海南蚂蟥岭流域桉树人工林土壤动物生态地理特征

第29卷 第1期2010年1月

地 理 研 究

GEOGRAPHICAL RESEARCH

Vol129,No11

Jan1,2010

海南蚂蟥岭流域桉树人工林土壤动物

生态地理特征

唐本安,余中元,陈春福,袁建平,范燕琴,邱彭华,李翠娥

(海南师范大学资源环境研究所,海口571158)

摘要:海南蚂蟥岭流域土壤动物生态地理类群的调查,共获得土壤动物样本2036只,隶属3门7纲18个类目,说明蚂蟥岭流域土壤动物生态地理类群并不丰富。比较流域内5种不同土地利用方式中的土壤动物生态地理类群时发现:桉树人工林地对应尚未开发的原生灌木丛地,其土壤动物生态地理类群的Jaccard相似性系数仅为01375;土壤动物类群与个体数量分别减少了53133%与62174%;土壤动物群落复杂性指数(Cj)下降了11056;土壤动物群落密度-类群指数(DG)降低了41620。研究结果还进一步表明:桉树人工林土壤动物多样性的减少,损伤了土壤生态系统中土壤动物分解者的生态功能,造成了桉树人工林种植地枯枝落叶滞留、物质循环功能受阻、肥力下降,流域内土壤生态系统日趋恶化。关键词:桉树人工林;土壤动物;生态地理类群;蚂蝗岭流域;海南文章编号:1000-0585(2010)01-0118-09

土壤动物是土壤生态系统中的重要组成部分,由于土壤动物适应性强,数量巨大,各种类型的土壤中都有它们的分布[1,2]。土壤动物和土壤微生物一样,在土壤生态系统中起着分解有机质、改变土壤理化性质、保持土壤持水性和通透性、熟化土壤、促进物质循环的重要作用;土壤动物在土壤中的活动,有利于植物(包括农作物)的正常生长[3],因此常被作为土壤肥力和森林生态系统稳定性的生物学指标[4]。

由于近代人类活动不断加剧,对土地的利用方式也在不断改变,例如毁林拓土、覆被改变、湿地改造等等,都在不同程度上改变了原来生态系统的生境,从而导致了土壤生态系统功能上的退化和生物栖息地的破碎化,影响了土壤动物的栖息环境,造成了土壤动物物种多样性的变化或减少。土壤动物物种多样性的变化或减少已引起了广大学者的注意,2002年王振中等[5]就指出,土壤动物作为土壤生态指标生物的研究已成为国际土壤生态学领域中的研究热点和前沿课题。目前,土壤动物多样性作为土壤环境生物指示的研究已成为国际生态学界关注的热点问题之一。

本文对海南岛西北蚂蟥岭流域土壤动物生态地理类群研究,是针对20世纪60年代后大面积毁林拓土种植桉树(Eucaiyptus)人工纸浆林所引发的土壤环境退化、生物多样性减少的生态问题展开的。通过对蚂蟥岭流域桉树人工林土壤动物生态地理类群及其不同土地利用方式下的土壤动物生态地理类群的比较,深入探讨了土壤动物多样性作为土壤环境生物指示的意义,强调土壤动物生态地理类群在土壤生态系统中的作用,为全面展开蚂蟥

收稿日期:2009-01-15;修订日期:2009-09-04 基金项目:国家自然科学基金项目(40661004)

作者简介:唐本安(1949-),男,湖南邵阳人,教授。主要从事生态环境及生态地理教学与研究。

E-mail:tangban@1261com

[6]

