不同水分條件天鵝湖高寒濕地土壤線蟲群落結構對氮沉降的響應

陳康怡，韓耀光，王家力，申志博，楊貝貝，趙一，朱新萍，2*，賈宏濤，3

（1.新疆農業大學資源與環境學院，烏魯木齊 830052；2.北京農學院生物與資源環境學院，北京 102206；3.新疆土壤與植物生態過程重點實驗室，烏魯木齊 830052；4.新疆農業大學草業學院，烏魯木齊 830052）

大氣氮沉降及降水作為全球變化的重要現象，其格局的改變帶來了一系列生態問題[1]，濕地作為一種介于水生和陸地的特殊生態系統，對大氣氮沉降以及水分變化等全球變化響應敏感[2]。氮沉降會通過影響土壤環境因子、微生物、植物生物量等，進而影響地下食物網的功能[3]，對土壤動物產生直接或間接的影響[4]。

土壤線蟲作為土壤動物的重要功能類群，處于土壤食物網的多個營養級[5]，是碳氮等重要營養元素礦化的重要參與者和生態環境變化的重要指示生物，可用來評價土壤受干擾程度，其群落組成和結構的變化對維持濕地生態系統的地球化學循環和功能服務具有極其重要的意義[6]。近年來，土壤線蟲在土壤生態環境中的作用日益受到重視，例如：在農業施肥對土壤線蟲群落結構影響的研究中發現，減施化肥和配施黃腐酸后食細菌類線蟲的數量和小麥各生育期平均豐度降低[7]；草地生態系統土壤線蟲群落的豐度隨著放牧干擾強度的增加而增加[8]；不同土地利用方式會對線蟲群落有顯著影響，自然農田線蟲數量和種屬數均高于退耕農田[9]。濕地生態系統作為生態系統的重要組成部分，由于氣候變化、植被類型以及人為干擾等作用，土壤線蟲群落組成、結構以及生態指數呈現不同的差異。在氣候變化下，氮沉降增加和水分格局改變對我國干旱區巴音布魯克高寒濕地同樣產生一定的影響，據報道巴音布魯克高寒草原氮沉降（以N 計）已達到8 kg·hm-2·a-1[10]，該區域目前已開展了關于氮沉降及水分條件對巴音布魯克高寒濕地土壤有機碳組分和溫室氣體的影響研究[11]，然而在土壤線蟲對氮沉降和水分條件的響應方面還處于空白。巴音布魯克高寒濕地位于我國西北干旱區的新疆維吾爾自治區天山中部，具有獨特的內陸高寒濕地生態系統特征。因此開展不同水分條件下氮添加對濕地土壤線蟲群落結構特征影響的研究，有利于加深氮沉降增加對干旱區高寒濕地地下生態環境變化的認識，為科學評價氮沉降對高寒濕地土壤生態系統健康的干擾性及維持草地生態系統健康提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

在巴音布魯克良好的原生穩定苔草濕地（42°40′～43°00′N，83°40′～84°35′E）選擇2 個自然水分梯度作為研究區域：地表季節性積水條件區域（B），土壤體積含水率在43%～48%之間，植被優勢種有黑花苔草（Carex melanantha）、水麥冬（Triglochin palustre）；地表常年干燥條件區域（C），土壤體積含水率在30%～35%之間，植被優勢種有冰草（Agropyron cristatum）、黑花苔草（Carex melanantha）[12]。本研究在每個水分條件區域選取植被蓋度相對一致的3 塊長7.5 m、寬7.5 m的正方形樣地，圍欄后進行氮添加試驗。以全球草地平均氮沉降水平約為10 kg·hm-2·a-1[13]為氮添加量依據，設置3個氮添加處理（以N 計）：N0（不添加氮），N10（添加氮10 kg·hm-2·a-1），N20（添加氮20 kg·hm-2·a-1）。每處理3個重復。氮素由硝酸銨（NH4NO3）和尿素[CO（NH2）2]按照7∶3的比例混合而成[14]，以噴灑方式于2020 年6 月和9 月分兩次進行添加，添加氮素后次年5月對不同氮處理土壤進行采樣。

