寧應(yīng)之，武維寧，杜海峰，王紅軍

1西北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，蘭州　7300702隴南市環(huán)境監(jiān)測站，隴南　7460003國家林業(yè)局甘肅瀕危動物保護(hù)中心，武威　733000

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土壤纖毛蟲群落對退耕還林生態(tài)恢復(fù)的響應(yīng)——以側(cè)柏林為例

寧應(yīng)之1，*，武維寧1，杜海峰2，王紅軍3

1西北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，蘭州730070
2隴南市環(huán)境監(jiān)測站，隴南746000
3國家林業(yè)局甘肅瀕危動物保護(hù)中心，武威733000

摘要:為了了解土壤纖毛蟲群落對退耕還林區(qū)生態(tài)恢復(fù)下土壤環(huán)境變化的響應(yīng)及嘗試?yán)猛寥览w毛蟲群落特征評價(jià)退耕還林生態(tài)恢復(fù)的效果，于2010年3月至9月采用“非淹沒培養(yǎng)皿法”、活體觀察法、蛋白銀染色法和Foissner計(jì)數(shù)法對甘肅隴南武都退耕還林區(qū)5個(gè)不同恢復(fù)階段的樣點(diǎn)和1個(gè)荒草坡對照樣點(diǎn)的土壤纖毛蟲群落特征進(jìn)行了研究，同時(shí)測定了pH值、溫度、含水量及速效磷、有效鉀、銨態(tài)氮、有機(jī)質(zhì)和有機(jī)碳含量等土壤環(huán)境因子并分析了生態(tài)恢復(fù)條件下土壤纖毛蟲群落特征與土壤環(huán)境因子的相關(guān)性。研究中共鑒定到71種纖毛蟲，隸屬于3綱、10目、22科、29屬。研究發(fā)現(xiàn)，不同恢復(fù)年限的土樣中土壤纖毛蟲的物種分布存在明顯差異，并隨恢復(fù)時(shí)間的延長，樣點(diǎn)間物種相似性減小，群落組成復(fù)雜化，物種數(shù)、種群密度和物種多樣性指數(shù)總體均呈增長趨勢。優(yōu)勢類群也發(fā)生了演替，由恢復(fù)初期的腎形目演替到后期的下毛目。相關(guān)性分析結(jié)果表明，在生態(tài)恢復(fù)條件下，土壤有機(jī)質(zhì)和銨態(tài)氮含量是影響土壤纖毛蟲群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主要因素，不同纖毛蟲類群對生態(tài)恢復(fù)的響應(yīng)存在差異。冗余分析顯示，土壤纖毛蟲群落很好地響應(yīng)了生態(tài)恢復(fù)過程中土壤環(huán)境條件的變化。

關(guān)鍵詞:退耕還林;生態(tài)恢復(fù);土壤纖毛蟲群落;生態(tài)響應(yīng);側(cè)柏林;冗余分析

寧應(yīng)之，武維寧，杜海峰，王紅軍.土壤纖毛蟲群落對退耕還林生態(tài)恢復(fù)的響應(yīng)——以側(cè)柏林為例.生態(tài)學(xué)報(bào)，2016，36(2): 288-297.

Ning Y Z，Wu W N，Du H F，Wang H J.Response of soil ciliate communities to ecological restoration after the implementation of the conversion of cropland to forest and grassland program: a case study of Platycladus orientalis Forest.Acta Ecologica Sinica，2016，36(2): 288-297.

退耕還林是指在水土流失嚴(yán)重或糧食產(chǎn)量低而不穩(wěn)定的坡耕地和沙化耕地以及生態(tài)地位重要的耕地，退出糧食生產(chǎn)并植樹或種草。隴南市武都區(qū)在1995—2011年，林地轉(zhuǎn)入最為劇烈，一直是全省、市退耕還林還草的試點(diǎn)地區(qū)之一，并且在短短十幾年里，已經(jīng)產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。土壤動物與土壤生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境要素密切相關(guān)，探明土壤動物與環(huán)境要素之間的相互關(guān)系對深刻認(rèn)識土壤生態(tài)系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制、評價(jià)土壤生態(tài)系統(tǒng)功能具有重要意義［1］。迄今為止，對生態(tài)恢復(fù)的評價(jià)尚無統(tǒng)一的指標(biāo)體系。土壤是生態(tài)系統(tǒng)諸多生態(tài)過程(如營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)、水平衡、凋落物分解)的參與者，土壤營養(yǎng)狀況直接影響生物群落的組成，決定著生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和生產(chǎn)力水平，是生態(tài)系統(tǒng)功能恢復(fù)與維持的關(guān)鍵指標(biāo)之一。多數(shù)研究表明，對于一個(gè)已退化的生態(tài)系統(tǒng)，其恢復(fù)程度可以通過土壤理化性質(zhì)和物種多樣性的恢復(fù)兩個(gè)方面進(jìn)行表征。長期以來，人工林營造植被恢復(fù)被廣泛應(yīng)用于退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)，這不僅構(gòu)建了退化生態(tài)系統(tǒng)的初始植物群落，進(jìn)而促進(jìn)改善區(qū)域生態(tài)和環(huán)境，從而有利于土壤動物的生存和繁殖，促進(jìn)土壤動物群落的復(fù)雜化。

