胡瀟飛，劉立斌,2*，倪健,2,3

(1．浙江師范大學(xué) 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，浙江 金華 321004； 2．中國科學(xué)院 普定喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站，貴州 安順 561000； 3．中國科學(xué)院 地球化學(xué)研究所環(huán)境地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽 550081)

0 引言

土壤線蟲一般僅占土壤動(dòng)物和微生物總重量的0.2%，但是其數(shù)量豐富、種類繁多，是土壤生物中的優(yōu)勢類群，廣泛存在于地球上各類生態(tài)系統(tǒng)土壤生境中[1]。它們是土壤食物網(wǎng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，與土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和生物多樣性的維持，物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的促進(jìn)等生態(tài)過程密切相關(guān)[2-3]；而且，土壤線蟲世代時(shí)間短，對土壤環(huán)境擾動(dòng)高度敏感的特點(diǎn)，使其成為反映土壤健康狀況的有效指示生物[4]。因此，土壤線蟲研究是深入了解復(fù)雜地下生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)過程和功能的重要內(nèi)容。

中國土壤線蟲研究始于20世紀(jì)90年代，最初僅針對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，隨后逐漸涉獵沙地、草地、濕地和森林等生態(tài)系統(tǒng)。其中，森林生態(tài)系統(tǒng)土壤線蟲研究起步最晚，研究較少。已有研究表明，森林生態(tài)系統(tǒng)土壤線蟲密度最大，物種多樣性最高[5]；森林地上植物組成、林齡、土壤含水量、酸度(pH)、微生物生物量碳(MBC)、微生物生物量氮(MBN)和碳氮比(C/N)等均可成為限制森林土壤線蟲密度、物種組成和功能的關(guān)鍵環(huán)境因子[6-10]。但是，已有森林土壤線蟲研究多是在常態(tài)地貌類型上開展的，對于非常態(tài)地貌類型，如中國西南(尤其是貴州省、云南省和廣西壯族自治區(qū))廣泛分布的喀斯特地貌類型，森林土壤線蟲研究十分匱乏。目前僅有Hu等[11]和Zhao等[12]對廣西環(huán)江地區(qū)峰林平原型喀斯特退化植被土壤線蟲結(jié)構(gòu)和群落多樣性等進(jìn)行過研究，發(fā)現(xiàn)喀斯特地區(qū)土壤線蟲群落組成異于非喀斯特地區(qū)。這表明喀斯特地區(qū)獨(dú)特的土壤類型(石灰土)和性質(zhì)(土壤淺薄且不連續(xù)，土壤蓄水能力差，單位容積土壤養(yǎng)分含量高但總養(yǎng)分儲量低)會對其中的土壤線蟲密度、物種組成和功能產(chǎn)生影響。而不同類型喀斯特地貌發(fā)育的適宜氣候、地質(zhì)地貌條件，以及各自的環(huán)境特點(diǎn)均存在較大差異[13]，這些差異又勢必會對土壤線蟲產(chǎn)生影響。因此，其他地區(qū)、其他類型喀斯特植被土壤線蟲研究的開展非常必要且緊迫。

鑒于此，以貴州省中部高原型喀斯特常綠落葉闊葉混交林為研究對象，對其土壤性質(zhì)和土壤線蟲數(shù)量進(jìn)行分析，旨在回答以下2個(gè)問題：1)高原型喀斯特森林土壤線蟲密度特征如何，是否與非喀斯特森林土壤線蟲密度特征存在顯著差異？2)限制高原型喀斯特森林土壤線蟲密度的關(guān)鍵土壤因子有哪些？本研究可為了解喀斯特森林復(fù)雜地下生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)過程和功能提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

