氮添加對(duì)南甕河保護(hù)區(qū)土壤動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)和多樣性的影響

孫 元，閆國(guó)永，魏 嘉，劉香雨

(1. 黑龍江大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學(xué)院， 哈爾濱 150080；2. 曲阜師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，山東 曲阜 273165)

0 引 言

土壤動(dòng)物是陸地的生態(tài)系統(tǒng)中重要的部分，在物質(zhì)與能量的轉(zhuǎn)換中占據(jù)舉足輕重的作用[1]。土壤動(dòng)物可以通過(guò)身體里分泌的多種酶類分解動(dòng)植物殘骸，給地上的植物提供它們生長(zhǎng)發(fā)育需要的各種物質(zhì)，同時(shí)改善土壤。土壤動(dòng)物對(duì)自己所在的土壤要求較高，因此可以通過(guò)研究其在不同土壤環(huán)境下的生活及分布狀態(tài)來(lái)檢測(cè)環(huán)境質(zhì)量[2]。

目前，氮沉降已經(jīng)成為了一個(gè)世界性的問(wèn)題。為提高糧食產(chǎn)量而致使農(nóng)田氮肥及含氮農(nóng)藥的過(guò)度使用，工業(yè)生產(chǎn)中由于化石燃料的燃燒而帶來(lái)的空氣和水體污染，城市里大量的汽車尾氣排放加上秸稈焚燒，都在一定程度上造成了大氣氮沉降[3]。這些氮元素以各種方式進(jìn)入土壤環(huán)境，在對(duì)地表生長(zhǎng)的植物產(chǎn)生影響的同時(shí)還破壞土壤動(dòng)物的生物多樣性，誘導(dǎo)更多問(wèn)題的產(chǎn)生[4-5]。Xu G L等[4]指出氮添加增加了土壤氮可用性，降低了土壤pH值，進(jìn)而改變了土壤動(dòng)物群落。Bian H等[5]指出氮添加可能通過(guò)改變地下食物資源來(lái)驅(qū)動(dòng)土壤動(dòng)物群落組成的變化。Tiao Y等[6]指出氮添加可能不會(huì)改變土壤動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)和多樣性。這些不一致的結(jié)果說(shuō)明對(duì)氮添加如何改變土壤動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)仍存在不足之處。

基于上述，在南甕河自然保護(hù)區(qū)開展了氮添加實(shí)驗(yàn)，研究氮添加對(duì)土壤動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)和多樣性的影響。

1 自然概況

實(shí)驗(yàn)中所用的觀察標(biāo)本來(lái)源于黑龍江省大興安嶺南甕河國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)(51°05′～51°39′N, 125°07′～125°50′E)。此地的林型為北方針葉林，樣地所處的位置地處寒溫帶大陸性氣候。年平均氣溫為-2.4 ℃，最高月平均氣溫為18.6 ℃，一般出現(xiàn)在7月份，最低平均溫度為-26.3 ℃,一般出現(xiàn)在1月份。年平均降水量約為489 mm，其中70%～80%在7—8月的生長(zhǎng)最旺盛季節(jié)。研究區(qū)域的土壤類型主要為0～20 cm的砂壤土和20～40 cm的礫砂土。試驗(yàn)區(qū)植物群落以落葉松(29 a生)為主。研究地點(diǎn)的林分密度為2 852±99株hm-2，胸徑(1.3 m高，胸徑)為8.98±0.32 cm。

研究區(qū)內(nèi)的喬木主要以興安落葉松(Larixgmelinii) 、山 楊 (Populusdavidiana) 、白 樺(Betulaplatyphylla) 等為主，灌木植被主要有興安杜鵑(Rhododendrondauricum) 和叢樺(Betuladahurica) 等，沼澤草本植物以杜香(Ledumpalustre) 、苔蘚等為主[7]。

2 研究方法

參照歐洲NITREX項(xiàng)目和北美Harvard Forest以及我國(guó)廣東省鼎湖山等地類似研究的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，共設(shè)4個(gè)梯度施氮處理，分別為對(duì)照(CK, 0 g·Nm-2·yr-1)、低氮(LN，2.5 g·Nm-2·yr-1)、中氮(MN, 5 g·Nm-2·yr-1)和高氮(HN,7.5 g·Nm-2·yr-1)。

于2017年5月進(jìn)行采樣，共有3塊取樣地，每塊取樣地中有4塊小地，每塊小地重復(fù)取樣3次。樣品用黑色塑料袋封好，帶回實(shí)驗(yàn)室，利用Tullgren干漏斗法分離24 h后，收集樣品中的土壤動(dòng)物。將分離的土壤動(dòng)物保存在75%酒精中，在Tech XTS-20解剖鏡和Tech SA3000顯微鏡下依照《中國(guó)土壤動(dòng)物檢索圖鑒》進(jìn)行分類鑒定并統(tǒng)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)[8]。

鑒定結(jié)束后，在Microsoft Excel 2016上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，利用Biodap軟件得出各指數(shù)的數(shù)值，主要采用Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)，將得到的兩種指數(shù)的數(shù)值取均值后導(dǎo)入SPSS分析。最后利用Microsoft Excel 2016將分析結(jié)果作圖，得到對(duì)照組與施氮組的對(duì)比結(jié)果。

