寧應(yīng)之,周小燕,煙鄭杰,張世虎,陳凌云,萬貫紅

西北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,蘭州 730070

20世紀(jì)中后期,我國大多數(shù)草原草場特別是西部草原由于生態(tài)環(huán)境的脆弱,自然氣候因素的影響,外加人類活動的干擾(如開墾草原、超載放牧、破壞草原植被等),草地退化問題嚴(yán)峻[1]。特別是針對西部地區(qū)草原生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化的嚴(yán)峻現(xiàn)狀,全國草原荒漠化趨勢不斷擴(kuò)大,為了遏制和扭轉(zhuǎn)這種日益嚴(yán)重的草場退化,國務(wù)院于2002年12月正式批準(zhǔn)在西部11個省份實(shí)施退牧還草政策,明確退牧還草的總體思路、規(guī)劃總體目標(biāo)和政策要點(diǎn),使實(shí)現(xiàn)草地生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)[2]。退牧還草工程涉及草地生態(tài)修復(fù)和牧區(qū)建設(shè),堅(jiān)持保護(hù)為先,以建設(shè)和合理利用相結(jié)合,實(shí)行以草定畜,嚴(yán)格控制載畜量；實(shí)行草場圍欄封育,開展禁牧、休牧和劃區(qū)輪牧措施；適當(dāng)建設(shè)人工草地和飼草基地,旨在保護(hù)草原生態(tài)環(huán)境、遏制天然草地的持續(xù)惡化,實(shí)現(xiàn)畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

纖毛蟲原生動物作為一種復(fù)雜而高等的單細(xì)胞真核生物,在土壤生態(tài)系統(tǒng)和食物網(wǎng)中占有十分重要的地位。因其種類繁多、繁殖率高、個體微小、現(xiàn)存量和生產(chǎn)量巨大、群落演替迅速、分布廣泛、比表面積大,從而對生態(tài)環(huán)境的變化十分敏感。在不同土地管理方式導(dǎo)致的土壤微環(huán)境變化中,其纖毛蟲群落結(jié)構(gòu)及多樣性發(fā)生明顯改變,因此在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域中可作為理想的指示生物[3- 4]。目前,土壤纖毛蟲已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)田[5]、森林生態(tài)系統(tǒng)[6]的評價與重金屬毒性[7]監(jiān)測中并成為當(dāng)前環(huán)境質(zhì)量評價必不可少的重要組成部分,針對農(nóng)田或退牧還草后土壤纖毛蟲群落結(jié)構(gòu)變化的研究則相對較少,目前僅見寧應(yīng)之等對甘肅省定西市、天水市、慶陽市等地關(guān)于土壤纖毛蟲對退耕還林生態(tài)恢復(fù)響應(yīng)[8- 10]的相關(guān)報道。甘肅作為首批天然草地退牧還草工程實(shí)施省份,甘南瑪曲草地是亞洲植被最好的草地之一,是甘肅天然草場載畜量最高、耐牧性較高的牧區(qū)。近年來在人為的干預(yù)下草地質(zhì)量退化較為突出,相應(yīng)出現(xiàn)了“私地悲劇”等現(xiàn)象。瑪曲縣退牧還草工程于2004年全面實(shí)施,包括尼瑪、曼日瑪、阿萬倉、齊哈瑪和歐拉5鄉(xiāng)[11],其中歐拉鄉(xiāng)比國家提出退牧還草政策要早,在當(dāng)?shù)卣龑?dǎo)下牧民于1995年對退化嚴(yán)重的地區(qū)實(shí)行禁牧,中度和輕度退化區(qū)實(shí)行休牧,植被較好的草原實(shí)行劃區(qū)輪牧。本文以甘肅省甘南藏族自治州瑪曲縣境內(nèi)歐拉鄉(xiāng)的退牧還草地為樣點(diǎn),探討不同恢復(fù)年限的退牧還草區(qū)域中土壤纖毛蟲群落結(jié)構(gòu)變化,分析研究表層土壤纖毛蟲群落物種數(shù)和密度與土壤環(huán)境因子間的相關(guān)關(guān)系,并利用土壤纖毛蟲物種數(shù)和密度對退牧還草生態(tài)恢復(fù)的效果進(jìn)行評價,旨在為該地區(qū)退牧還草效果的生物學(xué)評價體系建立及退牧還草工作的實(shí)踐提供基礎(chǔ)資料和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Location of study area A1：退牧還草10年；A2：退牧還草15年；A3：退牧還草20年；B：未進(jìn)行退牧還草的對照樣點(diǎn)

