西藏麦地卡湿地大型土壤动物群落特征与环境因子关系

李天顺 ,  朱时应 ,  黄倩 ,  李明燕 ,  朱文琎 ,  普布

生物资源 ›› 2023, Vol. 45 ›› Issue (05) : 472 -480.

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生物资源 ›› 2023, Vol. 45 ›› Issue (05) : 472 -480. DOI: 10.14188/j.ajsh.2023.05.008
研究报告

西藏麦地卡湿地大型土壤动物群落特征与环境因子关系

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Relationship between community characteristics of soil macrofauna and environmental factors in the Mitika Wetland, Tibet

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摘要

为了探究西藏麦地卡湿地国家级自然保护区大型土壤动物群落特征与环境因子的关系,于2020年7月和2021年8月根据其地理环境特征在其三个核心区共设置了3个样地(100 m×100 m),每个样地设置2个样点作为重复;采用手检法收集大型土壤动物,并保存于75%乙醇的收集管中,圆筒式环刀(高30 cm,直径5 cm)取0~10 cm土样,测定相关环境因子。共捕获大型土壤动物336头,经鉴定隶属于3门5纲11目15科,优势类群为石蜈蚣科(Lithobiidae)、芫菁科(Meloidae)、拟步甲科(Tenebrionidae);单因素方差分析显示,三个样地中,大型土壤动物个体数(F=0.194,P=0.833)、Shannon⁃Wiener多样性指数(H)(F=0.304,P=0.758)、Pielou均匀度指数(E)(F=0.346,P=0.732)和Simpson优势度指数(C)(F=0.245,P=0.797)均无显著性差异(P>0.05)。三个样地的Jaccard相似性系数(J)在0.56~0.65,为中等相似;功能类群以植食性为主,腐食性最少。Pearson相关性分析表明,Pielou均匀度指数(E)分别与海拔(Alt)和速效钾(RAK)呈极显著正相关(P<0.01),Pielou均匀度指数(E)分别与土壤含水量(SWC)和全氮(TN)呈显著正相关(P<0.05),个体数(N)与土壤盐度(SAL)呈极显著负相关(P<0.01)。

Abstract

In order to explore the relationship between soil macrofauna community characteristics and environmental factors in Mitika Wetland National Nature Reserve, Tibet, in July 2020 and August 2021, three sample plots (100 m×100 m) were set up in three core areas according to their geographical distribution characteristics, two sample sites were set for each sample plots as repetition. Large soil animals were collected by hand inspection and stored in a 75% alcohol collection tube. A cylindrical ring knife (30 cm in height and 5 cm in diameter) was used to take 0-10 cm soil samples for determination of relevant environmental factors. A total of 336 large soil animals were captured and identified, belonging to 3 phyla, 5 classes, 11 orders and 15 families. The dominant groups were Lithobiidae, Meloidae, and Tenebrionidae. Univariate analysis of variance showed that there was no significant difference in the number of soil macrofauna (F=0.194, P=0.833),Shannon⁃Wiener diversity index (H) (F=0.304, P=0.758), Pielou evenness index (E) (F=0.346 P=0.732)and Simpson dominance index (C) (F=0.245, P=0.797)among the three sample plots (P>0.05). The Jaccard similarity coefficient (J) of the three plots ranged from 0.56 to 0.65, indicating moderate similarity. The functional groups were mainly phytophagous, with the least saprophagous. Pearson correlation analysis showed that: the Pielou evenness index (E) was highly significantly positively correlated with altitude (Alt) and available potassium(RAK),respectively(P<0.01); the Pielou evenness index (E) was significantly positively correlated with soil moisture content (SWC) and total nitrogen(TN),respectively (P<0.05); the number of individuals (N) was highly significantly negatively correlated with soil salinity (SAL) (P<0.01).

Graphical abstract

关键词

麦地卡湿地 / 大型土壤动物 / 群落特征 / 环境因子

Key words

Mitika Wetland / soil macrofauna / community characteristic / environmental factor

引用本文

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李天顺,朱时应,黄倩,李明燕,朱文琎,普布. 西藏麦地卡湿地大型土壤动物群落特征与环境因子关系[J]. 生物资源, 2023, 45(05): 472-480 DOI:10.14188/j.ajsh.2023.05.008

