青藏高原是地球上海拔最高、面积最大、形成最晚的高原, 素有“地球第三极”之称。青藏高原的高寒草地面积为1.33×10⁸ hm², 占高原面积的58.80%和我国草地总面积的30.00%, 是世界上最著名的放牧生态系统和最大的草地系统之一。所以, 青藏高原草地生态系统是我国重要的畜牧业生产基地和生态安全屏障, 在生物多样性保护、水源涵养以及调节全球气候等生态功能方面发挥着不可替代的作用^[1-2]。且维护青藏高原草地生态系统的安全对促进区域发展具有重要意义。但是由于人类长期超载放牧等因素导致高寒草地严重退化^[3], 使得青藏高原草地生态系统不脆弱, 而且其土壤营养和繁殖库活性低, 草地植被更新能力差, 其任何组分衰退后难以恢复^[4]。因此, 相对于天然草地, 建设人工草地可增加饲草产量, 缩短对天然草地的放牧利用时间, 减轻天然草地放牧强度, 在一定程度上缓解草地放牧压力^[5], 且人工草地具有较高和较稳定的生产力^[6]。故近些年在青藏高原人工和半人工草地面积快速增加^[7], 结果对青藏高原土壤动物-土壤-植被产生重要影响。

土壤动物是土壤生态系统的重要组成部分, 其类群组成以及个体数量在土壤凋落物分解、养分循环、土壤结构改善和植物群落演替中扮演着重要的角色^[8-9]。且土壤动物对环境变化敏感^[10], 能够反映生态系统的健康状况, 因此可作为土壤健康的生物指示作用指标。关于人工草地建设与土壤动物关系的研究进展及其分析, 需要补充。但是, 目前关于建植高寒人工草地对土壤动物群落影响研究, 报道较少, 这制约了高寒草地生态系统的科学管理。所以, 本研究以表栖节肢动物为研究对象, 分析青藏高原地区不同种类牧草种植地土壤动物群落组成及多样性演变规律, 旨在为高寒地区人工草地建植和生态保护提供科学依据。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

研究区位于红原县, 地处青藏高原东部, 阿坝藏羌自治州中部, 地理坐标北纬31°50 ′-33°22′, 东经101°51 ′-103°23′, 南距成都450 km, 北距兰州640 km, 县城海拔3504 m。地势为东南向西北倾斜, 地貌具有山原向丘状高原过渡的典型特征。该区属大陆性高原寒温带季风气候, 日温差大, 无绝对无霜期, 年平均气温1.1 ℃, 最热的7月份气温10.9 ℃, 最冷的1月份气温-1.03 ℃。雨季主要集中在6-9月份, 年降雨量753 mm。平均相对湿度71%, 年平均陆地蒸发量684.2 mm。年平均日照2417.9 h, 日照百分率55%, 太阳辐射年总量61.5 kJ·cm^-2。土壤类型主要为亚高山草甸土, 成土母质以中生代三叠系的板岩、砂岩、白云岩、泥灰岩的坡积残积物和全新统第四系的冲积、洪积、堆积物为主。植被类型主要为亚高山草甸, 植被覆盖度为70%-90%。该区域草甸主要以小嵩草(Kobresia pygmaea)和四川嵩草(Kobresia setchwaneusis)为优势种, 伴生种以高山紫菀(Aster alpinus)、鹅绒委陵菜(Potentilla anserina)、草玉梅(Anemone rivularis)、垂穗披碱草(Elymus nutans)、条叶银莲花(Anemone trullifolia)、老芒麦(Elymus sibiricus)、紫羊茅(Festuca rubra)为主。红原县境内天然草场面积达7.76×10⁵hm², 占县境总面积的92.97%。其中, 可利用优质草场面积达7.47×10⁵hm², 占其草原总面积的96.3%^[11]。

1.2 人工草地的选取与样地布设

研究样地位于西南民族大学青藏高原畜牧业高科技研发示范基地。2013年建立了优质牧草种质资源圃, 在种质资源圃内选取植物长势情况最接近种植小区的垂穗披碱草(Elymus nutans, S1)、老芒麦(Elymus sibiricus, S2)、早熟禾(Poa annua, S3)、羊茅(Festuca ovina, S4)、燕麦(Avena sativa, S5)、苜蓿(Medicago sativa, S6)6种牧草种植地为研究样地。每种牧草种植地2块, 大小为(2 m×4 m), 且每个种植小区的施肥管理措施均相同。此外, 在种质资源圃外围两侧另选2块天然草地(Natural grassland, NG)(大小2 m×4 m)作对照样地。共选取的调查样地14块。

