土壤动物群落空间格局和构建机制研究进展

群落空间格局和构建机制一直是生态学研究的核心内容。在生物多样性严重丧失的背景下, 揭示群落空间格局及其构建机制, 有助于深刻理解生物多样性丧失的原因, 更有助于应对生物多样性保护等重大生态环境问题。然而, 陆地生态系统的研究多集中于地上生物群落, 对地下生态系统, 尤其是土壤动物空间格局和构建机制的研究尚不充分。事实上, 土壤动物多样性是全球生物多样性的关键组成之一, 是地下生态系统结构和功能维持的重要部分。对土壤动物空间格局和构建机制的研究, 能明确不同空间尺度条件下土壤动物多样性的维持机制。土壤动物群落常在多种空间尺度形成复杂的空间分布格局, 因此, 本文首先介绍了不同空间尺度主要土壤动物群落的空间自相关性特征, 阐述了土壤动物群落斑块和孔隙镶嵌分布的复杂空间格局。继而阐明这种空间格局主要受生物间作用、环境过滤和随机扩散的调控, 并说明这三个过程对土壤动物群落的调控能力和作用方式。作者提出, 这三个过程仍是今后土壤动物群落空间格局和构建机制研究的重点内容, 需要进一步加强以土壤动物为研究对象的群落构建理论的验证和发展。我国土壤动物群落空间格局和构建机制起步较晚, 希望本文能够促进我国土壤动物生态学相关领域的研究。     

我国土壤动物群落生态学研究综述

总结了我国土壤动物群落生态学研究的特点,即区域分布集中于中国东部、研究的生态系统类型广泛、研究角度多种多样与应用研究发展迅速。并从土壤动物群落与环境关系、土壤动物群落的组成和多样性、土壤动物群落结构、土壤动物群落功能、土壤动物群落演替与受干扰生态系统的土壤动物群落6个方面综述其最新研究成果。在此基础上指出我国土壤动物群落生态学中有待开拓的研究领域是基础研究、特色区域和生态系统的研究、土地覆盖/土地利用对土壤动物的影响研究、土壤动物多样性及其保护研究、土壤动物在土壤生态系统和陆地生态系统物质循环和能量流动中的作用研究、全球变化响应研究与土壤动物应用研究。     

中国西南喀斯特地区土壤动物生态学研究进展

中国西南喀斯特地区生态环境十分脆弱,在人为活动和自然因素的严重干扰下,该区生态系统遭到严重的破坏。土壤动物是喀斯特地区生态系统能量流动和物质循环至关重要的生物驱动因子,在保护和改善土地资源、防控该地区生态退化中有着重要意义。该区土壤动物类群组成丰富,具有明显的表聚性;随石漠化程度的加重,土壤动物类群数有减少的趋势;生境越复杂、扰动越小,土壤动物群落结构也越复杂、个体密度和类群数越高;不同海拔的土壤动物群落结构存在异质性。当前,中国西南喀斯特地区土壤动物生态学研究中存在分类水平不高、生态服务功能研究较少、对自然因素和人为因素响应的研究不够深入等问题。未来中国西南喀斯特地区土壤动物生态学研究应在生物指示作用、生态服务功能、微生态调控与作用机制及对当今热点环境问题的响应等方面展开深入研究。     

土壤动物粒径谱研究进展

群落结构如何响应环境变化是生态学研究长期关注的核心问题之一。粒径谱由个体大小和多度构建而来,与营养级转换速率相关、反映生态系统过程动态以及表征生态系统稳定性,可以将其视为一个综合的功能多样性指标用于预测和表征群落的组成以及生态系统功能如何响应环境压力。粒径谱研究最初始于水生生态系统,近年来被引入到土壤动物群落生态学的研究中。简要回顾粒径谱的概念由来及理论基础,分析比较了当前粒径谱研究中的4种易混淆类型,介绍了常用的两类土壤动物粒径谱构建方法及其生态学意义,梳理了土壤动物粒径谱对环境梯度响应与生态化学计量学相结合的研究进展,并指出了应用粒径谱研究土壤动物群落的难点及限制条件。未来,在基础理论研究方面,土壤动物粒径谱应关注个体大小与营养级位置及能量利用关系;在应用方面,土壤动物粒径谱可结合传统的分类方法广泛应用于指示环境污染、生态恢复、保育生物以及土地利用变化等。     

