喀斯特洞穴小型土壤节肢动物多样性

杨大星,杨 娟,李 灿

贵阳学院贵州省山地珍稀动物与经济昆虫重点实验室, 贵阳 550005

贵州是中国乃至世界喀斯特分布面积最大片区的中心,发育着一套最典型、显著的喀斯特洞穴,洞穴结构复杂、类型多样[1],洞穴具有植被稀少,有机质贫乏,湿度高,温度恒定等特征,环境条件与常见的生态系统类型明显不同,是研究喀斯特生态过程的理想场所[2],贵州省因目前发现的岩溶洞穴最多也成为了洞穴生态系统研究的首选区域[3]。土壤节肢动物可通过取食作用和非取食作用发挥其生态功能,进而改善土壤土壤结构、促进有机质分解和养分循环[4—7]。不仅如此,土壤节肢动物还能指征环境变化,其敏感性甚至优于植被和土壤理化性质对环境变化的反应[8—9]。所以研究洞穴土壤节肢动物,对于深入认识喀斯特地下生态过程,揭示土壤节肢动物在特殊环境下的响应机制具有重要意义。

近年来,科研工作者在喀斯特地区陆续开展了一系列土壤动物生态学研究,但主要以森林[10—13]、农田[14—16]和草地[17]等常见的生态系统类型为主,洞穴少有涉及[18—20],这并不利于全面认识喀斯特地区的生态过程。因此,本研究采用生态学相关原理及方法对洞穴土壤节肢动物进行研究,旨在弄清洞穴土壤节肢动物群落结构特征及其与环境因子的相互作用关系,为喀斯特地区洞穴生物多样性保护提供科学资料。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于贵州省南部的黔南州,地理坐标介于106°12′—108°18′E,25°04′—27°29′N之间。地势北高南低,海拔在242—1961 m之间,平均海拔高度997 m。气候属亚热带季风气候,无霜期平均为292 d,区内大部分地区日照度在30%左右,年平均气温13.6—19.6 ℃,温度自北向南、自西向东逐渐递增,年降水多在1200 mm以上。区内共有各种植物170科,744属,2000余种,主要树种有马尾松(Pinusmassoniana)、杉木(Cunninghamialanceolat)、栲树(Castanopsisfargesii)、水青冈(Faguslongipetiolata)、栓皮栎(Quercusvariabilis)、光皮桦(Betulaluminifera)和枫香(Liquidambarformosana)等。土壤类型主要有赤红壤土、红壤土、黄壤土、红色石和石灰土等。

1.2 研究方法

1.2.1样地设置

于2018年5月(春季)、7月(夏季)、10月(秋季)和2019年1月(冬季)在黔南州选取无干扰或干扰较小洞穴作为实验样地,以自然林为对照进行小型土壤节肢动物研究。洞穴和自然林分别设置4个和3个重复样地,同类型样地间距离在100 m以上。根据各洞段光照强度的不同将洞穴划分为有光带(光照度10 lx以上)、弱光带(光照度0.1—10 lx)和黑暗带(光照度0—0.1 lx)[21]进行调查,使用泰仕tes1334a数字照度计测定光照强度。

1.2.2调查和分类鉴定

除洞穴3有光带和黑暗带面积较小,仅设置1个样方,弱光带设置3个样方外,其余洞穴在有光带、弱光带和黑暗带分别随机设置3个样方,每个自然林设置5个样方进行调查,同一生境样方间距不小于5 m,取样面积为5 cm×5 cm,每个样方取样2份,分别用于小型土壤节肢动物分离和理化指标测定。由于大多数洞穴土层较薄,因此小型土壤节肢动物和土壤理化性质分析用的土样取样深度均为5 cm,为了便于平行比较,自然林小型土壤节肢动物和土壤理化性质分析用的土样取样深度也为5 cm。

