森林演替加剧了亚热带森林中落叶层与土壤层之间Oribatid螨类群落的垂直分层现象

时间:2026年3月29日
来源:Applied Soil Ecology

编辑推荐:

次生林演替过程中土壤甲螨垂直分层特征及其驱动机制研究。在亚热带森林不同次生阶段(幼林40-60年、中龄林60-80年、成熟林80-100年),比较了凋落层与表层土壤中甲螨多样性、功能多样性及群落结构差异。结果表明:幼林阶段凋落层与土壤层甲螨群落无显著差异;中龄林后凋落层物种丰富度、功能多样性显著高于土壤层,群落结构分化明显;成熟林垂直分层加剧,凋落层厚度成为影响分层的主要因子。研究揭示了次生阶段对土壤甲螨垂直分异的作用,以及凋落层厚度在维持生物多样性和促进生态系统恢复中的关键功能,为森林生态恢复策略提供理论依据。

广告
   X   

丁玉辉|陈彦楠|陈军
中国科学院动物生物多样性保护与害虫综合治理国家重点实验室,北京100101

摘要

次生林在生物多样性保护和生态系统恢复中起着关键作用,然而不同演替阶段土壤动物群落的垂直分层机制尚不明确。本研究调查了亚热带森林中落叶层和土壤层(0–10厘米深度)中Oribatid螨类的多样性和群落组成,包括三个演替阶段(幼龄期:40–60年,中期:60–80年,成熟期:80–100年)。比较了不同演替阶段落叶层和土壤层中Oribatid螨类的物种丰富度、密度、系统发育多样性、功能多样性和群落组成的差异。在幼龄林中,落叶层和土壤层中Oribatid螨类的多样性指标和群落组成没有显著差异。相比之下,幼龄林中落叶层的物种丰富度和功能多样性显著高于土壤层,并且群落组成模式也有明显区别。在成熟林中,落叶层中Oribatid螨类的所有多样性指标均显著高于土壤层,群落组成也存在显著差异。此外,落叶层厚度、坡度和朝向影响了落叶层中Oribatid螨类的群落组成,而在土壤层中,Oribatid螨类的群落组成主要由落叶层厚度、树种丰富度和落叶层碳含量决定。值得注意的是,落叶层厚度随着演替阶段的推进而增加,并成为驱动垂直生态位分化的关键因素。这些发现表明演替阶段影响了土壤微型节肢动物的群落结构,强调了落叶层厚度在森林恢复过程中促进生物多样性方面的关键作用。因此,将落叶层管理纳入恢复策略可能提高亚热带森林的生态系统恢复力和功能复杂性。

