退耕还林是指在水土流失严重或粮食产量低而不稳定的坡耕地和沙化耕地以及生态地位重要的耕地，退出粮食生产并植树或种草。陇南市武都区在1995—2011年，林地转入最为剧烈，一直是全省、市退耕还林还草的试点地区之一，并且在短短十几年里，已经产生了显著的经济和生态效益。土壤动物与土壤生态系统的环境要素密切相关，探明土壤动物与环境要素之间的相互关系对深刻认识土壤生态系统的运行机制、评价土壤生态系统功能具有重要意义^[1]。迄今为止，对生态恢复的评价尚无统一的指标体系。土壤是生态系统诸多生态过程(如营养物质循环、水平衡、凋落物分解)的参与者，土壤营养状况直接影响生物群落的组成，决定着生态系统的结构、功能和生产力水平，是生态系统功能恢复与维持的关键指标之一。多数研究表明，对于一个已退化的生态系统，其恢复程度可以通过土壤理化性质和物种多样性的恢复两个方面进行表征。长期以来，人工林营造植被恢复被广泛应用于退化生态系统的恢复，这不仅构建了退化生态系统的初始植物群落，进而促进改善区域生态和环境，从而有利于土壤动物的生存和繁殖，促进土壤动物群落的复杂化。

纤毛虫是最复杂和最高等的单细胞动物，是土壤生态系统中十分重要的动物类群之一，因其物种繁多、现存量和生产量巨大、个体微小、细胞膜纤薄、生长繁殖快、群落演替迅速、分布广泛等特点而对生态环境变化十分敏感，是理想的环境指示生物^[2]。目前，纤毛虫已被广泛应用于监测、评价和预报土壤、人工湿地和淡水等生态系统的环境状况^{[3, 4, 5, 6]}。关于纤毛虫群落特征对退耕还林后生态系统的评价，目前仅见于宁应之等人有关甘肃定西华家岭退耕还林的研究工作^[7]。本文基于研究结果分析了研究区退耕还林生态恢复下的土壤纤毛虫群落特征及其与土壤环境因子间的相关关系，并利用纤毛虫群落特征参数评价了退耕还林生态恢复的效果，旨在为该区环境和生物多样性保护、退耕还林效果的生物学评价体系建立及退耕还林后续工程的优化设计与实施提供基础资料和理论依据。

陇南市武都区位于甘肃省东南部，属长江流域嘉陵江中游，秦巴山系结合部，陕、甘、川三省交通要道。总地势为西北高，东南低，最高峰擂鼓山海拔3 600 m，最低裕河曲家庵海拔 660 m。地形特点是沟谷发育、切割强烈、地表起伏大、山势陡峻、相对高差大(相对高差1 000—1 500 m)，坡度大。区内主要地貌类型包括侵蚀堆积河谷、侵蚀构造高中山和侵蚀构造溶蚀丛峰中山。年平均气温14.7 ℃，年降水量400 mm左右，无霜期210—240 d，属亚热带半湿润气候。地理坐标为32°47′48″—33°42′25″ N，104°34′25″—105°38′28″ E，年平均湿度61%，9月相对湿度最大为72%，2月最小为53%。

该地区因长期人类活动的破坏，导致水土流失严重、生态环境退化及生物多样性严重丧失。为改变人类活动对本地区造成的生态环境破坏现状，该区以花椒树、油橄榄、核桃树、柏树和落叶松等为植被恢复的主要树种进行了大规模生态恢复与经济造林。经近10年的努力，武都区造林达32333 万m²，植被恢复已显示出一定的生态和环境效应。

