秸稈還田對(duì)耕作黑土中小型土壤動(dòng)物群落的影響

楊 旭,高梅香,張雪萍,林 琳,沙 迪,張利敏

哈爾濱師范大學(xué), 黑龍江省普通高等學(xué)校地理環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,地理科學(xué)學(xué)院, 哈爾濱 150025

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秸稈還田對(duì)耕作黑土中小型土壤動(dòng)物群落的影響

楊 旭,高梅香,張雪萍,林 琳*,沙 迪,張利敏

哈爾濱師范大學(xué), 黑龍江省普通高等學(xué)校地理環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,地理科學(xué)學(xué)院, 哈爾濱 150025

為了考察秸稈還田對(duì)耕作黑土中土壤動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的影響,2009年到2011年在黑龍江省海倫市進(jìn)行了定點(diǎn)實(shí)驗(yàn),調(diào)查了樣地A(17 kg秸稈+含高濃度催腐劑還田)、樣地B(8.5 kg秸稈+含低濃度催腐劑還田)、樣地C(對(duì)照樣地),樣地D(8.5 kg秸稈還田),樣地E(17 kg秸稈還田)的中小型土壤動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)。共獲取中小型土壤動(dòng)物21779只,分別隸屬于58個(gè)類群。其中,甲螨亞目、姬跳蟲(chóng)科、棘跳蟲(chóng)科與駝跳科4個(gè)類群土壤動(dòng)物在本地區(qū)是最適應(yīng)環(huán)境變化的土壤動(dòng)物類群。土壤動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)分析表明,對(duì)照樣地C中土壤動(dòng)物密度最高(46591.67只/m2),土壤動(dòng)物類群最多(17.17),土壤動(dòng)物優(yōu)勢(shì)度指數(shù)最大(0.37),樣地D中土壤動(dòng)物豐富度指數(shù)最多(2.63),樣地A中土壤動(dòng)物多樣性指數(shù)最高(1.72),樣地B中土壤動(dòng)物均勻性最高(0.64)。同時(shí),各樣地土壤動(dòng)物基本都具有表聚性,樣地A中土壤動(dòng)物更趨于生存于上層土壤。綜合比較分析表明,樣地A秸稈還田方式相對(duì)來(lái)說(shuō)最利于土壤動(dòng)物生存。主成分分析表明,不同秸稈還田方式對(duì)土壤動(dòng)物密度、甲螨亞目動(dòng)物類群、節(jié)跳蟲(chóng)科類群、前氣門亞目類群影響較大,是耕作黑土中對(duì)秸稈還田方式反應(yīng)敏感的土壤動(dòng)物指標(biāo),今后可以作為考察耕作黑土秸稈還田肥力效應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。另外,CAA分析表明：受土壤環(huán)境因子影響較大的土壤動(dòng)物類群多為研究區(qū)域內(nèi)優(yōu)勢(shì)類群與常見(jiàn)類群,土壤動(dòng)物的密度與土壤中有機(jī)質(zhì)、有機(jī)碳、碳氮比與全磷的含量關(guān)系最為密切。