研究地為中國科學(xué)院普定喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站的綜合觀測場——天龍山永久監(jiān)測樣地(105°45′ E，26°14′N，1 402～1 512 m)，地貌類型為典型的高原型喀斯特地貌。氣候?qū)僦衼啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤氣候，根據(jù)貴州省普定縣氣象站(105°27′ E，26°11′ N，1 274.5 m)在1961—2013年的觀測記錄，該地區(qū)多年平均氣溫為15.2 ℃，多年平均降水量為1 341 mm，雨熱同期，超過70%的降水發(fā)生在5—9月的高溫期。地帶性植被為亞熱帶典型常綠闊葉林，地帶性土壤包括赤紅壤、紅壤和黃壤等，但喀斯特地貌的廣泛發(fā)育，導(dǎo)致喀斯特地區(qū)頂極植被類型為氣候和土壤共同控制的常綠落葉闊葉混交林，土壤類型以石灰土為主。樣地內(nèi)植被為20世紀(jì)50年代末期遭砍伐破壞后恢復(fù)起來的天然次生常綠落葉闊葉混交林，處于演替的次頂極階段。根據(jù)2012年天龍山永久監(jiān)測樣地的植被調(diào)查數(shù)據(jù)，該喀斯特森林喬木層高6～10 m，郁閉度0.73，胸徑≥1 cm植物個(gè)體的平均胸徑為5.4 cm，密度為8 410.5 株·hm-2，優(yōu)勢樹種包括窄葉石櫟(Lithocarpusconfinis)、化香樹(Platycaryastrobilacea)、云南鼠刺(Iteayunnanensis)、安順潤楠(Machiluscavaleriei)和云貴鵝耳櫪(Carpinuspubescens)[14]。土壤為棕色石灰土，平均厚度僅有44.8 cm，單位容積土壤有機(jī)碳(SOC)和營養(yǎng)元素含量較高但總儲量相對較低。

1.2 土壤樣品采集和測定

于2015年夏季，隨機(jī)在樣地的上坡位、中坡位和下坡位分別挖掘3個(gè)土壤剖面(共9個(gè))，每個(gè)土壤剖面利用自封袋按0～10、10～0、20～30 和>30 cm共4層采集土壤樣品，采集土壤樣品共36份。每份土壤樣品分成兩部分，一部分及時(shí)帶回實(shí)驗(yàn)室，于4 ℃冰箱冷藏保存，用于土壤線蟲計(jì)數(shù)和土壤微生物生物量分析；另一部分及時(shí)稱量土壤鮮重，隨后風(fēng)干加烘干處理，計(jì)算土壤含水量和測定土壤pH、SOC、全氮(TN)和全磷(TP)含量。

利用酸度計(jì)測定土壤pH，利用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定SOC，元素分析儀測定TN，電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定TP，氯仿熏蒸法測定MBC和MBN。

每份土壤樣品稱取約100 g樣本，利用淘洗-過篩-蔗糖離心法分離線蟲，將線蟲在60 ℃溫?zé)釟⑺篮螅萌掖及泛透栺R林固定，倒入標(biāo)本瓶，通過解剖鏡直接觀察并計(jì)數(shù)。最后根據(jù)每份土壤樣品的含水量，將每份土壤樣品中線蟲的數(shù)量折算成每100 g干土中的線蟲數(shù)量[15]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

單因素方差分析(ANOVA)用于分析不同土層土壤性質(zhì)的差異，不同坡位和不同土層線蟲密度的差異；皮爾森積差相關(guān)和冗余分析(RDA)用于分析土壤線蟲密度與土壤性質(zhì)之間的相關(guān)性；獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)用于分析喀斯特森林土壤線蟲密度與中國非喀斯特森林土壤線蟲密度的差異。所有的統(tǒng)計(jì)分析在SPSS 20.0和CANOCO 5中進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤理化性質(zhì)和微生物生物量

土壤pH、C/N和C/P隨土壤深度的增加有升高趨勢，其他土壤性質(zhì)如含水量、MBC、MBN、SOC、TN、TP和N/P均隨土壤深度的增加而降低(表1)。各土壤性質(zhì)在各土層間差異顯著或不顯著。其中土壤pH、C/N和C/P在各土層間差異不顯著；0～10 cm土層含水量顯著高于深層次土壤(P<0.05)，10～20 cm土層含水量顯著高于>30 cm土層(P<0.05)；0～10 cm土層MBC顯著高于20～30 cm和>30 cm土層(P<0.05)；0～10 cm土層MBN顯著高于深層次土壤(P<0.05)，10～20 cm土層MBN顯著高于>30 cm土層(P<0.05)；0～10 cm土層SOC、TN、TP和N/P顯著高于深層次土壤(P<0.05)(表1)。各土壤樣品pH變異最小，變異系數(shù)最低；土壤含水量變異亦較??；而其他土壤性質(zhì)變異較大，變異系數(shù)均較高，尤其是C/N，變異系數(shù)可超過100%(表1)。