研究區(qū)位于甘肅省甘南藏族自治州瑪曲縣境內(nèi)(圖1),海拔3300—4806 m,整個地勢呈東高西低的走向。氣候?qū)俑咴箨懶詺夂颉吆疂駶檯^(qū),高寒多風(fēng)雨雪。年平均溫度1.7℃,冬季最低溫度達(dá)-20.9℃,夏季最高溫度20.7℃,年均降水量599.7 mm。海拔高、輻射量大、溫度低、牧草生長期短,年均日照時數(shù)為2594 h。草地類型以高寒草甸和沼澤類草甸為主。土壤類型以高寒草甸土和沼澤化草甸土為主,植被優(yōu)勢種為禾本科(垂穗披堿草Elymusnutans)、毛茛科(毛茛Ranunculusjaponicus,絲葉毛茛Ranunculustanguticus,云生毛茛Ranunculuslongicaulis,絲葉唐松草Thalictrumfoeniculaceum),薔薇科(莓葉委陵菜Potentillafragarioides,蕨麻Potentillaanserina)和菊科(細(xì)葉亞菊Ajaniatenuifolia,冷蒿Artemisiafrigida)等為主,境內(nèi)分布著黃河上游支流330余條,補(bǔ)給黃河徑流水量的45%,是黃河源區(qū)主要水量補(bǔ)給區(qū)。

1.2 樣品采集和處理

根據(jù)退牧還草年限的不同(圖1),在瑪曲縣歐拉鄉(xiāng)共設(shè)置4個采樣點(diǎn),分春夏秋冬四季采集土樣。其中,A1、A2和A3樣點(diǎn)在分別為2005、2000和1995年實(shí)施退牧還草工程(主要為當(dāng)?shù)卣笇?dǎo)下牧民自發(fā)開展的劃區(qū)輪牧)。截至取樣時,分別持續(xù)10、15、20年；B樣點(diǎn)為對照樣點(diǎn)未進(jìn)行退牧還草工程(正常放牧、未采取休牧或輪牧措施)。

采樣分別于2015年5月(夏)、8月(秋)、11月(冬)、2016年3月(春)進(jìn)行。在各樣點(diǎn)內(nèi)隨機(jī)選取5個25 m2(5 m×5 m)樣區(qū),每個樣區(qū)用土壤采集器以“梅花五點(diǎn)式”采樣法采集0—5 cm土層土樣,揀去覆蓋在土層表面的枯枝落葉凋落物后混合為1個樣品,每次每個樣點(diǎn)采集土壤樣品5份；同時用土壤環(huán)刀在每個樣點(diǎn)同樣以“梅花五點(diǎn)式”采樣法取0—5 cm土層土壤樣品5個,封閉裝好并做好標(biāo)記,同時記錄樣地經(jīng)緯度、地溫。隨后,將采集好的土樣進(jìn)行密封后帶回實(shí)驗(yàn)室,一部分測定其含水量(24 h完成)與孔隙度；另一部分土樣平整的在牛皮紙上鋪開,上面覆蓋兩層草紙(防止空氣中的包囊進(jìn)入土樣影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果)于室內(nèi)自然風(fēng)干,用于土壤纖毛蟲的定性和定量實(shí)驗(yàn)。在植物生長旺季即8月份對各樣點(diǎn)土壤采樣區(qū)以0.25 m2(0.5 m×0.5 m)的樣方對地上植物種類、數(shù)量、蓋度進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì),每個樣點(diǎn)5個樣方。

1.3 項(xiàng)目測定與方法

1.3.1土壤理化因子的測定

用曲管地溫計(jì)測定土壤溫度,利用復(fù)合式電極進(jìn)行土壤pH測定,烘干法測定土壤含水量,凱氏定氮法測定總氮,氫氧化鈉堿熔-鉬銻抗比色法測定總磷和總鉀,碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定速效磷,重鉻酸鉀容量法測定有機(jī)碳,火焰光度計(jì)測定速效鉀。