所选样地位于武都区南山区和北山区(33°22′13.41″—33°22′47.6″ N，104°55′22.57″—104°55′43.1″ E)，依生态恢复时间的不同，在甘肃陇南武都退耕还林区选择了5个不同恢复阶段的小生境和1个未恢复的荒草坡作为对照(图1)，其中Ⅰ号为未恢复的北山荒草坡，其草本复杂，有火绒草(Leontopodium alpinum)、早熟禾(Poa annua)和一些旱生草本；Ⅱ号为恢复年限3a的砚台山退耕还林1区，其优势植物主要为侧柏(Platycladus oirentalis)和耐干旱灌木，其中刺型灌木丛较多，地上凋落物层不足1 cm。Ⅲ号为恢复年限5a的砚台山退耕还林2区，侧柏为优势植物，林下草本主要为菊科蒿属(Artemisia)和禾本科狼尾草(Pennisetum alopecuroides)等，凋落物层厚1—2 cm。Ⅳ号为恢复年限7a的北山农田退耕区，其优势植物为侧柏，林下草本有火绒草、冰草(Agropyron)和一些旱生草本。凋落物层厚2—3 cm。Ⅴ为恢复年限8a的北山绿化区地，侧柏为优势植物，林下分布有复杂草本，如火绒草等。凋落物厚2—3 cm。Ⅵ号为恢复年限10a的砚台村退耕还林区10年侧柏树林，林下草本复杂，凋落物层厚4—5 cm。

图 1 土壤纤毛虫采样点示意图 Fig.1 The sampling sites of soil ciliates Ⅰ：北山荒草坡；Ⅱ：砚台山退耕还林1区；Ⅲ：砚台山退耕还林2区；Ⅳ：北山农田退耕区；Ⅴ：北山绿化区；Ⅵ：砚台村退耕还林区

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土样采集于 2010年2月底。在样点面积约 400 m²的范围内，用15 mL圆筒形采样器依棋盘式采样法采集0—5 cm土壤层的土样25个进行混合，采集前拣去表面上的新鲜凋落物，并进行经纬度和植被状况等相关记录。土样带回实验室后，分两部分处理：一部分新鲜土样做直接观察、土壤含水量和pH值的测定之用；剩余土样于牛皮纸上使之自然风干，期间用透气纸遮盖土样，并关闭门窗以防止外界空气中纤毛虫包囊进入土样，风干后土样分别装袋标号供理化因子测定和土壤纤毛虫培养观察之用。

土温利用曲管地温计(温度范围为：-10—60 ℃)测定；土壤pH值采用电位测定法(土∶水 = 1∶2.5) 用TSS-851土壤湿度酸度计测定；土壤含水量采用烘干法测定；土壤速效磷量采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定；有机质测定采用水合热-光电比色法；速效钾测定采用四苯硼钠比浊法；铵态氮测定采用不用硝普钠的靛酚兰比色法。测定仪器为TFW-Ⅱ土壤养分多功能分析仪(武汉市天联科教仪器发展有限公司)。

定性研究采用“非淹没培养皿法”^[8]。每份风干土样取 50 g，分别置于直径 15 cm 的培养皿中，25 ℃下培养 24 h后即可镜检以鉴定物种。每份土样重复培养若干次，直到未检出新见物种为止。鉴定技术包括活体观察和染色制片^[9]。物种鉴定所用文献资料见参考文献[10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21]。定量研究采用Foissner计数法^[22]进行纤毛虫的培养计数。

对鉴定到的各级分类单元进行统计并划分优势类群和次优势类群，将物种数最多的目(order)定义为优势类群，物种数次多的目定义为次优势类群。多样性指数依据 Margalef 多样性指数公式 d = (S-1) / lnN 计算,式中 d 为多样性指数；S 为物种数；N 为个体总数。d 值的大小表示物种多样性的高低^[23]。称取已风干过 2 mm筛的土壤 30 g，置于直径为 5 cm的培养皿中，加蒸馏水，使其土壤略饱和(110%)，25 ℃恒温培养 9 d，这时纤毛虫通常能达到最大多样性和密度，在第 10 d 时培养皿倾斜 45°约5 min，吸取土壤上清液，取 0.1 mL摇匀的上述液体用Bouin氏液固定于显微镜下计数，最后换算成1 mL的纤毛虫密度^[22]。所有数据均用SPSS 16.0处理，对环境因子和群落结构参数进行分层聚类进行分析。使用软件Canoco4.5进行冗余分析(Redundancy Analysis，RDA)，对纤毛虫物种数据和土壤环境因子数据进行lg(x+1)处理(pH 值不进行数据处理)后进行排序分析，得到环境因子间的相关性。利用GPS获得的经纬度数据在地图上定位后，用Arcview gis 3.3绘制采样图；折线、柱状图等均采用Origin 8.0绘制。