秸稈還田；耕作黑土；土壤動(dòng)物；群落結(jié)構(gòu)；土壤環(huán)境影響

秸稈是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)中重要的物質(zhì)基礎(chǔ)[1],秸稈還田可改良土壤性質(zhì),提高土壤肥力。土壤動(dòng)物是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[2- 3],也是生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的重要參與者[4]。土壤動(dòng)物參與秸稈降解過(guò)程,有利于提高有機(jī)質(zhì)的降解速率和養(yǎng)分周轉(zhuǎn)量,最終促進(jìn)植物對(duì)養(yǎng)分的吸收[1]。因此,近年來(lái),隨著土壤動(dòng)物生態(tài)學(xué)與耕作土壤可持續(xù)利用相關(guān)研究不斷深入[5- 7],對(duì)土壤動(dòng)物與秸稈還田關(guān)系研究逐漸受到關(guān)注[8- 10]。在耕作黑土生態(tài)系統(tǒng)中,土壤動(dòng)物數(shù)量巨大,土壤動(dòng)物在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)中具有一定作用[11- 13]。因此,耕作黑土生態(tài)系統(tǒng)中土壤動(dòng)物的群落特征與生態(tài)功能是一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容[14]。國(guó)內(nèi)已有的秸稈還田耕作條件下土壤動(dòng)物相關(guān)研究表明,秸稈覆蓋免耕樣地土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)、類群與多樣性顯著高于常規(guī)施肥方式,秸稈還田更有利于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤生物的生存環(huán)境的維護(hù)[8- 10]。但已有研究主要關(guān)注秸稈還田與其他施肥方式的比較上,而對(duì)于不同秸稈還田方式的比較,以及最佳秸稈還田方式方面的探究較少,尤其對(duì)于適于耕作的黑土區(qū)相關(guān)研究幾乎沒(méi)有?；诖?本研究以東北地區(qū)典型黑土耕作區(qū)海倫為研究樣點(diǎn),考察中小型土壤動(dòng)物對(duì)不同秸稈還田方式的響應(yīng)特征,并明晰秸稈還田主要敏感動(dòng)物特征指標(biāo),為黑土耕作區(qū)域土壤動(dòng)物群落的保護(hù)和完善耕地生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)利用管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本研究選取黑龍江省黑土耕作區(qū)海倫市區(qū)域內(nèi)耕地為研究樣地。海倫位于46°58′—47°52′N,126°14′—127°45′E,平均海拔239 m,屬中溫帶大陸性氣候。無(wú)霜期120 d左右,有效積溫2200—2400℃,年降水量500—600 mm。常年平均氣溫2℃。海倫境內(nèi)盛產(chǎn)玉米等作物,是重要商品糧基地。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究樣地位于海倫西部,地理坐標(biāo)126°38′E,47°26′N,選取5個(gè)面積同為10 m×4 m的當(dāng)?shù)馗骱谕翗拥貫閷?shí)驗(yàn)地,每塊樣地之間間隔0.5 m,本研究于2008年11月對(duì)每個(gè)樣地同時(shí)進(jìn)行了不同方式處理(采用不同質(zhì)量的秸稈與不同濃度的高效微生物催腐劑進(jìn)行處理),分別為樣地A(采用17 kg玉米秸稈+含加入高濃度微生物催腐劑的水2 kg進(jìn)行還田)、樣地B(采用8.5 kg玉米秸稈+含加入低濃度微生物催腐劑的水1 kg進(jìn)行還田)、樣地C(未進(jìn)行處理,保持原有狀態(tài)作為對(duì)照樣地)、樣地D(采用8.5 kg玉米秸稈+水1 kg進(jìn)行還田)、樣地E(采用17 kg玉米秸稈+水2 kg進(jìn)行還田),其中,對(duì)秸稈是先粉碎,然后采用水或含微生物催腐劑的溶液進(jìn)行浸泡,之后在樣地中進(jìn)行噴灑處理。催腐劑采用瑞萊特微生物催腐劑,采用5 g催腐劑定溶0.5 kg浸泡24 h,然后量取0.05 kg溶液用10 kg水稀釋攪拌,該溶液在本研究中定為含加入高濃度微生物催腐劑的水,該溶液再稀釋一倍,則在本研究中定為含加入低濃度微生物催腐劑的水。實(shí)驗(yàn)期間,對(duì)所有處理樣地除了進(jìn)行不同形式的秸稈處理外,都是常規(guī)耕作。而且,每年采樣時(shí),同時(shí)對(duì)秸稈降解率進(jìn)行了監(jiān)測(cè),對(duì)于樣地A、B、C、D、E中的秸稈凈分解率,2009分別為52.21%、48.90%、39.19%、44.42%、48.20%,2010年分別為29.34%、30.88%、20.60%、22.64%、24.70%,2011年分別為：8.97%、8.46%、7.68%、7.83%、8.34%,降解率逐年降低。樣地A、B、C、D、E中的秸稈3 a累積分解率分別為90.52%、88.24%、67.47%、74.88%、81.24%,樣地A秸稈降解效果最好。

2.2 樣品采集與動(dòng)物鑒定

2009年、2010年與2011年分別于9月對(duì)所有5個(gè)樣地進(jìn)行采樣,取樣時(shí),每個(gè)樣地均設(shè)4個(gè)重復(fù)采樣點(diǎn)(均勻布置)。每樣點(diǎn)面積為10 cm×10 cm,由上至下依次取0—5、5—10、10—15、15—20 cm4層采集土壤動(dòng)物；用土鉆采集土壤,在每個(gè)樣地中的4個(gè)采樣點(diǎn)分別取0—20 cm處的土壤樣品1 kg,作為土壤理化指標(biāo)檢測(cè)待用。土壤動(dòng)物采用Tullgren漏斗經(jīng)過(guò)18h分離提取,土壤動(dòng)物的分類鑒定主要參考尹文英等《中國(guó)土壤動(dòng)物檢索圖鑒》[15],土壤pH采用酸度計(jì)(PB- 10型)測(cè)定,土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定,土壤有機(jī)碳采用C/N 分析儀2100S(Elementar Vario-EL,Germany)測(cè)定,土壤全氮采用凱氏定氮儀測(cè)定(K9840凱氏定氮儀),土壤全磷采用硫酸-高氯酸消煮法測(cè)定[16]。研究期間,不同土壤的理化指標(biāo)如表1所示,由表1可以看出,不同秸稈還田方式處理后樣地土壤環(huán)境具有一定的差異。

表1 各采樣地的主要土壤理化性質(zhì)(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)

OM: 有機(jī)質(zhì)Organic Matter;TOC: 總有機(jī)碳 Total Organic Carbon;TN: 全氮 Total Nitrogen;C/N: 碳氮比 Carbon/ Nitrogen;TP: 總磷 Total Phosphorus;各列字母不同表示差異顯著(P<0.05)

2.3 數(shù)據(jù)處理

土壤動(dòng)物優(yōu)勢(shì)度的劃分：個(gè)體數(shù)占10%以上的土壤動(dòng)物類群為優(yōu)勢(shì)類群,1%—10%之間的土壤動(dòng)物類群為常見(jiàn)類群,1% 以下的為稀有類群。對(duì)土壤動(dòng)物群落特征進(jìn)行分析時(shí),主要采用Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)(H′)、Pielou 均勻度指數(shù)(E)、Margalef 豐富度指數(shù)(D)和Simpson 優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(C)進(jìn)行分析[17- 18]。本研究中土壤動(dòng)物指標(biāo)的方差分析和均值比較采用單因素(ANOVA)分析。土壤動(dòng)物主要群落指標(biāo)對(duì)秸稈還田的響應(yīng)關(guān)系采用主成分分析法(PCA)進(jìn)行分析。采用典范對(duì)應(yīng)分析(CCA)方法對(duì)土壤動(dòng)物密度與土壤環(huán)境因子關(guān)系進(jìn)行分析。所有數(shù)據(jù)分析與作圖采用Excel 2003、SPSS 17.0與CANOCO 4.5 軟件。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤動(dòng)物群落組成特征

