土壤生态学:土壤动物及其生态功能.ppt
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1、土壤动物及其生态功能 南京农业大学资源与环境学院 胡锋,土壤生态学,主要内容,土壤动物的主要类群及其特征土壤动物的生态功能 土壤动物及其生态功能研究展望,土壤动物的类群,1.土壤动物的概念 土壤动物是指永久或暂时栖居于土壤中的各种动物的总称。土壤动物包括无脊椎动物和脊椎动物,但无论是种类、数量,还是对土壤的影响均以无脊椎动物占绝对优势。所以狭义上土壤动物指土壤无脊椎动物。严格地讲,土壤动物属消费者,以植物和动物残体、土壤有机碎屑、根系以及其它土壤生物为食物来源进行次级生产。然而,许多土壤动物对植物残体有很强的破碎能力,,而更多的动物通过与微生物的相互作用活跃地参与分解过程,故土壤动物又称为次级
2、分解者。2.土壤动物的类群 土壤动物极为复杂、多样,在种类、大小、形态、进化程度及功能等方面有很大分异。,土壤动物类群的划分,土壤动物类群的具体划分有很多方法:按个体大小(体长或体宽)划分一般可分为34类。如按体长:大型土壤动物(macrofauna):10mm,主要包括 蚯蚓和部分大型节肢动物;中型动物(mesofauna):0.210mm,多数线虫和 螨类、弹尾虫等节肢动物;小(微)型动物(microfauna):0.2mm,主要是原生 动 物。,(2)按栖居特点划分 真土居动物 或 永住型 半土居动物 定期型 土表居住动物 不定期型 上方居住动物 通过型,(3)按对水分条件的要求或对水分
3、环境的适应划分,水生动物(水田等湿地环境)湿生动物(水膜动物)旱生动物,(4)根据食性划分,植食者 Herbivore 腐食者 Saprophage 食微者 Microvore 肉食者 Carnivore或Sarcophage 杂食者 Omivore或Heterophage 按食性划分的类群常称为营养类群(trophic groups)或功能类群(functional groups)。,按食性更详细地划分:,根食者 Rhizophage菌食者 Bacterivore,Fungivore肉食者 Carnivore枯食者(食碎屑者)Detritivore粪食者 Merdivore 或Coproph
4、age尸食者 Necrophage食土者 Geophage,等等。,(5)土壤无脊椎动物的系统分类,高级分类单元,涉及8个门:原生动物门(Protozoa)扁形动物门(Plathelminthes)轮型动物门(Rotifera)线形动物门(Aschelmenthes,或 Nemata)软体动物门(Mollusca)环节动物门(Annelida)缓步动物门(Tardigrada)节肢动物门(Arthropoda),目前土壤动物的分类系统尚不完善,给土壤动物的鉴定和研 究带来很多不便。几本工具书:Soil Biology Guide Dindal&DindalMethoden der Boden
5、Biologie Dungre&Fiedler土壤动物学 日 青木淳一中国土壤动物检索图谱 尹文英中国亚热带土壤动物 尹文英日本产土壤动物检定图说,主要土壤动物类群简介一、原生动物,1.土壤原生动物的基本特征 进化程度最低(原核生物)的单细胞的小型动物,小的直径只有2m,长度多在100m以下。靠纤毛或鞭毛运动。无性繁殖(细胞二均分裂)和有性繁殖(细胞原生质融合),繁殖速度极快。,食性:菌食者,以细菌为主要食物来源。土壤有机碎屑、微小藻类、酵母菌以及其他原生动物也可被某些原生动物利用。明显的水生特点,在生活史上形成孢囊保存生命、逃避干旱,土壤湿润后很快又会恢复活性。,2.原生动物的类群,总计约有
