長期施肥對東北黑土玉米田土壤動物影響

，，

(1.中國科學院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)院重點實驗室，海倫農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外觀測研究站， 黑龍江 哈爾濱 150081；2.中國科學院 研究生院,北京 100049)

0 引 言

施肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要農(nóng)藝措施，對農(nóng)田生態(tài)環(huán)境影響較大。施肥可以改變土壤理化性質，如pH值、有機質含量等[1-2]，進而引起土壤動物種群結構變化。土壤動物是指生命周期中有一段時間穩(wěn)定地在土壤中度過，而對土壤能產(chǎn)生一定影響的動物[3]，是土壤生態(tài)系統(tǒng)重要組成部分，具有重要的功能性作用[4-5]，作為土壤生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)的重要組成部分-分解者[6-8]，土壤動物參與土壤中C、N、P的循環(huán)[9-10]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的一些農(nóng)藝措施對土壤動物的多樣性產(chǎn)生影響，嚴重時甚至導致土壤環(huán)境惡化和土壤動物滅絕[11]。因此，對土壤動物的研究已經(jīng)引起人們的重視。近年來，在自然生態(tài)系統(tǒng)中對土壤動物的研究已經(jīng)取得大量成果[12-16]，但對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)研究較少，尤其是針對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的長期定位研究罕見。因此，為探討長期定位施肥對土壤動物種群結構的影響，選取東北黑土區(qū)中國科學院海倫農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站長期定位施肥試驗區(qū)中的3種典型施肥方式，對土壤動物群落結構展開研究，以評價施肥方式對土壤動物群落結構的影響，進而評價不同施肥方式下農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境保護提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗在中國科學院海倫農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站進行，海倫站地處黑土區(qū)中部，海拔高度240 m，中心地理位置為東經(jīng) 126°38′，北緯 47°26′，屬于溫帶大陸性季風氣候區(qū)，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨，雨熱同季 。年平均氣溫1.5 ℃，極端最高溫度37 ℃，極端最低溫度-39.5 ℃，年均降水量500 mm，年均有效積溫2 450 ℃，年均日照時數(shù)2 600 h～2 800 h，無霜期為125 d。土壤類型為中厚層黑土，地下水埋深20 m～30 m[17-19]。

長期定位施肥試驗區(qū)建立于1994年，小區(qū)隨機排列，試驗區(qū)進行小麥、玉米和大豆輪作種植，研究3個處理為，即：①無肥(NF)：試驗區(qū)不使用任何肥料；②化肥(CF)： 2009年地上作物為玉米，施肥量為N 150 kg·hm-2和 P2O575 kg·hm-2；③化肥+有機肥(CMF)：施肥量為N 150 kg·hm-2和 P2O575 kg·hm-2，增施腐熟的豬糞3 000 kg·hm-2。小區(qū)面積為50.4 m2,完全隨機排列,4次重復。

1.2 研究方法

試驗于2009年進行，采用環(huán)刀法于5月5日、6月15日和7月20日3次調查，每處理3次重復，土壤環(huán)刀的容積為100 cm3。按土壤垂直不同深度0～5 cm、5 cm～10 cm、10 cm～15 cm分3層進行取樣，帶回實驗室采用改良的Tullgren漏斗法進行分離后鑒定[20]。分類檢索參見尹文英《中國土壤動物檢索圖鑒》[21]，所有土壤動物鑒定到科。

1.3 數(shù)據(jù)分析

群落多樣性指數(shù)采用Shannon-Weiner指數(shù)、Pielou均勻性指數(shù)、Margalef豐富度指數(shù)，即：

式中：s—樣方中觀察的物種數(shù)；Pi=Ni/N，N—樣方中各物種個體數(shù)總和，Ni—第i個種的個體數(shù)。

統(tǒng)計分析采用DPS v3.01軟件。

2 結果與分析

2.1 土壤動物的類群和數(shù)量組成

在研究區(qū)中共獲得中小型土壤動物1 800個，鑒定隸屬35科，其中優(yōu)勢類群為：高殼甲螨科(Liodidae)、綏螨科(Sejidae)和小甲螨科(Oribatellidae)，優(yōu)勢類群個體數(shù)占總個體數(shù)的78.9 %。常見類群7科，其個體數(shù)占總個體數(shù)的12.6 %；稀有類群25科，其個體數(shù)占總個體數(shù)的8.5 %，見表1。3種不同施肥方式下中小型土壤動物種類群數(shù)和個體數(shù)量均表現(xiàn)為CMF>CF>NF。單純施用化肥時，土壤中優(yōu)勢類群高殼甲螨科、綏螨科和小甲螨科的數(shù)量與無肥處理差異不明顯，但施用有機肥土壤中高殼甲螨科數(shù)量顯著增多，表明與施用有機肥相比施用化肥可顯著降低土壤動物的數(shù)量，其原因可能是由于單純施用化肥可以使土壤中的有機物質含量下降，土壤板結，土壤環(huán)境惡化，不利于土壤動物的生存，土壤動物優(yōu)勢類群個體數(shù)量減少。而無肥處理中土壤動物類群數(shù)和個體數(shù)低，推測其原因可能為長期種植作物使土壤中的養(yǎng)分過度被吸收利用，在缺乏外界補充營養(yǎng)物質的條件下，土壤瘠薄不利于土壤動物的生存。

表1 3種施肥方式下土壤動物數(shù)量及多度Tab.1 Individual number and abundance of soil fauna under three fertilization treatments

