劉 月,張利敏,徐勝楠,王 瑤,于鴻淼,王思琪

哈爾濱師范大學寒區(qū)地理環(huán)境監(jiān)測與空間信息服務黑龍江省重點實驗室,哈爾濱師范大學地理科學學院,哈爾濱 150025

作為土壤碳庫的重要組成部分,土壤有機碳(SOC)為土壤生物提供了其生存所需要的養(yǎng)分[1]。土壤有機碳主要來源于植被地上和地下的輸入,自然狀態(tài)下經(jīng)過長期的積累,總量巨大,因而短期內(nèi)難以檢測到較明顯的變化[2]。為了更深入探究土壤有機碳對土壤生物以及地下生態(tài)系統(tǒng)的影響,Francis Hole 博士早在20世紀50年代就設置了改變碳源輸入方式的實驗,即植物殘體(凋落物及根系)的去除和添加實驗(detritus input and removal treatments,DIRT),由去除凋落物處理、去除根系處理、去除凋落物和根系處理以及加倍添加凋落物處理等組成[3]。該實驗通過控制地表凋落物和根系來探究地上部分植物與土壤生物之間的關系,以便在相對較短的時間內(nèi)觀測到土壤有機碳的變化,進一步對土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響進行研究。大量的研究表明,植物碳輸入方式的變化會對土壤理化性質產(chǎn)生一定的影響。Lajtha等[4]在美國安德魯斯實驗森林的針葉林中建立了一項野外控制實驗發(fā)現(xiàn),5年來通過阻隔地上和地下凋落物輸入,該地塊的土壤表現(xiàn)出土壤有機碳和有機氮逐年下降的現(xiàn)象。Kabzems等[5]研究發(fā)現(xiàn),在落葉喬木林中,去除凋落物引起的表層土壤總有機碳的下降比去除植物體本身所產(chǎn)生的效果更明顯。此外,植物碳源變化造成的土壤環(huán)境的改變又進一步影響著土壤生態(tài)系統(tǒng)的生物群落[6]。然而,目前關于植物碳源輸入方式變化的研究多集中于對土壤理化性質及碳循環(huán)方面[7—8],而對如何影響土壤線蟲群落卻知之甚少[9]。

線蟲是土壤食物網(wǎng)中最豐富的無脊椎動物[10],具有適應能力強、營養(yǎng)類群豐富、生活周期較短、對環(huán)境變化反應迅速等特點,被廣泛用于評估土壤微食物網(wǎng)結構功能以及土壤環(huán)境質量[11]。由此本文推測,不同的植物碳源輸入方式所引起的土壤環(huán)境的改變,也必然會對線蟲的群落結構產(chǎn)生影響。因此,本研究通過對土壤線蟲的研究來反映有機碳輸入對環(huán)境的影響。但是,以往線蟲群落多樣性的研究多采用形態(tài)學鑒定的方法,鑒定過程難度大,且易受環(huán)境及其他因素干擾,因此需要研究者具備較為專業(yè)的知識素養(yǎng)和豐富的經(jīng)驗[12]。伴隨著分子生物方法的發(fā)展,高通量測序技術在線蟲方面的研究也取得了一定的進展[13]。該技術克服了傳統(tǒng)形態(tài)學鑒定的很多不足,大大減少了勞動時間,提高了工作效率,為鑒定土壤線蟲提供了一種相對經(jīng)濟有效的方法[14]。因此,本研究利用Illumina MiSeq測序技術來分析土壤線蟲群落的組成以及生態(tài)多樣性特征等。