Shannon-Wiener指數(shù)公式：

H=-∑PilnPi

(1)

Simpson指數(shù)公式：

C=∑(ni/N)2

(2)

式中：Pi為樣品中第i種的土壤動(dòng)物個(gè)數(shù)與總個(gè)數(shù)的比值;ni為第i種土壤動(dòng)物的個(gè)數(shù);N為總個(gè)數(shù)。

3 結(jié)果與分析

經(jīng)分離共得到土壤動(dòng)物標(biāo)本12 910個(gè)，分別屬于4綱11目21科。其中的優(yōu)勢(shì)類群為彈尾目(Collembola)、真螨目(Acariformes)，常見類群為寄螨目(Parasitiformes)，稀有類群為近孔寡毛目(Plesiopora)、地蜈蚣目(Geophilomorpha)、鱗翅目(Lepidoptera)、雙翅目(Diptera)、半翅目(Hemiptera)、膜翅目(Hymenoptera)、雙尾目(Diplura)和鞘翅目(Coleoptera)(表1)。將結(jié)果進(jìn)行整理，得到該地區(qū)土壤動(dòng)物的群落特征(表2)。在不同處理下，優(yōu)勢(shì)種群的相對(duì)豐度發(fā)生變化，氮添加在一定程度上改變了土壤動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)?；谠撗芯繕拥叵惹暗难芯靠芍?，氮添加改變了土壤性質(zhì)、微生物群落結(jié)構(gòu)和植物細(xì)根生物量(表3)[9-10]?？赏茰y(cè)，土壤動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的變化可能是因?yàn)榈砑痈淖兺寥绖?dòng)物的生存環(huán)境和食物來(lái)源導(dǎo)致。

表1 南甕河保護(hù)區(qū)春季土壤動(dòng)物組成Table 1 Spring soil animal composition in Nanwenghe Nature Reserve

表2 南甕河保護(hù)區(qū)春季土壤動(dòng)物群落特征Table 2 Characteristics of soil animal communities in Nanwenghe Nature Reserve in spring

表3 不同處理下的具體數(shù)據(jù)Table 3 Specific data under different treatments

土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)和類群數(shù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。由圖1可見，與CK組相比，施氮處理下春季大興安嶺南甕河地區(qū)土壤動(dòng)物類群數(shù)均上升，其中LN組上升的最多；而除LN組外土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)均上升，其中HN組上升最多。土壤動(dòng)物生態(tài)指數(shù)見圖2。由圖2可見，與CK組相比，除LN組外春季大興安嶺土壤動(dòng)物優(yōu)勢(shì)度指數(shù)均下降，其中MN組為最低值；除HN組外土壤動(dòng)物多樣性指數(shù)均上升，其中LN組為最高值?？偟膩?lái)看，低水平氮添加有增加土壤動(dòng)物多樣性的趨勢(shì)，高水平氮添加有降低土壤動(dòng)物的趨勢(shì)。該研究結(jié)果與先前的一些研究結(jié)果一致[6,11]，即低水平氮添加可能增加植物、動(dòng)物和微生物多樣性。低水平氮添加促進(jìn)土壤動(dòng)物發(fā)展和多樣性的主要原因可能是：氮添加緩解了土壤氮限制，增加了植物和微生物生長(zhǎng)，必將增加土壤動(dòng)物的食物來(lái)源，緩解土壤動(dòng)物間的競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致土壤動(dòng)物發(fā)育和多樣性增加[6]。氮添加可能通過(guò)改善凋落物質(zhì)量，例如增加凋落物氮含量降低木質(zhì)素含量，影響微生物發(fā)展和多樣性。而高水平氮添加引起的負(fù)面效應(yīng)可能不利于土壤動(dòng)物生存，導(dǎo)致土壤動(dòng)物多樣性降低。例如，高水平氮添加將導(dǎo)致土壤酸化和植物生長(zhǎng)受限，進(jìn)而降低不耐酸的土壤動(dòng)物消失，導(dǎo)致土壤動(dòng)物多樣性降低。

圖1 4種處理下土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)和類群數(shù)對(duì)比(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Fig.1 Comparison of the number of individuals and groups of soil animals under four treatments (mean±SE)

圖2 4種處理下的土壤動(dòng)物生態(tài)指數(shù)(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Fig.2 Soil animal ecological index under the four treatments (mean ± SE)

4 結(jié) 語(yǔ)

與CK組相比，施氮處理下的類群數(shù)明顯表現(xiàn)為上升，個(gè)體數(shù)及Shannon-Wiener指數(shù)總趨勢(shì)為上升，其中LN組的個(gè)體數(shù)以及HN組的Shannon-Wiener指數(shù)表現(xiàn)為下降，Simpson指數(shù)總趨勢(shì)為下降，其中LN組表現(xiàn)為上升。結(jié)果表明，低水平氮添加將改善土壤環(huán)境，增加土壤動(dòng)物多樣性，改善土壤養(yǎng)分循環(huán)。而高水平氮添加可能通過(guò)降低土壤動(dòng)物多樣性，抑制土壤能量和化學(xué)物質(zhì)循環(huán)。