亞熱帶不同林齡杉木人工林紅壤線蟲群落結構特征*

鄭熒楓 王建青 鄒秉章 王思榮 施秀珍 余再鵬 黃志群

(1.福建師范大學地理科學學院 福州 350007； 2.福建師范大學濕潤亞熱帶生態(tài)-地理過程教育部重點實驗室 福州 350007； 3.福建省上杭白砂國有林場 上杭 364205)

線蟲是土壤中數量最豐富的微型后生動物之一，廣泛分布于各種土壤中(Hoogenetal., 2019)。土壤線蟲種類豐富，占據了土壤食物網的不同營養(yǎng)級，在揭示土壤環(huán)境變化等方面具有重要作用 (Yeatesetal., 1993; Wardleetal., 1995; Bongersetal., 1998; Wangetal., 2019)。研究表明，土壤線蟲通過促進植物與土壤間的負反饋、改變根際微生物群落和促進養(yǎng)分循環(huán)而影響植物生長(Wilschutetal., 2021)。同時，植物特性對維持土壤線蟲多樣性有重要調節(jié)作用(Zhangetal., 2015)。凋落物、植物根系和根系分泌物為地下動物群落生存發(fā)展提供了基礎資源(Fuetal., 2009)。植物還會通過改變土壤特性進而影響土壤線蟲群落。土壤線蟲群落受土壤養(yǎng)分含量(Bjrnlundetal., 2012)、pH值(Kitagamietal., 2020)、含水量(Bakonyietal., 2007)等土壤因子調控影響。因此，研究土壤線蟲與環(huán)境因子的關系有助于進一步了解土壤線蟲群落特征及其與植被之間的關系(Zhietal., 2009; 陳利, 2011)。森林生長會改變土壤特征和線蟲食物資源，土壤線蟲群落結構也必然隨林齡變化。迄今為止，關于不同林齡土壤線蟲群落組成的研究已有較多報道(Zhangetal., 2015; Guanetal., 2015; 佟富春等, 2009)，如Panesar等(2001)在對溫哥華島不同林齡冷杉(Pseudotsugamenziesii)的研究發(fā)現線蟲數量雖在幼林階段較低但隨時間推移逐漸增加到成過熟林水平。Zhang等(2015)研究發(fā)現，溫帶森林中線蟲數量及多樣性在中齡林階段最高，而在老齡林階段因植物多樣性下降及線蟲群落不同類群間的競爭增加而下降。林齡對線蟲群落的影響可能會由于經營方式、種植年限和植被類型不同發(fā)生變化(Kardoletal., 2005; Huetal., 2016; Scheuetal., 2003)。

杉木(Cunninghamialanceolata)是我國主要的速生造林樹種，在我國森林資源中占有重要地位(梁萌杰等, 2016)。杉木人工林面積現已達全國人工林優(yōu)勢樹種首位，約占總人工林面積的30%(國家統(tǒng)計局, 2020)。杉木人工林面積增加和種植年限延長對土壤性質和土壤生物產生了不同程度的影響。在闊葉林皆伐地上營造杉木人工林會造成許多生態(tài)環(huán)境問題，如土壤養(yǎng)分流失、肥力下降、植被多樣性降低等，從而影響土壤生物群落(張蕓等， 2019； 梁萌杰等， 2016； 周德明等， 2012)。以往研究表明，隨著杉木人工林生長，先是林分郁閉度和林下植被多樣性增加，植物凋落物累積(張蕓等， 2019； Suetal., 2020； 梁萌杰等, 2016)； 但當杉木林發(fā)育到一定階段時，由于土壤養(yǎng)分限制作用加強、土壤pH值降低等，使土壤質量下降(周德明等, 2012; 王振宇等， 2019)。因此，本研究假設如下： 在杉木林生長過程中，線蟲密度、多樣性均有所增加，瓦斯樂斯卡指數下降； 線蟲群落結構也會隨林齡增加發(fā)生明顯變化。為驗證以上假設，本研究在亞熱帶地區(qū)選取了5個生長階段(5、8、21、27、40年)的杉木人工林，研究土壤線蟲群落組成和結構特征以及其與土壤理化性質的關系受林齡的影響，為我國亞熱帶地區(qū)杉木人工林可持續(xù)經營提供科學依據和土壤動物多樣性的基礎數據。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于福建省龍巖市上杭縣白砂國有林場(24°46′—25°27′N, 116°15′—116°56′E)，海拔400～800 m，屬中亞熱帶季風氣候。年均降水量約1 600 mm，年均氣溫約20.1 ℃，年日照時數約1 800 h，無霜期277天左右。主要地貌類型為低山丘陵，坡度10°～40°，土壤是由花崗巖發(fā)育而來的紅壤。林下植被主要有閩楠(Phoebebournei)、細枝柃(Euryaloquaiana)、毛冬青(Ilexpubescens)、梅葉冬青(I.asprella)、芒萁(Dicranopterisdichotoma)、江南卷柏(Selaginellamoellendorffii)、狗脊蕨(Woodwardiajaponica)、黃樟(Cinnamomumporrectum)、中華里白(D.chinensis)等(Suetal., 2020)。

