慶陽市慶城縣退耕還林區土壤纖毛蟲群落特征

寧應之，徐富榮，王婷婷

1.西北師范大學生命科學學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農業大學基礎實驗教學中心，甘肅 蘭州 730070

退耕還林工程是指將水土流失、沙漠化、鹽堿度高及石漠化等不適宜種植作物的耕地，結合當地實際狀況，有計劃有步驟地種草造林恢復植被，旨在通過人工植樹造林的方法恢復和保護生態環境（鄢富成等，2017）。近年來，隨著生態恢復進程的加速，自然環境狀況有了明顯的改善，關于退耕還林生態恢復的相關研究也越來越多，主要集中于土壤環境的改變（蘭志龍等，2017；段亞鋒等，2018；梁海斌等，2018）、植被類型的選擇（趙安周等，2017）、退還模式的比較（馬少薇等，2016）、微生物群落變化（陳孟立等，2018）和土壤動物群落變化（趙娟等，2019）等方面。

土壤纖毛蟲作為一類最復雜和最高等的單細胞真核生物，是土壤原生動物中的一個重要組成部分，具有物種多樣性高、生長周期短、細胞膜纖薄、相對容易分離、培養和觀察等特點，因此常被作為一種指示生物用于評價土壤生態環境（周可新等，2003；李琦路等，2008；Foissner，1999）。近年來有關土壤纖毛蟲領域的研究逐漸增多，主要涉及利用分子信息結合形態學和細胞發生學對其進行分類學研究（Li et al.，2018；Wang et al.，2016）、不同生態環境對其群落組成的影響（孫輝榮等，2017）、結合分子生物學技術探究其系統發育機制等多個方面（Wang et al.，2017）。有關農田退耕還林后土壤纖毛蟲群落結構變化的研究則較為稀缺，目前僅見寧應之等（2011，2016，2017a，2018，2019）相關報道。

慶陽市慶城縣位于甘肅省東部，是甘肅省實行退耕還林生態工程的試點之一。寧應之等（2017a）已對慶城縣退耕還林區春季土壤纖毛蟲群落進行研究，但由于監測時間過短，未能全面反映該地區退還效果。本文以慶陽市慶城縣退耕 10年后的多樹種混交林和單一樹種經濟林為研究對象，以農田作為對照，分別在春、夏、秋、冬4個季節進行采樣，探討不同退還模式對土壤纖毛蟲群落特征的影響，分析土壤纖毛蟲群落特征參數與環境因子間的相關關系，旨在為該地區退耕還林模式的選擇及退還效果生物學評價提供理論依據和參考資料。

1 研究樣區與研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于甘肅省東部慶陽市慶城縣境內（圖1），地處隴東黃土高原中部地帶，地理位置35°59′—36°05′N，107°46′—107°53′E，東西長約 70 km，南北寬約56 km，總土地面積2692.6 km2。全縣殘塬溝壑與丘陵溝壑地貌廣泛分布，氣候屬于溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫9.4 ℃，年平均降水量537.5 mm，土壤類型以黃綿土為主。主要植物有山杏（Armeniaca sibirica）、刺槐（Robinia pseudoacacia）、側柏（Platycladus orientalis）、酸棗（Ziziphus jujuba）、硬質早熟禾（Poa sphondylodes）、茵陳蒿（Artemisia capillaries）、矮蒿（Artemisia lancea）和紫花苜蓿（Medicago sativa）等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設置及采樣

在慶城縣境內選擇2個大小、坡度和土壤類型等本底條件基本一致的退耕 10年林地作為實驗樣地，分別是山杏+側柏+刺槐混交林（APR）和山杏經濟林（A），并在這兩個林地附近各選擇一個農田作為對照，分別是種植玉米+韭菜農田（CK1）和玉米+大豆農田（CK2）（圖1）。