1.2 樣品采集與測定方法

1.2.1 土壤樣品采集

每個處理隨機采3個土壤混合樣，取樣深度為0～5、5～10、10～20 cm。土壤樣品盡量去除石頭和可見根后混合均勻，分成2 份帶回實驗室。1 份用于分離土壤線蟲（4 ℃冰箱保存）和測定含水量，1 份土壤自然風干后研磨，過1 mm 和0.25 mm 網篩，用于土壤基本理化性質的測定。

1.2.2 土壤環境因子測定

參考《土壤農業化學分析方法》[15]，pH 使用pH 計測定；電導率（EC）使用電導率儀測定；含水量（SM）采用烘干法測定；堿解氮（AN）采用堿解擴散法測定；土壤有機碳（SOC）采用濃硫酸-重鉻酸鉀外加熱法測定；全氮（TN）和全碳（TC）采用元素分析儀（EA3000EA3000，Euro Vector，Italy）測定。

1.2.3 土壤線蟲的分離與鑒定

取土壤鮮樣50 g，利用改良淺盤分離-蔗糖離心浮選的連續提取法[16-17]進行線蟲分離，將分離靜置后的線蟲溶液中加入固定液（9%福爾馬林、1%甘油）保存，通過體視顯微鏡進行計數，根據土壤含水率計算每100 g干土中含有的線蟲數量。將分離出的線蟲隨機選取200 條制成臨時玻片，參照土壤線蟲分類書籍[18-19]，利用形態學方法，使用生物顯微鏡鑒定到科屬。根據線蟲取食類型的不同將其分為食細菌類群（BA，Bacterivores）、食真菌類群（FU，Fungivores）、植物寄生類群（PP，Plant-parasites）、雜食/捕食類群（OP，Omnivores/Predators）[20]。

1.2.4 土壤線蟲群落生態指數計算

土壤線蟲群落生態指數根據以下公式計算[21]：

（1）香農威爾指數（H）

式中：pi為第i個分類單元中線蟲個體占總個體數量的比例。

（2）優勢度指數（λ）

（3）成熟度指數（MI）

式中：vi為根據自由生活線蟲在生態演替中的不同生活策略分別賦予的c-p 值；fi為某一科/屬線蟲（i）在自由生活線蟲（不包括植物寄生類線蟲）總數中所占的比例。

（4）植物寄生類線蟲的成熟度指數（PPI）

式中：PP為寄生類線蟲數量。

（5）富集指數（EI）

式中：e代表食物網中的富集成分，主要指食細菌線蟲中c-p 值為1 和食真菌類線蟲中c-p 值為2 的類群；b代表食物網中的基礎成分，主要指食細菌類線蟲和食真菌類線蟲中c-p值為2的類群。

（6）結構指數（SI）

式中：s代表食物網中的結構成分類群，分別為食細菌類線蟲、食真菌類線蟲和植物寄生類線蟲中c-p值為3～5 的類群以及雜食/捕食類線蟲中c-p 值為2～5 的類群。

（7）線蟲通道指數（NCR）

式中：BA和FU分別代表食細菌類線蟲和食真菌類線蟲的數量。

1.3 數據處理

使用Origin 2018 和R 4.1.1 制圖，用SPSS 26.0 和Excel 2019 軟件對數據進行方差分析。采用單因素方差分析法研究氮添加對土壤線蟲群落的影響、氮添加對土壤環境因子的影響。采用冗余分析（RDA）和蒙特卡洛檢驗估算各土壤環境因子對線蟲群落的影響。統計分析及圖表制作于Excel、Origin 和R Studio 中完成。

2 結果與分析

2.1 氮添加對高寒濕地土壤理化因子的影響

如表1所示，地表季節性積水條件土壤含水量、有機碳和全碳均顯著高于地表常年干燥條件土壤（P＜0.05）。濕地土壤pH 均呈堿性（7.73～8.33），地表常年干燥條件土壤pH高于地表季節性積水條件土壤。地表季節性積水條件下N20 處理電導率顯著高于N10和地表常年干燥條件土壤各氮處理（P＜0.05）。地表季節性積水條件N20 處理的土壤有機碳含量顯著低于N0 和N10 處理。相同水分條件下，氮添加對濕地土壤pH、全氮和全碳均無顯著影響，但顯著增加土壤堿解氮含量（P＜0.05）。