研究区各样点的土壤理化因子详见表1。从表中可以看出，土壤含水量在Ⅰ号对照样点较高，恢复初期速减，恢复后期开始回升，总体呈增长趋势。土壤pH值随着恢复期限增加而呈现增加趋势，中期土壤呈碱性，后降低到恢复后期呈偏酸性稳定趋势。有机质、速效磷和铵态氮均呈增长趋势，都在恢复10年期Ⅵ号样点达最高值。速效钾在Ⅱ、Ⅲ号样点高于Ⅳ、Ⅴ 号样点，Ⅵ号样点的速效钾含量最高。

应用 SPSS 16.0 统计软件，对6个样点中土壤理化因子的7个指标(含水量、土温、pH值、有机质、速效磷、速效钾、铵态氮)进行分层聚类分析(图2)。图2结果显示，Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ号最先聚为一类，然后又Ⅱ和Ⅳ号汇合，Ⅵ号独立成为一类，这也说明土壤环境状况在生态恢复下随着恢复年限产生了明显差异。

图 2 不同样点的土壤环境因子聚类分析图 Fig.2 Cluster analysis dendrogram of the soil environmental factors in various sampling sites I：北山荒草坡；Ⅱ：砚台山退耕还林1区；Ⅲ：砚台山退耕还林2区；Ⅳ：北山农田退耕区；V：北山绿化区；Ⅵ：砚台村退耕还林区

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71 种纤毛虫在各样点的分布情况见图4。恢复10 年的Ⅵ号样点物种最为丰富，分布有65 种，占物种总数的92%；Ⅳ号和Ⅴ号样点各分布有27 种和36 种，分别占38%和50%；Ⅱ号、Ⅲ号样点各22 种和23 种，均占物种总数的30%。Ⅰ号样点17 种，占20%。回归分析表明，物种数和恢复年限呈良好的多元线性回归关系，回归方程为=2.714 x²-10.820 x + 28.400(R²=0.940)，可见随着恢复时间的延长土壤纤毛虫的物种数呈增多趋势。

应用 SPSS 16.0 统计软件对各样点的土壤纤毛虫物种分布进行分层聚类分析(图3)，结果表明，对照样点 Ⅰ号与恢复中期的Ⅲ号和Ⅵ号最先聚为一类，再与恢复初期的Ⅱ号汇合聚为一类，然后它们又与恢复8a的Ⅴ号聚合，最后恢复10 a的Ⅵ号样点独立为一类。聚类分析显示恢复期的Ⅰ号、Ⅱ号和Ⅲ号样点的土壤纤毛虫物种分布最为相似，它们与Ⅱ号样点较相似，而与Ⅴ号和Ⅵ号样点物种相似性较小，尤其恢复10 a的Ⅵ号样点与其它样点几乎没有相似性。由此可见，6 个样点的土壤纤毛虫物种分布存在显著差异，且随生态恢复时间的延长，样点间土壤纤毛虫物种的相似性逐渐减小，群落组成随着生态恢复年限增加而差异越大。

图 3 各样点土壤纤毛虫物种分布聚类分析 Fig.3 Cluster analysis dendrogram of species distribution of soil ciliates in various sampling sites