在每個樣地中設置5個面積為25 m2（5 m×5 m）平行樣方，每個小樣方按照“梅花五點式”取樣法采集土樣，采集土樣時需揀去覆蓋在土層表面的枯枝落葉層，采集0—5 cm的表層土樣，取實驗所需適量土樣混勻裝入塑料袋中，并做好標記，4個樣地共計20份土樣。同時用容積為100 cm3的土壤環刀取樣器切割原位土，使土樣充滿其中，封閉裝好帶回實驗室做土壤孔隙度和含水量的測定。同時記錄樣地海拔、經緯度、土壤溫度和植被狀況。將采集的新鮮土樣分兩部分處理，一部分土樣用于測定pH和電導率，另一部分土樣室內自然風干，風干土樣時需用草紙將其覆蓋，以防外界空氣中的包囊進入土樣影響實驗結果（寧應之等，2018）。

1.2.2 纖毛蟲研究方法

定性研究采用“非淹沒培養皿法”（Foissner，1992）。取50 g風干土樣放入直徑15 cm的培養皿中，加入土壤浸出液使其處于過飽和狀態，光照培養箱中25 ℃下培養24 h后鏡檢，連續觀察記錄20 d。采用活體觀察法并結合參考資料（Berger，1999，2011；Foissner，1993，2000；沈韞芬，1990；寧應之等，1998）進行分類鑒定。

定量研究采用培養直接計數法（寧應之等，2017a，2019）。取30 g風干土樣于直徑9 cm的培養皿中，加入30 mL土壤浸出液，用記號筆標記出液面刻度線，放入光照培養箱中25 ℃恒溫培養。使液面保持在刻度線處直至最大計數日（第7、9、11天），45°傾斜培養皿約5 min，吸取土壤懸浮液并計量，分別取5滴土壤懸浮液于顯微鏡下計數，得出平均1 mL（1 mL約為22滴）懸浮液中土壤纖毛蟲數量，最后換算成30 g風干土樣中的纖毛蟲總量。

1.2.3 土壤理化因子測定

圖1 研究區地理位置Fig.1 Location of studied area

采用電位法測定pH值，使用儀器為TSS-851土壤濕度酸度計（四平市電子技術研究所）；采用浸提法測定電導率；利用曲管地溫計測定土溫；采用烘干法測定土壤含水量（李廣文等，2009）；采用環刀法測定土壤孔隙度（袁久坤等，2014）；使用常規方法測定總氮、總磷、總鉀、速效氮、速效磷和有機質。

1.3 數據處理及分析

Shannon-Wiener指數：

Simpson指數：

Margalef指數：

Pielou指數：

式中：S為物種數；Pi為第i類群的百分比；N為纖毛蟲總個體數。

C/P系數是指腎形綱纖毛蟲（r-selected species）種類數與異毛綱、旋毛綱和瓶纖綱纖毛蟲（k-selected species）種類數的比率即為C/P系數，它在一定程度上反映土壤纖毛蟲生存環境的優劣（Foissner et al.，2005）。

對各樣地所測數據（土壤理化因子和纖毛蟲群落特征參數）采用單因素方差分析（One-way ANOVA）；對平均數采用LSD進行多重比較分析；對土壤理化因子與纖毛蟲群落特征參數進行 RDA分析與Pearson相關性分析。采用SSPS 19.0軟件對所有數據進行處理；采用 PRIMER 6進行 Cluster分析；采用Canoco 4.5進行RDA分析；采用Origin 8.0繪制柱狀圖。

2 結果與分析

2.1 土壤理化因子

各樣地土壤理化因子如表1所示，其中含水量、土壤孔隙度、有機質、總氮均表現為退耕樣地顯著高于農田對照樣地（P＜0.05），且混交林大于經濟林；pH、電導率、速效磷均表現為農田對照樣地CK1、CK2顯著高于退耕樣地APR、A（P＜0.05），原因是農田常年施肥影響；土壤溫度、總磷、速效鉀均表現為CK1樣地顯著高于APR、A、CK2樣地（P＜0.05）；總鉀含量表現為CK2樣地顯著高于APR、A、CK1樣地（P＜0.05）；速效氮在各樣地間差異不顯著（P=0.392，F=1.064）。

對各樣地土壤理化因子進行Cluster分析如圖2所示。APR樣地和A樣地在歐式距離1處最先聚在一起，隨后在2.5處和CK2樣地聚在一起，最后和CK1樣地聚在一起。說明退耕樣地與農田對照樣地的土壤理化因子具有差異，其中APR樣地和A樣地土壤理化性質相似性較高，CK1樣地和CK2樣地土壤理化性質相似性較高。

