王跃棠， 梅续芳， 解李娜， 张国刚， 李清芳， 马成仓

(天津师范大学生命科学学院，天津市动植物抗性重点实验室， 天津 300387)

植物是改变土壤动物群落结构的重要驱动因子。土壤线虫作为土壤动物群落的一个重要组成部分，其功能结构对植物的响应已引起国内外学者广泛兴趣。研究表明有植被生长的土壤中，线虫群落的时空分布格局与无植被土壤具有显著差异[1]，且植物多样性增大，根系增加，线虫数量显著增加[2]；不同植物种类对线虫群落的影响不同[3]，如：豆科植物土壤中食细菌线虫较多，非豆科植物土壤中食真菌线虫较多，禾本科植物土壤中植物寄生性线虫数量较多；同一栖息地柽柳灌丛内线虫丰度显著高于灌丛外[4]。

灌木入侵已成为全球草地生态系统的普遍现象，其密度和盖度正在逐渐增加。灌丛的形成引起灌丛内水分和养分的富集，改变土壤的资源分配，形成比周围环境更适宜的微气候区域，即沃岛效应[5]。“沃岛”引发土壤资源的空间异质性加剧以及灌丛内外植被异质化，从而影响土壤动物群落[6-7]。锦鸡儿属(Caragana)植物是内蒙古地区的常见灌木，同时也是引起该地区灌丛化现象的主要植物种[8]。小叶锦鸡儿(C.microphylla)是锦鸡儿属的重要物种。关于小叶锦鸡儿的研究主要在科尔沁沙地人工种植的小叶锦鸡儿固沙林地开展的，天然草地小叶锦鸡儿灌丛对土壤线虫的影响研究较少。科尔沁沙地小叶锦鸡儿人工固沙林固定沙丘在春季，迎风坡和坡顶土壤线虫数量随着土层的加深而减少，在夏季，受高温干旱的影响，0～5 cm土层线虫数量较少，5～10 cm较多，下层依次减少[9]。

除了植物因素，土壤环境条件也是影响土壤线虫群落的重要因素之一。土壤氮含量影响土壤线虫的物种丰富度和群落结构稳定性[10]；土壤湿度是土壤线虫群落结构的重要因子，有研究表明土壤含水量与线虫数量正相关[11]或负相关[1]；土壤温度在一定程度上影响土壤线虫分布，这种影响因土壤线虫食性和种类的不同而有差异。

本研究假设小叶锦鸡儿灌丛的形成改变土壤环境条件，从而影响土壤线虫群落功能结构。以内蒙古荒漠草原区小叶锦鸡儿为研究对象，比较灌丛内外、不同土层土壤线虫群落组成、多样性指数和功能性指数的差异，为理解植物通过影响土壤线虫来调控土壤生态系统过程提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究地点和材料

本研究于2016年7月在内蒙古苏尼特右旗朱日和镇进行。朱日和镇位于42°40′ N，112°90′ E，海拔1 150.8 m；降水少且不均匀；年平均降水量约为221 mm；年平均蒸发量2 400～2 800 mm，是降水量的8到12倍；平均气温4.93℃。土壤质地以疏松的砂质壤土或沙土为主。

小叶锦鸡儿(Caraganamicrophylla)，豆科灌木，根系庞大，枝条再生能力强，是干旱草原、荒漠草原地带的优势种。具有耐高温、抗寒、抗旱、抗风蚀沙埋等生物学特性，同时还能够防风固沙、保持水土。

1.2 研究方法

1.2.1土壤样品采集 2016年7月在朱日和镇选取3个优势种为小叶锦鸡儿的实验样地，每个样地随机选取3株小叶锦鸡儿灌丛，分别在灌丛内、灌丛外(距离灌丛边缘2米)采集0～10 cm(A层)、10～20 cm(B层)、30～40 cm(C层)的土壤样品约300 g，将样品用自封袋密封后于4℃保存，并尽快带回实验室。一部分用于土壤理化性质的测定，一部分用于土壤线虫多样性的分析。

1.2.2土壤理化性质的测定 取50 g土风干，去除杂质、研磨过筛。土壤含水量采用烘干法；速效磷测定采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法；速效钾测定采用醋酸铵浸提-火焰光度法；pH值用水浸提电位法(水土比为2.5∶1)；土壤有机质测定采用重铬酸钾加热法；硝态氮和铵态氮测定采用流动分析仪法；电导率采用水土5∶1浸提后用DDS～LLA型电导仪测定。小叶锦鸡儿灌丛内、灌丛外土壤理化性质见表1。

