宋承承，梅續(xù)芳，張 鵬，王業(yè)林，王德凱，解李娜，馬成倉

（天津師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 / 天津市動(dòng)植物抗性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387）

灌叢擴(kuò)張是指由于生物或非生物環(huán)境的改變導(dǎo)致本地原有的灌木種密度和蓋度不斷擴(kuò)大的現(xiàn)象。灌叢擴(kuò)張已成為全球草地生態(tài)系統(tǒng)一個(gè)普遍現(xiàn)象[1]。在灌叢化過程中，灌木與草本植物之間發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，從而影響群落的結(jié)構(gòu)和功能。因此，灌木如何影響植物群落一直是灌叢化研究的熱點(diǎn)問題。地下生物群落，如土壤微生物群落和土壤線蟲群落，是土壤有機(jī)質(zhì)分解和養(yǎng)分礦化等生態(tài)過程的主要調(diào)節(jié)者[2-4]。但是目前關(guān)于灌叢對(duì)地下生物群落的影響主要集中在土壤微生物群落方面[5-7]，對(duì)土壤線蟲的群落結(jié)構(gòu)研究，尤其是灌叢化過程中土壤線蟲群落的變化沒有受到足夠重視，從而制約了人們對(duì)灌叢化發(fā)生機(jī)制的全面認(rèn)識(shí)。研究表明，灌木蓋度的增加顯著改變了土壤線蟲功能群結(jié)構(gòu)的組成[8]；隨著灌木栽植時(shí)間的增加，土壤線蟲群落發(fā)生顯著變化[9-10]。

依據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)(如食性特征或生活史對(duì)策)可將土壤線蟲分為不同營養(yǎng)類群[11-12]。土壤線蟲作為地下部食物網(wǎng)的重要組成部分，在食物網(wǎng)中占據(jù)多個(gè)主要營養(yǎng)級(jí)[13]。不同營養(yǎng)級(jí)生物的相互作用對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)分解和能量流動(dòng)起著關(guān)鍵作用[14-15]。因此，不僅需要考慮土壤線蟲的物種多樣性，還需綜合營養(yǎng)類群多樣性和生活史策略等信息對(duì)其生物多樣性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，從而更好地發(fā)揮土壤線蟲在土壤生態(tài)系統(tǒng)中的生物指示作用。

不同土壤線蟲營養(yǎng)類群對(duì)環(huán)境的響應(yīng)不同。比如：植食性線蟲個(gè)體密度隨降水量增加而增加，而食細(xì)菌性線蟲、雜食捕食性線蟲則表現(xiàn)出相反的趨勢[16]；CO2富集顯著增加了食真菌線蟲的數(shù)量，但降低了雜食/捕食線蟲的數(shù)量[17]；高cp 值(4 或5)的土壤線蟲比低cp 值的線蟲對(duì)氮添加更敏感[18-20]。

土壤深度是影響土壤線蟲群落動(dòng)態(tài)的重要環(huán)境因子之一[9,21-22]。研究表明，土壤線蟲群落往往呈現(xiàn)典型的垂直分布特征，這通常與各種生物、非生物因素有關(guān)[17,23-27]。因此，了解線蟲不同屬、不同營養(yǎng)類群隨土壤深度的變化規(guī)律，將有助于揭示土壤線蟲在灌叢化過程中的生態(tài)功能。

研究表明，灌木對(duì)植物群落的影響與所量化植物屬性有關(guān)，不同植物屬性影響不同。比如：相鄰植物對(duì)目標(biāo)植物的存活與生長[28-29]、密度與繁殖力[29]或萌發(fā)率和早期幼苗存活率[30]等不同屬性影響不同。而灌木對(duì)土壤線蟲群落的影響是否也依賴其不同屬性目前尚不清楚。

