放牧方式对青藏高原高寒草地土壤节肢动物群落结构和多样性的影响

孙彩彩，董全民，刘文亭，冯斌，时光，刘玉祯，俞旸，张春平，张小芳，李彩弟，杨增增，杨晓霞

（青海省畜牧兽医科学院，青海大学，青海省高寒草地适应性管理重点实验室，青海西宁 810016）

土壤动物是指部分或全部生命活动在土壤中度过，同时对土壤产生一定影响的动物［1］。土壤动物作为草地生态系统中数量多、分布范围广、对环境变化最敏感的一类生物，参与草地生态系统的多个过程，被亲切地誉为“草地生态系统工程师”［2］。土壤节肢动物群落结构不仅受不同种植种类牧草干扰的影响，同时受土壤状况、土壤含水量及p H等各方面影响，随种植牧草种类的改变，土壤节肢动物优势群落也发生转变［3］。放牧作为高寒草地的主要利用方式，不仅可为食草家畜提供食物进而转化为第二性生产力，同时与草地健康息息相关，进而实现高寒草地可持续利用发展［4］。因此，研究放牧对土壤动物的影响对稳定和保护草地生态系统尤为重要。目前，已有学者研究了关于放牧对土壤动物多方面的影响，如群落结构、多样性等。武崎等［5］阐述了不同放牧强度下高寒草地不同类群土壤动物（地表节肢动物、土壤节肢动物、土壤线虫）群落结构及多样性的变化趋势，即重度放牧有利于地表节肢动物存活，中度放牧有利于土壤节肢动物存活，轻度放牧则有利于土壤线虫存活，该研究表明随放牧强度的增加，家畜排泄物增加，而这些排泄物为土壤动物提供更多的养分，同时，家畜对植物的采食有利于幼嫩组织的形成，进而吸引更多的土壤动物。而肖红艳等［6］对亚高山草甸的研究表明，大型和中小型土壤动物的密度对放牧强度干扰存在不同响应，在中度放牧条件下，中小型土壤动物密度最大，而大型土壤动物密度最小，此外，土壤动物的密度会随土层深度的增加而递减，其中，在中度放牧干扰下，土壤动物表聚性最强。研究还发现放牧季节对土壤动物数量及群落组成具有显著影响，秋季放牧土壤动物个体数量远远高于春季，对植食性土壤动物影响尤为显著［7-8］。当前虽然对高寒草地放牧与土壤动物的关系展开了相关研究［5］，但是关于不同畜种（牦牛、藏羊）放牧对土壤节肢动物影响的研究还鲜有报道。

青藏高原是全球高寒草地分布的主要区域，也是全球生物多样性保护的34个重点地区之一［9］。目前关于土壤动物的研究大多集中在内蒙古草原［8］、四川省高寒草地［5］、内蒙古科尔沁沙地［10］等地，在青藏高原关于土壤动物的研究较少。据已有研究发现，青藏高原高寒草地大型、中小型土壤动物类型十分丰富，并且与土壤、植物、环境存在密切的联系，大型土壤动物在维护和稳定草地生态平衡中发挥不可估量的作用［11］，中小型土壤动物对周围环境变化十分敏感，因此可作为环境变化的“指示剂”［12］。然而，以往的研究大多关注放牧强度［13-14］，且为单一畜种放牧［8］。有研究发现，不同放牧家畜种类对草地的结构以及功能具有重要影响［15］。当前在青藏高原高寒草地，牧民更倾向于在同一块草地将不同比例的当地放牧家畜（牦牛、藏羊）进行混合放牧［16］，然而，尚不清楚家畜物种的混合如何影响高寒草地生态系统的结构和功能。土壤节肢动物是草地生态系统的重要组成部分，其在土壤物质循环、改善土壤结构等方面发挥着重要作用［17］。因此，本研究在青藏高原高寒草地开展了不同放牧家畜（牦牛放牧、藏羊放牧及牦牛藏羊不同比例混合放牧）试验，旨在研究：1）明确牦牛放牧和藏羊放牧对土壤节肢动物群落结构及多样性的影响；2）如果家畜种类对土壤节肢动物群落结构的影响有显著差异，那么牦牛、藏羊以不同比例混合放牧对土壤节肢动物群落结构及多样性的影响如何？本研究可为准确评价放牧对高寒草地生态系统的影响提供可靠依据，促进青藏高原地区生态、经济的可持续发展。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究地点位于青海省海北州海晏县西海镇（36°92′N，100°93′E），海拔3150 m。该地属于高原山地气候，日夜温差大，无绝对无霜期，年平均温度1.5℃，最热7月平均气温12.5℃，最冷1月平均气温-12.9℃。降水主要集中在5-9月，年平均降水量400 mm。该试验点主要生长植物有矮嵩草（Kobresia humilis）、紫花针茅（Stipa purpurea）、干生苔草（Carex aridula）、早熟禾（Poa annua）和星毛委陵菜（Potentilla acaulis）等。土壤为砂壤土［18］。

