内蒙古锡林郭勒草原植被生物量和土壤动物密度及多样性研究

内蒙古锡林郭勒草原植被生物量和土壤动物密度及多样性研究

土壤动物有种类和数量。由其组成的复杂营养网络可以粉碎和埋在土壤上的植物枝条、地下根、各种动物的粪便和尸体以及其他物质。然后通过与微生物的联合作用分解上述物质，成为可以利用的养分，促进自然界物质循环和能量流动。此外,土壤动物还能通过群落及细胞组织病理学变化而作为环境质量的指示物。土壤动物研究工作在国外起步较早,以往研究主要集中在土壤动物与环境变化的关系、土壤的不同利用方式对特定生态系统中土壤动物数量、栖息环境的影响以及土壤动物在生态系统物质循环和能量流动中的作用等方面。国内土壤动物相关研究始于20世纪70年代后期,且主要侧重于森林土壤动物方面。以往对草原地区土壤动物的研究集中在内蒙古草原区和松嫩草原区,主要内容包括土壤动物群落多样性、土壤动物群落生态特征、土壤动物生态学及土壤动物与环境因子的关系等方面。在内蒙古地区,放牧是天然草原生态系统中长期存在的、最重要的扰动因素,并且随着经营和利用强度的加大,部分地区的放牧强度已超出草原生态系统的承载能力,进而导致草场退化和沙化面积扩大,这种变化导致草原生态系统各要素间平衡状态破坏,生物群落演替进程随之发生改变。在此过程中,土壤动物群落会也发生相应的变化。本文拟通过对锡林郭勒草原放牧区、禁牧区地上植被生物量和干生中小型土壤动物群落特征的季节动态的研究,分析放牧对草原地区植物生物量和干生中小型土壤动物的影响,进而探究植被地上生物量与干生中小型土壤动物的关系,为减缓草地退化、促进受损草地生态系统的恢复与重建、建立合理的草原利用模式提供基础数据和理论依据。1研究区域的基本内容和研究方法1.1土壤蒸发量分析内蒙古锡林郭勒草原(东经115°13′～117°06′,北纬43°02′～44°52′)位于中温带半干旱大陆性气候区。该地区年平均气温1.6℃,年平均降水量407mm。年均蒸发量1900.6mm;年蒸发量约为降水量的5倍,春、夏、秋季常出现干旱。锡林郭勒草原地区的土壤主要为风沙土和盐碱土。植被群落主要包括贝加尔针茅(Stipabailensis)、大针茅(Stipagrandis)、克氏针茅(Stipakrylovii)、羊草(Leymuschinensis)、线叶菊(Filifoliumsibiricum)、糙隐子草(Cleistogenessquarrosa)等。1.2学习方法1.2.1草场放牧强度在内蒙古锡林郭勒盟所辖的毛登牧场的东、西部区域,选取两块放牧条件不同的草场,东、西两草场相距约10km。其中,东草场为常年放牧草场,经统计研究期间样地内每日出现的放牧家畜平均为4.6头/hm2,放牧强度为重度放牧,草地常年不刈割;西草场为常年禁牧草场,仅在每年秋季(秋季取样结束后)刈割一次。在每个草场各设置大小为100m×100m的样地9个。1.2.2地上生物量的测定在每块样地中随机选取3个样点,在每个样点按50cm×50cm大小,剪取植物的地上部分置于纸袋中避光保存,阴干以备测定植被地上生物量;用380ml的土壤环刀在去掉地表植被的样方(50cm×50cm)中,按上层(0～10cm)、中层(10～20cm)、下层(20～30cm)采集土样,将土样装入密封袋中带回实验室分离土壤动物。根据当地物候特点,分别于2009～2011年的5月(春季)、7月(夏季)、9月(秋季)取样。1.2.3土壤动物的收集与利用采用改良的干漏斗法分离、收集土壤动物。将从野外取回的土壤样品充分混匀后,自每层取出100cm3土样装入干漏斗,利用薄层湿润法减少漏沙、漏土,接样器中盛有75%的酒精。用40W白炽灯连续照射24h后,收集得到的动物即为中小型干生土壤动物。所有标本的鉴定、计数均在体视显微镜(NikonSMZ645,10×)下进行,所用鉴定工具书包括《中国土壤动物检索图鉴》、《昆虫分类》等。1.2.4干生中小型土壤动物密度的分析方法采用SPSS13.0对数据进行统计分析。采用Shannon-Wiener指数(H)计算土壤动物群落多样性。由于研究地区土壤动物数量稀少,且主要集中在土壤的上层,中、下层的数量极少,故每个取样点上、中、下三层的土壤动物密度和数量采用累加后分析。用Two-WayANOVA分析季节和放牧对干生中小型土壤动物群落特征指数的影响;用回归分析法分析地表植被生物量和干生中小型土壤动物密度之间关系,并利用LSD分析地表植被生物量和干生中小型土壤动物密度之间差异的显著性。以α=0.05为显著性临界值,所有检验均为双尾。2结果与分析2.1纲和昆虫纲优势类在研究地区,共捕获土壤动物3183只,经鉴定隶属于2门、6纲、17个类群(表1)。其中以蛛形纲的蜱螨亚纲为优势类群,数量最多,该亚纲在春季、夏季、秋季分别捕获346只、589只、1532只,共捕获2467只;昆虫纲类群最多,含直翅目、鞘翅目等10个类群,并且还捕获到了鳞翅目和鞘翅目幼虫;其余类群种类贫乏、数量较少。