西藏年楚河流域濕地土壤纖毛蟲群落特征

朱時應,王壯壯,黃 倩,賀 凱,李天順,普 布

西藏大學理學院生命科學系高原動物學實驗室, 拉薩 850000

土壤是陸地生態系統中最為復雜成分之一,為土壤動物提供了生存條件[1]。濕地生態系統是由陸地生態系統和水生態系統形成的綜合生態系統,有著“生物超市”和“地球之腎”的美稱[2]。原生動物是自然界最原始、最簡單的個體。土壤原生動物指的是生活在土壤中或者是土壤表面凋落物中的原生動物[3]。土壤纖毛蟲一般泛指生活在土壤顆粒、土壤孔隙水中和覆蓋在土壤表面凋落物水膜中的土壤原生動物,土壤纖毛蟲具有種類繁多,體積微小,形態多樣,纖薄細胞膜等特點,并且能夠對外界環境微小變化作出快速響應,因此對土壤生態系統有著非常重要的指示作用[4]。國內目前對于土壤纖毛蟲的研究集中于土壤纖毛蟲群落特征和形態學描述,如寧應之等對退牧還草、退耕還林生態恢復下土壤纖毛蟲群落響應的研究,結果顯示已經退牧還草、退耕還林樣地與尚未退牧還草、退耕還林的樣地之間土壤纖毛蟲物種分布存在差異[5—9]；劉旻霞等對不同林地的土壤纖毛蟲群落進行了研究,表明不同林地中人工林土壤纖毛蟲多樣性指數最高[10—15]；萬瑪央措等就甘肅農田四種土壤腹毛類纖毛蟲進行了形態學描述,發現在中國首次記錄到檸檬管膜蟲(Cytohymenacitrina)、沙棲蠕形尖毛蟲(Vermioxyterichaarenicola)和背觸毛擬腹柱蟲(Gastrostylidesdorsiciratus)[16]。

西藏地處青藏高原西南部,因其獨特的地理位置,孕育了特殊的高原濕地生態系統,蘊含著極為豐富的濕地生物多樣性資源。對于土壤纖毛蟲的研究在西藏地區就僅見普布、巴桑等人對雙湖地區和拉魯濕地的報道[17—18],對于年楚河流域濕地土壤纖毛蟲群落特征研究尚未見報道。年楚河流域濕地生態系統在保護生物多樣性、調節小氣候、改善水質、防止土壤沙化、減少溫室效應等方面具有重要的作用,但是該流域濕地生態系統十分脆弱,一旦遭到外界不利因素的干擾,很難恢復到原有狀態,研究年楚河流域濕地對于維持和保護青藏高原生態環境具有不可忽視的作用。土壤纖毛蟲因其能夠對于環境的微小變化做出積極的響應,常被用作土壤變化的指示生物,因此本文根據年楚河流域濕地分布特征,選取了5個典型的濕地樣地,對不同季節土壤纖毛蟲群落特征開展調查,旨在深入研究年楚河流域濕地土壤纖毛蟲物種組成及群落結構,為該流域生物多樣性提供基礎研究資料,從而為保護年楚河流域濕地生態系統,促進流域濕地生態系統健康可持續發展提供科學依據。

1 研究區域概況和研究方法

1.1 研究區域概況

年楚河是雅魯藏布江右岸支流之首,東起卡惹拉雪山,西接夏布曲流域,面積約為111 30km2,整個流域位置在北緯28°10′—29°20′和東經88°35′—90°15′之間,河流全長217km,以河流濕地和沼澤濕地為主[19]。高原溫帶半干旱區覆蓋整個流域,形成了溫度低,太陽光輻射大等典型的高原氣候特征,該地區年平均降水量為365mm,受地形和水汽的影響降水分布十分不均[20—22]。常見的植物有西藏嵩草(Kobresiatibetica)、長華筒馬先蒿(Pedicularislongiflora)、青藏薹草(Carexmoorcroftii)、蕨麻委陵菜(Potentillaanserina)等。濕地常見動物有赤麻鴨(Tadornaferruginea)、斑頭雁(Anserindicus)、普通秋沙鴨(Mergusmerganser)等。

