International Journal of Ecology 世界生态学, 2020, 9(2), 140-150
Published Online May 2020 in Hans. http://www.hanspub.org/journal/ije https://doi.org/10.12677/ije.2020.92018
Response of Soil Animals to Nitrogen Deposition in Broad-Leaved Korean Pine Forest in the Xiaoxing’an Mountains
Jiaojiao Zhou, Qinggui Wang, Yuan Sun, Yajuan Xing*
College of Agricultural Resource and Environment, Heilongjiang University, Harbin Heilongjiang
Received: Mar. 23rd, 2020; accepted: Apr. 9th, 2020; published: Apr. 16th, 2020
Abstract
Atmospheric nitrogen deposition in China is increasing every year, which has brought significant effects on the structure and function of ecosystems. An artificially simulated nitrogen deposition experiment was carried out in Fenglin National Nature Reserve to study the effect of broad-leaved Korean pine forest on soil biological community structure in the Xiaoxin’an Mountains under ni-trogen deposition. Since 2010, nitrogen application (NH4NO3) has been performed in selected test plots in the growing season (May-September) each year, and four different gradients have been set: CK (0 gN?2m?1), low nitrogen LN (2.5 gN?2m?1), middle nitrogen MN (5 gN?2m?1), high nitrogen HN (7.5 gN?2m?1), for comparison experiment. The results showed that: 1) A total of 8769 soil animals were captured, of which 45 species were in total, belonging to 3 phylum, 11 classes and 25 orders. Among them, the dominant groups are Oribatida, Chironomidae, Isotomidae, accounting for 68.13% of the total number of individuals. 2) After nitrogen treatment, the number of groups all decreased; the number of individual soil animals in the soil layer at 0 to 10 cm reached the maximum at HN; the number of individual soil animals in the soil layer at 10 to 20 cm was highest at CK; but all these differences are not significant. 3) Seasonal dynamics of soil animals: in September, the total number of individuals is the highest; in May, the total number of groups is the highest. The differ-ence is significant. 4) Vertical characteristics and performance of soil animals: both the number of individuals and the number of groups show obvious characteristics of surface aggregation. 5) On the whole, the community characteristics of soil animals all showed a very significant negative
correlation with soil pH and a very significant positive correlation with NO?3-N and soil pH.
Keywords
Soil Animals, Nitrogen Deposition, Community Structure, Broad-Leaved Korean Pine Forest
小兴安岭阔叶红松林土壤动物对氮沉降的响应
周娇娇，王庆贵，孙 元，邢亚娟*
*通讯作者。
文章引用: 周娇娇, 王庆贵, 孙元, 邢亚娟. 小兴安岭阔叶红松林土壤动物对氮沉降的响应[J]. 世界生态学, 2020, 9(2): 140-150. DOI: 10.12677/ije.2020.92018
周娇娇 等
黑龙江大学农业资源与环境学院，黑龙江 哈尔滨
收稿日期：2020年3月23日；录用日期：2020年4月9日；发布日期：2020年4月16日
摘 要
我国大气氮沉降呈逐年增加的趋势，已对生态系统结构和功能产生了显著影响。为研究氮沉降下小兴安岭阔叶红松林对土壤动物群落结构的影响，在丰林国家自然保护区内开展了人工模拟氮沉降试验，从2010年开始，于每年生长季(5月~9月)在选定的试验样地内进行施氮(NH4NO3)，分别设置了对照CK (0 g N m?2a?1)、低氮LN (2.5 g N m?2a?1)、中氮MN (5 g N m?2a?1)、高氮HN (7.5 g N m-2 a-1)等４个不同梯度处理。研究结果表明：1) 共捕获土壤动物8769只，计45类，隶属于3门11纲25目。其中优势类群为甲螨亚目、摇蚊幼科、等节跳科，共占总个体数的68.13%。2) 施氮处理下类群数均发生减少；0~10 cm土层土壤动物个体数在HN达到最大值；10~20 cm土层土壤动物个体数在CK时最高；但差异均不显著。3) 土壤动物的季节动态表现：9月个体总数最高，5月类群总数最高。差异显著。4) 土壤动物的垂直特
征表现：个体数与类群数呈现出明显表聚性特征。5) 土壤动物群落特征整体均与土壤pH、NO?3-N有极显著正相关。
关键词
土壤动物，氮沉降，群落结构，阔叶红松林
Copyright ? 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc.