6、2万种,其中从土壤中分离和鉴定的近300种。在分类学划为4个亚门,即鞭毛虫亚门(Mastigophora)、肉质虫亚门(Sarcodina)、纤毛虫亚门(Ciliophora)和胞子虫亚门(Sporooa);出现在前3个亚门中。常见类群:鞭毛虫、变形虫和纤毛虫,3.原生动物在土壤中的分布及数量,较强的生态适应性,广泛分布于各种土壤中;数量在所有土壤动物类群中最高,可达106/g土;但波动很大,有明显的季节变化和日变化;以鞭毛虫或裸变形虫占优势,而纤毛虫数量较少,与有壳变形虫接近;,生物量或现存量较低,但世代短,活性 高,周转快,理论上次级生产量可能超过其他所有土壤动物类群;主要影响因素是食物来
7、源和水分状况。例如,鞭毛虫和变形虫在湿润森林凋落物层及表土中均可达106/g土,而在沙漠土壤中仅为102/g土;根际效应较明显。,小麦根际和非根际土壤原生动物的数量及根际效应,4.土壤原生动物的生态功能,(1)对微生物种群的调节 原生动物生长很快,且有惊人的捕食能力。据Stout和Heal(1967)估计,土壤原生动物每年取食的细菌为细菌现存量的17-85倍,达1.5-91014个。另据加拿大资料,落叶林土壤中有壳变形虫平均现存量只有0.72g/m2(湿重),但次级生产量是206g/m2。年(湿重),而消耗的细菌总量达1377 g/m2/年,相当于细菌现存量的60倍。此外,原 生动物对微生物群
8、落结构和微生物活性也产生影响。,(2)原生动物与土壤N素矿化,据测定,原生动物对土壤净N矿化的贡献率:草地为12%(Hunt等,1987;Elliott等,1988);农田为20%左右(Rosswall和Paustin,1984;Deruiter等,1993)。原生动物对 N 的矿化主要是通过与微生物的相互作用进行的。此外,原生动物属排NH3生物,也可直接释放出一部分N素。,(3)原生动物的共生和寄生作用,某些土壤原生动物可与土壤动物共生。这些共生者有助于动物摄食食物的分解、消化和吸收。如鞭毛虫与白蚁在肠道内的共生、纤毛虫与软体动物的共生等。此外,土壤原生动物有的成员是寄生性的,它们寄生于多细
9、胞动物体内而危害寄主。,二、线形动物线虫,个体多小于水生种,通常成虫长度为0.5-2mm,多数属中型土壤动物。线虫的繁殖方式,可以通过雌雄异体交配,雌雄同体繁殖或者是单性繁殖。,属水膜动物,在水膜中才能保持活性或进行移动。喜好在水分充足、质地较粗及有较多大孔隙的土壤中活动。食性非常复杂,有的是取食分解中的有机残体的腐生者,有的则以各种活体生物为食而形成复杂的食物网络关系,植物的寄生者也很常见。,2.土壤线虫的类群,土壤线虫种类繁多,据统计土壤中生活的线虫近2000个种,仅次于节肢动物。线虫在分类学上属线形动物门的线虫纲(Nematoda),食侧尾腺口亚纲(Phasmidia)和无侧尾腺口亚纲(
10、Aphasmidia)两个亚纲,共分为19个目,其中与土壤线虫有关的有9个目。,一般按其食性划分为以下功能类群:植食线虫 食细菌者线虫 食真菌者线虫 捕食线虫 杂食线虫,3.土壤线虫的分布和数量,陆地主要生境线虫种群密度范围在1710430 106/m2之间,其中温带草地和落叶林中很高,一般5106/m2,而针叶林和漠土中较低;热带土壤线虫种群水平也较低,多2106/m2。根据密度推算,土壤线虫的生物量在0.2-22 g/m2之间(湿重计),多为5g/m2左右,略高于土壤原生动物。,土壤线虫的数量及生物量以食细菌线虫占绝对优势。影响线虫种群的因素包括温度、湿度、土壤结构和通气状况,食物供应以及