為此，調(diào)查了內(nèi)蒙古草原化荒漠區(qū)中間錦雞兒(Caragana intermedia)灌叢不同土壤深度的土壤線蟲群落，并分析不同屬、不同營養(yǎng)級(jí)線蟲與土壤營養(yǎng)之間的關(guān)系，目的是掌握灌木擴(kuò)張后對(duì)土壤線蟲群落的影響。擬回答：1)中間錦雞兒灌叢對(duì)土壤線蟲群落(不同營養(yǎng)類群、不同cp 類群)有何影響及其隨著土壤深度如何變化？2)中間錦雞兒灌叢對(duì)土壤線蟲群落不同屬性的影響是否存在差異？同時(shí)，本研究試圖討論中間錦雞兒灌叢對(duì)土壤線蟲群落不同屬性影響的原因和生態(tài)意義，以期為評(píng)估內(nèi)蒙古草地的健康狀況以及灌木入侵草原后土壤動(dòng)物多樣性改變提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

樣地位于鄂托克旗烏蘭鎮(zhèn)。鄂托克旗地處鄂爾多斯市西部(38°37′47″ ? 39°28′12″ N，107°33′15″ ?108°34′36″ E)。該地區(qū)日照豐沛，降水量少，蒸發(fā)量大，四季分明。年均日照時(shí)數(shù)約3 000 h，年均溫約6.4 ℃，年均降水量約為250 mm，集中于7 月 ? 9 月，年均蒸發(fā)量約為3 000 mm，無霜期約122 d。

1.2 樣品采集

2016 年7 月，在研究區(qū)根據(jù)中間錦雞兒灌叢的密度、蓋度、分布狀況選擇合適的灌叢化草地作為實(shí)驗(yàn)樣地。在樣地中隨機(jī)選取3 株立地條件基本一致的中間錦雞兒灌叢，在灌叢內(nèi)和灌叢外(距離灌叢邊緣處2 m 以上)分別采集0 ? 10 (A 層)、10 ? 20(B 層)、30 ? 40 cm (C 層) 3 層土壤，共采集約300 g 土壤樣品。將土樣裝入自封袋密封，并用冰盒帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行土壤理化性質(zhì)測定和土壤線蟲分離鑒定。

1.3 土壤理化性質(zhì)測定

采用烘干法測定土壤含水量；采用水浸提電位法測定土壤pH；采用重鉻酸鉀容量法測定有機(jī)質(zhì)含量；采用碳酸氫鈉浸提?鉬銻抗比色法測定速效磷含量；采用醋酸銨浸提?火焰光度法測定速效鉀含量；采用流動(dòng)分析儀測定硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量。

1.4 土壤線蟲分離與鑒定

稱取20 g 新鮮土樣，采用濕漏斗法(Baermann法)分離24 h，用TAF 固定液(又稱三乙醇胺 ? 福爾馬林固定液)保存線蟲。依據(jù)《中國土壤動(dòng)物檢索圖鑒》[31]、《植物線蟲分類學(xué)》[32]在體視顯微鏡下觀察線蟲，并按科、屬對(duì)線蟲進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)。利用土壤含水量的測定結(jié)果，將線蟲個(gè)體數(shù)量轉(zhuǎn)換成每100 g干土的線蟲數(shù)。

1.5 土壤線蟲指數(shù)計(jì)算

根據(jù)土壤線蟲食性特征將土壤線蟲劃分為如下營養(yǎng)類群[12,33]：食細(xì)菌線蟲(BF)、食真菌線蟲(FF)、植物寄生線蟲(PF)、捕食雜食類線蟲(OP)。根據(jù)線蟲不同的生活史對(duì)策(r-對(duì)策或K-對(duì)策)將土壤線蟲劃分為如下cp 類群[11]：cp1，世代時(shí)間短，產(chǎn)卵量大代謝快，耐環(huán)境壓力，典型r-對(duì)策者；cp2，世代時(shí)間短，產(chǎn)卵量大較耐環(huán)境壓力，一般機(jī)會(huì)主義者；cp3，世代時(shí)間較長，對(duì)環(huán)境壓力較為敏感；cp4，世代時(shí)間長，對(duì)環(huán)境壓力敏感；cp5，世代時(shí)間長，產(chǎn)卵量小，對(duì)環(huán)境壓力特別敏感，典型K-對(duì)策者。土壤線蟲食性特征和cp 值如附表1 所列。