This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Open Access 1. 前言
随着工业化步伐的加快和人类活动的干扰导致大量含氮化合物在大气中通过干、湿沉降的方式降落到地表，进入生态系统中。研究表明，适当的氮输入可以为生态系统提供营养元素，但过量就会影响生态系统的功能及结构[1]。中国现已成为全球氮排量最多的国家之一，且未来将会持续增加[2] [3] [4]。因此，氮输入的增加会对生态系统造成多大程度的影响引起了国内外学者们极大的关注。
森林生态系统是陆地生态系统中的重要组成部分，其具有调节环境因子、气候因子等生态系统功能[5]。而土壤动物是陆地生态系统中分布最广、数量最多的一类生物[6]，其可直接或间接地参与土壤中物质循环和能量流动的转化过程，不仅是土壤和生态系统中的重要组成因子[7] [8]，还是全球变化对陆地生态系统影响不可或缺的指示生物[9] [10]。土壤动物的生长、繁殖、群落结构、生态功能及区域分布均会随氮添加浓度的变化受到直接影响，也可通过改变土壤环境因子、地上植被群落结构等对土壤动物的取食、生长等行为间接影响土壤动物。其可敏感地反映出生态环境破坏、时空分布动态变化等状况[11] [12]。多个研究发现土壤动物群落结构对氮沉降的响应存在多样性，存在促进[13] [14] [15] [16] [17]和抑制[18] [19]两方面作用。
目前对中国温带地区氮沉降背景下许多区域土壤动物的多样性以及环境对其影响机制还存在诸多薄弱。所以在小兴安岭地区建立长期模拟不同水平氮沉降试验基地，就森林生态系统中土壤动物的群落结
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构及时空分布格局对氮沉降的响应进行研究并讨论其内在机制，本研究基于对前人研究结果的分析，主要提出以下三个假设：1) 同一气候环境下不同氮沉降处理对土壤动物群落结构的响应；2) 不同氮沉降处理土壤动物群落的季节动态及垂直分布特征；3) 氮沉降下土壤环境因子对土壤动物的影响。
2. 材料与方法
2.1. 研究区概况
丰林国家级自然保护区(48?02'~48?12'N, 128?58'~129?15'E)位于黑龙江省伊春市五营区，该区地处小兴安岭南坡北段，海拔高度280~683 m，地处典型北温带大陆性季风气候区，年均温为?0.5℃，年均降水量680~750 cm，年蒸发量为930 mm，年均无霜期120 d，土壤为典型暗棕壤，样地植被类型为北温带针阔叶混交林。是中国面积最大、保存最完整的原始红松林，物种资源丰富。主要以红松(Pinus koraiensis Sieb.et Zucc.)、落叶松(Larix gmelinii (Rupr.) Rupr.)等为主的针叶树种及以水曲柳(Fraxinus mandshurica Rupr.)黄菠萝(Phellodendron amurense Rupr.)等为主的阔叶林的阔叶树种。
2.2. 实验设计
于2010年5月在保护区内选取12块20 m × 20 m植被地形相似的小样方作为人工模拟氮沉降试验基地，各样方间设有10 m宽的隔离带，以防止不同处理的样地间相互干扰。以NH4NO3作为外施氮源于每年生长季5~9月进行喷施，共设置对照CK (0 gNm?2a?1)、低氮LN (2.5 gNm?2a?1)、中氮MN (5 gNm?2a?1)、高氮HN (7.5 gNm?2a?1) 4个不同浓度氮添加处理，每个处理设计3个重复。
2.3. 样品采集
分别在2019年5月(春季)，7月(夏季)，9月(秋季)3个季节采集土壤样品，在每个小样方随机设置三个取样点，分别用直径为15 cm的环形刀和直径为5 cm的土钻按0~10 cm和10~20 cm采集土壤样品两份，一份用于土壤动物的分离，另一份用于土壤理化性质的测定。土壤动物土样迅速带回实验室后采用改良过后的Tullgren干漏斗法进行土壤动物的分离，将标本保存于75%的酒精后在解剖镜下根据尹文英《中国土壤动物图鉴》进行分离鉴定并分类统计，部分土壤动物类群鉴定至科水平[20] [21]。
2.4. 数据处理与分析
首先运用Excel 2010统计土壤动物种类和数量，按土壤动物种类的个体数占所捕获总个体数的百分比来计算相对多度。10%以上为优势种，1%~10%为常见种，1%以下为稀有种[22]。将用于测定土壤