注：各類群數(shù)量等級劃分：個體數(shù)量占全部捕獲量10 %以上為優(yōu)勢類群，即+++；介于1 %～10 %之間的為常見類群，即++；介于0.1 %～1 %為稀有類群，即+。

2.2 中小型土壤動物多樣性

多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)和豐富度指數(shù)指示著群落的穩(wěn)定性和生產(chǎn)力，研究表明不同施肥方式下中小型土壤動物的多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)和豐富度指數(shù)存在著差異，不同施肥方式下土壤動物群落結構多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)差異不顯著，但豐富度指數(shù)差異顯著。豐富度指數(shù)表現(xiàn)為：CMF>NF>CF，見表2?；逝涫┯袡C肥處理下土壤動物的豐富度指數(shù)高于無肥處理，說明施肥方式影響土壤動物的群落組成，化肥配施有機肥處理使土壤中有機物質含量增加，土壤環(huán)境得到改善，有利于土壤動物的生存，進而使土壤中土壤動物的豐富度增加，且化肥配施有機肥處理中土壤動物的群落結構也較單純施用化肥和不施肥的處理穩(wěn)定。

表2 不同施肥方式下土壤動物群落多樣性測度Tab.2 Diversity index of soil fauna under different fertilization

2.3 中小型土壤動物垂直分布特征

對研究區(qū)0～5 cm、5 cm～10 cm和10 cm～15 cm土壤中土壤動物數(shù)量及種類進行調查研究發(fā)現(xiàn)，CMF和CF中土壤動物數(shù)量和種類順序均為：0～5 cm>5 cm～10 cm>10 cm～15 cm，而NF中土壤動物數(shù)量和種類順序為：5 cm～10 cm>0～5 cm>10 cm～15 cm，種類順序為：5 cm～10 cm>0～5 cm>10 cm～15 cm；化肥處理中土壤動物數(shù)量順序為：0～5 cm>5 cm～10 cm>10 cm～15 cm，種類順序為：0～5 cm>5 cm～10cm>10 cm～15cm。CMF中土壤動物的數(shù)量和種類數(shù)在不同深度之間均達到了差異顯著性(p<0.05)，CMF中土壤動物分布符合自然生態(tài)系統(tǒng)中土壤動物表聚特征，見圖1，其原因可能是與CF相比CMF可以在一定程度上改善土壤理化性質，使土壤環(huán)境更有利于土壤動物生存。

3 討 論

土壤動物的類群數(shù)量和個體數(shù)量均受到施肥方式的影響，結果表明施肥顯著影響土壤動物個體數(shù)量，但對土壤動物的類群數(shù)影響不大。土壤動物種類的增加主要是稀有類群的類群數(shù)目增加引起的，化肥和無肥處理中稀有類群數(shù)量分別為15和13，但化肥配施有機肥處理中土壤動物稀有類群數(shù)量為21，顯著高于化肥和無肥處理，土壤動物數(shù)量的增多則是由優(yōu)勢類群個體數(shù)量增多引起，其中化肥配施有機肥處理中的優(yōu)勢類群高殼甲螨科數(shù)量顯著高于化肥和無肥。在針對不同地區(qū)土壤動物研究中均發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象，說明地域差別不是影響土壤動物群落結構的主要因素[22-24]。施肥可以顯著影響土壤理化性質，如pH值，有機質含量等，而這些因素可以直接影響土壤動物群落結構[25-26]，與土壤動物的生存和發(fā)展密切相關，有機肥料的施用顯著增加了土壤中中小型土壤動物的種群多樣性和豐富度，進而增加了土壤動物群落結構的穩(wěn)定性。Eaton采用移除有機物質的方法來調查有機物質對土壤動物的影響，結果表明，有機物質移除使土壤中跳蟲數(shù)量顯著下降[27]，整個生態(tài)系統(tǒng)中的土壤動物多樣性和豐富度降低；而采用施入有機物質的方法研究有機物質對土壤動物多樣性的影響，表明有機物質的施入可以增加土壤動物的多樣性，兩個研究采用不同的方法證明土壤有機物質是影響土壤動物多樣性的因素之一。土壤動物在自然生態(tài)系統(tǒng)中的分布具有表聚性特征，即從地表向下，隨著深度的增加土壤動物類群和數(shù)量逐漸減少，上層(0～5 cm)的類群數(shù)和個體數(shù)最多，中層(5 cm～10 cm)其次，下層(10 cm～15 cm)最少。單純施用化肥使土壤動物表聚特征消失，可能是由于單純施用化肥嚴重影響土壤理化性質，可引起土壤板結，土壤中有機質含量下降[28]。而無肥處理中土壤動物也不具有表聚特征，分析其原因，可能是長期種植作物，土壤中的有機物質因被大量利用而使其含量降低，導致土壤動物表聚特征消失。在自然生態(tài)系統(tǒng)中，土壤動物的表聚特征明顯，而農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中由于受到人類的干擾土壤動物的表聚現(xiàn)象消失，但化肥配施有機肥方式下土壤動物表聚特征明顯，說明有機肥的施入會改善土壤動物的生存環(huán)境，有利于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤動物群落的穩(wěn)定[29]。

圖1 不同時期土壤動物垂直分布Fig.1 Distribution of soil fauna in three sampling dates

長期施肥可引起土壤動物的數(shù)量變化，但對土壤動物種類數(shù)量影響較小；有機肥的施用有利與土壤動物群落結構的穩(wěn)定，且保持了土壤動物原有的表聚特征，對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的生態(tài)環(huán)境具有更好的保護作用。

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