錦雞兒屬灌叢化對草原化荒漠區土壤線蟲群落組成和代謝足跡的影響

趙 芳,張明偉,王春雯,梅續芳,解李娜,馬成倉

天津師范大學,生命科學學院,天津市動植物抗性重點實驗室, 天津 300387

灌叢化是指木本植物的密度、蓋度和生物量增加的現象。近年來,由于全球氣候變化和過度放牧等因素的影響,全球草原區灌叢化現象越來越普遍[1],而且灌叢擴張的速度逐年遞增。內蒙古草原占我國國土面積的八分之一,是我國北方重要的畜牧產區和生態屏障。但是,以錦雞兒屬(Caragana)灌木為主的灌叢擴張日益成為該地區的普遍現象[2]。灌叢化顯著提高灌叢內土壤含水量[3]和土壤肥力,從而對林下植物物種豐富度、生物量和物種多樣性[4]產生正效應。灌叢化對地下生物群落(包括土壤微生物群落和土壤動物群落)也有顯著影響[5—6]。

土壤線蟲是土壤動物的重要組成部分,其食性多樣,分布在土壤食物網中多個營養級,是有機質分解和養分循環等重要土壤過程的關鍵驅動因子,很容易受到灌木入侵的影響[7]。目前關于灌木對土壤線蟲群落的研究主要集中在對其多樣性和功能指數的影響[8],尤其是物種多樣性。事實上,生物多樣性包括物種多樣性、功能多樣性和系統發育多樣性三個維度。與物種多樣性相比,功能多樣性和系統發育多樣性是近年來才被引入線蟲生態學研究中[9—10]。因此,關于灌木對土壤線蟲群落功能多樣性和系統發育多樣性的影響依然知之甚少。

多樣性指數和功能指數被認為是描述土壤食物網結構和功能、評價土壤健康狀況的有效指標,但它們是建立在各類線蟲相對比例的基礎上,沒有考慮到土壤線蟲的絕對數量,從而導致數量不同的土壤線蟲群落可能具有相同的土壤食物網結構[11]。為此,Ferris在2010年提出用線蟲代謝足跡來反映線蟲的碳代謝過程,即以線蟲生物量碳和呼吸碳含量度量線蟲的代謝活性和土壤食物網功能。線蟲代謝足跡為估算線蟲對生態系統功能的貢獻提供了有效的方法[12]。近年來,有關線蟲代謝足跡的研究開始受到關注。但目前主要在群落水平,如：研究植被演替過程[13—14]和灌叢化過程[15—16]中土壤線蟲代謝足跡的變化,從灌叢局域水平上的研究較少。事實上,研究不同種灌木的灌叢個體對線蟲代謝足跡的影響更能揭示灌叢影響土壤線蟲群落的機制。

土壤理化性質(濕度、pH、有機質等)和植物群落特征(植物種類、多樣性、生物量等)被認為是影響土壤線蟲群落組成的重要因素[17]。目前的研究主要基于土壤線蟲豐度,從營養類群、cp類群或種屬水平上探討影響土壤線蟲組成和結構的環境因素。研究表明：植物寄生線蟲、食微線蟲和捕食雜食線蟲的豐富度隨植物種類和功能類群多樣性的增加而增加[18]；食細菌線蟲和食真菌線蟲相對豐度與土壤有效磷含量相關,植物寄生線蟲和捕/雜食線蟲相對豐度與有機碳、銨態氮和全氮含量相關[19]。線蟲功能團將其生活史策略和食性相結合,可以更好地反映土壤食物網對外界環境的響應[20]。因此,從功能團水平探究影響群落組成的環境因子能更好的揭示灌叢影響土壤食物網的機制。

土壤線蟲群落組成(營養類群、cp類群和特殊種屬)以及對環境的響應與地上植物種有關。例如西藏北部高寒草甸 3 種典型植物群落土壤線蟲優勢種存在明顯差異,委陵菜群落的優勢屬為矮化屬(Tylenchorhynchus)和螺旋屬(Helicotylenchus),高山嵩草群落的優勢屬為墊咽屬(Tylencholaimus)和矮化屬(Tylenchorhynchus),而藏北嵩草群落的優勢屬為鹿角唇屬(Cervidellus)和絲尾墊刃屬(Filenchus),藏北嵩草群落cp3類群的個體數量及相對多度均高于高山嵩草群落,而其它cp類群則低于高山嵩草群落[21]；固氮樹種(榿木)的食細菌線蟲、植物寄生線蟲、雜食線蟲的豐度均顯著高于非固氮樹種(大桉)[22]；干旱顯著增加了花椒和紫花苜蓿混合培養中植物寄生類、食細菌類和食真菌類線蟲的多度,但顯著降低了花椒和大豆混合培養中食細菌類和食真菌類線蟲的多度[23]。因此,為了更好的理解灌叢對土壤線蟲群落組成的影響,弄清營養類群、cp類群以及特殊種屬線蟲在灌叢內外及灌木種間的差異及其影響機制至關重要。