1.2 样地设计

试验样地建立于2014年，设有6个放牧处理，分别为：无放牧（no grazing，CK，0.05 hm2）、牦牛单牧（yak grazing，YG，0.26 hm2）、藏羊单牧（tibetan sheep grazing，SG，0.17 hm2）、牦牛藏羊1∶2混合放牧（mixed-grazing with ratios of yak to Tibetan sheep as 1∶2，MG1∶2，0.43 hm2）、牦牛藏羊1∶4混合放牧（MG1∶4，0.60 hm2）、牦牛藏羊1∶6混合放牧（MG1∶6，0.76 hm2），每小区3个重复，共计18个试验小区。由于该试验设计是为了研究家畜类型及其混合比例对草地生态系统结构和功能的影响，因此所有处理采用相同的放牧强度，即中等放牧强度（11.6羊单位·hm-2）。于每年暖季（6月）开始放牧，至冷季（10月）结束放牧［19-20］。于2020年7月25日即连续放牧第7年开展本试验。

1.3 样品的采集与测定

2020年7月25日对6个放牧方式样地的土壤节肢动物进行取样调查。每个放牧小区设置6个采样点，采用直径5 cm的土钻按照0～5 cm、5～10 cm、10～15 cm进行分层取样，将每一层的6个土壤样品进行混合，从中取2份100 g的土壤样品进行分离鉴定，共采集土样216份。采集的新鲜土样在24 h内于实验室采用干漏斗法（Tullgren法［4］）分离土壤节肢动物，分离时间为48 h，温度控制在35℃左右，使用75%的医用酒精保存分离得到的土壤动物样品，短期内完成土壤节肢动物鉴定工作。

收集到的土壤动物标本在倒置显微镜（Leica DM 4000B，德国）、体式显微镜（Olympus SZX16，日本）下进行鉴定，主要参照《中国土壤动物检索图鉴》［21］、《昆虫分类检索》［22］等书进行鉴定，同时统计个体数量。

在进行土壤动物取样的同一天，于土壤节肢动物取样区周围，在相应土层，即0～5 cm、5～10 cm、10～15 cm进行土壤取样，每层3钻，将土样混合，所采土样用于测定土壤理化性质，包括土壤全氮、全磷、全碳、速效氮、速效磷、速效钾、有机质含量和p H，采用土壤水分测定仪（霍尔德HED-SW，山东）测定土壤含水量。测定方法主要参照《土壤农业化学分析方法》［23］。

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1.4 数据分析

土壤节肢动物多度分析：按照林英华等［24］的方法，将个体数量占总采集数量的10%以上者定义为优势类群；占1%～10%者为常见类群；不足1%者为稀有类群。

通过以下数据分析土壤节肢动物群落多样性。具体计算公式如下：

Shannon-Weinner多样性指数：

式中：N为总个体数，S为类群数，Pi为第i种类群个体数在群落总个体数中所占比例。

使用IBM SPSS 22.0通过单因素方差分析（one-way ANOVA）对不同放牧方式下土壤节肢动物类群数、丰富度、多样性及均匀度间的差异进行分析。使用RStudio通过双因素方差分析（two-way ANOVA）对牦牛和藏羊影响下土壤节肢动物数量之间的差异进行分析。通过主成分分析法（principal component analysis，PCA）对不同放牧方式样地的土壤节肢动物群落进行排序，分析土壤节肢动物群落组成结构的差异性。通过相关性分析（correlation analysis）明确土壤节肢动物群落多样性与土壤理化特性的关系。