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研究中鉴定到71种纤毛虫，分别隶属于3 纲、10 目、22 科、29 属。图4和表2所示的是土壤纤毛虫群落组成情况，从中可以看出：(1)Ⅰ号对照样点群落组成较为简单，Ⅱ号、Ⅲ 号样点已与对照样点有较大差别，Ⅳ—Ⅵ 号样点目、科、属和种的数目明显增加。这说明，随着退耕还林的实施和退耕还林年限的增加，土壤环境条件逐渐改善，越来越适合土壤纤毛虫生存，纤毛虫群落组成逐渐复杂化。(2)随着退耕还林年限的增加，土壤纤毛虫群落中的优势类群发生了演替。总体演替趋势是由对照点和早期退耕点的r-对策者(篮口目Nassulida，肾形目Colpodida和盾纤目Scuticociliatida)逐渐演替为后期退耕点的k-对策者(下毛目Hypotrichida)。这也说明，随着退耕还林的实施和退耕还林年限的延长，土壤环境条件逐渐得到改善。

图 4 各样点土壤纤毛虫群落组成 Fig.4 The community composition of soil ciliates in various sampling sites

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将各样点中种群相对密度最大和次大的纤毛虫物种作为优势种。总体来看，优势种的响应情况是：(1)适应性较强、适应范围较广的拟肾形虫属(Paracolpoda)和肾形虫属(Colpoda)的种类(如 齿脊拟肾形虫 Paracolpoda steini，膨胀肾形虫 Colpoda inflata，僧帽肾形虫 Colpoda cucullus和肾状肾形虫 Colpoda reniformis 等)在大部分样点成为优势种，其中齿脊拟肾形虫和肾状肾形虫在对照样点和所有恢复样点均为优势种；大口薄咽虫(Leptopharynx eurostoma)在恢复早期至中后期的Ⅱ—Ⅴ号样点均为优势种；阔柱片尾虫(Urosoma macrostyla)在恢复后期的Ⅴ号和Ⅵ号样点均为优势种。(2)对照样点优势种较为单一，随着恢复年限的延长，优势种总体呈增多趋势并且作为k-对策者的下毛目种类(如 有尾片尾虫 Urosoma caudata，苔藓尖毛虫 Oxytrichia nuscorum，四棘毛管膜虫 Cyrtohymena tetracirrata，颗粒尖毛虫 Oxytricha granulifera，叶绿尖毛虫 Oxytricha chlorelligera，差异瘦尾虫 Uroleptus dispar，阔柱片尾虫和近亲游仆虫 Euplotes affinis 等)所占比例增大。

有 5 种纤毛虫在所有样点都出现，为广布种，占纤毛虫物种总数的7.04%，分别是齿脊拟肾形虫、水藓单镰虫(Drepanomonas sphagni)、巴维尼亚斜管虫(Chilodonella barvariensis)、钩刺斜管虫(Chilodonella uncinata)和乙状全列虫(Holosticha sigmoidea)；对照样点中特有种只有 1 种，占纤毛虫物种总数的1.41%；恢复样点的特有种有14 种，占纤毛虫物种总数的19.72%。随着恢复年限的增加，特有种呈现逐渐增加的趋势。

各样点的纤毛虫物种数、丰度和物种多样性指数见图5。可以看出，Ⅰ号对照样点的物种数最少，为17 种，恢复后期Ⅵ 号样点物种最为丰富，有65 种。宁应之等研究发现有机质对土壤原生动物的生长发育和繁殖均有影响^[24]；Finlay等和Beaver等的研究也表明纤毛虫物种数随营养的增加而增加^{[25, 26]}。在本研究中，Ⅰ号对照样点有机质最低，物种数也最少；在Ⅱ—Ⅵ 号恢复样点，有机质、速效磷和铵态氮含量逐渐升高，物种数亦逐渐增加。

图 5 各样点的纤毛虫物种数、丰度和物种多样性指数 Fig.5 The species number，abundance and species diversity index in various sampling sites