基于以上背景,本研究在內蒙古草原化荒漠區選擇3種錦雞兒屬灌木—墊狀錦雞兒(Caraganatibetica)、荒漠錦雞兒(C.roborovskyi)和狹葉錦雞兒(C.stenophylla),調查了灌叢內、外的土壤線蟲群落多樣性、組成和代謝足跡,以及相關的土壤理化性質和植物群落特征,探討錦雞兒屬灌叢對土壤線蟲群落的影響,同時在線蟲功能團水平上分析灌叢土壤線蟲群落組成與非生物因素和生物因素的關系。試圖回答以下科學問題：(1)灌叢如何影響土壤線蟲群落多樣性、組成和結構？(2)這種影響是否具有灌木種間差異？(3)灌叢如何通過非生物因素和生物因素影響土壤線蟲群落組成？

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究地點位于內蒙古自治區鄂爾多斯市西部鄂托克旗棋盤井鎮(38°17′ N,106°42′ E,海拔1800 m)。該地區屬溫帶草原化荒漠區,典型大陸型氣候,以風沙大、干旱少雨、日照充足、蒸發強烈為主要特點。年均降雨量222 mm,主要集中在4—9月；年均蒸發量2359 mm,是降水量的8倍以上；年日照時間3000 h左右,年均氣溫7.0℃,年均無霜期129 d。該地區植被稀疏單一,主要優勢灌木為墊狀錦雞兒(C.tibetica)、荒漠錦雞兒(C.roborovskyi)和狹葉錦雞兒(C.stenophylla)；主要草本植物有沙生針茅(Stipaglareosa)、無芒隱子草(Cleistogenessongorica)和刺沙蓬(Salsolaruthenica)。

1.2 研究方法

1.2.1樣品采集

于2016年7月在研究地點選取植被生長較好的灌叢化草地作為實驗樣地。在樣地中建立一個分布有墊狀錦雞兒、荒漠錦雞兒和狹葉錦雞兒灌叢的樣方(100 m×100 m),樣方內選取立地條件基本一致的墊狀錦雞兒、荒漠錦雞兒和狹葉錦雞兒灌叢各3株作為樣株,在每個樣株內設置50 cm×50 cm小樣方,小樣方位于灌叢下的中心位置(灌叢內),同時在樣方內均勻選擇3個點,設置同樣大小的小樣方(灌叢外),并確保灌叢外小樣方距離灌叢邊緣2 m以上。對每個小樣方,首先剪取各灌叢樣株地上部,然后調查小樣方內草本植物種類和多度并收獲其地上部分,帶回實驗室于65℃烘干至恒重,測定錦雞兒屬灌叢和草本植物生物量。同時,分別采集樣方內0—10 cm和10—20 cm土層的土壤樣品；每層土樣混合均勻后取300克放入自封袋,4℃保存迅速帶回實驗室。每份土壤樣品一部分立刻用于土壤線蟲的分離鑒定,一部分用于土壤理化性質的測定。

1.2.2土壤線蟲分離與鑒定

土壤線蟲的分離提取采用改良的Baermann法[24]。從每份土壤樣品中取20 g鮮土分離土壤線蟲,分離時間為24 h,用TAF固定液(三乙醇胺-福爾馬林固定液)固定保存線蟲。根據《中國土壤動物檢索圖鑒》[25]、《植物線蟲分類學》[26]和《De Nematoden van Nederland》[27]在光學顯微鏡下鑒定到屬,并記錄每個屬線蟲數。鑒定中,如果樣品中的土壤線蟲數低于100條,則全部鑒定；如果多于100條,則隨機抽取其中的100條進行鑒定。將每個小樣方內0—10 cm和10—20 cm兩個土樣統計鑒定結果合并表示0—20 cm的線蟲數量特征,物種豐富度用上述40克鮮土樣的物種數表示,線蟲多度用每100 g干土(用土壤含水量換算)中土壤線蟲的個體數表示。