2.2 植物群落特征參數

采用Engler et al.（1964）分類系統對2個退耕樣地植物進行分類研究，共統計到植物35種，隸屬于2門3綱17目21科31屬，其中，喬木4種，占11.43%，；灌木4種，占11.43%；草本27種，占71.43%。由表2可知，APR樣地植物物種數最多，共計31種，A樣地植物物種數較少，共鑒定到20種；除Simpson指數（APR＜A）外，植物群落特征參數均表現為：APR＞A。綜上所述，混交林APR樣地植物較為豐富，群落結構較穩定，退還效果較好。

2.3 土壤纖毛蟲群落特征參數

2.3.1 土壤纖毛蟲群落組成與物種分布

由表3可知，4個樣地中共鑒定到土壤纖毛蟲127種，隸屬于10綱21目34科52屬，各樣地土壤纖毛蟲群落組成存在一定差異，退耕樣地纖毛蟲群落組成較農田對照樣地更為復雜，物種數更多，且在目、科、屬水平上呈現明顯增加趨勢。各樣地土壤纖毛蟲優勢類群發生明顯的演替，由農田樣地的腎形目（Colpodida）逐漸過渡為退耕樣地的散毛目（Sporadotrichida）。

表1 各樣地土壤理化因子Table 1 Soil physic-chemical factors in various sampling plots

圖2 各樣地土壤理化因子的Cluster分析Fig.2 The cluster analysis on soil physic-chemical factors in various sampling plots

表2 各樣地植物群落特征參數Table 2 Parameters of plant community in various sampling plots

對各樣地的土壤纖毛蟲物種分布進行 Cluster分析（圖3），結果表明，CK1樣地與CK2樣地聚為一類，APR樣地與A樣地聚為一類，最后農田對照樣地與退耕樣地匯合。由此表明，APR樣地與A樣地物種分布極為相似，而與CK1和CK2相異。退耕還林使土壤纖毛蟲群落變的更加復雜多樣，相較于農田樣地，退耕樣地的物種分布更具相似性。

2.3.2 廣布種和特有種

在 4塊樣地中均有分布的土壤纖毛蟲共有 17種，為廣布種，占所觀察到纖毛蟲總物種數的13.39%；分別是活動恩氏蟲（Engelmanniella motabilis）、長顆粒尖毛蟲（Oxytricha longigranulosa）、葉綠尖毛蟲（Oxytricha chlorelligera）、尖銳片尾蟲（Urosoma acuminata）、巨片尾蟲（Urosoma gigantean）、綠全列蟲（Holosticha viridis）、瘦尾蟲屬一種（Uroleptussp.2）、急游蟲屬一種（Strombidiumsp.）、俏籃口蟲（Nassula gracilis）、籃口蟲屬一種（Nassulasp.1）、籃口蟲屬一種（Nassulasp.2）、僧帽腎形蟲（Colpoda cucullus）、豆形腎形蟲（Colpoda colpidiopsis）、簡裸口蟲（Holophrya simplex）、膜袋蟲屬一種（Cyclidiumsp.）、瞬目蟲屬一種（Glaucomasp.）和鉤刺斜管蟲（Chilodonella uncinata）。

表3 各樣地土壤纖毛蟲群落組成Table 3 Community composition of soil ciliates in various sampling plots

圖3 各樣地土壤纖毛蟲物種分布的Cluster分析Fig.3 The cluster analysis on species distribution of soil ciliates in various sampling plots