1.2 研究方法

根據年楚河流域濕地分布特點,以樣地間距離為參考,選取了五個典型未退化的高寒濕地作為樣地[22],即SD1、SD2、SD3、SD4和SD5(圖1)。分別在2020年5月(春)、8月(夏)和10月(秋)三個季節進行了三次采樣,在每個樣地(20m×20m),用GPS(型號:MAP 63lcsx 廠家:上海佳明航電企業管理有限公司)記錄海拔及經緯度,采用梅花五點采樣法選取五個樣方(20cmx20cm),每個樣方中用土壤溫槍(型號:XTY0087)測定土壤表層溫度(ST),揀去土壤表面的凋落物后用土壤采集器采集0—10cm土壤土樣(約4000g),共獲得75(5×5×3)個樣品。將采集好的樣品密封后帶回實驗室,在牛皮紙上平整的鋪開,用草紙覆蓋(防止空氣中漂浮的原生動物影響后續實驗結果),在干燥陰涼處自然風干(30 d左右)。

圖1 年楚河流域濕地采樣地示意圖

1.3 樣品處理及方法

1.3.1土壤理化因子的測定

用干濕比重法測定土壤濕度(SWC),其它土壤理化因子委托西藏博源環境檢測有限公司進行檢測,用pHS- 3C pH計測定土壤pH,用酸式滴定管測定土壤全氮(TN)和土壤有機質(SOM),火焰光度計測定速效鉀(RAK),有效磷(AP)用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定。

1.3.2土壤纖毛蟲培養與鑒定

取已風干土壤50g(約50/4000=1/80樣品)于直徑15cm的培養皿中,恒溫培養箱25℃下采用“非淹沒培養皿法”培養土壤纖毛蟲[23],即在含有土壤樣品的培養皿中加入土壤浸出液,使土壤充分潤濕而不被淹沒。培養24 h后開始鏡檢(Leica DM500顯微鏡,放大40—1000倍),用“活體觀察法”和“蛋白銀染色法”[24],根據形態特征和相應的參考資料[25—29]鑒定物種(Lynn(2008)分類系統[30]),并記錄所鑒定物種的個體數,直至沒有新的物種被發現為止。

1.4 數據處理和分析

1.4.1多樣性指數計算

(1)多樣性指數(Shannon-Wiener)公式:

(2)均勻度指數(Pieluo)公式:

(3)優勢度指數(Simpson)公式:

(4)豐富度指數(Margalef)公式:

式中,H′表示物種多樣性指數,ni為第i類群的個體數,N為總個體數,S為所有類群數。

1.4.2C/P系數

土壤纖毛蟲r對策者(腎形綱)物種數和土壤纖毛蟲k對策者(異毛綱、旋毛綱和瓶纖綱)物種數總和的比值。腎形綱的土壤纖毛蟲一般生活較為惡劣的環境中,因此C/P值的大小能夠在一定程度上反映出該生境環境的優劣,當C/P<1時,表征該土壤生境中的環境相對較好；當C/P>1時,表征該土壤生境中的環境較為惡劣[31]。

1.4.3相似性指數計算

用Jaccard相似性指數計算每個樣地土壤纖毛蟲群落特征的相似性。

J=c/(a+b-c)

式中,c表示兩個生境中共有的物種數,a和b表示兩個不同樣地中各自物種數。相似性指數在0—0.25之間表示極不相似；在0.25—0.5之間時表示中等不相似；在0.5—0.75之間時表示中等相似；在0.75—1之間時表示極相似。

1.4.4數據統計與分析

在Excel 2019中進行數據整理計算,用SPSS 21.0對土壤纖毛蟲與環境因子之間進行單因素方差分析(One-way ANOVA),并進行Duncan多重比較,運用R 4.0.5計算多樣性指數和相似性系數[32—33],用Origin 2019b作圖；用Canoco 4.5 for Windows對物種和環境因子進行DCA和CCA分析。

2 結果與分析

2.1 年楚河流域濕地土壤纖毛蟲群落結構

年楚河流域5個濕地生境中共鑒定出土壤纖毛蟲154種,隸屬于9綱、19目、43科、70屬(表1)。 其中優勢類群為前管目(Prorodontida),共計18種,占總物種數的11.69%；刺鉤目(Haptorida)為次優勢類群,共計17種,占總物種數的11.04%；罕見類群為游仆蟲目(Euplotidae)、瓶纖目(Armophorida)、腎形目(Colpodida)、嗜污目(Philaslasterida)、齒管目(Chlamydodontida)和吸管目(Philaslasterida),共計25種,占總物種數的16.23%。SD1、SD2、SD3和SD4樣地中旋毛綱(Spirotrichea)纖毛蟲豐度最高,其次為寡膜綱(Oligohymenophorea)；SD5樣地中腎形綱(Colpodea)纖毛蟲豐度最高,其次為旋毛綱(Spirotrichea),圖2。