岭流域生态系统的恢复、重建及其流域区生态经济可持续发展提供科学依据。

1 研究区概况与研究方法

111 研究区概况

蚂蝗岭流域位于海南(琼)西北部的儋州市,北端临近南海北部湾,总面积约为5217km2,因其主体山岭地形酷似蚂蝗而得名。

蚂蝗岭流域地势中部高四周低,最高处海拔16116m,最低处为2515m,由岭顶向四周平缓倾斜。平均年降雨量达1200mm、蒸发量大于降雨量,约为1550mm;年均气温在22~2515e之间,属于典型的热带岛屿型季风气候区。地表为土层深厚、质地疏松、沙性大、黏性小、透水性强的单一种类的红沙壤土覆盖。自然植被均由原始山林和次生灌木丛构成,动植物种类繁多,生物多样性也极为丰富。

由于人类活动对土地利用方式的改变,20世纪60年代后,人们开始在这里大面积毁林拓土种植桉树人工纸浆林,致使自然植被的原始山林所剩面积不到3%。至20世纪90年代初时,人们发现桉树人工林的种植,导致了农作物地下水位下降、生活井水枯竭、流域生态环境遭到破坏,土壤有机质及全氮含量较其他农业用地贫瘠(表1)。于是又大面积砍伐桉树,改种马占相思(Acaciamangium)树。并且在这一改种过程中,采取了大规模的机械刨蔸耕作生产模式,致使大面积裸露的土地在几次强台风暴雨的袭击下引发了水土流失灾难。水土流失灾难所带来的不仅仅是惨重的经济损失,其生态系统的损失也是无法估量的。据海南省儋州市水务局统计¹:蚂蟥岭流域水土流失面积超过3314km2,占总面积的6314%。仅土壤侵蚀模数就高达3658t/a#km;造成流域内7000多亩农田被淹,所有道路、桥梁及水利设施几乎全毁,迫使30多个村庄的农户举家全迁。

表1 蚂蝗岭不同生境地土层有机质及全氮含量

Tab11 Thecontentoforganicmatterandallnitrogeninsoillayerindifferent

habitatsofMahuanglingwatershed

Ñ

土地类型土层(cm)有机质(%)全氮(%)

母质土层20~50013601020

原生灌木丛地

0~20018401027

Ò农作物旱地0~20111201024

Ó

马占相思人工林

0~20013701019

Ô桉树人工林0~20013601018

Õ

水土流失区裸地

0~20013401019

2

112 研究方法

11211 样地的设置与样本采集 为了能够客观反映蚂蟥岭流域土壤动物生态地理类群的特征,我们根据流域内的土壤植被覆盖及其土地利用情况,设置了:原生灌木丛地、农业旱作地、马占相思人工林地、桉树人工林地及水土流失后的裸地5个不同生境的采样区(见表1)。每一采样区分5个采样点,每一样点又分4层(0~5cm、5~10cm、10~15cm、15~20cm),用100cm3的土壤环刀采集土壤样本;采样次数为4次,时间安排在年周期中的旱季(头一年12月、次年3月)与雨季(6月、9月)。在全部研究过程中,

¹

土壤样本的采集数共为400个。11212 土壤动物分离与分类鉴定 大型土壤动物采用挖掘50cm@50cm土壤样方,分层用手检方法收集,由于本研究过程未作湿生土壤动物调查,中小型土壤动物的收集仅采用Tullgren法(干漏斗法)分离提取的方法。 土壤动物的分类鉴定,主要采用日本青木淳一进行。

[7]

大类群、尹文英

[1,8,9]

中的分类方法

113 数据处理

本文在进行土壤动物生境要素分析时,样地中的有机质测定是按照RATHER方法[10]进行的。在描述土壤动物生态地理类群特征时,则根据研究过程的需要,采用下列计算公式进行数据处理:

土壤动物群落复杂性指数(Cj)采用傅必谦等[11]提出的公式:

Cj=Hcj@Cj=Hcjmax@ej@Cj

(1)

式中,将Cj定义为群落j的复杂性指数,其中Hcj、Hcjmax和ej分别为群落j的

Shannon-Weiner多样性指数、最大多样性及均匀度;Cj为校正系数,代表群落间相对丰度对群落j复杂性的影响。 土壤动物群落密度-类群指数(DG)采用廖崇惠等[12]提出的公式:

DG=(g/G)

i=1

E[DC/D

i

i

g

imax

C)](2)

式中:DG为群落密度-类群指数;C为所研究的群落数;Ci为第i个类群在C个群落中出现的次数;Di为第i个类群的密度;Dimax为第I类群在C个群落中出现的密度最大值;g为群落中的类群数;G为各群落所包含的总类群数。 土壤动物群落相似性系数采用Jaccard统计方法:

q=

a+b-c

(3)

式中:q为群落相似性系数;c为两个群落中的共有物种数;a、b分别为群落A、B所具有的物种数。

2 结果与分析

211 蚂蝗岭流域土壤动物生态地理类群特征21111 土壤动物种类与数量 本次调查共获得土壤动物2036只。经鉴定,隶属3门7纲18个类目(见表2)。其中蜱螨目(Acarina)与弹尾目(Collembola)为优势类群,分别占总捕量的49151%和39169%;膜翅目蚂蚁(Hymenoptera)与等翅目白蚁(Isoptera)为常见类群,分别占总捕量的4113%和1157%。其余14个类(目)土壤动物,虽然数量不多,仅占有总捕量的5111%,但种类数的占有却是全流域内土壤动物群落类群数的77178%,他们对于研究蚂蟥岭流域桉树人工林土壤动物生态地理类群的变化或减少,却有着及其重要的意义。21112 不同生境地土壤动物生态地理类群的特性 比较蚂蟥岭流域5种不同生境样地(表2)的捕获量(2)、门/纲/目(N)、密度(D#104/m2)、类群复杂性指数(Cj)、密度-类群指数(DG),我们可以看出:

1期唐本安等:海南蚂蟥岭流域桉树人工林土壤动物生态地理特征

表2 蚂蟥岭流域土壤动物生态地理类群调查统计表

121

Tab12 TheecogeographicalgroupofsoilanimalsintheMahuanglingwatershed(2005112-2007112)

Ñ原生灌

土壤动物

木丛地

Ò农作物旱地

Ó马占相思人工林

Ô桉树人工林

Õ水土流失区裸地

总数(2)

占总捕量(%)

多度(F)

个体占本个体占本个体占本个体占本个体占本数量样地数量样地数量样地数量样地数量样地(n)

123456789101112131415161718

蜱螨目Acarina弹尾目Collembola膜翅目(蚂蚁)Hymenoptera等翅目(白蚁)Isoptera综合类Symphyla鞘翅目Coleoptera蜘蛛类Araneae毛马陆Penicillata双尾目Diplura原尾目Protura半翅目Hemiptera直翅目Orthoptera缨翅目Thysanoptera蜻蜓目Odonata鳞翅目Lepidoptera蚯蚓类Opistopora蛭类Hirudinea熊虫类Eutardigrada

19

01141123730351853/3/1571302103451754

1

0116638311343/3/1261381157331421

3

0177391191202/2/831910193611431

272131361/1/721720197811134

501251/1/101050100001008

2

0127

2

0131

32321

01410127014101270114

2333

0131014701470147

3

0177

3

1110

7

1110

(%)

(n)

(%)

(n)

(%)

(n)

(%)

(n)

(%)

354481493225014719650113136501002883914526641169156391903611648

41931151018201551110

11

2181

7

2157

1586

213511250194

3

0177

6

2121

127

31071179

98166

3610351882121

5

100

100849151+++80839169+++84321213818102884322113

4113++1157++0159016401390188014901100139013901200115011001100105016420361003/3/184107--++++++++++++++

捕获量(2)占捕获量(%)门/纲/目(N)密度(D#104/m2)群落复杂性指数(C)密度-类群指数(DG)

