有機(jī)肥施用對農(nóng)田中小型土壤動物群落的影響

美 麗，紅 梅,2*，劉鵬飛，趙巴音那木拉,2，德海山,2，李志新

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué),內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011;2.內(nèi)蒙古自治區(qū)土壤質(zhì)量與養(yǎng)分資源重點實驗室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011;3.扎賚特旗農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心,內(nèi)蒙古 興安盟 137600)

內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部的呼倫貝爾市、興安盟、通遼市和赤峰市分布著大面積的黑色或暗黑色腐殖質(zhì)的表層土壤，總面積為17.15萬km2，約占中國東北黑土的1/4～1/5，是我國東北黑土的一部分，也是內(nèi)蒙古自治區(qū)重要的商品糧生產(chǎn)基地[1]。近年來，由于過度開墾、土壤侵蝕及不合理的田間管理措施，造成一系列生態(tài)環(huán)境問題。而作為我國糧食的主產(chǎn)區(qū)，土壤有機(jī)質(zhì)的下降對我國糧食生產(chǎn)造成一定威脅[2]，因此保護(hù)黑土地刻不容緩。增施有機(jī)肥是培肥地力的重要方式，這里畜禽有機(jī)肥資源豐富，且需要人們合理有效地處理禽畜糞便，使其無害化、資源化[3]，并且能夠給作物提供生長所需的大量元素及中微量元素，同時還能增加土壤的生物活性，改善土壤物理和化學(xué)性質(zhì)，如孔隙度、團(tuán)聚體穩(wěn)定性等[4]。而中小型土壤動物作為農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，影響土壤的物質(zhì)能量的遷移與轉(zhuǎn)化，對調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分礦化等物質(zhì)循環(huán)的過程起到重要作用[5-6]。

當(dāng)前化肥的過量、盲目施用等問題凸現(xiàn)，不僅帶來了成本的增加還造成了環(huán)境的污染。長期大量使用化肥會對土壤肥力、生物多樣性和地表水等產(chǎn)生消極影響[7]，有研究發(fā)現(xiàn)化肥的施用減少了小型土壤動物多度和豐度[8]，氮肥的施用降低了小型土壤動物的多樣性[9-10]。有機(jī)肥的添加通常使土壤動物的密度得到顯著提高[11]，因而有機(jī)肥的使用越來越被重視。但由于土壤動物取食和相互關(guān)系相對復(fù)雜，土壤動物各類群對有機(jī)質(zhì)增加的反應(yīng)并不一致[12-13]。國內(nèi)關(guān)于有機(jī)肥施用對農(nóng)田土壤影響的研究主要集中在土壤的理化性質(zhì)和微生物學(xué)等方面。近年來，有關(guān)施用有機(jī)肥對農(nóng)田土壤線蟲的研究越來越多[14-18]，不同量的有機(jī)肥施用對農(nóng)田中小型土壤動物群落的研究報道較少。因此，本研究在前人研究的基礎(chǔ)上對畜禽有機(jī)肥進(jìn)行不同量還田，在農(nóng)田土壤中開展中小型土壤動物群落研究對黑土肥力提升以及考察中小型土壤動物對不同有機(jī)肥施用量的響應(yīng)特征具有重要作用和意義。探討有機(jī)肥在不同施用量下中小型土壤動物群落變化，以及對土壤性狀變化的情況，為黑土農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)健康管理和土壤肥力提升提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部興安盟扎賚特旗農(nóng)業(yè)科技示范園區(qū)試驗示范種植基地，地處大興安嶺南麓向松嫩平原延伸的過渡地帶，處于黑龍江、吉林、內(nèi)蒙古三省區(qū)交界處。東接黑龍江省龍江縣，南與黑龍江省泰來縣、吉林省鎮(zhèn)賚縣交界，西連科爾沁右翼前旗，北與呼倫貝爾市扎蘭屯毗鄰。扎賚特旗屬溫帶大陸性氣候，年平均氣溫3.24℃，年降水量400 mm，無霜期120～140 d。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置4個有機(jī)肥施用梯度，即有機(jī)肥0 kg·hm-2(CK),15 000 kg·hm-2(OF1)、30 000 kg·hm-2(OF2)、45 000 kg·hm-2(OF3)；有機(jī)肥為當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶家發(fā)酵好的牛糞，所有處理均施尿素150 kg·hm-2，磷酸二銨225 kg·hm-2。小區(qū)面積為10 m×10 m=100 m2，重復(fù)3次。種植作物為玉米，品種為先玉335，玉米株距20 cm，行距50 cm。玉米于2016年4月30日耕種，9月26日收獲，其他田間管理一致。