环境DNA技术在地下生态学中的应用

地下生态过程是生态系统结构、功能和过程研究中最不确定的因素。由于技术和方法的限制,作为"黑箱"的地下生态系统已经成为限制生态学发展的瓶颈,也是未来生态学发展的主要方向。环境DNA技术,是指从土壤等环境样品中直接提取DNA片段,然后通过DNA测序技术来定性或定量化目标生物,以确定目标生物在生态系统中的分布及功能特征。环境DNA技术已成功用于地下生态过程的研究。目前,环境DNA技术在土壤微生物多样性及其功能方面的研究相对成熟,克服了土壤微生物研究中不能培养的问题,可以有效地分析土壤微生物的群落组成、多样性及空间分布,尤其是宏基因组学技术的发展,使得微生物生态功能方面的研究成为可能;而且,环境DNA技术已经在土壤动物生态学的研究中得到了初步应用,可快速分析土壤动物的多样性及其分布特征,更有效地鉴定出未知的或稀少的物种,鉴定土壤动物类群的幅度较宽;部分研究者通过提取分析土壤中DNA片段信息对生态系统植物多样性及植物分类进行了研究,其结果比传统的植物分类及物种多样性测定更精确,改变了以往对植物群落物种多样性模式的理解。同时,环境DNA技术克服传统根系研究方法中需要洗根、分根、只能测定单物种根系的局限,降低根系研究中细根区分的误差,并探索性地用于细根生物量的研究。主要综述了基于环境DNA技术的分子生物学方法在土壤微生物多样性及功能、土壤动物多样性、地下植物多样性及根系生态等地下生态过程研究中的应用进展。环境DNA技术对于以土壤微生物、土壤动物及地下植物根系为主体的地下生态学过程的研究具有革命性意义,并展现出良好的应用前景。可以预期,分子生物学技术与传统的生态学研究相结合将成为未来地下生态学研究的一个发展趋势。     

集合群落及其在土壤动物群落构建中的应用

集合群落(metacommunity)指的是一系列由多个潜在的相互作用的物种通过扩散联系起来的局域群落。集合群落研究的基本问题是同一系统中多物种共存的机理、多样性的成因与维持机制。为了解决这些经典问题,Leibold提出了集合群落理论的4个经典范式,即斑块动态理论、物种分配理论、中性理论和集群效应理论。集合群落理论可以应用于土壤动物群落构建研究领域,解决多空间尺度土壤动物空间分布模式与驱动机制等问题。本文采用文献计量学方法梳理了集合群落自1992年提出到目前为止,集合群落理论、结构、驱动力以及基于功能性状的集合群落机制研究等四大核心方向与研究热点。同时,本文结合目前国内外土壤动物集合群落理论研究现状,提出进一步深入开展多尺度土壤动物多样性时空格局动态研究,旨在为土壤生物多样性管理提供对策措施。     

土壤微生物群落构建理论与时空演变特征

土壤微生物作为陆地生态系统的重要组成部分,直接或间接地参与几乎所有的土壤生态过程,在物质循环、能量转换以及污染物降解等过程中都发挥着重要作用。对土壤微生物时空演变规律及其形成机制的研究,不仅是微生物演变和进化的基础科学问题,也是预测微生物及其所介导的生态功能对环境条件变化响应、适应和反馈的理论依据。讨论了土壤微生物群落的定义、测度方法和指标,认为群落是联系动植物宏观生态学与微生物生态学的基础,群落构建机制是宏观和微观生态学都需要研究的核心科学问题;从生态学的群落构建理论出发,阐述了包括生态位理论/中性理论、过程理论和多样性-稳定性理论在土壤微生物时空演变研究中的应用,以及微生物群落在时间和空间上的分布特征及其尺度效应;确立了以微生物群落构建理论为基础、不同时空尺度下土壤微生物群落演变特征为主要内容的微生物演变研究的基本框架。     

高原鼢鼠干扰强度对祁连山东段高寒草甸大型土壤动物功能群特征及空间分布的影响

为明晰高原鼢鼠干扰对大型土壤动物类群分布和功能群特征影响,选取祁连山东段高原鼢鼠典型分布高寒草甸,依据鼠丘密度将研究区划分4个干扰梯度,调查各干扰区植物、群落结构、土壤理化性质和大型土壤动物功能群组成。采用冗余分析方法探讨植物土壤因子对土壤动物功能群组成和分布的影响。结果表明：研究区植食性土壤动物为优势功能群,极重度干扰区植食性功能群丰富度和Shannon多样性指数显著高于中度和重度干扰区(P<0.05);高原鼢鼠干扰对高寒草甸土壤动物群落稳定和相似性影响较小;冗余分析表明土壤温度、紧实度、全氮和全钾以及莎草科生物量和植物物种均匀度均显著影响高寒草甸土壤动物功能群的空间分布(P<0.05),其中土壤温度对土壤动物功能群分布影响最为显著。     