2 研究方法

2.1 樣地設置

利用空間替代時間的方法，選取了幼齡林(5年)、中幼齡林(8年)、近熟林(21年)、成熟林(27年)和過熟林(40年)5個發(fā)育階段的杉木人工林，其中8年和21年設置3個重復，5、27和40年分別設置4個重復，共18塊樣地，每塊樣地間距大于500 m，樣地面積為20 m×30 m。

2.2 研究方法

2.2.1 土壤線蟲的采集與鑒定 2019年7月進行土壤線蟲采集。采用土鉆法，在每個樣地內，用內徑為3.5 cm的土鉆沿“S”型在12個點，鉆取0～10 cm土層的土壤，將各樣地的土壤均勻混合成1個土壤樣品，裝入已編號的自封袋中運回實驗室，一部分用于線蟲分離提取，一部分過篩、風干后測定土壤理化性質。采用淺盤法從每個樣地的100 g新鮮土壤中收集線蟲個體。在顯微鏡下計數線蟲總數，以估計每個樣地的線蟲種群數量(線蟲種群大小)。隨后，每個樣本隨機抽取150條線蟲，主要依據尹文英(1998)的《中國土壤動物檢索圖鑒》和謝輝(2005)的《植物線蟲分類學》，在光學顯微鏡下鑒定線蟲科屬(不足150條的全部鑒定)。將所有采集到的線蟲，基于網頁http:∥Nemaplex.ucdavis.edu提供的依據，按照取食習性和食道特征，分為4個主要的營養(yǎng)類群(Yeates, 2003)： 食細菌線蟲(Bacterivores)、食真菌線蟲(Fungivores)、植物寄生線蟲(Plant parasites)和捕食-雜食性線蟲(Omnivores-predators)； 根據線蟲的生活史策略，分為從r-策略者向k-策略者過渡的5個c-p(colonizer-persister)類群，并賦予其c-p值(Bongersetal., 1998)。

2.2.2 土壤理化性質測定 土壤質量含水率用烘干法測定(105 ℃)； 土壤pH值用電位法測定 (土水比為1∶2.5)； 土壤總碳、總氮含量用元素分析儀(Elemental EL MAX CNS analyzer,德國)測定； 總磷含量用HClO4-H2SO4消煮法測定； 礦質氮素含量用總有機碳分析儀(TOC,日本島津)測定。有效磷含量在NaHCO3提取后用連續(xù)流動分析儀測定(Skalar San++,Skalar,荷蘭)。土壤基本特征見表1。