1.2.3土壤理化性質測定

土壤含水量采用烘干法；土壤有機質采用重鉻酸鉀加熱法；硝態氮和銨態氮采用流動分析儀法；速效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法；速效鉀采用醋酸銨浸提-火焰光度法；pH值采用水浸提電位法(水土比為2.5∶1)；電導率采用水土5∶1浸提后DDS—LLa型電導儀測量[28]。用每個小樣方內0—10 cm和10—20 cm兩個土樣平均值表示0—20 cm的土壤理化性質。

1.3 數據處理

1.3.1土壤線蟲生態指數

(1)多樣性指數：采用物種多樣性、功能多樣性和系統發育多樣性3個維度分析土壤線蟲群落的多樣性。

物種多樣性用土壤線蟲多度(總個體數)、豐富度(物種數)和Shannon-Wiener指數表示。

Shannon-Wiener指數：

H′= -∑Pi(lnPi)

式中,Pi表示群落第i個物種的個數占生物總數的比例。

功能多樣性用功能豐富度(FRic)表示。基于3種性狀將土壤線蟲劃分成不同的功能類群：①營養類群：根據土壤線蟲的食性特征、食道的結構和捕食方法等,Yeates等[29]將線蟲劃分為8個取食類群,其中食細菌類群、食真菌類群、植物寄生類群和捕食雜食類群是土壤生態系統中4個主要營養類群；②cp類群：根據土壤線蟲生活史策略將線蟲劃分為r-對策向K-對策過渡的5個cp(colonizer-persister)類群,cp1到cp5,其中cp1類群為典型 r-對策者,cp 5類群為典型K-對策者[30—31]；③線蟲個體生物量(μg)：特定屬中所有種的平均生物量。以上線蟲性狀特征(食性、cp,體重)均從Nematode Ecophysiological Parameter (http://nemaplex.ucdavis.edu)數據庫中獲得。功能多樣性采用R軟件 “FD” 程序包計算。

系統發育多樣性是基于本研究鑒定的所有線蟲分類系統,利用Open Tree of Life (OTL)建立系統發育樹,然后量化群落系統發育總枝長,即系統發育多樣性指數。系統發育多樣性采用R軟件 “rotl”、“ape” 和“picante” 程序包計算[32]。

(2)土壤線蟲成熟度指數：采用自由生活線蟲成熟度指數(MI)和植物寄生線蟲成熟度指數(PPI)評價土壤線蟲對外界擾動的響應。

自由生活線蟲成熟度指數：

MI=∑v(i)×f(i)

植物寄生線蟲成熟度指數：

PPI=∑v(i)×f′(i)

式中,v(i)為線蟲的生活史cp值；f(i)為第i類自由生活線蟲(不包括植食性線蟲)占自由生活線蟲總數的比例；f′(i)為第i類植物寄生線蟲占植物寄生類線蟲總數的比例[29—30]。

1.3.2土壤線蟲組成

采用土壤線蟲各營養類群、cp類群和特殊屬多度反映線蟲群落組成特征,并用非度量尺度分析法(Non-metric multidimensional scaling,NMDS；基于Bray-Curtis相異系數)將其組成可視化,比較群落組成的相似性；NMDS采用PAST3軟件進行。

1.3.3土壤線蟲代謝足跡

利用“線蟲-植物專家信息系統”(http://plpnemweb.ucdavis.edu/nemaplex)中已經列出的各類群線蟲的生物量(鮮重,W)計算線蟲代謝足跡。

線蟲代謝足跡: NMF=∑(Nt×(0.1×(Wt/mt)+0.273(Wt0.75)))

式中,Nt、Wt和mt分別表示t類線蟲個體數量、鮮重和cp值。

根據線蟲的營養類群計算食細菌線蟲代謝足跡、食真菌線蟲代謝足跡、植物寄生線蟲代謝足跡和捕食雜食線蟲代謝足跡,其中前三者指示通過細菌通道、真菌通道和植物通道進入土壤食物網的碳和能量,而捕食雜食線蟲代謝足跡指示進入較高營養級的捕食雜食線蟲類群的碳和能量。