纖毛蟲是最復(fù)雜和最高等的單細(xì)胞動物，是土壤生態(tài)系統(tǒng)中十分重要的動物類群之一，因其物種繁多、現(xiàn)存量和生產(chǎn)量巨大、個(gè)體微小、細(xì)胞膜纖薄、生長繁殖快、群落演替迅速、分布廣泛等特點(diǎn)而對生態(tài)環(huán)境變化十分敏感，是理想的環(huán)境指示生物［2］。目前，纖毛蟲已被廣泛應(yīng)用于監(jiān)測、評價(jià)和預(yù)報(bào)土壤、人工濕地和淡水等生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境狀況［3-6］。關(guān)于纖毛蟲群落特征對退耕還林后生態(tài)系統(tǒng)的評價(jià)，目前僅見于寧應(yīng)之等人有關(guān)甘肅定西華家?guī)X退耕還林的研究工作［7］。本文基于研究結(jié)果分析了研究區(qū)退耕還林生態(tài)恢復(fù)下的土壤纖毛蟲群落特征及其與土壤環(huán)境因子間的相關(guān)關(guān)系，并利用纖毛蟲群落特征參數(shù)評價(jià)了退耕還林生態(tài)恢復(fù)的效果，旨在為該區(qū)環(huán)境和生物多樣性保護(hù)、退耕還林效果的生物學(xué)評價(jià)體系建立及退耕還林后續(xù)工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)施提供基礎(chǔ)資料和理論依據(jù)。

1材料和方法

1.1樣區(qū)概況

隴南市武都區(qū)位于甘肅省東南部，屬長江流域嘉陵江中游，秦巴山系結(jié)合部，陜、甘、川三省交通要道?？偟貏轂槲鞅备撸瑬|南低，最高峰擂鼓山海拔3 600 m，最低裕河曲家庵海拔660 m。地形特點(diǎn)是溝谷發(fā)育、切割強(qiáng)烈、地表起伏大、山勢陡峻、相對高差大(相對高差1 000—1 500 m)，坡度大。區(qū)內(nèi)主要地貌類型包括侵蝕堆積河谷、侵蝕構(gòu)造高中山和侵蝕構(gòu)造溶蝕叢峰中山。年平均氣溫14.7℃，年降水量400 mm左右，無霜期210—240 d，屬亞熱帶半濕潤氣候。地理坐標(biāo)為32°47'48″—33°42'25″N，104°34'25″—105°38'28″E，年平均濕度61％，9月相對濕度最大為72％，2月最小為53％。

該地區(qū)因長期人類活動的破壞，導(dǎo)致水土流失嚴(yán)重、生態(tài)環(huán)境退化及生物多樣性嚴(yán)重喪失。為改變?nèi)祟惢顒訉Ρ镜貐^(qū)造成的生態(tài)環(huán)境破壞現(xiàn)狀，該區(qū)以花椒樹、油橄欖、核桃樹、柏樹和落葉松等為植被恢復(fù)的主要樹種進(jìn)行了大規(guī)模生態(tài)恢復(fù)與經(jīng)濟(jì)造林。經(jīng)近10年的努力，武都區(qū)造林達(dá)32333萬m2，植被恢復(fù)已顯示出一定的生態(tài)和環(huán)境效應(yīng)。

1.2樣地設(shè)置和采樣

所選樣地位于武都區(qū)南山區(qū)和北山區(qū)(33°22'13.41″—33°22'47.6″N，104°55'22.57″—104°55'43.1″E)，依生態(tài)恢復(fù)時(shí)間的不同，在甘肅隴南武都退耕還林區(qū)選擇了5個(gè)不同恢復(fù)階段的小生境和1個(gè)未恢復(fù)的荒草坡作為對照(圖1)，其中Ⅰ號為未恢復(fù)的北山荒草坡，其草本復(fù)雜，有火絨草(Leontopodium alpinum)、早熟禾(Poa annua)和一些旱生草本;Ⅱ號為恢復(fù)年限3a的硯臺山退耕還林1區(qū)，其優(yōu)勢植物主要為側(cè)柏(Platycladus oirentalis)和耐干旱灌木，其中刺型灌木叢較多，地上凋落物層不足1 cm。Ⅲ號為恢復(fù)年限5a的硯臺山退耕還林2區(qū)，側(cè)柏為優(yōu)勢植物，林下草本主要為菊科蒿屬(Artemisia)和禾本科狼尾草(Pennisetum alopecuroides)等，凋落物層厚1—2 cm。Ⅳ號為恢復(fù)年限7a的北山農(nóng)田退耕區(qū)，其優(yōu)勢植物為側(cè)柏，林下草本有火絨草、冰草(Agropyron)和一些旱生草本。凋落物層厚2—3 cm。Ⅴ為恢復(fù)年限8a的北山綠化區(qū)地，側(cè)柏為優(yōu)勢植物，林下分布有復(fù)雜草本，如火絨草等。凋落物厚2—3 cm。Ⅵ號為恢復(fù)年限10a的硯臺村退耕還林區(qū)10年側(cè)柏樹林，林下草本復(fù)雜，凋落物層厚4—5 cm。