研究區(qū)域內(nèi)土壤動(dòng)物類群與數(shù)量組成如表2所示。由表2可以看出：在5個(gè)樣地3個(gè)采樣年份共獲取中小型土壤動(dòng)物21779只,分別隸屬于58個(gè)類群,其中優(yōu)勢(shì)類群為甲螨亞目、前氣門亞目和節(jié)跳蟲(chóng)科3類,占總數(shù)的74.43%,常見(jiàn)類群為中氣門亞目、姬跳蟲(chóng)科、綾跳蟲(chóng)科、搖蚊科、棘跳蟲(chóng)科、圓跳蟲(chóng)科、駝跳科、山跳科和隱翅蟲(chóng)科9類,占總個(gè)體的22.94%,以上動(dòng)物類群為研究區(qū)域內(nèi)主要?jiǎng)游镱惾骸Ｆ溆?6類為稀有類群,占總個(gè)體數(shù)的2.63%。不同秸稈還田處理樣地存在差異,樣地A中土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)最多(4491個(gè)),樣地B中土壤動(dòng)物類群數(shù)最多(37種)。

表2 不同處理樣地中小型土壤動(dòng)物類群和數(shù)量組成(平均值)

續(xù)表類群Taxa樣地A密度SiteAdensity/(只/m2)樣地B密度SiteBdensity/(只/m2)樣地C密度SiteCdensity/(只/m2)樣地D密度SiteDdensity/(只/m2)樣地E密度SiteEdensity/(只/m2)總計(jì)Total平均密度Density(只/m2)%鷸虻科Rhagionidae16．678．3333．3325．0066．6730．000．08蚤蠅科Phoridae16．670016．6706．670．02大覃甲科Erotylidae16．6700003．330．01地甲科Tenebrionidae66．6716．6750．0041．678．3336．670．1葬甲科Silphidae8．3300001．670．01舞虻科Empididae016．6716．6708．338．330．02象甲科Curculionidae0041．67025．0013．330．04尺蛾科Geometridae8．3300001．670．01扁甲科幼蟲(chóng)Coleopteralarvae33．3300006．670．02圓泥甲科GeoryssidaeLaporte08．330001．670．01鍬甲科Lucanidae08．330001．670．01實(shí)蠅科Tephritidae008．33001．670．01尺蛾科Geometridae0008．3301．670．01長(zhǎng)蝽科LygaeidaeSchilling00008．331．670．01總個(gè)體數(shù)Individualnumber4491399955913789390921779總類群數(shù)Groupnumber363738323558

(+++):土壤動(dòng)物優(yōu)勢(shì)類群;(++):土壤動(dòng)物常見(jiàn)類

由表2中可以看到,不同處理樣地的土壤動(dòng)物類群組成略有差異,但甲螨亞目土壤動(dòng)物在所有樣地中都是優(yōu)勢(shì)土壤動(dòng)物,姬跳蟲(chóng)科、棘跳蟲(chóng)科與駝跳科土壤動(dòng)物在所有樣地中都是常見(jiàn)土壤動(dòng)物。這表明甲螨亞目、姬跳蟲(chóng)科、棘跳蟲(chóng)科與駝跳科等類群土壤動(dòng)物在本地區(qū)是最能適應(yīng)環(huán)境變化的土壤動(dòng)物類群。另外,前氣門亞目、中氣門亞目與節(jié)跳蟲(chóng)科等土壤動(dòng)物類群在所有樣地不是優(yōu)勢(shì)類群就是常見(jiàn)類群,這表明這些土壤動(dòng)物類群是該地區(qū)廣適性土壤動(dòng)物類群。

3.2 不同秸稈處理樣地土壤動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)特征

3.2.1 土壤動(dòng)物群落指標(biāo)水平空間分布

由表3可以看出,經(jīng)過(guò)秸稈處理后的樣地,土壤動(dòng)物密度都顯著低于對(duì)照樣地C(P<0.05)。從土壤動(dòng)物類群來(lái)看,秸稈處理后的樣地低于樣地C (17.17)中的類群,但樣地A、D、E與對(duì)照樣地C差異不顯著(P0.05)。樣地A中土壤動(dòng)物多樣性指數(shù)最高(1.72),明顯高于對(duì)照樣地C。樣地B中土壤動(dòng)物均勻性最高(0.64),顯著高于對(duì)照樣地C(P<0.05)。對(duì)照樣地C中,土壤動(dòng)物豐富度指數(shù) (2.63)與優(yōu)勢(shì)度指數(shù)最高(0.37)。以上結(jié)果表明,秸稈處理后的樣地對(duì)土壤動(dòng)物群落影響較大,與對(duì)照樣地C有較大差異。但不同秸稈還田處理方式對(duì)不同土壤動(dòng)物的特征指標(biāo)影響是不一樣的。

