外源性养分添加对高寒草甸土壤节肢动物群落的影响

doi:10.11686/cyxb2021331

摘要/Abstract

摘要：

为了查明外源性养分添加对高寒草甸土壤动物群落的影响，2012年5月在川西北的高寒草甸上用随机区组方式设置添加氮（N）、磷（P）和氮磷混加（NP）3种处理试验样地，每种添加处理均设置10、20和30 g·m^-2三个处理梯度，以未添加养分的高寒草甸为对照样地（CK）。于2017和2020年的8月先后两次对各样地内的土壤节肢动物和土壤理化性质进行调查。结果表明：1）N、P和NP添加均能增加高寒草甸土壤节肢动物的密度和多样性，以梯度为20 g·m^-2和NP混加处理效果最明显；2）N、P添加土壤节肢动物群落的密度、类群数和Shannon多样性指数均表现为2020年显著高于2017年（P<0.05），而NP混加土壤节肢动物群落的密度和类群数则表现为2020年显著低于2017年（P<0.05），但Shannon多样性指数表现为无显著差异（P>0.05）；3）N、P添加显著提高长角?目密度（P<0.05），NP混加显著提高甲螨亚目和中气门亚目密度（P<0.05）；4）多元回归分析和典范对应分析表明，影响土壤节肢动物群落组成结构和多样性的主要环境因素是土壤全N、全P、土壤有机质、pH、地上生物量和植物群落盖度。研究结果表明，土壤节肢动物群落对添加不同的外源性养分及添加量处理存在差异；高寒草甸上连续8年添加外源性氮、磷养分能提高土壤节肢动物多样性，而氮磷混加则起抑制作用。建议对高寒草甸进行外源性氮磷混加控制在每年20 g·m^-2，且连续添加年限不宜超过8年。

关键词: 氮磷添加, 高寒草甸, 螨类, 跳虫, 多样性

Abstract:

This study aimed to determine the effects of exogenous nutrient addition on soil arthropod communities in the alpine meadows. Three nutrient addition treatments （nitrogen， N； phosphorus， P； and combined nitrogen and phosphorus， NP） were established in Hongyuan County， northwest Sichuan， China， in late May 2012. Each nutrient treatment was applied at three concentrations： 10 g·m^–2 （N₁₀， P₁₀， and NP₁₀）， 20 g·m^–2 （N₂₀， P₂₀， and NP₂₀）， and 30 g·m^–2 （N₃₀， P₃₀， and NP₃₀）， with six replicate plots of 3 m×3 m. Another six 3 m×3 m plots in natural alpine meadow served as control plots. The nutrient treatments were added every year for continued eight years. The soil arthropods and soil environmental factors in each plot were evaluated in August 2017 and 2020. Soil arthropods were extracted from the soil samples for 48 h at 38 ℃ using the Tullgren method in the laboratory. The main findings were as follows： 1） N， P， and NP additions in the alpine meadow increased the individual density and diversity of soil arthropods， with the strongest effects in the 20 g·m^-2 and NP treatments； 2） The abundances， taxonomic richness， and Shannon’s diversity index of the soil arthropod communities in the N-addition and P-addition treatments increased significantly from 2017 to 2020 （P<0.05）， while the abundance and taxonomic richness of soil arthropod communities in the NP-addition treatment declined significantly from 2017 to 2020 （P<0.05）， but no significant change was detected for Shannon’s diversity index （P>0.05）； 3） The abundance of Entomobryomorpha was significantly increased in the N-addition and P-addition treatments （P<0.05） and the abundances of Oribatida and Mesostigmata were significantly increased in the NP-addition treatment （P<0.05）； 4） The results of multiple regression analysis and canonical correspondence analysis showed that the main environmental factors influencing the composition of soil arthropod communities were the contents of soil total N， total P and soil organic matter， pH， aboveground biomass， and plant community cover. Our results showed that the soil arthropod communities respond differently to different exogenous nutrient additions and nutrient gradients； and that the diversity of soil arthropods in alpine meadows can be promoted by N-addition and P-addition but restrained by mixed N and P additions after continued eight years additions. We recommend that the additions of mixed N and P to the alpine meadows should be controlled at 20 g·m^–2 per year and should not exceed eight years.

Key words: N and P addition, alpine meadows, mites, collembola, diversity

李鑫, 魏雪, 王长庭, 任晓, 吴鹏飞. 外源性养分添加对高寒草甸土壤节肢动物群落的影响[J]. 草业学报, 2022, 31(4): 155-164.