春季凍融期是高緯度地區(qū)特有的時期,期間的凍融作用是該區(qū)域土壤生態(tài)的影響因素之一[15]。以往的研究表明凍融作用以及凍融期特有的氣溫差異會直接或間接對土壤生物產(chǎn)生影響[16]。但是就目前的研究結果看來,凍融時期的土壤生物群落變化特征還具有一定的不確定性。一方面,林尤偉等[17]對小興安嶺不同林型的土壤微生物量研究發(fā)現(xiàn),凍融作用使得土壤食物網(wǎng)中微生物繁殖所需的資源基質增加。Zhou等[18]研究發(fā)現(xiàn),凍融時期的土壤微生物和根系二者之間的促進和競爭關系,刺激了微生物的繁殖。另一方面,研究還發(fā)現(xiàn),春季凍融期溫差變化導致了表層植物根系以及土壤微生物死亡,進而造成微生物分解的速率下降[19]。凍融時期的土壤線蟲對土壤有機碳變化的響應是否具有一個獨特的模式,還尚不明確。因此,本文利用Illumina MiSeq技術,通過比較凍融期碳源輸入的四種處理方式,即凋落物和根系同時輸入(CK)、僅根系輸入(NL)、僅凋落物輸入(NR)以及無碳源輸入(NLR)下土壤線蟲群落結構,多樣性以及生態(tài)指數(shù)的變化情況,揭示土壤線蟲群落的響應機制,探討地上、地下碳源輸入改變后土壤微食物網(wǎng)的變化趨勢,為研究土壤碳循環(huán)中土壤動物的重要作用奠定基礎。根據(jù)以往的研究,本文假設(1)僅凋落物輸入處理(NR)導致的地下碳分配變化會減少土壤線蟲的食物量,進而降低食細菌線蟲和食真菌線蟲的相對豐度；(2)與其他限制碳源的輸入方式相比,無碳源輸入處理(NLR)的土壤線蟲的均勻度和多樣性必然會降低。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地設在黑龍江帽兒山森林生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站,地理坐標為45°24′N,127°28′E。氣候為大陸性溫帶季風氣候,年平均氣溫2.8 ℃,年平均降水量723 mm。地帶性土壤為暗棕色森林土壤,母巖為花崗巖。植被為天然次生林及人工林[20]。該地區(qū)主要的天然次生林樹種有白樺BetulaplatyphyllaSuk.、山楊PopulusdavidianaDode、黃菠蘿PhellodendronamurenseRupr.、胡桃楸JuglansmandshuricaMaxim.、水曲柳FraxinusmandschuricaRupr.、色木槭AcerpictumThunb.exMurray、椴樹TiliatuanSzyszyl.等,主要的人工林樹種有紅松PinuskoraiensisSiebold.etZuc.、落葉松Larixgmelinii(Rupr.)Kuzen.等。

1.2 樣地布設和土壤樣品采集

于2017年7月,在天然次生林中分別設置4個面積為400 m2(20 m×20 m)的樣地,分別在每個樣地進行不同碳源輸入處理,處理方式包括：凋落物和根系同時輸入處理(Control treatment,CK),僅根系輸入處理(Litter removal treatment,NL),僅凋落物輸入處理(Root removal treatment,NR)以及無碳源輸入處理(Litter and root removal treatment,NLR)。具體的處理方式如下：凋落物和根系同時輸入處理(CK)：不做處理；僅根系輸入處理(NL)：用尼龍網(wǎng)兜將凋落物與樣地土壤隔離,將尼龍網(wǎng)兜上的凋落物每月清理一次,直至網(wǎng)內(nèi)再無凋落物;僅凋落物輸入處理(NR)：在樣方四周挖深度1 m壕溝,切斷根系后用塑料膜隔開,以阻止根系進入;無碳源輸入處理(NLR)：按上述方法進行去除根系處理,并在樣方內(nèi)設置尼龍網(wǎng)兜,按月將凋落物取出。樣地之間間隔大于100 m,以防止相互之間的干擾,每塊樣地設置3個1.5 m×1.5 m的樣方作為重復處理,共計12個樣方。

土壤樣品采集于2019年3月,在每個小區(qū)選取四個點(位于樣方四個角),用內(nèi)徑為3.5 cm的土鉆采集0—10 cm土壤層樣品,挑除碎石以及植物根系,充分混合均勻后裝入無菌袋中保存。將12個土壤樣品分別分為兩份：一份用于提取土壤線蟲DNA,另一份風干后過100目篩,進行土壤理化性質測定。樣地土壤理化性質如表1示。

表1 不同碳源輸入方式下土壤理化性質(平均值±標準差)Table 1 Soil physical and chemical properties under different carbon input methods(Mean±SD)