11、竞争、捕食和寄生等各种非生物和生物因子。因此不同土壤类型或不同利用方式对线虫的影响是综合和复杂的。但一般有机物的数量及质量和土壤水分状况仍是决定线虫种群的关键因素。,另有资料表明,土壤线虫的种群水平与植物初级生产量之间存在一定的关系。据King和Hutchinson(1976)和Yeates等(1979)测定,草地表层土壤中提取的线虫总量与牧草产量或生物量呈正相关。但在一些森林生态系统中情况却相反。这种条件下线虫种群可能是进入土壤的凋落物量的函数,而不是取决于整个初级生产。,常耕和免耕红壤线虫种群特征,线虫在表层和亚表层土壤中的相对分布(%)*,不同植被恢复方式下红壤线虫 数量季节动态(个体数
12、/g干土),0-5cm,10-20cm,5-10cm,土壤线虫数量与某些土壤性质指标之间的相关关系(n=18),注:第二栏为相关系数,第三栏为置限水平,4.土壤线虫的生态作用,(1)对土壤生物的调节作用 食细菌和食真菌线虫对微生物的牧食调节作用 据Nielsen估算,草地土壤线虫密度为20106/m2时,线虫每年消耗的细菌量达800kg/ha。土壤线虫迁移对微生物的传播作用 捕食(肉食)线虫对原生动物及其它线虫的生态控制,(2)线虫与有机物质的分解和养分循环 代谢分泌释放养分 土壤线虫摄取的食物的营养成分(如N、P等)较丰富,常超过其自身需要,可通过分泌或排泄释放出高浓度的养分。线虫的取食和排
13、泄活动调节了有机残体的C/N、C/P比,从而加速了有机物质分解和养分的矿化与再循环。加速微生物的周转与养分转化 培养试验表明,在微生物(细菌或真菌)与食微线虫构成的共存体系中,土壤呼吸量、植物残体分解率和N、P矿化量比单一的微生物或线虫体系为高。,估测实例:,Sohlenius等(1988)报道瑞典4种农田土壤中线虫呼吸占土壤动物总呼吸量的22-44%,线虫消费了土壤有机质输入量的7.5-10.3%,所矿化的N占总N矿化量的4-6%,而Ryszkowski(1985)测得波兰麦田土壤中线虫呼吸量达土壤动物总呼吸量的75%,Hunt等(1987)则发现北美矮草草原线虫对土壤,N矿化量的贡献率更高
14、,达22%。,(3)线虫对植物生长的影响,寄生线虫对植物的危害是众所周知的,而多数培养实验表明自由生活的食微线虫对植物生长有一定的促进作用。这种促进作用主要与引入线虫后N矿化量的增加有关。自生线虫对植物生长的间接影响还表现在另一方面,即其广泛分布和食菌能力可能会使植物病原种群压制在较低水平,从而降低致病机会。,三、环节动物蚯蚓,1.蚯蚓的基本特征 属环节动物门寡毛纲(Oligochaeta),体型为长圆筒状,最大特征是其身体被评多同样构造的体环分割,皮下有发达的环肌、纵肌及背腹肌。性成熟个体可在体前部形成与体色不同的环状肥肿,即所谓环带。,三种陆栖蚯蚓形态,秉氏环毛蚓Pheretima car
15、nosa,天锡杜拉蚓Drawida gisti,赤子爱胜蚓Eisenia foetida,生殖环带,从口腔开始到肛门依次分为咽头、食道、嗉囊、砂囊和肠道几个部分,咽头和砂囊有强有力的肌肉质壁,所以很多土壤环节动物挖掘和粉碎食物的能力突出。其食道的两侧常分布有石灰腺(钙腺),可排除摄取食物中多余的钙质,或是中和消化道的酸度以助消化。兼具雌性和雄性两种生殖器官,属雌雄同体生物。但多以异体交配、互换精子,最后产卵交孵化出幼虫。产卵量随种类不同而异。迁移能力较强,2.蚯蚓的类群,(1)蚯蚓的系统分类 按Jamieson(1978)的分类,蚯蚓包含5个大科即Crodriliodea、Lumbricoid
