无齿螳臂相手蟹对互花米草群落土壤因子的影响分析

肖孟阳，罗康宁，廖安邦，刘茂松

(南京大学 生命科学学院，江苏 南京 210023)

滨海滩涂湿地是分布最广的生态系统类型之一，具有生物栖息地、营养物质过滤器、固碳等多种重要的生态系统服务功能[1]。蟹类作为滩涂湿地常见的大型底栖动物，其植食、掘穴等行为可影响微地貌、改变土壤物理化学性质，影响生态系统的物质循环和能量流动。相关研究发现，蟹类的掘穴行为能增加表层土壤的含水率[2]，降低土壤容重[3]；蟹洞也可以滞留有机碎屑，减少有机质输出量，显著增加沉积物中的TOC、TN含量[4-5]。有研究认为，蟹类的生物扰动作用提高了沉积物中活性有机碳的比例[6]，掘穴活动也能增加沉积物表面的有机质的含量[7]。而在不同季节，蟹类活动的生态效应存在一定差异。陈淑云等[8]研究指出，蟹类扰动区沉积物土壤总氮含量受季节变化影响差异显著，在中潮滩区域，蟹类扰动区沉积物土壤总氮含量在秋季显著高于冬夏两季。

沉积物或底泥土壤理化性质的改变，将直接影响生态系统的物质循环和能量流动过程，影响植物的生长状况，甚至群落的演替趋势[9]。基于底栖动物活动与土壤因子相互作用，通过增加或减少底栖动物的扰动作用，可在一定程度改变土壤条件，调节湿地生态系统的生态功能。本研究在江苏大丰麋鹿国家级自然保护区第三核心区的滩涂湿地，选取互花米草(Spartinaalterniflora)群落开展野外受控实验，通过控制本地底栖动物优势种无齿螳臂相手蟹(Chiromantesdehaani)种群密度的相对大小，研究不同扰动强度对土壤性质及植物生长造成的影响及季节差异，以期为通过底栖动物调控湿地生态过程提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 材料

研究地位于江苏省盐城市江苏大丰糜鹿国家级自然保护区的第三核心区(33°05′N，120°49′E)，气候属北亚热带向暖温带的过渡带。年均气温14.5 ℃，相对湿度80%左右，年均降水量751 mm，全年无霜期299 d，研究地土壤为粉砂质土壤[10]。植物群落主要有互花米草群落、白茅群落、芦苇群落等。研究地互花米草群落大型底栖动物优势种为无齿螳臂相手蟹、中型仿相手蟹等。

1.2 方法

本研究于2018年5月初在大丰糜鹿国家级自然保护区第三核心区内选择自然状态下典型的互花米草群落样地设计围隔实验，以样地内原有的底栖动物优势物种无齿螳臂相手蟹(以下均简称相手蟹)作为实验动物。用1.5 m长的PVC管及网眼边长1 cm的渔网构建面积为1.5 m×2 m大小的围隔，围隔高1 m，将渔网嵌入土层0.5 m深处，阻止相手蟹掘穴逃出。

设置少蟹组、多蟹组，并以相邻自然状态下无围隔处理区为对照组，每组各设3个重复。从各少蟹组围隔中各捕捉10只相手蟹，并从周边捕捉5只相手蟹放置到多蟹组对应围隔中，用渔网将围隔顶部盖住，用细绳将顶部渔网和侧面渔网缝合，防止鸟类取食。

分别于2018年5月初(初夏，2018-05-18)、10月初(秋季，2018-10-18)和2019年1月初(冬季，2019-01-19)在每个围隔内取表层土样(0～20 cm)，用环刀法采集土样用以测定土壤BD，土样带回实验室测定土壤DS、TN、TP、TOC等，冬季收割植物地上部分测量生物量(BIO)，并计数每个实验样方内孔穴数量(CAV)。

土壤盐度使用雷磁DDS-307电导率仪测定；总有机碳采用重铬酸钾容量法-外加热法进行测定；总氮采用半微量凯氏法(HJ 717—2014)进行测定；总磷采用氢氧化钠熔融—钼锑抗比色法(HJ 632—2011)进行测定。

1.3 数据处理与分析

运用单因素方差分析(one-way ANOVA)对3个季节和3种处理方式下表层土壤因子和蟹穴数量的差异性进行分析，如有显著差异，选用Tukey HSD法进行多重比较，通过计算数据间的Pearson相关系数检验不同季节和处理方式下土壤因子之间的相关性，所有统计分析在SPSS 26.0中完成，用Origin 2017绘制柱状图。