表1 不同林齡杉木人工林0～10 cm土壤基本特征①

2.2.3 線蟲生態(tài)指數計算 土壤線蟲數量用每100 g干土中線蟲的個數表示。優(yōu)勢屬為占總線蟲數10%以上的屬，常見屬為占總線蟲數1%～10%以上的屬，稀有屬為占總線蟲數1%以下的屬。土壤線蟲生態(tài)指數計算公式如下： 1) 香農多樣性指數(H′)：H′=-ΣPi×lnPi，式中Pi是某個屬(i=1，2，3,…)的相對豐度； 2) 植物寄生線蟲成熟度指數(plant-parasites index,PPI)： PPI=Σ(Ci×Pi)，式中Ci為植物寄生線蟲第i類群c-p值； 3) 瓦斯樂斯卡指數(wasilewska,WI)： WI=(FF+BF)/PP，式中FF(relative abundance of fungivores)為食真菌線蟲相對豐度，BF(relative abundance of bacterivores)為食細菌線蟲相對豐度，PP(relative abundance of plant-parasites)為植物寄生線蟲相對豐度。

2.2.4 數據處理 采用SPSS 21.0軟件對所有數據進行單因素方差分析(One-way ANOVA)，并進行顯著性檢驗(LSD)，以評價不同林齡之間線蟲群落的差異，P< 0.05表示具有統(tǒng)計學意義上的顯著差異。進行Pearson相關分析，檢驗土壤理化性質與線蟲數量、各營養(yǎng)類群線蟲數量和相對豐度、線蟲生態(tài)指數的相關性。利用非度量多維度進行線蟲群落排序分析，利用R 3.6.3和Excel制圖。

3 結果與分析

3.1 土壤線蟲的密度與群落組成

由表 2可知，從杉木人工林土壤中，共采集到線蟲3 397條，經鑒定隸屬于67個屬，其中根結屬(Meloidogyne)是除5年生杉木林以外所有林分的優(yōu)勢屬，占總個體數的15.9%。常見屬有絲尾屬(Oxydirus)、螫屬(Pungentus)、絲尾墊刃屬(Filenchus)和莖屬(Ditylenchus)等21屬，合計占總個體數的68.3%。稀有屬包括柱咽屬(Cylindrolaimus)、三孔屬(Tripyla)、原桿屬(Protorhabditis)和巴氏屬(Bastiania)等45屬，合計占總個體數的15.8%。杉木林不同生長階段的優(yōu)勢屬有所差異，5年的優(yōu)勢屬為絲尾墊刃屬，8年的優(yōu)勢屬為絲尾屬、根結屬和螫屬，21年的優(yōu)勢屬僅有根結屬，27年和40年的優(yōu)勢屬均為絲尾屬和根結屬。不同生長階段杉木人工林土壤線蟲總密度變化范圍為464～659條·(100 g)-1干土，土壤線蟲總密度在不同林齡間無顯著差異(P> 0.05)(圖1)。

表2 不同林齡杉木人工林土壤線蟲屬的平均豐度

續(xù)表 Continued

圖1 不同林齡杉木人工林土壤線蟲密度

3.2 土壤線蟲營養(yǎng)類群的林齡差異

4個營養(yǎng)類群中，植物寄生線蟲的相對豐度最高，變化范圍為23.98%～47.04%； 捕食-雜食線蟲次之，為23.05%～30.93%； 食細菌線蟲和食真菌線蟲的相對豐度分別為12.21%～16.82%、16.02%～28.26%(圖2)。由此可知，植物寄生線蟲是本研究林分樣地的主要功能類群。不同生長階段杉木林土壤食細菌線蟲、食真菌線蟲和捕食-雜食類線蟲的相對豐度無顯著差異(P>0.05)。杉木林生長改變了植物寄生線蟲相對豐度，在8年最低，之后逐漸增加，40年達到最高值(表3)。林齡對食細菌線蟲、植物寄生線蟲和捕食-雜食類線蟲密度沒有顯著影響(P>0.05)。杉木林生長改變了食真菌線蟲的密度，林齡為5年的林分顯著高于其他林齡(P<0.05)。