Xin LI, Xue WEI, Chang-ting WANG, Xiao REN, Peng-fei WU. Effects of exogenous nutrient addition on alpine meadow soil arthropod communities[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2022, 31(4): 155-164.

图/表 6

参考文献 36

1	Zheng D， Yang T D. Progress in research on formation and evolution of Tibetan Plateau with its environment and resource effects. China Basic Science， 2004， 6（2）： 17-23.
	郑度，姚檀栋. 青藏高原形成演化及其环境资源效应研究进展. 中国基础科学， 2004， 6（2）： 17-23.
2	Xu M H， Xue X. A research on summer vegetation characteristics & short-time responses to experimental warming of alpine meadow in the Qinghai-Tibetan Plateau. Acta Ecologica Sinica， 2013， 33（7）： 2071-2083.
	徐满厚，薛娴. 青藏高原高寒草甸夏季植被特征及对模拟增温的短期响应. 生态学报， 2013， 33（7）： 2071-2083.
3	Shao Q Q， Cao W， Fan J W， et al. Effects of an ecological conservation and restoration project in the Three-River Source Region， China. Journal of Geographical Sciences， 2017， 27（2）： 183-204.
4	Geerken R， Ilaiwi M. Assessment of rangeland degradation and development of a strategy for rehabilitation. Remote Sensing of Environment， 2004， 90（4）： 490-504.
5	Li J， Zhang C， Yang Z， et al. Grazing and fertilization influence plant species richness via direct and indirect pathways in an alpine meadow of the eastern Tibetan Plateau. Grass and Forage Science， 2017， 72（2）： 343-354.
6	Zong N， Shi P L， Niu B， et al. Effects of nitrogen and phosphorous fertilization on community structure and productivity of degraded alpine meadows in northern Tibet， China. Chinese Journal of Applied Ecology， 2014， 25（12）： 3458-3468.
	宗宁，石培礼，牛犇，等. 氮磷配施对藏北退化高寒草甸群落结构和生产力的影响. 应用生态学报， 2014， 25（12）： 3458-3468.
7	Loranger-Merciris G， Imbert D， Bernhard-Reversat F， et al. Soil fauna abundance and diversity in a secondary semi-evergreen forest in Guadeloupe （Lesser Antilles）： Influence of soil type and dominant tree species. Biology & Fertility of Soils， 2007， 44（2）： 269-276.
8	Katrin G. Nematodes in a coastal dune succession： Indicators of soil properties？Applied Soil Ecology， 1998， 9（1）： 471-475.
9	Huerta E， Wals H V. Soil macroinvertebrates’ abundance and diversity in home gardens in Tabasco， Mexico， vary with soil texture， organic matter and vegetation cover. European Journal of Soil Biology， 2012， 50： 68-75.
10	Sabine A， Kathrin W， Clemens A， et al. Factors influencing the distribution and abundance of earthworm communities in pure and converted Scots pine stands. Applied Soil Ecology， 2005， 33（1）： 10-21.
11	Janet W， Jörg-Alfred S， Thomas F. Effects of habitat age and plant species on predatory mites （Acari， Mesostigmata） in grassy arable fallows in Eastern Austria. Soil Biology and Biochemistry， 2012， 50（6）： 96-107.
12	Reeve J R， Schadt C W， Carpenter-Boggs L， et al. Effects of soil type and farm management on soil ecological functional genes and microbial activities. The International Society for Microbial Ecology Journal， 2010， 4（9）： 1099-1107.
13	Li S M， Fan S H. Effects of applying different fertilizers on soil animal community structure. Journal of Henan Agricultural Sciences， 2008， 37（2）： 57-59.
	李淑梅，樊淑华. 施用不同肥料对农田土壤动物群落结构的影响. 河南农业科学， 2008， 37（2）： 57-59.
14	Qi S， Zhao X R， Zheng H X， et al. Changes of soil biodiversity in Inner Mongolia steppe after 5 years of N and P fertilizer applications. Acta Ecologica Sinica， 2010， 30（20）： 5518-5526.
	齐莎，赵小蓉，郑海霞，等. 内蒙古典型草原连续5年施用氮磷肥土壤生物多样性的变化. 生态学报， 2010， 30（20）： 5518-5526.
15	Zong N， Shi P L， Jiang J， et al. Effects of fertilization and grazing exclosure on vegetation recovery in a degraded alpine meadow on the Tibetan Plateau. Chinese Journal of Applied & Environmental Biology， 2013， 19（6）： 905-913.
	宗宁，石培礼，蒋婧，等. 施肥和围栏封育对退化高寒草甸植被恢复的影响. 应用与环境生物学报， 2013， 19（6）： 905-913.
16	Chen Y M， Li Z Z， Du G Z. Effects of fertilization on plant diversity and economic herbage groups in alpine meadow. Acta Botanica Boreali-Occidentalia Sinica， 2004， 24（3）： 424-429.
	陈亚明，李自珍，杜国祯. 施肥对高寒草甸植物多样性和经济类群的影响. 西北植物学报， 2004， 24（3）： 424-429.
17	Lei T S， Ren J S， Zhang X Z， et al. Effects of nitrogen and phosphorus fertilizer on the alpine meadow and mountain pasture in Northern Tian Shan Mountain. Acta Prataculturae Sinica， 1996， 5（4）： 55-60.
	雷特生，任继生，张学洲，等. 天山北坡高寒草甸和山地草原氮磷配方施肥的研究. 草业学报， 1996， 5（4）： 55-60.
18	Yin W Y. Pictorial keys to soil animals of China. Beijing： Science Press， 1998.