1.2.3土壤线虫群落多样性测定 称取20 g鲜土，采用Baermaim法分离线虫。在倒置显微镜下按科、属对线虫进行分类、计数。按公式计算灌丛内外、不同分层土壤线虫指数。

采用Shannon-Wiener指数描述土壤线虫多样性。用植物寄生线虫成熟度指数(PPI)、自由生线虫成熟度指数(MI)描述土壤线虫的成熟度。用结构指数(SI)、富集指数(EI)、通道指数(CI)来指示各生境中土壤线虫群落功能结构特征。

Shannon-Wiener指数H’=-∑PilnPi

植物寄生线虫成熟度指数 PPI=∑v(i)× f’(i)

自由生线虫成熟度指数 MI=∑v(i)× f(i)

结构指数 SI=100×(s/(s+b))

富集指数 EI=100×(e/(e+b))

通道指数 CI=100×(0.8×FF2/(3.2×BF1+0.8×FF2))

Bongers(1990)依据线虫的生活史对策(K-对策和r-对策)将线虫划分为5个c-p类群。c-p 1类群为典型r-对策者，而c-p 5类群为典型K-对策者。根据土壤线虫的食性特征将土壤线虫划分为植物寄生线虫(PP)、食真菌线虫(FF)、食细菌线虫(BF)、捕食/杂食性类线虫(OP)。其中，S为物种数，Pi=Ni/N，为各个种群的个体数量与群落总个体数量的比值。v(i)为土壤线虫第i类群的Colonizers-Pesisters(c-p)值；f(i)为植物寄生线虫第i类群的个体占群落总个体数的比例；f’(i)为自由生活线虫第i类群的个体占群落总个体数的比例。

表1 小叶锦鸡儿灌丛内外土壤理化性质Table 1 Physical and chemical characteristics of soil inside and outside shrub canopies of C. microphylla

富集指数(EI)可用于评估食物网对可利用资源的响应。结构指数(SI)可指示在干扰(胁迫)或生态恢复过程中地下食物链完整性的变化。通道指数(CI)是考察线虫分解途径的指数，加权了线虫c-p值，进一步分析线虫的分解途径。其中b=0.8×(BF2+FF2)；e=3.2×BF1+0.8×FF2；s=BFn×Wn+FFn×Wn+OPn×Wn(n=3～5，W3=1.8，W4=3.2，W5=5.0)。

根据计算的EI、SI指数可以将线虫区系划分为A、B、C、D四个象限，其中EI和SI值在0～100之间，当EI大于50但SI小于50(A象限)时，表明土壤养分状况较好但受干扰程度较高，食物网受到一定程度的干扰；当EI和SI都大于50(B象限)时，表明土壤养分状况较好而且受干扰程度较小，食物网稳定成熟；EI小于50但SI大于50(C象限)时，表明土壤养分状况较差但受干扰程度较小，食物网处于结构化的状态;而EI和SI都小于50时(D象限)时，表明土壤养分状况较差而且受干扰程度最高，已对环境造成胁迫，食物网退化[12]。

1.3 统计分析

用SPSS 17.0软件进行单因素方差分析，分析灌丛内或灌丛外不同土层线虫数量和多样性的差异，用Tukey HSD做多重比较；采用独立样本t检验分析灌丛内和灌丛外的差异；采用CANOCO 4.5软件进行冗余分析(RDA)，分析土壤线虫和环境因子之间的关系。用Monte Carlo置换检验分析环境因子显著性。统计显著性水平为P<0.05。

2 结果与分析

2.1 灌丛土壤线虫的数量和多样性指数

小叶锦鸡儿灌丛内线虫数量显著高于灌丛外(P<0.05，图1A)。不同土层小叶锦鸡儿灌丛内土壤线虫总数均高于灌丛外，其中A层、B层差异显著(P<0.05)。无论是灌丛内还是灌丛外，土壤线虫总数随着土壤深度的增加呈下降的趋势(灌丛内：F2,6=33.277，P<0.05；灌丛外：F2,6=2.987，P=0.126；图1B)。

图1 小叶锦鸡儿灌丛内和灌丛外不同深度土壤线虫总数Fig.1 The total number of soil nematodes inside and outside shrub canopies of C. microphylla at different soil depths.注：*表示同一土壤深度灌丛内和灌丛外差异显著(t-test,P<0.05)；不同字母(灌丛内：小写字母；灌丛外：大写字母)表示不同土层间差异显著(Tukey HSD tests,P<0.05)。A表示0～10 cm土层、B表示10～20 cm土层、C表示30～40 cm土层，下同Note:Different letters (inside-shrub:lowercase;outside-shrub:uppercase) indicate significant differences in the means between soil depth (Tukey HSD tests,P<0.05). In the same soil depth asterisks indicate significant differences in the means between inside-shrub and outside-shrub (t-test,P< 0.05). A:0～10 cm soil layer,B:10～20 cm soil layer,C:30～40 cm soil layer,the same as below