1.3.2纖毛蟲的研究方法

定性研究采用“非淹沒培養(yǎng)皿法”[12]即在直徑為15 cm的培養(yǎng)皿中加入50 g的土壤,25℃泰斯特(GZX- 250E)下培養(yǎng),第三天開始鏡檢(Nikon光學(xué)顯微鏡)鑒定物種,每份土樣重復(fù)培養(yǎng)若干次、多次鏡檢,直到不再有新物種的出現(xiàn)為止。鑒定技術(shù)包括活體觀察(Nikon光學(xué)顯微鏡)和Wilbert(1975)蛋白銀染色[13]。采用Lynn(2008)分類系統(tǒng)[14]進(jìn)行物種鑒定。

定量采用直接計(jì)數(shù)法,即在直徑為5 cm的培養(yǎng)皿中加入5 g土壤,添加蒸餾水至剛剛沒過土壤并記錄添水量,培養(yǎng)皿壁的水平面劃線標(biāo)記,進(jìn)行培養(yǎng),每天觀察蒸發(fā)水量并重新添加水量至刻度線,在培養(yǎng)的第8、9、10、11四天內(nèi)對其中的纖毛蟲數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),再根據(jù)添水量和土壤質(zhì)量對土壤中的纖毛蟲進(jìn)行豐度換算。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理與方法分析

1.4.1類群的劃分

對鑒定到的物種進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,將物種數(shù)最多的目定義為優(yōu)勢類群,次多的目定義為次優(yōu)勢類群,只有單一種的目規(guī)定為罕見類群,其余目均為常見類群[15- 16]。

1.4.2物種多樣性指數(shù)

多樣性指數(shù)是用簡單的數(shù)值表示生境中動植物以及微生物種類的豐富程度,用來判斷群落或者生態(tài)系統(tǒng)是否穩(wěn)定,是衡量一定地區(qū)生物資源豐富程度的一個客觀指標(biāo)。本文采用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)[17]來計(jì)算物種多樣性：

H=-∑Ni/N×lnNi/N

式中,H為多樣性指數(shù),N為所有屬的個體數(shù),Ni是第i屬的個體數(shù)。H的范圍在0到任何整數(shù)之間,當(dāng)H=0時表示全部個體均屬于同一屬生物,H值越大,表示當(dāng)前物種多樣性指數(shù)越高。一般來說,當(dāng)H值在0—1之間時污染程度較重,H>3時當(dāng)前污染程度較輕[18]。

1.4.3豐富度指數(shù)

豐富度指在某一特定區(qū)域內(nèi)所有物種的數(shù)量,用來整體衡量當(dāng)前區(qū)域內(nèi)物種資源的豐富程度,表征生物群集中種類的豐富程度。本文采用Margalef豐富度指數(shù)[19]來計(jì)算物種豐富度：

d=(S-1)/lnN

式中,d為豐富度指數(shù),S為種類數(shù),N為個體數(shù),d值越高則當(dāng)前污染程度較輕,反之則較重。一般來說,當(dāng)d>6時表明當(dāng)前環(huán)境下生物豐富度較高[20]。

1.4.4均勻度指數(shù)

均勻度指一個群落或者生境中不同群落的分布情況,其反應(yīng)出物種個體數(shù)目之間分配的均勻程度。在衡量一個區(qū)域內(nèi)的群落多樣性時,必須同時考慮群落豐富度及均勻度,這樣計(jì)算出來的結(jié)果才具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。本文采用Pielou均勻度指數(shù)[21]計(jì)算群落均勻度：

E=H/lnS

式中,E為均勻度指數(shù),H為Shannon-Wiener多樣性指數(shù),S為種類數(shù)。一般情況下E的值在0—1之間,E值越高,則表明當(dāng)前生態(tài)環(huán)境不同群落分布越均勻,種類越豐富。

使用SPSS 19.0和Primer 6.0對數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、聚類分析(Cluster Analysis)和多維排序分析(Multidimensional Scaling,MDS)；單因素方差分析用于各樣點(diǎn)間土壤纖毛蟲群落組成隨季節(jié)變化(P<0.05)、用Origin 8.0做圖。

2 結(jié)果

2.1 土壤理化因子對退牧還草的響應(yīng)