表1 年楚河流域濕地土壤纖毛蟲群落結構

圖2 年楚河流域濕地各樣地土壤纖毛蟲豐度

2.2 年f楚河流域濕地土壤纖毛蟲多樣性

對年楚河流域濕地土壤纖毛蟲的多樣性指數和物種數進行單因素方差分析,結果表明多樣性指數(H)(df=2,F=0.653,P=0.538),均勻度指數(E)(df=2,F=1.878,P=0.195),優勢度指數(C)(df=2,F=1.263,P=0.318),三個季節間均無顯著性差異,物種數(n)(df=2,F=4.264,P=0.023)在季節間具有顯著性差異。SD4樣地的多樣性指數在5個樣地中最高,SD1、SD4樣地的各多樣性指數(H、E、C)均是夏季>秋季>春季；而SD2、SD5樣地的多樣性指數(E、C)均為夏季>春季>秋季；SD3樣地春季多樣性指數最高；Margalef豐富度指數顯示SD2、SD3、SD5樣地均為秋季最高；優勢度指數顯示SD2和SD4樣地間有差異性,多樣性指數顯示SD4與SD2、SD3樣地間有差異性,均勻度指數和豐富度指數各樣地間均沒有差異。年楚河流域濕地土壤纖毛蟲C/P(0.35)<1,說明年楚河流域濕地土壤環境未受污染。見圖3—6。

圖3 年楚河流域濕地土壤纖毛蟲群落優勢度指數

2.3 年楚河流域濕地土壤纖毛蟲群落Jaccard相似性

春季不同濕地土壤纖毛蟲群落相似性系數在0.13—0.21之間,屬于極不相似到中等不相似之間；夏季相似性系數范圍為0.16—0.37,屬于極不相似到中等不相似之間；秋季相似性系數為0.13—0.26,屬于極不相似到中等不相似。

圖4 年楚河流域濕地土壤纖毛蟲均勻度指數

圖5 年楚河流域濕地土壤纖毛蟲多樣性指數

圖6 年楚河流域濕地土壤纖毛蟲多樣性豐富度指數

表2 年楚河流域濕地土壤纖毛蟲相似性

圖7 年楚河流域濕地土壤纖毛蟲聚類分析

對年楚河流域五個濕地樣地進行聚類分析發現,SD2和SD3首先聚為一類,然后和SD1聚為一類,接著和SD4聚為一類,最后和SD5聚為一類。說明SD5樣地的纖毛蟲群落組成空間異質性較大,其次是SD4樣地,其中SD2和SD3兩個樣地的纖毛蟲群落組成相似性程度最高。

2.4 年楚河流域濕地土壤理化性質

濕地土壤理化性質變化會影響土壤纖毛蟲的分布變化,二者關系密切。單因素方差分析顯示三個季節間,土壤濕度(SWC)(df=2,F=0.150,P=0.863)、有效磷(AP)(df=2,F=2.768,P=0.103)、全氮(TN)(df=2,F=0,P=1)、土壤溫度(ST)(df=2,F=0.647,P=0.541)、pH(df=2,F=0.438,P=0.656)和土壤有機質(SOM)(df=2,F=0.137,P=0.873)均沒有顯著性差異,而速效鉀(RAK)(df=2,F=4.916,P=0.028)具有顯著性差異。多重比較(Duncan)結果顯示,五個樣地間的土壤濕度(SWC)、有效磷(AP)和速效鉀(RAK)沒有顯著差異(P>0.05),其他理化因子均具有不同程度的差異。其中SD1的全氮(TN)、有效磷(AP)、速效鉀(RAK)及有機質(SOM)含量明顯高于其他樣地；SD5樣地全氮(TN)和有機質(SOM)含量最低；SD3有效磷(AP)、速效鉀(RAK)含量最低。