圖1　土壤纖毛蟲采樣點(diǎn)示意圖Fig.1 The sampling sites of soil ciliatesⅠ:北山荒草坡;Ⅱ:硯臺山退耕還林1區(qū);Ⅲ:硯臺山退耕還林2區(qū);Ⅳ:北山農(nóng)田退耕區(qū);Ⅴ:北山綠化區(qū);Ⅵ:硯臺村退耕還林區(qū)

土樣采集于2010年2月底。在樣點(diǎn)面積約400 m2的范圍內(nèi)，用15 mL圓筒形采樣器依棋盤式采樣法采集0—5 cm土壤層的土樣25個(gè)進(jìn)行混合，采集前揀去表面上的新鮮凋落物，并進(jìn)行經(jīng)緯度和植被狀況等相關(guān)記錄。土樣帶回實(shí)驗(yàn)室后，分兩部分處理:一部分新鮮土樣做直接觀察、土壤含水量和pH值的測定之用;剩余土樣于牛皮紙上使之自然風(fēng)干，期間用透氣紙遮蓋土樣，并關(guān)閉門窗以防止外界空氣中纖毛蟲包囊進(jìn)入土樣，風(fēng)干后土樣分別裝袋標(biāo)號供理化因子測定和土壤纖毛蟲培養(yǎng)觀察之用。

1.3土壤理化因子測定

土溫利用曲管地溫計(jì)(溫度范圍為:－10—60℃)測定;土壤pH值采用電位測定法(土∶水= 1∶2.5)用TSS-851土壤濕度酸度計(jì)測定;土壤含水量采用烘干法測定;土壤速效磷量采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定;有機(jī)質(zhì)測定采用水合熱-光電比色法;速效鉀測定采用四苯硼鈉比濁法;銨態(tài)氮測定采用不用硝普鈉的靛酚蘭比色法。測定儀器為TFW-Ⅱ土壤養(yǎng)分多功能分析儀(武漢市天聯(lián)科教儀器發(fā)展有限公司)。

1.4纖毛蟲研究方法

定性研究采用“非淹沒培養(yǎng)皿法”［8］。每份風(fēng)干土樣取50 g，分別置于直徑15 cm的培養(yǎng)皿中，25℃下培養(yǎng)24 h后即可鏡檢以鑒定物種。每份土樣重復(fù)培養(yǎng)若干次，直到未檢出新見物種為止。鑒定技術(shù)包括活體觀察和染色制片［9］。物種鑒定所用文獻(xiàn)資料見參考文獻(xiàn)［10-21］。定量研究采用Foissner計(jì)數(shù)法［22］進(jìn)行纖毛蟲的培養(yǎng)計(jì)數(shù)。

1.5統(tǒng)計(jì)分析

對鑒定到的各級分類單元進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并劃分優(yōu)勢類群和次優(yōu)勢類群，將物種數(shù)最多的目(order)定義為優(yōu)勢類群，物種數(shù)次多的目定義為次優(yōu)勢類群。多樣性指數(shù)依據(jù)Margalef多樣性指數(shù)公式d =(S－1)/lnN計(jì)算，式中d為多樣性指數(shù); S為物種數(shù); N為個(gè)體總數(shù)。d值的大小表示物種多樣性的高低［23］。稱取已風(fēng)干過2 mm篩的土壤30 g，置于直徑為5 cm的培養(yǎng)皿中，加蒸餾水，使其土壤略飽和(110％)，25℃恒溫培養(yǎng)9 d，這時(shí)纖毛蟲通常能達(dá)到最大多樣性和密度，在第10 d時(shí)培養(yǎng)皿傾斜45°約5 min，吸取土壤上清液，取0.1 mL搖勻的上述液體用Bouin氏液固定于顯微鏡下計(jì)數(shù)，最后換算成1 mL的纖毛蟲密度［22］。所有數(shù)據(jù)均用SPSS 16.0處理，對環(huán)境因子和群落結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分層聚類進(jìn)行分析。使用軟件Canoco4.5進(jìn)行冗余分析(Redundancy Analysis，RDA)，對纖毛蟲物種數(shù)據(jù)和土壤環(huán)境因子數(shù)據(jù)進(jìn)行l(wèi)g(x+1)處理(pH值不進(jìn)行數(shù)據(jù)處理)后進(jìn)行排序分析，得到環(huán)境因子間的相關(guān)性。利用GPS獲得的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)在地圖上定位后，用Arcview gis 3.3繪制采樣圖;折線、柱狀圖等均采用Origin 8.0繪制。

2結(jié)果與分析

2.1土壤理化因子對生態(tài)恢復(fù)的響應(yīng)