根據線蟲的生活史策略計算富集代謝足跡、結構代謝足跡和功能代謝足跡。富集代謝足跡和結構代謝足跡分別反映較低營養級線蟲和較高營養級線蟲的碳代謝過程[12]。功能代謝足跡是富集代謝足跡和結構代謝足跡的總面積,即(Fs×Fe)/2,反映土壤食物網調控和維持代謝平衡的能力。功能足跡越大,反映線蟲對土壤食物網的調控能力越強,被捕食者與捕食者之間維持代謝平衡的能力越強[12]。

1.3.4土壤線蟲區系分析

計算線蟲群落的富集指數(EI)和結構指數(SI),并結合EI和SI指數進行線蟲區系分析,評估土壤食物網的結構與功能變化,從而評價土壤食物網對外界干擾的響應和恢復狀況。

結構指數：

SI= 100×[s/(s+b)]

富集指數：

EI= 100×[e/(e+b)]

式中,b代表食物網中的基礎成分,主要指cp值為2的食細菌線蟲和食真菌線蟲；e代表食物網中的富集成分,主要指cp值為1的食細菌線蟲和cp值為2的食真菌線蟲；s代表食物網中的結構成分,包括cp3- 5的食細菌線蟲、食真菌線蟲和捕食雜食線蟲[31]。

根據計算出的Fe和Fs,在A、B、C、D 4個象限中以菱形圖的方式反映土壤食物網狀況。菱形的中心點坐標為(SI, EI),4個頂點的坐標分別為(SI-0.5Fs/k, EI)、(SI+0.5Fs/k, EI)、(SI, EI- 0.5Fe/k)和(SI, EI+0.5Fe/k)。其中k為轉換常數,乘以0.5是為了使 Fs和Fe能圍繞中心坐標點(SI, EI)對稱分布。依次連接4個坐標點,所圈定的菱形區域的面積為線蟲的功能代謝足跡。菱形橫軸和縱軸方向對角線的長度可以反映Fs和Fe的相對大小,若菱形橫軸對角線的尺度大于縱軸對角線的尺度,說明Fs大于Fe；反之亦然。當線蟲區系分布在A象限時,表明土壤環境受干擾程度較高；在B象限時,表明土壤養分狀況較好而且受干擾程度較小,食物網穩定成熟；在C象限時,表明土壤受干擾程度較小,食物網處于結構化狀態；在D象限時,表明土壤受干擾程度最高,食物網退化[31]。

1.3.5土壤線蟲物種選擇性

以物種對生境的特異性和適宜性為基礎,采用物種指示值分析法[33]計算土壤線蟲的指示值(Indicator value；IndVal),并通過IndVal值確定灌叢選擇性物種(物種通常僅生長在灌叢內或灌叢外)和灌叢非選擇性物種(物種在灌叢內和灌叢外均可生長)。如果IndVal值大于0.6,則認為該物種是灌叢選擇性物種,否則為灌叢非選擇性物種；灌叢內IndVal值大于0.6,為灌叢正選擇物種,灌叢外IndVal值大于0.6,為灌叢負選擇物種。然后,計算灌叢正選擇性物種和負選擇性物種占總物種的百分比。物種IndVal值采用R軟件中 “labdsv” 程序包計算。

1.4 統計分析

采用IBM SPSS 19軟件,通過單因素方差分析檢驗錦雞兒屬灌叢對各指標影響的顯著性,并用Duncan檢驗做多重比較,用獨立樣本t檢驗分析灌叢內和灌叢外的差異。采用ANOSIM檢驗錦雞兒屬灌叢對線蟲群落組成影響的顯著性,ANOSIM分析采用R軟件“vegan”程序包進行。采用Mantel tests分析土壤線蟲群落組成與環境因子的相關性,Mantel tests采用R軟件“vegan”程序包進行。

2 結果與分析

2.1 土壤線蟲總多度和各營養類群多度

墊狀錦雞兒灌叢共分離土壤線蟲208條/100 g干土,17個物種,隸屬于2綱3目8科17屬。優勢屬共3屬,包括麗突屬(Acrobeles)、擬麗突屬(Acrobeloides)和真滑刃屬(Aphelenchus),占土壤線蟲總數的63.45%(表1)；荒漠錦雞兒灌叢共分離土壤線蟲247條/100 g干土,21個物種,隸屬于2綱3目10科21屬。優勢屬共3屬,包括麗突屬(Acrobeles)、擬麗突屬(Acrobeloides)和真滑刃屬(Aphelenchus),占土壤線蟲總數的76.08%(表1)；狹葉錦雞兒灌叢共分離土壤線蟲162條/100 g干土,17個物種,隸屬于2綱3目9科17屬。優勢屬共3屬,包括麗突屬(Acrobeles)、擬麗突屬(Acrobeloides)、真矛線屬(Eudorylaimus),占土壤線蟲總數的54.47%(表1)。3種錦雞兒屬灌叢土壤線蟲總多度和物種豐富度灌叢內外均無顯著差異,不同灌木種之間也無顯著差異(表1)。