引言

理解从微观到宏观尺度上土壤生物的空间异质性及其背后的驱动因素的重要性已被反复强调(Ettema和Wardle,2002)。土壤动物群落的垂直分层是地下生态系统组织的基本特征,反映了生态位分化、栖息地异质性和资源分布的机制(Faber和Joosse,1993;Setälä和Aarnio,2002)。研究表明,这种垂直分层对土壤动物群落变异的影响比水平空间异质性更强(Berg和Bengtsson,2007),并被认为是森林系统中生物多样性维持和生态系统功能的关键决定因素(Berman和Andersen,2012;Rodrigues等人,2019)。以往的研究广泛探讨了不同生境和环境条件下土壤动物的垂直分布(Popp,1962;Markkula,1981;Kuriki,1998;Seniczak等人,2024)。一些研究还纳入了时间动态因素,如季节性或多年观察(Irmler,2006;Urhan等人,2008;Onen和Koc,2011;Juan-Ovejero等人,2019)。然而,相对较少的研究探讨了Oribatid螨类沿森林演替梯度的垂直分层如何随时间发展,特别是在亚热带森林系统中。随着森林的演替,落叶层和土壤层会发生动态变化,包括落叶层厚度的变化、生化组成(如碳含量、木质素比例)、微气候(如温度、湿度)和空间异质性(Brown和Lugo,1990;Dymov,2017;Liu,2018;Zhang等人,2023)。了解这种分层如何随时间发展对于揭示土壤群落组装和稳定性的机制至关重要。
次生林的演替梯度为研究垂直分层的演变提供了理想的实验框架。次生林是指在部分或完全清除原始植被后重新形成的生态系统,由于其在生物多样性保护和气候缓解中的关键作用,已成为生态研究的重点(Tito等人,2022)。自然再生的森林包括无需人类干预即可再生的次生林(如通过种子传播或重新发芽)和原始森林(原始林),而人工造林的森林则是通过人工重新造林或植树造林建立的(Chazdon,2014;FAO,2020)。研究表明,随着演替的进行,林分组成变化、光照制度的变化(Matsuo等人,2021)、累积碳储存和养分积累(Liu,2018;Teixeira等人,2020)共同推动了生态系统的重组。处于晚演替阶段的森林表现出更高的植物生产力和更大的落叶层异质性(Liu,2018;Castillo-Avila等人,2025)。这些因素增加了落叶层中昆虫的物种丰富度(Barberena-Arias和Aide,2003)。此外,演替过程还显著重塑了下层植被组成和外生菌根真菌群落(Hart和Chen,2006;Kyaschenko等人,2017)。理解这些变化对于预测生态系统对自然和人为干扰的响应以及制定森林管理和恢复策略至关重要。
Oribatid螨类(Acari: Oribatida)由于其高丰度、高敏感性和在土壤系统中的功能重要性,是研究垂直分层动态的理想模型类群(Norton,1985;Norton,1994)。在温带森林土壤中,它们的密度可达到100,000个个体/m²甚至更高(Norton,1990;Norton和Behan-Pelletier,2009)。与大多数土壤无脊椎动物不同,它们主要是K-策略者(Maraun和Scheu,2000)。它们的低繁殖率、缓慢的发育速度和较长的生命周期使它们对环境干扰非常敏感,因此成为有价值的生物指示器(Behan-Pelletier,1999;Gergocs和Hufnagel,2009)。Oribatid螨类跨越多个营养级,既作为初级分解者,也作为真菌食者/次级分解者、捕食者/食腐者,以及地衣、苔藓和海洋藻类等资源的消费者,从而在土壤生态系统中发挥着重要作用(Luxton,1972;Schneider等人,2004;Maraun等人,2023)。此外,许多研究表明,大多数Oribatid螨类栖息在落叶层和土壤表面0–5厘米的顶层,显示出向表层的明显聚集现象,许多物种表现出真正的垂直迁移(Luxton,1981;Juan-Ovejero等人,2019;Zhou等人,2022)。尽管先前的研究表明Oribatid螨类群落组成受土壤温度、湿度、坡度、朝向、落叶层厚度和落叶层碳含量的影响(Erdmann等人,2012;Eissfeller等人,2013;Manu等人,2017;Chen等人,2025),但这些因素在不同演替阶段塑造Oribatid螨类群落垂直分层的相对重要性尚不明确,特别是在亚热带森林中。具体来说,落叶层和土壤层之间的群落组成变化反映了生态位分化和资源利用效率,这直接影响分解和养分循环等生态系统过程。
整合功能多样性和系统发育多样性有助于更全面地评估生物多样性变化。功能多样性通过形态学、生理学和行为特征进行量化,揭示了群落中存在的生态策略范围及其在垂直层中的分布(Violle等人,2007)。这是一种基于特征的框架方法,是将物种特征与生态系统功能联系起来的强大工具,有助于理解群落组装的机制(Brousseau等人,2019;Malloch等人,2020;Lu等人,2024)。现有研究表明,在干扰停止后,后期演替阶段的Oribatid螨类群落主要由具有不同功能特征的物种主导(Skubala和Gulvik,2005;Zaitsev等人,2006;Ryabinin,2009)。这些变化体现在体型大小、垂直分布(表层与土壤层)和防御形态等功能特征上。这些模式与扩散能力的变化(Lehmitz等人,2011)和环境过滤有关,包括非生物因素和植被(Zaitsev等人,2006;Salazar-Fillippo等人,2023)。系统发育多样性定义为给定区域内所有物种的系统发育分支长度之和,反映了物种的进化历史(Faith,1992)。系统发育上不同的物种灭绝可能导致生物多样性的不成比例损失,从而降低生物群落对环境变化的适应能力(Li等人,2015)。基于进化关系的系统发育多样性提供了关于历史限制、生态位保守性和功能冗余潜力的见解(Cadotte等人,2012;Chen等人,2023b;Wang等人,2020)。结合功能多样性和系统发育多样性,我们可以测试垂直分层是由环境过滤、生态位互补还是竞争排斥驱动的,以及这些过程如何与生态系统稳定性相关(Ricotta等人,2020)。尽管这些方法具有潜力,但在研究Oribatid螨类群落对森林演替动态的响应方面仍未被充分利用。
在这里,我们展示了亚热带森林三个演替阶段中Oribatid螨类群落的垂直分层情况。我们比较了三个演替阶段中土壤层和落叶层之间Oribatid螨类的物种丰富度、密度、系统发育多样性、功能多样性和群落组成的变化,以检验以下假设:(1)随着森林演替的进行,落叶层和表土层之间Oribatid螨类群落的垂直分层会变得更加明显;(2)落叶层厚度在塑造不同演替阶段Oribatid螨类群落的垂直分层中起着关键作用,因为它直接影响微气候稳定性、资源可用性和空间复杂性——这些是影响Oribatid螨类栖息地选择和群落组织的关键因素。这些模式在亚热带森林的演替梯度中很少被研究,尤其是在同时考虑分类学、系统发育和功能维度的情况下。