小型土壤节肢动物在室内使用Tullgren法24 h分离获取,获得的小型土壤节肢动物使用《中国土壤动物检索图鉴》[22]、《The Oribatid Mites Genera of the World》[23]和《A Manual of Acarology (Third edition)》[24]等工具书进行分类鉴定,一般鉴定到科,并统计个体数量。分类单元主要使用《中国土壤动物检索图鉴》[22]的分类系统。土壤理化性质的分析根据《土壤农业化学分析法》[25]完成：pH值采用电位法(水土比2.5∶1)；有机质采用高温外热重铬酸钾氧化-容量法；全氮采用凯氏定氮法；全磷采用钼锑抗比色法；全钾采用火焰分光光度法；有效氮采用FeSO4-Zn还原- 碱解扩散法；有效磷采用钼锑抗比色法；有效钾采用火焰分光光度法。

1.2.3数据分析处理

将同一季节每个洞穴或自然林所有样方的数据进行平均后再进行分析,即洞穴4个重复,自然林3个重复。数据进行log(x+1)转换降低非正态性后使用重复测量方差分析(Repeated measures ANOVA)检验生境和取样季节及其交互作用对小型土壤节肢动物的影响,若差异显著则用LSD 法(方差齐性)和Tamhane′s T2(M)法(方差不齐)进行多重比较。使用单因素方差分析(One-way ANOVA)对洞穴和自然林小型土壤节肢动物进行季节间的差异性检验。使用独立性T检验分析不同生境土壤理化性质的差异。使用Pearson系数(双尾检验) 进行相关性分析。

使用主成分分析(Principal component analysis,PCA)对小型土壤节肢动物群落进行排序,以查明空间变化对小型土壤节肢动物群落结构的影响,为减少排序图的复杂性,仅使用密度百分比大于1%的类群进行PCA排序分析。

按生境将4个季节的小型土壤节肢动物数据进行平均后再使用冗余分析(RDA)确定小型土壤节肢动物多样性与环境因子之间的关系。为降低共线性的影响,通过R语言vegan程序包中的函数vif.cca检验每个环境因子的VIF值,若只有1个环境因子VIF值超过10,则直接删除后进行RDA分析,若VIF值超过10的环境因子≥2个,则按VIF值由大到小逐个删除直至每个环境因子VIF值均低于10后再进行RDA分析。最终,筛选出pH值、有机质(SOM)、有效钾(AK)和有效磷(AP)进行RDA分析。

优势类群的划分：个体密度占总密度10.0%以上者为优势类群,占1.0%—10.0%者为常见类群,不足1.0%者为稀有类群[9]。

以上数据的分析和作图在Excel 2010、Origin 2016和SPSS 16.0上完成,使用R语言[26]进行PCA分析和RDA分析并实现可视化。

2 结果与分析

2.1 小型土壤节肢动物群落组成

调查获得小型土壤节肢动物2399个,隶属7纲15目121科(表2)。其中优势类群为等节跳科(Isotomidae),占总密度的11.58%；常见类群为杆棱甲螨科(Mochlozetidae)、懒甲螨总科(Nothroidea)和若甲螨科(Oribatulidae)等25类,占总密度的66.82%；稀有类群为同翅目(Homoptera)、单翼甲螨科(Haplozetidae)和粪蚊科(Scatopsidae)等109类,占总密度的21.60%。

表2 小型土壤节肢动物群落组成 Table 2 Compositions of soil microarthropod

PCA排序分析结果表明,各季节洞穴与自然林小型土壤节肢动物群落组成结构差异明显(图1)。不同季节,影响小型土壤节肢动物群落结构的主要类群有不同。春季,在PC1轴上影响群落结构的主要类群是若甲螨科和厚厉螨科(Pachylaelapidae)；夏季,在PC1轴上影响群落结构的主要类群是盾珠甲螨科(Suctobelbidae)和尾足螨科(Uropodidae)；秋季,在PC1轴上影响群落结构的主要类群是尾足螨科；冬季,在PC1轴上影响群落结构的主要类群是蚁科(Formicidae)。

图1 小型土壤节肢动物主成分分析排序图Fig.1 Principal component analysis (PCA) ordination diagrams of soil microarthropod