3.2.2 土壤動(dòng)物群落指標(biāo)垂直分布

不同秸稈還田方式處理后導(dǎo)致土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)與類群數(shù)在土壤剖面中分布特征與對(duì)照樣地C不同。由圖1可以看出,對(duì)于土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù),在上層土壤,秸稈還田處理樣地土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)與對(duì)照樣地差異較大。0—5 cm土層,秸稈還田處理樣地中土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)都顯著少于對(duì)照樣地C(P<0.05),5—10 cm土層,樣地B、D、E中土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)顯著少于對(duì)照樣地C(P<0.05)。10—15 cm土層,樣地A、D、E中土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)顯著少于對(duì)照樣地C(P<0.05)。15—20 cm土層,秸稈還田處理樣地中土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)與對(duì)照樣地C差異不顯著。對(duì)于土壤動(dòng)物類群,只有在0—5 cm土層,樣地B土壤動(dòng)物類群數(shù)顯著少于對(duì)照樣地C(P<0.05)。其它樣地不同土層中的土壤動(dòng)物類群數(shù)都與對(duì)照樣地C差異不顯著(P0.05)。從同一樣地不同土層來(lái)看,除了樣地B以外,秸稈處理樣地內(nèi)的土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)與類群與對(duì)照樣地C基本一致,具有表聚性,而且土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)表聚性更為明顯。其中,樣地A中土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)與類群在0—10 cm與10—20 cm土層間差異性最為明顯(P<0.05)。

表3 不同處理樣地土壤動(dòng)物群落特征(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)

同一列不同字母表示不同樣地間的差異顯著(P<0.05),H′： The diversity index多樣性指數(shù)；E：The evenness index均勻度指數(shù)；D：The richness index豐富度指數(shù)；C： Simpson Dominance Index優(yōu)勢(shì)度指數(shù)

圖1 不同土層中小型土壤動(dòng)物的個(gè)體數(shù)與類群數(shù)(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Fig.1 Individuals and group number of meso-micro soil fauna in the different layer (Mean±SE)不同字母表示同一月份不同樣地間的差異顯著(P<0.05)

不同處理樣地不同土層中小型土壤動(dòng)物優(yōu)勢(shì)類群的分布情況如表4所示。由表4可以看出經(jīng)過(guò)不同秸稈還田方式處理后的樣地,土壤中優(yōu)勢(shì)土壤動(dòng)物與對(duì)照樣地C在空間分布也有較大差異,所有秸稈處理樣地各土層優(yōu)勢(shì)土壤動(dòng)物與對(duì)照樣地C沒(méi)有完全一致的。

總體來(lái)看,五個(gè)樣地中,樣地A在所有土層中,土壤中優(yōu)勢(shì)中小型土壤動(dòng)物類群都是少的?？偟膩?lái)看,甲螨亞目在每個(gè)樣地不同土層都存在,是該地區(qū)廣適性的優(yōu)勢(shì)動(dòng)物類群。對(duì)照樣地C中,節(jié)跳蟲(chóng)科與中氣門亞目幾乎在所有土層都為優(yōu)勢(shì)土壤動(dòng)物,而在不同秸稈處理樣地中,節(jié)跳蟲(chóng)科、中氣門亞目與前氣門亞目等土壤動(dòng)物類群在大部分樣地不同土層中都是優(yōu)勢(shì)土壤動(dòng)物,因此,節(jié)跳蟲(chóng)科與中氣門亞目動(dòng)物可以確定為當(dāng)?shù)爻Ｒ?jiàn)的優(yōu)勢(shì)土壤動(dòng)物,前氣門亞目動(dòng)物可能為對(duì)秸稈處理后比較適應(yīng)的土壤動(dòng)物。

3.3 環(huán)境因素對(duì)土壤動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的影響

3.3.1 秸稈還田對(duì)土壤動(dòng)物主要群落特征指標(biāo)的影響

本研究對(duì)土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)、類群、多樣性指數(shù)、均勻性指數(shù)、豐富度指數(shù)、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)、密度、優(yōu)勢(shì)類群(甲螨亞目、前氣門亞目、節(jié)跳蟲(chóng)科等3類)與常見(jiàn)類群(中氣門亞目、姬跳蟲(chóng)科、綾跳蟲(chóng)科、搖蚊科、棘跳蟲(chóng)科、圓跳蟲(chóng)科、駝跳科、山跳科、隱翅蟲(chóng)科等9類)的個(gè)體數(shù)量等19個(gè)土壤動(dòng)物特征指標(biāo)采用主成分法進(jìn)行分析,確定對(duì)秸稈還田環(huán)境最敏感的土壤動(dòng)物特征指標(biāo)。本研究選取前兩個(gè)主成分,如表5所示,累積貢獻(xiàn)率達(dá)到了99.99%,可以包含19個(gè)土壤動(dòng)物特征指標(biāo)的絕大部分信息。

表4 不同處理樣地不同土層中小型土壤動(dòng)物優(yōu)勢(shì)類群的分布

表5 中小型土壤動(dòng)物主成分特征根與方差貢獻(xiàn)率

以每個(gè)主成分的對(duì)應(yīng)特征值占所選取的兩個(gè)主成分特征值之和的比值作為權(quán)重,分別與對(duì)應(yīng)的主成分值相乘后求和得到每個(gè)土壤動(dòng)物特征指標(biāo)的綜合分值,然后進(jìn)行排序[19]。結(jié)果如表6所示,由表6可以看出：綜合分值前5名為：土壤動(dòng)物密度、土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)、甲螨亞目動(dòng)物類群、節(jié)跳蟲(chóng)科動(dòng)物類群、前氣門亞目動(dòng)物類群,這表明這5個(gè)中小型土壤動(dòng)物特征指標(biāo)對(duì)秸稈還田處理最為敏感,可以作為考察黑土耕作秸稈還田效應(yīng)的指示標(biāo)志。