僅在一個樣地出現的種為特有種，退耕樣地特有種有 60種，占鑒定到土壤纖毛蟲物種總數的47.24%；農田對照樣地特有種有 14種，分別是長赭蟲（Blepharisma elongatum）、游溢尖毛蟲（Oxytricha ludibunda）、變蘚斯道克蟲（Sterkiella histriomuscorum）、斯道克蟲屬一種（Sterkiellasp.）、叢林尾全列蟲（Caudiholosticha sylvatica）、苔葉蟲屬一種（Bryophyllumsp.）、克氏裂口蟲（Amphileptus claparedei）、小腎形蟲（Colpoda minima）、直立腎形蟲（Colpoda praestans）、大腎形蟲（Colpoda magna）、籃環蟲屬一種（Cyrtolophosissp.）、大口匙口蟲（Platyophrya macrostoma）、裸口蟲屬一種（Holophryasp.）和梨形四膜蟲（Tetrahymena priformis）。退耕樣地特有種數量遠遠大于農田對照樣地，說明退耕還林使土壤生態環境得到一定程度改善，從而更有利于纖毛蟲生存和繁殖。

2.3.3 土壤纖毛蟲群落特征參數

如圖4所示，土壤纖毛蟲物種數在4個季節中APR樣地最多，分別為：春季（52種）、秋季（43種）、夏季（40種）、冬季（24種）；CK2樣地物種數最少，分別為：春季（29種）、秋季（19種）、夏季（10種）、冬季（6種），總體變化趨勢為：APR＞A＞CK1＞CK2。土壤纖毛蟲密度4個季節中表現為APR樣地（春季：160.20 ind·g-1、夏季：179.09 ind·g-1、秋季：138.72 ind·g-1、冬季：133.34 ind·g-1）顯著高于 CK1 樣地（春季：34.58 ind·g-1、夏季：31.69 ind·g-1、秋季：23.43 ind·g-1、冬季：27.39 ind·g-1）和 CK2 樣地（春季：41.11 ind·g-1、夏季：49.02 ind·g-1、秋季：52.39 ind·g-1、冬季：23.23 ind·g-1）（P＜0.05），總體變化趨勢為：APR＞A＞CK2＞CK1。土壤纖毛蟲C/P系數4個季節總體表現為：CK2＞CK1＞A＞APR，農田對照樣地土壤纖毛蟲C/P系數大于退耕樣地，說明農田對照樣地的土壤環境較為貧瘠，分布的土壤纖毛蟲以較為低等的腎形類為主。

圖4 各樣地土壤纖毛蟲物種數、密度和C/P系數Fig.4 Species number,density and C/P inde of soil ciliates in various sampling plots

如圖 5所示，各樣地土壤纖毛蟲 Shannon-Wiener指數與 Margalef指數 4個季節變化趨勢相同，即：APR＞A＞CK1＞CK2，且退耕樣地與農田對照樣地差異顯著（P＜0.05）。土壤纖毛蟲Pielou指數4個季節變化趨勢為：APR＞CK2＞CK1＞A，且退耕樣地與農田對照樣差異不顯著（P＞0.05）；土壤纖毛蟲Simpson指數4個季節變化趨勢為：A＞APR＞CK1＞CK2，且退耕樣地與農田對照樣地差異不顯著（P＞0.05）。

總體來看，土壤纖毛蟲物種數、密度、Shannon-Wiener指數、Margalef指數和Pielou指數總體表現為退耕樣地高于農田對照樣地，且混交林高于經濟林。4個季節混交林的Simpson指數低于經濟林，基本符合物種越豐富，其Simpson指數越低的變化規律。這說明退耕還林后地下土壤環境發生了明顯的改變，從而改善了土壤動物的生存環境，更有利于纖毛蟲物種多樣性的提高。

圖5 各樣地土壤纖毛蟲Shannon-Wiener指數、Margalef指數、Pielou指數和Simpson指數Fig.5 Shannon-Wiener index,Margalef index,Pielou index and Simpson index of soil ciliates in various sampling plots

2.3.4 土壤纖毛蟲群落特征參數與土壤理化因子的Pearson相關性分析

如表4所示，Pearson相關性分析結果為：土壤孔隙度、總氮、有機質和含水量與Shannon-Wiener指數、密度及 Margalef指數呈極顯著正相關（P＜0.01）；總磷與纖毛蟲Simpson指數呈顯著負相關（P＜0.05）；速效磷與纖毛蟲密度、Margalef指數呈極顯著負相關（P＜0.01），與Shannon-Wiener指數呈顯著負相關（P＜0.05）；pH 值與Shannon-Wiener指數、密度、及Margalef指數呈極顯著負相關（P＜0.01）；電導率與Shannon-Wiener指數及Margalef指數呈極顯著負相關（P＜0.01），與密度呈顯著負相關（P＜0.05）。由此可見，土壤孔隙度、總氮、有機質、pH、電導率和含水量是影響纖毛蟲群落組成的重要土壤理化因子。