土壤含水量和孔隙度是表征土壤結(jié)構(gòu)以及其水源涵養(yǎng)能力的物理環(huán)境指標(biāo)(表1)。土壤含水量和孔隙度A1、A2、A3樣點(diǎn)均高于B樣點(diǎn),且A3>A2>A1；即表明隨著退牧還草工程年限的增長,其土壤物理狀況得到顯著改善；4個樣點(diǎn)之間的土壤pH值與退牧年限成反比,隨著退牧年限的增長土壤由弱堿性向中性過渡差異顯著；土壤速效鉀和速效氮含量在恢復(fù)樣地A1、A2、A3樣點(diǎn)均顯著高于對照樣點(diǎn)B且A3樣點(diǎn)與B樣點(diǎn)均差異顯著(P<0.05),即隨著退牧還草年限增加,土壤速效養(yǎng)分相應(yīng)增加；土壤全鉀、有機(jī)質(zhì)含量在樣點(diǎn)各樣點(diǎn)間差異不顯著,可見隨退牧還草工程的實(shí)施和年限的增加,對土壤理化性質(zhì)及養(yǎng)分的改變較為明顯。

表1 各樣點(diǎn)土壤理化因子

A1：退牧還草10年；A2：退牧還草15年；A3：退牧還草20年；B：未進(jìn)行退牧還草的對照樣點(diǎn); 表中所列數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(SE),同一列不同字母代表經(jīng)LSD多重比較在P<0.05水平樣點(diǎn)間差異顯著(n=20)

對所研究樣點(diǎn)的土壤理化指標(biāo)(含水量、土壤孔隙度、pH值、速效氮、速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀)進(jìn)行聚類分析(圖2)可得,未進(jìn)行退牧還草工程的對照樣點(diǎn)B首先被單獨(dú)分出來,而經(jīng)過10年和15年退牧還草工程的A1樣點(diǎn)和A2樣點(diǎn)聚為一類,接著與退牧還草20年的A3樣點(diǎn)聚為一類,隨后3個樣點(diǎn)與B聚為一類,這表明退牧還草后的土壤質(zhì)量與對照樣點(diǎn)B產(chǎn)生了明顯差異,退牧還草20年的A3樣點(diǎn)的草原生境得到了明顯的改善。

圖2 各樣點(diǎn)環(huán)境因子聚類分析樹狀圖和多維度排序圖Fig.2 Dendrogram of cluster analysis and Multi dimensional scaling on soil environment factorsat various sites

2.2 纖毛蟲的群落結(jié)構(gòu)

2.2.1纖毛蟲的群落組成

本研究中共計(jì)鑒定到纖毛蟲95種,隸屬9綱15目21科28屬(表2)。在群落組成上,對照樣點(diǎn)B的群落結(jié)構(gòu)較為簡單,A1—A3樣點(diǎn)與對照樣點(diǎn)B有較大的差別,A1—A3樣點(diǎn)的目、科、屬和種的數(shù)目呈明顯的增加趨勢在A3樣點(diǎn)高達(dá)85種,表明隨著退牧還草工程的實(shí)施和退牧還草年限的增加,土壤逐漸改善,越來越適合土壤纖毛蟲的存在,纖毛蟲群落結(jié)構(gòu)逐漸復(fù)雜化,其中散毛目(Sporadotrichida)居多,為優(yōu)勢類群,腎形目(Colpodida)、尾柱目(Urostylida)、刺鉤目(Haptorida)次之,為次優(yōu)勢類群。

表2 各樣點(diǎn)土壤纖毛蟲的群落組成

2.2.2優(yōu)勢種

本研究將各樣地不同季節(jié)中出現(xiàn)頻次相對較高的纖毛蟲物種作為優(yōu)勢種。其優(yōu)勢種的響應(yīng)情況如下：尖毛蟲屬(Oxytricha)中的Oxytrichasp1.、顆粒尖毛蟲(Oxytrichagranulifera)、Oxytrichasp2.,腎形蟲屬(Colpoda)中的土壤腎形蟲(Colpodaedaphoni)、小腎形蟲(Colpodaminima),彈跳蟲屬(Halteria)中的大彈跳蟲(Halteriagrandinella)在大部分的處理中成為優(yōu)勢種。