研究區(qū)各樣點(diǎn)的土壤理化因子詳見表1。從表中可以看出，土壤含水量在Ⅰ號對照樣點(diǎn)較高，恢復(fù)初期速減，恢復(fù)后期開始回升，總體呈增長趨勢。土壤pH值隨著恢復(fù)期限增加而呈現(xiàn)增加趨勢，中期土壤呈堿性，后降低到恢復(fù)后期呈偏酸性穩(wěn)定趨勢。有機(jī)質(zhì)、速效磷和銨態(tài)氮均呈增長趨勢，都在恢復(fù)10年期Ⅵ號樣點(diǎn)達(dá)最高值。速效鉀在Ⅱ、Ⅲ號樣點(diǎn)高于Ⅳ、Ⅴ號樣點(diǎn)，Ⅵ號樣點(diǎn)的速效鉀含量最高。

表1　各樣點(diǎn)的土壤環(huán)境因子Table 1 The soil environmental factors in various sampling sites

圖2　不同樣點(diǎn)的土壤環(huán)境因子聚類分析圖Fig.2　Cluster analysis dendrogram of the soil environmental factors in various sampling sitesI:北山荒草坡;Ⅱ:硯臺山退耕還林1區(qū);Ⅲ:硯臺山退耕還林2區(qū);Ⅳ:北山農(nóng)田退耕區(qū); V:北山綠化區(qū);Ⅵ:硯臺村退耕還林區(qū)

2.2土壤纖毛蟲群落對退耕還林生態(tài)恢復(fù)的響應(yīng)

2.2.1物種分布

71種纖毛蟲在各樣點(diǎn)的分布情況見圖4。恢復(fù)10年的Ⅵ號樣點(diǎn)物種最為豐富，分布有65種，占物種總數(shù)的92％;Ⅳ號和Ⅴ號樣點(diǎn)各分布有27種和36種，分別占38％和50％;Ⅱ號、Ⅲ號樣點(diǎn)各22種和23種，均占物種總數(shù)的30％。Ⅰ號樣點(diǎn)17種，占20％?；貧w分析表明，物種數(shù)和恢復(fù)年限呈良好的多元線性回歸關(guān)系，回歸方程為= 2.714 x2－10.820 x + 28.400(R2= 0.940)，可見隨著恢復(fù)時(shí)間的延長土壤纖毛蟲的物種數(shù)呈增多趨勢。

圖4　各樣點(diǎn)土壤纖毛蟲群落組成Fig.4　The community composition of soil ciliates in various sampling sites

應(yīng)用SPSS 16.0統(tǒng)計(jì)軟件對各樣點(diǎn)的土壤纖毛蟲物種分布進(jìn)行分層聚類分析(圖3)，結(jié)果表明，對照樣點(diǎn)Ⅰ號與恢復(fù)中期的Ⅲ號和Ⅵ號最先聚為一類，再與恢復(fù)初期的Ⅱ號匯合聚為一類，然后它們又與恢復(fù)8a的Ⅴ號聚合，最后恢復(fù)10 a的Ⅵ號樣點(diǎn)獨(dú)立為一類。聚類分析顯示恢復(fù)期的Ⅰ號、Ⅱ號和Ⅲ號樣點(diǎn)的土壤纖毛蟲物種分布最為相似，它們與Ⅱ號樣點(diǎn)較相似，而與Ⅴ號和Ⅵ號樣點(diǎn)物種相似性較小，尤其恢復(fù)10 a的Ⅵ號樣點(diǎn)與其它樣點(diǎn)幾乎沒有相似性。由此可見，6個(gè)樣點(diǎn)的土壤纖毛蟲物種分布存在顯著差異，且隨生態(tài)恢復(fù)時(shí)間的延長，樣點(diǎn)間土壤纖毛蟲物種的相似性逐漸減小，群落組成隨著生態(tài)恢復(fù)年限增加而差異越大。

圖3　各樣點(diǎn)土壤纖毛蟲物種分布聚類分析Fig.3 Cluster analysis dendrogram of species distribution of soil ciliates in various sampling sites

應(yīng)用SPSS 16.0統(tǒng)計(jì)軟件，對6個(gè)樣點(diǎn)中土壤理化因子的7個(gè)指標(biāo)(含水量、土溫、pH值、有機(jī)質(zhì)、速效磷、速效鉀、銨態(tài)氮)進(jìn)行分層聚類分析(圖2)。圖2結(jié)果顯示，Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ號最先聚為一類，然后又Ⅱ和Ⅳ號匯合，Ⅵ號獨(dú)立成為一類，這也說明土壤環(huán)境狀況在生態(tài)恢復(fù)下隨著恢復(fù)年限產(chǎn)生了明顯差異。

