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      新疆托克遜縣極端環(huán)境土壤螨類群落多樣性研究

      2019-10-25 01:27阿麗亞司地克吾瑪爾阿布力孜排孜麗耶合力力
      江蘇農(nóng)業(yè)科學 2019年13期
      關鍵詞:干旱區(qū)多樣性

      阿麗亞?司地克 吾瑪爾?阿布力孜 排孜麗耶?合力力

      摘要:為了解干旱區(qū)極端環(huán)境下土壤螨類群落結(jié)構(gòu)和多樣性特征,采用形態(tài)特征分類和生態(tài)學方法對新疆托克遜縣8種不同生境土壤螨類群落結(jié)構(gòu)和多樣性特征進行調(diào)查研究。結(jié)果表明,共捕獲15 420頭土壤螨類標本,隸屬于蜱螨亞綱的有4亞目49科61屬,其中長單翼甲螨屬(Protoribates)為優(yōu)勢類群。不同生境土壤螨類個體數(shù)與類群數(shù)之間均有明顯差異(P<0.05),其中個體數(shù)依次為 Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ>Ⅵ>Ⅶ>Ⅴ>Ⅳ>Ⅷ,季節(jié)變化表現(xiàn)為秋季最高,夏季最少,垂直分布均呈現(xiàn)明顯的表聚性。不同生境土壤螨類群落多樣性指標之間存在顯著差異(P<0.05),其中Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)在葡萄園和杏園內(nèi)較高,而在灌木林和溫室大棚中較低,其順序依次為Ⅱ>Ⅲ>Ⅴ>Ⅳ>Ⅶ>Ⅰ>Ⅷ。Jaccard相似性系數(shù)表明,不同生境土壤螨類群落相似性較高,基本上屬于中等相似(0.50≤q<0.75)。

      關鍵詞:干旱區(qū);托克遜縣;土壤螨類;多樣性;季節(jié)變化

      中圖分類號: S154.6 ?文獻標志碼: A ?文章編號:1002-1302(2019)13-0293-06

      土壤螨類是陸地生態(tài)系統(tǒng)中重要的消費者和特殊的分解者,是具有種類多、分布廣、種群密度大、生物多樣性高、遷移性弱、敏感性強、食性復雜及營自由生活等特征的小型節(jié)肢動物[1],主要棲息于土壤表層和落葉層,取食菌類、藻類和腐爛的動植物殘體,在土壤的形成、有機質(zhì)的分解和提高肥力等方面具有重要的作用[2]。由于螨類種類組成、數(shù)量變化和生態(tài)分布特征與土壤類型和肥力、理化性質(zhì)及人類的生產(chǎn)活動密切相關,并能反映土壤的細微變化,在土壤環(huán)境變化監(jiān)測和生態(tài)毒理診斷等方面具有特殊的功能。因此,土壤螨類的研究一直受到國內(nèi)外學者的高度重視和關注[2-4]。在國外,對土壤螨類的研究已有170多年的歷史,而我國此類研究起步較晚,只有40多年的歷史,但發(fā)展迅速。到目前為止,我國從熱帶、亞熱帶到溫帶,從森林、草地、沙漠到濕地、農(nóng)田、城市等諸多生態(tài)系統(tǒng)都開展了較為詳細的研究[5-6],但發(fā)展不均衡,沿海地區(qū)的研究開展得較早并廣泛,而西北干旱區(qū)起步較晚且只有零星報道,尤其是有關干旱區(qū)特殊環(huán)境土壤螨類群落多樣性方面的研究一直欠缺[7-11]。