表1 3種錦雞兒屬灌叢內外土壤線蟲豐富度(屬/100g干土)和多度(條/100g干土)

從營養類群上看,3種錦雞兒屬灌叢均表現為食細菌類線蟲多度最大,占總數的比例約為39.23%—55.31%；其次為食真菌類線蟲。墊狀錦雞兒多度最小的是捕食雜食類線蟲,占總數的11.20%；荒漠錦雞兒和狹葉錦雞兒多度最小的是植物寄生類線蟲,占總線蟲的比例分別為7.77%和16.97%。3種錦雞兒屬灌木中,只有墊狀錦雞兒灌叢土壤食真菌類線蟲多度顯著大于灌叢外,其余各營養類群在灌叢內外和種間差異均不顯著(表1中類群合計)。

2.2 土壤線蟲群落組成分析

在分離得到的28屬土壤線蟲中,食細菌類線蟲麗突屬(Acrobeles)、食真菌類線蟲真滑刃屬(Aphelenchus)和絲尾墊刃屬(Filenchus)以及捕食雜食類線蟲真矛線屬(Eudorylaimus)和桑尼屬(Thornia)5屬線蟲在灌叢內外或灌木種間存在顯著差異(表1)。其中,荒漠錦雞兒麗突屬多度最大,且顯著大于狹葉錦雞兒；墊狀錦雞兒和荒漠錦雞兒真滑刃屬多度相差不大,但均顯著大于狹葉錦雞兒；狹葉錦雞兒絲尾墊刃屬多度顯著大于墊狀錦雞兒和荒漠錦雞兒,灌叢外未分離出該屬線蟲；狹葉錦雞兒真矛線屬多度顯著大于墊狀錦雞兒和荒漠錦雞兒；荒漠錦雞兒桑尼屬多度最大,且顯著大于墊狀錦雞兒(表1)。

非度量多維尺度(NMDS)分析排序了不同種錦雞兒灌叢內和灌叢外土壤線蟲群落組成。土壤線蟲食細菌類、食真菌類、植物寄生類、cp2類群和總線蟲群落的Stress≤0.2,說明整體上NMDS分析3種錦雞兒屬灌叢土壤線蟲群落結構擬合度高(圖1)。ANOSIM檢驗結果顯示,錦雞兒屬灌叢顯著(或接近顯著)影響了食細菌類群(P=0.048)、食真菌類群(P=0.052)、cp2類群(P=0.007)和總線蟲群落(P=0.007)的組成(圖1)。

圖1 3種錦雞兒灌叢內外土壤線蟲營養類群、cp類群和總線蟲群落的非度量多維尺度分析(NMDS)和ANOSIM檢驗結果Fig.1 Non-metric multidimensional scale analysis (NMDS) and ANOSIM test of soil nematode trophic groups, cp groups and nematode community outside and inside three Caragana shrub canopiesBF：食細菌類 Bacterial feeders；FF：食真菌類線蟲 Fungal feeders；PP：植物寄生類 Plant-parasites；OP：捕食雜食類 Omnivores-predators；Community：總線蟲群落;T：墊狀錦雞兒灌叢內 Inside C. tibetica canopies；R：荒漠錦雞兒灌叢內 Inside C. roborovskyi canopies；S：狹葉錦雞兒灌叢內 Inside C. stenophylla canopies；N：灌叢外 Outside shrub canopies；P值為ANOSIM檢驗結果,P < 0.05,表示差異顯著

2.3 土壤線蟲生活史特征

圖2 3種錦雞兒灌叢內外土壤線蟲cp2和cp3- 5類群多度 Fig.2 Abundance of nematode cp2 and cp3- 5 groups outside and inside three Caragana shrub canopies*表示灌叢內和灌叢外差異顯著(t-test, P < 0.05)；不同小寫字母表示3種錦雞兒灌叢之間差異顯著(Duncan tests, P < 0.05)