2 结果与分析

2.1 不同放牧方式样地土壤理化特性

不同放牧方式样地的土壤理化特性具有一定差异（表1）。不同放牧方式样地的土壤全氮、有机质、p H以及土壤含水量均无显著差异；土壤全磷含量在SG放牧样地最高，在MG1∶4放牧样地最低；土壤全碳含量在CK和MG1∶4放牧样地较高；而SG放牧样地速效氮、速效磷含量显著高于其他放牧样地（P<0.05）；CK放牧样地速效钾含量最高，显著高于其他放牧样地 （P<0.05）。

2.2 土壤节肢动物群落组成

在研究样地上，分离得到的土壤节肢动物经鉴定隶属于4纲8目28科（表2）。其中以真螨目（Acariformes）的螨总科（Acaroidae）和甲螨总科（Oiibatida）为优势类群，分别占土壤节肢动物总捕获量的36.67%和41.14%；常见类群共有3科，为寄螨科（Parasitoidae）、等节跳科（Isotomidae）和蕈蚊科（Mycetophilidae），分别占土壤节肢动物总捕获量的6.09%、8.05%和1.08%；而其他23科稀有类群共占土壤节肢动物总捕获量的6.97%。

表2 试验样地土壤节肢动物组成Table 2 Composition of soil arthropod in experimental places

2.3 不同放牧方式对土壤节肢动物群落数量和组成的影响

2.3.1 不同放牧方式下土壤节肢动物的数量特征 除双尾目、缨翅目、半翅目以及蜘蛛目外，牦牛和藏羊单独放牧及其混合放牧均对各土壤节肢动物类群产生影响（表3）。在0～5 cm土层，寄螨目（Parasiformes）、弹尾目（Collembola）数量受牦牛放牧、藏羊放牧以及两者混合放牧影响显著（P<0.01）；真螨目（Acariformes）受牦牛放牧及牦牛藏羊混合放牧影响显著（P<0.01）；缨翅目（Thysanoptera）、双翅目（Diptera）、蜘蛛目（Araneae）受藏羊放牧影响显著（P<0.01或P<0.05）。在5～10 cm土层，真螨目、寄螨目受牦牛放牧、藏羊放牧以及两者混合放牧影响显著（P<0.01）；弹尾目受牦牛放牧及牦牛藏羊混合放牧影响显著（P<0.01或P<0.05）；而双翅目受藏羊放牧及牦牛藏羊混合放牧影响显著（P<0.01或P<0.05）。在10～15 cm土层，真螨目、寄螨目、双翅目受牦牛放牧、藏羊放牧以及两者混合放牧影响显著（P<0.01）；弹尾目受牦牛放牧及藏羊放牧影响显著（P<0.01），但牦牛藏羊混合放牧对弹尾目影响不显著。

表3 放牧方式对土壤节肢动物数量影响的双因素方差分析Table 3 Two-way ANOVA analysis of the influence of gr azing modes on the number of soil ar thr opods

土壤节肢动物的数量在不同放牧方式和不同土层间具有明显的变化（图1）。各处理下土壤节肢动物数量在0～5 cm土层最多（18～25×103只·m-2），随着土层深度的增加土壤节肢动物的数量在减少，说明土壤节肢动物具有“表聚性”。无放牧（CK）样地与其他放牧样地相比，土壤节肢动物数量最多，而在剩余5个放牧样地中，呈现出随牦牛所占比重的增加，土壤节肢动物总数量呈现下降的趋势。

图1 不同放牧方式对土壤节肢动物数量的影响Fig.1 The effects of different grazing modes on soil arthropod abundance