在表层土中，小叶锦鸡儿灌丛内土壤线虫Shannon-Wiener指数高于灌丛外，而中层土和深层土均低于灌丛外。随土壤深度的增加，灌丛内和灌丛外Shannon-Wiener指数均呈下降的趋势(灌丛内：F2,6=8.811，P<0.05；灌丛外：F2,6=0.241，P=0.793)，灌丛内深层土显著低于表层土(图2)。

图2 小叶锦鸡儿灌丛土壤线虫Shannon-Wiener指数Fig.2 Shannon-Wiener index of soil nematodesinside and outside shrub canopies of C. microphyllaat different soil depths

2.2 灌丛土壤线虫群落组成

小叶锦鸡儿灌丛内和灌丛外共鉴定出土壤线虫21属，其中食细菌类线虫6属，食真菌类线虫2属，植食性线虫8属，捕食-杂食类线虫5属(表2)。如图3所示，灌丛内和灌丛外土壤线虫组成不同，灌丛内土壤线虫18属，灌丛外13属，且无论灌丛内还是灌丛外，食细菌类线虫占土壤线虫总数比例均最大(灌丛内：BF:49.13%；FF:12.59%；PP:20.66%；OP:17.56%；灌丛外：BF:49.82%；FF:26.55%；PP:6.19%；OP:17.45%)。灌丛内土壤线虫种类明显多于灌丛外(表2)。

图3 小叶锦鸡儿灌丛内外不同土层土壤线虫营养类群Fig.3 Abundance of nematode trophic groupsinside and outside shrub of C. microphylla atdifferent depth of soil注：BF:食细菌线虫；FF:食真菌线虫；PP:植物寄生线虫；OP:捕食-杂食线虫Note：BF:Bacterial-Feeding nematode;FF:Fungal-Feeding nematode;PP:Plant parasitic nematodes;OP:Omnivorous-Predation nematodes

表2 小叶锦鸡儿灌丛土壤线虫的群落组成、营养类群和c-p值Table 2 Composition,trophic groups and c-p values of soil nematodes C. microphylla

营养类群Trophic Groups属名GenusC-P值灌丛内Inside-shrub灌丛外Outside-shrub0～10 cm10～20 cm30～40 cm0～10 cm10～20 cm30～40 cm食细菌(BF)柄端球属Paurodontus1+++++++++++++-伪杆咽属Rhabdontolaimus1+-----异球属Anisakis1---+++++++++板唇属Chiloplacus2++++++---丽突属Acrobeles2+--++++++拟丽突属Acrobeloides2++++++++++++-食真菌(FF)滑刃属Aphelenchoides2++++++++++++++++真滑刃属Aphelenchus2++-++++-植寄生类(PP)矮化属Tylenchorhynchus2++-----散香属Boleodorus2+++++++--伪垫刃属Nothotylenchus2++++-++++++短体属Pratylenchus3+-----螺旋属Helicotylenchus3---+++-+++盘旋属Rotylenchus3+++----潜根属Hirschmanniella3++-----头垫刃属Tetylenchus3+++++--++捕食-杂食(OP)桑尼属Thorni4+++++++++++++真矛线属Eudorylaimus4+--+++++++刺咽属Monochulus5---++++++孔咽属Aporcelaimus5+++----中矛线属Mesodorylaimus5++++++---

注：+++表示优势属，>10%；++表示常见属，1%～10%；+表示稀有属，<1%；-表示没有出现

Note：+++:Dominant genus;++:Frequent genus;+:Raregenus;-:Not detected

2.3 灌丛土壤线虫功能性指数

小叶锦鸡儿灌丛内表层土中自由生活线虫成熟度指数(MI)显著低于灌丛外(P<0.05)，深层土MI高于灌丛外，但差异不显著(P=0.602)。不同土层，无论灌丛内还是灌丛外MI均表现为表层土或次表层土最大(图4A)。

图4 小叶锦鸡儿灌丛内和灌丛外不同土层土壤线虫成熟度指数和通道指数Fig.4 Maturity index of free nematodes and CI index inside and outside shrub canopies of C. microphyllaat different soil depths

灌丛内表层土中植物寄生性线虫成熟度指数(PPI)显著高于灌丛外(P<0.05)，其它土层中灌丛内低于灌丛外，差异不显著(P=0.760)。灌丛内PPI随土壤深度的增加而下降，其中中层土和深层土显著低于表层土，而灌丛外PPI指数变化不大(灌丛内：F2,6=9.513，P<0.05；灌丛外：F2,6=0.074，P=0.930；图4B)。

