喀斯特生態恢復過程中土壤原生動物的指示作用研究

唐政，李繼光，李慧，李貴春，婁翼來，李忠芳

1. 賀州學院化學與生物工程學院，廣西 賀州 542899；2. 中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京 100081；3. 牡丹江師范學院生命科學與技術學院，黑龍江 牡丹江 157012；4. 河南農業大學資源與環境學院，河南 鄭州 450002

喀斯特生態恢復過程中土壤原生動物的指示作用研究

唐政1,2，李繼光3，李慧4*，李貴春2，婁翼來2，李忠芳1

1. 賀州學院化學與生物工程學院，廣西 賀州 542899；2. 中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京 100081；3. 牡丹江師范學院生命科學與技術學院，黑龍江 牡丹江 157012；4. 河南農業大學資源與環境學院，河南 鄭州 450002

為了揭示土壤原生動物對喀斯特生態恢復的指示作用，進而為深入了解喀斯特生態恢復的過程機制和構建恢復技術體系提供科學依據，本研究以廣西古周村典型喀斯特景觀為代表，選取不同種植年限（2、4、8、12年）人工林生態恢復樣地和石漠化對照樣地，研究了表層土壤原生動物對人工林生態恢復的響應特征。在本研究的喀斯特樣地，共鑒定到土壤原生動物22種，其中鞭毛蟲8種，優勢類群包括動基體目、金滴目和眼蟲目；肉足蟲4種，優勢類群有變形目和表殼目；纖毛蟲10種，優勢類群包括下毛目、前口目、腎形目和側口目。土壤原生動物總數從石漠化樣地的1 g干土425×103個，逐漸增加到12年人工林恢復樣地的633×103個，年恢復速率為1 g干土17.7×103個。土壤原生動物的類群數從石漠化樣地的17種顯著增加到12年人工林恢復樣地的22種。人工林恢復樣地的土壤原生動物豐富度指數（3.10～3.30）顯著高于石漠化樣地（2.64），平均高出19%～27%；香農多樣性指數（2.59～2.77）和均勻度指數（0.86～0.91）隨生態恢復的變化不明顯。土壤孔隙度、濕度、總有機碳、可溶性有機碳、全氮、速效氮和微生物碳含量均隨恢復年限的延長而逐漸增加或升高，其年增長速率分別為3.84%、6.85%、3.89%、11.5%、4.20%、7.13%、24.8%，并與原生動物總數、類群數和香農指數（除了總有機碳與類群數、速效氮與香農指數）均呈顯著正相關關系（P<0.01）。本研究表明，土壤原生動物群落大小和多樣性對喀斯特生態恢復的響應敏感，與土壤基本肥力形成協同演變，可以作為喀斯特生態恢復的指示生物。

土壤原生動物；生態恢復；喀斯特；生物指示作用

TANG Zheng, LI Jiguang, LI Hui, LI Guichun, LOU Yilai, LI Zhongfang. Bioindication of Soil Protozoa during Ecological Restoration on Karst [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(11): 1808-1813.

喀斯特地區生態環境極其脆弱，由于人們不合理的過渡開墾，造成水土流失嚴重，石漠化現象日趨嚴峻（段文軍等，2013），進而嚴重制約了當地農業、經濟和社會的可持續發展。因此，生態環境的恢復成為當前喀斯特地區的首要任務。地上植被與地下土壤系統是構成整個生態系統的重要組成部分，二者在生態恢復過程中相互作用并協同演化（唐政等，2014）。研究土壤肥力等生態特征，對于深入了解整個生態系統的恢復過程和機制有著重要意義，也是生態恢復評價和生態環境治理的重要依據。因此，關于喀斯特生態恢復對土壤性質的影響研究，近年來得到人們廣泛的關注（龍健等，2006；鄒軍等，2010；魏媛等，2010；唐政等，2014）。例如，龍健等（2006）在典型喀斯特石漠化地區的系統研究表明，長期的封山育林等4種生態恢復措施可有效增加土壤孔隙度、水穩性團聚體含量以及保水性能，增加土壤有機碳和養分含量以及陽離子交換量，增加土壤微生物數量、呼吸強度以及酶活性。然而，以往的研究較多地關注土壤的理化及微生物性質，對于土壤原生動物尚缺乏必要的了解。土壤原生動物往往對環境變化和干擾的響應十分敏感，而且在土壤微生態系統中發揮著重要的生態作用，包括土壤有機質分解、養分循環、生態系統維持等（宋雪英等，2004；Marianne，2005；Todorov，2002），通常對土壤肥力和環境質量起到很好的指示作用（高云超等，2000；楊再超等，2009）。