1.3 土壤动物采集、分离与鉴定

在选取的每块样地中按对角线法设置3个取样点, 采集0-15 cm的土样, 装入有编号的塑料袋内, 共采集土壤样品42份。实验室内用干漏斗法(Tullgren法)分离中型土壤节肢动物, 上层空气温度控制在36℃-38 ℃, 分离48 h。根据《中国土壤动物检索图鉴》^[12]和《蜱螨学》^[13]等参考书籍, 在光学显微镜(Olympus SZX16)、倒置显微镜(Olympus IX71)和高级显微镜(Leica DM4000B)等观察仪器下对土壤动物进行鉴定, 一般鉴定到属, 少数鉴定到科, 并统计个体数量。优势类群划分：个体数占总数10%以上者为优势类群, 1%-10%为常见类群, 1%以下为稀有类群^[14]。

1.4 土壤样本采集与分析

此外, 在各样地中另采集3个混合土壤, 用于分析土壤化学性质。土壤pH值采用电位法测定；土壤有机碳采用水合热重铬酸钾氧化-容量法；土壤全氮采用硫酸钾-硫酸铜-硒粉消煮, 定氮仪自动分析法；土壤水解性氮采用碱解扩散法；土壤全磷采用硫酸-高氯酸消煮-钼锑抗比色法；土壤有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法；土壤全钾采用氢氟酸-高氯酸消煮火焰光度计法；土壤速效钾采用中性乙酸铵提取-火焰光度计法^[15]。

1.5 数据分析处理

群落多样性特征采用丰富度指数(用类群数代表)、Shannon多样性指数和Simpson优势度指数C=∑(P_i)²表示土壤动物群落多样性。式中P_i为第i类群的百分比, n_i为第i个物种的个体数量, S为类群数, N为土壤动物总个体数。

对服从正态分布的数据, 进行单因素方差分析(One-Way ANOVA), 分析不同种类牧草间的土壤理化性质、植物群落参数和土壤动物群落多样性的差异显著性。若差异显著则用Tukey HSD法(方差齐性)和Tamhane′s T2(M)法(方差不齐)进行多重比较分析。对于不服从正态分布的数据进行log(x+1)转换, 如果仍不服从正态分布, 则用非参数进行检验。

用DCA对样方及群落进行排序, 第一、二排序轴长度均大于4, 因此选用CCA分析(Principal Component Analysis, CCA)对不同样地的土壤节肢动物群落与环境因子的关系进行排序。用多元回归分析土壤环境与土壤动物群落密度、多样性的关系。

数据分析处理分别采用Microsoft excel 2010和IBM SPSS 20.0和Canoco for Windows 4.5软件进行完成。

2 结果 2.1 土壤理化性质

6种不同牧草样地及天然草地(NG)的土壤化学性质如表 1。在7个样地间所观测的11个土壤环境因子均存在显著差异性(P < 0.01或0.05)。天然草地(NG)的有机碳(SOC)、速效钾(AK)、速效磷(AP)、速效氮(AN)、碳氮比(C/N)、碳磷比(C/P)、氮磷比(N/P)含量最高；羊茅样地(S4)的全钾(TK)、全磷(TP)、全氮(AN)含量最高；垂穗披碱草样地(S1)的pH含量最高。燕麦样地(S5)的全钾(TK)、速效磷(AP)、碳氮比(C/N)、碳磷比(C/P)的含量最低；苜蓿样地(S6)的有机碳(SOC)、全磷(TP)、全氮(AN)、速效氮(AN)含量最低；老芒麦样地(S2)的pH含量最低；垂穗披碱草样地(S1)的碳氮比(C/N)含量最低。

2.2 土壤动物群落组成

共分离土壤节肢动物563只, 隶属于3纲8目46科86类(属)(表 2)。在纲层次上对分离得到的土壤动物进行分类, 蛛形纲(Arachnida)和弹尾纲(Collembola)为优势类群。其中, 蛛形纲(Arachnida)包含2目33科42类, 个体数占总捕获量的47.96%；弹尾纲(Collembola)包含3目9科33类, 个体数占总捕获量的47.96%；余下的昆虫纲包含3目4科11类, 个体数占总捕获量的4.09%。在科水平上对分离得到的土壤动物进行分类, 优势类群为等节跳科(Isotomidae)和棘跳科(Onychiuroidea), 分别占总捕获量的25.93%和11.37%；常见类群包括长角跳科(Entomobryidae)等20科, 共占总捕获量的53.82%；稀有类群包括盾螨科(Scutacaridae)等24科, 占总捕获量的8.88%。在属水平上, 没有优势类群；常见类群包括近缺跳属(Paranurophorus)等20属, 占总捕获量的61.29%；稀有类群包括小等跳属(Isotomiella)等66属, 占总捕获量的38.71%。

