甘肅天水市退耕還林區土壤纖毛蟲群落多樣性

寧應之，沈小亞，張惠茹，楊懷印，陳凌云

(西北師范大學生命科學學院，甘肅蘭州 730070)

退耕還林工程是我國投資巨大、涉及面極廣、利在當代、澤及千秋的重大生態工程，對于我國、尤其是我國生態環境極其脆弱的西北地區的植被恢復、生態環境改善以及經濟和社會的可持續發展具有極其重要的意義.甘肅是我國首批實施退耕還林工程的3個試點省份之一，自1999年至今已實施退耕還林工程22年.退耕還林工程的實施，不僅優化了農村和牧區產業結構，增加了農民和牧民收入，促進了農村和牧區的建設和發展，更重要的是增強了全民環境意識，提高了植被覆蓋率，改善了區域生態環境.退耕還林導致地上生態環境發生的變化必然影響到地下，使土壤環境質量發生變化，而這又必然引起土壤動物群落在組成、結構和功能上的響應，環境敏感動物群落的響應會更為積極而顯著——土壤纖毛蟲群落正是這種環境敏感動物群落.土壤纖毛蟲是土壤原生動物重要類群之一，泛指棲息于土壤孔隙水中、土壤顆粒和凋落物表面水膜中的纖毛蟲[1]，其物種繁多、現存量和生產量巨大、個體微小、細胞膜纖薄、生長繁殖快、群落演替迅速、分布廣泛，因而成為對生態變化反應最為敏感的動物類群，可廣泛、快速、有效和經濟地用于反映、評價、監測甚至預報土壤生態環境的變化[2].

如前所述，由于纖毛蟲在響應生態變化方面具有極大的優勢，所以從上世紀20年代起開始研究土壤纖毛蟲群落(及原生動物其他類群)對土壤生態變化的響應并據此評價和監測土壤生態變化[3].但這些研究工作絕大多數聚焦于土壤纖毛蟲群落(及原生動物其他類群)對人類惡性干擾導致土壤生態惡化的響應并通過響應參數來評價和監測生態惡化狀況[4-19].近年來，隨著生態恢復進程的加速，國內陸續有對生態恢復區土壤動物的研究，其中包括土壤動物對退耕還林生態恢復響應的研究[20-23]，但這些工作都只涉及中、小型動物類群，有關土壤原生動物(包括土壤纖毛蟲)的工作較少，僅有寧應之等對甘肅部分地區土壤纖毛蟲群落對于退耕還林生態恢復的響應研究以及基于研究結果對退耕還林生態恢復效果進行評價的研究工作，研究區域較為零散，未形成一個范圍較大的退耕還林整體區域內的系統性研究工作[24-28].

為探討退耕還林不同典型林地對土壤纖毛蟲群落多樣性的影響，文中對天水市麥積區境內退耕還林區土壤纖毛蟲群落多樣性的現狀進行研究，以期為該地區退耕還林工程的生物學評價體系提供微型生物基礎資料.

1 研究區概況

研究區位于天水市麥積區伯陽鎮，地理坐標為105°25′～106°43′ E，34°06′～34°48′ N，東接陜西省寶雞市，西鄰甘肅甘谷縣，屬暖溫帶半干旱大陸性季風氣候，年降雨量從南向北依次減少，每年560 mm左右，年平均氣溫為10.9 ℃，全年光照2 800 h，年有效積溫3 000 ℃以上，無霜期近200 d[29].植被優勢種為野菊(Dendranthemaindicum)、狗尾草(Setariaviridis)、艾蒿(Artemisiaargyi)和白藜(Chenopodiumalbum)等.當地黃綿土、黑壚土為主要耕作土壤.

2 材料與方法

2.1 野外工作

2.1.1 土壤樣品采集 在退耕區選擇退耕種植刺槐的純種生態林(CH)，種植蘋果的純種經濟林(PG)和種植花椒+核桃的混交經濟林(HJHT)3種典型生態恢復林區作為實驗樣區，以耕地(GD)作為對照樣區.本研究選擇的實驗樣區均為退耕還林17年的林地.