2.2 小型土壤节肢动物多样性

各季节均以自然林小型土壤节肢动物类群数、密度和Shannon-Wiener指数(H′)高于洞穴,但洞穴和自然林小型土壤节肢动物类群数、密度和Shannon-Wiener指数(H′)季节变化有不同(图2)。Repeated measures ANOVA分析显示,洞穴小型土壤节肢动物类群数、密度和Shannon-Wiener指数(H′)与自然林差异显著(P<0.01),季节变化显著影响小型土壤节肢动物类群数、密度和Shannon-Wiener指数(H′)(P<0.05),交互作用显著影响类群数和Shannon-Wiener指数(H′)(P<0.05)。One-way ANOVA 结果表明,自然林小型土壤节肢动物类群数(F=24.56,P<0.01)、密度(F=21.30,P<0.05)和Shannon-Wiener指数(H′)(F=29.51,P<0.05)季节波动明显,洞穴小型土壤节肢动物类群数、密度和Shannon-Wiener指数(H′)无显著季节差异。

图2 小型土壤节肢动物多样性(平均值±标准误)Fig.2 Diversity of soil microarthropod (Mean±SE)小写字母不同表示同一生境不同季节间差异显著

2.3 小型土壤节肢动物主要类群动态

不同季节洞穴螨类、跳虫和昆虫密度均低于自然林(图3)。Repeated measures ANOVA分析表明,洞穴与自然林螨类、跳虫和昆虫密度差异显著(P<0.05),季节变化对螨类密度影响显著(P<0.05),对跳虫和昆虫密度影响不明显,交互作用对螨类、跳虫和昆虫密度影响均不明显。One-way ANOVA 结果显示,自然林螨类密度存在显著的季节差异(F=28.17,P<0.001)。

图3 不同小型土壤节肢动物类群个体密度(平均值±标准误)Fig.3 The dynamic in individual density of different groups (Mean±SE)

2.4 小型土壤节肢动物与环境因子的关系

各生境土壤化学性质如表3所示。洞穴与自然林土壤pH值、全磷和全钾差异显著(P<0.05),其余无显著不同。

表3 不同生境的主要化学性质(平均值±标准误)Table 3 Main chemical properties in different habitats

环境因子与小型土壤节肢动物相关性分析结果(表4)表明,小型土壤节肢动物类群数和Shannon-Wiener指数(H′)与pH值、全磷、全钾和光照强度显著相关(P<0.05),密度与pH值、全磷、有机质和光照强度显著相关(P<0.05),土壤跳虫和昆虫密度与pH值和有机质显著相关(P<0.05),土壤螨类密度与pH值、全氮和有机质显著相关(P<0.05)。

表4 小型土壤节肢动物相关性分析Table 4 Pearson correlation analysis on the relationships between soil microarthropod and environmental factors

RDA分析显示,第一轴和第二轴对小型土壤节肢动物多样性与土壤因子关系的解释率为91.14%,且所有轴(F=16.54,P<0.05)和第一轴(F=64.09,P<0.05)在统计学上达显著水平(图4)。小型土壤节肢动物类群数、密度、Shannon-Wiener指数(H′)、螨类密度、跳虫密度和昆虫密度与土壤有机质正相关,与pH值、有效钾和有效磷负相关。蒙特卡洛检验显示,土壤pH值是影响小型土壤节肢动物多样性最主要的土壤因子(P<0.01)。

图4 群落多样性与土壤因子之间的冗余分析Fig.4 Redundance analysis (RDA) of community diversity explained by soil factorsGNSM: 小型土壤节肢动物类群数 Group number of soil microarthropod; DSM: 小型土壤节肢动物密度 Density of soil microarthropod; H′:小型土壤节肢动物多样性指数 Shannon-Wiener index; DM: 螨类密度 Density of mite; DS: 跳虫密度 Density of springtail; DI: 昆虫密度 Density of insect