表 1 土壤理化性質(zhì)和微生物生物量Table 1 Soil physical and chemical properties and microbial biomass

2.2 土壤線蟲密度

圖 1 不同坡位土壤線蟲密度Figure 1 Soil nematode densities in different slope positions

喀斯特森林土壤線蟲密度在25.51條/100 g干土至508.60 條/100 g干土之間，平均為207.44 條/100 g干土。上坡位(257.36 條/100 g干土)和中坡位(237.50 條/100 g干土)土壤線蟲密度顯著(P<0.05)高于下坡位土壤線蟲密度(127.47 條/100 g干土)(圖1)。土壤線蟲密度隨土壤深度的增加而降低，0～10 cm(283.72 條/100 g干土)和10～20 cm(247.92 條/100 g干土)土層土壤線蟲密度顯著(P<0.05)高于>30 cm(101.06 條/100 g干土)土層土壤線蟲密度。

圖 2 土壤線蟲密度與土壤性質(zhì)冗余分析Figure 2 Biplot of soil nematode density and soil properties from redundancy analysis

2.3 土壤線蟲密度與土壤性質(zhì)關(guān)系

統(tǒng)計(jì)分析表明，喀斯特森林土壤線蟲密度與土壤含水量(相關(guān)系數(shù)0.488)、MBC(0.586)、MBN(0.567)和TN(0.478)含量呈極顯著相關(guān)(P<0.01)，隨著土壤含水量、MBC、MBN和TN含量的增加而極顯著增加(圖2)；與SOC(0.331)和TP(0.398)含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，隨著SOC和TP含量的增加而顯著增加(圖2)；與N/P(0.267)呈輕微的正相關(guān)，與土壤pH(-0.300)、C/N(-0.125)和C/P(-0.068)呈輕微的負(fù)相關(guān)，但相關(guān)性不顯著(P>0.05)(圖2)。

3 討論

中國西南喀斯特地貌類型區(qū)山體多陡峭(坡度常大于30°)，巖石裸露率高，地上和地下二元三維巖-土景觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)大大增加了喀斯特森林土壤研究的困難性，且現(xiàn)有喀斯特森林土壤研究多集中于土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征和土壤微生物[16-17]。本研究以貴州省中部高原型喀斯特常綠落葉闊葉混交林為研究對象，對其土壤線蟲密度特征進(jìn)行了初步探索，在一定程度上填補(bǔ)了中國西南高原型喀斯特地貌類型區(qū)土壤線蟲研究的空白。但是本研究僅涉及單個(gè)森林單一時(shí)間點(diǎn)上的土壤線蟲密度。研究表明，不同演替階段森林的土壤線蟲密度，同一森林不同季節(jié)(旱季/雨季)的土壤線蟲密度往往可能存在很大的差異[7-8]。另外本研究僅對該喀斯特森林的土壤線蟲密度特征進(jìn)行了分析，未深入探討其土壤線蟲的物種組成和功能特征。因此，未來仍需進(jìn)一步研究不同演替階段和不同季節(jié)喀斯特森林土壤線蟲的密度、物種組成和功能特征，為進(jìn)一步了解喀斯特森林復(fù)雜地下生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)過程和功能增添理論基礎(chǔ)。

