戈壁荒漠地表节肢动物聚集对降水及温度的响应

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2023.00103

摘要/Abstract

摘要：

地表节肢动物是荒漠生态系统食物网中的主要类群，降水脉动引发的资源变化会影响地表节肢动物聚集，从而影响荒漠生态系统的结构及功能。本文于2018—2020年1—12月在中国科学院临泽内陆河流域荒漠生态系统长期观测场内利用陷阱法对72个样点进行地表节肢动物样品采集并对小气候进行连续观测，系统探讨了降水及温度年和月波动影响下戈壁荒漠地表节肢动物及主要科的空间分布格局。结果表明：（1） 2018—2020年共捕获地表节肢动物24 834头45科，优势科由拟步甲科、象甲科、叶甲科、平腹蛛科、粪金龟科和蚁科组成。（2） Moran's I指数分析结果表明戈壁荒漠地表节肢动物个体数在16 m的空间尺度上多为显著正相关，而在56~96 m的空间尺度上为显著的负相关性；半方差函数和普通克里格插值表明在特定的空间尺度内地表节肢动物科会形成集群，在不同时间尺度上表现为强空间异质性特征。（3）象甲科、粪金龟科、平腹蛛科和蚁科空间分异多由结构性因素控制，拟步甲科和叶甲科空间分异由结构性因素和随机性因素共同调控。（4）年降水量增加对拟步甲科、象甲科、叶甲科和粪金龟科的空间群落聚集具有正相关影响，而对平腹蛛科和蚁科的群落聚集则有负相关影响，温度与地表节肢动物空间聚集和扩展存在正相关关系。总之，降水变化改变了戈壁荒漠地表节肢动物对灌木及蚁穴塑造的微生境的响应模式及依赖程度，进而影响了不同年份地表节肢动物在空间上的聚集变化。

关键词: 戈壁荒漠, 降水变化, 地表节肢动物聚集, 群落动态, 空间格局

Abstract:

Ground arthropods are the main group in the food web of gobi desert ecosystem，the changes of resources caused by precipitation fluctuation will affect the aggregation of ground arthropods， thus affecting the structure and function of desert ecosystem.In this article， we conducted a series of microclimate observations using the trap method at a long-term observation site of the desert ecosystem in the Linze Inland River Basin from January to December 2018 to December 2020， as well as the spatial distribution patterns of ground arthropods in the gobi desert under the influence of annual and month of precipitation and temperature changes.The results indicate that：（1） From 2018 to 2020， a total of 24 834 individuals and 45 families of ground arthropods were caught. The dominant families consisted of Tenebrionidae， Curculionidae， Chrysomelidae， Gnaphosidae， Geotrupidae and Formicidae. （2） The results of Moran's I index analysis showed that the number of ground arthropods was positively correlated at the spatial scale of 16 m and negatively correlated at the spatial scale of 56 m to 96 m， the semi-variance function and ordinary Kriger interpolation indicated that the ground arthropod families formed clusters and showed strong spatial heterogeneity at different time scales. （3） The spatial differentiation of Curculionidae， Geotrupidae， Gnaphosidae and Formicidae was mainly controlled by structural factors， while that of Tenebrionidae and Chrysomelidae was controlled by both structural and random factor. （4） The increase of precipitation had a positive correlation to the spatial community aggregation of the Tenebrionidae， Curculionidae， Chrysomelidae， and Geotrupidae， and a negative correlation to the community aggregation of the Gnaphosidae and Formicidae，there was a positive correlation between temperature and spatial aggregation and expansion of ground arthropods.In a word， the change of precipitation changed the response pattern and dependence degree of ground arthropods to the micro-habitat constructed by shrubs and ant nests， and then affected the spatial aggregation of ground arthropods in different years.

Key words: gobi desert, precipitation changes, ground arthropod assemblages, community dynamics, spatial pattern

中图分类号:

Q959.22

任嘉隆, 刘继亮, 王永珍, 方静, 冯怡琳, 高安岭, 宋嫒霞, 辛未冬. 戈壁荒漠地表节肢动物聚集对降水及温度的响应[J]. 中国沙漠, 2024, 44(2): 207-219.

Jialong Ren, Jiliang Liu, Yongzhen Wang, Jing Fang, Yilin Feng, Anling Gao, Yuanxia Song, Weidong Xin. Response of ground arthropod assemblages to precipitation and temperature changes in the gobi desert[J]. Journal of Desert Research, 2024, 44(2): 207-219.