	尹文英. 中国土壤动物检索图鉴. 北京：科学出版社， 1998.
19	Xin J L. Agricultural acarology. Beijing： China Agriculture Press， 1988.
	忻介六. 农业螨类学. 北京：中国农业出版社， 1988.
20	Gao Y. Studies on the systematics of Collembola and soil Zooecology. Beijing： Chinese Academy of Sciences （Shanghai Institutes for Biological Sciences）， 2007.
	高艳. 弹尾纲系统分类学与土壤动物应用生态学研究. 北京：中国科学院研究生院（上海生命科学研究院）， 2007.
21	Lu R K. Soil argrochemistry analysis protocoes. Beijing： China Agricultural Science and Technology Press， 1999.
	鲁如坤. 土壤农业化学分析方法. 北京：中国农业科技出版社， 1999.
22	Yin X Q， Wang H X， Zhou D W. Characteristics of soil animals’ communities in different agricultural ecosystem in the Songnen Grassland of China. Acta Ecologica Sinica， 2003（6）： 1071-1078.
	殷秀琴，王海霞，周道玮. 松嫩草原区不同农业生态系统土壤动物群落特征. 生态学报， 2003（6）： 1071-1078.
23	Li Y Y， Xu Z Q， Xu H M， et al. Review of the effect of fertilizer application on the soil fauna in soil ecosystems. Journal of Nanjing Forestry University （ Natural Sciences Edition）， 2018， 42（5）： 179-184.
	李媛媛，许子乾，徐涵湄，等. 施肥对陆地生态系统土壤动物影响的研究述评. 南京林业大学学报（自然科学版）， 2018， 42（5）： 179-184.
24	Lisa C， Sarah M B， Richard D B. Relating microarthropod community structure and diversity to soil fertility manipulations in temperate grassland. Soil Biology and Biochemistry， 2005， 37（9）： 1707-1717.
25	Du Q. The studies on the effects of fertilization on soil nematode community structure in alpine meadow on the Qinghai-Tibetan Plateau. Lanzhou： Lanzhou University， 2020.
	杜清. 施肥对青藏高原高寒草甸土壤线虫群落结构影响的研究. 兰州：兰州大学， 2020.
26	Xue J， Wang C T， Zeng L， et al. Effects of long-term N and P additions on the soil microarthropod communities in alpine meadows. Acta Ecologica Sinica， 2021， 41（23）： http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.2031.Q.20210723.1436.068.html.
	薛娟，王长庭，曾璐，等. 长期施加N、P肥对高寒草甸小型土壤节肢动物群落的影响. 生态学报， 2021， 41（23）： http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.2031.Q.20210723.1436.068.html.
27	Zhu Q G， Zhu A N， Zhang J B， et al. Effects of long-term fertilization on crop land soil meso-microarthropods in Huang-Huai-Hai Plain of China. Chinese Journal of Ecology， 2010， 29（1）： 69-74.
	朱强根，朱安宁，张佳宝，等. 长期施肥对黄淮海平原农田中小型土壤节肢动物的影响. 生态学杂志， 2010， 29（1）： 69-74.
28	Lindberg N， Persson T. Effects of long-term nutrient fertilisation and irrigation on the microarthropod community in a boreal Norway spruce stand. Forest Ecology & Management， 2004， 188（1）： 125-135.
29	Guðleifsson B E. Impact of long term use of fertilizer on surface invertebrates in experimental plots in a permanent hayfield in Northern-Iceland. Agricultural Society of Iceland， 2002， 15： 37-49.
30	Yang D X， Li C， Wang C. Community characteristics of soil meso- and microarthropod inside and outside cave and its response to environmental factors. Chinese Journal of Ecology， 2021， 40（10）： 3184-3194.
	杨大星，李灿，王春. 洞穴内外中小型土壤节肢动物群落特征及其对环境因子的响应.生态学杂志， 2021， 40（10）： 3184-3194.
31	Wu Q， Wu P F， Wang Q， et al. Effects of grazing intensity on the community structure and diversity of different soil fauna in alpine meadow. Scientia Agricultura Sinica， 2016， 49（9）： 1826-1834.
	武崎，吴鹏飞，王群，等. 放牧强度对高寒草地不同类群土壤动物的群落结构和多样性的影响. 中国农业科学， 2016， 49（9）： 1826-1834.
32	Yang R， Wu P F， Wei X. Effects of the transformation from natural alpine grassland to artificial oat grassland on the soil nematode communities. Acta Ecologica Sinica， 2020， 40（14）： 4093-4920.
	杨锐，吴鹏飞，魏雪. 天然高寒草地转变为燕麦人工草地对土壤线虫群落的影响. 生态学报， 2020， 40（14）： 4093-4920.
33	Liu G H， Shen G， Wang Z L， et al. Effects of grazing on vegetation biomass and soil animal communities in Xilingol grassland. Chinese Journal of Grassland， 2013， 35（3）： 72-76.
	刘国华，沈果，王振龙，等. 放牧对锡林郭勒草原植被生物量和土壤动物群落的影响. 中国草地学报， 2013， 35（3）： 72-76.
34	Tang L T. Effects of phosphorus addition on plant root characteristics and leaf traits in an alpine meadow of the Northwestern Sichuan， China. Chengdu： Southwest Minzu University， 2020.
	唐立涛. 磷添加对川西北高寒草甸植物根系特征及叶片属性的影响. 成都：西南民族大学， 2020.
35	Sun X， Li Q， Yao H F， et al. Soil fauna and soil health. Acta Pedologica Sinica， 2021， 58（5）： 1073-1083.
	孙新，李琪，姚海凤，等. 土壤动物与土壤健康. 土壤学报， 2021， 58（5）： 1073-1083.
36	Zhu X Y， Dong Z X， Kuang F H， et al. Effects of fertilization regimes on soil faunal communities in cropland of purple soil， China. Acta Ecologica Sinica， 2013， 33（2）： 464-474.
	朱新玉，董志新，况福虹，等. 长期施肥对紫色土农田土壤动物群落的影响. 生态学报， 2013， 33（2）： 464-474.