1.3 DNA提取和PCR擴增

采用Power Soil DNA Extraction Kit(MoBio)對土壤樣品進行總DNA抽提,利用1.2%瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA抽提質量。采用兩步 PCR 擴增的方法,首先采用特異引物(內(nèi)側引物)擴增目的片段,將目的片段進行膠回收,而后將回收產(chǎn)物作為模板進行二次 PCR 擴增(外側引物)。第一次PCR擴增前設計引物為：F內(nèi)側引物：5′-TTCCCTACACGACGCTCTTCCGATCT-特異引物-3′,F 外側引物：5′-AATGATACGGCGAC CACCGAGATCTACAC-barcode-TCTTTCCCTACACGACGCTC-3′。將 PCR 擴增產(chǎn)物,于2%瓊脂糖凝膠電泳切膠回收,回收產(chǎn)物進行二次 PCR 擴增。第二次PCR擴增前設計引物為：R 內(nèi)側引物：5′-GAGTTCCTTGGCACCCGAGAATTCCA-特異引物-3′,R 外側引物：5′-CAAGCAGAAGACGGCATACGAGAT-barcode-GTGACTGGAGTTCCTTGGCACCCGAGA-3′。將 PCR 擴增產(chǎn)物,于2%瓊脂糖凝膠電泳切膠回收,回收產(chǎn)物進行qPCR定量。在 Illumina MiSeq平臺進行雙端測序(2×300 bp),建庫并測序(微基生物有限公司,上海)。

1.4 線蟲生態(tài)指標

線蟲屬優(yōu)勢度的劃分：相對豐度為10%以上者為優(yōu)勢屬,1%—10%為常見屬,1% 以下為稀有屬。

根據(jù)取食習性將土壤線蟲劃分為食細菌線蟲(Bacterivores)；食真菌線蟲(Fungivores)；捕食/雜食線蟲(Omnivores/predators)；植食線蟲(Plant-parasites)四個營養(yǎng)類群[21]。

(2)Pielou均勻性指數(shù)(J)：J=H′/lnS；S為鑒定分類單元的數(shù)目。

(4)總成熟度指數(shù)(Maturity Index,MI)：MI=∑c(i)×p(i)；c(i)為第i種線蟲的生活史策略c-p值；p(i)為第i種線蟲在線蟲總數(shù)中所占比重。

(5)線蟲通路比值[22](NCR)：食細菌線蟲與食細菌線蟲和食真菌線蟲數(shù)量之比,即NCR=B/(B+F)；其中,B和F分別代表食細菌和食真菌的線蟲數(shù)量。

目前應用高通量測序技術對線蟲群落的研究尚不成熟,存在文庫不完善等現(xiàn)象[23]。這導致各碳源輸入處理中出現(xiàn)較多未分類線蟲屬,因而無法對線蟲進行營養(yǎng)類群的劃分以及生態(tài)指標的計算。因此,本研究在劃分土壤線蟲營養(yǎng)類群,以及計算多樣性指數(shù)和生態(tài)指數(shù)時將未分類線蟲屬排除,即基于已測得的68個線蟲屬進行分類和計算。

1.5 數(shù)據(jù)處理和分析

利用SPSS 20.0 軟件分析土壤理化性質差異、測序數(shù)據(jù)統(tǒng)計差異、營養(yǎng)類群的相對豐度以及生態(tài)指數(shù)差異,采用 one-way ANOVA 進行線蟲數(shù)據(jù)的統(tǒng)計學檢驗。土壤線蟲群落的生態(tài)指標使用R軟件以及Excel 2010進行計算。運用R軟件進行主坐標分析(Principal coordinate analysis,PCoA)以及冗余分析(Redundancy analysis,RDA)。其余圖形繪制使用Origin 2018。

2 結果與分析

通過Illumina高通量測序分析得到的不同碳源輸入方式下土壤中有效序列總數(shù)為493186條,平均每個樣品的有效序列為41099條。優(yōu)化序列數(shù)如表2所示。覆蓋率指數(shù)展示了研究的土壤樣品文庫的覆蓋程度,測序的序列被覆蓋到的越全面,數(shù)值則越高,本試驗覆蓋率能夠反映各土壤樣本線蟲群落的真實情況[24](表2)。