從各樣點(diǎn)的優(yōu)勢種來看,對照樣點(diǎn)B中的優(yōu)勢種為大彈跳蟲(H.grandinella)、土壤腎形蟲(C.edaphoni)、膨大腎形蟲(Colpodainflata),A1樣點(diǎn)中的優(yōu)勢種尖毛蟲屬一種(Oxytrichasp1.)、大彈跳蟲(H.grandinella)、土壤腎形蟲(C.edaphoni)、腔裸口蟲(Holophryaatra),A2樣點(diǎn)中的優(yōu)勢種為尖毛蟲屬一種(Oxytrichasp2.)、大彈跳蟲(H.grandinella)、土壤腎形蟲(C.edaphoni)、小腎形蟲(C.minima),A3樣點(diǎn)中的優(yōu)勢種為苔蘚斯道克蟲(Sterkiellahistriomuscorum)、顆粒尖毛蟲(O.granulifera)、契氏片尾蟲(Urosomacienkowskii)、大彈跳蟲(H.grandinella)。表明經(jīng)過退牧還草生態(tài)恢復(fù)后的草場土壤纖毛蟲優(yōu)勢種存在顯著差異,隨著退牧還草工程時間的推進(jìn),土壤纖毛蟲優(yōu)勢種增加并且趨于復(fù)雜化,并且物種由對照樣點(diǎn)B的腎形目(r-對策者)逐漸演替為以散毛目(k-對策者)等為主的土壤纖毛蟲過渡,這也證明隨著退牧還草工程的不斷實(shí)施,尤其是隨著退牧還草年限的增長,土壤環(huán)境條件跟質(zhì)量逐步得到改善和提高。

2.2.3廣布種和特有種

本研究中有32種纖毛蟲在4個樣點(diǎn)均出現(xiàn),為廣布種,占纖毛蟲物種總數(shù)的33.68%,分別為透明赭蟲(Blepharismahyalinum)、苔蘚圓纖蟲(Strongylidiummuscorum)、尖毛蟲屬一種(Oxytrichasp1.)、顆粒尖毛蟲(O.granulifera)、橢圓尖毛蟲(Oxytrichaelliptica)、尖毛蟲屬一種(Oxytrichasp2.)、似片尾蟲屬一種(Urosomoidasp1.)、契氏片尾蟲(U.cienkowskii)、闊柱片尾蟲(Urosomamacrostyla)、相似片尾蟲(Urosomasimillis)、近緣殖口蟲(Gonostomumaffine)、鋼強(qiáng)殖口蟲(Gonostomumstrenuum)、紡錘全列蟲(Holostichakessleri)、大尾柱蟲(Urostylagrandis)、尾瘦尾蟲(Uroleptuscaudatus)、瘦尾蟲屬一種(Uroleptussp.)、大彈跳蟲(H.grandinella)、駝扭頭蟲(Metopusgibbus)、斜口蟲屬一種(Enchelyssp.)、卑怯管葉蟲(Trachelophyllumpusillum)、俏籃口蟲(Nassulagracilis)、小腎形蟲(C.minima)、僧帽腎形蟲(Colpodacucullus)、土壤腎形蟲(C.edaphoni)、膨大腎形蟲(C.inflata)、迅捷腎形蟲(Colpodafastigata)、背溝腎形蟲(Colpodahenneguyi)、腎形蟲屬一種(Colpodasp1.)、長籃環(huán)蟲(Cyrtolophosiselongate)、腔裸口蟲(H.atra)、溝裸口蟲(Holophryasulcata)、腎形瞬目蟲(Glaucomareniformis)。

僅在某一樣點(diǎn)出現(xiàn)的種為特有種,A1樣點(diǎn)中的特有種有2種,分別為殖口蟲屬一種(Gonostomumsp.)、漫游蟲屬一種(Litonotussp.),A3樣點(diǎn)中的特有種有1種,為角毛蟲屬一種(Keronopsissp.)。

2.2.4纖毛蟲的物種分布

本研究中所鑒定到的纖毛蟲95種的分布如圖3所示,退牧還草生態(tài)恢復(fù)20年的A3樣點(diǎn)物種最為豐富,有85種,約占物種總數(shù)的89%,A2樣點(diǎn)和A1樣點(diǎn)分別有79種和69種,分別占物種總數(shù)的83%和72%；對照樣點(diǎn)B物種數(shù)為56種,占物種總數(shù)的59%,可見隨著退牧還草工程的開展和年限的延長,土壤纖毛蟲物種數(shù)呈明顯增多趨勢。

