GCB | 农业消除气候对土壤线虫群落的限制作用：一项大尺度研究|研究

导读

研究表明，人为地将天然用地改变为农田会减少地上生物多样性。然而，土地利用转变对地下生物多样性的影响仍然有待探究。此外，前人关于土地转变对不同生物类群的影响主要集中在分类学水平上，缺乏对其功能和系统发育水平的综合研究。本研究调查了中国大陆16组生态群落（共32个地点，每种生境类型各16个），在分类、功能和系统发育水平上研究线虫的多样性和组成，以考察大尺度空间范围内自然生境向农业用地的转换对土壤生物多样性的影响。

本文编辑/徐侠（南京林业大学，教授，Global Change Biology编委 

研究方向：全球变化生物学、土壤生态学、生物地球化学）

来源：Wiley生态学公号（2020年3月2日）

原文信息

前言

作为全球生物多样性的重要组成部分，土壤生物群落（包括动物和微生物）为生态系统的发展做出了重要贡献。线虫作为地球上种类最多、数量最多以及分布最广的后生动物之一，在土壤食物网中呈多营养级分布，并参与了土壤有机质分解和养分矿化等多种生态过程。

此外，线虫对环境变化的响应速度也非常快，且具有类群特异性，因此，它们是有效的生物指标。为了探究大尺度空间范围内生境转换（从自然生境到农田生境）对土壤多样性的影响，作者采集了中国大陆不同气候条件下的生境土壤样本进行研究。作者采用基于发病率的数据（即在群落中，任何一个线虫分类单元种群数量大于0时，都作为存在；否则为不存在）来计算α和β多样性，包括分类（TD）、功能（FD）和系统发育α多样性（PD）以及分类（βTD）、功能（βFD）和系统发育β多样性（βPD）。作者还研究了与这些生物多样性模式相关的潜在驱动因素（如气候和土壤参数）。

作者假设：（1）土地利用减少了土壤线虫的TD，促进了线虫群落的同质化（降低了βTD），因为同质的农业景观已被证明可以支持较低的多样性群落；（2）农业生产活动不影响线虫FD和βFD，因为线虫类群功能冗余度高；（3）PD和βPD变化与FD和βFD变化相似，因为具有相似功能特征的线虫类群可能具有相似的进化史。

结果

作者共收集了来自67个线虫属的86,365个个体。结果表明，线虫TD、FD和PD随纬度变化趋势在自然生境和农田生境之间存在显著差异（图2）。在自然生境中，多样性指标均随纬度的增加而显著下降（TD和FD：p < 0.01；PD：p < 0.05），但在农田生境中变化均不显著。

图1 分类学多样性的变化（ΔTD）与功能性（ΔFD）和系统发育性多样性变化（ΔPD）之间的关系概念图（图1a）；分类学相似性的变化（ΔTS）与功能（ΔFS）和系统发育相似性变化（ΔPS）之间的关系概念图（图1b）。+和-表示分类单元的增加和减少；Red和Dist 表示功能或系统发育上的冗余和特定的分类单元；Same和Diff表示相同和不同的分类单元。

图2 自然生境与农田生境中线虫TD、FD和PD沿纬度梯度的变化趋势。

MRM模型测试结果显示，空间距离和土壤的差异性在两个生境中对βTD，βFD，和 βPD都没有显著影响（表1）。气候差异对线虫群落多样性的影响只存在于自然生境中，且气候差异越大，线虫群落分类、功能和系统发育组成上的差异越大（表1）。

表1 自然生境和农田生境的空间距离、气候和土壤条件对线虫βTD、βFD和βPD影响的MRM模型测试结果。 

此外，虽然线虫分类、功能和系统发育多样性在α和β多样性水平上高度相关（表S3和S5），但他们的变化是不一致的。TD的大变化通常与FD和PD的小变化相关（斜率显著小于1；图4a-c）。在TD增加的7个采样点中，大多数的FD和PD呈现较小的增长。在TD下降的9个采样点中，FD和PD下降较少。另外，结果表明，FD比PD变化更快。类似地，作者发现，在各采样组中，分类相似性的变化相对于功能或系统发育相似性的变化更大，功能上的变化相对于系统发育相似性的变化更大（斜率显著小于1，图4d-f）。

表S3 自然和农田生境中TD、FD和PD的Pearson相关分析。右上的三角形是农田生境，左下的三角形是自然生境。

表S5 自然和农田生境中TD、FD和PD的Pearson相关分析。图例见表S3。

 图4 两种生境中TD、FD和PD之间的关系比较（a、b和c）以及β多样性之间的关系比较（d、e和f）。小插图显示了图1中不同象限内的采样点或采样点组的数量，其中最大的值以粗体显示。蓝色实线表示任意两种变化之间相关性的斜率。虚线代表1:1的线。所有斜率与1均有显著差异（p < 0.05）。

结论

自然和农田生境的线虫多样性（包括α和β多样性）和组成总体上并没有差异，但是它们对纬度和环境因素的响应并不相同。在自然生境中，三个α多样性指数均随着纬度的增加而减少。α和β多样性在自然生境中变化显著，且由气候差异驱动，而在农田生境中则无明显变化。这表明，土地利用对土壤生物多样性的影响具有地理依赖性，农业活动可以在特定空间范围内消除气候对土壤生物多样性的制约。

此外，线虫群落的功能组成在自然生境中比在农田生境中更相似，系统发育组成则与之相反，说明不同生物多样性方面的变化是不同步的。总体而言，本研究揭示了在土地利用变化下决定土壤线虫多样性的生态模式和过程。这将有助于我们通过考虑土地利用和环境梯度的相互作用来了解和减轻农业对地下生物多样性的影响，以维持和加强土壤生物多样性，并最终实现土壤生态系统的功能。

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