2.2 氮添加對高寒濕地土壤線蟲數量的影響

如圖1 所示，地表常年干燥條件土壤線蟲在100 g 風干土中的數量顯著高于地表季節性積水條件土壤（P＜0.05）。地表常年干燥條件土壤線蟲主要分布在0～10 cm 土層中；地表季節性積水條件土壤線蟲主要分布在0～5 cm 土層中，且氮添加處理土壤線蟲數量顯著低于N0 處理（P＜0.05）。相同水分條件和施氮處理下，隨土層深度的增加，土壤線蟲的數量逐漸減少。

圖1 土壤線蟲個體密度的垂直分布Figure 1 Vertical distribution of individual density of soil nematodes

2.3 氮添加對高寒濕地土壤線蟲群落結構的影響

所有處理共分離線蟲9 737 條，線蟲個體密度平均為每100 g 干土1 061 條，分屬39 屬，其中食細菌類線蟲10 屬，食真菌類線蟲5 屬，植物寄生類線蟲10屬，雜食/捕食類線蟲14 屬。地表季節性積水土壤線蟲優勢屬是前矛線屬（Prodorylamus），占比為29.30%，除此之外N0 處理土壤線蟲優勢屬還有Laimydorus（21.53%）和真頭葉屬（Eucephalobus，11.19%），N10 處理的優勢屬還有Laimydorus（20.89%）和矛線屬（Dorylaimus，13.24%）。隨氮添加量的增加前矛線屬豐度逐漸增加，在N0、N10 和N20處理分別達到了21.61%、23.03%和43.26%。地表常年干燥條件土壤線蟲優勢屬是前矛線屬（18.69%）、Laimydorus（20.21%）和螺旋屬（Helicotylenchus，33.48%）。

在屬水平上，相同水分條件的不同氮添加量下，土壤線蟲群落組成具有相似性，但在豐度上具有差異（圖2）。地表季節性積水條件下，N20處理與N0處理比較，前矛線屬豐度上升了21.65%；Laimydorus和真頭葉屬豐度分別下降了12.5%和9.81%，并從優勢屬轉變為常見屬；地表常年干燥條件下，隨著氮添加量的增大前矛線屬和Laimydorus豐度分別上升了2.19%和12.28%。

圖2 氮添加對不同水分條件高寒濕地土壤線蟲群落結構的影響Figure 2 Effects of nitrogen additions on soil nematode community structure in alpine wetland under different water conditions

水分條件和氮添加對土壤線蟲營養類群分布特征具有一定影響。由圖3 可知，地表季節性積水條件下，土壤線蟲營養類群主要為植物寄生類線蟲（PP）和雜食/捕食類線蟲（OP），食真菌類線蟲（FU）占比最?。?.19%～8.19%）。隨著土層深度的增加，植物寄生類線蟲在10～20 cm 土層比0～5 cm 土層上升了57.01個百分點，雜食/捕食類線蟲占比在10～20 cm 比表層降低了46.75個百分點，食細菌類線蟲（BA）占比逐漸下降。地表常年干燥條件土壤線蟲營養類群分布特征與地表季節性積水條件類似，但雜食/捕食類線蟲和食真菌類線蟲占比低于地表季節性積水條件，而植物寄生類線蟲占比高于地表季節性積水條件。

圖3 不同水分條件下土壤線蟲營養類群空間分布特征Figure 3 Spatial distribution characteristics of soil nematode communities with different trophic groups under different water conditions