处理 Treatments	个体密度 Abundance		类群数 Group number		多样性指数 Shannon index
处理 Treatments	F	P	F	P	F	P
年份 Year （Y）	9.05	0.003	2.61	0.110	33.11	<0.001
种类 Treatment （T）	9.84	<0.001	9.93	<0.001	3.04	0.052
梯度 Gradient （G）	4.07	0.020	6.46	0.002	3.79	0.026
T×Y	40.69	<0.001	41.57	<0.001	28.14	<0.001
G×Y	2.68	0.074	7.18	0.001	4.45	0.014
T×G	1.09	0.278	0.85	0.497	1.54	0.197
T×G×Y	5.77	<0.001	2.81	0.029	3.14	0.018

处理 Treatments	个体密度 Abundance		类群数 Group number		多样性指数 Shannon index
处理 Treatments	F	P	F	P	F	P
年份 Year （Y）	9.05	0.003	2.61	0.110	33.11	<0.001
种类 Treatment （T）	9.84	<0.001	9.93	<0.001	3.04	0.052
梯度 Gradient （G）	4.07	0.020	6.46	0.002	3.79	0.026
T×Y	40.69	<0.001	41.57	<0.001	28.14	<0.001
G×Y	2.68	0.074	7.18	0.001	4.45	0.014
T×G	1.09	0.278	0.85	0.497	1.54	0.197
T×G×Y	5.77	<0.001	2.81	0.029	3.14	0.018