16、ea、Biwardriloidea、Glossoscolecoidea和Megascolecoidea,进一步分为Acanthodrilidae、Ailoscolecidae、Almidae、Eudrilidae、Glossoscolecidae、Haplotaxidae、Hormogaotridae、Kynotidae、Lumbricidae、Megascolecidae、Microchaetidae、Ocnerodrilidae、Octochaetidae和Sparganophilidae等20个科及亚科。,起源于欧亚大陆(古北区)的正蚓科(Lumbricidae)是研究最多的一科,已发现
17、的种近300个,其中有15个种已随人类活动广泛分布到世界温带地区及少部分热带地区。但该种的蚯蚓仅占世界上已发现的蚯蚓总种数的10%左右。巨蚓科(Megascolecidae)是除欧洲以外世界其他地区最为重要的一种,该种的蚯蚓在东亚(包括中国)、东南亚、南亚(印度等)、大洋洲(澳大利亚、新西兰)、非洲和北美均有分布,其中以环毛属(Pheretima)的种数最多,可能是唯一能抵抗正蚓科蚯蚓侵入的蚯蚓,其对土壤的作用也非常明显。,(2)蚯蚓的生态类群,早期根据蚯蚓的栖居特点和食性等特征划分为浅层种和深层种两大类;较近的生态分类:由Bouche(1972)和Lavelle(1981)提出,他们把蚯蚓划
18、归5个类群,即epigeic)、(anecic)、(oligohumic endogeic)、(mesohumic endogeic)和(polyhumic endogeic)。该分类的特点是综合反映蚯蚓的分布层位、取食特点及其作用。,若仅按食性划分,蚯蚓包括腐生者、根食者和捕食者三类。其中腐生者占绝大多数,由食碎屑者、食土者(食腐殖者)和粪食者构成。蚯蚓一般较少取食植物根系,但当土壤中分解或半分解有机物质来源不足或适口性差时可能会较多地取食活根。过去认为蚯蚓不具有捕食性,至少不是主动取食其他土壤生物。但最近发现某些种可捕食小型蚯蚓。,3.蚯蚓的分布及数量特征,从多样性来看,蚯蚓种的丰度不高,
19、通常是所有土壤动物类群中最低的。从寒温带到赤道的各种自然生态系统中,蚯蚓丰度相当稳定,群落基本上是由8-11个种构成,Shannon指数(Shannon index)无明显变化,只是个体大小产生分异。,从寒温带到热带蚯蚓个体有增大的趋势。不同生物气候带下各生态系统中蚯蚓生态 类群的构成不一样。从北半球欧洲高纬度地带向赤道方向存在蚯蚓种群向占据较深的土壤、较多利用腐殖质而较少依赖地表凋落物的方向变化(Lavelle,1983)。,种群密度和生物量 综合世界上近百篇文献中报导的结果,陆地主要生境中蚯蚓种群的密度在2-2000/m2 之间,生物量在0.23g-305g/m2(鲜重,下同)之间。黄福珍
20、(1982)的资料显示,国内32种自然和耕作土壤的蚯蚓密度为17-181/m2。作者测定9种不同利用方式亚热带红壤中蚯蚓的平均密度和生物量分别为0-226/m2和0-50.9g/m2(表4-5)。可见蚯蚓种群大小变化幅度很大。,草甸和旱地的蚯蚓种群结构*,不同植被恢复方式下红壤蚯蚓数量动态,蚯蚓种群水平与土壤性质的相关系数(n=21),注:根据不同植被恢复方式红壤调查测试资料计算,表2 蚯蚓种群密度和生物量与某些土壤参数的皮尔逊相关系数Table 2 Pearsons correlation coefficient between earthworm density or biomass an