2.3.2 不同放牧方式下土壤节肢动物的群落组成 从科的水平对分离到的土壤节肢动物进行鉴定，本试验样地土壤节肢动物主要优势类群有螨总科、甲螨总科。土壤节肢动物优势类群、常见类群以及稀有类群随放牧方式的改变而发生变化（表4），具体为：MG1∶2放牧样地土壤节肢动物有19类群，隶属4纲8目，其中优势类群为螨总科、甲螨总科，分别占MG1∶2放牧样地土壤节肢动物捕获总量的37.04%、41.33%；常见类群有7类（17.88%），剩余10科稀有类群共占3.75%。MG1∶4放牧样地土壤节肢动物有23类群，隶属4纲7目；其中优势类群为螨总科、甲螨总科、裔符跳属，共占MG1∶4放牧样地土壤节肢动物捕获总量的90.19%；常见类群有2类（5.26%）；稀有类群有18类（4.55%）。MG1∶6放牧样地土壤节肢动物有26类群，隶属4纲7目；螨总科、甲螨总科为优势类群（77.25%）；常见类群有3类（15.95%）；其他21类为稀有类群，占MG1∶6样地土壤节肢动物捕获总量的6.80%。SG放牧样地土壤节肢动物有23类群，隶属4纲7目；其中优势类群为螨总科、甲螨总科，分别占SG放牧样地土壤节肢动物捕获总量的36.03%、41.38%；常见类群有5类（16.77%），稀有类群有16类（5.82%）。YG放牧样地土壤节肢动物有24类群，隶属3纲6目；螨总科、甲螨总科、寄螨科为优势类群，分别占YG样地土壤节肢动物捕获总量的34.77%、39.27%、10.74%；常见类群有3类（6.04%），稀有类群有18类（9.18%）。CK放牧样地土壤节肢动物有26类群，隶属3纲7目；其中螨总科、甲螨总科为优势类群，分别占41.92%、38.44%；常见类群有2类（13.80%）；其他22类为稀有类群，共占CK样地土壤节肢动物捕获总量的5.84%。

表4 不同放牧方式下土壤节肢动物群落组成比例Table 4 Composition of soil arthropod communities under different grazing modes（%）

2.3.3 不同放牧方式下土壤节肢动物的群落结构 不同放牧方式对不同土层的土壤节肢动物群落结构具有明显的影响（图2）。0～5 cm土层，MG1∶2、MG1∶6和SG放牧样地土壤节肢动物群落结构无明显差异，但这3个放牧样地与MG1∶4、YG具有明显差异；5～10 cm土层，SG与MG1∶6放牧样地土壤节肢动物群落结构相似度较大，并与MG1∶2、MG1∶4、YG具有一定差异；10～15 cm土层，MG1∶2与MG1∶4放牧样地土壤节肢动物群落结构无明显差异，但与MG1∶6、SG、YG具有明显差异。3个土层土壤节肢动物群落结构变化总特点是：CK样地与其他放牧样地均有明显差异，即不同放牧方式对土壤节肢动物群落结构具有明显影响。

图2 不同放牧方式下土壤节肢动物群落PCA排序图Fig.2 PCA ordination diagrams of soil arthropod communities under different grazing modes

2.3.4 不同放牧方式下土壤节肢动物的多样性 如图3所示，在0～5 cm土层，与CK放牧样地相比，MG1∶2放牧样地土壤节肢动物丰富度指数显著降低（P<0.05），而其他放牧样地间差异不显著；在5～10 cm土层，YG、MG1∶2放牧样地与CK放牧样地相比差异显著（P<0.05），而MG1∶4、MG1∶6、SG放牧样地与CK放牧样地相比差异不显著；而在10～15 cm土层，MG1∶4放牧样地土壤节肢动物丰富度指数最高。

图3 不同放牧方式土壤节肢动物群落密度和多样性Fig.3 Densities and diver sity of soil ar thr opod communities under differ ent grazing modes

在0～5 cm土层，CK放牧样地与MG1∶2放牧样地土壤节肢动物类群数差异显著（P<0.05），而与其他放牧样地差异不显著；在5～10 cm土层，CK放牧样地土壤节肢动物类群数显著高于MG1∶2、MG1∶4放牧样地（P<0.05），但与MG1∶6、SG、YG放牧样地相比差异不显著；在10～15 cm土层，SG、CK放牧样地土壤节肢动物类群数显著高于其他放牧样地（P<0.05）。

在0～5 cm土层，YG与SG放牧样地土壤节肢动物多样性指数差异不显著，但YG显著高于CK（P<0.05）；在5～10 cm土层，YG放牧样地土壤节肢动物多样性指数与其他样地相比差异显著（P<0.05）；在10～15 cm土层，MG1∶4放牧样地土壤节肢动物多样性指数显著低于其他样地，其他放牧样地间差异不显著。