土壤动物的种类组成反映了北方半干旱草原的环境与气候特点。2.2放牧季节和放牧对草地地上植被生物量的影响从春季到秋季,放牧草地和禁牧草地植被地上生物量均显著增加[F(2,48)=52.518,P<0.05];在同一季节,放牧草地的地上植被生物量显著低于禁牧草地[F(1,48)=31.437,P<0.05],并且从春季到秋季,放牧草地与禁牧草地的地上植被生物量间差距逐渐增大;季节和放牧对草地植被地上生物量的影响具有显著的交互作用[F(2,48)=3.024,P<0.05](图1)。结果表明,放牧活动使草原植被的地上生物量显著降低。2.3放牧对土壤生物的影响2.3.1在同一季节,放牧草地干生中小型土壤动物密度特征在放牧草地和禁牧草地,干生中小型土壤动物密度均从春季到秋季均显著增加[F(2,48)=37.402,P<0.05];在同一季节,放牧草地干生中小型土壤动物密度低于禁牧草地,接近显著性差异[F(1,48)=3.532,P=0.066];季节和放牧对土壤动物密度的影响间没有显著的交互作用[F(2,48)=0.197,P>0.05](图2)。因此,在环境相对脆弱的草原地区,放牧活动通过减少植被地上生物量而明显改变了土壤动物的相对密度。2.3.2季节和放牧对干生中小型土壤动物多样性的影响在放牧和禁牧草地,干生中小型土壤动物多样性从春季到秋季均表现出显著下降的特点[F(2,48)=6.314,P<0.05];在同一季节,放牧草地干生中小型土壤动物的多样性低于禁牧草地,但差异没有达到显著性水平[F(1,48)=1.511,P>0.05];季节和放牧对干生中小型土壤动物多样性的影响无显著的交互作用[F(2,48)=0.21,P>0.05](图3)。在生物群落中,物种或类群的多样性受群落复杂性的影响,放牧不仅使植被地上生物量减少,也使植被高度、复杂性降低,进而影响到土壤动物的多样性。2.4干生中小型土壤动物密度与植被地上生物量的关系在放牧区和禁牧区,干生中小型土壤动物密度均随植被地上生物量的增加而增大。相关性分析表明,在放牧区(R=0.566,P<0.05)和禁牧区(R=0.676,P<0.05),干生中小型土壤动物密度与植被地上生物量间均呈现出显著的正相关关系(图4)。由此可见,土壤动物对植被已形成了一定的依赖性,良好的植被可为土壤动物提供适宜的栖息环境。3放牧对土壤动物的影响研究地区的土壤动物共有17个类群,其中以蜱螨亚纲占绝对优势,其他类群则相对较少;土壤动物的密度较低,并且存在明显的季节波动,春季密度最低,从春季到夏季略有回升,从夏季到秋季回升加快,达到一年中的高峰值。螨类是表聚性的土壤动物,草原地区的春季多风而干燥,土壤含水量低,不适于螨类的生存。因此,气候特征可能是造成土壤动物在春季密度较低的主要原因。以往的研究表明,土壤动物多样性指数一般在夏季最高,本研究结果表明,在放牧区和禁牧区,土壤动物多样性指数从春季到秋季均呈下降趋势,推测其原因在于当地干生中小型土壤动物类群组成型稀少、组成相对稳定,且优势类群在个体数量上占绝对优势。家畜对放牧区草地植被的啃食、禁牧区秋季的刈割均消耗了部分牧草生物量,使放牧和禁牧草地中的土壤有机质的年积累量均处于较低状态。影响土壤动物群落的环境因素复杂多样,其中植被和土壤是两个最重要的因素。植物群落不仅可为土壤动物提供充足的食物来源,满足其生长发育需要,还能为土壤动物提供适宜的栖息环境,因而是影响土壤动物多样性的重要因素。本研究中两类样地中的植物群落结构相似,物种多样性均较低。通过对放牧草地和禁牧草地土壤动物群落的比较研究发现,放牧区土壤动物密度和多样性均低于禁牧区,但密度差异性接近显著,而多样性差异没有达到显著性水平。在放牧区,牛羊等食草动物对草地植被的取食是植被生物量损失的重要原因,并使植被地上生物量显著降低。而土壤动物是腐生食物链的重要组成部分,主要以植物凋落物为食。放牧造成的植被地上生物量减少直接导致凋落物减少、植物群落结构单一化和土壤质量的恶化等,进而影响土壤动物密度,使其显著降低。王海霞等研究了松嫩草原区农牧林复合系统中三种不同生境的中小型土壤动物,发现不同生境中小型土壤动物个体数和类群组成随季节变化而表现出差异性,土壤环境要素作为主导因子,对中小型土壤动物的影响程度明显强于气候要素。何冬梅等对不同草地类型中土壤动物的研究结果表明,生境条件愈优越,土壤动物的多样性指数愈高,种类愈丰富。从本研究结果可见,放牧活动显著降低了植被地上生物量,而植被凋落物减少导致天然有机质含量减少,引起土壤环境的改变并最终影响到土壤动物群落,使放牧样地土壤动物多样性低于禁牧样地。虽然差异未达显著性水平,但仍在一定程度上反映了放牧的潜在影响。以往的研究表明,草原地区的植物地上生物量在一定程度上影响了土壤动物的群落组成、密度等。本研究认为,研究地区土