图/表 9

图1 2018—2020年1—12月研究区月降水量、相对湿度、月平均温度、月平均最高温度和月平均最低温度

Fig.1 Monthly precipitation， monthly relative humidity， monthly mean temperature， monthly mean maximum temperature， and monthly mean minimum temperature in the study area from January to December in 2018 to 2020

图2 戈壁荒漠地表节肢动物长期监测采样点示意图和生态系统长期观测场航拍照片注：图中空心圆点为采样点

Fig.2 Schematic diagram of sampling points for long-term monitoring of ground arthropods and aerial photographs of long-term observation sites in the gobi desert

图3 2018—2020年戈壁荒漠地表节肢动物类群丰富度的稀度估计曲线

Fig.3 Estimated families richness of ground arthropods using rarefaction methods in gobi desert from 2018 to 2020

表1 2018—2020戈壁地表节肢动物活动密度、科丰富度和多样性指数半方差函数分析

Table 1 The activity density， family richness and diversity index of ground arthropods using semivariance function analysis in gobi desert from 2018-2020

群落结构	年份	模型	块金值（C₀）	基台值（C₀+C）	变程/m	结构比[C/(C₀+C)]
活动密度	2018	球状模型	0.01	0.25	17.85	0.95
	2019	球状模型	0.00	0.18	12.24	0.98
	2020	高斯模型	0.01	0.12	9.17	0.87
科丰富度	2018	高斯模型	0.01	0.10	7.55	0.86
	2019	球状模型	0.00	0.11	10.92	0.99
	2020	球状模型	0.01	0.11	9.54	0.96
多样性指数	2018	指数模型	0.00	0.04	6.13	0.85
	2019	指数模型	0.00	0.04	9.54	0.90
	2020	指数模型	0.00	0.03	11.75	0.96

图4 2018—2020年戈壁荒漠地表节肢动物活动密度、科丰富度和多样性指数普通克里格插值图

Fig.4 Ordinary kriging map on activity density， family richness， and diversity index of ground arthropods from 2018 to 2020 in the gobi desert

图5 戈壁荒漠优势地表节肢动物科数量的Moran's I系数注：*P <0.05； **P<0.01

Fig.5 Moran's I coefficient of dominant ground arthropods in the gobi desert

表2 2018—2020年戈壁荒漠主要地表节肢动物科半方差函数理论模型和空间异质性参数

Table 2 Semi-variance function model and spatial heterogeneity parameters of dominant ground arthropods from 2018 to 2020 in the gobi desert

科	年份	模型	块金值（C₀）	基台值（C₀+C）	变程/m	结构比[C/(C₀+C)]
拟步甲科 (Tenebrionidae)	2018	球面模型	0.41	0.96	38.68	0.58
拟步甲科 (Tenebrionidae)	2019	球面模型	0.04	1.01	9.54	0.96
	2020	球面模型	0.05	0.35	33.22	0.85
象甲科 (Curculionidae)	2018	指数模型	0.00	0.03	4.34	1.00
象甲科 (Curculionidae)	2019	高斯模型	0.08	1.32	1.50	1.00
	2020	球面模型	0.00	0.45	12.25	0.99
叶甲科 (Chrysomelidae)	2018	球面模型	0.00	0.02	9.10	0.74
叶甲科 (Chrysomelidae)	2019	球面模型	0.00	0.04	9.54	0.94
	2020	高斯模型	0.07	0.15	34.50	0.53
平腹蛛科 (Gnaphosidae)	2018	指数模型	0.03	0.49	7.37	0.94
平腹蛛科 (Gnaphosidae)	2019	球面模型	0.04	1.01	9.54	0.96
	2020	指数模型	0.03	0.46	3.67	0.95
粪金龟科 (Geotrupidae)	2018	指数模型	0.01	0.03	10.10	0.75
粪金龟科 (Geotrupidae)	2019	指数模型	0.00	0.06	5.04	0.93
	2020	指数模型	0.01	0.06	4.85	0.88
蚊科 (Formicidae)	2018	球面模型	0.01	0.26	17.23	0.95
蚊科 (Formicidae)	2019	球面模型	0.00	0.38	9.54	0.97
	2020	球面模型	0.09	2.64	12.67	0.97