在0～5 cm土层，不同比例家畜混合放牧样地土壤节肢动物均匀度指数差异显著（P<0.05），表现为MG1∶2>MG1∶6>MG1∶4，YG、SG与CK放牧样地相比差异显著，但两者之间不显著；在5～10 cm土层，MG1∶2放牧样地土壤节肢动物均匀度指数显著高于其他放牧样地（P<0.05）；在10～15 cm土层，MG1∶4与MG1∶2、MG1∶6放牧样地土壤节肢动物均匀度指数差异不显著，但MG1∶2与MG1∶6放牧样地差异显著，SG、YG放牧样地与CK相比差异显著（P<0.05）。

2.4 土壤节肢动物群落与土壤理化性质的关系

相关性分析结果表明（表5），土壤节肢动物均匀度指数与有机质呈极显著正相关（P<0.01），与全氮呈显著负相关（P<0.05），与全碳、速效钾呈极显著负相关（P<0.01）；丰富度指数与全氮、速效氮、有机质呈极显著正相关（P<0.01），与pH呈极显著负相关（P<0.01）；多样性指数与全氮呈显著正相关（P<0.05），与速效氮、速效磷、有机质呈极显著正相关（P<0.01），与p H呈极显著负相关（P<0.01）；土壤节肢动物平均密度与全氮、速效氮、速效钾、有机质呈极显著正相关（P<0.01），与p H呈极显著负相关（P<0.01）；总类群数与全氮、速效氮和有机质呈极显著正相关（P<0.01），与速效钾呈显著正相关（P<0.05），与pH呈极显著负相关（P<0.01）。

表5 土壤节肢动物群落多样性与土壤理化特性的相关系数Table 5 Correlation index between soil arthropods community diversity and soil physical and chemical properties

3 讨论

3.1 青藏高原高寒草地土壤节肢动物的一般特征

与热带［25］、亚热带地区［26］土壤节肢动物相比，青藏高原高寒草地土壤节肢动物群落结构较为简单，其主要优势类群为螨总科和甲螨总科，群落多样性较低，且在组成方面具有较大的差异［27］，而与寒温带［28］、温带等［8］地区相比，也具有较大的差异，如群落组成、个体密度及类群数等。因此，土壤节肢动物的组成、群落结构以及分布与海拔、温度、气候等环境因子有较强的相关性。

本研究发现，不同放牧方式下土壤节肢动物均具有表聚性，这与前人研究结果一致［29］。一方面，表层土壤中分布着大量的植物根系，可以为土壤节肢动物带来丰富的食物，另一方面，土壤节肢动物分布在表层土壤中，既可以获得丰富的养分、光照以及食物，同时能避免天敌的捕食［30］。本研究中，混合放牧样地（MG1∶2、MG1∶4、MG1∶6）表层土的土壤节肢动物所占比例高于单独放牧（SG、YG）及无放牧（CK）样地，导致此现象发生的可能原因是相比于单一家畜放牧，混合放牧地上植被生物量、植物物种多样性有明显的增加，同时土壤节肢动物的多样性和丰富度也有明显的提高［31］。

3.2 不同放牧方式对青藏高原高寒草地土壤节肢动物群落组成的影响

不同类群的土壤节肢动物数量受放牧方式的影响不同。本研究发现，真螨目数量随藏羊比重的增加有明显的增加趋势，在SG放牧样地数量最多；寄螨目在CK、YG放牧样地数量较多，其他4个放牧处理随藏羊比重的增加寄螨目数量也随之增加，表现出MG1∶2

不同放牧方式下青藏高原高寒草地土壤节肢动物群落组成有所差异。6种不同放牧方式样地的土壤节肢动物主要类群差异较小，但其组成具有较大的差异。6种不同放牧方式样地土壤节肢动物优势类群为螨总科、甲螨总科，而YG放牧样地优势类群增加了寄螨科，MG1∶4放牧样地优势类群增加了裔符跳属，一些常见类群逐渐成为稀有类群，而稀有类群逐渐成为常见类群。这主要是由于各放牧样地放牧家畜类型及家畜数量的不同所导致，如牦牛粪便堆积可以增加土壤有机质以及含水量［34］，而藏羊粪便体积较小，含水量较低，纤维含量较高［35］，相比于牦牛粪便，其对土壤养分归还量较小。

