线虫群落食物资源优于‘草原2号’，并且能较好地改善土壤环境。

4 结论

不同抗虫性品种对土壤线虫群落乃至土壤生态系统结构及功能存在一定程度的影响。本试验通过研究‘草原2号’感虫苜蓿和‘草原4号’抗虫苜蓿根围土壤线虫的群落特征，发现其种类(属)、c-p值及营养类群的土壤线虫数量存在一定的差异，而从生态指数、Jaccard群落相似性指数来看无显著差异。从线虫区系分布可看出，‘草原4号’0～10 cm土层的土壤养分状况较好。综合考虑，在种植不同抗虫性苜蓿及建立苜蓿人工草地时，应先考虑种植抗虫性较强的‘草原4号’。