主成分分析(PCA)在Canoco 5.0中完成，显著性水平设定为α=0.05。

2 结果与分析

2.1 不同处理组间主要土壤因子的季节变化

比较互花米草群落内土壤主要指标在不同处理组间的相对大小及变化趋势(图1～2)，发现实验初期，仅多蟹区土壤TP显著高于少蟹区，其他指标均在3组间无显著性差异；而在实验末期，组间差异达显著水平的有TOC、TN、TP。末期蟹穴数量组间差异也达显著水平，依次为多蟹组>少蟹组>对照组(图1)，且蟹穴数量越大，群落地上生物量也越高。

柱间无相同大写字母表示组间地上生物量差异显著(P<0.05)；无相同小写字母表示组间洞穴密度差异显著(P<0.05)。

比较发现，土壤BD在不同处理组间变化趋势相对一致，且同期组间差异也不显著，表明不同处理对土壤容重的影响相对较小；土壤DS在不同处理组间均呈先上升后下降的变化趋势，组间差异在实验初期和末期均不显著，但秋季多蟹组显著低于少蟹组和对照组。

土壤TOC、TN、TP等变化趋势及相对大小在不同处理组间均存在较大差异。其中，土壤TOC秋季最高，初夏组间差异不显著，秋季多蟹组高于少蟹组和对照组，冬季少蟹组高于多蟹组和对照组，多蟹组季节间变化幅度最大；土壤TN初夏组间差异不显著，秋季对照组显著高于多蟹和少蟹组，冬季少蟹组显著高于多蟹和对照组，在季节之间有较大差异，组间差异及不同季节组间相对差异与TOC相似，但少蟹组季节间相对增幅最大；土壤TP秋季相对较低，季节间均呈现先下降后上升的趋势，多蟹组季节间变化幅度更大，初夏多蟹组显著高于少蟹和对照组，秋季组间差异不显著，冬季多蟹组显著低于少蟹和对照组。

2.2 主要土壤因子间相关关系的比较分析

土壤理化因子间往往存在一定的相互作用及关联特征。分别计算几个土壤因子在同季节、不同组别间主要指标的相关关系。比较不同处理组组内相关性达显著水平的土壤因子，发现在多蟹组，初夏土壤TP与TN、TP与DS呈极显著负相关，TN与DS呈极显著正相关，秋季DS与TN呈极显著负相关；少蟹组，仅初夏TP与TOC呈显著负相关；对照组，初夏TP与TN呈极显著正相关，秋季DS与TN呈极显著负相关，冬季TOC与TP呈极显著负相关(表1)。

柱间无相同大写字母表示同一季节不同处理方式间的差异显著(P<0.05)；无相同小写字母表示同一处理方式不同季节间的差异显著(P<0.05)。BD—土壤容重；DS—土壤盐度；TOC—土壤总有机碳；TN—土壤总氮；TP—土壤总磷。图3同。

表1 土壤因子间相关关系

进一步比较发现，从初夏到冬季，土壤DS与BD在少蟹组一直呈负相关关系，但在多蟹组和对照组随季节而变化；DS与TOC，在初夏3种处理均为正相关关系，多蟹组从初夏到冬季一直为正相关，而少蟹组、对照组则从正相关变为负相关；DS与TP在对照组一直呈较强的正相关关系，在多蟹组和少蟹组的相关性则均较弱；DS与TN在多蟹组从极显著正相关变为极显著负相关，再到不显著正相关，少蟹组和对照组，仅秋季对照组达到极显著负相关，其余未达显著水平；TN和TP在多蟹组一直呈负相关，少蟹组和对照组的相关性随季节而变化；TOC与TN随季节变化，但均未达到显著性水平，且组间变化趋势不一致；TOC与TP在多蟹组和少蟹组的相关性随季节变化依次为负相关、正相关、正相关，对照组的相关性变化为正相关、负相关、负相关，初夏少蟹组和冬季对照组达到显著的负相关水平。

总体上，研究地土壤TN与TP多呈负相关，DS与TOC呈正相关，DS与TN相关性相对较强，TOC与TN、TP相关性相对较弱；存在显著相关关系的土壤因子组合，在不同季节、不同处理组间均存在较大差异，在冬季显著少于夏季、秋季，少蟹组总体上少于多蟹组与对照组。显示较强的蟹类活动(多蟹组)，土壤因子间的相关关系总体上较强。