所以，本研究以廣西古周村典型喀斯特景觀為例，采用空間代替時間的方法，選取不同種植年限（2、4、8、12年）人工林樣地和石漠化對照樣地為對象，研究了表層土壤原生動物群落隨人工林生態恢復的變化特征，旨在揭示土壤原生動物在喀斯特生態恢復過程中的指示作用，為深入了解喀斯特生態恢復的地下過程機制和構建生態恢復技術體系提供理論依據。

1 材料與方法

1.1研究地點概況

研究地點位于廣西壯族自治區西北部環江毛南族自治縣古周村，屬于典型的喀斯特景觀。該地區海拔376～816 m，屬中亞熱帶南緣季風氣候，年均氣溫19.9 ℃，年均降雨1389 mm。土壤類型為碳酸巖發育的棕色石灰土。當地由于過度開墾導致的石漠化問題日趨嚴峻，為了改善生態環境，上世紀 90年代末開始逐步實施退耕還林，主要恢復為自然或人工林地，少量恢復為草地。古周村土地面積186.7 hm2，其中耕地17.3 hm2。

1.2樣地設置

在研究區內，選取種植年限分別為2、4、8和12年的人工林生態恢復樣地，種植樹種為板栗（1600株·hm-2），同時選取附近的石漠化樣地作為對照，控制各樣地的海拔（380 m左右）、坡度（10°左右）和坡向等條件基本一致，控制樣地面積為100 m×100 m。將每個樣地視作一個處理，分別記作CK（石漠化對照）、F-2a（2年齡人工林）、F-4a（4年齡人工林）、F-8a（8年齡人工林）、F-12a（12年齡人工林）。

1.3樣品采集與分析

2012年4月，在各個樣地內，隨機選取6個樣方（10 m × 10 m）作為重復，在每個樣方內剔除地表凋落物后，用土鉆按 S型多點混合取樣法采集0～10 cm表層土壤樣品。采用三級10倍環式稀釋法培養計數原生動物（孫炎鑫等，2003；尹文英，1992）。稱取土壤10 g，加入90 mL無菌水和5個玻璃珠，充分振蕩（150～170 r·min-1，30 min），按照10倍稀釋法，依次制備10-2、10-3和10-4土壤懸液。分別吸取1 mL于鹽水培養基的玻璃環中，黑暗條件下培養4 d（26～28 ℃），在顯微鏡下觀察鑒定并計數（300×），鑒定到目，原生動物數量以1 g烘干土的原生動物個數來表示。環刀法測定土壤孔隙度；烘干法測定土壤濕度；酸度計測定土壤pH；元素分析儀測定總有機碳（TOC）和全氮（TN）；5∶1水土比浸提，TOC儀測定可溶性有機碳（DOC）（Lou et al.，2011）；流動分析儀測定速效氮（AN：NO3--N和NH4+-N之和）；氯仿熏蒸-浸提法測定土壤微生物生物量碳（MBC）（Xu et al.，2011；Andernson，2003）。

1.4數據處理

各類群數量等級劃分，以個體數量占全部捕獲量10%以上為優勢類群，介于1%～10%之間的為常見類群，1%以下的為稀有類群。群落多樣性指數采用豐富度指數（Species Richness Index，SR）、均勻度指數（Evenness Index，J′）和香農-威納指數（Shannon-Wiener Diversity Index，H′）。SR=(S-1)/ln N；J′=H'/lnS；H′= –Σpi(ln pi)。其中，pi為第i類群的個體數占所有類群個體總數的比例，S為類群的數目，N為所有類群的個體總數。在SPSS 12.0軟件下，采用單因素方差分析評價原生動物群落特征指標的處理間差異顯著性；采用簡單相關分析評價土壤原生動物群落特征和基本肥力因子的相關關系。