2.3.5 土壤纖毛蟲群落特征參數與土壤理化因子的RDA分析

利用Canoco 4.5軟件對土壤理化因子與土壤纖毛蟲群落特征參數進行相關性分析，為確定選擇線性模型還是單峰模型，首先通過對土壤纖毛蟲群落特征參數與土壤理化因子進行 DCA分析，得到 4個排序軸的最大梯度為 0.503遠遠小于 3，因此選擇線性模型 RDA分析來探究土壤纖毛蟲群落組成參數與土壤環境因子的關系。

將 12種土壤理化因子和纖毛蟲群落特征參數進行排序（表5），第1排序軸貢獻率為54.2%，第2排序軸貢獻率為18%，累計貢獻率達72.2%，能較好的顯示出纖毛蟲和土壤環境因子間的關系。第1排序軸與有機質的相關性最大，總氮次之，表明排序軸1主要反映有機質、總氮和纖毛蟲群落的相關關系；第2排序軸與土壤孔隙度相關性最大，表明排序軸2主要反映土壤孔隙度與纖毛蟲群落的相關關系。

以第1排序軸為橫坐標，第2排序軸為縱坐標，將 12種土壤理化因子和纖毛蟲群落特征參數進行RDA分析（圖6），圖中1—4表示春季的APR樣地、CK1樣地、A樣地、CK2樣地，5—8為夏季各樣地，以此類推。由圖可知，土壤纖毛蟲群落特征參數（Simpson指數、Margalef指數、Shannon-Wiener指數、物種數、密度）與土壤孔隙度、有機質和總氮呈正相關，與pH呈負相關，其他理化因子對土壤纖毛蟲群落特征參數影響相對較小。所以，有機質、總氮、土壤孔隙度、pH是影響土壤纖毛蟲群落組成的關鍵因子。

表4 土壤纖毛蟲群落特征參數與土壤理化因子的相關性分析（皮爾森相關性系數）Table 4 Relationships between the community characteristic parameters of soil ciliates and the soil physic-chemical factors (Pearson’s correlation coefficient)

表5 環境變量與排序軸的相關性Table 5 Correlation of environmental variables with axis

3 討論

3.1 退耕還林生態恢復對植被的影響

退耕還林工程實施的最終目的是通過提高植物物種多樣性，進一步加強和鞏固生態系統結構與功能（楊琴美，2018）。人類作為生態系統中必不可少的組成部分，其對生態系統的干擾作用越小，越有利于草木本等植物的生長和繁殖以及凋落物的積累，混交林相對于經濟林人為干擾較少，從而有效的保留了林地內自然分布的植物類型，使群落環境得到發展和改善的同時，其物種多樣性也隨之提高（王蕓等，2013）。其中混交林植物物種數、密度、蓋度、Shannon指數、Pielou指數和Margalef指數均大于經濟林，表明混交林植物類型較經濟林復雜，形成的枯枝落葉及地表腐殖質較多，能有效地提高土壤保水力和土壤保育功能（田寧寧等，2015；李亞男，2015），從而增強了生態系統的碳儲量和固碳能力（田大倫等，2010），使其生物多樣性更高，微生物活動更頻繁（薛萐等，2007）。張中開（2015）研究了福建省永定縣純樹種林及混交林的植物蓋度、土壤理化性質、水土流失等情況，發現混交林各方面功能特性均優于純樹種林，這與本研究的結果相一致。

圖6 物種-理化因子相關RDA排序圖Fig.6 RDA analysis ordination diagram of the species and physic-chemical relationship