2.2.2群落組成

研究中鑒定到71種纖毛蟲，分別隸屬于3綱、10目、22科、29屬。圖4和表2所示的是土壤纖毛蟲群落組成情況，從中可以看出:(1)Ⅰ號對照樣點(diǎn)群落組成較為簡單，Ⅱ號、Ⅲ號樣點(diǎn)已與對照樣點(diǎn)有較大差別，Ⅳ—Ⅵ號樣點(diǎn)目、科、屬和種的數(shù)目明顯增加。這說明，隨著退耕還林的實(shí)施和退耕還林年限的增加，土壤環(huán)境條件逐漸改善，越來越適合土壤纖毛蟲生存，纖毛蟲群落組成逐漸復(fù)雜化。(2)隨著退耕還林年限的增加，土壤纖毛蟲群落中的優(yōu)勢類群發(fā)生了演替。總體演替趨勢是由對照點(diǎn)和早期退耕點(diǎn)的r-對策者(籃口目Nassulida，腎形目Colpodida和盾纖目Scuticociliatida)逐漸演替為后期退耕點(diǎn)的k-對策者(下毛目Hypotrichida)。這也說明，隨著退耕還林的實(shí)施和退耕還林年限的延長，土壤環(huán)境條件逐漸得到改善。

表2　各樣點(diǎn)土壤纖毛蟲群落組成Table 2 The community composition of soil ciliates in various sampling sites

2.2.3優(yōu)勢種

將各樣點(diǎn)中種群相對密度最大和次大的纖毛蟲物種作為優(yōu)勢種。總體來看，優(yōu)勢種的響應(yīng)情況是:(1)適應(yīng)性較強(qiáng)、適應(yīng)范圍較廣的擬腎形蟲屬(Paracolpoda)和腎形蟲屬(Colpoda)的種類(如齒脊擬腎形蟲Paracolpoda steini，膨脹腎形蟲Colpoda inflata，僧帽腎形蟲Colpoda cucullus和腎狀腎形蟲Colpoda reniformis 等)在大部分樣點(diǎn)成為優(yōu)勢種，其中齒脊擬腎形蟲和腎狀腎形蟲在對照樣點(diǎn)和所有恢復(fù)樣點(diǎn)均為優(yōu)勢種;大口薄咽蟲(Leptopharynx eurostoma)在恢復(fù)早期至中后期的Ⅱ—Ⅴ號樣點(diǎn)均為優(yōu)勢種;闊柱片尾蟲(Urosoma macrostyla)在恢復(fù)后期的Ⅴ號和Ⅵ號樣點(diǎn)均為優(yōu)勢種。(2)對照樣點(diǎn)優(yōu)勢種較為單一，隨著恢復(fù)年限的延長，優(yōu)勢種總體呈增多趨勢并且作為k-對策者的下毛目種類(如有尾片尾蟲Urosoma caudata，苔蘚尖毛蟲Oxytrichia nuscorum，四棘毛管膜蟲Cyrtohymena tetracirrata，顆粒尖毛蟲Oxytricha granulifera，葉綠尖毛蟲Oxytricha chlorelligera，差異瘦尾蟲Uroleptus dispar，闊柱片尾蟲和近親游仆蟲Euplotes affinis等)所占比例增大。

2.2.4廣布種和特有種

有5種纖毛蟲在所有樣點(diǎn)都出現(xiàn)，為廣布種，占纖毛蟲物種總數(shù)的7.04％，分別是齒脊擬腎形蟲、水蘚單鐮蟲(Drepanomonas sphagni)、巴維尼亞斜管蟲(Chilodonella barvariensis)、鉤刺斜管蟲(Chilodonella uncinata)和乙狀全列蟲(Holosticha sigmoidea);對照樣點(diǎn)中特有種只有1種，占纖毛蟲物種總數(shù)的1.41％;恢復(fù)樣點(diǎn)的特有種有14種，占纖毛蟲物種總數(shù)的19.72％。隨著恢復(fù)年限的增加，特有種呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。

2.2.5物種數(shù)、豐度和多樣性指數(shù)

各樣點(diǎn)的纖毛蟲物種數(shù)、豐度和物種多樣性指數(shù)見圖5?？梢钥闯觯裉枌φ諛狱c(diǎn)的物種數(shù)最少，為17種，恢復(fù)后期Ⅵ號樣點(diǎn)物種最為豐富，有65種。寧應(yīng)之等研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)對土壤原生動物的生長發(fā)育和繁殖均有影響［24］; Finlay等和Beaver等的研究也表明纖毛蟲物種數(shù)隨營養(yǎng)的增加而增加［25-26］。在本研究中，Ⅰ號對照樣點(diǎn)有機(jī)質(zhì)最低，物種數(shù)也最少;在Ⅱ—Ⅵ號恢復(fù)樣點(diǎn)，有機(jī)質(zhì)、速效磷和銨態(tài)氮含量逐漸升高，物種數(shù)亦逐漸增加。

土壤纖毛蟲豐度在Ⅰ號對照樣點(diǎn)較低，為70 g－1;側(cè)柏林恢復(fù)初期豐度出現(xiàn)了上升，恢復(fù)3a的Ⅱ號樣點(diǎn)豐度為733 g－1;但是隨著恢復(fù)時(shí)間的延長豐度出現(xiàn)波動，恢復(fù)5a和8a的Ⅲ號和Ⅴ號樣點(diǎn)豐度呈現(xiàn)下降，分別為80 g－1和200 g－1;然而恢復(fù)10a的Ⅵ號樣點(diǎn)豐度出現(xiàn)急劇上升，為3357 g－1。纖毛蟲豐度總的變化趨勢是隨著恢復(fù)年限逐漸波動式上升。