圖2 不同林齡杉木人工林土壤線蟲各營養(yǎng)類群比例

表3 不同林齡杉木人工林線蟲營養(yǎng)類群密度

3.3 土壤線蟲群落結構特征

非度量多維尺度分析(NMDS)的應力系數(Stress)值小于 0.2(圖3)，表明NMDS分析可以反映不同林齡間線蟲群落結構的差異程度。NMDS分析結果表明，林齡為40年土壤線蟲群落結構與5年、8年存在明顯差異。8年與27年土壤線蟲群落結構差異顯著。以上結果表明林齡可以改變土壤線蟲群落結構。

3.4 土壤線蟲生態(tài)指數的林齡差異

如表3所示，土壤線蟲的香農多樣性指數(H′)隨林分生長未發(fā)生顯著變化(P>0.05)。杉木林土壤的植物寄生線蟲成熟度指數(PPI)在杉木林發(fā)育過程的變化范圍為2.62～2.98。林齡為27年和40年的PPI顯著高于21年(P<0.05)。瓦斯樂斯卡指數(WI)在杉木林生長過程的變化范圍為0.44～1.09，林齡5年的WI值最高，顯著高于40年(P<0.05)，表現出WI隨著林齡增加逐漸下降的趨勢(表4)。

圖3 土壤線蟲群落非度量多維度排序

表4 不同林齡杉木人工林線蟲生態(tài)指數

3.5 土壤理化性質與線蟲群落特征的相關性

由表5可知，土壤pH值與WI呈顯著正相關。TC與植物寄生線蟲密度及相對豐度呈顯著正相關。礦質氮與捕食-雜食線蟲密度及相對豐度呈顯著負相關。速效磷與食真菌線蟲相對豐度呈顯著正相關。土壤碳磷比與植物寄生線蟲密度及相對豐度呈顯著正相關，與捕食-雜食線蟲相對豐度呈顯著負相關。

表5 杉木土壤理化性質和線蟲指標的相關系數①

4 討論

大量研究表明，林齡顯著影響土壤線蟲密度及多樣性(Zhangetal., 2015; Guanetal., 2015; Huetal., 2016)。但在本研究中，土壤線蟲密度及多樣性隨林齡增加無顯著變化，這與假設不一致。李樹戰(zhàn)等(2016)研究也發(fā)現，不同林齡杉木林的土壤線蟲多樣性沒明顯變化。有研究發(fā)現林分生長改善了土壤環(huán)境(含水量、孔隙度等)，增加了線蟲食物的可利用性(植物根系、根系分泌物等)，直接或間接促進了土壤線蟲密度增加(Huetal., 2016)。本研究中，由于林齡對土壤含水量、土壤碳、土壤氮和pH值的影響均未達到顯著水平，因此土壤性質對線蟲密度及多樣性的影響較小，表現為線蟲密度隨林齡增加沒有顯著變化。Zhi等(2009)在研究固定沙丘線蟲演替過程中也發(fā)現，線蟲密度在森林演替過程中沒有明顯變化，這可能是由于資源限制(自下而上的限制)在明顯調控線蟲密度(Thorntonetal., 2002)。Zhang等(2015)對不同林齡溫帶森林土壤線蟲的研究發(fā)現，土壤線蟲總香農多樣性指數在幼齡林最低，中齡林最高，產生這種變化的原因與造林樹種多樣性有關。而在本研究中，杉木人工林樹種單一，林下植被多樣性也沒有顯著變化，導致土壤線蟲總香農多樣性指數變化不大(Suetal., 2020)。根據非度量多維度分析，本研究40年林分土壤線蟲群落結構與5年、8年林分差異明顯。21年、27年與40年林分在土壤線蟲群落結構上存在一定的相似性，說明杉木林在生長過程中線蟲群落結構特點出現了變化，這與假設一致。這種變化反映了杉木人工林生長過程中地下資源輸入和土壤環(huán)境的變化(Yeates, 2007; Guanetal., 2015)。