处理 Treatment	pH	有机质 SOM （g·kg^-1）	全氮 TN （g·kg^-1）	全磷 TP （g·kg^-1）	地上生物量 AB （g·m^-2）	盖度 CO （%）
CK	5.70±0.04a	108.07±4.48	6.26±0.27bc	0.80±0.03c	313.96±11.92d	86.37±1.20d
N₁₀	5.42±0.04b	113.50±7.61	6.90±0.31ab	0.78±0.03c	347.90±9.25bcd	89.25±0.53bcd
N₂₀	5.46±0.06b	110.95±8.09	7.19±0.22a	0.76±0.03c	370.28±22.82bc	88.11±1.50cd
N₃₀	5.45±0.02b	120.35±3.87	7.44±0.23a	0.75±0.04c	373.59±10.83abc	91.44±0.72abc
P₁₀	5.51±0.05b	105.06±6.39	6.20±0.13bc	0.96±0.02ab	335.81±17.06cd	88.70±1.28cd
P₂₀	5.51±0.04b	111.81±7.51	6.15±0.10bc	0.99±0.04a	351.46±9.43bcd	93.35±0.95a
P₃₀	5.47±0.04b	118.22±5.36	6.12±0.24c	1.08±0.03a	343.14±9.47cd	90.88±0.69abc
NP₁₀	5.45±0.06b	108.83±6.70	6.46±0.22bc	0.84±0.04bc	356.22±9.58bcd	89.78±1.18bc
NP₂₀	5.51±0.04b	113.09±3.31	5.70±0.21c	0.97±0.02ab	386.86±8.70ab	93.55±1.34a
NP₃₀	5.44±0.03b	111.68±6.49	6.10±0.38c	1.03±0.11a	411.45±16.94a	92.28±0.91ab
F	3.40	0.54	5.06	6.75	4.27	4.78
P	0.001	0.84	<0.001	<0.001	<0.001	<0.001

处理 Treatment	pH	有机质 SOM （g·kg^-1）	全氮 TN （g·kg^-1）	全磷 TP （g·kg^-1）	地上生物量 AB （g·m^-2）	盖度 CO （%）
CK	5.70±0.04a	108.07±4.48	6.26±0.27bc	0.80±0.03c	313.96±11.92d	86.37±1.20d
N₁₀	5.42±0.04b	113.50±7.61	6.90±0.31ab	0.78±0.03c	347.90±9.25bcd	89.25±0.53bcd
N₂₀	5.46±0.06b	110.95±8.09	7.19±0.22a	0.76±0.03c	370.28±22.82bc	88.11±1.50cd
N₃₀	5.45±0.02b	120.35±3.87	7.44±0.23a	0.75±0.04c	373.59±10.83abc	91.44±0.72abc
P₁₀	5.51±0.05b	105.06±6.39	6.20±0.13bc	0.96±0.02ab	335.81±17.06cd	88.70±1.28cd
P₂₀	5.51±0.04b	111.81±7.51	6.15±0.10bc	0.99±0.04a	351.46±9.43bcd	93.35±0.95a
P₃₀	5.47±0.04b	118.22±5.36	6.12±0.24c	1.08±0.03a	343.14±9.47cd	90.88±0.69abc
NP₁₀	5.45±0.06b	108.83±6.70	6.46±0.22bc	0.84±0.04bc	356.22±9.58bcd	89.78±1.18bc
NP₂₀	5.51±0.04b	113.09±3.31	5.70±0.21c	0.97±0.02ab	386.86±8.70ab	93.55±1.34a
NP₃₀	5.44±0.03b	111.68±6.49	6.10±0.38c	1.03±0.11a	411.45±16.94a	92.28±0.91ab
F	3.40	0.54	5.06	6.75	4.27	4.78
P	0.001	0.84	<0.001	<0.001	<0.001	<0.001

项目Item	pH	全氮TN	全磷TP	地上生物量AB	群落盖度CO
个体密度 Abundance			0.334**	0.215*
类群数 Group number			0.356**	0.209*
多样性指数 Shannon index			0.326**	0.187*
甲螨亚目 Oribatida		0.229*	0.190*		0.231*
中气门亚目 Mesostigmata	0.246**				0.189*
前气门亚目 Prostigmata
原?目 Poduromorpha
长角?目 Entomobryomorph		0.213*
同翅目 Homoptera