圖3 各樣點(diǎn)土壤纖毛蟲群落組成Fig.3 The community composition of the soil ciliates at various sampling sites

2.2.5土壤纖毛蟲的物種密度、多樣性、豐富度、均勻度指數(shù)

不同的生態(tài)恢復(fù)年限纖毛蟲密度和各物種多樣性指數(shù)有所不同(圖4),纖毛蟲密度在各處理間均隨退牧還草年限增加而升高。春夏秋冬四季纖毛蟲密度在退牧還草樣點(diǎn)A均高于對照樣點(diǎn)B,即A3(春：220 個/g；夏：201 個/g；秋：204 個/g；冬：158 個/g)顯著高于A2(春：138 個/g；夏：132 個/g；秋：168 個/g；冬：106 個/g)、A1(春：145 個/g；夏：115 個/g；秋：143 個/g；冬：75 個/g)和B(春：56 個/g；夏：63 個/g；秋：83 個/g；冬：42 個/g),季節(jié)間為秋季>春季>夏季>冬季,表明退牧工程實(shí)施有助于纖毛蟲物種數(shù)增加,從而使得土壤中纖毛蟲密度的提高。

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)的各處理變化與Pielou均勻度指數(shù)的變化規(guī)律基本一致(圖4),隨著退牧還草年限的延續(xù),在季節(jié)上A3物種多樣性指數(shù)(春：3.14；夏：3.58；秋：3.52；冬：2.34)顯著高于A2(春：2.75；夏：2.90；秋：2.78；冬：1.98)、A1(春：2.42；夏：2.69；秋：2.53；冬：1.82)和B(春：1.90；夏：2.10；秋：2.12；冬：1.48)；A3均勻度指數(shù)(春：1.05；夏：1.20；秋：1.17；冬：0.83)顯著高于A2(春：0.95；夏：0.98；秋：0.93；冬：0.70)、A1(春：0.81；夏：0.90；秋：0.85；冬：0.64)和B(春：0.74；夏：0.71；秋：0.72；冬：0.54),兩者都呈明顯的夏季>秋季>春季>冬季；Margalef豐富度指數(shù)各處理樣點(diǎn)的變化除A2與A1差異不顯著外(P>0.05)其他樣點(diǎn)間隨季節(jié)均表現(xiàn)差異顯著,豐富度指數(shù)各樣點(diǎn)間也是隨著退牧年限增加逐漸升高,A3(春：4.89；夏：4.93；秋：4.91；冬：4.96)顯著高于A2(春：4.54；夏：4.58；秋：4.48；冬：4.30)、A1(春：4.21；夏：4.15；秋：4.20；冬：3.91)和B(春：3.37；夏：3.50；秋：3.60；冬：3.00),整體呈秋季>夏季>春季>冬季。

圖4 各采樣點(diǎn)的纖毛蟲密度、物種多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)和均勻度指數(shù)Fig.4 Density, diversity index, abundance and evenness of soil ciliates at various sampling sites*不同字母為隨各季節(jié)在不同樣點(diǎn)間在0.05水平上的差異顯著性

對土壤纖毛蟲密度、多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)及均勻度指數(shù)季節(jié)間采用無重復(fù)雙因子方差分析顯示：土壤纖毛蟲密度、豐富度指數(shù)、多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)各樣點(diǎn)處理之間差異顯著,季節(jié)間差異不顯著；可看出經(jīng)過退牧還草工程后的樣點(diǎn)隨年限的增加土壤纖毛蟲密度、多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)與均勻度指數(shù)均得到了不同程度的提高,當(dāng)退牧年限不斷增加時,土壤纖毛蟲各群落結(jié)構(gòu)參數(shù)持續(xù)增加,表明土壤纖毛蟲群落結(jié)構(gòu)向穩(wěn)定過度,并且物種趨于復(fù)雜化。