物種多樣性指數(shù)與物種數(shù)的變化規(guī)律基本一致，即恢復(fù)樣點(diǎn)均高于對照樣點(diǎn)，且隨著恢復(fù)時(shí)間的延長，多樣性指數(shù)逐漸升高。Ⅰ號對照樣點(diǎn)多樣性指數(shù)最低，為2.09;Ⅵ號樣點(diǎn)多樣性指數(shù)最高，為5.57;Ⅳ號樣點(diǎn)多樣性指數(shù)出現(xiàn)波動，為2.50，比Ⅲ號樣點(diǎn)的(2.83)低。這表明，經(jīng)過近10a的生態(tài)恢復(fù)，各不同恢復(fù)階段樣點(diǎn)的土壤纖毛蟲物種多樣性均高于Ⅰ號對照樣點(diǎn)，且隨著恢復(fù)時(shí)間的延長，物種多樣性升高，群落結(jié)構(gòu)趨于更加復(fù)雜和穩(wěn)定。

圖5　各樣點(diǎn)的纖毛蟲物種數(shù)、豐度和物種多樣性指數(shù)Fig.5 The species number，abundance and species diversity index in various sampling sites

2.3土壤纖毛蟲群落特征參數(shù)與土壤環(huán)境因子的相關(guān)性

應(yīng)用SPSS 16.0統(tǒng)計(jì)軟件將恢復(fù)年限、各樣點(diǎn)的主要土壤環(huán)境因子(含水量，有機(jī)質(zhì)、銨態(tài)氮、速效磷和速效鉀含量)和纖毛蟲群落特征參數(shù)(物種數(shù)、豐度和多樣性指數(shù))作為源變量，進(jìn)行二元變量的相關(guān)性分析，結(jié)果見表3。相關(guān)性分析顯示，物種數(shù)與恢復(fù)年限、銨態(tài)氮和速效磷呈顯著的正相關(guān)(P＜0.05);物種數(shù)和物種多樣性指數(shù)均與有機(jī)質(zhì)呈極顯著的正相關(guān)(P＜0.01);多樣性指數(shù)與恢復(fù)年限和銨態(tài)氮呈顯著的正相關(guān)(P＜0.05)，而與速效磷呈顯著的負(fù)相關(guān)(P＜0.05);豐度與速效磷呈極顯著的正相關(guān)(P＜0.01)，與有機(jī)質(zhì)呈顯著的正相關(guān)(P＜0.05)。可見在所測得的土壤環(huán)境因子中，對纖毛蟲的群落影響較大的是銨態(tài)氮量和有機(jī)質(zhì)含量。

表3　土壤纖毛蟲群落特征參數(shù)與土壤環(huán)境因子的相關(guān)性分析(皮爾森相關(guān)性系數(shù))Table 3 Correlations between the community characteristic parameters of soil ciliates and the soil environmental factors(Pearson's correlation coefficient)

2.4土壤纖毛蟲與土壤環(huán)境因子的排序

利用Canoco for Windows 4.5對土壤纖毛蟲和土壤環(huán)境因子進(jìn)行分析，得到二維RDA排序圖(圖6)。前二個(gè)排序軸的特征值分別是0.388和0.207，累計(jì)達(dá)到總特征值的38.8％和59.5％，土壤纖毛蟲群落組成與土壤環(huán)境因子排序軸(第1排序軸和第2排序軸)的相關(guān)系數(shù)高達(dá)1.000，可見，排序能較好地反映土壤纖毛蟲和環(huán)境因子的變化。土壤纖毛蟲群落的物種分布響應(yīng)了土壤環(huán)境因子的變化(表4)。第1排序軸(Axis 1)與恢復(fù)年限、含水量、有機(jī)質(zhì)含量、銨態(tài)氮量、速效磷量和速效鉀量呈正相關(guān)，與pH值呈負(fù)相關(guān)，且與有機(jī)質(zhì)含量的相關(guān)系數(shù)最大，與速效磷含量和銨態(tài)氮含量的次之。第2排序軸(Axis 2)與土溫呈正相關(guān)。

表4　土壤環(huán)境因子與排序軸的相關(guān)系數(shù)、特征值和纖毛蟲物種與土壤環(huán)境因子的相關(guān)性Table 4 Correlation coefficients between the soil environmental factors and ordination axes of RDA，eigenvalue for RDA axis and ciliate speciessoil correlation

圖6反映出生態(tài)恢復(fù)下的5個(gè)樣點(diǎn)和對照樣點(diǎn)與土壤環(huán)境因子的關(guān)系，不同恢復(fù)年限的樣點(diǎn)沿排序軸趨勢分布，與對照點(diǎn)Ⅰ號比較，各恢復(fù)年限樣點(diǎn)差異性由小到大排列依次為Ⅲ號、Ⅳ號、Ⅱ號、V號和Ⅵ號，由此可見，隨著恢復(fù)年限的增加各樣點(diǎn)的土壤纖毛蟲群落差異性越大。這和聚類分析的結(jié)果相吻合，很好地相互印證了土壤纖毛蟲群落對退耕還林生態(tài)恢復(fù)的響應(yīng)。