研究地点

本研究在中国东南部浙江省的古田山国家级自然保护区(GNNR)进行(29°8′18″-29°17′29″N,118°2′14″-118°11′12″E)。GNNR成立于1975年,2001年升格为国家级自然保护区,面积约为81平方公里,具有典型的亚热带季风气候,四季分明(Bruelheide等人,2011)。我们的采样是在2024年初秋进行的。

Oribatid螨类的多样性

落叶层和土壤层中Oribatid螨类的多样性模式在森林演替阶段表现出显著差异。在幼龄林中,落叶层和土壤层群落在物种丰富度(配对t检验:t = 1.72,p = 0.146;LMM:F = 3.7433,p = 0.08502)或密度(配对t检验:t = 1.75,p = 0.141;LMM:F = 5.0237,p = 0.05173)方面没有显著差异。在中期林中,落叶层中的Oribatid螨类数量显著更多

垂直分层的演替动态

我们的结果表明,随着森林演替的进行,Oribatid螨类群落的垂直分层越来越明显,这支持了我们的第一个假设。尽管每个演替阶段的样本数量(n = 2)可能限制了结果的普遍性,但配对t检验之间的高度一致性和更为保守的线性混合效应模型为我们的比较和发现的垂直分层模式提供了相当的稳健性

结论

本研究表明,森林演替在塑造亚热带次生林中Oribatid螨类群落的垂直分层方面起着关键作用。我们的发现揭示了随着演替年龄的增长,落叶层和土壤层之间的多样性、系统发育结构、功能特征和物种组成的差异加剧,强调了生态系统发育在促进地下生态位分化中的作用。落叶层厚度成为重要的中介因素

作者贡献声明

丁玉辉:撰写——初稿,可视化,方法学,调查。陈彦楠:撰写——审稿与编辑,监督,方法学,形式分析,概念化。陈军:撰写——审稿与编辑,监督,资源管理,项目协调,资金筹集。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

生物通微信公众号
微信
新浪微博


生物通 版权所有