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0 引 言

湿地生态系统是陆地生态系统和水生生态系统共同作用和影响形成的独特生态系统,具有陆地生态系统和水生生态系统的共同性质12。大型土壤动物是指终生或某一段时间在土壤中生活,对土壤有一定影响的、体宽大于2 mm的动物34。大型土壤动物可以改变土壤空隙,促进土壤通风以及水分的渗透,分解土壤有机质为植物提供营养物质,促进肥沃土壤的形成,其排泄物和死亡躯体能为土壤微生物提供原料,促进生态健康和生态平衡。同时大型土壤动物可以控制害虫和杂草,提高人类的生产生活水平。大型土壤动物对土壤有机质的形成和分布、土壤的养分循环和土壤理化性质的变化具有重大的影响5,大型土壤动物对土壤环境的变化具有明显的指示作用67。中国大型土壤动物的研究集中于大型土壤动物对土壤生态功能,比如分解有机物质、增加土壤肥力、促进土壤结构的形成89及各种生境类型和不同土地利用方式对大型土壤动物的群落结构和多样性的研究10~13。目前,西藏地区对于土壤动物的研究集中于土壤动物组成及其分解功能、土壤动物多样性研究、空间分布特征和理化因子的关系14

麦地卡湿地国家级自然保护区是拉萨河的源头,有大量的湖泊,是黑颈鹤(Grus nigricollis)、赤麻鸭(Tadorna ferruginea)等动物的栖息繁殖地,是研究高原生物遗传、物种保护的最佳场所,影响着周围的气候变化,具有“高原之肺”的称号15。动物、植物和微生物与环境之间的复杂关系是生物多样性的关键,生物多样性和生态系统多功能性之间具有紧密的联系,生物多样性的丧失导致生态系统的功能和服务的降低16,生物多样性对于湿地生态系统的健康可持续发展至关重要。麦地卡湿地国家级自然保护区海拔高、气温低、太阳辐射强、土层薄等客观因素,具有独特的地理位置,同时受到全球变化和人类活动等的影响1718。故麦地卡湿地国家级自然保护区生态系统脆弱,其结构与功能易遭到自然和人为的破坏且难以恢复。因此,麦地卡湿地国家级自然保护区在青藏高原生态系统的稳定与可持续发展中占据着十分重要的生态地位。

本文根据麦地卡湿地的核心区地理环境的分布特征设立样点,探究大型土壤动物的群落特征、环境因子,旨在了解麦地卡湿地大型土壤动物的物种组成、分布特征、多样性、群落相似性以及与环境因子之间的关系,为麦地卡湿地国家级自然保护区生物多样性保护提供基础数据及生态系统的保护和可持续管理提供理论依据。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域概况

麦地卡湿地国家级自然保护区(30°51′04″~31°09′44″N,92°45′55″~93°19′25″E)位于西藏自治区那曲市嘉黎县措拉乡境内,占地面积8.9237万km2,平均海拔4 900 m,属于高原亚寒带半湿润气候,全年分为暖季和冷季,年平均气温0.9 ℃,年平均降水量为694 mm19,是天然的集高原湖泊、河流、沼泽为一体的湿地,且功能较为完善,类型较多。常见植物有蕨麻委陵菜(Potentilla anserina L.)、垫状金露梅(Potentilla fruticosa L.)、海乳草(Glaux maritima L.)等20。常见动物有黑颈鹤(Grus nigricollis21、金雕(Aquila chrysaetos)、藏野驴(Equus kiang)等。

1.2 样品采集

麦地卡湿地国家级自然保护区全年没有四季之分,分为冷暖季,即夏秋为暖季,冬春为冷季。由于客观原因,本次于2020年7月、2021年8月进行采样,两次采样都是暖季17。根据麦地卡湿地国家级自然保护区内特殊的气候特征、湿地类型、地貌、河流湖泊的分布情况在3个核心保护区设定了3大样点2223,即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ,在每个大样点又设置两个平行样地(20 m×20 m),即Ⅰ⁃1、Ⅰ⁃2、Ⅱ⁃1、Ⅱ⁃2、Ⅲ⁃1、Ⅲ⁃2(表1)。采用“梅花五点法”进行采样(20 m×20 cm)。在每个样地采样前,清除表层杂物,用圆筒式环刀(高30 cm,直径5 cm)垂直取0~10 cm土样,避免直接接触土样,将所取土样混合存放于特定的布袋中保存,同时标注样品的编号、地理位置、采样深度等信息。回到实验室之后,将其放到报纸上风干,待风干后,研磨送检至西藏博源环境检测有限公司测定其他环境因子。在每个样地内用手检法收集大型土壤动物,保存在75%乙醇的收集管中,带回实验室进行形态学鉴定。