3種錦雞兒屬灌叢土壤均未分離出cp1類群線蟲,且cp2類群線蟲多度大于cp 3- 5類群(圖2)。墊狀錦雞兒灌叢內cp2類群線蟲多度顯著大于灌叢外,其余種灌叢內外均無顯著差異,也沒有種間差異,cp3- 5類群線蟲多度在灌叢內外和不同灌木種之間均無顯著差異(圖2)。

2.4 土壤線蟲生態指數

土壤線蟲多樣性指數(包括Shannon-Wiener、功能豐富度指數和系統發育多樣性指數)和成熟度指數(MI和PPI)在灌叢內外及灌木種間均沒有顯著差異(圖3,圖4)。

2.5 土壤線蟲生態足跡和區系分析

各營養類群的代謝足跡在灌叢內外以及灌木種間均無顯著差異(圖5),但cp類群的代謝足跡具有顯著差異(Fe:F3,8= 4.95;P<0.05)(圖6)。基于代謝足跡的區系分析顯示：灌叢外土壤線蟲分布在CD象限之間；狹葉錦雞兒灌叢土壤線蟲分布灌叢外右側,C象限,比灌叢外更靠近B象限；墊狀錦雞兒和荒漠錦雞兒灌叢土壤線蟲分布在灌叢外左側,D象限,比灌叢外更靠近A象限(圖6)。線蟲功能足跡(菱形總面積)表現為荒漠錦雞兒>墊狀錦雞兒>狹葉錦雞兒和灌叢外。3種錦雞兒屬灌叢的富集指數(菱形中心位置)均高于灌叢外(圖6)。

2.6 灌木對線蟲群落物種的選擇性

錦雞兒屬灌叢對線蟲營養類群和cp類群具有選擇性。3種錦雞兒屬灌叢食真菌類和cp2類線蟲的正選擇性物種比例均大于負選擇性物種比例；但植物寄生類線蟲和cp3- 5恰好相反,表現為正選擇性物種比例小于負選擇性物種比例(表2)。

圖3 3種錦雞兒灌叢內外土壤線蟲群落多樣性指數Fig.3 Diversity index of soil nematode outside and inside three Caragana shrub canopies

圖4 3種錦雞兒屬灌叢內外土壤線蟲群落MI和 PPI指數 Fig.4 MI and PPI indexes of soil nematode outside and inside three Caragana shrub canopiesMI：自由生活線蟲成熟度指數 Maturity index；PPI：植物寄生線蟲成熟度指數 Plant parasitic index

各營養類群線蟲選擇性物種在灌木種間存在明顯差異。食細菌類,荒漠錦雞兒正選擇性物種比例最大,無負選擇性物種；食真菌類,3種錦雞兒均只有正選擇性物種,其中狹葉錦雞兒正選擇性物種比例最大；植物寄生類,3種錦雞兒均只有負選擇性物種,其中墊狀錦雞兒和狹葉錦雞兒負選擇性物種比例相差不大,荒漠錦雞兒比例最小；捕食雜食類,荒漠錦雞兒正選擇性物種比例最大(表2)。麗突屬(Acrobeles)和頭葉屬(Cephalobus)是荒漠錦雞兒的指示物種；滑刃屬(Aphelenchoides)和絲尾墊刃屬(Filenchus)是狹葉錦雞兒的指示物種；盤咽屬(Discolaimus)和桑尼屬(Thornia)是荒漠錦雞兒的指示物種。

圖5 3種錦雞兒屬灌叢內外土壤線蟲代謝足跡 Fig.5 Metabolic footprint of soil nematode outside and inside three Caragana shrub canopiesBFMF：食細菌類線蟲代謝足跡 Metabolic footprint of bacterial feeders; FFMF：食真菌類線蟲代謝足跡 Metabolic footprint of fungal feeders；PPMF：植物寄生類線蟲代謝足跡 Metabolic footprint of plant parasitic nematodes；OPMF：捕食雜食類線蟲代謝足跡 Metabolic footprint of omnivores-predators nematodes

圖6 3種錦雞兒屬灌叢內外土壤線蟲區系分析(基于線蟲代謝足跡)Fig.6 Analysis of soil nematode fauna outside and inside three Caragana shrub canopies (based on nematode metabolic footprints)