2.3 不同处理组间土壤因子的变化趋势分析

为分析群落土壤特征因不同处理方式而发生的变化趋势，分别在不同季节，对多蟹组、少蟹组、对照组采集的土样基于主要土壤因子特征进行主成分分析(PCA)。结果表明，在实验初期(初夏)，不同处理组各土样间的差异相对较小，其中多蟹组与对照组、多蟹组与少蟹组、少蟹组与对照组，均存在不同组别样本因土壤因子相近而划入同一个类型中的情况(图示圈内)，即不同处理组间基于土壤因子排序存在一定的样本交叉(图3)。至秋季，土壤因子发生显著变化，其中多蟹组和少蟹组存在样本交叉，而与对照组有较大差异，分属不同的群体，组间土壤因子交叉重合相对较小。冬季，基于土壤因子的排序，3种不同处理组显著分开，土壤特征出现明显的分异现象。

a—初夏；b—秋季；c—冬季；○—多蟹组；—少蟹组；◇—对照组。

进一步分析发现，在不同季节由于土壤因子的变化，不同采样点之间土壤因子差异性主要因季节差异性而不同。实验初期，不同采样点之间的差异主要体现在TOC、TN、TP等因子；在秋季，不同采样点之间的差异主要体现在TOC、BD、TN、DS等因子；在冬季，不同采样点的主要差异体现在DS、BD、TN、TOC等因子。总体上，多蟹组的TOC、TN较少，少蟹区的TOC、TN较多，蟹类活动有利于降低土壤TOC、TN的累积。对照组和处理组相比，对应高含量的DS、TP。

3 讨论

3.1 蟹类活动对植被和土壤因子的影响

无齿螳臂相手蟹密度与洞穴密度呈显著正相关[11]，洞穴数量可作为蟹类活动强度的相对指标。本研究在冬季采样结束后计数洞穴数量，结果显示，多蟹组洞穴密度显著高于少蟹组。实验中对照组密度最低，推测可能由于在没有围隔限制活动范围的对照组，相手蟹可选择更合适区域掘穴，而围隔区相手蟹掘穴只能在围隔内掘穴。

有研究[3]认为，蟹类活动可降低土壤容重，而对土壤盐度影响较小[8]。对于土壤TOC、TN，一般盐沼植被生物量可直接以枯落物或分泌物形式进入沉积物，或在沉积过程中被埋入沉积物[12]，蟹类通过进食与排泄、蟹穴沉积等活动可促进碳、氮元素在土壤中的累积[13]，还可加速凋落物分解并促进氮素等养分物质的释放[14]，而蟹类通过刮食有机碎屑也可显著降低有机物质含量[15]。此外，蟹穴形成过程可促进有机质矿化[16]，减少TOC含量[4]，潮汐过程则可造成溶解性无机氮含量的大量流失[17]。关于土壤TP，有研究认为，蟹类活动有利于可溶性总磷从沉积物向表层间隙水和上覆水的释放，并由此造成表层沉积物中TP含量的降低[18]，而李翔等[19]研究发现，互花米草生境沉积物总磷含量在季节间不存在显著差异，蟹洞存在与否影响也较小。

本研究中，不同处理对土壤水分、容重的影响相对较小，对土壤盐分在秋季影响显著，夏、冬两季影响较小。土壤TOC在初夏组间差异不显著，秋季多蟹组高于少蟹组和对照组，冬季少蟹组高于多蟹组和对照组，多蟹组季节间变化幅度最大。土壤TN在实验初期组间差异不显著，秋季对照组显著高于多蟹和少蟹组，但冬季少蟹组显著高于多蟹和对照组，其相对含量随季节变化有较大差异，不同组别间相对大小及其随季节的变化趋势与TOC相似，但TOC在多蟹组季节间变化幅度最大，而TN在少蟹组季节间相对变幅最大。初夏多蟹组土壤TP显著高于少蟹和对照组，秋季组间差异不显著，冬季多蟹组显著低于少蟹和对照组，季节间均呈现先下降后上升的趋势，多蟹组季节间变化幅度更大。