1.3 物种鉴定及土壤理化因子的测定

鉴定依据《中国土壤动物检索图鉴》《中国蝽类昆虫鉴定手册:半翅目异翅亚目(第一册(第二册))》和《青藏高原蜘蛛》等24~27,主要观察土壤动物的身体结构,依据检索表进行鉴定。比如鉴定直翅目时,通过《中国土壤动物检索图鉴》直翅目的分类检索鉴定。同时在网站(https://www.inaturalist.org/users/sign_in)上对比确定,其他土壤动物的鉴定与直翅目相似。除个别幼虫到目的水平外,多数鉴定到科的水平,同时统计个体数和类群数,并将土壤动物划分为植食性、捕食性、腐食性、杂食性四个功能群2829。用GPS(GPS72)测定海拔、经纬度,温枪(AS530)测量土壤温度(0~5 cm),土壤水分分析仪(SBS⁃SE)测量土壤含水量(SWC),pH用土壤原位pH计(TZS⁃PH⁃Ⅰ)测量。西藏博源环境检测有限公司测定全氮(TN)、有效磷(AP)、速效钾(RAK)的含量,方法为酸式滴定管、碳酸氢钠浸提⁃钼锑抗比色法和火焰光度计。

1.4 数据处理和分析

采用Excel 2010对数据进行初步整理,R 4.0.5软件计算Shannon⁃Wiener多样性指数(H)、Simpson优势度指数(C)、Pielou均匀度指数(E)和Jaccard相似性系数(J3031,SPSS 21.0软件用于Pearson相关性分析,Origin2019b对数据进行可视化。计算公式如下:

H=-i=1SniNln niN
C=i=1SniN2
E=Hln S
J=ca+b-c

式中,ni为第i种的个体数;N为所有类群的总个体数;S为总类群数;c为任何两个样地的共有类群数,ab为任何两个样地中的类群数,J值在0~0.25、0.25~0.5、0.5~0.75、0.75~1分别为极不相似、中等不相似、中等相似和极相似。

2 结果与分析

2.1 麦地卡湿地大型土壤动物群落组成

本研究共捕获大型土壤动物336头,经鉴定隶属于3门5纲11目15科。优势类群为石蜈蚣科(Lithobiidae)、芫菁科(Meloidae)、拟步甲科(Tenebrionidae),占总捕获量的65.48%;常见类群为长奇盲蛛科(Phalangiidae)、狼蛛科(Lycosidae)、长蝽科(Lygaeidae)、土蝽科(Cydnidae)、步甲科(Carabidae)、鞘翅目幼虫(Coleoptera larva)、蚁科(Formicidae)、鳞翅目幼虫(Lepidoptera larva)、斑腿蝗科(Maculae Acrididae)、椎实螺科(Lymnaeidae)和正蚓科(Lumbricidae),占总捕获量的31.85%;稀有类群为平腹蛛科(Gnapphosidae)、象甲科(Curculionidae)、金龟甲科(Chrysomelidae)、双翅目幼虫(Diptera larva)和斑翅蝗科(Acridopteridae),占总捕获量的2.68%,见表2

2.2 麦地卡湿地大型土壤动物分布与多样性

单因素方差分析显示,大型土壤动物个体数(F=0.194,P=0.833)、大型土壤动物类群数(F=1.4,P=0.372)在三个核心区间无显著差异,见表3

单因素方差分析显示,大型土壤动物Shannon⁃Wiener多样性指数(H)、Pielou均匀度指数(E)和Simpson优势度指数(C)在三个核心区间均无显著性差异(P>0.05),见表4

2.3 麦地卡湿地大型土壤动物群落相似性

三个核心区的Jaccard相似性系数(J)在0.56~0.65,为中等相似,其中Ⅱ与Ⅲ相似性最高,为0.65,见表5

2.4 麦地卡湿地大型土壤动物功能类群

麦地卡湿地大型土壤动物功能类群主要以植食性大型土壤动物为主,占总捕获量的50.9%;捕食性大型土壤动物占总捕获量的29.85%;杂食性大型土壤动物占总捕获量的17.9%;腐食性大型土壤动物最少,占总捕获量的1.5%,见图1

2.5 麦地卡湿地大型土壤动物群落与环境因子之间的关系

对麦地卡湿地三个核心区的土壤理化性质与土壤动物个体数(N)、各类多样性指数的关系进行Pearson 相关性分析(见图2),Pielou均匀度指数(E)与海拔(Alt)呈极显著正相关(P<0.01)、Pielou均匀度指数(E)与速效钾(RAK)呈极显著正相关(P<0.01),Pielou均匀度指数(E)与土壤含水量(SWC)呈显著正相关(P<0.05)、Pielou均匀度指数(E)与全氮(TN)呈显著正相关(P<0.05),个体数(N)与土壤盐度(SAL)呈极显著负相关(P<0.01)。