2.1 碳源輸入方式對土壤線蟲群落組成的影響

2.1.1OTU組成分析

聚類后注釋得到 CK均值為872個OTU,NL中均值為1032個OTU,NR中均值為799個OTU,NLR中均值為1095個OTU(表2)。本文中不同碳源輸入方式下土壤線蟲群落OTU韋恩圖結果(圖1)表明CK中獨有的OTU占總OTU的16.80%(638),NL獨有的OTU占20.30%(771),NR獨有的OTU占14.69%(558),NLR獨有的OTU占22.59%(858)。此外,CK與NL單獨共有的OTU數(shù)量最多,為61,CK與NR單獨共有的OTU數(shù)量最少,為26,CK與NLR共有的OTU數(shù)量為31。CK,NL,NR,NLR不同碳輸入下土壤中共有的線蟲OTU數(shù)量為60。

表2 不同碳源輸入方式下土壤線蟲測序數(shù)據(jù)統(tǒng)計(平均值±標準差)Table 2 Statistics of soil nematode sequencing data under different carbon input methods(Mean±SD)

圖1 基于OTU豐度的不同碳源輸入方式下土壤線蟲群落維恩圖Fig.1 Venn diagram of soil nematode community under different carbon source input methods based on OTU abundanceCK：凋落物和根系同時輸入Control；NL：僅根系輸入Litter removal；NR：僅凋落物輸入Root removal；NLR：無碳源輸入Litter and root removal；圖中數(shù)字分別代表不同碳源輸入方式下獨有以及共有OTU的數(shù)量

2.1.2基于屬水平不同碳源輸入方式下土壤線蟲相對豐度

為了解碳源輸入方式對土壤線蟲群落結構的影響,對OTU代表序列進行物種檢測和注釋。在排除各碳源輸入處理中未注釋OTU(Unclassified)后,得到已注釋的OTU被識別為2綱,13目,54科,68屬,104種?；谝炎⑨尵€蟲屬水平的相對豐度進行分析,各碳源輸入處理中的優(yōu)勢屬和常見屬的種類總共為28(圖2),相對豐度低于1%的稀有屬的種類為40(表3)。CK中土壤樣品中常見屬有異色矛屬(Achromadora),似雙胃屬(Diplogasteroides),Paralamyctes,桿咽屬(Rhabdolaimus)等。NL中土壤樣品中優(yōu)勢屬為棱咽屬(Prismatolaimus),常見屬為桿咽屬(Rhabdolaimus),墊咽屬(Tylencholaimus),異色矛屬(Achromadora)等。NR中土壤樣品中優(yōu)勢屬為桿咽屬(Rhabdolaimus),常見屬為銼齒屬(Mylonchulus),異色矛屬(Achromadora),微矛屬(Microdorylaimus)等。NLR中土壤樣品中常見屬為三裂體屬(Trischistoma),小桿屬(Rhabditis),棱咽屬(Prismatolaimus),矛線屬(Dorylaimus)等。不同碳源輸入處理下的稀有線蟲屬如表3所示,其中真單宮屬(Eumonhystera),異頭葉屬(Heterocephalobus),巴氏屬(Bastiania),絲尾墊刃屬(Filenchus),盤旋屬(Rotylenchus)以及無孔小咽屬(Aporcelaimellus)分布于各碳源輸入處理中。

表3 不同碳源輸入方式下土壤線蟲群落稀有屬組成Table 3 Composition of rare genus in soil nematode community under different carbon input methods

從食細菌線蟲的組成來看(圖2),NR中桿咽屬(Rhabdolaimus)和無咽屬(Alaimus)的相對豐度大大提升,分別是CK 的2.07倍和2.34倍。NL中食細菌線蟲棱咽屬(Prismatolaimus)的相對豐度遠大于CK和NR,是CK的3.69倍,以及NR的4.57倍。從食真菌線蟲的組成來看,NL中食真菌線蟲墊咽屬(Tylencholaimus)的相對豐度大大增加。從捕食雜食線蟲的組成來看,NR中的銼齒屬(Mylonchulus)和微矛屬(Microdorylaimus)遠遠大于其他碳源輸入方式的樣地。此外,在NLR中,三裂體屬(Trischistoma)的相對豐度大大增加。