城市化对土壤动物群落结构和多样性的影响

城市化进程加快带来的环境挑战正威胁着地球上的生物多样性。土壤动物是生物多样性的重要组成部分, 对维持土壤健康及城市生态系统稳定性具有重要意义。近年来, 城市土壤动物群落结构和多样性的研究已经取得了一定进展, 但是仍缺乏系统的总结和综述。基于此, 本文梳理归纳了国内外已有的相关文献, 总结了城市化影响土壤动物的主要途径, 并阐述了城市中不同体型大小的优势土壤动物类群对城市化的响应。本文建议未来应利用分子生物学手段深入解析城市土壤动物多样性, 明晰城市土壤食物网的结构与功能, 关注土壤动物群落的保护与恢复, 揭示城市土壤动物肠道微生物组特征, 并挖掘城市土壤动物抑制人类致病菌的潜力, 以期为城市生物多样性保护、生态系统稳定和人类健康维持提供相关科学依据。     

新疆阜康绿洲不同生境土壤动物群落多样性及其季节动态

为了查明阜康绿洲不同生境土壤动物群落多样性特征及其变化动态,2010年4、7、9及11月中旬分别以该绿洲的用材林、防护林、苗圃、耕地、盐碱地、灌木林及荒草地生境为研究对象,采用手捡法、改良干漏斗法和湿漏斗法分离0～20 cm土层中的土壤动物,并分析了不同生境土壤动物的群落结构、分布特征及季节动态.共获得土壤动物1 1098只,共35类,其中线虫类、轮虫类和弹尾类为优势类群.在7种不同生境土壤动物类群、个体数和多样性以及不同季节之间均存在显著差异(P＜0.05),其中Shannon多样性指数依次为用材林＞防护林＞灌木林＞耕地＞盐碱地＞苗圃＞荒草地;时空分布调查发现,不同生境土壤动物群落分布具有明显的表聚性特征,并在不同土层及季节间均有显著性差异(P＜0.05),季节动态变化依次为秋季最多、其次春季和冬季,夏季最少;不同生境土壤动物群落间的Jaccard相似性指数属于中等不相似(处于0.25～0.50).不同生境组间聚类和排序结果表明,将7种不同生境分为人工林生境型、人为干扰生境型、灌木生境型及荒漠生境型4大类型.结果表明,阜康绿洲不同生境土壤动物群落组成和多样性具有明显的生境和季节差异特征.     

土壤动物多样性及其生态功能

土壤无脊椎动物生物量通常小于土壤生物总生物量的10%,但它们种类丰富,取食行为及生活史策略多种多样,且土壤动物之间,土壤动物与微生物之间存在着复杂的相互作用关系。土壤动物的生态功能主要通过取食作用(trophic effect)和非取食作用(non-trophic effect)来实现。原生动物数量大、周转快,故原生动物本身的代谢活动(即取食作用)对碳氮矿化的贡献可以接近甚至超过细菌的贡献;然而大多数中小型土壤动物的本身代谢过程对碳氮矿化的贡献远低于土壤微生物,但它们可以通过取食作用来调节微生物进而影响碳氮的矿化。大型节肢动物中的蜘蛛和地表甲虫等捕食者经常活跃于地表,它们常常会通过级联效应对土壤生态系统产生重要的影响。蚯蚓、白蚁等大型土壤动物除可以通过取食作用以外,还可以通过非取食作用调控土壤微生物,进而显著影响土壤碳氮过程。土壤动物取食行为的多样性和复杂的非营养关系的存在造就了多维度的土壤食物网,给土壤动物的生态功能研究带来了巨大的挑战。介绍了土壤动物的多样性及主要的生态功能,并对研究的热点和前沿问题进行了探讨,以期引起关于土壤动物多样性及其生态功能的深入思考。     