研究结果显示，不同处理组间C、N、P变化趋势存在一定差异，表明底栖动物扰动可在一定程度上影响滩涂湿地TOC、TN、TP相对含量及变化趋势；同时也发现，群落中土壤N、C代谢过程密切相关，但其受底栖生物活动的影响也存在一定差异。与相关研究比较，底栖动物活动对土壤DS、BD等影响也相对较小，对土壤C、N、P含量的相对大小及变化趋势等有较大影响，但因时、因地、因动物扰动强度、因因子等而不尽相同，应根据研究地生境特征、动物扰动特征等而具体分析。

3.2 蟹类活动对土壤因子相关性的影响

土壤中不同理化因子间往往存在一定的相关性，苗萍等[20]研究发现，胶州湾互花米草湿地土壤TP、TN与土壤TOC含量呈显著正相关，TP、DS与TN呈显著的正相关，TOC、TN与pH呈显著负相关，其余指标间相关性较弱；金宝石等[21]研究发现，闽江河口湿地冬季互花米草群落土壤TOC与DS呈显著正相关；王维奇等[22]研究也发现，在闽江口湿地芦苇沼泽土壤TOC含量随着DS升高而增加；而仲崇庆等[23]研究表明，盐城滨海湿地的互花米草群落在生长季和非生长季土壤TN与TP存在较弱的负相关关系；夏雯雯[24]研究也发现，盐城滨海湿地的互花米草群落夏季土壤表层TN和TP呈显著负相关，土壤TOC、TN与DS呈显著负相关，盐度增加有利于土壤有机碳分解[25]。总体上，在不同的研究地、不同湿地生态系统中，主要土壤因子间的相关关系及显著水平存在较大差异。

本研究发现，不同处理组因子之间的相关性存在较大差异并且随着季节有不同的变化，其中多蟹组土壤TN和TP从初夏到冬季一直呈负相关，少蟹组和对照组的相关性随不同季节而变化；DS与TOC在初夏3种处理均为正相关，多蟹组从初夏到冬季一直为正相关，而少蟹组、对照组则从正相关变为负相关；DS与TN在多蟹组从极显著正相关变为极显著负相关，再到不显著正相关，少蟹组和对照组仅秋季对照组达到极显著负相关。同一研究地蟹类数量不同对土壤因子相关性存在季节差异。

蟹类活动一定程度上影响了土壤因子之间的相关性，不同季节也有不同的表现，跟相关研究相比，总体上表明，适当控制底栖生物数量，不仅可改变土壤因子的相对大小及变化趋势，对因子之间的相关性也有一定影响。本研究PCA分析结果显示，随着处理时间的延长，不同处理组间土壤因子的差异也越来越大，表明底栖动物活动强度不同，也可促进土壤特征的分异。

4 小结

通过对多蟹组、少蟹组和对照组间主要土壤因子相对大小、变化趋势以及显著相关因子差异性的比较分析，发现：

土壤盐度和总有机碳从初夏到冬季都先上升后降低，对照区土壤DS和多蟹区土壤TOC在不同季节间变化幅度最大，土壤BD不同处理组间季节变化趋势一致，同一季节组间差异不显著，不同处理对土壤BD的影响较小。土壤TN从初夏到冬季总体上持续上升，土壤TP则先下降后上升；多蟹组土壤TN增幅最小，少蟹组增幅最大，而多蟹组土壤TP含量降低，少蟹组含量升高。控制蟹类数量，对土壤BD和DS影响较小，对TN、TOC、TP的影响相对较高。

存在显著相关关系的土壤因子在不同季节、不同处理组间均存在较大差异，冬季显著少于夏季、秋季，少蟹组总体上少于多蟹组与对照组。蟹类数量相对大小对土壤因子之间的相关性存在季节差异。其中，初夏多蟹组土壤DS与TOC均呈正相关，秋季少蟹组DS与TOC呈负相关，冬季对照组DS与TP呈正相关。蟹穴数量与植物地上生物量呈正相关，适当提高土壤的生物扰动强度能促进互花米草群落植物地上生物量。

通过PCA分析发现，不同季节各处理组采样点间土壤因子的差异性因处理时间而变化，实验初期不同处理组间各土壤因子的差异性较小，随着处理时间的延长，土壤理化性质的组间差异越来越大，多蟹组对应较高的土壤BD，较低的TOC、TN，少蟹组对应较高的土壤TOC、TN，较低的BD，对照组对应较高的DS、TP，存在组间土壤特征分异现象。