采用土壤線蟲物種數(shù)、Shannon-Wiener 指數(shù)、總個(gè)體數(shù)評(píng)估土壤線蟲群落多樣性。

式中：Pi表示群落第i 個(gè)物種的個(gè)數(shù)占生物總數(shù)的比例。Ni表示群落中第i 個(gè)生物種的數(shù)量。N 為群落中個(gè)體總數(shù)。

采用PPI/MI 評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)受干擾程度。

自由生活線蟲成熟度指數(shù)(maturity index, MI)：

式中：v (i)為土壤線蟲第i 類群的Colonizers-Pesisters(cp)值；f (i)為自由生活線蟲第i 類群的個(gè)體占群落總個(gè)體數(shù)的比例；f ′(i)為植物寄生線蟲第i 類群的個(gè)體占群落總個(gè)體數(shù)的比例。

根據(jù)土壤線蟲不同營養(yǎng)類群多度(總個(gè)體數(shù))計(jì)算3 種營養(yǎng)類群比例，包括FF/(FF + BF)、(FF + BF)/PF 和OP/PF。采用FF/(FF + BF)比值說明土壤食物網(wǎng)分解途徑(細(xì)菌分解途徑vs 真菌分解途徑)的相對(duì)重要性。采用(FF + BF)/PF 說明土壤線蟲對(duì)植物生長的反饋?zhàn)饔茫?FF + BF)/PF 比值越大，說明以植物為食的土壤線蟲數(shù)相對(duì)減少或食微線蟲相對(duì)增加，在一定程度上對(duì)植物生長具有促進(jìn)作用[34-35]；(FF + BF)/PF 比值越小，說明植食線蟲相對(duì)增加或食微線蟲相對(duì)減少，對(duì)植物生長具有抑制作用[36]。采用OP/PF 比值說明土壤食物網(wǎng)的復(fù)雜程度以及捕食類線蟲(top-down 因子)控制草食性線蟲的能力[37-38]，即top-down 效應(yīng)：OP/PF 比值越大，說明土壤食物網(wǎng)越復(fù)雜，top-down 效應(yīng)更強(qiáng)。計(jì)算公式如下：

FF/(FF + BF) = 食真菌線蟲多度/(食真菌線蟲多度 + 食細(xì)菌線蟲多度)；

(FF + BF)/ PF = (食真菌線蟲多度 + 食細(xì)菌線蟲多度)/植物寄生線蟲多度；

OP/PF = 捕食雜食性線蟲多度/植物寄生線蟲多度。

構(gòu)建土壤線蟲生態(tài)三角模型(等邊三角形)。采用等邊三角形描述土壤線蟲群落cp 值的分布。

1.6 統(tǒng)計(jì)分析

使用SPSS 20.0 軟件，采用雙因素方差分析檢驗(yàn)灌叢和土壤深度對(duì)土壤線蟲群落各觀測指標(biāo)的影響及其交互作用，并用Tukey HSD 比較各土層間的差異性，用獨(dú)立樣本t 檢驗(yàn)分析灌叢內(nèi)和灌叢外差異性。統(tǒng)計(jì)顯著性水平為P ＜ 0.05。采用CANOCO 4.5 軟件進(jìn)行冗余分析(RDA)，分析土壤線蟲和環(huán)境因子之間的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤線蟲群落多樣性

灌叢顯著影響中間錦雞兒土壤線蟲總數(shù)(P ＜ 0.05)，但對(duì)物種數(shù)和Shannon-Wiener 指數(shù)影響不顯著(P ＞0.05) (表1)。表層土中，灌叢內(nèi)土壤線蟲總數(shù)大于灌叢外；深層土中，灌叢外土壤線蟲總數(shù)大于灌叢內(nèi)(圖1)。

土壤深度對(duì)土壤線蟲總數(shù)和Shannon-Wiener 指數(shù)有顯著影響(P ＜ 0.05)，對(duì)物種數(shù)影響不顯著(P ＞0.05) (表1)。隨著土壤深度的增加，灌叢內(nèi)土壤線蟲總數(shù)和Shannon-Wiener 指數(shù)逐漸減小(圖1)。