圖2 不同碳源輸入方式下土壤線蟲群落優(yōu)勢屬和常見屬的相對豐度Fig.2 Relative abundance of dominant and common genus in soil nematode communities under different carbon input methods

2.1.3碳源輸入方式對土壤線蟲營養(yǎng)類群的影響

由圖3可知,不同碳源輸入方式下均為食細菌線蟲的比例最大,最高能達到38.30%,是土壤線蟲的優(yōu)勢營養(yǎng)類群。和CK相比,NR中食細菌線蟲的相對豐度有所上升(P>0.05),而食真菌線蟲則呈現(xiàn)出與食細菌類線蟲相反的趨勢(P<0.05)。捕食雜食線蟲在NL中相對豐度變化不明顯(P>0.05),而在NR中相對豐度均大幅度上升,分別較CK增加了12.35%(P<0.05)。此外,NR降低了植食線蟲的相對豐度(P>0.05)。

圖3 不同碳源輸入方式下各營養(yǎng)類型的線蟲相對豐度 Fig.3 Relative abundance of nematodes in different nutrient types under different carbon input methodsBF：食細菌線蟲Bacterivores；FF：食真菌線Fungivores；OP：捕食/雜食線蟲Omnivores/Predators;PP：植食線蟲Plant-parasites

2.2 碳源輸入方式對土壤線蟲生態(tài)指數(shù)的影響

不同碳源輸入方式下土壤線蟲群落生態(tài)學指數(shù)分析結果如表4所示,多樣性指數(shù)(H′)表現(xiàn)為NR中最高,NLR中最低,表明去除凋落物和根系后土壤線蟲群落的多樣性降低,生態(tài)環(huán)境變差。NR中均勻度指數(shù)(J)最高,該群落較為穩(wěn)定。優(yōu)勢度指數(shù)(Dom)為在NLR中最高。成熟度指數(shù)(MI)反映的是土壤資源的多樣化[25],本文中線蟲成熟度指數(shù)(MI)表現(xiàn)為NR最高,這說明將根系去除后,土壤資源的質量和多樣性反而升高。碳源輸入方式的變化并沒有改變土壤中有機質的分解途徑,在各處理中,線蟲通路比值(NCR)均大于0.5,表明土壤食物網(wǎng)仍是為以細菌為基礎的分解通道占優(yōu)勢。

表4 不同碳源輸入方式下土壤線蟲生態(tài)指數(shù)Table 4 Ecological index of soil nematodes under different carbon source input methods

2.3 土壤線蟲β多樣性分析

主坐標分析(Principal Coordinates analysis,PCoA)用于衡量不同碳源輸入方式下土壤線蟲群落物種組成的相似度,進而明確各樣本之間在群落物種結構上的差異性。ANOSIM(Analysis of similarities)分析結果表明,各樣地之間土壤的OTU組成之間存在極顯著差異(R=0.296,P=0.006)。

對各樣地數(shù)據(jù)進行主坐標分析(PCoA),如圖4所示,PC1和PC2分別解釋變量方差的13.23%和12.38%,兩者累計貢獻率達25.38%。PC1 將NL中的土壤線蟲群落與NR明顯區(qū)分開。通過分析各樣本之間的距離來推測相似和差異情況,其距離越遠,說明線蟲群落差異越大?？傮w而言,CK,NL,NR樣地的土壤線蟲群落各樣本組內(nèi)聚集明顯,且組間距離較遠,各碳源輸入處理之間土壤線蟲群落結構發(fā)生了變化。

圖4 不同碳源輸入方式下土壤OTU的主成分分析 Fig.4 Principal component analysis of soil OTU under different carbon source input methods