我国东北森林土壤动物生态学研究现状与展望

土壤动物在生态系统养分循环和能量流动中起到重要的作用。近年来土壤动物生态学研究已成为当前生态学研究的热点与前沿领域。土壤动物生态学研究在国际上已有60多年的历史, 但在我国真正意义上的土壤动物生态学研究起始于20世纪70年代末东北长白山的研究。本文概述了东北森林土壤动物生态学研究的三个阶段, 并重点从以下方面总结了近10年的研究现状与进展: 土壤动物分布格局及多样性、土壤动物对环境因子的响应、土壤动物在生态系统中的功能作用研究。本文可为进一步拓展东北森林土壤动物生态学研究并为我国其他地区深入开展土壤动物生态学研究提供参考。未来东北森林土壤动物生态学研究应该关注: 土壤动物与微生物交互作用、土壤动物对全球变化的响应、地上与地下生态系统的交互作用以及分子生物学技术在土壤生物研究中的应用。     

How do earthworms affect microfloral and faunal community diversity?

Much of the work regarding earthworm effects on other organisms has focused on the functional significance of microbial-earthworm interactions, and little is known on the effects of earthworms on microfloral and faunal diversity. Earthworms can affect soil microflora and fauna populations directly and indirectly by three main mechanisms: (1) comminution, burrowing and casting; (2) grazing; (3) dispersal. These activities change the soil's physico-chemical and biological status and may cause drastic shifts in the density, diversity, structure and activity of microbial and faunal communities within the drilosphere. Certain organisms and species may be enhanced, reduced or not be affected at all depending on their ability to adapt to the particular conditions of different earthworm drilospheres. A large host of factors (including CaCO₃, enzymes, mucus and antimicrobial substances) influence the ability of preferentially or randomly ingested organisms to survive (or not) passage through the earthworm gut, and their resultant capacity to recover and proliferate (or not) in earthworm casts. Small organisms, particularly microflora and microfauna, with limited ability to move within the soil, may benefit from the (comparatively) long ranging movements of earthworms. Microflora and smaller fauna appear to be particularly sensitive to earthworm activities, and priming effects enhancing nutrient release, particularly in casts, are common. Larger fauna such as microarthropods, enchytraeids and Isopods may be enhanced under some conditions (e.g., in earthworm middens), but in other cases earthworm activity may lead to a decrease in their populations due to competition for food (microbes and organic materials), and spatial and temporal changes in food abundance. Nevertheless, considering the presently available data, the beneficial interactions of earthworms and microflora and fauna appear to far outweigh the potential negative effects. However, much is still unknown regarding the interactions of earthworms of different ecological categories on the diversity and function of microfloral and faunal communities, and much more interdisciplinary research is needed to assess the potential role of earthworms in regulating the diversity of microflora and fauna in soil systems and the potentially beneficial or harmful effects this regulation may have on ecosystem function and plant growth in different ecosystems.     

荒漠灌丛土壤动物分布及其生态功能

在干旱、半干旱荒漠生态系统中,灌丛作为一种重要的植被类型,其独特的形态和生理适应特性能够有效促进退化生态系统结构与功能的恢复。土壤动物是荒漠生态系统中不可或缺的重要组成部分,对促进灌丛"肥岛"演变具有重要的生态作用,有利于灌丛生态功能的发挥及退化生态系统的恢复。近年来,国内外学者对荒漠灌丛微生境土壤动物的研究逐步深入,取得大量的研究成果。在此基础上,首先综述荒漠灌丛微生境土壤动物群落分布和生态功能,总结灌丛与土壤动物分布间作用关系的数学模型,针对荒漠灌丛土壤动物研究中存在的问题提出了未来可能的研究方向和建议。     

Soil fauna diversity increases CO2 but suppresses N2O emissions from soil

Soil faunal activity can be a major control of greenhouse gas (GHG) emissions from soil. Effects of single faunal species, genera or families have been investigated, but it is unknown how soil fauna diversity may influence emissions of both carbon dioxide (CO₂, end product of decomposition of organic matter) and nitrous oxide (N₂O, an intermediate product of N transformation processes, in particular denitrification). Here, we studied how CO₂ and N₂O emissions are affected by species and species mixtures of up to eight species of detritivorous/fungivorous soil fauna from four different taxonomic groups (earthworms, potworms, mites, springtails) using a microcosm set‐up. We found that higher species richness and increased functional dissimilarity of species mixtures led to increased faunal‐induced CO₂ emission (up to 10%), but decreased N₂O emission (up to 62%). Large ecosystem engineers such as earthworms were key drivers of both CO₂ and N₂O emissions. Interestingly, increased biodiversity of other soil fauna in the presence of earthworms decreased faunal‐induced N₂O emission despite enhanced C cycling. We conclude that higher soil fauna functional diversity enhanced the intensity of belowground processes, leading to more complete litter decomposition and increased CO₂ emission, but concurrently also resulting in more complete denitrification and reduced N₂O emission. Our results suggest that increased soil fauna species diversity has the potential to mitigate emissions of N₂O from soil ecosystems. Given the loss of soil biodiversity in managed soils, our findings call for adoption of management practices that enhance soil biodiversity and stimulate a functionally diverse faunal community to reduce N₂O emissions from managed soils.     