采樣按照季節分4次進行，分別是2016年6月(夏)、9月(秋)、11月(冬)和2017年3月(春).每個采樣點設置5組面積為25 m2(5 m×5 m)的平行樣方，采樣時除去土層表面凋落物，采用梅花五點式取樣法用采樣器(15 mL圓筒形)采集0～5 cm土壤表層土樣，標記并保存，共計20份[25].

2.1.2 相關環境因子測定 采樣時，用土壤環刀取樣器(100 cm3)切割原位土樣，連同取樣器裝袋標記并保存，用于測定土壤孔隙度、土壤容重等指標，同時用曲管地溫計測量土壤溫度(測量溫度范圍：-10～60 ℃)，記錄樣區海拔、地理坐標，觀察土壤質地.

2.2 室內工作方法

采集到的土壤樣品需分開處理，一部分新鮮土樣測定含水量和pH值，剩余土樣置于通風處自然風干后裝袋保存，用于土壤纖毛蟲的定性和定量研究，風干過程中在土樣表面覆蓋一層草紙，防止外來土壤纖毛蟲包囊污染樣品[25].

2.2.1 纖毛蟲定性和定量研究 稱取50 g土壤樣品，置于直徑為15 cm的培養皿中，加入土壤浸出液充分浸潤但不淹沒土壤，此方法為非淹沒培養皿法[30]，培養的土樣用于做定性研究.將培養皿置于25 ℃的恒溫光照培養箱中培養，24 h后開始鏡檢，連續培養觀察20 d，并持續做好活體觀察記錄，期間需定期添加土壤浸出液，使土壤樣品處于“非淹沒”狀態，同時結合Wilbert蛋白銀染色法進行鑒定[31]，物種鑒定所用資料見文獻[32-35]，最后依據Lynn(2008)分類系統[36]進行分類整理.

定量研究采用培養直接計數法，風干土壤樣品和蒸餾水按照1∶1的比例進行配置.稱取30 g土壤樣品置于培養皿中，加入30 mL水，記錄培養皿液面，隨后將其置于25 ℃的恒溫光照培養箱中培養，維持液面不變直至最大計數日(第9，10，11 d)，在最大計數日進行實驗.將培養皿傾斜45°，靜置5～7 min，轉移全部土壤上清液并計量，從中吸取一滴于顯微鏡下計錄纖毛蟲總數及個體數量，1份土樣重復觀察5次。將所得結果換算為1 mL(22滴約等于1 mL)水中的纖毛蟲總數，最后可換算為30 g土壤樣品中纖毛蟲的密度.

2.2.2 土壤理化因子測定 土壤含水量采用烘干法測定參照文獻[37]；土壤孔隙度和土壤容重用環刀法測定參照文獻[38]；土壤pH值采用電位法測定(水∶土=2.5∶1)；土壤電導率采用浸提法測定(水∶土=5∶1).蘭州大學草地農業科技學院草地生態化學計量學實驗室測定并提供土壤總磷、總鉀、總氮和有機質數據.

2.2.3 數據統計分析 統計各樣點纖毛蟲物種分布情況并進行類群劃分，在目級分類階元上，將物種數占土壤纖毛蟲物種總數比例最大的目定義為優勢類群，次大的目定義為次優勢類群，僅有1種的目定義為罕見類群，其余各目為常見類群[25].

相關指數和系數計算如下：

C/P系數：C/P=腎形綱纖毛蟲物種數/瓶纖綱、異毛綱、旋毛綱纖毛蟲物種數.

Shannon-Wiener指數(H):

Simpson指數(C):

Pielou指數(E):

Margalef指數(D):

其中，N為群落中所有屬的個體總數；Pi為每個樣點中第i個屬土壤纖毛蟲的個體密度占該樣點土壤纖毛蟲總數的比例；S為所有種類數.