由圖4 可見，不同水分條件土壤下，氮添加量對土壤線蟲營養類群產生一定影響。在地表季節性積水條件下，隨著氮含量上升，土壤雜食/捕食類線蟲占比N20比N0處理上升了11.32個百分點，這主要是由前矛線屬等豐度上升造成的。真頭葉屬等食細菌類線蟲占比迅速下降，N20 比N0 處理下降了13.32 個百分點；植物寄生類線蟲和食真菌類線蟲占比變化不明顯。地表常年干燥條件下，N20 較N0 處理雜食/捕食類線蟲占比上升了17.29 個百分點，這主要是由前矛線屬和Laimydorus 等豐度上升造成的。與N0 比較，N10處理下植物寄生類線蟲（PP）的占比顯著下降，其中螺旋屬顯著下降了29.1 個百分點。食細菌類線蟲占比有所增加，食真菌類線蟲占比變化不明顯。

圖4 不同氮添加量下土壤線蟲營養類群分布特征Figure 4 Distribution characteristics of soil nematode communities with different trophic groups under different nitrogen additions

2.4 氮添加對高寒濕地土壤線蟲群落生態指數的影響

由表2 可知不同水分條件下，氮添加增大了MI指數，對土壤線蟲多樣性無顯著影響，地表季節性積水條件的H指數和λ指數均高于地表常年干燥條件，且不同氮添加處理間差異不顯著。地表常年干燥條件下，NCR趨近于1，顯示該水分條件土壤有機質分解途徑主要是細菌分解。地表季節性積水條件下，隨著氮添加量上升，EI指數和PPI指數先下降后上升；N20 處理NCR指數為0.15，說明土壤有機質分解途徑主要為真菌分解。EI小于50 但SI大于50，說明不同水分條件下氮添加對土壤環境無明顯干擾，養分富集狀況中等。

表2 氮添加對高寒濕地土壤線蟲群落生態指數的影響Table 2 Effects of nitrogen addition on the ecological index of soil nematode communities in alpine wetlands

2.5 氮添加下高寒濕地土壤環境因子和土壤線蟲群落之間的關系

圖5、圖6 是不同水分條件下氮添加對土壤環境因子與土壤線蟲群落常見屬的聯系進行冗余分析后得到的RDA 排序圖。環境因子用黑色箭頭表示，線蟲屬用藍色箭頭表示，樣本分組用不同色塊表示。箭頭延申越長代表環境因子與線蟲屬相關性越大，反之越小。箭頭延長線和排序軸夾角代表土壤環境因子與排序軸相關性大小，夾角越小相關性越高，反之越低。

圖5 地表季節性積水條件土壤理化因子和土壤線蟲群落數量的RDA分析Figure 5 RDA analysis of soil physicochemical factors and soil nematode community quantity under surface seasonal waterlogging conditions

圖6 地表常年干燥條件土壤理化因子和土壤線蟲群落數量的RDA分析Figure 6 RDA analysis of soil physicochemical factors and soil nematode community quantity under perennial dry conditions

地表季節性積水條件的典型軸1 的解釋量為43.76%，典型軸2 解釋量為22.45%。根據箭頭延伸長、夾角小的特點可知，土壤線蟲Epidorylaimus、真滑刃屬（Aphelenchus）與EC有較大相關性；螯屬（Pungentus）、墊咽屬（Tylencholaimus）分別與AN、TC 和SOC 有較強相關性；擬繞線屬（Plectus）、絲尾墊刃屬（Filenchus）和真頭葉屬與SM相關性較高；前矛線屬、中矛線屬（Mesodorylaimus）和真矛線屬（Eudorylaimus）與pH和TN相關性較高。由蒙特卡洛置換檢驗的結果可知（表3），EC和AN 與土壤線蟲群落顯著相關（P＜0.05），是影響線蟲群落結構變化的主要驅動因子。

表3 地表季節性積水條件土壤理化因子和土壤線蟲群落的蒙特卡洛檢驗Table 3 Monte Carlo test of soil physicochemical factors and soil nematode communities under surface seasonal waterlogging conditions

地表常年干燥條件的典型軸1 的解釋量為49.22%，典型軸2解釋量為23.10%。土壤線蟲螺旋屬與SM 有較強相關性；前矛線屬、穿咽屬（Nygolaimus）、螯屬分別與pH 和AN 相關性較高；矛線屬、真矛線屬、頭葉屬（Cephalobus）、麗突屬（Acrobeles）分別與TN、TC 和SOC 的相關性較高。由蒙特卡洛置換檢驗的結果可知（表4），線蟲群落結構的變化受SM 的顯著影響（P＜0.05），SM 是影響線蟲群落結構變化的主要驅動因子。