1.3 中小型土壤動物的取樣及鑒定方法

樣品采集于2016年6～9月每個月采樣一次。為了消除邊界效應(yīng)，在每個小區(qū)中心選取3個采樣點，采用10 cm直徑的環(huán)刀，分別按土壤深度0～10、10～20、20～30 cm分層取樣。中小型土壤動物采用改良的Tullgern干漏斗法進(jìn)行24 h分離，并將收集到的中小型土壤動物置于75%的酒精溶液中。中小型土壤動物的分類鑒定依據(jù)尹文英《中國土壤動物檢索圖鑒》[19]在顯微鏡(Olympus CKX41)和體視顯微鏡(SZ78系列)下對標(biāo)本進(jìn)行鑒定，鑒定到科的水平。由于成蟲和幼蟲在土壤中的作用不同，故分開統(tǒng)計。各個體類群等級劃分為：個體密度占總個體密度的10%以上為優(yōu)勢類群；個體密度占總個體密度的1%～10%為常見類群；個體密度占總個體密度的1%以下為稀有類群[20]。

土壤動物采樣的同時，采集各層土樣進(jìn)行土壤理化性質(zhì)指標(biāo)的分析。土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定[21]；土壤pH值采用酸度計(土∶液=1∶5)測定；土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮的測定，先用2 mol·L-1KCl浸提，再用流動注射儀進(jìn)行測定；土壤容重采用環(huán)刀法測定；土壤溫度采用土壤溫度計測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析均使用SAS 9.0軟件，采用單因素方差分析(One-way ANOVA)和多重比較法(LSD)分析不同處理間數(shù)據(jù)的差異。利用Pearson相關(guān)系數(shù)(兩尾測驗)分析所捕獲的主要土壤動物個體密度、類群數(shù)與土壤養(yǎng)分的相關(guān)性。使用Excel 2007繪制圖表。選用多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、豐富度指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)和群落相似性指數(shù)作為不同有機(jī)肥施用量下土壤動物群落結(jié)構(gòu)指標(biāo)[22]，其計算公式如下：

(1)Margalef豐富度指數(shù)：D=(S-1)/lnN；

(2)Shannon-Wiener多樣性指數(shù)：H=-∑(PilnPi)；

(3)Pielou均勻度指數(shù)：E=H/lnS；

(4)Simpson優(yōu)勢度指數(shù)：C=∑Pi2。

式中，Pi為第i個物種的個體數(shù)占總個體數(shù)的比率；N為總個體數(shù)，H為多樣性指數(shù)，S為總種數(shù)或種的總量。

2 結(jié)果與分析

2.1 中小型土壤動物群落組成

有機(jī)肥施用對農(nóng)田中小型土壤動物的個體密度與類群數(shù)有一定的影響，并呈現(xiàn)著一定的規(guī)律。隨著有機(jī)肥施用量的增多，中小型土壤動物個體密度呈遞增趨勢，OF3處理下個體密度達(dá)到最高，個體密度大小依次為OF3>OF2> OF1>CK。類群數(shù)CK最高，OF1、OF2、OF3處理降低了中小型土壤動物的類群數(shù)。

表1 中小型土壤動物個體密度統(tǒng)計 (只·m-2)

續(xù)表

續(xù)表

注：“—”表示該土壤動物類群在該處理中未被發(fā)現(xiàn)。

2.2 中小型土壤動物個體密度與類群數(shù)的月動態(tài)變化

由圖1可知，施用有機(jī)肥對中小型土壤動物群落帶來了一定影響，研究結(jié)果表明，施用有機(jī)肥對中小型土壤動物個體密度影響大于對其類群數(shù)的影響。OF1、OF2、OF3處理顯著提高了中小型土壤動物的個體密度，但降低了類群數(shù)。從個體密度看，各處理均在7月達(dá)到最大值，8月為最小值。從類群數(shù)看，各處理均在7月達(dá)到最大值，9月為最小值。