2.3 土壤纖毛蟲群落特征參數(shù)與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性

對各樣點(diǎn)土壤理化因子(速效氮、速效磷、速效鉀、總氮、總磷、總鉀、有機(jī)質(zhì)、pH值、含水量、孔隙度)與纖毛蟲群落特征參數(shù)(土壤纖毛蟲密度、物種多樣性指數(shù)、物種豐富度指數(shù)、物種均勻度指數(shù))進(jìn)行相關(guān)性分析(表3)。土壤纖毛蟲密度與土壤速效氮、速效磷、速效鉀、總氮、總磷、總鉀、有機(jī)質(zhì)和含水量均呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),與土壤孔隙度呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.05),與土壤pH值呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；土壤纖毛蟲多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)與土壤總氮、總磷、總鉀、有機(jī)質(zhì)、含水量、土壤孔隙度呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；土壤纖毛蟲豐富度指數(shù)與土壤速效磷、速效鉀、總磷、總鉀、有機(jī)質(zhì)含量、土壤含水量和土壤孔隙度呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),與土壤總氮呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.05),與土壤pH值呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05),進(jìn)一步表明隨著退牧年限的增加土壤質(zhì)量得到恢復(fù)為更多土壤纖毛蟲的生長創(chuàng)造有利條件。

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

*在0.05水平(雙側(cè))顯著相關(guān),**在0.01水平顯著相關(guān)

3 討論

退牧還草政策旨在給予農(nóng)牧民一定經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償?shù)那疤嵯?通過圍欄建設(shè)、補(bǔ)播改良以及禁牧、休牧、劃區(qū)輪牧等措施,恢復(fù)草原植被,提高草原生產(chǎn)力,促進(jìn)草原生態(tài)與畜牧業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展。Peng等[22]在研究中發(fā)現(xiàn)食草性動物對草場的任意踐踏可導(dǎo)致土壤容重、土壤pH等的增加,本研究中主要是采用休牧和劃區(qū)輪牧兩種方式,因?yàn)椴莸刭|(zhì)量退化不是非常嚴(yán)重,在退牧還草工程實(shí)施后,草場植被在萌發(fā)期和結(jié)實(shí)期采取休牧其物種數(shù)量有了顯著提高[11,23]；章家恩等[24]認(rèn)為在退化草地植被恢復(fù)和重建的過程中,物種多樣性也會隨即增加,植物多樣性和蓋度的提高會直接影響土壤養(yǎng)分的分布和提高[23,25]。本研究表明,經(jīng)過退牧還草20年的A3樣點(diǎn)地上生物量和蓋度均最大,其土壤孔隙度、含水量、pH、鉀、磷、氮以及有機(jī)質(zhì)的含量較對照樣點(diǎn)均有顯著提高,這與曾輝等[25]和仝小林等[26]結(jié)果相對應(yīng),說明退牧還草生態(tài)恢復(fù)后,草地得到休養(yǎng)生息,地下土壤養(yǎng)分狀況得到相應(yīng)改善,而且退牧還草年限越長,地上植被得到恢復(fù)和再生,當(dāng)年返回土壤中的枯落物使得土壤有機(jī)碳、氮、磷和鉀得到補(bǔ)充和積累,使得土壤通氣性得到改善,便于水汽交換和養(yǎng)分的保持,良好土壤通氣性和肥沃的有機(jī)質(zhì)將為土壤微生物的繁殖和活動提供良好的條件[27]。

至于退牧還草年限最終持續(xù)多久,土壤質(zhì)量狀況和土壤原生動物—纖毛蟲群落組成、結(jié)構(gòu)、數(shù)量和功能才能趨于穩(wěn)定,仍需后續(xù)研究。

隨著退牧還草生態(tài)恢復(fù)的持續(xù),植被得到了恢復(fù)和重建,植被凋落物促進(jìn)土壤動物活力和微生物的活性加強(qiáng)[28-29],土壤原生動物吸取排泄等改善土壤質(zhì)地刺激植物生長[30],纖毛蟲作為最復(fù)雜和最高等的單細(xì)胞原生動物,是土壤生態(tài)系統(tǒng)中十分重要的動物類群之一,因其獨(dú)特的生命特征,對外界環(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[31]。