表4 地表常年干燥條件土壤理化因子和土壤線蟲群落的蒙特卡洛檢驗Table 4 Monte Carlo test of soil physicochemical factors and soil nematode communities under perennial dry conditions

為繼續探究土壤線蟲生態指數與土壤環境因子的相關性，對二者進行相關性冗余分析得到圖7。SI指數、PPI指數與pH 在同一象限具有相關性，MI指數與TN、AN、TC、SOC 和SM 有較強相關性。環境因子用黑色箭頭表示，線蟲生態指數用藍色箭頭表示，樣本分組用不同色塊表示。由蒙特卡洛置換檢驗的結果可知（表5），pH 極顯著影響土壤線蟲生態指數（P＜0.01），SM和TC顯著影響線蟲生態指數（P＜0.05），其他環境因子的影響不顯著。

圖7 土壤理化因子和土壤線蟲群落生態指數的RDA分析Figure 7 RDA analysis of soil physicochemical factors and soil nematode community ecological index

3 討論

3.1 水分條件與氮添加對土壤線蟲群落結構的影響

土壤線蟲群落的變化被認為是環境條件變化的標志，群落組成和結構變化對維持濕地生態系統的地球化學循環和功能服務具有極其重要的意義[6]。土壤線蟲豐度對土壤含水量響應敏感[22]，從土壤線蟲數量上看，巴音布魯克高寒濕地不同水分條件下不同氮添加量的樣地中共獲得土壤線蟲9 737 條，線蟲個體密度平均為每100 g 干土1 061 條，分屬39 屬。地表常年干燥條件土壤線蟲每100 g風干土中的數量顯著高于地表季節性積水條件土壤（P＜0.05），這與楊貝貝[8]的研究不符，可能與采樣季節和土壤水分有關，本研究采樣在5 月，濕地處于冰雪融化時期，植物才開始生長，土壤水分增加的同時可能導致溶解氧減少[23]，從而會對土壤線蟲中墊刃屬、某些矛線屬等植物寄生性線蟲的生長產生抑制[24]，影響土壤線蟲在土壤空隙中的運動及捕食情況，引起線蟲數量改變[25]。

水分和氮素影響土壤線蟲群落的不同營養類群，從而造成線蟲生態指數變化，同時，生態指數可以反映水分和氮沉降對土壤線蟲群落結構、多樣性及土壤食物網穩定性的影響。季節性積水條件土壤中雜食/捕食類線蟲和食真菌類線蟲的群落占比要高于常年干燥條件土壤，而植物寄生類線蟲則相反，這主要是因為隨著土壤含水量增加，食真菌類線蟲數量上升，說明土壤水分上升可以增加食真菌線蟲數量[26]。隨氮含量的增加，土壤食細菌類線蟲數量下降，因而表現出NCR值接近0，土壤有機質的真菌分解途徑占比增大[27]，氮添加改變了土壤環境，抑制了微生物生長和有機質的轉化，降低了能量流動速度[28-29]。雜食/捕食類群線蟲體型較大、生活史長、卵量小，一般以其他營養類群線蟲為食物來源[21]，作為典型k-對策者c-p 4～5 的類群，其對環境變化和脅迫極為敏感。因此，當食真菌類線蟲數量上升時，雜食/捕食類線蟲占比上升。植物寄生類線蟲比例在地表常年干燥條件土壤中顯著高于季節性積水條件，這與前人研究一致[8]，說明土壤線蟲數量只有在水分適宜的條件下才相對較高，而并非含水量越高土壤線蟲數量越大。線蟲數量表聚性體現在隨土壤深度增加，土壤線蟲數量急劇降低[30]，不同氮添加水平下，這種趨勢沒有改變，但氮添加量對土壤線蟲營養類群會產生一定影響。