      托克遜縣地處亞歐大陸腹地,遠離海洋,三面環(huán)山,自然條件惡劣(干旱、高溫、多風),屬于極端干旱的暖溫帶內(nèi)陸荒漠氣候。由于該縣在新疆具有重要的地緣優(yōu)勢,是古代絲綢之路的重要地段,是我國內(nèi)地連接新疆、中亞地區(qū)的交通樞紐,也是南北疆及東疆之間的鐵路和公路樞紐。自然和人為因素是該區(qū)生態(tài)環(huán)境變化的主要驅(qū)動因子,綠洲土壤的鹽堿化、沙漠化和污染現(xiàn)象比較嚴重,生態(tài)環(huán)境處于脆弱狀態(tài)[12-13]。全球氣候變化、氣候異常和區(qū)域人類活動等干擾對該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能以及土壤螨類生態(tài)分布產(chǎn)生了深遠的影響。本研究以托克遜縣8種不同生境作為試驗樣地,旨在探討極端干旱環(huán)境下土壤螨類群落多樣性及其時空動態(tài)變化特征,為干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的保護和可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)。

      1 材料與方法

      1.1 研究區(qū)概況

      托克遜縣位于新疆維吾爾自治區(qū)中部,天山南麓,吐魯番盆地西部,東與吐魯番市高昌區(qū)為鄰,南與巴州尉犁縣相接,西與巴州的和碩、和靜縣相連,北與烏魯木齊市毗鄰。地處87°14′05″E~89°11′08″E,41°21′14″N~43°18′11″N,南北長約204 km,東西寬146 km,平原綠洲海拔為-125~200 m,土地總面積為16 561 km2,包括8個鄉(xiāng)(鎮(zhèn))。該區(qū)屬于暖溫帶極端干旱荒漠氣候,形成了日照長、氣溫高、晝夜溫差大、降水少、風力強等5大特點。光熱資源十分豐富,日照時數(shù)為 3 043.30 h,年均氣溫為13.8 ℃,極端最高溫和最低溫分別為48、-25.5 ℃。≥10 ℃積溫為5 334.9 ℃,年均降水量為 6.3 mm,年均蒸發(fā)量達3 744 mm,無霜期為219 d[14]。該地區(qū)現(xiàn)有耕地、草地、林地、園地和未利用地等多種土地利用類型,自西向東分布著棕漠土、灌耕土、灌淤土、草甸土、潮土、鹽土和風沙土,土壤肥力較低,主要農(nóng)作物有春小麥、高粱、棉花、花生以及甜瓜、西瓜、杏、葡萄、蔬菜等[14]。本研究在托克遜縣境內(nèi)設2條長達50 km的樣線,各樣線分別選擇防護林(Ⅰ)、葡萄園(Ⅱ)、杏園(Ⅲ)、菜地(Ⅳ)、耕地(Ⅴ)、草地(Ⅵ)、灌木林(Ⅶ)及溫室大棚(Ⅷ)等8種土地利用類型生境,并用全球定位系統(tǒng)(GPS)測量各樣地的地理位置、海拔等數(shù)據(jù),各生境自然環(huán)境情況見表1。

      1.2 樣本采集

      分別于2017年3、6、9、11月中旬在2條樣帶上選擇8種生境,每個生境隨機選取3個樣地,每個樣地按對角線法設5個采樣點,并采用容量為100 cm3的環(huán)刀分4層(0~5、5~10、10~15、15~20 cm)取樣,共取576份土樣,裝入塑料自封袋后帶回實驗室用改進的Tullgren法分離收集土壤螨類。

      1.3 分離與鑒定

      標本處理詳情見吾瑪爾·阿布力孜的方法[15]。分類檢索在Olympus SZX16體視顯微鏡和Leica DM4000B顯微鏡下參照尹文英等的《中國土壤動物檢索圖鑒》[16]、青木淳一的《日本土壤動物檢索圖鑒》[17]、江原昭三的《日本蜱螨類檢索圖鑒》[18]、Balogh等的《The Oribatid mites genera of the world》[19]及Krantz等的《A manual of acarology.》[20]等對土壤螨類進行分類鑒定和數(shù)量統(tǒng)計,一般鑒定到屬級分類單元。

      1.4 數(shù)據(jù)處理

      不同生境下土壤螨類群落多樣性分析采用以下公式計算:

      式中:Pi為第i種類群個體數(shù)在群落總個體數(shù)中所占的比例;S為不同生境中的類群數(shù);N為不同生境中的總個體數(shù);ni為不同生境中的個體數(shù);a為A群落類群數(shù);b為B群落類群數(shù);c為2個群落共有類群數(shù);Xij和Xik分別為i類群在群落j、k中密度的4次方根。所有數(shù)據(jù)和分析采用SPSS 19.0軟件進行,并在Excel 2007中作圖。采用單因素方差分析(one-way anova)和最小顯著差異法(least-significant difference,簡稱LSD)比較不同數(shù)據(jù)組間的差異。

      2 結(jié)果與分析

      2.1 土壤螨類群落組成和數(shù)量變化

      本研究共獲得15 420頭土壤螨類標本,隸屬于蛛形綱蜱螨亞綱的有4亞目49科61屬,其中甲螨亞目有13 210頭,33科,40屬,占總數(shù)量的85.67%;中氣門亞目有150頭,11科,15屬,占總數(shù)量的9.73%;前氣門亞目有408頭,3科,4屬,占總數(shù)量的2.65%;無氣門亞目有292頭,2科,2屬,占總數(shù)量的 1.89%。對整個研究區(qū)來說,長單翼甲螨為優(yōu)勢類群,占總個體數(shù)的18.51%。懶甲螨屬、洼甲螨屬、蓋頭甲螨屬、合若甲螨屬、全盾螨屬等22屬為常見類群,占總個體數(shù)的66.65%。大翼甲螨屬、廣縫甲螨屬、四窩甲螨屬、步甲螨屬、嗜草螨屬等38屬為稀有類群,占總數(shù)的14.85%(表2)。

      方差分析結(jié)果表明,在8種生境土壤中的螨類個體數(shù)與類群數(shù)之間均有顯著差異(P<0.05),其中個體數(shù)依次為Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ>Ⅵ>Ⅶ>Ⅴ>Ⅳ>Ⅷ,而類群數(shù)依次為Ⅱ>Ⅰ>Ⅳ>Ⅲ>Ⅴ>Ⅵ>Ⅶ>Ⅷ。無論從個體數(shù)還是類群數(shù)來看,土壤螨類數(shù)量在防護林(Ⅰ)和葡萄園(Ⅱ)最多,而在菜地(Ⅳ)和溫室大棚(Ⅷ)最少。其原因可能是葡萄園常用農(nóng)家肥,而防護林有較厚的凋落物層,為螨類的生存繁衍提供了良好的生活環(huán)境。菜地(Ⅳ)和溫室大棚(Ⅷ)生境雖然有一定的濕度和土壤肥力,而人為干擾較多,土壤成分單一,沒有足夠多的腐殖層。

      2.2 土壤螨類群落的時空分布

      在垂直分布上,8種生境土壤螨類個體數(shù)與類群數(shù)在不同土層之間均有明顯差異,并呈現(xiàn)出明顯的表聚性,研究區(qū)土壤螨類主要集中分布于表層土壤,即0~5 cm土層(8 248頭,53.49%),其次為5~10 cm土層(4 088頭,26.51%)、10~15 cm土層(2 204頭,14.29%),而15~20 cm土層最少(880頭,5.71%)(圖1)。

      從季節(jié)變化來看,不同生境土壤螨類個體數(shù)量均有明顯差異,依次為秋季(7 838頭,50.83%)>春季(4 683頭,30.37%)>冬季(1 946頭,12.62%)>夏季(953頭6.18%),見圖2。

      2.3 土壤螨類群落多樣性指數(shù)

      群落多樣性可以反映群落組成的復雜程度,用來評價群落生態(tài)的組織水平[22]。采用群落多樣性指數(shù)(H)、豐富度指數(shù)(M)、均勻度指數(shù)(E)及優(yōu)勢度指數(shù)(C)對不同生境土壤螨類群落進行分析(圖3)。