3.2 退耕還林生態恢復對土壤理化因子的影響

土壤環境受地上植物物種多樣性不同而發生明顯改變，不同退還模式對土壤理化因子產生的影響不同。本研究發現退耕還林后各樣地土壤理化因子產生不同程度的變化，其中含水量、土壤孔隙度、有機質和總氮比農田對照樣地分別提高了26.43%、7.97%、44.46%和33.27%，這與已有的結果相一致（張曉霞等，2017；李靜等，2017；王月玲等，2017）。說明退耕還林后，植被覆蓋率增加，植物根系發達，提高了土壤的保水和鎖水能力，減少了地表水分的蒸發，加速了林下凋落物的沉淀分解作用，從而有利于土壤養分積累。而農田樣地中氮、磷、鉀含量較高可能與施肥和大豆的固氮作用有關，單從兩個退耕樣地來看，植被恢復對土壤氮、磷、鉀含量的積累還是具有一定的作用。由此說明，退耕還林工程使植被恢復的同時也有效地改良了土壤環境狀況。

3.3 退耕還林生態恢復對土壤纖毛蟲群落的影響

退耕還林最為直接的影響是改變植物群落組成，進而改善了土壤環境，土壤纖毛蟲作為一種良好的環境指示生物，其各項群落特征參數及動態變化可以用來反應生態環境變化（寧應之等，2017a）。研究結果表明，退耕還林后土壤纖毛蟲密度、Shannon-Wiener指數和Margalef指數均有所提高，總體趨勢表現為：混交林＞經濟林＞農田，說明混交林植被恢復最好，物種最豐富，凋落物最厚，土壤環境最優越，更有利于土壤纖毛蟲的生長和繁殖，這與已有的結果相一致（寧應之等，2016，2017a，2019）。退耕樣地與農田對照樣地相比土壤纖毛蟲優勢類群發生了明顯的演替，總體表現為由農田樣地的r-對策者腎形目（Colpodida）逐漸過渡為退耕樣地的K-對策者散毛目（Sporadotrichid）。腎形目纖毛蟲由于其體型及食性的特殊性可抵御極端環境，可在人為干擾嚴重、植物蓋度低、含水量不高的土壤環境中占優勢（Bamforth，2010）。而散毛目纖毛蟲由于其體型較大，主要攝食腐爛物質及菌類，對生長環境的要求較為苛刻，這與已有的研究結果一致（寧應之等，2016，2017a，2019）。C/P系數結果顯示4個季節農田樣地的土壤纖毛蟲C/P系數均大于退耕樣地。表明農田樣地較退耕樣地土壤腐殖質較少，土壤環境較為貧瘠，土壤纖毛蟲生存環境更為惡劣，從而使土壤纖毛蟲群落組成趨于簡單和低等（寧應之等，2017b）。相關性分析顯示，土壤纖毛蟲群落特征參數與孔隙度、有機質和總氮呈極顯著正相關，與pH呈極顯著負相關，該結論與已有研究結果一致（鄒濤等，2009；秦潔等，2010）。土壤纖毛蟲作為一種良好的環境指示微型生物，其各項群落特征參數均對退耕還林生態修復工程發生了積極的響應，通過比較兩種不同退還模式下土壤纖毛蟲群落特征，發現混交林中土壤纖毛蟲群落組成更為豐富，群落結構更為穩定，說明混交林中植物物種多樣性更豐富、植物蓋度更高、土壤表層凋落物更多，微生物繁殖與生長更旺盛，土壤環境更優越。因此在退耕還林模式的選擇中建議以多數種混交林恢復方式為主。

4 結論

研究結果顯示，隨著退還工程的實施，土壤環境得到有效的改善，含水量、土壤孔隙度、有機質、總氮含量均明顯增高，土壤纖毛蟲群落結構趨于穩定和復雜，纖毛蟲密度、Shannon-Wiener指數、Margalef指數增高。相關性分析結果表明，有機質、總氮、土壤孔隙度、pH是影響土壤纖毛蟲群落組成的關鍵因子。由此可以說明，甘肅省慶陽市慶城縣退耕還林區土壤纖毛蟲群落對該地區退耕還林生態恢復發生了積極的響應。土壤纖毛蟲作為良好的環境指示生物，其各項特征參數可以作為評價生態恢復效果的重要指標。

致謝：感謝英國自然歷史博物館原生動物學專家、高級研究員Alan Warren為本文的英文摘要提供了指導意見。