表1 原生動物群落組成Table 1 Protozoa community composition 103個

2 結果與分析

2.1土壤原生動物群落組成

在本研究的5個喀斯特生態恢復樣地中，共鑒定到土壤原生動物22種，其中鞭毛蟲8種，優勢類群包括動基體目、金滴目和眼蟲目，常見類群包括尾滴目、隱滴目和泥生目，腰鞭目和團蟲目為稀有類群；肉足蟲4種，優勢類群有變形目和表殼目，常見類群有裂芡目和網足目；纖毛蟲 10種，優勢類群包括下毛目、前口目、腎形目和側口目，常見類群有藍口目、管口目、膜口目、盾纖目和緣毛目，合膜目為稀有類群（表1）。土壤原生動物總數在石漠化樣地最低，為1 g干土425×103個，之后隨人工林生態恢復逐漸增加到12年恢復樣地的633×103個（P=0.007），增加幅度為 48.9%，年恢復速率為1 g干土17.8×103個。除了隱滴目、膜口目和盾纖目之外，其余各個類群的數量總體均隨生態恢復年限的延長而呈現不同程度的增加。

2.2土壤原生動物群落多樣性

土壤原生動物群落多樣性結果如圖1所示。其中，土壤原生動物的類群數從石漠化樣地的 17種顯著增加到 12年人工林恢復樣地的 22種（P=0.005），隨生態恢復年限的延長呈逐漸增加趨勢，其中稀有類群的腰鞭目、團蟲目和合膜目以及常見類群網足目和緣毛目在石漠化樣地未被觀測到，而隨恢復年限的延長逐漸出現；人工林恢復樣地的土壤原生動物豐富度指數（3.10～3.30）顯著高于石漠化樣地（2.64）（P=0.006），平均高出19%～27%；土壤原生動物的香農多樣性指數和均勻度指數分別在2.59～2.77和0.86～0.91范圍之間，平均值分別為2.66和0.88，兩者在不同處理之間均無顯著差異。

圖1 喀斯特生態恢復下土壤原生動物群落物種多樣性Fig. 1 Soil protozoa diversity following the Karst ecological restoration

2.3土壤基本肥力

圖2顯示了喀斯特土壤基本肥力隨人工林生態恢復年限的變化情況。其中，土壤孔隙度、濕度、總有機碳、可溶性有機碳、全氮、速效氮和微生物碳均隨恢復年限的延長而逐漸增加或升高，均與年限呈顯著的線性正相關關系（r：0.943～0.995，n=5），其年變化速率分別為3.84%、6.85%、3.89%、11.5%、4.20%、7.13%、24.8%；土壤 pH隨生態恢復年限沒有發生顯著變化。

2.4土壤原生動物群落特征和基本肥力的相關分析

從表2的相關分析結果可知，除土壤pH外，土壤孔隙度等各基本肥力指標均與土壤原生動物總數呈極顯著正相關。除總有機碳外，土壤孔隙度等各基本肥力指標均與原生動物類群數呈顯著或極顯著正相關。除總有機碳和全氮之外，土壤孔隙度等各基本肥力指標均與原生動物豐富度指數呈顯著或極顯著正相關。除速效氮和pH外，其余各肥力指標均與香農指數呈顯著或極顯著正相關。均勻度指數僅與土壤pH呈顯著負相關。