表6 中小型土壤動(dòng)物主要群落特征指標(biāo)主成分綜合值與排序

H′： Shannnon-Wiene多樣性指數(shù)；E：Pielou均勻度指數(shù)；D：Margalef豐富度指數(shù)；C：Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)

3.3.2 土壤動(dòng)物密度與土壤環(huán)境因素的關(guān)系

圖2 中小型土壤動(dòng)物與土壤環(huán)境典范對(duì)應(yīng)分析排序圖 Fig.2 Canonical correspondence analysis ordination of meso-micro soil fauna and soil environment1:甲螨亞目; 2:中氣門亞目; 3:前氣門亞目; 4:節(jié)跳蟲(chóng)科; 5:姬跳蟲(chóng)科; 6:綾跳蟲(chóng)科; 7:搖蚊科; 8:棘跳蟲(chóng)科; 9:鱗跳蟲(chóng)科; 10:圓跳蟲(chóng)科; 11:疣跳蟲(chóng)科; 12:駝跳科; 13:山跳科; 14:長(zhǎng)足虻科; 15:蟻科; 16:蜘蛛目; 17:步甲科; 18:步甲幼蟲(chóng); 19:地蜈蚣目; 20:隱翅蟲(chóng)科; 21:隱翅甲幼蟲(chóng); 22:薊馬科; 23:金龜甲科; 24:叩甲科; 25:虎甲科; 26:網(wǎng)蝽科; 27:蚜科; 28:小蜂科; 29:蚋科; 30:葉甲科; 31:冬大蚊科; 32:鷸虻科; 33:蚤蠅科; 34:大覃甲科; 35:地甲; 36:葬甲科; 37:舞虻科; 38:象甲科; 39:尺蛾科; 40:扁甲科幼蟲(chóng); 41:圓泥甲科; 42:鍬甲; 43:實(shí)蠅科; 44:小尺蛾科; 45:長(zhǎng)蝽科

土壤生境條件決定了土壤動(dòng)物存在的類群密度[20]。如圖2所示,由CCA分析可以看出：山跳科、長(zhǎng)足虻科、網(wǎng)蝽科等動(dòng)物類群密度與土壤全氮含量顯著正相關(guān)。前氣門亞目、節(jié)跳蟲(chóng)科、綾跳蟲(chóng)科、駝跳科、長(zhǎng)足虻科、蜘蛛目、薊馬科、網(wǎng)蝽科、蚜科、象甲科等動(dòng)物類群密度與土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著正相關(guān)。前氣門亞目、節(jié)跳蟲(chóng)科、綾跳蟲(chóng)科、駝跳科、長(zhǎng)足虻科、蜘蛛目、薊馬科、網(wǎng)蝽科、蚜科、象甲科等土壤動(dòng)物類群密度與土壤有機(jī)碳含量顯著正相關(guān)。中氣門亞目、前氣門亞目、節(jié)跳蟲(chóng)科、綾跳蟲(chóng)科、疣跳蟲(chóng)科、蟻科、薊馬科、蚜科等土壤動(dòng)物類群密度與土壤碳氮比顯著正相關(guān),圓跳蟲(chóng)科、山跳科、地蜈蚣目等土壤動(dòng)物類群密度與土壤碳氮比顯著負(fù)相關(guān)。中氣門亞目、前氣門亞目、姬跳蟲(chóng)科、綾跳蟲(chóng)科、疣跳蟲(chóng)科、蟻科、步甲幼蟲(chóng)、薊馬科、蚜科、扁甲科幼蟲(chóng)等土壤動(dòng)物類群密度與土壤全磷含量顯著正相關(guān),地蜈蚣目、金龜甲科等土壤動(dòng)物類群密度與土壤全磷含量顯著負(fù)相關(guān)。甲螨亞目、搖蚊科、圓跳蟲(chóng)科、山跳科、地蜈蚣目等土壤動(dòng)物類群密度與土壤全鉀含量顯著負(fù)相關(guān)。長(zhǎng)足虻科土壤動(dòng)物密度與土壤pH成正比,中氣門亞目、棘跳蟲(chóng)科、圓跳蟲(chóng)科、步甲幼蟲(chóng)、大覃甲科、扁甲科幼蟲(chóng)土壤動(dòng)物密度與土壤pH成反比。排序軸I解釋了42.0%的土壤生境和動(dòng)物物種變化關(guān)系,排序軸I和II累計(jì)解釋了60.9%的生境和動(dòng)物物種變化關(guān)系?？偟膩?lái)說(shuō), 受土壤環(huán)境因子影響較大的類群多為研究區(qū)域內(nèi)優(yōu)勢(shì)類群與常見(jiàn)類群,土壤動(dòng)物的密度與土壤中有機(jī)質(zhì)、有機(jī)碳、碳氮比與全磷的含量關(guān)系最為密切。