圖6　樣點(diǎn)和土壤環(huán)境因子的RDA排序圖Fig.6　RDA Ordination diagram of the sampling sites and soil environmental factors

3討論和小結(jié)

退耕還林生態(tài)恢復(fù)最為顯著的生態(tài)效應(yīng)首先表現(xiàn)為植被恢復(fù)與重建，并由此產(chǎn)生一系列連鎖反應(yīng)，引發(fā)局部氣候、土壤生態(tài)環(huán)境、涵養(yǎng)水源、凈化空氣和生物多樣性等方面的效應(yīng)，并且隨著退耕還林生態(tài)恢復(fù)年限的延長，這些方面的效應(yīng)更加顯著。其中，土壤生態(tài)環(huán)境效應(yīng)主要體現(xiàn)在土壤理化性質(zhì)，如表層腐殖質(zhì)、土壤質(zhì)地、團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、相對密度、孔隙度、土壤肥力、pH值和含水量等的改變［27-28］。本研究的結(jié)果表明，較之對照樣點(diǎn)，退耕還林生態(tài)恢復(fù)各樣點(diǎn)的土壤平均含水量及平均速效磷、速效鉀、銨態(tài)氮、有機(jī)質(zhì)和有機(jī)碳的量分別提高了19.15％，52.38％，17.13％，3.37％，44.62％和44.63％。這說明，退耕還林生態(tài)恢復(fù)后，土壤環(huán)境狀況有了顯著或較顯著的改善，而且恢復(fù)年限越長，改善程度越明顯。

退耕還林生態(tài)恢復(fù)導(dǎo)致的土壤環(huán)境狀況的改善必然引起土壤動物群落在組成、結(jié)構(gòu)和功能上的響應(yīng)，環(huán)境敏感動物群落的響應(yīng)會尤為積極而顯著。本研究的研究對象纖毛蟲是最復(fù)雜和最高等的單細(xì)胞動物，是土壤生態(tài)系統(tǒng)中極為重要的動物類群之一，因其物種繁多、現(xiàn)存量和生產(chǎn)量巨大、個(gè)體微小、細(xì)胞膜纖薄、生長繁殖快、群落演替迅速、分布廣泛等特點(diǎn)而對生態(tài)環(huán)境的變化十分敏感，因而可通過考察其群落的各項(xiàng)特征參數(shù)及其動態(tài)來反映生態(tài)環(huán)境的變化［2，12］。從本研究的結(jié)果來看，研究區(qū)的土壤纖毛蟲群落從物種分布、群落組成、優(yōu)勢種、廣布種、特有種、物種數(shù)、豐度和多樣性指數(shù)等方面對退耕還林生態(tài)恢復(fù)做出了積極響應(yīng)，主要體現(xiàn)在:隨著退耕還林的實(shí)施和退耕還林年限的延長，纖毛蟲群落組成逐漸復(fù)雜化，群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性持續(xù)提高，具體表現(xiàn)為纖毛蟲物種和特有種呈增多趨勢、豐度波動式上升、多樣性指數(shù)逐漸升高及優(yōu)勢類群和優(yōu)勢種發(fā)生良性演替。

如上所述，退耕還林生態(tài)恢復(fù)的土壤生態(tài)環(huán)境效應(yīng)主要體現(xiàn)在土壤理化性質(zhì)的改變上，而土壤理化性質(zhì)的改變導(dǎo)致了土壤纖毛蟲群落各項(xiàng)特征的相應(yīng)變化。相關(guān)性分析及RDA排序結(jié)果表明，土壤纖毛蟲群落主要特征參數(shù)(物種數(shù)、豐度和多樣性指數(shù))與恢復(fù)年限及土壤主要環(huán)境因子(含水量，有機(jī)質(zhì)、銨態(tài)氮、速效磷和速效鉀含量)之間存在顯著或極顯著的相關(guān)關(guān)系，各環(huán)境因子中對纖毛蟲群落影響較大的是銨態(tài)氮量和有機(jī)質(zhì)含量。

綜合所有研究結(jié)果和分析討論，可以得到如下結(jié)論:研究區(qū)的土壤纖毛蟲群落顯著地響應(yīng)了因退耕還林生態(tài)恢復(fù)所導(dǎo)致的土壤生態(tài)環(huán)境效應(yīng)并與相關(guān)的土壤環(huán)境因子之間有著顯著或極顯著的相關(guān)關(guān)系?；诖私Y(jié)論，可以認(rèn)為，土壤纖毛蟲是退耕還林生態(tài)恢復(fù)效果的良好的指示生物，土壤纖毛蟲群落的各項(xiàng)特征參數(shù)可作為退耕還林生態(tài)恢復(fù)效果理想的評價(jià)指標(biāo)。