除灌丛内表层土线虫通道指数(CI)小于50外，其余处理CI均大于50(图4C)。

2.4 灌丛土壤线虫区系分析

各样品结构指数(SI)和富集指数(EI)样点多分布在C、D两个象限。这说明荒漠化草原土壤养分条件很差。表层土SI最大，EI也相对较高，尤其是灌丛内，说明灌丛内表层土受干扰程度较低(图5)。

图5 小叶锦鸡儿灌丛土壤线虫区系分析图Fig.5 Analysis of soil nematode fauna of C. microphyllashrub注：▲：灌丛内0～10 cm;■：灌丛内10～20 cm;●：灌丛内30～40 cm;△：灌丛外0～10 cm;□：灌丛外10～20 cm;□：灌丛外30～40 cmNote：▲：inside-shrub at the depth of 0～10 cm;■：outside-shrub at the depth of 0～10 cm;●：inside-shrub at the depth of 10～20 cm;△：outside-shrub at the depth of 10～20 cm;□：inside-shrub at the depth of 30～40 cm;□：outside-shrub at the depth of 30～40 cm

2.5 灌丛土壤线虫群落与环境因子的关系

RDA直接排序图显示第一轴、第二轴对响应变量的解释比例分别为64.9%，19.4%(图6)。Monte Carlo置换检验均达到显著水平(第一排序轴：F=11.109,P<0.05;所有排序轴：F=3.804,P=0.01)，说明环境因子显著影响土壤线虫群落。与第一轴关系最密切的是灌丛(r=0.5940)，与第二轴关系最紧密的是电导率(r=0.2081)。RDA排序图结果表明，板唇、真滑刃、拟丽突、盘旋和丽突属与硝态氮和含水量呈明显正相关，与pH呈明显负相关。垫刃、潜根、散香、真滑刃、短体、伪杆咽、异球、柄端球、真矛线、矮化、头垫刃、桑尼、中矛线、伪垫刃、刺咽和孔咽属与速效磷、速效钾、有机质和铵态氮呈明显正相关，与pH和电导率呈明显负相关。螺旋属与pH呈明显正相关，与其它环境变量均呈显著负相关。

图6 小叶锦鸡儿灌丛土壤线虫群落和环境因子的冗余分析Fig.6 Redundancy analysis (RDA) diagram of therelation between soil nematode communities andenvironmental parameters for C. microphylla注：A:0～10cm;B:10～20cm;C:30～40cm;inner:灌丛内;outer:灌丛外;NOx-N:硝态氮;NH3-N:铵态氮;P:速效磷;K:速效钾;organic:有机质;moisture:含水量;conducti：电导率;Aph.：真滑刃属；Chi.：板唇属；Tho.：桑尼属；Bol.：散香属；Aphe.：滑刃属；Eud.：真矛线属；Mes.：中矛线属；Pau.：柄端球属；Acrobeloides：拟丽突属；Acrobeles：丽突属；Apo.：孔咽属；Tylen.：矮化属；Tet.：头垫刃属；Not.：伪垫刃属；Rot.：盘旋属；Hir.：潜根属；Tyle.：垫刃属；Pra.：短体属；Rha.：伪杆咽属；Ani.：异球属；Hel.：螺旋属Note：A:0～10cm;B:10～20cm;C:30～40cm;inner:Inside-shrub;outer:Outside-shrub;NOx-N:Nitrate N;NH3-N:Ammonium N;P:Available P;K:Available K;organic:Organic Matter;moisture:Water Content; conducti：Conductivity;Aph.：Aphelenchus；Chi.：Chiloplacus；Tho.：Thorni；Bol.：Boleodorus；Aphe.：Aphelenchoides；Eud.：Eudorylaimus；Mes.：Mesodorylaimus；Pau.：Paurodontus；Acrobeloides：Acrobeloides；Acrobeles：Acrobeles；Apo.：Aporcelaimus；Tylen.：Tylenchorhynchus；Tet.：Tetylenchus；Not.：Nothotylenchus；Rot.：Rotylenchus；Hir.：Hirschmanniella；Tyle.：Tylenchus；Pra.：Pratylenchus；Rha.：Rhabdontolaimus；Ani.：Anisakis；Hel.：Helicotylenchus