富集指數用于預測食物網對可利用資源的響應，結構指數表征干擾及生態恢復過程中土壤食物網結構的變化，兩者結合可指示土壤環境受干擾程度和土壤食物網狀況[1]。雜食/捕食類線蟲作為對環境干擾最敏感的營養類群[31]，隨著氮素的增加占比上升，同時富集指數小于50 但結構指數大于50，說明在相同水分條件下，氮添加使土壤養分中等程度富集，食物網呈結構化，土壤生態系統穩定性逐漸增強[32]，有利于雜食/捕食類線蟲的生長繁殖。香農威爾指數側重于稀有屬，優勢度指數側重于優勢屬，二者共同反映出土壤線蟲的多樣性。多樣性指數較高時，說明群落中物種較多且分布均勻，反之物種較少且分布不均勻[33]。隨著氮含量上升，食細菌類線蟲占比迅速下降，氮素添加導致土壤中和濃度增加，隨著氮濃度升高對土壤線蟲產生毒害作用[34]。氮添加對食真菌類線蟲占比影響不明顯，這與張愛林的研究一致[35]。因此，地表季節性積水區多樣性指數下降，但不同處理間不具有顯著差異，氮添加降低了線蟲屬分布均勻程度。季節性積水條件線蟲群落多樣性比地表常年干燥條件較好。成熟度指數根據土壤線蟲群落受環境干擾后，經過一段時間恢復所處的演替階段來反映土壤環境受干擾程度[17]。氮添加增大了成熟度指數，這表明氮添加可以減緩土壤環境的干擾程度，促進土壤生態系統向成熟穩定發展，有利于增加土壤食物網的穩定性和復雜性。

3.2 土壤線蟲群落與土壤環境因子間的關系

土壤環境因子的改變是影響土壤線蟲生存的重要驅動因素之一[36]。季節性積水條件土壤pH 低于常年干燥條件土壤，氮添加使土壤pH值降低，對土壤中微生物種群數量造成影響，繼而影響土壤線蟲群落[29，37]。氮添加影響了土壤電導率、土壤含水量和堿解氮含量。在地表常年干燥條件下，蒙特卡洛檢驗結果顯示，土壤線蟲群落變化主要受土壤含水量影響。當土壤水分增加時，土壤線蟲群落受電導率和堿解氮影響顯著（P＜0.05），說明在高寒濕地生態系統中，水分比施氮更能影響土壤線蟲群落數量；缺水環境會一定程度降低施氮的影響[1]，當土壤水分增加到一定范圍，氮素添加對線蟲群落的直接或間接影響會逐步顯現，尤其是對土壤電導率和堿解氮的影響。從c-p 類群來看，r-對策者的c-p 2 類群世代生活史短，卵量大，耐環境污染和脅迫，在氮添加下變化不明顯。而作為k-對策者的c-p 4～5 類群因對環境脅迫敏感，受pH、電導率和土壤含水量的影響遠大于土壤養分的影響，因此在氮添加改變土壤環境的情況下k-對策者的c-p 4～5類群迅速減少[38]。地表季節性積水條件土壤線蟲香農威爾指數與電導率之間存在顯著負相關（P＜0.05），說明電導率增加可能會降低土壤線蟲多樣性，雜食/捕食類線蟲的主要種屬與土壤pH、堿解氮有較強相關性，表明這些土壤環境因子可能是雜食/捕食類線蟲豐度變化的原因。

4 結論

（1）地表季節性積水條件土壤線蟲的優勢屬主要為前矛線屬（Prodorylamus），地表常年干燥條件土壤線蟲優勢屬是前矛線屬（Prodorylamus）、Laimydorus和螺旋屬（Helicotylenchus）。

（2）土壤線蟲在土壤中呈現一定的表聚性分布特征，隨土層深度增加豐度下降。土壤水分增加，土壤雜食/捕食類線蟲和食真菌類線蟲豐度升高，植物寄生類線蟲豐度降低，氮添加會增加雜食/捕食類線蟲豐度。同時促進濕地土壤有機質分解途徑由細菌向真菌分解途徑發展，有利于增加土壤食物網的穩定性和復雜性。

（3）水分和氮素共同作用下，土壤含水量、土壤電導率和堿解氮成為影響土壤線蟲群落結構的主要因素。