2.2 土壤線蟲群落功能性指數(shù)

灌叢顯著影響中間錦雞兒土壤線蟲PPI/MI 比值(P ＜ 0.05)，但土壤深度對(duì)該比值影響不顯著(P ＞0.05) (表1)。灌叢外各土層PPI/MI 比值均大于灌叢內(nèi)，但在各土層灌叢內(nèi)外差異都不顯著(圖2)。

3.2.2 非虛擬化場景(硬件解決方案)。資源池全部采用純物理服務(wù)器，無虛擬機(jī)。此場景下采用硬件SDN交換機(jī)方案。SDN網(wǎng)絡(luò)包括硬件接入交換機(jī)、SDN網(wǎng)關(guān)、增值業(yè)務(wù)網(wǎng)元。

表1 灌叢、土壤深度以及交互作用對(duì)線蟲群落影響的方差分析結(jié)果(F 值)Table 1 F-values of the ANOVAs for the effect of canopy conditions, soil depths, and their interactions on nematode communities

圖1 中間錦雞兒灌叢內(nèi)和灌叢外不同土層土壤線蟲物種數(shù)、線蟲總數(shù)和Shannon-Wiener 指數(shù)Figure 1 Species number, total number of nematodes, and Shannon-Wiener index inside and outside the shrub canopies of Caragana intermedia at different soil depths

2.3 土壤線蟲各營養(yǎng)類群線蟲總數(shù)

土壤線蟲4 種食性類型中，食細(xì)菌類線蟲總數(shù)最多(圖3)。cp2 類群比例在食微線蟲(包括食細(xì)菌類和食真菌類線蟲)中最大，而cp3 - cp5 類群是植物寄生線蟲和捕食雜食線蟲主要優(yōu)勢類群。

灌叢顯著影響食微線蟲總數(shù)(P ＜ 0.05) (表1)。無論是食細(xì)菌線蟲還是食真菌線蟲，其總數(shù)在表層土中灌叢內(nèi)大于灌叢外，而在深層土中灌叢外大于灌叢內(nèi)(圖3)。

土壤深度對(duì)食真菌線蟲無顯著影響(P ＞ 0.05)，但是顯著影響食細(xì)菌線蟲、植物寄生線蟲和捕食雜食線蟲總數(shù)(P ＜ 0.05) (表1)。后3 種食性類型線蟲總數(shù)無論是灌叢內(nèi)還是灌叢外，均表現(xiàn)為0 - 10 cm或10 - 20 cm 土層最多(圖3)。

圖2 中間錦雞兒灌叢內(nèi)和灌叢外不同土層土壤線蟲PPI/MIFigure 2 PPI/MI values for soil nematodes inside and outside the shrub canopies of Caragana intermedia at different soil depths

土壤線蟲生態(tài)三角模型反映了不同生活史對(duì)策(cp)的土壤線蟲組成的分布變化。隨著土壤深度的增加，灌叢內(nèi)土壤線蟲向居住者類型(persister，cp3 - cp5)轉(zhuǎn)變；而灌叢外向殖民者類型(colonizer，cp1或cp2)轉(zhuǎn)變(圖4)。

圖3 中間錦雞兒灌叢內(nèi)和灌叢外不同土層各土壤線蟲食性類型的cp 類群豐度Figure 3 Nematodes numbers with different cp strategies within each nematode feeding types inside and outside the shrub canopies of Caragana intermedia at different soil depths

2.4 土壤線蟲營養(yǎng)類群比例

由于中間錦雞兒灌叢外30 - 40 cm 土層中未發(fā)現(xiàn)食真菌類線蟲(圖3)，因此FF/(FF + BF)值等于0。各土層灌叢內(nèi)FF/(FF + BF)值均大于灌叢外，且該值在表層土中最大(圖5)。這說明灌叢內(nèi)表層土食真菌途徑較為重要。