各cp類群線蟲選擇性物種在灌木種間也存在明顯差異。cp2類群,荒漠錦雞兒和狹葉錦雞兒正選擇性物種比例相差不大,但均大于墊狀錦雞兒正選擇性物種比例(表2)。cp3- 5類群,墊狀錦雞兒負選擇性物種比例最大(表2)。

表2 3種錦雞兒屬灌叢土壤線蟲選擇性物種比例/%

2.7 生物、非生物因素與線蟲群落組成的相關性分析

Mantel tests是評估群落物種組成和環境之間相關性的一種檢驗方法。Mantel tests結果顯示：土壤速效鉀(P<0.05)和土壤含水量(P<0.01)與cp值為2的食真菌類線蟲功能團組成呈顯著正相關；銨態氮與cp值為2的植食線蟲功能團組成呈顯著正相關(P<0.05)；土壤速效磷與cp值為4的捕食雜食類線蟲功能團組成呈顯著正相關(P<0.05)；其它生物因素(灌叢生物量、林下植物生物量和豐富度)和非生物因素(土壤理化性質)與線蟲各功能團組成無顯著相關性(表3,表4)。

表3 生物和非生物因素與土壤線蟲群落功能團組成的Mantel tests結果(R)

表4 3種錦雞兒屬灌叢內外土壤理化性質和植物群落特征

3 討論

本文研究結果表明錦雞兒屬灌叢對土壤線蟲多度、豐富度和多樣性無顯著影響,但卻顯著影響土壤線蟲群落組成。5個屬(占總屬的17.86%)線蟲多度在灌叢內外或灌木種間出現顯著差異(表1),絕大多數線蟲營養類群和cp類群組成也表現出灌叢內外或灌木種間的顯著差異(圖1)。非度量多維度尺度(NMDS)分析也顯示線蟲群落組成在灌叢內外或灌木種間差異很大,進一步的ANOSIM檢驗證實錦雞兒屬灌叢對土壤線蟲群落組成,以及一些營養類群和cp類群的組成具有顯著或接近顯著的影響(圖1)。以往的研究已經發現不同的灌木對土壤線蟲的組成產生不同的影響,如,Dasiphorafrutico的存在不影響土壤線蟲群落多度和組成[34],但是Piliostigmareticulatum顯著影響植物寄生類線蟲豐度[35]。

認為灌叢通過兩種機制影響土壤線蟲群落、營養類群和cp類群的組成。第一,灌叢對土壤線蟲群落具有物種選擇性。(1)從群落水平上,3種錦雞兒灌木對不同線蟲屬具有偏好或排斥性(表2),從而導致土壤線蟲群落組成的差異。(2)從營養類群水平上,3種錦雞兒屬灌叢食真菌類線蟲正選擇性物種比例大于負選擇性物種比例,而植物寄生類則相反,負選擇性物種比例更大(表2)。這說明錦雞兒屬灌叢可能更有利于食真菌類線蟲定居,尤其是滑刃屬(Aphelenchoides),這可能是因為灌叢的遮陰和土壤的改善效應提高了灌叢土壤的保濕能力[36],而滑刃屬中的某些種更適合在相對濕度較高的環境中生存[37—38]。與其它營養類群線蟲相比,植物寄生類線蟲可能更適合在無灌叢區域定居(表2)。其原因是,與灌木相比,灌叢外的禾草類能提供質量更高的根系資源[39],從而對一些以植物為食的線蟲有更大的吸引力[40]。另外,對于食細菌類線蟲,荒漠錦雞兒正選擇性物種比例最大,而狹葉錦雞兒僅有負選擇性物種(表2)。這說明荒漠錦雞兒可能更有利于食細菌類線蟲生長,而狹葉錦雞兒對其具有負效應,表明線蟲營養類群對灌叢的響應依賴于所關注的灌木物種,即不同植物種對線蟲的影響不同[41]。(3)從cp類群水平上,3種錦雞兒屬灌叢cp2類群正選擇性物種比例大于負選擇性物種比例,cp3- 5類群的負選擇性物種比例更大。這說明土壤線蟲機會主義者(cp2)對土壤食物資源增加的響應程度強于定居者(cp3- 5)。由此我們推測灌叢內土壤線蟲的生活史策略可能以偏 r-對策為主[42]。這種演變的原因是較低cp值的線蟲(比如：cp2類群)有較強的適應環境變化的能力,而較高cp值的線蟲(如：cp3)可能更適合比較干旱的環境[43]；在錦雞兒灌叢生長發育過程中,外源營養不斷向灌叢下聚集,形成一個變化的營養環境,從而可能有利于一些cp2類線蟲種定居；而灌叢外的干旱環境更適宜cp3- 5類線蟲種定居。另外,灌叢內cp2類群指示物種主要是麗突屬、真滑刃屬、絲尾墊刃屬,灌叢外cp3- 5類群指示物種主要是矛線目(如矮化屬、短體屬、真矛線屬、桑尼屬)。這與Guan等[44]研究結果一致,即麗突屬和矛線屬可作為灌木的指示物種。由于不同的錦雞兒屬灌木會形成特異的土壤環境,因此線蟲會遷移到適合自己生長的棲息地。這也是導致這些指示物種多度具有明顯的灌木種間差異的原因(表2)。