图6 2018—2020年戈壁荒漠地表节肢动物拟步甲科（Tenebrionidae）和蚁科（Formicidae）普通克里格插值图

Fig.6 Ordinary kriging map on Tenebrionidae and Formicidae of ground arthropods from 2018 to 2020 in the gobi desert

表3 地表节肢动物群落主要科活动密度与降水量及温度的Spearman相关系数

Table 3 Spearman correlation coefficient between the activity density of main families of ground arthropods community and precipitation and temperature

科与指标	降水量/mm		温度/℃
科与指标	r	P	r	P
活动密度	0.49	0.108	0.68	0.015
科丰富度	0.66	0.018	0.78	0.003
多样性指数	0.32	0.305	0.51	0.091
平腹蛛科（Gnaphosidae）	0.50	0.097	0.69	0.013
拟步甲科（Tenebrionidae）	0.76	0.004	0.94	<0.001
象甲科（Curculionidae）	0.63	0.029	0.86	<0.001
叶甲科（Chrysomelidae）	0.23	0.464	0.56	0.059
粪金龟科（Geotrupidae）	0.65	0.023	0.67	0.017
蚁科（Formicidae）	0.50	0.097	0.49	0.106

参考文献 46

1	Gaston K J.Global patterns in biodiversity［J］.Nature，2000，405：220-227.
2	Green J， Bohannan B J M.Spatial scaling of microbial biodiversity［J］.Trends in Ecology and Evolution，2006，21：501-507.
3	Aguiar M R， Sala O E.Patch structure dynamics and implications for the functioning of arid ecosystems［J］.Trends in Ecology and Evolution，1999，14：273-277.
4	Alper J.Ecosystem 'engineers' shape habitats for other species［J］.Science，1998，280（5367）：1195-1196.
5	Zhao H L， Zhou R L， Su Y Z，et al.Shrub facilitation of desert land restoration in the Horqin Sand Land of Inner Mongolia［J］.Ecological Engineering，2007，31：1-8.
6	刘任涛.沙地灌丛的“肥岛”和“虫岛”形成过程、特征及其与生态系统演替的关系［J］.生态学杂志，2014，33：3463-3469.
7	冯怡琳，王永珍，林永一，等.戈壁生态系统蚁穴微生境对大型土壤动物多样性的影响［J］.生物多样性，2022，30：88-98.
8	Shelef O， Groner E.Linking landscape and species：effect of shrubs on patch preference of beetles in arid and semi-arid ecosystems［J］.Journal of Arid Environments，2011，75（10）：960-967.
9	Liu J L， Zhao W Z， Li F R.Effects of shrub presence and shrub species on ground beetle assemblages （Carabidae， Curculionidae and Tenebrionidae） in a sandy desert，northwestern China［J］.Journal of Arid Land，2015，7：110-121.
10	Liu J L， Li F R， Liu C A，et al.Influences of shrub vegetation on distribution and diversity of a ground beetle community in a Gobi desert ecosystem［J］.Biodiversity and Conservation，2012，21（10）：2601-2619.
11	Bartholomew A， El Moghrabi J.Seasonal preference of darkling beetles （Tenebrionidae） for shrub vegetation due to high temperatures，not predation or food availability［J］.Journal of Arid Environments，2018，156：34-40.
12	冯益明，吴波，姚爱冬，等.戈壁分类体系与编目研究［J］.地理学报，2014，69（3）：391-398.
13	林永一，王永珍，冯怡琳，等.河西走廊中部戈壁地表甲虫群落动态变化及其影响因素［J］.生物多样性，2022，30（12）：76-87.
14	刘继亮，赵文智，李锋瑞，等.人工固沙植被恢复对地表节肢动物群落组成及多样性的影响［J］.生态学报，2018，38（4）：1357-1365.
15	王涛.荒漠化治理中生态系统、社会经济系统协调发展问题探析：以中国北方半干旱荒漠区沙漠化防治为例［J］.生态学报，2016，36（22）：7045-7048.
16	朱纪元，李景科，高梅香，等.帽儿山红松人工林鞘翅目成虫群落小尺度空间异质性变化特征［J］.生态学报，2017，37（6）：1975-1986.
17	胡媛媛，朱纪元，闫龙，等.温带落叶阔叶林小尺度空间地表鞘翅目成虫群落多样性［J］.哈尔滨师范大学自然科学学报，2016，32（6）：67-73.
18	高梅香，张超，乔志宏，等.小兴安岭阔叶红松林地表甲虫Metacommunity格局［J］.生态学报，2018，38（16）：5636-5648.
19	高梅香，林琳，常亮，等.土壤动物群落空间格局和构建机制研究进展［J］.生物多样性，2018，26（10）：1034-1050.
20	刘继亮，李锋瑞，刘七军，等.黑河中游干旱荒漠地面节肢动物群落季节变异规律［J］.草业学报，2010，19：161-169.