灌叢內(nèi)(FF + BF)/PF 比值明顯大于灌叢外(圖5)。這指示灌叢外植食性線蟲豐度相對(duì)增加或食微線蟲豐度相對(duì)減少。

OP/PF 的比值在不同土層均表現(xiàn)為灌叢內(nèi)大于灌叢外，且無論是灌叢內(nèi)還是灌叢外，隨著土壤深度的增加，OP/PF 的比值逐漸增加(圖5)。這說明灌叢內(nèi)30 - 40 cm 土層食物網(wǎng)更復(fù)雜，top-down 效應(yīng)更強(qiáng)。

2.5 土壤線蟲群落與土壤環(huán)境之間的關(guān)系

圖4 中間錦雞兒灌叢內(nèi)和灌叢外不同土層土壤線蟲生態(tài)三角模型Figure 4 Ecological triangle model of soil nematodes inside and outside the shrub canopies of Caragana intermedia at different soil depths

圖5 中間錦雞兒灌叢內(nèi)和灌叢外不同土層土壤營養(yǎng)類群比例Figure 5 Soil trophic group ratios inside and outside shrub canopies of Caragana intermedia at different soil depths

3 討論

群落不同屬性的特異性響應(yīng)在植物-植物相互關(guān)系中起著關(guān)鍵性作用[39-40]。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，中間錦雞兒灌叢顯著影響土壤線蟲總數(shù)，但對(duì)土壤線蟲豐度(物種數(shù))、Shannon-Wiener 指數(shù)影響不顯著。這說明灌叢對(duì)土壤線蟲群落的影響與所量化的物種多樣性屬性有關(guān)，不同物種多樣性屬性影響不同。這與Thakur 等[41]研究發(fā)現(xiàn)灌木Populus tremuloides對(duì)土壤線蟲豐度和Shannon-Wiener 指數(shù)沒有顯著影響的結(jié)果一致。

圖6 中間錦雞兒灌叢土壤線蟲群落和土壤環(huán)境因子的冗余分析Figure 6 Redundancy analysis (RDA) of soil nematode communities as related to the soil environmental variables for Caragana intermedia

研究表明，在相對(duì)干旱環(huán)境中，灌木易形成“沃島”，對(duì)灌叢斑塊內(nèi)生物群落具有促進(jìn)效應(yīng)[25,42-44]。本研究中，中間錦雞兒灌叢內(nèi)表層土壤中線蟲總數(shù)大于灌叢外(圖1)。這是因?yàn)楣鄥矁?nèi)良好的微環(huán)境(如：高土壤濕度、高土壤養(yǎng)分含量、低風(fēng)速等)有利于林下草本植物物種多樣性和生產(chǎn)力維持[45-48]，從而產(chǎn)生較多的凋落物。凋落物的增加為表層土壤線蟲提供了更多的食物資源，尤其是食微類線蟲。研究表明，與其他食性類型的線蟲相比，食微類線蟲更容易受資源可利用性限制[49]，本研究也發(fā)現(xiàn)灌叢僅顯著影響食微線蟲，對(duì)其他類型線蟲影響不顯著(表1)。在深層土中，土壤線蟲總數(shù)灌叢外顯著大于灌叢內(nèi)(圖1)。這是因?yàn)樵诳諘绲?，沒有灌叢的遮陰和庇護(hù)，表層土水分含量較低(3.19%)，土壤線蟲從表層土向深層土遷移，從而導(dǎo)致深層土土壤線蟲數(shù)增加。

大量研究表明，隨著土壤深度的增加，土壤線蟲群落總數(shù)逐漸減少[9,50]，本研究結(jié)果與其一致(圖1)。這與上述土壤資源的垂直分布有關(guān)。土壤線蟲群落組成(不同屬、不同營養(yǎng)級(jí))隨著土壤深度的增加也發(fā)生明顯的變化，且具有明顯差異(圖3)。這說明土壤線蟲群落對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)依賴于不同屬線蟲[10]。土壤線蟲各營養(yǎng)級(jí)的垂直分布特征往往與土壤理化性質(zhì)有關(guān)[51-52]。RDA 結(jié)果也表明不同土壤理化性質(zhì)對(duì)各土壤線蟲營養(yǎng)級(jí)的影響具有明顯差異(圖6)，不同類土壤線蟲對(duì)環(huán)境響應(yīng)不同。