? 理化性质的样品带回实验室进行预处理，土壤全氮(TN)、全磷(TP)和速效氮(NH+ 4-N和NO3-N)采用连
续流动分析仪(AA3, Bran-Luebbe, Hamburg, Germany)测定；用C/N分析仪(multi N/C 3100, Analytik Jena AG, Germany)对土壤全碳(TC)进行干燃烧分析；土壤含水率(SWC)采用烘干法测定；土壤pH采用PB-10酸度计测定(水土比例为2.5:1) [23]。土壤动物群落特征主要采用Margalef丰富度指数(D)、Shannon多样性指数(H')、Simpson优势度指数(C)、Pielou均匀度指数(J)进行数据分析，群落特征多样性指数计算公式如下：
D=S(S?1)i=1lnN
H′=?∑niNln(niN)
C=∑(niN)i=1S2
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J=H′lnS
式中，ni代表第i个类群的个体数；N代表群落中所有类群的个体总数；S代表类群数。
采用Spss22.0软件进行数据分析，采用单因素方差分析(one-way ANOVA)对土壤动物的个体数、类群数及其群落特征进行差异显著性分析。用Pearson相关系数分析土壤动物群落特征与环境因子之间的相关性。
3. 结果与分析
3.1. 土壤动物群落组成结构对氮沉降的响应
3个采样期(2019.05~09月)共计捕获到土壤动物8769只，计45类，隶属于3门11纲25目(表1)。小兴安岭地区森林生态系统的优势类群为甲螨亚目、摇蚊幼科、等节跳科3类，占总个体数的68.13%；常见类群为双翅目幼科、球角跳科、棘跳科、革螨科、鳞跳科、辐螨亚目、线蚓科、线虫8类，占24.6%；这些类群构成了小兴安岭森林生态系统土壤动物的主体，剩余37类为稀有类群，占7.27%。
Table 1. Community groups and quantitative statistics of soil Animals in the Xiaoxing'an Mountains 表1. 小兴安岭地区土壤动物群落类群和数量统计
名称Name 后孔寡毛目Opisthopora 近孔寡毛目Plesinpora
线虫目Nemata 蜘蛛目Araneae 伪蝎目Pseudoscorpiones
盲蛛目Opiliones 寄螨目Parasiformes
真螨目Acariformes
等足目Isopoda 圆马陆目Sphaerotheriida 地蜈蚣目Geophilomorpha 石蜈蚣目Lithobiomorpha
正蚓科Lumbricidae 线蚓科Enchytraeidae
革螨科Mesostigmata 硬蜱科Ixodidae 节腹螨亚目Opilioacarida
软蜱科Argasidae 甲螨亚目Oribatida 辐螨亚目Actinetidida 叶螨科Tetranychidae 鼠妇科Porcellionidae 生圆马陆科Sphaeropoeidae 地蜈蚣科Geophilidae 石蜈蚣科Lithobiidae
体型Size Macro Macro Micro Macro Macro Macro Meso/Micro Meso/Micro Meso/Micro Meso/Micro Meso/Micro Meso/Micro Meso/Micro Macro Macro Macro Macro Macro Macro Meso/Micro Meso/Micro
CK LN MN HN 百分比Percent (%) 多度Degree 18 15 31 26 17 33 19 18 - 1
1 3
11 35 14 41 16 23 5 1 1
3 - -
0.9 1.28 1.01 0.51 0.02 0.06 2.89 0.06 0.05 0.02 32.97 2.5 0.38 0.4 0.27 0.7 0.05 0.13 0.43 0.25 14.86
** ** ** *** ** ***
60 51 3 2 -
1 - 1
76 66 1 1 -
- 1 1
788 559 696 848 83 41 14 3 13
4 11 4
40 55 13 16 4
2 5 3
13 16 1 3 12 4
1 2 8 5
15 17 2 3 6 8
- 3 12 5