2.4 土壤線蟲群落與土壤理化性質之間的關系

土壤提供了線蟲生長繁殖的微環(huán)境,而不同碳源輸入方式使得土壤理化性質在一定程度上發(fā)生改變,這也進一步會對土壤線蟲群落產(chǎn)生影響。為探究環(huán)境變量與線蟲群落組成之間的關系,本文基于常見線蟲屬與土壤環(huán)境因子進行冗余分析(RDA)(圖5)。第一、二軸解釋的變量為44.86%以及29.30%。在圖3中可以觀察到TC,TN與異色矛屬(Achromadora)以及桿咽屬(Rhabdolaimus)呈顯著正相關(P<0.05)。pH和三裂體屬(Trischistoma)呈正相關(P>0.05),和棱咽屬(Prismatolaimus)呈負相關(P>0.05)。SM和三裂體屬(Trischistoma),皮桿亞屬(Choriorhabditis)呈正相關(P>0.05)。銨態(tài)氮與棱咽屬(Prismatolaimus)呈正相關(P>0.05),與三裂體屬(Trischistoma)呈顯著負相關(P<0.05)。硝態(tài)氮與似雙胃屬(Diplogasteroides),銼齒屬(Mylonchulus)呈正相關(P>0.05)。

圖5 常見線蟲屬與土壤環(huán)境因子冗余分析Fig.5 Redundancy analysis of common nematodes and soil environmental factorsTN：全氮Total N；TC：全碳Total C；SM：含水量Soil moisture

3 討論

3.1 碳源輸入方式對土壤線蟲群落結構的影響

不同碳源輸入方式通過控制輸入碳源的數(shù)量和質量來改變土壤環(huán)境,間接影響土壤線蟲群落組成與結構。本研究中,僅凋落物輸入處理使得屬于食細菌線蟲的桿咽屬(Rhabdolaimus)和無咽屬(Alaimus)的相對豐度的大幅增加(圖2)。此外,TN與桿咽屬(Rhabdolaimus)呈顯著正相關(圖5)。李成一等[26]研究指出,在一定的閾值范圍內(nèi),氮含量的提升對細菌生物量有直接的積極作用。桿咽屬(Rhabdolaimus)等在僅凋落物輸入處理中相對豐度大幅增加,原因可能是氮含量增加所致。去除根系使得植物不能吸收土壤中的有效氮[27],導致土壤中一部分氮被保留。同時,根系去除后由于易變性碳源減少,使得微生物量下降,釋放了一部分被固定的氮,進而導致土壤中全氮量增加[28](表1)。而氮元素的提高增加了細菌生物量,進而刺激了該線蟲大量繁殖。由此可見,TN是影響線蟲群落組成的重要因子。本研究還發(fā)現(xiàn),相比于凋落物和根系同時輸入以及僅凋落物輸入處理,僅根系輸入處理中屬于食細菌線蟲的棱咽屬(Prismatolaimus)比例大幅提升(圖2),成為該樣地中的優(yōu)勢屬,同時其與土壤pH值呈負相關(圖5)。Li等[29]研究指出,土壤pH值越高,食細菌線蟲的比例反而越低。土壤pH值由土壤中陰陽離子決定,植物生長時,土壤中的陽離子被吸收,最后以落葉的形式重返土壤。Fujii等[30]認為,將凋落物移除后,沒能使陽離子進入地下,造成陰陽離子失衡,土壤pH值降低。因此,本研究推測棱咽屬(Prismatolaimus)相對豐度的增加可能是僅根系輸入處理將凋落物移除引起的土壤pH值下降所致。