21	郑乐怡，归鸿.昆虫分类［M］.南京：南京师范大学出版社，1999.
22	任国栋，于有志.中国荒漠半荒漠的拟步甲科昆虫［M］.保定：河北大学出版社，1999.
23	任国栋，巴义彬.中国土壤拟步甲志（第二卷）鳖甲类［M］.北京：科学出版社，2010.
24	任国栋.中国动物志：昆虫纲第六十三卷鞘翅目拟步甲科（一）［M］.北京：科学出版社，2016.
25	胡媛媛，朱纪元，闫龙，等.温带落叶阔叶林地表鞘翅目成虫小尺度空间格局动态分析［J］.生态学报，2018，38（5）：1841-1851.
26	孙佳欢，刘冬，朱家祺，等.小麦-玉米轮作农田土壤螨多样性空间分布格局［J］.生物多样性，2022，30（12）：110-126.
27	Li F R， Liu J L， Liu C A，et al. Shrubs and species identity effects on the distribution and diversity of ground-dwelling arthropods in a gobi desert［J］.Journal of Insect Conservation，2013，17：319-331.
28	Zajicek Petr， Ellen A R， Welti N J，et al.Long-term data reveal unimodal responses of ground beetle abundance to precipitation and land use but no changes in taxonomic and functional diversity［J］.Scientific Report，2021，11：17468.
29	王敏.贺兰山荒漠草地地表甲虫集合群落空间格局及其与环境因子关系［D］.银川：宁夏大学，2022.
30	Langlands P R， Brennan K E C， Pearson D J.Spiders，spinifex，rainfall and fire：long-term changes in an arid spider assemblage［J］.Journal of Arid Environments，2006，67：36-59.
31	Barrows C.Temporal patterns of abundance of arthropods on sand dunes［J］.The Southwestern Naturalist，2012，57：262-266.
32	Nielsen U N， Ball B A.Impacts of altered precipitation regimes on soil communities and biogeochemistry in arid and semi-arid ecosystems［J］.Global Change Biology，2015，21：1407-1421.
33	Kwok W G M， Greenville A C.Long-term patterns of invertebrate abundance and relationships to environmental factors in arid Australia［J］.Austral Ecology，2016，41：480-491.
34	Gibb H， Grossman B F， Dickman C R，et al.Long‐term responses of desert ant assemblages to climate［J］.Journal of Animal Ecology，2019，88：1549-1563.
35	杨贵军，贺海明，王新谱.盐池荒漠草地拟步甲昆虫群落时间结构和动态［J］.应用昆虫学报，2012，49：1610-1617.
36	Robert H， Morgan H， Katja G，et al.Shrub encroachment is not always land degradation： Insights from ground‐dwelling beetle species niches along a shrub cover gradient in a semi‐arid Namibian savanna［J］.Land Degradation and Development，2019，30（1）：14-24.
37	Thomas Jr D B.Patterns in the abundance of some tenebrionid beetles in the Mojave Deseret［J］.Environmental Entomology，1979，8：568-574.
38	Kwok A B C， Wardle G M， Greenville A C.Long‐term patterns of invertebrate abundance and relationships to environmental factors in arid Australia［J］. Austral Ecology，2016，41：480-491.
39	胡发成，白晶晶.河西走廊荒漠草原白刺夜蛾生活习性及防治研究［J］.畜牧兽医杂志，2011，30（6）：40-42.
40	刘宁云，勾文山，马维新，等.温度对白茨粗角萤叶甲生长发育及繁殖的影响［J］.植物保护，2023，49（2）：220-226.
41	何嘉，高立原，张蓉，等.温度对巨膜长蝽生长发育与繁殖的影响［J］.昆虫学报，2014，57（8）：935-942.
42	Ingimarsdóttir M， Caruso T， Ripa J.Primary assembly of soil communities：disentangling the effect of dispersal and local environment［J］.Oecologia，2012，170：745-754．
43	Cloudsley-Thompson J L.Thermal and water relations of desert beetles［J］.Die Naturwissenschaften，2001，88（11）：447-460.
44	冯志荣，陈有城，彭艳琼，等.生态网络分析：从集合群落到集合网络［J］.生物多样性，2023，31（8）：135-146.
45	李海东，吴新卫，肖治术.种间互作网络的结构、生态系统功能及稳定性机制研究［J］.植物生态学报，2021，45（10）：1049-1063.
46	高梅香，刘冬，张雪萍，等.三江平原农田地表和地下土壤螨类丰富度与环境因子的空间关联性［J］.生态学报，2016，36：1782-1792.