蜈蚣目Scolopendromorpha 大蜈蚣科Scolopendromorpha
综合纲Symphyla 蚖目Acerentomata 弹尾目Collembola
幺蚰科Scutigerellidae 蚖科Acerentomidae 等节跳科Isotomidae
375 251 365 312
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Continued
双尾目Diplura 缨翅目Thysanoptera 半翅目Hemiptera
鞘翅目Coleoptera
鞘翅目幼Coleopteralarvae
鳞翅目Lepidoptera 双翅目Diptera
膜翅目Hymenoptera
直翅目Orthoptera 脉翅目Neuroptera
总计Total
棘跳科Onychiuridae 球角跳科Hypogastruridae 鳞跳科Tomoceridae 圆跳科Sminthuridae 疣跳科Neanuridae 跳虫科Poduridae 长角跳科Paronellidae 康虫八总科Campodeidae
蓟马科Thripidae 鞭蝽科Dipsocoridae 蝉科Cicadidae 隐翅甲科Staphylinidae 虎甲科Cicindelidae 象甲科Curculionidae 水龟甲科Hydrophilidae 步甲科Carabidae 金龟甲科Scarabaeidae 夜蛾科Noctuidae 摇蚊科Chironomidae 虻科Tabanidae 双翅目幼虫Diptera 大蚊科Tipulidae 小蜂科Chalcidae 蚁科Formicidae 食牙蝇科Syrphidae 蟋蟀科Gryllidae 蚁蛉科Myrmeleontidae 个体数Individuals 类群数Groups
Meso/Micro Meso/Micro Meso/Micro Meso/Micro Meso/Micro Meso/Micro Meso/Micro Macro Macro Meso/Micro Meso/Micro Macro Meso/Micro Meso/Micro Meso/Micro Meso/Micro Meso/Micro Macro Macro Macro Macro Macro Macro Macro Macro Macro Macro
109 49 130 74 56 11 2 1 17 3 3 1 - 9 0 2 1 13 - 2
43 7 2 1 10 6 3 1 1 5 1 - - 5 - 4
58 46 82 77 71 85 8 1 1 8 5 2 - - 5 - 1 -
7 1 - 15 1 2 1 1 13 1 - -
2.99 4.14 2.91 0.38 0.07 0.03 0.57 0.17 0.11 0.03 0.02 0.36 0.02 0.03 0.01 0.5 0.01 0.16 20.3 0.01 6.88 0.25 0.18 0.03 0.05 0.03 0.01
** ** ** *** **
13 13 - 2
1 6
446 394 339 601 -
1
-
-
150 154 141 158 7 3 1 - - -
2 6 1 2 1 -
1 2 - - 2 -
12 5 1 2 - 1
Macro/Meso/Micro 2427 1824 2036 2482 Macro/Meso/Micro 43
38
39 39
注：***：优势类群(≥10%)；**：常见类群1%~10%；-：未发现此类群；n = 3。
0~10 cm土层共捕获6979只，占土壤动物总个体数的79.59%，共计45类。由图1可知，甲螨亚目、摇蚊幼科、等节跳科为优势类群，共占0~10 cm土壤动物总个体数的68.26%；双翅目幼虫、球角跳科、鳞跳科、棘跳科、革螨科、辐螨亚目等7类为常见类群，占24.22%；线虫目、正蚓科等剩余35类为稀有类群，占7.52%。总体来看，0~10 cm土层土壤动物的个体总数在高氮(HN)处理下达到最高，低氮(LN)处理下最低；与CK处理相比，氮沉降处理下土壤动物类群总数表现出降低的趋势。
DOI: 10.12677/ije.2020.92018
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