本研究中共鑒定到纖毛蟲95種,隸屬9綱15目21科28屬,這與孫輝榮等[30]和劉燦等[31]對亞高寒草甸冷暖季土壤纖毛蟲群落對坡向的響應(yīng)結(jié)果較低,本研究中纖毛蟲物種數(shù)與亞高寒草甸冷季纖毛蟲物種數(shù)量為97種(9綱、17目、32科、50屬)基本相等,但明顯低于亞高寒草甸暖季纖毛蟲物種數(shù)142(9綱、18目、32科、55屬)和寧應(yīng)之等[32- 33]瑪曲高原濕地土壤纖毛蟲類群春季(32科50屬114種)和夏季(40科68屬204種),主要?dú)w因于本研究區(qū)的地形海拔較高導(dǎo)致氣溫在本研究中更低所致以及沼澤濕地水熱等優(yōu)越的土壤環(huán)境有助于微生物的生存[30- 33]。且隨著草地恢復(fù)年限的增加其土壤纖毛蟲物種數(shù)增加變幅相應(yīng)減小,且優(yōu)勢類群跟次優(yōu)勢類群在A2和A3間基本相似。隨著退牧還草工程的不斷推進(jìn),土壤纖毛蟲群落結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜化、物種數(shù)逐漸增加,以r-對策者腎形目為優(yōu)勢種逐漸向k-對策者散毛目過渡,Foissner[28]在研究中發(fā)現(xiàn),散毛目(Sporadotrichida)和腎形目(Colpodida)的種類常占優(yōu)勢,其中又以散毛目(Sporadotrichida)的種類最為豐富[34- 35],這與本研究的結(jié)果相一致。

土壤纖毛蟲密度、多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)和均勻度指數(shù)都隨著退牧還草進(jìn)行均對生態(tài)恢復(fù)方面做出了積極響應(yīng)。主要體現(xiàn)在,隨著退牧還草年限的延長,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,如纖毛蟲物種數(shù)和特有種呈增多趨勢、豐富度波動式上升、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。方差分析顯示盡管土壤纖毛蟲多樣性、豐富度和均勻度指數(shù)等群落特征在季節(jié)上差異不顯著,但群落特征指數(shù)變化在夏季跟秋季間表現(xiàn)活躍,冬春季表現(xiàn)更為穩(wěn)定,這主要受土壤環(huán)境的變化隨高原氣候低溫高濕的限制更為明顯,因?yàn)楹０蜗拗浦饕菧囟雀值臋?quán)衡,研究表明土壤濕度對土壤纖毛蟲物種數(shù)影響最大[32- 35],本研究中土壤含水量與纖毛蟲密度、多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)呈極顯著正相關(guān)且相關(guān)性系數(shù)均較高相一致。

研究區(qū)屬于典型的高寒草甸氣候、溫度、降雨等環(huán)境條件變化強(qiáng)烈,土壤植被等空間異質(zhì)性很大。退牧還草生態(tài)恢復(fù)后,一般為植物蓋度、地上生物量相應(yīng)增加[23,35],伴隨土壤孔隙度、含水量、總磷、總氮、總鉀、速效氮、速效磷、速效鉀隨生態(tài)恢復(fù)年限的增長而顯著增加,土壤pH顯著降低,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)性分析表明,土壤纖毛蟲群落主要特征參數(shù)(密度、均勻度指數(shù)、豐富度指數(shù)和多樣性指數(shù))隨恢復(fù)年限及土壤主要環(huán)境理化因子(速效氮、速效磷、速效鉀、總氮、總磷、總鉀、有機(jī)質(zhì)、含水量、土壤孔隙度)之間存在顯著或極顯著的正相關(guān)關(guān)系與pH呈極顯著負(fù)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氮、鉀、磷和有機(jī)質(zhì)含量,這與寧應(yīng)之等[8-10]的研究結(jié)論相符。研究發(fā)現(xiàn)[36- 37],土壤纖毛蟲是生態(tài)恢復(fù)效果的良好指示生物,說明土壤基質(zhì)即土壤腐殖質(zhì)等養(yǎng)分含量高低是決定土壤微生物包括原生動物—纖毛蟲定居的前提,而土壤基質(zhì)和植被等的優(yōu)劣又會受到地形氣候等水熱條件的反饋和調(diào)節(jié)。

由此可見,土壤纖毛蟲群落結(jié)構(gòu)顯著地響應(yīng)了退牧還草生態(tài)恢復(fù)所導(dǎo)致的土壤生態(tài)環(huán)境效應(yīng),土壤纖毛蟲群落的各項(xiàng)特征參數(shù)可作為退牧還草生態(tài)恢復(fù)效果的評價指標(biāo)之一,這將為未來退化高寒草甸的植被恢復(fù)和土壤碳匯保持具有重要的指導(dǎo)意義。