杉木林生長對各類群線蟲的影響不同。林齡增加僅改變了食真菌線蟲密度和植物寄生線蟲相對豐度，而食細菌線蟲和捕食-雜食性線蟲的密度與相對豐度在不同林齡間沒有明顯差異。這表明在各營養(yǎng)類群中，植物寄生線蟲和食真菌線蟲對林齡變化更敏感。在所有營養(yǎng)類群中，植物寄生線蟲包含個體數量最多，相對豐度最高，是本研究的優(yōu)勢營養(yǎng)類群。這一結果與陳利等(2011)對水曲柳(Fraxinusmandshurica)和興安落葉松(Larixgmelinii)人工林土壤線蟲的研究一致。在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，植物根系發(fā)達，這導致植物寄生線蟲成為優(yōu)勢營養(yǎng)類群(Zhangetal., 2015; Wangetal., 2021)。相關分析發(fā)現，植物寄生線蟲密度及相對豐度與土壤總碳、土壤碳磷比呈明顯正相關。本研究中，杉木林生長到成熟林階段受土壤磷的限制(王振宇等, 2020)。由于這種限制有利于植物光合產物向根部分配，使根系能更好吸收養(yǎng)分，從而增加了植物根系生物量與分泌物量(韓暢等, 2017)，因此植物寄生線蟲相對豐度從8年到40年呈增加趨勢。在本研究中，食真菌線蟲保持在較低密度。

瓦斯樂斯卡指數(WI)反映了食微生物線蟲對植物寄生線蟲的比例，從而指示土壤健康狀況(Wasilewska, 1994)。WI值小于1，表明以植物寄生線蟲為主，土壤健康狀況差； WI值大于1，表明以食細菌線蟲和食真菌線蟲為主，土壤健康狀況良好(Wasilewska, 1994)。在本研究中，林齡5年的WI值顯著高于40年，表現為隨林齡增加而下降的趨勢，這與假設相同，反映了隨杉木林齡增加，植物寄生線蟲比食微生物線蟲的重要性增加，土壤健康狀況變差。相關分析表明，WI與土壤pH值呈正相關。由于杉木種植年限增加積累了較多的含有酸性物質的凋落物，從而導致土壤pH值下降(陳春林等, 2012)。在本研究中，土壤pH值隨林齡增大總體呈下降趨勢，可能不利于食微生物線蟲生長。

植物寄生線蟲成熟度指數(PPI)可作為評價擾動后土壤恢復狀況的指標之一(Bongersetal., 1997)。PPI值的大小是由植物組織對植物寄生線蟲的承載能力決定的。PPI值越大，表明植被受植物寄生線蟲的侵害越嚴重。在本研究中，PPI值的范圍為2.62～2.87，這表明杉木人工林木受到一定程度的侵害。林齡27年和40年的土壤線蟲PPI顯著高于21年，說明林齡21年時的林木受植物寄生線蟲侵害程度相對較輕。原因可能是杉木人工林在速生階段的林木快速生長迅速提高了對植物寄生線蟲的承載能力。但隨著杉木人工林林齡繼續(xù)增加，林木受植物寄生線蟲侵害程度加重。

5 結論

對亞熱帶不同林齡杉木人工林紅壤的線蟲群落研究表明，隨著林齡增加，土壤線蟲密度及多樣性均無明顯變化，但植物寄生線蟲的相對豐度顯著提高，食真菌線蟲的密度降低，改變了土壤線蟲的群落組成。植物寄生線蟲成熟度指數和瓦斯樂斯卡指數的變化表明，杉木人工林的長期種植可能導致土壤健康狀況變差。對于未來杉木人工林的長期經營，應該重點關注土壤動物尤其土壤線蟲群落的變化，以提高土壤的生態(tài)系統(tǒng)服務功能以及人工林的生產力。