西藏年楚河流域湿地土壤纤毛虫群落特征

朱时应,王壮壮,黄 倩,贺 凯,李天顺,普 布

西藏大学理学院生命科学系高原动物学实验室, 拉萨 850000

土壤是陆地生态系统中最为复杂成分之一,为土壤动物提供了生存条件[1]。湿地生态系统是由陆地生态系统和水生态系统形成的综合生态系统,有着“生物超市”和“地球之肾”的美称[2]。原生动物是自然界最原始、最简单的个体。土壤原生动物指的是生活在土壤中或者是土壤表面凋落物中的原生动物[3]。土壤纤毛虫一般泛指生活在土壤颗粒、土壤孔隙水中和覆盖在土壤表面凋落物水膜中的土壤原生动物,土壤纤毛虫具有种类繁多,体积微小,形态多样,纤薄细胞膜等特点,并且能够对外界环境微小变化作出快速响应,因此对土壤生态系统有着非常重要的指示作用[4]。国内目前对于土壤纤毛虫的研究集中于土壤纤毛虫群落特征和形态学描述,如宁应之等对退牧还草、退耕还林生态恢复下土壤纤毛虫群落响应的研究,结果显示已经退牧还草、退耕还林样地与尚未退牧还草、退耕还林的样地之间土壤纤毛虫物种分布存在差异[5—9]；刘旻霞等对不同林地的土壤纤毛虫群落进行了研究,表明不同林地中人工林土壤纤毛虫多样性指数最高[10—15]；万玛央措等就甘肃农田四种土壤腹毛类纤毛虫进行了形态学描述,发现在中国首次记录到柠檬管膜虫(Cytohymenacitrina)、沙栖蠕形尖毛虫(Vermioxyterichaarenicola)和背触毛拟腹柱虫(Gastrostylidesdorsiciratus)[16]。

西藏地处青藏高原西南部,因其独特的地理位置,孕育了特殊的高原湿地生态系统,蕴含着极为丰富的湿地生物多样性资源。对于土壤纤毛虫的研究在西藏地区就仅见普布、巴桑等人对双湖地区和拉鲁湿地的报道[17—18],对于年楚河流域湿地土壤纤毛虫群落特征研究尚未见报道。年楚河流域湿地生态系统在保护生物多样性、调节小气候、改善水质、防止土壤沙化、减少温室效应等方面具有重要的作用,但是该流域湿地生态系统十分脆弱,一旦遭到外界不利因素的干扰,很难恢复到原有状态,研究年楚河流域湿地对于维持和保护青藏高原生态环境具有不可忽视的作用。土壤纤毛虫因其能够对于环境的微小变化做出积极的响应,常被用作土壤变化的指示生物,因此本文根据年楚河流域湿地分布特征,选取了5个典型的湿地样地,对不同季节土壤纤毛虫群落特征开展调查,旨在深入研究年楚河流域湿地土壤纤毛虫物种组成及群落结构,为该流域生物多样性提供基础研究资料,从而为保护年楚河流域湿地生态系统,促进流域湿地生态系统健康可持续发展提供科学依据。

1 研究区域概况和研究方法

1.1 研究区域概况

年楚河是雅鲁藏布江右岸支流之首,东起卡惹拉雪山,西接夏布曲流域,面积约为111 30km2,整个流域位置在北纬28°10′—29°20′和东经88°35′—90°15′之间,河流全长217km,以河流湿地和沼泽湿地为主[19]。高原温带半干旱区覆盖整个流域,形成了温度低,太阳光辐射大等典型的高原气候特征,该地区年平均降水量为365mm,受地形和水汽的影响降水分布十分不均[20—22]。常见的植物有西藏嵩草(Kobresiatibetica)、长华筒马先蒿(Pedicularislongiflora)、青藏薹草(Carexmoorcroftii)、蕨麻委陵菜(Potentillaanserina)等。湿地常见动物有赤麻鸭(Tadornaferruginea)、斑头雁(Anserindicus)、普通秋沙鸭(Mergusmerganser)等。