3 討論

在本研究中，喀斯特生態恢復后土壤總有機碳和可溶性有機碳含量顯著提高，這與絕大多數相關研究的結果一致（龍健等，2006；唐政等，2014）。其原因在于，土壤有機碳動態取決于碳的輸入和輸出的相對平衡，生態恢復以后，一方面隨著地上植被生物量以及凋落物的增加碳輸入增多；另一方面生態恢復可能改善土壤結構，進而可能增強土壤有機碳的物理保護而減少碳輸出。碳輸入的增多和輸出的減少勢必導致土壤有機碳的積累。土壤碳、氮通常高度耦合，本研究發現伴隨著土壤有機碳水平的增加，生態恢復后土壤全氮和速效氮含量亦顯著增加。龍健等（2006）也報道了類似的土壤碳氮結果。植物根系和微生物特別是真菌菌絲是土壤團聚體形成和穩定的重要生物因子（唐政等，2014）。人工林生態恢復下，植物根系生物量勢必增多，此外包括真菌在內的微生物生物量和有機質含量也會增加，所以石漠化喀斯特在人工林生態恢復條件下，土壤結構必然得到改善，土壤孔隙度增大，導水和保水性能增強，最終導致土壤濕度隨生態恢復年限的延長而顯著增加。當然，土壤濕度的增加也可能是植被涵養水源功能增強的結果。土壤微生物群落大小及活性主要取決于底物（數量、質量）和環境條件（溫度、水分、氧氣、pH等）（魏媛等，2010；唐政等，2014）。在本研究中，隨著喀斯特生態恢復的進行，一方面由于作為微生物的碳源、能源的有機碳底物迅速增多，另一方面因為土壤濕度、孔性、結構、保水和通氣性等物理性質的改善，土壤微生物生物量、碳含量顯著升高，這與其他相關研究結果相類似（鄒軍等，2010；魏媛等，2010）。可見，隨著退化喀斯特地上植被的恢復，土壤有機碳、氮、孔性和微生物等表征土壤基本肥力指標得到明顯提高，土壤動物生境得到逐步改善。

圖2 土壤基本肥力隨生態恢復年限的變化（n=5）Fig. 2 Soil basic fertility as a function of reforestation age (n =5)

表2 土壤原生動物群落特征和土壤基本肥力間的相關系數Table 2 Correlation coefficients between soil protozoa community characteristics and soil basic fertilities

影響土壤動物群落的環境因素復雜多樣，包括土壤（溫度、濕度、pH、有機質、土壤容重、凋落物數量、土壤礦質元素以及污染物質含量等）、植被、氣候和地形等，它們構成土壤動物群落的棲息環境，對土壤動物群落的組成與數量、水平結構和垂直結構等產生重大影響（朱永恒等，2005；武海濤等，2006）。本研究發現，石漠化喀斯特生態恢復后，土壤原生動物的總數顯著增加，且相關分析結果顯示土壤原生動物總數與孔隙度、濕度、總有機碳、可溶性有機碳、全氮、速效氮和微生物碳含量均呈極顯著正相關關系。說明喀斯特土壤基本肥力的恢復改善了動物的生境，導致土壤原生動物數量的增加。朱強根等（2010）在華北潮土研究發現，土壤動物與土壤有機質、全氮含量等理化性質密切相關；馮偉松等（2000）在南極菲爾德斯半島的調查分析表明，土壤原生動物密度與土壤含水量呈顯著正相關關系；廖慶玉等（2008）通過相關關系研究發現，不同生境條件下森林土壤原生動物密度受土壤含水量、pH值、有機質、總氮等諸多肥力因子的影響；楊再超等（2009）研究發現，土壤原生動物群落大小和多樣性受土壤pH影響較大。在本研究中，土壤pH變化不明顯，其與原生動物的相關性較差，而土壤孔隙度、濕度、可溶性碳、全氮和微生物碳是土壤原生動物密度的主要驅動因子。

在群落研究中，物種多樣性指數是一個代表群落組織水平及其功能特性的綜合指標，不同群落具有不同的物種多樣性水平，對理論和生產實踐都具有重要意義。一般來說，生態環境條件越優越受人類活動干擾越小，土壤動物群落多樣性越高（吳東輝等，2004）。吳東輝等（2004）在松嫩草原中南部的研究發現，土壤動物群落生物多樣性能夠指示退化草地生態系統的恢復與重建過程；劉莉莉等（2005）也有類似的研究報道；還有研究指出土壤動物群落多樣性對鞍山市大孤山鐵礦廢棄地生態環境的恢復與重建具有良好的指示作用（吳東輝等，2003）；土壤節肢動物多樣性對退化紅壤人工林生態恢復響應敏感（劉滿強等，2002）。本研究發現，喀斯特生態恢復樣地的土壤原生動物類群數和豐富度指數顯著高于石漠化樣地，說明土壤原生動物群落多樣性隨喀斯特生態恢復的不斷進行而得以明顯提高。簡單相關分析表明，喀斯特生態恢復條件下，土壤原生動物多樣性的提高與土壤孔隙度、濕度、有機碳和微生物碳等基本肥力因子的恢復有關。