進一步對土壤線蟲群落的營養(yǎng)類群進行分析。研究結果表明,不同碳源輸入處理下CK；NL；NR；NLR)的食細菌線蟲的相對豐度在各營養(yǎng)類群中均占絕對優(yōu)勢(圖3)。焦向麗等[31]對東北地區(qū)不同林型土壤線蟲群落研究表明,天然次生林中食細菌線蟲數(shù)量最大,且組成最豐富,這與本文研究結果一致。根系釋放的分泌物如碳水化合物、氨基酸等容易降解,主要在細菌能量通道中代謝,更多的刺激細菌和以細菌為食的線蟲種群[29]。因此,本研究推測在僅凋落物輸入處理中,將根系去除會使得食細菌線蟲的相對豐度降低。然而,與假設相反,本研究發(fā)現(xiàn)去除根系后食細菌線蟲的相對豐度卻大大增加(圖3)。根系分泌物等雖然為土壤動物群落提供了碳源,但根系對土壤養(yǎng)分的吸收也會與土壤細菌爭奪養(yǎng)分[32]。由此可見,雖然去除根系阻止了光合產(chǎn)物從地上植物進入土壤,但是由于減少了土壤對植物所需碳源的輸出,益于土壤中碳源的保留,反而豐富了食細菌線蟲的食物來源。與食細菌線蟲的變化不同,僅凋落物輸入處理顯著降低了食真菌線蟲的相對豐度(圖3)。Subke等[33]認為,去除根系抑制了樹木和土壤之間的能量聯(lián)系,并對菌根真菌產(chǎn)生負面影響,進而導致了真菌生物量的下降。因而,本研究推測將根系去除后,食真菌線蟲的比例顯著降低可能和菌根真菌的減少有關。此外,雖然僅根系輸入處理在一定程度上影響著線蟲群落營養(yǎng)結構,但是和僅凋落物輸入處理相比,變化程度較小,且均不顯著,這表明地下碳輸入對土壤線蟲的影響可能比地上碳輸入更為重要[34]。Keith等[35]指出,根的輸入可能是形成土壤食物網(wǎng)中營養(yǎng)成分的核心,地下碳源輸入對土壤線蟲的結構和復雜性的影響遠遠大于凋落物。另一方面,根際的基質容易降解,而凋落物的分解更加緩慢[36],而本實驗周期較短,可能是導致變化不顯著的另外一個原因。

3.2 碳源輸入方式對土壤線蟲群落生態(tài)指數(shù)的影響

物種多樣性是維持生態(tài)系統(tǒng)正常功能的前提,土壤動物的多樣性體現(xiàn)著土壤微食物網(wǎng)的復雜性和健康程度。本研究發(fā)現(xiàn),與其他碳源輸入方式相比,無碳源輸入處理的多樣性指數(shù)(H′)最低,且優(yōu)勢度指數(shù)(Dom)最高(表4),說明去除凋落物和根系使得土壤線蟲群落的多樣性下降,物種組成比例更加不均衡,這與本文的假設相一致。食物資源是影響土壤線蟲群落多樣性的重要因素之一[37]。在森林生態(tài)系統(tǒng)中,植物活根將碳源轉移到根際土壤[38],植物凋落物也是土壤碳的主要來源[39]。與凋落物和根系同時輸入相比,無碳源輸入處理顯著降低了土壤中的全碳(TC)的含量(表1),這也改變了土壤微生物的食物數(shù)量和質量[40],以微生物為食的的線蟲必然也會因食物減少而受到影響。另外,去除凋落物后,由于不能抵擋紫外線的照射,也會影響土壤線蟲的生長和繁殖[35]。因此,食物資源得減少以及庇護所的缺失可能是土壤線蟲群落多樣性下降的主要原因。帽兒山地區(qū)屬溫帶大陸性季風氣候,具有明顯的季節(jié)變化。該地春季土壤的反復凍融是常見的溫度變化現(xiàn)象,凍融作用通過改變土壤結構和土壤水熱狀況間接影響土壤生物的結構和活性[41]。將本次凍融期線蟲群落生態(tài)指數(shù)數(shù)據(jù)和之前7月份生長期的土壤樣品的數(shù)據(jù)相比較(數(shù)據(jù)未發(fā)表),發(fā)現(xiàn)3月份凍融期的多樣性指數(shù)(H′)明顯低于生長期。生長期水分和熱量條件較好,更利于微生物分解有機質,并且土壤生物數(shù)量和種類較多,線蟲食物資源也更為豐富[42]。而反復凍融破壞土壤團聚體,導致土壤中的微生物死亡,減少了微生物的多樣性[43],造成了土壤線蟲的食物來源的數(shù)量和種類減少,進而降低了土壤線蟲的多樣性。此外,三月份凍融期的線蟲群落生態(tài)指標是運用高通量測序數(shù)據(jù)計算得到的,而生長期的生態(tài)指數(shù)是通過原始的形態(tài)學鑒定數(shù)據(jù)計算得到的。因而,數(shù)據(jù)獲取方式的差異也可能是造成二者季節(jié)間差異的原因,這也有待于進一步探索和研究。