1.2 研究方法

根据年楚河流域湿地分布特点,以样地间距离为参考,选取了五个典型未退化的高寒湿地作为样地[22],即SD1、SD2、SD3、SD4和SD5(图1)。分别在2020年5月(春)、8月(夏)和10月(秋)三个季节进行了三次采样,在每个样地(20m×20m),用GPS(型号:MAP 63lcsx 厂家:上海佳明航电企业管理有限公司)记录海拔及经纬度,采用梅花五点采样法选取五个样方(20cmx20cm),每个样方中用土壤温枪(型号:XTY0087)测定土壤表层温度(ST),拣去土壤表面的凋落物后用土壤采集器采集0—10cm土壤土样(约4000g),共获得75(5×5×3)个样品。将采集好的样品密封后带回实验室,在牛皮纸上平整的铺开,用草纸覆盖(防止空气中漂浮的原生动物影响后续实验结果),在干燥阴凉处自然风干(30 d左右)。

图1 年楚河流域湿地采样地示意图

1.3 样品处理及方法

1.3.1土壤理化因子的测定

用干湿比重法测定土壤湿度(SWC),其它土壤理化因子委托西藏博源环境检测有限公司进行检测,用pHS- 3C pH计测定土壤pH,用酸式滴定管测定土壤全氮(TN)和土壤有机质(SOM),火焰光度计测定速效钾(RAK),有效磷(AP)用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定。

1.3.2土壤纤毛虫培养与鉴定

取已风干土壤50g(约50/4000=1/80样品)于直径15cm的培养皿中,恒温培养箱25℃下采用“非淹没培养皿法”培养土壤纤毛虫[23],即在含有土壤样品的培养皿中加入土壤浸出液,使土壤充分润湿而不被淹没。培养24 h后开始镜检(Leica DM500显微镜,放大40—1000倍),用“活体观察法”和“蛋白银染色法”[24],根据形态特征和相应的参考资料[25—29]鉴定物种(Lynn(2008)分类系统[30]),并记录所鉴定物种的个体数,直至没有新的物种被发现为止。

1.4 数据处理和分析

1.4.1多样性指数计算

(1)多样性指数(Shannon-Wiener)公式:

(2)均匀度指数(Pieluo)公式:

(3)优势度指数(Simpson)公式:

(4)丰富度指数(Margalef)公式:

式中,H′表示物种多样性指数,ni为第i类群的个体数,N为总个体数,S为所有类群数。

1.4.2C/P系数

土壤纤毛虫r对策者(肾形纲)物种数和土壤纤毛虫k对策者(异毛纲、旋毛纲和瓶纤纲)物种数总和的比值。肾形纲的土壤纤毛虫一般生活较为恶劣的环境中,因此C/P值的大小能够在一定程度上反映出该生境环境的优劣,当C/P<1时,表征该土壤生境中的环境相对较好；当C/P>1时,表征该土壤生境中的环境较为恶劣[31]。

1.4.3相似性指数计算

用Jaccard相似性指数计算每个样地土壤纤毛虫群落特征的相似性。

J=c/(a+b-c)

式中,c表示两个生境中共有的物种数,a和b表示两个不同样地中各自物种数。相似性指数在0—0.25之间表示极不相似；在0.25—0.5之间时表示中等不相似；在0.5—0.75之间时表示中等相似；在0.75—1之间时表示极相似。

1.4.4数据统计与分析

在Excel 2019中进行数据整理计算,用SPSS 21.0对土壤纤毛虫与环境因子之间进行单因素方差分析(One-way ANOVA),并进行Duncan多重比较,运用R 4.0.5计算多样性指数和相似性系数[32—33],用Origin 2019b作图；用Canoco 4.5 for Windows对物种和环境因子进行DCA和CCA分析。

2 结果与分析

2.1 年楚河流域湿地土壤纤毛虫群落结构

年楚河流域5个湿地生境中共鉴定出土壤纤毛虫154种,隶属于9纲、19目、43科、70属(表1)。 其中优势类群为前管目(Prorodontida),共计18种,占总物种数的11.69%；刺钩目(Haptorida)为次优势类群,共计17种,占总物种数的11.04%；罕见类群为游仆虫目(Euplotidae)、瓶纤目(Armophorida)、肾形目(Colpodida)、嗜污目(Philaslasterida)、齿管目(Chlamydodontida)和吸管目(Philaslasterida),共计25种,占总物种数的16.23%。SD1、SD2、SD3和SD4样地中旋毛纲(Spirotrichea)纤毛虫丰度最高,其次为寡膜纲(Oligohymenophorea)；SD5样地中肾形纲(Colpodea)纤毛虫丰度最高,其次为旋毛纲(Spirotrichea),图2。