灌叢內(nèi)表層土FF/(FF + BF)值最大(圖5)。這說明真菌分解途徑對(duì)灌叢內(nèi)表層土有機(jī)質(zhì)分解貢獻(xiàn)較大，且主要是cp2 類型的真滑刃屬和滑刃屬。(FF +BF)/PF 比值灌叢內(nèi)明顯大于灌叢外(圖5)，這主要是因?yàn)楣鄥餐庵彩承跃€蟲豐度明顯大于灌叢內(nèi)(圖3)，這也直接導(dǎo)致PPI/MI 比值在不同土層均表現(xiàn)為灌叢外大于灌叢內(nèi)(圖2)。本研究還發(fā)現(xiàn)，OP/PF 的比值在各土層均表現(xiàn)為灌叢內(nèi)大于灌叢外，且無論是灌叢內(nèi)還是灌叢外，隨著土壤深度的增加，OP/PF 的比值呈上升的趨勢(圖5)。這說明灌叢內(nèi)深層土食物網(wǎng)更復(fù)雜，群落結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。另外，捕食雜食類線蟲主要通過取食植物寄生類線蟲而促進(jìn)植物生長[53]，是較強(qiáng)的top-down 因子。因此OP/PF 的比值的變化也說明灌叢內(nèi)深層土具有較強(qiáng)的top-down 效應(yīng)。

隨著土壤深度的增加，灌叢內(nèi)土壤線蟲向居住者類型(persister，cp3 - cp5)轉(zhuǎn)變，而灌叢外向殖民者類型(colonizer，cp1 或cp2)轉(zhuǎn)變(圖4)。這說明灌叢內(nèi)深層土壤環(huán)境更適宜cp 值較高的土壤線蟲生存，灌叢外則更有利于代謝快、耐受力較好，即cp 值較低的土壤線蟲。

食細(xì)菌線蟲是中間錦雞兒灌叢占優(yōu)勢的營養(yǎng)類群(圖3)。研究表明食細(xì)菌線蟲與土壤養(yǎng)分顯著相關(guān)，這是導(dǎo)致食細(xì)菌線蟲在各食性類型比例最大的原因之一[54-55]。的確，RDA 分析表明在測量的7 個(gè)土壤環(huán)境因子中，食細(xì)菌類線蟲與絕大多數(shù)土壤營養(yǎng)因子顯著正相關(guān)。本研究還發(fā)現(xiàn)，深層土中食真菌類線蟲數(shù)量最少，甚至不存在(圖3)。這是因?yàn)槭痴婢惥€蟲更適合在有氧環(huán)境中生存[56]，而深層土中氧含量較少。

4 結(jié)論

在草原化荒漠區(qū)，中間錦雞兒灌叢對(duì)土壤線蟲群落總數(shù)具有促進(jìn)作用，但對(duì)物種數(shù)和多樣性指數(shù)無顯著影響；灌叢顯著增加了食微類線蟲的總數(shù)，對(duì)植物寄生類和捕食雜食類線蟲無顯著影響。隨著土壤深度的增加，土壤線蟲總數(shù)和Shannon-Wiener指數(shù)逐漸減少，但土壤深度對(duì)土壤線蟲物種數(shù)無顯著影響；表層土或次表層土食細(xì)菌線蟲、植物寄生線蟲和捕食雜食線蟲總數(shù)最多。灌叢內(nèi)深層土壤環(huán)境更適宜cp 值較高的土壤線蟲生存，灌叢外則更有利于cp 值較低的土壤線蟲?？傊鄥矊?duì)土壤線蟲群落的影響依賴于所量化的物種多樣性屬性以及營養(yǎng)級(jí)類群，而且它們?cè)诓煌翆泳哂忻黠@差異。