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土壤纤毛虫丰度在 Ⅰ号对照样点较低，为 70 g^-1；侧柏林恢复初期丰度出现了上升，恢复3a的Ⅱ 号样点丰度为 733 g^-1；但是随着恢复时间的延长丰度出现波动，恢复5a和8a的Ⅲ号和Ⅴ号样点丰度呈现下降，分别为 80 g^-1 和 200 g^-1；然而恢复10a的Ⅵ号样点丰度出现急剧上升，为 3357 g^-1。纤毛虫丰度总的变化趋势是随着恢复年限逐渐波动式上升。

物种多样性指数与物种数的变化规律基本一致，即恢复样点均高于对照样点，且随着恢复时间的延长，多样性指数逐渐升高。Ⅰ号对照样点多样性指数最低，为2.09；Ⅵ 号样点多样性指数最高，为5.57；Ⅳ 号样点多样性指数出现波动，为2.50，比Ⅲ号样点的(2.83)低。这表明，经过近10a的生态恢复，各不同恢复阶段样点的土壤纤毛虫物种多样性均高于Ⅰ号对照样点，且随着恢复时间的延长，物种多样性升高，群落结构趋于更加复杂和稳定。

应用SPSS 16.0 统计软件将恢复年限、各样点的主要土壤环境因子(含水量，有机质、铵态氮、速效磷和速效钾含量)和纤毛虫群落特征参数(物种数、丰度和多样性指数)作为源变量，进行二元变量的相关性分析，结果见表3。相关性分析显示，物种数与恢复年限、铵态氮和速效磷呈显著的正相关(P＜0.05)；物种数和物种多样性指数均与有机质呈极显著的正相关(P＜0.01)；多样性指数与恢复年限和铵态氮呈显著的正相关(P＜0.05)，而与速效磷呈显著的负相关(P＜0.05)；丰度与速效磷呈极显著的正相关(P＜0.01)，与有机质呈显著的正相关(P＜0.05)。可见在所测得的土壤环境因子中，对纤毛虫的群落影响较大的是铵态氮量和有机质含量。

利用Canoco for Windows 4.5对土壤纤毛虫和土壤环境因子进行分析，得到二维RDA排序图(图6)。前二个排序轴的特征值分别是0.388和0.207，累计达到总特征值的38.8%和59.5%，土壤纤毛虫群落组成与土壤环境因子排序轴(第1排序轴和第2排序轴)的相关系数高达1.000，可见，排序能较好地反映土壤纤毛虫和环境因子的变化。土壤纤毛虫群落的物种分布响应了土壤环境因子的变化(表4)。第1排序轴(Axis 1)与恢复年限、含水量、有机质含量、铵态氮量、速效磷量和速效钾量呈正相关，与pH值呈负相关，且与有机质含量的相关系数最大，与速效磷含量和铵态氮含量的次之。第2排序轴(Axis 2)与土温呈正相关。

图 6 样点和土壤环境因子的RDA排序图 Fig.6 RDA Ordination diagram of the sampling sites and soil environmental factors

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图6反映出生态恢复下的5 个样点和对照样点与土壤环境因子的关系，不同恢复年限的样点沿排序轴趋势分布，与对照点Ⅰ号比较，各恢复年限样点差异性由小到大排列依次为Ⅲ 号、Ⅳ 号、Ⅱ 号、V 号和Ⅵ号，由此可见，随着恢复年限的增加各样点的土壤纤毛虫群落差异性越大。这和聚类分析的结果相吻合，很好地相互印证了土壤纤毛虫群落对退耕还林生态恢复的响应。