喀斯特森林林下生境高度異質(zhì)[18]。在本研究中，除了土壤pH和含水量變異系數(shù)較低外，其他土壤理化性質(zhì)和微生物生物量指標(biāo)，變異系數(shù)均較高，均表現(xiàn)出較高的異質(zhì)性，尤其是C/N，變異系數(shù)可超過100%(表1)。各土壤樣品中土壤線蟲密度同樣具有較高的差異性，變異系數(shù)達(dá)到64.25%，最高土壤樣品線蟲密度是最低土壤樣品線蟲密度的20倍。因此，未來對高度異質(zhì)的喀斯特森林土壤理化性質(zhì)、微生物生物量、線蟲密度、物種組成與功能進(jìn)行研究時(shí)，非常有必要增加土壤樣品的采集數(shù)量，才能盡可能地消除研究結(jié)果的不確定性，從而保證研究結(jié)果的準(zhǔn)確性。

中國亞熱帶和其他氣候帶非喀斯特森林的土壤線蟲密度特征，因森林類型、森林所處的演替階段、土壤類型、研究季節(jié)、經(jīng)度、緯度和海拔等的不同而呈現(xiàn)一定程度的差異(表2)。而本研究的貴州高原型喀斯特次生林土壤線蟲密度特征是在雨季進(jìn)行的，研究結(jié)果在25.51條/100 g干土至508.60條/100 g干土之間，平均僅為207.44條/100 g干土。Hu等[11]研究的廣西峰林平原型喀斯特人工林土壤線蟲密度在76 條/100 g干土至432條/100 g干土之間，平均僅為206條/100 g干土。與非喀斯特森林相比[7-10, 19]，喀斯特森林為低土壤線蟲密度森林(P<0.01)(表2)。

高原型喀斯特森林土壤線蟲密度隨著土壤深度的增加而降低，呈現(xiàn)“表聚”的現(xiàn)象，這與其他森林土壤線蟲研究結(jié)果一致[19]。這是因?yàn)殡S著土壤深度的增加，土壤含水量和SOC、TN、TP等養(yǎng)分急劇降低，從而影響土壤線蟲數(shù)量的垂直分布。相關(guān)分析表明，土壤含水量、MBC、MBN、SOC、TN和TP含量是限制該喀斯特森林土壤線蟲密度的關(guān)鍵土壤因子。雖然喀斯特森林土壤有機(jī)質(zhì)和營養(yǎng)元素含量較高，但是巖石裸露率高、土壤淺薄且分布不連續(xù)的特點(diǎn)導(dǎo)致土壤總量少，從而造成土壤有機(jī)質(zhì)和營養(yǎng)元素總儲量較低，再加上喀斯特森林土壤滲漏嚴(yán)重、蓄水能力差，這些都可能是導(dǎo)致喀斯特森林土壤線蟲密度顯著低于非喀斯特森林土壤線蟲密度的重要原因[20]。

表 2 喀斯特森林與非喀斯特森林土壤線蟲密度比較Table 2 Comparison of soil nematode density in karst and nonkarst forests

注：香椿Toonasinensis，木果柯Lithocarpusxylocarpus，硬葉柯Lithocarpuscrassifolius，滇山楊Populusbonatii，旱冬瓜Alnusnepalensis，岷江冷杉Abiesfaxoniana，紅樺Betulaalbosinensis，木荷Schimasuperba，尾葉桉Eucalyptusurophylla，泰竹Thyrsostachyssiamensis，青皮Vaticamangachapoi，油松Pinustabuliformis，白樺Betulaplatyphylla，山楊Populusdavidiana，紅松Pinuskoraiensis，紫椴Tiliaamurensis，碩樺Betulacostata。

4 結(jié)論

本研究首次對中國西南高原型喀斯特森林的土壤線蟲密度特征進(jìn)行了探索。該喀斯特森林土壤線蟲密度平均為207.44條/100 g干土，顯著低于中國非喀斯特森林土壤線蟲密度。土壤線蟲密度隨土壤深度的增加而降低。土壤含水量、MBC、MBN、SOC、TN和TP含量是限制喀斯特森林土壤線蟲密度的關(guān)鍵土壤因子。未來仍需研究不同演替階段和不同季節(jié)喀斯特森林土壤線蟲的密度、物種組成和功能特征，且增加土壤樣品的采集數(shù)量。