1)原生灌木丛地的土壤动物多样性比较丰富 原生灌木丛地土壤动物生态地理类群的捕获量为730只,占捕获量的35185%,分别有3门3纲15个类目,密度达7130@104/m2,类群复杂性指数(Cj)与密度-类群指数(DG)分别为21034与51754。虽然土壤动物群落多样性不如海南尖峰岭热带山地雨林[13]也不及海南椰林[14],但在蚂蝗岭流域不同生境地中,其土壤动物群落的类群和数量在其流域内5种不同生境的样地中最多,表现出土壤动物多样性比较丰富的特点。

2)水土流失区裸地土壤动物多样性贫乏 水土流失区裸地仅仅捕获到膜翅目(Hy-menoptera)一个类目的5只土壤动物,其捕获量只占总捕量的0125%;密度只为0105@10m4

2

流失区裸地生境中的土壤动物类群与数量最少,其土壤动物多样性贫乏。

3)农业用地土壤动物多样性均存在有较为明显的差异 虽然农作物旱地、马占相思人工林地、桉树人工林地均有植被覆盖,但由于植被性质不同,加之生产模式的区别,其土壤动物类群与数量都不及原生灌木丛地,其土壤动物类群与数量普遍偏少,均有多样性减少表现。并且农作物旱地、马占相思人工林地、桉树人工林地土壤动物的捕获量(2)呈现出:638>391>272的变化;土壤动物的类群中的门/纲/目(N)数也表现出:3/3/12>2/2/8>1/1/7量变;土壤动物的密度(D#10/m)、群落复杂性指数(Cj)、土壤动物的密度-类群指数(DG),均存在较为明显的差异。表明农业用地土壤动物多样性在均有减少表现的同时,还呈现出农作物旱地土壤动物多样性高于人工林地的特点。212 桉树人工林土壤动物多样性变化

关于桉树人工林地土壤动物多样性偏少的问题,已有许多学者从不同林型(人工林或自然林)生境类型进行过横向型比较研究,并获得过强有力的桉树人工林地土壤动物多样性偏少的数据资料[15~20]。本文对这一问题的研究,主要是从纵向上,即从土地利用方式的改变上探讨土壤动物是否存在多样性的变化。21211 不同生境地土壤动物多样性的Jaccard相似性系数分析 通过比较蚂蟥岭流域5种不同生境土壤动物生态地理类群Jaccard相似性系数(见表3),我们发现:水土流失区裸地与原生灌木丛地的Jaccard相似性系数仅为01067,说明在水土流失区,由于原生灌木丛被毁,土地裸露,生态环境恶劣,影响了土壤动物的栖息环境,造成了土壤动物多样性的变化,因而表现出极不相似状态。农作物旱地与原生灌木丛地的Jaccard相似性系数在01588,表明农作物旱地虽然改变了土地覆被,以农作物代替了原生灌木丛,其土壤环境对土壤动物的栖息环境有着一定的影响,但土壤动物多样性变化并不明显,因而与原生灌木丛地比较,处在中等相似程度。

分析外来物种马占相思人工林地与桉树人工林地却是一个特例,从土地利用形式上看,它有林作物覆盖,与农作物旱地土壤环境相似,它们与原生灌木丛地的Jaccard相似性系数却表现出中等不相似的01438与01375水平。如果用极不相似状态的水土流失区裸地与中等相似程度的农作物旱地进行比较,我们发现,外来种人工林地土壤动物多样性变化比农作物旱地偏大,比水土流失区裸地偏少。说明外来物种对土壤动物多样性变化具有一定的影响。

表3 蚂蝗岭流域不同生境地土壤动物的Jaccard相似性系数

Tab13 JaccardsimilaritycoefficientofsoilanimalsindifferenthabitatsinMahuanglingwatershed

Ñ

ÑÒÓÔÕ

01588014380137501067

014290135701083

0166701125

01143

Ò01588

Ó0143801429

Ô013750135701667

Õ01067010830112501143

4

2

由于我们在实地调查中得知,马占相思人工林地的马占相思种植是近几年来才在原桉树人工林地上改种的,考虑到短时期内土壤动物群落变化不大。因而本文仅选取桉树人工