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黑河流域是西北干旱区第二大内陆河流域,也是一个能够全面反映我国内陆干旱区自然生态景观全貌的代表性流域。在黑河流域,上游山区(祁连山)是水资源的形成源区,中游人工绿洲区是水资源的主要消耗区,也是人类活动影响强度最大、人地水矛盾最突出的一个区域。在黑河中游人工绿洲区,人类活动的影响主要体现在两个方面:一个方面是,近几十年来,由于人口数量急剧增长对粮食需求量的大幅度增加,为了确保区域粮食生产安全,自上世纪70年代以来,对人工绿洲区水土资源的开发利用强度和规模不断增大,致使绿洲边缘大面积天然草地被开垦为灌溉农田。另一个方面是,为了维护人工绿洲生态系统的安全和稳定性,近50a来,在绿洲-荒漠过渡带实施了一系列的绿洲生态环境保护建设工程(即绿洲生态屏障建设工程),使大面积天然沙质草地被转变为不同类型防风固沙人工林。人工绿洲边缘大面积天然草地转变为人工林和农田后,由于地表覆被改变与土地管理措施不同引起的地表水文、土壤生态环境、植被以及植物凋落物的生产、积累和分解过程的变化,将驱动整个地下土壤生物群落(包括微生物、土壤动物和地面节肢动物)的演变过程,显著改变土壤生物群落的结构及功能多样性,进而对干旱荒漠绿洲生态系统的能量、物质和水循环及资源利用效率等生态服务功能产生重要的反馈作用。然而,目前尚不清楚土地利用/覆被变化与管理措施引起的地表水文和土壤生态环境的变化究竟会对地面/土壤动物群落演变造成什么样的潜在影响?也不清楚干旱环境下土地覆被变化与管理措施耦合作用对地面/土壤动物群落演变的生态驱动机制,更不清楚地面/土壤动物主要类群对土地覆被变化与管理扰动的响应模式与适应机理。
针对上述问题,本研究在黑河中游荒漠绿洲区选择天然草地(对照)及天然草地转变的人工梭梭灌木林(21a)、人工杨树林(28a)、人工樟子松林(33a)和农田(开垦27a和100a)6种代表性土地利用/覆被类型为研究对象,于2008～2010年间,系统调查了6种研究样地的地面/土壤动物群落组成和数量特征,定位观测了6种研究样地的植被与土壤生态环境特征,并详细调查了6种研究样地近20年来土地管理措施的使用及其变化情况。利用获得的多变量数据库,综合采用方差分析、多变量分析(DCA、RDA、CCA、NMDS和TWINSPAN)、多元回归和通径分析等统计方法,系统开展了黑河中游不同生态景观单元地面/土壤动物群落区系及其分布特征、土地覆被变化与管理对地面/土壤动物群落演变的耦合影响及驱动机制、地面/土壤动物群落主要类群对人为活动引起的荒漠绿洲生态环境变化的指示作用等方面的研究。主要结果如下:
(1)荒漠、绿洲和过渡区的地面/土壤动物区系和群落分布特征存在显著差异。荒漠区的地面节肢动物群落数量和物种丰富度高于绿洲区和过渡区,而绿洲区和过渡区的土壤动物群落数量和物种丰富度高于荒漠区。荒漠区地面节肢动物群落的优势类群是拟步甲科(63％)和蚁科(24%),土壤动物群落的优势类群是罗甲螨科(37%)、节跳科(19%)和厉螨科(8%):过渡区地面节肢动物群落的优势类群是蚁科(35%)和狼蛛科(16%),土壤动物群落的优势类群是罗甲螨科(26%)、节跳科(12%)和奥甲螨科(11%);绿洲区地面节肢动物群落的优势类群是蚁科(28%)、步甲科(28%)和狼蛛科(14%),土壤动物群落的优势类群是节跳科(41%)、长角跳科(9%)和厉螨科(7%)。