2.3 土壤动物群落结构

不同种类牧草种植地的土壤动物群落优势类群有一定差异(表 2)。垂穗披碱草样地优势类群为土跳属(Tullbergia)(占11.76%)；老芒麦样地优势类群为棘跳属(Onychiurus)(占23.19%)、类符跳属(Folsomina)(占14.49%)和土跳属(Tullbergia)(占11.59%)；早熟禾样地为绒螨科(Trombidiidae)(占21.51%)；羊茅样地为近缺跳属(Paranurophorus)(占20.69%)、绒螨科(Trombidiidae)(占12.93%)和类符跳属(Folsomina)(占11.21%)；燕麦地为奥甲螨属(Oppia)(占11.73%)、库跳属(Coloburella)(占11.11%)；苜蓿样地优势类群为近缺跳属(Paranurophorus)(占25.93%)、棘跳属(Onychiurus)(占14.81%)、奥甲螨属(Oppia)(占11.11%)；天然草地优势类群为原大翼甲螨属(Protokalumna)(占16.13%)。A/C值在天然草地中最高, 为4.60；在老芒麦中最低, 为0.43；其余样地A/C值介于0.43和4.60之间。

2.4 群落密度及多样性差异

单因素方差分析结果表明, 6种人工草地及天然草地间的土壤动物群落多样性也存在差异(图 1)。群落密度、类群数和Shannon指数的变化趋势均是从垂穗披碱草(S1)到燕麦(S5)逐渐增加, 并高于天然草地(NG)；而苜蓿(S6)明显下降。Simpson指数则呈先下降后上升的趋势, 并以燕麦(S5)最低, 苜蓿(S6)最高。群落密度、类群数、Shannon多样性指数和Simpson优势度指数均呈显著变化(P < 0.05或0.01)(图 1)。表现为燕麦显著高于垂穗披碱草和苜蓿牧草地, 而其他几种类型的牧草种植地无显著差异性, Simpson指数则与之相反, 表现为燕麦显著低于垂穗披碱草和苜蓿牧草地, 而其他几种类型的牧草种植地亦无显著差异性。

2.5 土壤环境与土壤动物的关系

由典范对应分析(CCA)对各种牧草种植地土壤动物群落排序结果(图 2)表明, 第一排序抽与pH碳氮比(C/N)、速效钾(AK)等环境因子有较高的相关性, 第二排序轴与pH、氮磷比(N/P)、碳磷比(C/P)、全氮(TN)等环境因子的相关性较高。

由图 2还可知, 垂穗披碱草、早熟禾、羊茅与天然草地间的土壤动物群落结构差异明显；垂穗披碱草、早熟禾、羊茅、燕麦四种人工草地间的土壤动物群落结构差异明显；此外, 而苜蓿与垂穗披碱草、早熟禾的土壤动物群落结构也存在明显差异。不同样地中土壤节肢动物群落所受的影响因子不同。在垂穗披碱草样地(S1)中土壤节肢动物群落主要与pH呈正相关, 在早熟禾样地(S3)中与TN和N/P呈正相关, 在天然草地(NG)中与C/N和AK呈正相关。

此外, 土壤节肢动物群落密度及多样性与环境因子的回归分析结果表明, 全钾含量对土壤节肢动物群落密度(r=0.44, P < 0.01)及多样性(r=0.32, P < 0.05)有正相关的影响。