退耕还林生态恢复最为显著的生态效应首先表现为植被恢复与重建，并由此产生一系列连锁反应，引发局部气候、土壤生态环境、涵养水源、净化空气和生物多样性等方面的效应，并且随着退耕还林生态恢复年限的延长，这些方面的效应更加显著。其中，土壤生态环境效应主要体现在土壤理化性质，如表层腐殖质、土壤质地、团粒结构、相对密度、孔隙度、土壤肥力、pH值和含水量等的改变^{[27, 28]}。本研究的结果表明，较之对照样点，退耕还林生态恢复各样点的土壤平均含水量及平均速效磷、速效钾、铵态氮、有机质和有机碳的量分别提高了19.15%，52.38%，17.13%，3.37%，44.62%和44.63%。这说明，退耕还林生态恢复后，土壤环境状况有了显著或较显著的改善，而且恢复年限越长，改善程度越明显。

退耕还林生态恢复导致的土壤环境状况的改善必然引起土壤动物群落在组成、结构和功能上的响应，环境敏感动物群落的响应会尤为积极而显著。本研究的研究对象纤毛虫是最复杂和最高等的单细胞动物，是土壤生态系统中极为重要的动物类群之一，因其物种繁多、现存量和生产量巨大、个体微小、细胞膜纤薄、生长繁殖快、群落演替迅速、分布广泛等特点而对生态环境的变化十分敏感，因而可通过考察其群落的各项特征参数及其动态来反映生态环境的变化^{[2, 12]}。从本研究的结果来看，研究区的土壤纤毛虫群落从物种分布、群落组成、优势种、广布种、特有种、物种数、丰度和多样性指数等方面对退耕还林生态恢复做出了积极响应，主要体现在：随着退耕还林的实施和退耕还林年限的延长，纤毛虫群落组成逐渐复杂化，群落结构的稳定性持续提高，具体表现为纤毛虫物种和特有种呈增多趋势、丰度波动式上升、多样性指数逐渐升高及优势类群和优势种发生良性演替。

如上所述，退耕还林生态恢复的土壤生态环境效应主要体现在土壤理化性质的改变上，而土壤理化性质的改变导致了土壤纤毛虫群落各项特征的相应变化。相关性分析及RDA排序结果表明，土壤纤毛虫群落主要特征参数(物种数、丰度和多样性指数)与恢复年限及土壤主要环境因子(含水量，有机质、铵态氮、速效磷和速效钾含量)之间存在显著或极显著的相关关系，各环境因子中对纤毛虫群落影响较大的是铵态氮量和有机质含量。

综合所有研究结果和分析讨论，可以得到如下结论：研究区的土壤纤毛虫群落显著地响应了因退耕还林生态恢复所导致的土壤生态环境效应并与相关的土壤环境因子之间有着显著或极显著的相关关系。基于此结论，可以认为，土壤纤毛虫是退耕还林生态恢复效果的良好的指示生物，土壤纤毛虫群落的各项特征参数可作为退耕还林生态恢复效果理想的评价指标。

近年来，随着生态恢复进程的加速和规模的扩大，陆续有对生态恢复区土壤动物的研究，其中包括土壤动物对退耕还林生态恢复的响应的研究^{[29, 30, 31]}。这些研究从不同动物类群、不同层面和不同角度做了大量十分有意义的工作，但它们都只涉及中、小型动物类群(如扁形动物、线虫动物、轮形动物、环节动物、缓步动物及节肢动物蛛形纲、甲壳纲、多足纲和昆虫纲 等)。有关土壤原生动物(包括土壤纤毛虫)的研究工作甚少，而且或为尝试性工作^[7]，或是在其他方面的研究中附带有少量相关内容^[32]。较之已有的相关研究，本研究在深度和系统性方面有了加强，但仍然存在许多不足，如研究范围较小、退耕还林模式仅涉及较单一的侧柏恢复林、土壤环境因子及其与纤毛虫群落的关系方面未涉及植被详情及其盖度、凋落物数量和土壤孔隙度等，这些不足将在后续的大量研究工作中得到弥补和改进。

致谢：中国科学院水生生物研究所缪炜研究员帮助写作，特此致谢。