第二,在草原化荒漠區,錦雞兒屬灌叢可能主要是通過根系分泌物、凋落物質量等因素,而非土壤理化性質和林下植物群落影響土壤線蟲群落組成。以往的研究主要通過結構方程模型(SEM)表明灌叢通過影響土壤理化性質(如：pH、土壤有機質、土壤含水量等)和林下植物群落影響土壤線蟲群落組成[34]。我們通過Mantel tests發現,絕大多數土壤理化性質和所有植物群落特性對線蟲功能團組成影響不顯著,而土壤速效鉀、銨態氮和土壤含水量與cp值為2的線蟲功能團組成呈顯著正相關(表3),這是因為低營養級線蟲直接依賴土壤營養。

土壤線蟲組成的變化引起線蟲代謝足跡發生明顯變化。灌叢內土壤線蟲功能代謝足跡(菱形總面積)大于灌叢外(除狹葉錦雞兒外),說明灌叢內土壤線蟲群落對碳的利用率更高。這可能是因為灌叢內食真菌類線蟲比例較大,且全是cp2類群線蟲(表1)。cp 值較小的線蟲通常為 r-對策者,個體較小,生命周期相對短,代謝快,對外源養分的輸入反應非常迅速,從而導致其較高的資源利用率。不同灌木線蟲代謝足跡不同。3種錦雞兒屬灌木中,狹葉錦雞兒的結構代謝足跡最大,表明相比于其它類群線蟲,狹葉錦雞兒對捕食雜食類線蟲代謝活性的促進作用可能更強。這是因為狹葉錦雞兒灌叢生物量大,灌叢對土壤營養富集狀況好,土壤食物網結構成熟穩定,捕食雜食類線蟲比例最大(表1),所以更多的物質和能量從被捕食者(較低營養級)向捕食者(較高營養級)流動。富集指數可用于評價土壤養分富集狀況,值越大,表明外界投入的養分越多,土壤線蟲食物資源越豐富[20]。我們研究發現3種錦雞兒屬灌叢的富集指數(菱形中心位置)均高于灌叢外,說明灌叢內土壤養分富集狀況好于灌叢外,這是灌叢的資源島效應。

土壤線蟲組成的變化通過線蟲代謝足跡導致土壤食物網結構顯著變化。基于線蟲代謝足跡的土壤線蟲區系分析結果表明,狹葉錦雞兒灌叢在C象限,比灌叢外更靠近B象限,說明灌叢內土壤干擾程度低,營養富集狀況好,食物網結構更成熟穩定；墊狀錦雞兒和荒漠錦雞兒灌叢在D象限,比灌叢外更靠近A象限,說明土壤環境干擾程度高,營養富集較好,食物網有退化傾向。形成這些結果的原因是：(1)錦雞兒屬灌叢具有富集土壤營養和改善土壤環境效應；(2)狹葉錦雞兒灌叢生物量大、灌叢結構致密,資源島效應和環境改善效應更明顯,而墊狀錦雞兒矮小、荒漠錦雞兒稀疏,二者資源島效應較弱,土壤環境更容易受外界干擾；(3)雖然灌叢具有資源島效應和環境改善效應,但草原化荒漠區土壤的營養仍然處于較貧瘠狀態,環境干擾和低營養依然是調控線蟲群落組成的主要因素。

總之,雖然錦雞兒屬灌叢沒有增加土壤線蟲多度、豐富度和多樣性,但卻引起土壤線蟲群落組成和結構發生顯著變化,且這種變化具有明顯種間差異。土壤線蟲組成的變化引起線蟲代謝足跡發生明顯變化,進一步導致土壤食物網結構的顯著變化。