采用SPSS 23.0統計分析軟件對數據進行統計分析(One-way ANOVA分析，平均數采用LSD進行多重比較分析).應用Arcview gis 10.2繪制采樣區地圖；Primer 6.0進行BIOENV相關性分析和聚類分析；Origin 2018繪制柱狀圖和折線圖.

3 結果與分析

3.1 纖毛蟲群落多樣性特征

3.1.1 群落組成 共鑒定到土壤纖毛蟲139種，隸屬于9綱20目39科55屬，散毛目(Sporadotrichida)為優勢類群，占總物種數的21.58%；刺鉤目(Haptorida)和腎形目(Colpodida)為次優勢類群，分別占總物種數的18.71%和12.23%；喙纖目(Loxodida)、原口目(Protostomatida)、彈跳目(Halteriida)、咽膜目(Peniculida)為罕見類群，合計占總物種數的2.88%；異毛目(Heterotrichida)、游仆目(Euplotida)、排毛目(Stichotrichida)等13個目為常見類群，合計占總物種數的44.60%.隨著退耕年限的增加，3個林地間纖毛蟲物種數和優勢類群差異顯著(表1)，刺槐林物種最豐富，分布有93種，占物種總數的66.90%，優勢類群為散毛目(Sporadotrichida)，占該樣點物種總數的30.00%；花椒核桃林次之，分布有85種，占物種總數的61.15%，優勢類群為散毛目(Sporadotrichida)，占該樣點物種總數的22.00%；蘋果林和耕地分別分布有80和52種，占物種總數的57.55%和37.41%，優勢類群分別為刺鉤目(Haptorida)、腎形目(Colpodida)，占該樣點物種總數的25.00%和21.00%.從優勢類群的演替趨勢來看，總體呈現為耕地較為低等的類群腎形目(Colpodida)演替為退耕后林地較為高等的類群散毛目(Sporadotrichida).可見退耕后林地土壤纖毛蟲的群落組成與耕地差異顯著，退耕樣點的群落組成更為復雜、物種數更多.

表1 各樣點土壤纖毛蟲群落組成

圖1為各樣點土壤纖毛蟲群落特征參數，結果顯示，耕地的土壤纖毛蟲物種數在四個季節中均最少，分別為19(春)、18(夏)、27(秋)、17(冬)；刺槐林物種數均最多，分別為46(春)、37(夏)、45(秋)、35(冬)(圖1(a))；四季的平均密度表現為退耕樣點大于耕地且差異顯著(P<0.05)，總體呈現刺槐林(122.72 ind·g-1)>花椒核桃林(120.05 ind·g-1)>蘋果林(84.75 ind·g-1)>耕地(38.65 ind·g-1)的趨勢(圖1(b))；耕地的C/P系數在四季中均大于0.8，且顯著高于退耕樣點(P<0.05).即低等類群腎形綱數量較多，土壤纖毛蟲群落結構簡單，而退耕樣點的C/P系數在0.17～0.58之間波動，說明腎形綱土壤纖毛蟲的數量減少，異毛綱和旋毛綱土壤纖毛蟲的數量增多(圖1(c)).

圖1 各樣點土壤纖毛蟲群落特征參數

3.1.2 群落多樣性指數 圖2為各樣地土壤纖毛蟲群落多樣性指數，總體表現出耕地土壤纖毛蟲Shannon-Wiener指數(H=1.84)、Simpson指數(C=0.75)、Margalef指數(D=2.90)和Pielou指數(E=0.75)都顯著低于退耕樣點(P<0.05)，退耕樣點中，Shannon-Wiener指數和Margalef指數均表現為刺槐林最高(H=2.40，D=4.13)，花椒核桃林次之(H=2.27，D=3.80)，蘋果林最低(H=2.18，D=3.38)的趨勢(圖2(b)-(c))，而Simpson指數和Pielou指數則表現為刺槐林最高(C=0.84，E=0.80)，蘋果林次之(C=0.82，E=0.79)，花椒核桃林最低(C=0.81，E=0.77)的趨勢(圖2(a)-(d)).由此可見，退耕還林后林地土壤纖毛蟲群落多樣性指數增大，表明林地土壤纖毛蟲群落結構趨于穩定，物種趨于復雜.