[1]	张晶, 左小安, 吕朋. 土壤水分和养分对沙质草地优势植物叶片氮回收效率的影响[J]. 中国沙漠, 2024, 44(1): 161-169.
[2]	郝爱华, 薛娴, 尤全刚, 勾朝阳. 青藏高原近60年降水变化研究进展[J]. 中国沙漠, 2023, 43(2): 43-52.
[3]	张宇硕, 沈雪瑞, 眭任静, 鲍捷, 喻忠磊, 赵林, 张学斌. 黄河流域A级旅游景区空间格局及其影响因素的多尺度分析[J]. 中国沙漠, 2022, 42(6): 103-115.
[4]	赵芮, 赵恒, 丁志伟. 基于网络关注度的中国沙漠型A级景区空间格局及其影响因素分析[J]. 中国沙漠, 2022, 42(5): 101-113.
[5]	林永一, 王永珍, 赵文智, 李锋瑞, 巴义彬, 刘继亮. 红外相机记录的河西走廊荒漠生态系统中兽类和鸟类的群落动态[J]. 中国沙漠, 2022, 42(3): 159-169.
[6]	丁志伟, 赵芮, 简子菡, 孟怡伟, 张改素. 城乡融合视角下黄河流域镇域经济的空间格局及其影响因素[J]. 中国沙漠, 2021, 41(6): 195-204.
[7]	刘继亮, 赵文智, 李锋瑞, 巴义彬. 河西走廊中部砾质戈壁蛛形纲节肢动物群落特征[J]. 中国沙漠, 2021, 41(3): 155-164.
[8]	刘江, 徐先英, 张荣娟, 丁爱强, 付贵全, 赵鹏. 人工梭梭林大沙鼠(Rhombomys opimus)土丘斑块与鼠洞塌陷斑块破碎度及点格局[J]. 中国沙漠, 2018, 38(3): 610-618.
[9]	刘江, 徐先英, 张荣娟, 丁爱强, 付贵全, 赵鹏. 人工梭梭(Haloxylon ammodendron)林大沙鼠(Rhombomys opimus)鼠洞空间格局[J]. 中国沙漠, 2017, 37(6): 1180-1188.
[10]	胡广录, 王德金, 廖亚鑫, 张宏伟, 陈宏祥, 赵晨宇. 黑河中游荒漠-绿洲过渡带斑块植被区风沙蚀积强度特征[J]. 中国沙漠, 2016, 36(6): 1547-1554.
[11]	刘晓婷, 陈闻君. 2004—2013年新疆县域经济空间差异演化[J]. 中国沙漠, 2015, 35(4): 1089-1095.
[12]	王东华, 张仲伍, 高涛涛, 史雅洁, 任秀芳. “丝绸之路经济带”中国段城市潜力的空间格局分异[J]. 中国沙漠, 2015, 35(3): 837-842.
[13]	李丽丽，赵成章，殷翠琴，王大为，张军霞. GAM模型在蝗虫地理格局分布研究中的应用——以黑河上游3种天然草地蝗虫为例[J]. 中国沙漠, 2013, 33(4): 1071-1077.
[14]	吕金岭1,2，张希明1，吕朝燕1,2，刘国军1. 准噶尔盆地南缘荒漠区梭梭维持水源初步研究[J]. 中国沙漠, 2013, 33(1): 110-117.
[15]	禹朴家;徐海量*;刘世薇;安红燕;龚君君. 玛纳斯河流域绿洲县域经济发展类型及空间差异分析[J]. 中国沙漠, 2011, 31(6): 1501-1508.