4 討論與結(jié)論

4.1 秸稈還田處理后土壤動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)特征

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,為了提高作物產(chǎn)量,需要采用不同施肥措施對(duì)耕地進(jìn)行處理,通過(guò)改變土壤的部分理化性質(zhì)來(lái)提高作物產(chǎn)量。秸稈還田主要是秸稈經(jīng)過(guò)水分淋溶、光降解、自然碎化、土壤動(dòng)物取食、微生物分解由復(fù)雜的有機(jī)化合物轉(zhuǎn)化成簡(jiǎn)單的有機(jī)物和無(wú)機(jī)化合物的過(guò)程。在本研究區(qū)域,與對(duì)照樣地C相比,秸稈處理后,土壤動(dòng)物密度減少了(C樣地為46591只/m2,其它樣地中,A樣地密度最高,為37425只/m2),這主要是優(yōu)勢(shì)土壤動(dòng)物甲螨亞目與節(jié)跳蟲(chóng)科數(shù)量減少造成的。這可能是由于秸稈分解過(guò)程會(huì)產(chǎn)生的一些次生代謝物,這些次生代謝物一般具有較低的微生物利用率,有些物質(zhì)還可能對(duì)土壤生物有毒害作用,影響其生長(zhǎng)和繁殖,而在本研究區(qū)域,秸稈還田降解過(guò)程中次生代謝物可能抑制了甲螨目與節(jié)跳蟲(chóng)的繁殖。秸稈還田影響土壤動(dòng)物的生存環(huán)境,同時(shí)也影響了土壤動(dòng)物的食物來(lái)源,從而影響土壤動(dòng)物的類群結(jié)構(gòu)。在本研究中,與對(duì)照樣地C相比,秸稈處理后樣地中土壤動(dòng)物類群略有減少,這表明秸稈處理后,個(gè)別土壤動(dòng)物類群無(wú)法適應(yīng),但絕大多數(shù)土壤動(dòng)物類群可以生存。一般來(lái)說(shuō),土壤動(dòng)物優(yōu)勢(shì)度指數(shù)越大,表明該群落中某個(gè)類群的土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)占該群落總數(shù)的比例越高,這會(huì)導(dǎo)致該群落的優(yōu)勢(shì)度增加[21- 22]。樣地A的優(yōu)勢(shì)度指數(shù)與對(duì)照樣地C的優(yōu)勢(shì)度指數(shù)最高,這主要是它們中擁有較高甲螨亞目動(dòng)物類群數(shù)量造成的,說(shuō)明該樣地環(huán)境相對(duì)于其它秸稈還田處理樣地更適合甲螨亞目動(dòng)物生存,這可能是由于在樣地A秸稈還田過(guò)程中加入了較多微生物催腐劑,催腐降解加快了秸稈降解,改善了土壤結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì),而這種環(huán)境相對(duì)于其它秸稈還田樣地適于甲螨亞目動(dòng)物生存(但秸稈還田降解過(guò)程中次生代謝物還是抑制了甲螨目,所以樣地A中甲螨亞目動(dòng)物還是少于對(duì)照樣地C)。在本研究中,秸稈處理后的樣地中土壤動(dòng)物多樣性指數(shù)與均勻性指數(shù)都高于對(duì)照樣地C。這是由于秸稈除為土壤生物提供食源外,秸稈對(duì)土壤條件的調(diào)控能夠影響土壤生物的生存環(huán)境,如秸稈改善土壤水分、降低土壤容重增加土壤透氣性、提供多樣化的生境,這些因素可能促進(jìn)土壤生物的活動(dòng)、增加了多樣性[23]。同時(shí),在本研究樣地A中,微生物催腐劑結(jié)合秸稈還田,提高了土壤腐殖質(zhì)含量,秸稈降解率最高,對(duì)土壤生境調(diào)控相對(duì)較好,因此,樣地A中土壤動(dòng)物多樣性指數(shù)最高。在土壤動(dòng)物豐富度上來(lái)看,樣地A、樣地D、樣地E得到了提高。不同的類型樣地,恰當(dāng)?shù)倪€田方式不同。林英華等對(duì)黃土區(qū)農(nóng)田研究表明：秸稈與 NPK 配施與它施肥相比,有利于農(nóng)田土壤動(dòng)物種群的生存與發(fā)展[24]。而在本研究中,綜合比較可以看出,微生物與秸稈配比還田的樣地A中,土壤動(dòng)物每個(gè)特征指標(biāo)都較高,這表明該秸稈還田方式有利于提高土壤微生物活性,促進(jìn)土壤養(yǎng)分循環(huán),有利于耕作黑土中的土壤動(dòng)物生存[24]。