表3 年楚河流域濕地土壤理化性質

2.5 年楚河流域濕地土壤纖毛蟲與環境因子關系

2.5.1春季年楚河流域濕地土壤纖毛蟲與環境因子關系

春季年楚河流域土壤纖毛蟲進行DCA前項選擇,發現排序軸軸長大于3,可以使用單峰模型,共篩選出三個環境因子土壤溫度(ST),濕度(SWC),速效鉀(RAK)進行CCA分析,應用蒙特卡擬合方法對解釋變量進行顯著性檢驗。結果顯示(圖8),軸1和軸2共同解釋了物種變異的60.15%,說明軸1和軸2能夠在較大程度上反映出年楚河流域濕地土壤纖毛蟲群落與環境因子之間的關系。代表SWC的箭頭長度最長,表明SWC對于群落變化的影響最大,樣地SD1、SD2投影點與代表SWC的箭頭距離最近,說明SWC對該樣地的影響最大；樣地SD5投影點與代表ST的箭頭距離最近,說明ST對該樣地的影響最強；樣地SD3、SD4投影點與代表RAK的箭頭距離最近,說明RAK對該樣地的影響最大。SWC與Cop、Kem、Coi等呈負相關關系,ST、RAK與Cop、Kem、Coi等呈正相關關系,說明SWC、ST、RAK是影響春季年楚河流域濕地土壤原生動物群落分布的因素。

圖8 春季濕地土壤纖毛蟲與環境因子的典范對應分析

2.5.2夏季年楚河流域濕地土壤纖毛蟲與理化因子關系

首先對夏季年楚河流域濕地土壤纖毛蟲進行DCA前項選擇,發現排序軸軸長大于3,可以使用單峰模型,共篩選出三個環境因子有機質(SOM),濕度(SWC),速效鉀(RAK)進行CCA分析,應用蒙特卡擬合方法對環境因子顯著性檢驗。結果顯示(圖9),排序軸1和排序軸2共同解釋了纖毛蟲群落方差的67.89%,在一定程度上可以較好的反映出濕地土壤纖毛蟲群落與環境因子的關系。速效鉀(RAK)(F=0.012,P=0.036)是顯著解釋變量,解釋了纖毛蟲群落變異的34.7%,是影響年楚河流域濕地土壤纖毛蟲群落分布的主要環境因子。代表RAK的箭頭長度最長,說明RAK對于群落變化的影響最大,樣地SD2、SD3投影點與其距離最近,說明RAK對該樣地的影響最大；樣地SD1投影點與代表SOM的箭頭,說明SOM對該樣地的影響最大；樣地SD5與代表SWC的箭頭距離最近,說明SWC對該樣地的影響最大。SWC、SOM、RAK與Eum、Cor和Dia等呈正相關關系,與Hag、Asv和Stvi成呈負相關關系。說明SWC、SOM是影響濕地土壤纖毛蟲分布的因素。

圖9 夏季濕地土壤纖毛蟲與環境因子的典范對應分析

2.5.3秋季年楚河流域濕地土壤纖毛蟲與理化因子關系

首先對秋季年楚河流域濕地土壤纖毛蟲進行DCA前項選擇,發現排序軸軸長大于3,可以使用單峰模型,共篩選出三個環境因子濕度(SWC),土壤溫度(ST),速效鉀(RAK)進行CCA分析,應用蒙特卡擬合方法對環境因子顯著性檢驗。結果如圖10 所示,軸1和軸2共同解釋率物種變異的72.60%,說明軸1和軸2能夠較大程度上反映出秋季年楚河流域濕地土壤纖毛蟲群落與環境因子之間的關系。代表ST的箭頭長度最長,表明ST對于群落變化的影響最大,且樣地SD1投影點與其距離最近,說明ST對該樣地的影響最大；樣地SD2、SD3投影點與代表SWC的箭頭距離最近,說明SWC對該樣地的影響最大；樣地SD5與帶包RAK的箭頭距離最近,說明RAK對該樣地的影響最大。SWC與Cht、Urn、Lic等呈負相關關系,ST、RAK與Cyc、Sao、Urd等呈正相關關系,說明SWC、ST、RAK是影響其分布的因素。