3 讨论 3.1 人工草地与天然草地间土壤节肢动物群落差异

大量研究表明植物群落的物种组成结构及多样性对土壤动物群落有重要影响^[16-17]。本研究发现, 人工草地土壤节肢动物的群落结构、密度及多样性与天然草地间有明显差异。与人工草地相比, 天然高寒草地植物群落的物种多样性及功能群的多样性相对较高^[18-19]。植物群落多样性下降可以显著降低土壤动物群落结构复杂性及多样性^[20-21]。植物群落功能群组成也是影响土壤动物群落的重要因素^[17], 不同功能群的植物体内营养物质含量存在差异^[19], 可为各类土壤动物提供多样化的食物资源^[22-23], 亦对其产生直接影响, 还能通过影响土壤理化性质等对土壤动物群落产生间接影响^[24]。土壤理化因子是土壤节肢动物生存的条件, 制约其分布, 同时土壤节肢动物也可通过自身活动来改变土壤环境, 因此土壤节肢动物与土壤环境是相互影响的^[25]。本研究发现土壤pH、TN、AK、N/P对土壤动物群落组成有影响, 但不同牧草样地土壤动物所受的影响因子不同, 说明不同种类牧草样地土壤环境因子的差异能够影响土壤动物的群落组成。本研究还发现土壤全钾含量与土壤节肢动物的密度和类群数呈显著正相关, 表明土壤钾含量是影响土壤节肢动物群落的重要因子, 这与其他研究得到的结果一致^[26-27]。研究发现在一定范围内提高土壤钾含量能促进植物对氮的吸收, 提高植物的生物量和质量^[28-31], 而植物是土壤节肢动物主要的直接和间接食物来源^[32]。因此, 适当增加土壤全钾含量能够提高土壤节肢动物的密度和类群数。其他研究还发现土壤动物的群落密度与pH值呈负相关, 与有机质、氮、磷含量呈正相关^[33-34]。本研究中虽然土壤pH、有机质、全氮、全磷等与土壤节肢动物的密度等无显著相关, 但其变化趋势总体上与土壤动物群落多样性动态基本一致。

此外, 人工草地植物群落的高度、盖度和密度等与天然高草地间也存在明显不同^[35]。已有研究发现食物资源和环境条件是影响土壤动物多样性和密度的主要因素^[36]。因此, 人工草地与天然草地间植物群落多样性、结构及功能群组成方面的差异也是导致土壤节肢动物群落变化的原因。

3.2 人工草地间土壤节肢动物群落差异

不同种类牧草的人工草地间土壤节肢动物群落的组成结构、密度及多样性也存在明显差异, 其中群落密度和多样性以燕麦样地最高, 以垂穗披碱草和苜蓿样地最低。其原因可能有以下两方面。第一、不同牧草植株形态差异导致群落小气候不同, 影响土壤节肢动物群落组成和多样性。燕麦、早熟禾等为一年生单子叶禾本科植物^[37], 草层株丛稀疏, 叶面积指数小, 对光能利用率相对较低^[38]。垂穗披碱草属于多年生、上繁疏丛型禾草^[39], 对土壤养分、水分以及光照的利用率高^[40]；而苜蓿属于多年生上繁型豆科牧草, 植株较高, 覆盖地表更严密, 群落内的通风、透光性等小气候条件较差, 基部光照强度更低^[41]。已有研究表明植物群落结构或生境复杂性可影响土壤动物群落结构^[35]。植物群落结构变化可通过群落内部的太阳辐射、温湿度等小气候对土壤动物产生直接和间接影响^{[23, 42]}, 较多的太阳辐射有利于提高土壤动物密度和多样性^[16]。第二、不同牧草植株营养物质含量的差异也可能是影响土壤动物群落的原因。在6种牧草中, 粗蛋白含量苜蓿最高, 燕麦和垂穗披碱草次之；粗脂肪含量燕麦最高, 苜蓿次之, 垂穗披碱草最低；粗纤维含量以早熟禾和燕麦最高, 苜蓿最低；粗灰分含量苜蓿与燕麦含量几乎一致, 均大于垂穗披碱草^[43-45]。一般来讲, 牧草的粗纤维含量越高, 消化率越低, 其营养价值越低^[46]。从植株营养物质含量综合考虑, 6种牧草中苜蓿的营养成分最高, 燕麦和垂穗披碱草次之。目前关于植株营养物质含量对土壤节肢动物群落多样性的研究很少, 无法给出有力的证据。从本研究结果来看, 造成不同牧草样地间土壤节肢动物群落密度、类群数、Shannon多样性指数等差异的关键环境因子还不清楚, 可能是群落小气候、植株体内营养物质含量或分泌物等因素共同作用的结果, 需要进一步开展相关研究。

4 结论

本文研究结果表明, 在青藏高原上种植不同种类牧草对土壤节肢动物的群落结构、密度和多样性的影响存在较大的差异。苜蓿牧草虽然能缓解草畜矛盾, 但会导致土壤节肢动物多样性显著下降, 而种植燕麦和羊茅对于提高土壤动物多样性具有积极作用。从长远的观点来看, 种植苜蓿等牧草不利于土壤动物多样性保护和生态系统的可持续利用, 而种植燕麦和羊茅有利于高寒草地土壤动物多样性及其草地生态系统。。青藏高原上的高寒草甸是一个脆弱的生态系统, 一旦遭到破坏很难恢复。建议在大规模建植人工草地之前, 对将要种植的牧草种类开展全面的生态评估, 以促进该区域的长期可持续发展。