4.2 秸稈還田處理后土壤動(dòng)物垂直分布特征

土壤動(dòng)物通常具有表聚性,如王振海等研究長(zhǎng)白山苔原帶土壤動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)表明：土壤動(dòng)物的個(gè)體數(shù)和類群數(shù)總體上隨土壤深度的增加而降低[3]。在本實(shí)驗(yàn),不同樣地不同土層的土壤動(dòng)物研究表明：秸稈處理后樣地中土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)與類群數(shù)基本都具有表聚性,這與對(duì)照樣地C及通常的土壤動(dòng)物垂直分布表聚特征沒(méi)有區(qū)別。但經(jīng)過(guò)不同秸稈還田方式處理后的樣地,土壤中優(yōu)勢(shì)土壤動(dòng)物與對(duì)照樣地C在空間分布也有較大差異。甲螨亞目在所有樣地各土層都存在,是廣適的優(yōu)勢(shì)動(dòng)物類群(盡管秸稈還田降解過(guò)程中次生代謝物在一定程度抑制了甲螨目動(dòng)物的生長(zhǎng)與繁殖,但該動(dòng)物較適于研究區(qū)域生境生存)。節(jié)跳蟲(chóng)科與中氣門亞目動(dòng)物可以確定為當(dāng)?shù)爻Ｒ?jiàn)的優(yōu)勢(shì)土壤動(dòng)物,前氣門亞目動(dòng)物可能為對(duì)秸稈處理后比較適應(yīng)的土壤動(dòng)物。由于秸稈還田量與還田方式不同,造成了生境不同,從而影響了土壤動(dòng)物的分布。秸稈還田量不同,則提供給土壤動(dòng)物的食物多少不同,同時(shí)對(duì)生境改變強(qiáng)度不同。微生物催腐劑結(jié)合秸稈還田,則加快了秸稈分解速度,提升土壤腐殖質(zhì)含量,從而更有利于中小型土壤動(dòng)物生存。而秸稈還田后,秸稈主要位于土壤上層,該層營(yíng)養(yǎng)與食物較多,因此,秸稈還田處理樣地中土壤動(dòng)物具有表聚性,同時(shí)由于秸稈還田方式不同,造成了秸稈分解程度不同,從而又造成了土壤動(dòng)物具有差異性(秸稈破碎化程度影響了土壤動(dòng)物攝取食物的類群)。對(duì)于樣地A,其上層(0—10 cm)土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)與類群遠(yuǎn)比其它樣地多(除了對(duì)照樣地C由于優(yōu)勢(shì)動(dòng)物甲螨亞目與節(jié)跳蟲(chóng)科數(shù)量過(guò)高導(dǎo)致土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)多),在樣地A中,土壤動(dòng)物更趨于生存于上層土壤。這是由于樣地A中加入了較多微生物催腐劑與秸稈,等于增加了土壤動(dòng)物食物來(lái)源,而微生物催腐劑加快了秸稈降解(秸稈降解初期,主要是大型土壤動(dòng)物通過(guò)取食來(lái)破碎化,這個(gè)階段,適于大型土壤動(dòng)物生存,這個(gè)階段后,才是中小型土壤動(dòng)物起主要作用,同時(shí),也利于中小型土壤動(dòng)物生存。因此,微生物催腐劑加入促進(jìn)了秸稈降解的第一個(gè)階段快速完成,從而創(chuàng)造了更有利于中小型土壤動(dòng)物生存的生境),而微生物催腐劑與秸稈主要位于土層上部,因此,樣地A中,中小型土壤動(dòng)物表聚特征更明顯。這進(jìn)一步說(shuō)明,在樣地A的還田方式下,更有利于中小型土壤動(dòng)物的生存。

4.3 土壤環(huán)境因素對(duì)土壤動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)主要影響

秸稈還田改良了土壤結(jié)構(gòu),使土壤疏松,孔隙度增加,容量減輕,促進(jìn)微生物活力和作物根系的發(fā)育,從而改變了土壤動(dòng)物的生境。在本研究中,由于秸稈還田量與還田方式不同,造成秸稈降解速率與土壤作用強(qiáng)度差異,從而表現(xiàn)出土壤理化性質(zhì)具有一定差異性,進(jìn)行影響了土壤群落結(jié)構(gòu)。而土壤動(dòng)物是耕作生態(tài)系統(tǒng)的重要組成要素,敏感性強(qiáng),活動(dòng)能力強(qiáng),能對(duì)土壤環(huán)境的變化做出快速的反應(yīng)[25]。因此,其特征指標(biāo)可以作為衡量土壤質(zhì)量變化的重要因子。測(cè)定土壤生物的數(shù)量和活性可為土壤退化或改善作早期的指示作用[26]。如Ivask等研究表明：蚯蚓群落特征對(duì)土壤的類型、有機(jī)質(zhì)含量、孔隙度、酸堿性和含水率等起指示作用[27]。朱新玉等研究結(jié)果初步認(rèn)為：農(nóng)田土壤動(dòng)物類群的種群個(gè)體數(shù)量、線蟲(chóng)動(dòng)物門個(gè)體數(shù)量、大蚓類個(gè)體數(shù)量、甲螨亞目個(gè)體數(shù)量、密度-類群指數(shù) DG 及土壤動(dòng)物群落類群數(shù)等6個(gè)指標(biāo)能夠預(yù)測(cè)長(zhǎng)期施肥引起的土壤肥力變化,具有指示土壤質(zhì)量變化的潛力[10]。為此,本文為了明晰在耕作黑土秸稈還田過(guò)程中土壤動(dòng)物的敏感因子,采用主從分析法對(duì)19個(gè)土壤動(dòng)物特征指標(biāo)進(jìn)行了分析,結(jié)果土壤動(dòng)物密度、土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)、甲螨亞目動(dòng)物類群、節(jié)跳蟲(chóng)科類群、前氣門亞目類群這幾個(gè)指標(biāo)得分最高。這表明：這5個(gè)中小型土壤動(dòng)物特征指標(biāo)對(duì)不同秸稈還田處理最為敏感,也就是對(duì)土壤質(zhì)量變化最為敏感。同時(shí),采用CCA 分析土壤動(dòng)物類群密度與土壤環(huán)境因子之間的關(guān)系,該結(jié)果進(jìn)一步表明了具體某個(gè)土壤動(dòng)物類群對(duì)不同土壤環(huán)境因子變化的響應(yīng)變化特點(diǎn)。總的來(lái)說(shuō), 受土壤環(huán)境因子影響較大的類群多為研究區(qū)域內(nèi)優(yōu)勢(shì)類群與常見(jiàn)類群,土壤動(dòng)物的密度與土壤中有機(jī)質(zhì)、有機(jī)碳、碳氮比與全磷的含量關(guān)系最為密切。