表1 年楚河流域湿地土壤纤毛虫群落结构

图2 年楚河流域湿地各样地土壤纤毛虫丰度

2.2 年f楚河流域湿地土壤纤毛虫多样性

对年楚河流域湿地土壤纤毛虫的多样性指数和物种数进行单因素方差分析,结果表明多样性指数(H)(df=2,F=0.653,P=0.538),均匀度指数(E)(df=2,F=1.878,P=0.195),优势度指数(C)(df=2,F=1.263,P=0.318),三个季节间均无显著性差异,物种数(n)(df=2,F=4.264,P=0.023)在季节间具有显著性差异。SD4样地的多样性指数在5个样地中最高,SD1、SD4样地的各多样性指数(H、E、C)均是夏季>秋季>春季；而SD2、SD5样地的多样性指数(E、C)均为夏季>春季>秋季；SD3样地春季多样性指数最高；Margalef丰富度指数显示SD2、SD3、SD5样地均为秋季最高；优势度指数显示SD2和SD4样地间有差异性,多样性指数显示SD4与SD2、SD3样地间有差异性,均匀度指数和丰富度指数各样地间均没有差异。年楚河流域湿地土壤纤毛虫C/P(0.35)<1,说明年楚河流域湿地土壤环境未受污染。见图3—6。

图3 年楚河流域湿地土壤纤毛虫群落优势度指数

2.3 年楚河流域湿地土壤纤毛虫群落Jaccard相似性

春季不同湿地土壤纤毛虫群落相似性系数在0.13—0.21之间,属于极不相似到中等不相似之间；夏季相似性系数范围为0.16—0.37,属于极不相似到中等不相似之间；秋季相似性系数为0.13—0.26,属于极不相似到中等不相似。

图4 年楚河流域湿地土壤纤毛虫均匀度指数

图5 年楚河流域湿地土壤纤毛虫多样性指数

图6 年楚河流域湿地土壤纤毛虫多样性丰富度指数

表2 年楚河流域湿地土壤纤毛虫相似性

图7 年楚河流域湿地土壤纤毛虫聚类分析

对年楚河流域五个湿地样地进行聚类分析发现,SD2和SD3首先聚为一类,然后和SD1聚为一类,接着和SD4聚为一类,最后和SD5聚为一类。说明SD5样地的纤毛虫群落组成空间异质性较大,其次是SD4样地,其中SD2和SD3两个样地的纤毛虫群落组成相似性程度最高。

2.4 年楚河流域湿地土壤理化性质

湿地土壤理化性质变化会影响土壤纤毛虫的分布变化,二者关系密切。单因素方差分析显示三个季节间,土壤湿度(SWC)(df=2,F=0.150,P=0.863)、有效磷(AP)(df=2,F=2.768,P=0.103)、全氮(TN)(df=2,F=0,P=1)、土壤温度(ST)(df=2,F=0.647,P=0.541)、pH(df=2,F=0.438,P=0.656)和土壤有机质(SOM)(df=2,F=0.137,P=0.873)均没有显著性差异,而速效钾(RAK)(df=2,F=4.916,P=0.028)具有显著性差异。多重比较(Duncan)结果显示,五个样地间的土壤湿度(SWC)、有效磷(AP)和速效钾(RAK)没有显著差异(P>0.05),其他理化因子均具有不同程度的差异。其中SD1的全氮(TN)、有效磷(AP)、速效钾(RAK)及有机质(SOM)含量明显高于其他样地；SD5样地全氮(TN)和有机质(SOM)含量最低；SD3有效磷(AP)、速效钾(RAK)含量最低。