3 讨论与结论

3.1 讨论

3.1.1 麦地卡湿地大型土壤动物群落特征

麦地卡湿地属于高原亚寒带半湿润气候,大型土壤动物物种丰富,主要优势类群为石蜈蚣科、芫菁科、拟步甲科;青藏高原特殊的气候条件及地理位置造就了适应该地区的特殊生物类群。石蜈蚣科的生理结构使得其喜好在含水量较高的地方生活32,麦地卡湿地国家级自然保护区年平均降水量为694 mm,石蜈蚣科在各样地中广泛分布,数量多。与先前报道的黄河故道大型土壤动物多样性33的优势类群中在含水量较高的地区石蜈蚣科为优势类群相一致。芫菁科是青藏高原高寒草甸中常见类群,7月份左右是部分芫菁科卵孵化化盛期且芫菁科具有集群性3435。经鉴定麦地卡湿地主要物种为短翅芫菁(Meloe spp.)中的物种,其食性为植食性,环境适应能力强,不同海拔、生境中均有出现36,与王壮壮等发表的年楚河流域土壤节肢动物的优势类群相一致7。拟步甲科受到青藏高原环境的胁迫,使得其足、后翅等结构发生改变37,更能适应环境,为优势类群。优势类群和常见类群在三个核心区中均有分布且数量较多,是麦地卡湿地国家级自然保护区大型土壤动物的主要组成部分,同时优势类群控制着群落的结构和环境的形成38。稀有类群生态适应性差,物种稀少,是生物群落的重要组成部分。

单因素方差分析显示类群数、个体数、Shannon⁃Wiener多样性指数(H)、Simpson优势度指数(C)、Pielou均匀度指数(E)在三个样地之间均没有显著性差异,三个样地的Jaccard相似性系数(J)在0.56~0.65,为中等相似。大型土壤动物的群落特征与其生存环境条件密切相关,受到植被、气候、坡度、坡向等的影响39~41,本研究的三个样地位于海拔4 829~4 934 m,含水量达到42.5%~45.8%,环境均质性强,大型土壤动物没有显著性差异。

大型土壤动物类群多,数量大,许多大型土壤动物在食性上具有共同点,在生态系统中具有相同的生态位,属于同种功能群42;麦地卡湿地国家级保护区位于青藏高原,主要植被类型为高寒草甸及高寒草原植被类型,有丰富的植被,是一个天然的草场,保护区属于高原亚寒带蒿草草甸土壤带谱,主要土壤类型包括寒漠土、高山草甸土等,土壤贫瘠、腐殖质少43。大型土壤动物功能类群以植食性为主,腐食性最少,有相关研究表明,优势类群为腐食性和杂食性土壤动物主要分布在凋落物丰富的白桦林等阔叶林中44

3.1.2 麦地卡湿地大型土壤动物群落与环境因子的关系

大型土壤动物与土壤理化因子间存在着复杂的关系,理化因子对土壤动物群落变化影响巨大45。Pielou均匀度指数(C)与海拔(Alt)呈极显著正相关(P<0.01)与土壤含水量(SWC)、全氮(TN)和速效钾(RAK)呈显著正相关(P<0.05)。随着海拔的增加,温度降低,土壤含水量升高,全氮(TN)和速效钾(RAK)的含量升高,Pielou均匀度指数(C)的数值会变大,各物种数量分布均匀且相近,各物种对群落生境中的资源分配相对平均。土壤含水量以及养分对土壤动物的多样性密切相关46

大型土壤动物个体数(N)与土壤盐度(SAL)呈极显著负相关(P<0.01),与刘继亮47对黑河中游研究结果一致,即随着盐度的增高节肢动物的数量减少。较高的土壤盐度(SAL)对麦地卡湿地生态系统造成负面影响,大型土壤动物与土壤密不可分,而土壤盐度(SAL)的增加会影响土壤的物理性质,使得土壤变得紧密,土壤孔隙度降低,土壤的水分和氧气会供应不足,导致土壤里的微生物与植物无法正常生长,从而使得大型土壤动物的食物与栖息环境受到威胁,影响着大型土壤动物的个体数。

3.2 结论

麦地卡湿地捕获大型土壤动物336头,隶属于3门5纲11目15科,优势类群为石蜈蚣科、芫菁科和拟步甲科;单因素方差分析显示,大型土壤动物个体数、类群数和多样性指数在三个样地间均无显著性差异(P>0.05)。三个样地的Jaccard相似性系数(J)在0.56~-0.65为中等相似,功能类群以植食性为主,腐食性最少,Pielou均匀度指数(E)与海拔(Alt)呈极显著正相关(P<0.01)、Pielou均匀度指数(E)与速效钾(RAK)呈极显著正相关(P<0.01),Pielou均匀度指数(E)与土壤含水量(SWC)呈显著正相关(P<0.05)、Pielou均匀度指数(E)与全氮(TN)呈显著正相关(P<0.05),个体数(N)与土壤盐度(SAL)呈极显著负相关(P<0.01)。

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基金资助

一江四河-拉萨河(麦地卡湿地)流域生物多样性调研与维持机制评价项目(藏财教指 [2018]54号)

西藏大学2021级研究生“高水平人才培养计划”项目(2021-GSP-S031)

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