21、d some soil parameters of surface layer(0-10cm),4.蚯蚓的生态作用,(1)在有机物质分解和能流中作用分解中的作用:包括粉碎、混含和分解3个过程。是与微生物相互作用的过程,这种相互作用在有机物经过蚯蚓体内时已经开始发生。蚯蚓的分解能力正在生产上广泛利用。例如,在新西兰等国接种蚯蚓来清除过厚的草毡层,而蚯蚓处理生活垃圾、动物粪便和污泥的例子更多。Lee(1983)根据Lavelle(1974)的蚯蚓种群及土壤摄取量的排粪量资料估算了热带稀树草原蚯蚓的能量收支。该生态系统中蚯蚓的种群密度和生物量分别为20条/m2和20.5g/m2(鲜重),蚯蚓利用的总
22、能量(呼吸+生产)是1050kj/m2年,其中呼吸消耗为975kj/m2/年,次级生产力是73kj/m2/年。这个数字是比报道的一些森林生态系统高,但仅占整个土壤生态解决的很小比例。不过,经过蚯蚓摄取和排放的能量却很惊人。本例中蚯蚓摄取的食物总能量为11750kj/m2/年,由蚓粪排出的能量是10700kj/m2年。可见蚯蚓活动对土壤中能量的再分配起重要作用。2、蚯蚓活动与物质循环蚯蚓在物质循环的作用表现在以下4个方面。一是在分解有机物质过程中使部分养分矿化释放,蚯蚓的分泌物(粘液)和粪、尿也富含N、P等养分;二是蚯蚓在作穴、取食和排粪活动中不断对土壤产生扰动,并将矿质土壤与有机物混合,从而导
23、致土壤以及土壤中有机质和养分的再分配。我们的实地测定表明,在蚯蚓种群较高的农-牧复合型红壤旱地中蚯蚓排到地表的蚓粪现存量为1.213g/m2(12.12Mg/ha),进一步估算蚯蚓的年排粪量达106.2Mg/ha,约占耕尽土壤(0-15cm)总重的7.5%(土壤容重0.94g/cm3)。而蚯蚓对有机质和矿质养分的表聚作用更为明显,蚯蚓通过蚓粪转移到地表的有机质和全N的潜在年周转量分别占表层土壤库的25.0%和19.6%,有效P和Si约为13%,而交换性K、Ca和Mg高达31.9-56.0%(胡锋等,1991)。此外,蚯蚓活动还可将施入土壤的有机质和矿质肥料混入土壤深处。Stout(1983)观
24、察于是有施的14C标记残茬被Lumbricus terrestris混合到18cm深。胡锋等(1991)的土柱试验显示,在有蚓处理中(加Pheretima carnosa)表施的标记水稻残茬中的15N在0-60cm全剖面中均有分布,且土体中15N平均含量是无蚓对照的3.0倍。三是蚯蚓对养分释放格局的影响。有的学者已指出蚯蚓将有机物或肥料混入土壤可能减少养分的损失(Lee,1991),但也会因蚯蚓增加分解矿化和土壤渗透性而潜化促进养分的损失(Syers和Springett,1984)。前述的土柱试验表明,P.carnosa处理中15N的淋失率只有0.9%,而无蚓对照高达12.6%,但有蚓处理气态
25、损失略有增加,最近的研究进一步发现,表施或掩埋有机残茬(玉米、大豆和肥田萝卜)蚯蚓活动不但抑制了NO-3-N(肥田萝卜除外)、K和Ca等元素的淋失,而且使这些养分呈平缓释放趋势(马宏卫和胡锋,1995)。蚯蚓对养分淋失的抑制作用与蚯蚓活动产生的大量蚓粪改善了土壤交核吸附性能以及促进微生物增殖和养分的生物固定有关,但养分释放平缓化的机制尚不清楚。四是加速养分在土壤-植物系统的循环。我们的盆栽试验表明,在有一定量有机物投入条件下蚯蚓活动促进了N素的转化和循环,N素从残茬土壤和从土壤植物的流通速率分别提高了24%和38%(胡锋等,1991)。3、蚯蚓在初级生产和次级生产中的意义蚯蚓活动可促进有机物质
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