3.3 不同放牧方式对青藏高原高寒草地土壤节肢动物群落结构及多样性的影响

不同放牧方式对土壤节肢动物群落结构具有重要影响。本研究发现，YG与SG两个放牧样地土壤节肢动物群落结构有明显差异，产生差异的原因可能是牦牛、藏羊采食习性具有差异，从而影响草地物种组成，进而影响土壤节肢动物的食物来源［36］。而不同家畜比例混合放牧（MG1∶2、MG1∶4、MG1∶6）对于土壤节肢动物群落组成及结构亦产生不同影响，其原因可能是：第一方面，牦牛和藏羊生理以及解剖结构存在一定差异［37］，相比于藏羊，牦牛对于纤维素的消化率较高，因此在不同比例混合放牧条件下，牦牛采食纤维素含量较高的茎秆，从而促进藏羊对一些幼嫩植被的采食［38］，造成地上植被产生差异，从而对土壤中的营养物质及土壤节肢动物的生存环境产生影响。第二方面，牦牛、藏羊粪便不同，由于分解、沉积等作用给草地和土壤归还不同的营养物质，以此影响土壤节肢动物食物来源，从而对土壤节肢动物的群落结构产生影响［39］。

本研究发现SG放牧样地土壤节肢动物平均密度、总类群数及Shannon-Weinner多样性指数均较大，这与武崎等［5］的研究结果略有差异，原因可能是该研究是不同放牧强度下单一畜种对土壤节肢动物的影响，而本研究是在同一放牧强度下不同畜种对土壤节肢动物的影响。而在不同比例家畜混合放牧方式下，土壤节肢动物平均密度、总类群数及Shannon-Weinner多样性指数均表现为MG1∶6放牧样地最高，而MG1∶4与MG1∶2土壤节肢动物平均密度差异不显著，导致此现象的原因是MG1∶6放牧样地家畜数量最多，大量的家畜粪便为土壤节肢动物提供一定的物质及营养基础［40］。另外，已有研究表明土壤节肢动物群落多样性与土壤化学特性存在一定关系，土壤化学特性影响着土壤节肢动物的群落结构及分布，而土壤节肢动物也可以通过自身的活动从而影响土壤化学特性，因此土壤化学特性与土壤节肢动物之间是相互影响的［41］。本研究发现，土壤全氮、速效氮、速效钾、有机质、pH与土壤节肢动物群落多样性存在一定关系，但是不同放牧方式样地土壤化学特性存在差异，表明不同放牧方式样地土壤环境因子的差异可以影响土壤节肢动物的群落多样性。本研究还发现，土壤p H值与土壤节肢动物丰富度指数、多样性指数、平均密度以及总类群数存在显著负相关关系，与均匀度指数存在正相关关系，这与已有研究结果相符［42-43］，该结果说明土壤pH值可以作为影响高寒草地土壤节肢动物群落多样性的一个因子。土壤速效钾含量与土壤节肢动物平均密度和总类群数存在显著正相关关系，表明土壤速效钾含量是影响土壤节肢动物群落的重要因子，这与已有研究结果相符［44］，有关研究发现在一定范围内，提高土壤中钾的含量，可以增加植物对于氮元素的吸收，从而提高植物的品质以及生物量［45-46］，而植物作为土壤节肢动物食物的主要来源，所以，在一定范围内土壤中的钾含量可以增加土壤节肢动物的密度和类群数。

4 结论

本研究结果表明，青藏高原高寒草地土壤节肢动物主要优势类群为螨总科和甲螨总科，不同放牧方式对青藏高原高寒草地土壤节肢动物群落结构、密度以及多样性的影响存在一定差异。藏羊单牧对提高土壤节肢动物的密度、类群数及多样性具有正向作用。由于本研究仅仅是对植被生长旺期的土壤节肢动物进行调查分析，所得结论对于青藏高原高寒草地土壤节肢动物与不同放牧方式之间的关系仅有了初步的认识。实际上，不同放牧方式对于土壤节肢动物的影响是通过多方面作用的，关于此方面应当日后开展更深入的研究，需要进行长期研究青藏高原高寒草地土壤节肢动物对于不同放牧方式的响应机制。