圖2 各樣點土壤纖毛蟲多樣性指數

3.1.3 群落相似性 對4個樣點土壤纖毛蟲群落特征參數進行聚類分析(圖3)，結果顯示，花椒核桃林與刺槐林最先在相似性為98的水平上聚為一類，然后與蘋果林在相似性為95的水平上聚為一類，最后與耕地樣點在相似性為84的水平上聚為一類.表明退耕還林后，刺槐林與花椒核桃林土壤纖毛蟲群落相似性水平最高，與蘋果林也較為相似，但這3塊樣地與耕地的相似性較低.因此，退耕還林后林地中土壤纖毛蟲群落結構更相似，與耕地差異較大.

圖3 各樣點土壤纖毛蟲群落的聚類分析

3.2 纖毛蟲群落與土壤理化因子的關系

如表2所示，各樣地土壤孔隙度、土溫、總磷和總鉀差異不顯著；含水量存在顯著性差異(F=1.22，P<0.05)，刺槐林最高，花椒核桃林次之，蘋果林略低于花椒核桃林，耕地最低；電導率存在顯著性差異(F=4.33，P<0.05)，花椒核桃林最高，為133.75 μS·cm-1，蘋果林和刺槐林較接近，分別為128.25和128.00 μS·cm-1，耕地最低，僅為118.00 μS·cm-1；pH在退耕樣點和耕地間存在顯著性差異(F=3.68，P<0.05)，耕地最高，為7.90，其余3個樣點較接近；有機質存在顯著性差異(F=9.67，P<0.05)，刺槐林最高，為2.55 g·kg-1，蘋果林和花椒核桃林較接近，分別為0.98和1.21 g·kg-1，耕地最低，僅為0.75 g·kg-1；總氮也存在顯著性差異(F=6.39，P<0.05)，刺槐林最高，為0.18 g·kg-1，蘋果林和花椒核桃林相同，均為0.08 g·kg-1，耕地最低，僅為0.05 g·kg-1.總體來講，隨著退耕還林年限的延長，退耕樣點土壤養分的含量顯著增加.

表2 各樣點土壤理化因子(平均值±標準誤差， n=5)

BIOENV分析結果表明(表3)，纖毛蟲群落結構受土壤理化因子的綜合影響，其中含水量是影響土壤纖毛蟲群落結構的主要因子(相關系數r=0.447)，其次為含水量、總氮的組合(r=0.442)，之后是含水量、有機質的組合(r=0.418)，含水量、有機質、總氮的組合相關性也較強(r=0.405).pH、總鉀和總磷沒有出現在BIOENV分析結果中，說明三者對土壤纖毛蟲群落結構的影響不顯著.因此，有機質、總氮和含水量是影響纖毛蟲群落結構的主要因素.

表3 土壤纖毛蟲群落與土壤理化因子的 BIOENV相關分析結果

4 討論

4.1 退耕還林區不同林地土壤纖毛蟲群落組成

土壤纖毛蟲的群落組成，一方面受地上植被類型的影響，如植物群落組成的復雜程度、腐殖質的組成和質量等是影響土壤動物密度和物種數的重要因素[39].本研究調查的4塊樣地植被恢復程度不同，土壤纖毛蟲的群落組成存在顯著差異，退耕樣點土壤纖毛蟲物種數和平均密度明顯大于耕地樣點，且刺槐林最優，主要是由于林地植物群落復雜，密度和蓋度較大，土壤裸露面積少，水分蒸發量低，相較于耕地，林地更適合土壤纖毛蟲生存.趙烏英嘎等[40]的研究發現植物群落能給土壤動物提供小生境，且植被群落復雜程度與小生境及土壤動物的數目呈正比，這與本研究結果相似.另一方面與土壤環境有關，林地的土壤表層積累了大量腐殖質和枯枝落葉，使得土壤動物、微型生物和微生物活動頻繁，極大的增加了土壤通氣性和孔隙度.除此之外，腐殖質和枯枝落葉分解后產生的有機質等土壤養分對中小型土壤動物個體數具有正向促進作用[26,28,41].退耕還林區的優勢類群為高等類群散毛目，而耕地樣點的優勢類群為低等類群腎形目，這與李濤等[42]的研究結果一致，即與耕地相比，退耕還林所形成的林地可以為土壤纖毛蟲提供更理想的生境.耕地中占據主導地位的土壤纖毛蟲是較為低等的腎形綱，其能適應惡劣的土壤環境，而退耕樣點腎形綱的比例明顯下降，高等類群旋毛綱，異毛綱等數量增加，所以耕地的C/P系數顯著高于退耕樣點，表明高等類群開始占據主導地位，高等類群纖毛蟲的生存需要良好的土壤生境.因此，也說明退耕還林后土壤環境得到了顯著改善.