(2)揭示了土地覆被变化与管理措施对地面节肢动物和土壤动物群落结构和多样性变化的生态调控机制。将天然草地转变为未实施任何管理措施的人工梭梭灌木林后,地面/土壤动物群落数量、类群丰富度和多样性并未发生显著变化,而转变为实施管理措施的杨树和樟子松人工林及农田后,导致了地面/土壤动物群落数量、类群丰富度和多样性的显著变化。这表明,在缺乏管理措施(如灌溉)的情况下,单纯改变土地覆被对地面/土壤动物群落结构的影响较小,而在管理措施存在的情况下,改变土地覆被对地面/土壤动物群落结构产生了显著影响,从而证实了土地覆被变化对地面/土壤动物群落的作用及其效应受管理措施的强烈调控。
(3)多变量分析表明,灌溉、施肥和土地覆被变化(以植被盖度来表征)对地面/土壤动物群落组成变化均有显著影响,说明地面/土壤动物群落的演变过程受灌溉、施肥和土地覆被变化的共同影响。然而,灌溉、施肥和植被盖度在驱动地面/土壤动物群落演变过程中的作用和贡献率明显不同,灌溉对地面/土壤动物群落变化的贡献率要显著大于施肥和植被盖度,表明灌溉管理是干旱荒漠绿洲生态系统地面/土壤动物群落演变最重要的驱动力。
(4)通径分析表明,灌溉、施肥和植被盖度对地面节肢动物群落个体数量有显著的直接影响,同时灌溉、施肥和植被盖度通过相互作用对地面节肢动物群落个体数量产生显著的间接作用。从总影响效应看,灌溉对地面节肢动物个体数量的影响最大,植被盖度次之,施肥的影响最小。研究还表明,灌溉对土壤动物群落密度和类群丰富度有显著的直接作用,而施肥和植被盖度主要通过与灌溉的相互作用间接影响土壤动物群落密度和类群丰富度。从总影响效应看,灌溉对土壤动物群落密度和类群丰富度的影响最大,其次是施肥,植被盖度的影响最小。
(5)偏CCA排序结果表明,影响地面节肢动物群落分布的关键环境因子是土壤有机碳(贡献率为53%)、凋落物量(29%)、pH(9%)、土壤含水量(9%)和土壤质地(7%),而影响土壤动物群落分布的关键环境因子是土壤有机碳(44%)、凋落物量(22%)、土壤含水量(9%)、pH(5%)、土壤温度(4%)和土壤微生物量碳(4%)。
(6)实施管理的人工林和农田生态系统的土壤动物密度、类群丰富度和多样性均显著高于未实施管理的人工梭梭灌木林,表明人工林和农田生态系统具有较高的土壤动物多样性保育功能。因此,在人工绿洲边缘建立不同类型的人工植被斑块,增加生境多样性,是保护和维持干旱荒漠绿洲土壤动物多样性的有效途径。
(7)天然草地、人工梭梭灌木林、人工杨树林、人工樟子松林、新垦农田和百年农田6种研究样地土壤节肢动物群落的BSQ(Biological Soil Quality)指数分别为67.2、53.1、117.7、89.7、142.4和180.3,该指数值与土壤含水量、全氮和微生物量碳含量等呈显著正相关,与土壤温度、土壤砂粒和可溶性盐含量呈显著负相关,因而对土地覆被变化与管理引起的土壤质量变化有较好的指示作用,可作为干旱荒漠绿洲土壤质量评价的一个生物指标。
(8)通过对土壤节肢动物不同类群对土壤环境因子响应曲线的研究,定量评价了不同土壤动物类群对主要环境因子变化的敏感程度。地蜈蚣目、节跳科、长角跳科、圆跳科、蓟马科、铗虫八科、步甲科、叩甲科、象甲科、金龟子科、摇蚊科、夜蛾科动物对土壤温度变化极为敏感,可作为土壤温度变化的指示生物;石蜈蚣目、螨类、球角跳科、铗虫八科、隐翅虫科和象甲科动物对土壤水分变化极为敏感,可作为土壤湿度变化的指示生物;地蜈蚣目、石蜈蚣目、螨类、节跳科、圆跳虫科、隐翅虫科、象甲科和剑虻科动物对土壤质地变化极为敏感,可作为土壤质地变化的指示生物;石蜈蚣目、幺蚣科、螨类、长角跳科、球角跳科、隐翅虫科、剑虻科和长足虻科动物对土壤盐分含量变化较为敏感,可作为土壤盐渍化环境变化的指示生物;螨类、球角跳科、圆跳科、短角跳科、铗虫八科、隐翅虫科、摇蚊科、剑虻科和长足虻科动物对土壤氮含量变化较为敏感,可作为土壤氮素有效性变化的指示生物。