3 讨论

荒漠化草原区小叶锦鸡儿灌丛内土壤线虫的数量、表层土Shannon-Wiener指数均高于灌丛外。这主要是由灌丛的“肥岛效应”引起的。一方面灌丛引起土壤资源异质化，导致灌丛内环境条件、土壤资源优于灌丛外，灌丛内植物多样性高于灌丛外[13]。高的植物多样性有利于土壤微生物的生长[14-15]，进而增加了土壤线虫数量和多样性。另一方面灌丛可以有效的保护土壤线虫免受高温和干旱等胁迫影响。RDA分析表明，灌丛与土壤线虫群落关系密切，这进一步说明灌丛强烈影响土壤线虫群落。这也与Martius等[16]研究结果一致，即灌丛对土壤线虫分布具有重要作用。

随土壤深度的增加，小叶锦鸡儿灌丛土壤线虫数量和多样性均呈下降趋势，这说明灌丛土壤线虫具有明显表聚性，这与土壤资源可利用性以及土壤非生物因素有关[17]。植物凋落物一直被认为是土壤食物网的主要可利用资源[18-19]，而土壤线虫群落与由植物凋落物供给的土壤资源状况(如有机碳)成正相关关系[20-21]。土壤表层覆盖较多凋落物，凋落物分解将有效可利用资源输入土壤，有利于土壤表层线虫生长。另外，研究表明土壤线虫群落受土壤性质影响，如土壤类型[22]、土壤水分[11]、pH、电导率[23]等。随着土壤深度的增加，土壤性质具有明显差异(表1)，因此导致不同土层土壤线虫群落的差异。我们RDA分析表明，土壤线虫群落与土壤电导率具有明显相关性，这说明土壤电导率显著影响土壤线虫群落。

研究表明食微线虫丰富度与土壤微生物数量和活性有关。由于灌丛“肥岛效应”，灌丛内土壤微生物丰富度高于灌丛外[7]，从而造成灌丛内外食微线虫丰富度明显大于灌丛外。同时随土壤深度的增加，土壤微生物数量的减少[24]也造成食微线虫数量下降。捕食杂食类线虫在一定程度上反映了土壤食物网的复杂度[25]。灌丛内外捕食杂食类线虫比例没有显著变化(均大约为17.58%)，这说明灌丛并没有影响土壤食物网的复杂性。无论灌丛内还是灌丛外，随着土壤深度的增加，植物寄生类线虫比例逐渐下降。这是由于植物寄生类线虫主要取食于植物根系，而土壤表层或次表层植物根系复杂多样。另外，深层土壤环境状况(厌氧和较低的温度)也抑制植物寄生线虫的生长[26]。相比其它线虫，拟丽突属(Acrobeloides)与温度成正相关关系[27]。在我们研究中，拟丽突属为小叶锦鸡儿灌丛内优势属，这也说明灌丛具有保温作用。

MI和PPI指数反映土壤线虫群落功能结构特征，可以评价土壤的健康程度、受干扰程度及土壤生物群落的演替状态[28]。本文结果表明灌丛内表层土MI指数最低，这说明灌丛内表层土具有相对稳定的土壤环境，且土壤生物群落处于演替初期。随土壤深度的增加，PPI指数呈下降趋势，这与植物寄生类线虫比例降低，食微线虫比例增加有关。Bongers(1997) 等人研究发现PPI值与土壤营养状况有关，并随着土壤营养状况的增加而增加，但这种现象只有当c-p值大于3的植物寄生线虫增加时才会出现[29]。这与我们的研究结果相反，本文并没有发现c-p值大于3的植物寄生线虫，只观察到c-p值等于2或3的植物寄生线虫，因此本文PPI值的降低依赖于c-p值等于2或3的植物寄生线虫。

在我们研究中，小叶锦鸡儿灌丛表层土自由生活线虫丰富度最大，因此EI相对较高，且SI最大，尤其是灌丛内表层土。这同样也说明灌丛内表层土环境稳定，受干扰程度较低，也间接证明了豆科植物显著增加了土壤食物网的结构，具有较高的SI[30]。灌丛内表层土线虫CI小于50，其余样品土壤CI均大于50。这说明小叶锦鸡儿灌丛内表层土线虫分解有机物以细菌通道为主，灌丛外以真菌通道为主。

4 结论

在荒漠化草原区，小叶锦鸡儿灌丛能够提高土壤线虫数量和多样性，这种效应随着土层深度增加，逐渐减弱。土壤线虫成熟度指数、富集指数和结构指数分析说明灌丛内表层土具有相对稳定的土壤环境，受干扰程度较低。土壤线虫的通道指数分析说明灌丛内表层土线虫分解有机物以细菌通道为主，灌丛外以真菌通道为主。小叶锦鸡儿灌丛通过影响土壤资源和土壤环境稳定性而影响土壤线虫的群落结构和功能。