3 讨论

生多样性的高低能反映生态系统稳定性和食物网的复杂程度[27—28]。洞穴平均Shannon-Wiener指数(H′)为0.27,不仅低于本研究中的自然林,且低于喀斯特地区大多数的生态系统类型,如火烧迹地(1.43—2.18)[10],草地(0.53),灌木丛(0.88),灌木林(0.87)[29],农田(2.47)和撂荒地(2.28)[30],表明喀斯特洞穴生态系统具有稳定性差,食物网简单的特征。

本研究结果表明,洞穴小型土壤节肢动物群落结构与自然林差异明显,优势类群明显不同。从自然林到洞穴,优势类群等节跳科密度由1646.67 个/m2显著下降到59.38个/m2(P<0.05),在群落中的比例随之大幅度降低(12.09% 到5.23%)；自然林常见类群奥甲螨科(Oppiidae)个体密度(200.00个/m2)与洞穴(231.25个/m2)接近(P>0.05),但在洞穴中的比例(20.79%)较自然林(1.74%)大幅度提升,转变为优势类群。可以看出,奥甲螨科对洞穴环境的适应能力明显强于等节跳科,食性不同可能是二者空间选择存在差异的原因。奥甲螨科为杂食性,而等节跳科为菌食性[31],杂食性土壤动物食源广泛,较菌食性土壤动物对环境变化具有更强的适应能力[32—33],所以奥甲螨科在洞穴这样相对严酷的环境中仍有较高的优势地位。朱新玉等[34]也撰文指出杂食性是节肢动物对不稳定环境适应的表现。

独有类群对环境条件有强烈的依赖性,只在特定的环境出现,所以生境间独有类群的多寡对小型土壤节肢动物群落组成结构差异有重要影响。自然林和洞穴共有类群为45个,独有类群分别为71个和19个,分别占洞穴和自然林小型土壤节肢动物总类群数的61.21%和29.69%,说明洞穴和自然林小型土壤节肢动物群落组成差异较大,自然林小型土壤节肢动物群落组成较为复杂,而洞穴小型土壤节肢动物群落组成相对简单。土壤动物群落组成和结构受植物群落物种组成和凋落物质量和含量的影响[35—36]。洞穴与自然林无论是植物的组成,还是凋落物的质量和数量都表现出较大的不同(表1),导致小型土壤节肢动物群落组成在不同空间产生明显差异。

表1 样地基本情况Table 1 Basic characteristics of the plots

本研究发现,小型土壤节肢动物类群数、密度和多样性与土壤全磷和pH值显著正相关,与光照强度显著负相关,表明土壤全磷、pH值和光照强度对小型土壤节肢动物群落有重要影响。光是植物的重要能量来源,也是植物生长的基本条件之一,光照强度的降低不利于植物的生长和生物量的积累[37—38],但土壤动物分布受植被的影响[39—40],植物多样性越高,意味着环境异质性越高,能为土壤动物提供更丰富的小生境和多样化的食物资源,从而促进土壤动物多样性的提高[41—42]。洞穴环境光照不足,在黑暗带甚至不能进行光合作用,制约了植物的生长分布,食物资源贫乏和栖息环境的严酷性限制了小型土壤节肢动物种类和数量的增长,小型土壤节肢动物类群数、密度和多样性因此较低。自然林光照充足,植物多样性高,能为小型土壤节肢动物提供多样化的食物资源和相对良好的栖息环境,小型土壤节肢动物类群数、密度和多样性也较高。表明光照可以通过改变植物生长从而间接影响小型土壤节肢动物空间分布。