表3 年楚河流域湿地土壤理化性质

2.5 年楚河流域湿地土壤纤毛虫与环境因子关系

2.5.1春季年楚河流域湿地土壤纤毛虫与环境因子关系

春季年楚河流域土壤纤毛虫进行DCA前项选择,发现排序轴轴长大于3,可以使用单峰模型,共筛选出三个环境因子土壤温度(ST),湿度(SWC),速效钾(RAK)进行CCA分析,应用蒙特卡拟合方法对解释变量进行显著性检验。结果显示(图8),轴1和轴2共同解释了物种变异的60.15%,说明轴1和轴2能够在较大程度上反映出年楚河流域湿地土壤纤毛虫群落与环境因子之间的关系。代表SWC的箭头长度最长,表明SWC对于群落变化的影响最大,样地SD1、SD2投影点与代表SWC的箭头距离最近,说明SWC对该样地的影响最大；样地SD5投影点与代表ST的箭头距离最近,说明ST对该样地的影响最强；样地SD3、SD4投影点与代表RAK的箭头距离最近,说明RAK对该样地的影响最大。SWC与Cop、Kem、Coi等呈负相关关系,ST、RAK与Cop、Kem、Coi等呈正相关关系,说明SWC、ST、RAK是影响春季年楚河流域湿地土壤原生动物群落分布的因素。

图8 春季湿地土壤纤毛虫与环境因子的典范对应分析

2.5.2夏季年楚河流域湿地土壤纤毛虫与理化因子关系

首先对夏季年楚河流域湿地土壤纤毛虫进行DCA前项选择,发现排序轴轴长大于3,可以使用单峰模型,共筛选出三个环境因子有机质(SOM),湿度(SWC),速效钾(RAK)进行CCA分析,应用蒙特卡拟合方法对环境因子显著性检验。结果显示(图9),排序轴1和排序轴2共同解释了纤毛虫群落方差的67.89%,在一定程度上可以较好的反映出湿地土壤纤毛虫群落与环境因子的关系。速效钾(RAK)(F=0.012,P=0.036)是显著解释变量,解释了纤毛虫群落变异的34.7%,是影响年楚河流域湿地土壤纤毛虫群落分布的主要环境因子。代表RAK的箭头长度最长,说明RAK对于群落变化的影响最大,样地SD2、SD3投影点与其距离最近,说明RAK对该样地的影响最大；样地SD1投影点与代表SOM的箭头,说明SOM对该样地的影响最大；样地SD5与代表SWC的箭头距离最近,说明SWC对该样地的影响最大。SWC、SOM、RAK与Eum、Cor和Dia等呈正相关关系,与Hag、Asv和Stvi成呈负相关关系。说明SWC、SOM是影响湿地土壤纤毛虫分布的因素。

图9 夏季湿地土壤纤毛虫与环境因子的典范对应分析

2.5.3秋季年楚河流域湿地土壤纤毛虫与理化因子关系

首先对秋季年楚河流域湿地土壤纤毛虫进行DCA前项选择,发现排序轴轴长大于3,可以使用单峰模型,共筛选出三个环境因子湿度(SWC),土壤温度(ST),速效钾(RAK)进行CCA分析,应用蒙特卡拟合方法对环境因子显著性检验。结果如图10 所示,轴1和轴2共同解释率物种变异的72.60%,说明轴1和轴2能够较大程度上反映出秋季年楚河流域湿地土壤纤毛虫群落与环境因子之间的关系。代表ST的箭头长度最长,表明ST对于群落变化的影响最大,且样地SD1投影点与其距离最近,说明ST对该样地的影响最大；样地SD2、SD3投影点与代表SWC的箭头距离最近,说明SWC对该样地的影响最大；样地SD5与带包RAK的箭头距离最近,说明RAK对该样地的影响最大。SWC与Cht、Urn、Lic等呈负相关关系,ST、RAK与Cyc、Sao、Urd等呈正相关关系,说明SWC、ST、RAK是影响其分布的因素。