近年來，隨著生態(tài)恢復(fù)進(jìn)程的加速和規(guī)模的擴(kuò)大，陸續(xù)有對生態(tài)恢復(fù)區(qū)土壤動物的研究，其中包括土壤動物對退耕還林生態(tài)恢復(fù)的響應(yīng)的研究［29-31］。這些研究從不同動物類群、不同層面和不同角度做了大量十分有意義的工作，但它們都只涉及中、小型動物類群(如扁形動物、線蟲動物、輪形動物、環(huán)節(jié)動物、緩步動物及節(jié)肢動物蛛形綱、甲殼綱、多足綱和昆蟲綱等)。有關(guān)土壤原生動物(包括土壤纖毛蟲)的研究工作甚少，而且或?yàn)閲L試性工作［7］，或是在其他方面的研究中附帶有少量相關(guān)內(nèi)容［32］。較之已有的相關(guān)研究，本研究在深度和系統(tǒng)性方面有了加強(qiáng)，但仍然存在許多不足，如研究范圍較小、退耕還林模式僅涉及較單一的側(cè)柏恢復(fù)林、土壤環(huán)境因子及其與纖毛蟲群落的關(guān)系方面未涉及植被詳情及其蓋度、凋落物數(shù)量和土壤孔隙度等，這些不足將在后續(xù)的大量研究工作中得到彌補(bǔ)和改進(jìn)。

致謝:中國科學(xué)院水生生物研究所繆煒研究員幫助寫作，特此致謝。

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Response of soil ciliate communities to ecological restoration after the implementation of the conversion of cropland to forest and grassland program: a case study of Platycladus orientalis Forest

NING Yingzhi1，*，WU Weining1，DU Haifeng2，WANG Hongjun3
1 The College of Life Sciences，Northwest Normal University，Lanzhou 730070，China
2 The Longnan Environmental Monitoring Station of Gansu Province，Longnan 746000，China
3 The Gansu Endangered Animal Protection Centre under the State Forestry Administration of China，Wuwei 733000，China

Abstract:Soil ciliates are some of the most complex and highly differentiated soil unicellular eukaryotes and play an important role in soil ecosystems.The species richness and individual abundance of soil ciliates，and their unique cell structures and physiological characteristics means that soil ciliate communities are highly sensitive to environmental conditions and therefore can be used as bioindicators in natural and human-influenced soil ecosystems.

In order to understand the response of soil ciliate communities to the soil environmental changes after the implementation of the Conversion of Cropland to Forest and Grassland Program，from March to September 2010，the community characteristics of soil ciliates in five sampling sites(Platycladus orientalis forests)at different stages ofrestoration，together with a control sampling site(a wild grass slope).The sites were located in Wudu District，Longnan City，and were studied using the non-flooded petri dish method，observation in vivo，protargol impregnation，and Foissner's counting method.A total of 71 soil ciliate species were identified in this study，which belonged to 3 classes，10 orders，22 families，and 29 genera.Hierarchical cluster analysis showed significant differences in the distribution of soil ciliate species among the soils collected from forests at different restoration stages.Furthermore，the analysis indicated that as restoration progressed，the composition of soil ciliate species became more and more complex.The diversity of soil ciliate species in the soil samples collected from the restoration sites were all higher than that in the control soil sample.Multiple linear regression analysis revealed that there was a significant correlation between the ciliate species number and restoration stage(y^ = 2.714 x2－10.820 x + 28.400，R2= 0.940)，and that there was an increase in the number of ciliate species as the restoration progressed.A statistical analysis of the number of the soil ciliate species showed a gradual succession of dominant soil ciliate groups over the course of ecological restoration.The dominant soil ciliate group Colpodida in earlier restoration soils was substituted by Hypotrichida in later restoration soils.

In this study，the soil environmental conditions including pH，soil temperature，soil water content，soil available phosphorus，available potassium，ammonium nitrogen，organic matter，and organic carbon in different soil samples were also investigated using potentiometric determination，angle stem earth thermometer，high-temperature drying，Olsen' s method，sodium tetraphenylboron turbidimetry，indophenol blue colorimetry，and hydration heat-photoelectric colorimetry，respectively.The results of physicochemical analysis of the soil samples suggested that soil quality improved during the conversion from cropland to forestland.Bivariate correlation analysis showed that soil organic matter and ammonium nitrogen had the most important influence on soil ciliate community diversity.Finally，the redundancy analysis results suggested that the variation between soil ciliate communities had a significant correlation with changes to soil environmental conditions during the conversion from cropland to forestland.Therefore，the soil ciliates could be considered as indicator organisms for assessing the effects of ecological restoration after conversion of cropland to forest.

Key Words:conversion of cropland to forest; ecological restoration; soil ciliate communities; ecological response; Platycladus orientalis forest; redundancy analysis

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: skyb514@ qq.com

收稿日期:2014-01-06;網(wǎng)絡(luò)出版日期: 2015-06-10

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41361055)

DOI:10.5846/stxb201401060047