綜上所述,在研究區(qū)域內(nèi)甲螨亞目、姬跳蟲(chóng)科、棘跳蟲(chóng)科與駝跳科等類群土壤動(dòng)物在本地區(qū)是最能適應(yīng)環(huán)境變化的土壤動(dòng)物類群。另外,前氣門亞目、中氣門亞目與節(jié)跳蟲(chóng)科等土壤動(dòng)物類群是該地區(qū)廣適性土壤動(dòng)物類群。樣地經(jīng)過(guò)秸稈處理后對(duì)土壤動(dòng)物群落影響較大,但不同秸稈還田處理方式對(duì)不同土壤動(dòng)物的特征指標(biāo)影響是不一樣的。秸稈處理后樣地同樣具有表聚性,而且土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)表聚性更為明顯。在樣地A中,采用玉米秸稈與高濃度微生物催腐劑組合還田,土壤動(dòng)物群落特征指標(biāo)相對(duì)其它秸稈處理樣地較高,而且土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)與類群數(shù)在該處理方式下上層土壤相對(duì)較高,說(shuō)明該種秸稈方式的土壤肥力也相對(duì)較好,有利于耕作黑土中的土壤動(dòng)物生存。不同秸稈還田方式對(duì)土壤動(dòng)物密度、土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)、甲螨亞目動(dòng)物類群、節(jié)跳蟲(chóng)科類群、前氣門亞目影響較大。這五個(gè)指標(biāo)是耕作黑土中對(duì)秸稈還田方式反應(yīng)的敏感土壤動(dòng)物指標(biāo),今后,可以針對(duì)這5個(gè)土壤動(dòng)物指標(biāo)進(jìn)行量化研究,作為考察耕作黑土秸稈還田肥力效應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

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Effect of straw-returning management on meso-micro soil fauna in a cultivated black soil area

YANG Xu, GAO Meixiang, ZHANG Xueping, LIN Lin*, SHA Di, ZHANG Limin

KeyLaboratoryofRemoteSensingMonitoringofGeographicEnvironment,CollegeofHeilongjiangProvince,CollegeofGeographicalScience,HarbinNormalUniversity,Harbin150025,China

Crop straw is an important material basis for nutrient cycling in agro-ecosystems. Straw returning is a method in which straw is applied to the soil to improve soil properties, and is used for accelerating immature soil development in cultivated land and improving soil fertility. Soil fauna is an important component of the ecosystem, and is involved in the straw decomposition process, improving the decomposition of organic matter and promoting nutrient absorption by plants. Therefore, research on the ecology of soil fauna and sustainable utilization of cultivated soil, including black soil, has been widely conducted. Understanding the correlation between soil fauna and straw returning will provide a scientific basis for the protection of the soil fauna community and sustainable utilization management of tillage ecosystems in black soil areas. To investigate the effect of straw returning on meso-micro soil fauna communities in cultivated black soil, field experiments were carried out in Hai-lun, Heilongjiang Province from 2009 to 2011. The experiments were conducted in five selected plots: Plot A: 17 kg corn straw returning and high concentrations of microbial inoculants; Plot B: 8.5 kg corn straw returning and low concentrations of microbial inoculants; Plot C: control; Plot D: 8.5 kg corn straw returning; and Plot E: 17 kg corn straw returning. A total of 21,779 individuals, belonging to 58 groups, were extracted and identified in the plots. Among them, Oribatida, Hypogastruridae, Onychiuridae, and Cyphoderidae were most suitable to understand environmental changes in the study area. Analysis of the soil fauna community structure showed that the density, group number, and Simpson Dominance Index of soil fauna were highest in the control Plot C (46,591.67 ind/m2, 17.17, 0.37, respectively). The soil fauna richness index was highest in Plot D (2.63); the diversity index was highest in Plot A (1.72); and the evenness index was highest in Plot B (0.64). Meanwhile, the soil fauna was characterized by surface accumulation in the experimental plots. The group numbers of dominant soil fauna in Plot A in all soil layers were lower than those in other plots, and soil fauna was more dominant in the upper layer of the soil. Together, the method of straw returning in Plot A was the most productive for soil fauna. In addition, the results of a Principal Component Analysis (PCA) indicated that different methods of straw returning had a considerable effect on soil fauna density. Oribatida, Isotomidae, and Prostigmata were sensitive soil fauna that responded to different methods of straw returning, and could therefore be considered as an evaluating index to investigate the fertility effect of straw returning in cultivated black soil in the future. The results of the Canonical Correspondence Analysis (CCA) indicated that the dominant and common groups of soil fauna were considerably influenced by the soil environment, and the density of soil fauna was closely associated with organic matter, organic carbon, the carbon to nitrogen ratio, and total phosphorus in the soil.

straw returning; cultivated black soil; meso-micro soil fauna; community structure; soil environment

10.5846/stxb201511202350

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41371072, 41471037); 黑龍江省普通本科高等學(xué)校青年創(chuàng)新人才培養(yǎng)計(jì)劃(UNPYSCT- 2015054);哈爾濱師范大學(xué)校青年學(xué)術(shù)骨干項(xiàng)目(10XQXG08)

2015- 11- 20; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2016- 08- 30

楊旭,高梅香,張雪萍,林琳,沙迪,張利敏.秸稈還田對(duì)耕作黑土中小型土壤動(dòng)物群落的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(7):2206- 2216.

Yang X, Gao M X, Zhang X P, Lin L, Sha D, Zhang L M.Effect of straw-returning management on meso-micro soil fauna in a cultivated black soil area.Acta Ecologica Sinica,2017,37(7):2206- 2216.

*通訊作者Corresponding author.E-mail: 13836141230@163.com