图10 秋季湿地土壤纤毛虫与环境因子的典范对应分析

3 讨论

3.1 年楚河流域湿地土壤纤毛虫群落分布特征

湿地生态系统兼有陆地生态系统和水生态系统的某些特征,是二氧化碳的“汇”,在全球气候变化上具有重要的意义[2]。优势类群能够明显的控制土壤纤毛虫群落结构和群落环境,是土壤纤毛虫群落基本特征的其中一部分[22]。年楚河湿地土壤纤毛虫优势类群为前管目,次优势类群为刺钩目,两者是年楚河流域湿地土壤纤毛虫最重要的组成部分,对于湿地生态系统有着不可忽视的重要作用[34]。土壤纤毛虫是土壤中细菌和真菌的采食者,是土壤中微生物循环系统的重要组成部分,能够很好的促进微生物的生长,促进C和N对较高营养水平的有效性[35],并且其物种组成和种群密度会随着环境变化而变化,是监测环境变化的有效手段。年楚河流域湿地土壤纤毛虫多样性指数(H、E、C)季节间均无显著性差异(P>0.05),SD4样地多样性指数在5个样地中均最高,原因可能是SD4 样地的海拔相对较低,生存环境较为优渥,物种丰富,群落结构复杂[22, 36]。SD3多样性指数春季最高,可能是因为春季温度开始升高,土壤纤毛虫物种数增加,使土壤纤毛虫的多样性指数升高。春季不同湿地土壤纤毛虫群落相似性系数在0.13—0.21之间,属于极不相似到中等不相似之间；夏季相似性系数范围为0.16—0.37,属于极不相似到中等不相似之间；秋季相似性系数为0.13—0.26,属于极不相似到中等不相似,其中夏季SD2和SD3样地的相似性程度最高为0.37。对年楚河流域五个湿地样地进行聚类分析发现,SD5样地和其他4个样地聚为一类,说明SD5样地空间差异性较大,原因可能是SD5样地的ST和RAK明显高于其他4个样地,导致SD5样地土壤纤毛虫物种组成出现差异,在空间上的相似性程度低。

3.2 年楚河流域湿地土壤纤毛虫群落影响因素

SD1的全氮(TN)、有效磷(AP)、速效钾(RAK)及有机质(SOM)含量明显高于其他样地。该样地靠近牧区,牛羊等畜牧的粪便,可能导致该样地有机质等理化因子明显高于其他样地。年楚河流域湿地各样地SWC、RAK和SOM分布在轴1附近,与轴1具有最大的相关性,ST分布在轴2附近,与轴2具有最大的相关性,ST、SWC、RAK、SOM是影响年楚河流域湿地土壤纤毛虫群落分布的主要因素,且SWC和RAK能够显著解释土壤纤毛虫物种分布。造成纤毛虫物种分布的主要原因是温度和降水,最佳土壤温度适宜土壤动物生存,土壤温度调节土壤纤毛虫的取食和代谢活动[37],Opperman等研究发现土壤温度升高会导致土壤纤毛虫数量明显增加,群落结构发生改变[38],土壤水分是限制土壤纤毛虫分布、生存和繁殖的主要环境因子[39],冯伟松等研究南极菲尔德斯地区土壤原生动物时发现,土壤原生动物密度与土壤含水量正相关[9]；土壤动物能够通过生命活动在氮、磷元素循环中起着重要作用,土壤动物的生物量与土壤中氮、磷的含量正相关[40],Patrick研究发现土壤原生动物在有机质丰富的土壤中丰度更高,同等条件下添加粪浆的土壤中土壤原生动物总量明显更高[41],且土壤中有机质的微小变化影响土壤纤毛虫物种分布,土壤理化因子决定了土壤纤毛虫物种分布[42]。综上年楚河流域湿地土壤纤毛虫群落受多个环境因子的共同影响,每种环境因子都对土壤纤毛虫群落特征产生不同的影响,其共同作用影响土壤纤毛虫群落在不同样地间的分布。年楚河流域湿地土壤纤毛虫C/P(0.35)<1,说明年楚河流域湿地土壤环境未污染,适宜土壤动物生存,对于维持和保护中国生态屏障(青藏高原)生态环境良好发展具有重要作用,因为肾形纲土壤纤毛虫为R-对策,该对策土壤纤毛虫往往生活在土壤质量较差的环境中,旋毛纲、异毛纲和瓶纤纲土壤纤毛虫为K-对策,该对策土壤纤毛虫往往生活在土壤质量较好的环境中,C/P值越大,即R-对策肾形纲土壤纤毛虫在土壤环境中较K-对策土壤纤毛虫更具优势,生态环境质量较差。

4 结论

年楚河流域5个湿地样地共鉴定出土壤纤毛虫154种,隶属于9纲、19目、43科、70属；优势类群是前管目(Prorodontida),共计18种,占总物种数的11.69%；多样性指数(H、E、C)在季节间均无显著性差异(P>0.05),且SD4样地多样性指数最高；年楚河流域湿地土壤纤毛虫C/P(0.35)<1,说明年楚河流域湿地土壤环境未污染；5个样地土壤纤毛虫相似程度不高,物种空间分布差异性大；SWC 、ST和RAK是年楚河流域湿地土壤纤毛虫的影响因子。