适量的磷元素对土壤节肢动物有利,过多则会产生不利影响[43]。洞穴小型土壤节肢动物类群数、密度和多样性均显著低于自然林,显示了洞穴过高的土壤全磷含量确实对小型土壤节肢动物产生了明显的负面作用。相关研究表明,微酸性和中性条件更适宜于大多数土壤动物的繁衍生息[44—45]。本研究发现,在研究区酸性土壤环境中,低土壤酸度的洞穴环境对小型土壤节肢动物有明显的抑制作用(表3和表4),与何振等[46]的研究结果一致。相比之下,土壤酸性较高的自然林更有利于小型土壤节肢动物的生存。RDA分析也表明土壤节肢动物类群数、密度和多样性与低pH值环境密切相关,螨类、跳虫和昆虫密度在土壤酸性较高的自然林更为丰富(图3,图4)。张洪芝等[47]对青藏东缘若尔盖高寒草甸中小型土壤动物进行研究时也有类似发现,并认为这是土壤动物长期生活于低温环境,形成了与环境相适应的生理机制和低温度忍耐限度所致。喀斯特小型土壤节肢动物在长期的演化历程中可能已经形成独特的适应机制,对环境变化的响应具有特殊性。

洞穴内湿度较高,土壤在夏季和秋季也保持了较高湿度,在弱光带和黑暗带甚至可达到过饱和状态。与此同时,洞道在向内部延伸的过程中不仅土层厚度会逐渐降低,土壤质地还会趋于硬化。土壤水分处于饱和或过饱和状态会对生活在其间的一些土壤节肢动物产生致死作用[48]或影响其繁殖活动[49],而土壤的硬化板结,则能使土壤孔隙度降低,紧密度提升,孔隙中所能提供的氧气减少,土壤动物会因呼吸作用受阻而密度降低[50—52]。对于像跳虫这类对孔隙度敏感的土壤节肢动物,孔隙度的降低还意味着其生存空间的减少,由于不能进行掘穴活动,为了保护体表蜡质层,跳虫通常会避免在低孔隙土壤环境中活动[53]。尾足螨个体数量也与土壤孔隙有相关性,其个体数量可随孔隙体积的缩小而降低[54]。不仅如此,低孔隙土壤环境还能阻碍微生物的生长[55],在上行效应的作用下,菌食性土壤节肢动物数量会因缺少食物而下降,进而影响群落整体的密度。以上分析说明,光照强度低,植被稀少,土壤条件差是洞穴土壤节肢动物类群数、密度和多样性维持在较低水平的重要原因。

自然林和洞穴小型土壤节肢动物季节动态有不同,自然林小型土壤节肢动物类群数、密度和多样性有显著季节变化,洞穴小型土壤节肢动物类群数、密度和多样性受季节变化的影响不明显。已有的研究表明植被[56]、温度[57]和降水[58]是引起土壤动物季节性变化的重要原因。秋季气温和水分条件适宜,是自然林凋落物增加的高峰期,营养源的增加能促进土壤动物多样性提升[59],一些昆虫也会在此阶段进入土壤冬眠[60],使秋季自然林小型土壤节肢动物类群、密度和多样性显著高于其他季节。虽然洞穴植物稀少,对土壤动物季节变化影响力有限[61],但洞穴的温湿度较稳定[62],所以洞穴小型土壤节肢动物季节稳定性高。

4 结论

奥甲螨科对洞穴适应能力强,等节跳科在自然林最为丰富。洞穴小型土壤节肢动物群落组成结构与自然林明显不同,且类群数、密度和Shannon-Wiener指数(H′)差异显著。洞穴小型土壤节肢动物类群数、密度和Shannon-Wiener指数(H′)季节稳定性高,而自然林小型土壤节肢动物类群数、密度和Shannon-Wiener指数(H′)季节敏感性强。土壤酸碱度是影响螨类、跳虫和昆虫密度以及小型土壤节肢动物多样性的主要环境因子。研究表明,土壤因子和光照强度的不同使小型土壤节肢动物在洞穴和自然林呈差异化分布。洞穴生态系统小型土壤节肢动物种类少,密度低,多样性差,生态系统稳定性弱,应该加强保护,避免不合理的开发利用。

致谢：感谢茂兰国家级自然保护区管理局在调查采样过程中给予的协助,感谢贵阳学院陈欢、吴骄、瞿明兵和邹龙秋等同学协助野外调查采样和室内分离工作。