圖10 秋季濕地土壤纖毛蟲與環境因子的典范對應分析

3 討論

3.1 年楚河流域濕地土壤纖毛蟲群落分布特征

濕地生態系統兼有陸地生態系統和水生態系統的某些特征,是二氧化碳的“匯”,在全球氣候變化上具有重要的意義[2]。優勢類群能夠明顯的控制土壤纖毛蟲群落結構和群落環境,是土壤纖毛蟲群落基本特征的其中一部分[22]。年楚河濕地土壤纖毛蟲優勢類群為前管目,次優勢類群為刺鉤目,兩者是年楚河流域濕地土壤纖毛蟲最重要的組成部分,對于濕地生態系統有著不可忽視的重要作用[34]。土壤纖毛蟲是土壤中細菌和真菌的采食者,是土壤中微生物循環系統的重要組成部分,能夠很好的促進微生物的生長,促進C和N對較高營養水平的有效性[35],并且其物種組成和種群密度會隨著環境變化而變化,是監測環境變化的有效手段。年楚河流域濕地土壤纖毛蟲多樣性指數(H、E、C)季節間均無顯著性差異(P>0.05),SD4樣地多樣性指數在5個樣地中均最高,原因可能是SD4 樣地的海拔相對較低,生存環境較為優渥,物種豐富,群落結構復雜[22, 36]。SD3多樣性指數春季最高,可能是因為春季溫度開始升高,土壤纖毛蟲物種數增加,使土壤纖毛蟲的多樣性指數升高。春季不同濕地土壤纖毛蟲群落相似性系數在0.13—0.21之間,屬于極不相似到中等不相似之間；夏季相似性系數范圍為0.16—0.37,屬于極不相似到中等不相似之間；秋季相似性系數為0.13—0.26,屬于極不相似到中等不相似,其中夏季SD2和SD3樣地的相似性程度最高為0.37。對年楚河流域五個濕地樣地進行聚類分析發現,SD5樣地和其他4個樣地聚為一類,說明SD5樣地空間差異性較大,原因可能是SD5樣地的ST和RAK明顯高于其他4個樣地,導致SD5樣地土壤纖毛蟲物種組成出現差異,在空間上的相似性程度低。

3.2 年楚河流域濕地土壤纖毛蟲群落影響因素

SD1的全氮(TN)、有效磷(AP)、速效鉀(RAK)及有機質(SOM)含量明顯高于其他樣地。該樣地靠近牧區,牛羊等畜牧的糞便,可能導致該樣地有機質等理化因子明顯高于其他樣地。年楚河流域濕地各樣地SWC、RAK和SOM分布在軸1附近,與軸1具有最大的相關性,ST分布在軸2附近,與軸2具有最大的相關性,ST、SWC、RAK、SOM是影響年楚河流域濕地土壤纖毛蟲群落分布的主要因素,且SWC和RAK能夠顯著解釋土壤纖毛蟲物種分布。造成纖毛蟲物種分布的主要原因是溫度和降水,最佳土壤溫度適宜土壤動物生存,土壤溫度調節土壤纖毛蟲的取食和代謝活動[37],Opperman等研究發現土壤溫度升高會導致土壤纖毛蟲數量明顯增加,群落結構發生改變[38],土壤水分是限制土壤纖毛蟲分布、生存和繁殖的主要環境因子[39],馮偉松等研究南極菲爾德斯地區土壤原生動物時發現,土壤原生動物密度與土壤含水量正相關[9]；土壤動物能夠通過生命活動在氮、磷元素循環中起著重要作用,土壤動物的生物量與土壤中氮、磷的含量正相關[40],Patrick研究發現土壤原生動物在有機質豐富的土壤中豐度更高,同等條件下添加糞漿的土壤中土壤原生動物總量明顯更高[41],且土壤中有機質的微小變化影響土壤纖毛蟲物種分布,土壤理化因子決定了土壤纖毛蟲物種分布[42]。綜上年楚河流域濕地土壤纖毛蟲群落受多個環境因子的共同影響,每種環境因子都對土壤纖毛蟲群落特征產生不同的影響,其共同作用影響土壤纖毛蟲群落在不同樣地間的分布。年楚河流域濕地土壤纖毛蟲C/P(0.35)<1,說明年楚河流域濕地土壤環境未污染,適宜土壤動物生存,對于維持和保護中國生態屏障(青藏高原)生態環境良好發展具有重要作用,因為腎形綱土壤纖毛蟲為R-對策,該對策土壤纖毛蟲往往生活在土壤質量較差的環境中,旋毛綱、異毛綱和瓶纖綱土壤纖毛蟲為K-對策,該對策土壤纖毛蟲往往生活在土壤質量較好的環境中,C/P值越大,即R-對策腎形綱土壤纖毛蟲在土壤環境中較K-對策土壤纖毛蟲更具優勢,生態環境質量較差。

4 結論

年楚河流域5個濕地樣地共鑒定出土壤纖毛蟲154種,隸屬于9綱、19目、43科、70屬；優勢類群是前管目(Prorodontida),共計18種,占總物種數的11.69%；多樣性指數(H、E、C)在季節間均無顯著性差異(P>0.05),且SD4樣地多樣性指數最高；年楚河流域濕地土壤纖毛蟲C/P(0.35)<1,說明年楚河流域濕地土壤環境未污染；5個樣地土壤纖毛蟲相似程度不高,物種空間分布差異性大；SWC 、ST和RAK是年楚河流域濕地土壤纖毛蟲的影響因子。