我国土壤线虫生态学研究进展和展望

土壤线虫生态学主要探讨土壤线虫群落和其周围环境(包括生物和非生物)的相互关系, 包括不同生态系统中土壤线虫群落的分布和结构组成、线虫群落与土壤环境及其他土壤生物之间的相互作用等。本文回顾了我国研究者近年来在土壤线虫生态学研究领域的研究现状, 包括不同生态系统土壤线虫群落的分布、组成和多样性及其影响因素, 土壤线虫群落与全球气候环境变化的关系, 土壤线虫群落的生态功能以及土壤线虫群落生态学分析方法的发展及应用。重点评述近年来我国土壤线虫生态学的发展现状, 同时分析和比较了国内外土壤线虫生态学的发展态势, 提出建设全国范围的监测网络的重要性。未来我国土壤线虫生态学的发展方向应继续加强小尺度下土壤微食物网联通性和大尺度下全球气候变化对土壤线虫群落影响的研究以及加强相关新的研究技术方法的应用。     

荒漠草原土壤动物与降雨关系研究现状

在全球性气候变化背景下,极端降雨事件频发,总结土壤动物多样性与降雨变化间的关系及其响应机制,有助于理解全球变化对土壤生态系统结构与功能的作用过程,对于探讨陆地生态系统应对全球变化具有重要科学意义。荒漠草原生态系统极度脆弱,对气候变化敏感,但是关于荒漠草原土壤动物与降雨变化间关系的研究报道比较少,严重制约了对荒漠草原生态系统的有效管理和可持续利用。本文从地上、地面和地下3个方面总结了土壤动物和降雨变化间的关系,并就荒漠草原土壤动物应对气候变化研究提出了一些建议。研究表明,降雨变化直接影响土壤动物群落结构;土壤动物对降雨变化反应强烈,不同动物类群产生了积极的响应规律;某些土壤动物类群对于降雨变化还具有重要指示作用。在荒漠草原生态系统中,今后需要从降雨变化对土壤动物产生的长期影响、土壤动物对降雨变化的适应方式和某些动物类群对土壤水分敏感性以及土壤动物与气候变化间的互为反馈关系等方面加强研究。     

Peeking through a frosty window: molecular insights into the ecology of Arctic soil fungi

Fungi are ubiquitous in Arctic soils, where they function as symbionts and decomposers and may affect the carbon balance of terrestrial ecosystems subjected to climate change, and yet little is known about soil fungi at high latitudes. Here we review data from recent molecular studies to determine broad patterns in Arctic soil fungal ecology. The data indicate comparatively high fungal diversity in Arctic soils, with currently no evidence for lower species richness at higher latitudes. The dominant fungi, and particularly ectomycorrhizal-forming fungi, appear to be cosmopolitan species. Arctic soil fungi are capable of growth at sub-zero temperatures, melanized forms are frequent, host specificity is low and there is evidence that community composition alters under experimental warming. Future challenges are to determine the drivers of fungal diversity, whether or not diversity alters at higher latitudes and how apparently cosmopolitan fungi are able to survive the extreme environments encountered in Arctic habitats.     

蚯蚓环境生态作用研究进展

蚯蚓的环境生态作用有促进微生物和其它土壤动物活动、破碎和消化分解枯落物、提高土壤肥力及环境指示等方面.目前,国内蚯蚓环境生态作用研究侧重于污染生态系统,湿地和森林两大天然生态系统的相关研究较少.国外,20世纪70年代的研究主题与我国现状相似,80年代从蚯蚓生理生态、种群生态、群落生态、生态系统生态等多尺度展开研究,90年代以来向蚯蚓生态学微观尺度的分子生态、宏观尺度的景观生态拓展.今后,继续研究蚯蚓促进物质循环、治理污染、提高土壤肥力及蚯蚓与农业、与微生物的关系等热点问题的同时,还应利用新技术提高研究精度,注意室内外研究相结合及特殊蚓种的环境适应性比较与接种研究以提高研究成果的实用性.