4.2 退耕還林區不同林地土壤纖毛蟲群落多樣性

土壤纖毛蟲群落多樣性指數是表征纖毛蟲群落結構差異的重要指標[43].本研究中，耕地樣點纖毛蟲Shannon-Wiener指數、Simpson指數、Margalef指數和Pielou指數都顯著低于退耕樣點(P<0.05)，表明研究區退耕還林后林地土壤纖毛蟲群落結構趨于穩定，群落組成趨于復雜，多樣性明顯提高，原因是林地可以給農民帶來的經濟效益有限，受到的人為因素干擾也相對較少，而耕地人為活動強烈，為了提高農作物產量，人們會采取不同的耕作方式，或間作、輪作等不同的種植方式，這不僅使得地上植被稀疏且單一，還破壞了營養物質含量最高的表層土[44-45]，表層土是多數土壤纖毛蟲賴以生存的環境.郝寶寶等[46]研究發現退耕還林后林地土壤結構會演化為復雜多樣化的生態系統，更加有利于土壤動物生活，進而使土壤動物數量相比耕地有所增加，土壤動物多樣性指數與撂荒地有顯著性差異，這與本研究結果相似.另外，退耕還林的實施過程中，所選樹種的不同會導致植被的恢復和重建產生差異，地下分泌物和地表凋落物為土壤纖毛蟲的生存和發展提供了條件[25]，不同的植被類型會使得土壤纖毛蟲的群落多樣性存在差異，刺槐具有固氮的能力，能增強土壤的含氮量，改善耕地土壤環境，這也有利于促進植被生長，加速植被的恢復演替[47]，因此刺槐林土壤纖毛蟲的群落多樣性更高.

4.3 退耕還林區不同林地土壤理化因子對纖毛蟲群落的影響

對各樣點土壤纖毛蟲群落特征參數和土壤理化因子做生物與環境相關分析(BIOENV分析)，結果表明，纖毛蟲群落結構受土壤理化因子的綜合影響，其中，有機質、總氮和含水量是影響纖毛蟲群落結構的主要因子.本研究中耕地土壤含水量、有機質含量、總氮等營養物質較另外3個樣點低，寧應之等[48]的研究發現土壤含水量是原生動物豐度影響最大的環境限制因子，馮偉松等[49]對南極菲爾德斯半島地區土壤原生動物的生態學進行了研究，發現土壤原生動物密度與含水量呈極顯著正相關，這與本研究結果一致.殷秀琴[50]等的研究也表明，有機質、總氮等土壤養分與土壤動物群落有密切的聯系.綜上所述，本研究認為相較于耕地，退耕還林后林地中土壤纖毛蟲的群落多樣性顯著提高，且不同林地對土壤纖毛蟲群落多樣性的影響不同，生態林地上植被以及土壤環境較好，纖毛蟲群落多樣性最高；經濟林受到外界的干擾較多，纖毛蟲群落多樣性相對較差，但混交經濟林略優于單一經濟林；耕地人為活動強烈，土壤纖毛蟲的群落多樣性最差.本研究只對退耕還林年限為17年的林地進行了研究，而退耕還林區土壤纖毛蟲的群落特征隨退耕還林年限的變化特征還需動態監測.