4 結論

在本研究的喀斯特石漠化人工林生態恢復條件下，隨著土壤孔隙度、濕度、有機碳等基本肥力因子的顯著提高，土壤原生動物群落數量和多樣性顯著提高，土壤基本肥力與原生動物群落特征之間存在高度相關性。土壤原生動物對喀斯特人工林生態恢復的響應敏感，能夠指示土壤肥力的演變。

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Bioindication of Soil Protozoa during Ecological Restoration on Karst

TANG Zheng1,2, LI Jiguang3, LI Hui4*, LI Guichun2, LOU Yilai2, LI Zhongfang1
1. College of Chemistry and Bioengineering, Hezhou University, Hezhou 542899, China; 2. Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China; 3. College of Life Sciences and Technology, Mudanjiang Normal University, Mudanjiang 157012, China; 4. College of Resources and Environmental Sciences, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China

This study aimed to examine the bioindication of soil protozoa to Karst ecological restoration, and in turn to better understand the Karst ecological restoration processes and mechanisms and to provide scientific basis for the Karst ecological mangement. The investigation was carried out at Guzhou village of Guangxi Province, the artificial forest plots with a standing age gradients (2, 4, 8, 12 years) and the adjacent degraded plot as the control were selected to investigate responses of topsoil protozoa community to the Karst reforestation. In our study, the collected protozoa were identified as 22 groups, including 8 groups of Mastigophora dominated by Kinetoplastida, Chrysomonadida and Euglenida, 4 groups of Sarcodina dominated by Amoebida and Arcellinida, 10 groups of Ciliophora dominated by Hypotrichida, Prostomatida, Colpodida and Pleurostomatida. The total number of soil protozoa increased from 425×103in per gram dry soil in the control plots to 633×103in the 12-yr forested plots with a mean annual rate of 17.7×103·in per gram dry soil. Soil protozoa species number (SN) increased from17 in the control plots to 22 in the 12-yr forested plots with a mean annual rate of 17.7×103·in per gram dry soil. The protozoa richness index (SR, 3.10～3.30) in the forested plots was significantly higher by 19%～27% than that (2.64) in the control plot. The Shannon-Wiener index (H′, 2.59～2.77) and the evenness index (J′, 0.86～0.91) showed no significant changes following the reforestation. As soil basic fertility indicators, porosity, moisture, total organic carbon (TOC) and dissolved carbon (DOC), total nitrogen (TN), available nitrogen (AN) and microbial biomass carbon (MBC) contents generally increased with increasing forestation ages, with mean annual rates of 3.84%, 6.85%, 3.89%, 11.5%, 4.20%, 7.13% and 24.8%, respectively, and all were significantly positively correlated with protozoa total number, SN and H′ (except for TOC with SN and AN with H′; P < 0.01) under the reforestation. Our results indicated that soil protozoa community size and diversity sensitively respond to the Karst eco-restoration and show co-succession together with soil basic fertilities, and can thus be bio-indicator for Karst eco-restoration.

soil protozoa; ecological restoration; Karst; bio-indication

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.11.008

Q148；X17

A

1674-5906（2015）11-1808-06

國家自然科學基金項目（41361068）；國家重點實驗室開放基金項目（LFSE2015-14）。

唐政（1976年生），男，副研究員，博士，研究方向為土壤生物生態。E-mail: bioecology74tang@yeah.net *通信作者：李慧，副教授。E-mail: lihui4007@163.com

2015-08-27

引用格式：唐政, 李繼光, 李慧, 李貴春, 婁翼來, 李忠芳. 喀斯特生態恢復過程中土壤原生動物的指示作用研究[J]. 生態環境學報, 2015, 24(11): 1808-1813.