      分析可知,8種生境土壤螨類群落多樣性指標之間存在顯著差異(P<0.05),其中Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)在葡萄園和杏園內(nèi)較高,而在灌木林和溫室大棚內(nèi)較低,其順序依次為Ⅱ>Ⅲ>Ⅴ>Ⅳ>Ⅶ>Ⅵ>Ⅰ>Ⅷ。Margalef豐富度指數(shù)(M)在葡萄園內(nèi)最高,而在溫室大棚內(nèi)最低,其順序依次為Ⅱ>Ⅳ>Ⅰ>Ⅲ>Ⅴ>Ⅵ>Ⅶ>Ⅷ。Simpson優(yōu)勢度指數(shù)(C)依次為Ⅰ>Ⅷ>Ⅵ>Ⅳ>Ⅶ>Ⅴ>Ⅱ>Ⅲ。Pielou均勻度指數(shù)(E)依次為 Ⅳ>Ⅴ>Ⅶ>Ⅲ>Ⅱ>Ⅵ>Ⅷ>Ⅰ。防護林Ⅰ土壤螨類優(yōu)勢度高,但多樣性指數(shù)和豐富度指數(shù)并不高,均勻度指數(shù)較低,顯示出優(yōu)勢度和均勻度呈負相關關系。

      2.4 土壤螨類群落相似性分析

      群落相似性分析是根據(jù)群落的物種組成與數(shù)量分布判斷群落間的相似程度,分析影響群落結(jié)構(gòu)的主要因素[21-22]。不同生境土壤螨類群落Jaccard相似性分析結(jié)果見表3。

      由表3可知,不同生境間土壤螨類群落相似性較高,灌木林(Ⅶ)與防護林(Ⅰ)、菜地(Ⅳ)、耕地(Ⅴ)、草地(Ⅵ)和溫室大棚(Ⅷ)間的相似性為中等不相似(0.25≤q<0.50),占總相似性比例的 21.43%。其他生境之間多數(shù)為中等相似(0.50≤q<0.75),占總相似性比例的78.57%。葡萄園(Ⅱ)和防護林(Ⅰ)之間的相似性系數(shù)最高(0.696),防護林(Ⅰ)和溫室大棚(Ⅷ)之間的相似性系數(shù)最低(0.368),表明該區(qū)不同生境土壤螨類群落相似性基本上屬于中等相似。

      2.5 土壤螨類群落聚類分析

      生態(tài)學研究中常采用聚類和排序分析方法,對不同生境生物群落進行比較。以8種生境土壤螨類個體數(shù)的4次方為原始數(shù)據(jù)進行歐式距離組間平均聚類分析(hierarchical cluster analysis,簡稱HCA)和多維尺度分析(multi dimensional scaling,簡稱MDS)[23](Stress值為0.053 10<0.2,說明圖形吻合一般;RSQ值為0.976 69,說明不相似)。聚類和排序結(jié)果將8種生境分為4大類型,葡萄園(Ⅱ)和杏園(Ⅲ)合為1組,地表經(jīng)常有凋落層,人為干擾較少并且土壤環(huán)境條件也相似,這些因素可能是這2種生境土壤螨類分為1組的原因;菜地(Ⅳ)和耕地(Ⅴ)合為1組,這可能是地表凋落層很少并且人為干擾較大;草地(Ⅵ)、灌木林(Ⅶ)和溫室大棚(Ⅷ)為1組,這可能與地表凋落層較少和人為干擾較小有關,溫室大棚人為干擾大并且土壤條件單一;防護林(Ⅰ)單獨為1組,這可能是由于地表凋落層較厚并且人為干擾較少(圖4、圖5)。