MI指數(shù)越低,表明土壤受到的干擾越嚴重,MI指數(shù)越高,表明土壤養(yǎng)分越富集,土壤環(huán)境越穩(wěn)定[44]。有研究指出[35]與僅凋落物輸入相比,根的存在可能會進一步改善土壤食物網(wǎng)結構,這和本研究結果相反。本研究發(fā)現(xiàn),僅凋落物輸入處理的線蟲成熟度指數(shù)(MI)最高(表4)。一般認為,捕食雜食線蟲是決定食物網(wǎng)復雜性的關鍵類群。本研究發(fā)現(xiàn)在僅凋落物輸入處理中,捕食雜食線蟲的相對豐度最高,這可能是由于將根系去除后,植物對營養(yǎng)物質攝取的減少[28],保留了土壤中的碳氮含量,增加了線蟲所需的食物質量,進而提高了土壤中線蟲群落的多樣性(表4)。而豐富的營養(yǎng)物質和多樣的物種為捕食雜食線蟲提供了較好的生存環(huán)境,益于其生存和繁殖,進而提高了線蟲成熟度指數(shù)(MI)。較高的線蟲成熟度指數(shù)(MI)也反映出NR中土壤食物網(wǎng)的營養(yǎng)層次增加,食物網(wǎng)更加穩(wěn)定。各處理間線蟲通路比值(NCR)均大于0.5(表4),這表明土壤食物網(wǎng)的分解通道仍是以細菌占優(yōu)勢,營養(yǎng)轉化效率較高,分解代謝過程均較快。有研究指出,細菌與其他微生物相比,對抗土壤凍融循環(huán)的抵抗能力更強[45],推測這可能是凍融期細菌途徑分解土壤有機物質更加占優(yōu)勢的重要原因之一。

本研究中,線蟲群落生態(tài)指標的結果均是將未分類線蟲屬排除后計算得到的。基于已測得的68個線蟲屬進行生態(tài)指標計算,用以反映已確定線蟲群落對不同碳源輸入處理的響應。但是,數(shù)據(jù)中大量的未分類線蟲屬必然會在一定程度上影響生態(tài)指標的結果,這也是目前高通量測序技術應用于線蟲群落研究存在的缺點,是今后進一步改正和發(fā)展的方向。本文為高通量測序技術在線蟲群落方面的研究提供了數(shù)據(jù)支持。此外,本研究可以檢測到不同碳源輸入處理引起的土壤線蟲群落組成以及群落生態(tài)指標的變化,但由于實驗周期較短,部分變化不是很顯著。在森林生態(tài)系統(tǒng)中,特別是較少受人類干擾的森林生態(tài)系統(tǒng),土壤食物資源富足,因此短時間內(nèi)碳源輸入方式變化對土壤微食物網(wǎng)影響相對較小[46]。這也需要今后繼續(xù)進一步開展連續(xù)的動態(tài)的野外控制實驗驗證其間的內(nèi)在聯(lián)系。

4 結論

不同碳源輸入處理之間的土壤線蟲群落結構差異顯著,說明碳源輸入變化調節(jié)著土壤線蟲群落。同時,僅凋落物輸入處理比僅根系輸入處理對土壤線蟲群落的影響更明顯。和本文假設一致的是,僅凋落物輸入處理降低了食真菌線蟲的相對豐度。無碳源輸入處理使得土壤線蟲的群落多樣性下降,生態(tài)環(huán)境質量變差。這也說明重視森林生態(tài)系統(tǒng)中植被保護的重要性。同時,僅凋落物輸入處理的捕食雜食線蟲相對豐度最大,線蟲成熟度指數(shù)(MI)最高。不同碳源輸入處理下土壤食物網(wǎng)有機質分解均以細菌降解途徑占主導。由于實驗周期較短,部分碳源輸入方式處理之間的實驗結果差異不明顯,因此還需要長期的觀測,進一步深入探討土壤環(huán)境變化與土壤線蟲的適應過程。本研究利用的高通量測序技術可以對線蟲進行快速評估,在方法上對線蟲群落的研究提供了有力支持。但是,目前該技術存在的弊端,如序列注釋的數(shù)據(jù)庫不夠完善,以及引物位點的序列不匹配等,亟待解決。盡管高通量測序技術存在局限性,但是由于它具有比形態(tài)分析提供更高的分類分辨率的潛力,必然有助于加快土壤線蟲群落的研究進程。