      3 結(jié)論與討論

      土壤螨類在土壤生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)和能量循環(huán)中起著重要作用,土壤螨類可以通過自身行為活動改變土壤理化性質(zhì),同時土壤理化性質(zhì)的改變可以引起土壤螨類群落結(jié)構(gòu)及其多樣性的變化[21-22]。研究表明,新疆托克遜縣地區(qū)土壤螨類資源比較豐富,8種生境共獲得15 420頭土壤螨類標本,隸屬于4亞目49科61屬。其中優(yōu)勢類群和常見類群構(gòu)成該地區(qū)土壤螨類群落的主體(85.16%),決定整個群落的特征和生態(tài)功能,而稀有類群比較多(38屬),占總捕獲量的14.85%,它們對環(huán)境因素有較高的敏感性,可以作為土壤環(huán)境的指示生物。研究區(qū)優(yōu)勢類群只有長單翼甲螨屬,而鄯善縣甲螨群落研究中的優(yōu)勢類群為尖棱甲螨屬、菌甲螨屬、合若甲螨屬、若甲螨屬,比托克遜縣更加突出,這是因為鄯善縣年均降水量高于托克遜縣,土壤濕度高,適合更多甲螨生存[22]。因為濕度是影響土壤螨類密度和群落結(jié)構(gòu)最重要的因素之一[23-25]。時空分布表明,從不同地層土壤螨類的垂直分布情況來看,0~5 cm 土層中土壤螨類的個體數(shù)和類群數(shù)最多,而其他土層較少,這與其他研究結(jié)果基本一致[5-13]。這是由于植被組成和土壤養(yǎng)分含量差異較大,表層土壤有機質(zhì)含量比較豐富,容重低,通氣性好,土壤溫濕度等條件都比較適合多種土壤螨類的生存與繁殖[23-26]。土壤動物的垂直分布差異與土壤的理化性質(zhì)(土壤含水量、pH值、地溫條件)、植被以及營養(yǎng)狀況的垂直分布差異密切相關[24,27]。土壤螨類各類群個體數(shù)的季節(jié)動態(tài)變化顯示,秋季最高,夏季最低,這與前人研究結(jié)果[10-11]基本一致。這可能是由于托克遜縣夏季氣溫較高,土壤表面水分蒸發(fā)量大,從而使土壤濕度大大減少,不利于土壤螨類生存。

      生物多樣性是群落生物組成結(jié)構(gòu)的重要指標,反映群落內(nèi)物種的多少和生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)的復雜程度,從而反映各生境間的相似性和差異性[26]。研究表明,在不同土地利用類型土壤中,螨類群落多樣性均有顯著差異,這種差異可能與土壤環(huán)境的利用方式、土壤條件、植被類型以及凋落物層等多種因素有關[22-26]。結(jié)果表明,防護林和葡萄園多樣性及豐富度均最高,且群落穩(wěn)定性較好,防護林的優(yōu)勢度最高,這可能與凋落物含量較多和人為干擾較少有關。溫室大棚螨類群落多樣性和豐富度最低,這可能與凋落物很少并且人為干擾程度較大有關。防護林土壤螨類優(yōu)勢度最高,但均勻度指數(shù)最低,顯示出優(yōu)勢度和均勻度呈負相關關系。分析表明,土壤螨類群落個體數(shù)越豐富,其多樣性就越高,同時多樣性指數(shù)也受均勻度指數(shù)的影響;群落內(nèi)物種分布越均勻,則優(yōu)勢度越小,反之群落內(nèi)物種分布不均勻,則優(yōu)勢度就越大[27]。相似性指數(shù)是衡量生境與土壤動物關系的重要指標[28],研究區(qū)8種生境整體上表現(xiàn)為“中等相似”。雖然地表植被有差異,但土壤螨類群落相似性仍然較高,說明該區(qū)影響土壤螨類生態(tài)分布的重要因素可能是土壤環(huán)境因子(土壤含水量、溫度、有機質(zhì)、pH值及容重)[28-29]。研究表明,該區(qū)域土壤螨類資源比較豐富,并且土壤螨類群落多樣性指標在不同生境間均存在顯著差異。由于土壤螨類群落結(jié)構(gòu)與土壤理化性質(zhì)密切相關,有待進一步研究來揭示不同生境環(huán)境因子與螨類群落之間的相關性。

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