圖1 施用有機(jī)肥對中小型土壤動物群落的影響及各處理下月動態(tài)變化

2.3 施用有機(jī)肥中小型土壤動物的多樣性變化

由表2可知，施用有機(jī)肥后多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)和優(yōu)勢度指數(shù)均未達(dá)到顯著差異(P>0.05)。多樣性指數(shù)OF2處理最大，排序為OF3

表2 有機(jī)肥不同施用量下農(nóng)田土壤動物的多樣性變化

注：不同小寫字母表示不同處理之間差異顯著(P<0.05)。下同。

2.4 中小型土壤動物的垂直分布

由圖2可知，由于表層土壤疏松、通氣性好，多數(shù)中小型土壤動物棲息在土壤表層中。中小型土壤動物在土層中的垂直分布表現(xiàn)出明顯表聚性特點，并且各處理并未改變這一規(guī)律。在0～10和10～20 cm土層中，只有有機(jī)肥施用量達(dá)到30 000 kg·hm-2(OF2)才與CK差異顯著(P<0.05)，在20～30 cm土層中，只有OF3處理下中小型土壤動物的個體密度高于CK。

2.5 有機(jī)肥施用后土壤理化性質(zhì)與相關(guān)性分析

由表3可知，為明確有機(jī)肥施用對中小型土壤動物帶來的影響，對農(nóng)田施用不同量有機(jī)肥后，土壤環(huán)境發(fā)生了改變。與CK相比，OF3處理顯著提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量、硝態(tài)氮含量和土壤溫度(P<0.05)；顯著降低了土壤pH值和土壤容重(P<0.05)。OF1和OF2處理顯著降低了土壤pH值，增加了土壤溫度(P<0.05)；對其他環(huán)境參數(shù)并沒有顯著影響。

由表4可知，中小型土壤動物對所生存的環(huán)境極為敏感，土壤環(huán)境的變化與中小型土壤動物的變化存在一定的相關(guān)關(guān)系。表4分析了中小型土壤動物群落特征與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系，中小型土壤動物個體密度與土壤有機(jī)質(zhì)、硝態(tài)氮含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與土壤容重呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。土壤中小型動物類群數(shù)與各環(huán)境因素的相關(guān)性都沒有呈顯著效果。

圖2 不同處理土壤動物個體密度和類群數(shù)的垂直分布

注：相同條柱，不同小寫字母表示處理之間個體密度和類群數(shù)差異顯著(P<0.05)；不同大寫字母表示0～10、10～20和20～30 cm間個體密度和類群數(shù)差異顯著(P<0.05)。

表3 施用有機(jī)肥處理下的環(huán)境參數(shù)

表4 有機(jī)肥處理下中小型土壤動物群落與土壤主要理化性質(zhì)的相關(guān)系數(shù)

注：*表示差異顯著(P<0.05)，**表示差異極顯著(P<0.01)。

3 討論

3.1 有機(jī)肥不同施用量對農(nóng)田中小型土壤動物群落的影響

3.2 中小型土壤動物群落多樣性分析

3.3 對中小型土壤動物月動態(tài)變化及垂直分布的影響

6～9月4個月的土壤動物個體密度和類群數(shù)的月動態(tài)變化中，月份對中小型土壤動物的影響較大，個體密度和類群數(shù)都在7月最多；個體密度排序8月<9月<6月<7月，類群數(shù)排序9月<6月<8月<7月。原因可能是當(dāng)?shù)?月份土壤的水熱條件適中，促進(jìn)土壤生物的活動，加快有機(jī)肥在土壤中的腐解速度，為中小型土壤動物提供了一定食物來源，使7月份土壤動物的個體密度和類群數(shù)最多。中小型土壤動物的垂直分布中，個體密度0～10 cm>10～20 cm>20～30 cm(P<0.05)，類群數(shù)0～10 cm>20～30 cm(P<0.05)，這主要是表層土壤養(yǎng)分含量較高，利于中小型土壤動物生存[30]；而土壤動物垂直分布研究表明中小型土壤動物具有表聚特性[31]，但是人為活動能干擾并降低土壤動物表聚性[32]，在本研究中隨土層的加深中小型土壤動物個體密度不斷減少，類群數(shù)也相應(yīng)的減少，但是沒有個體密度明顯。

4 結(jié)論

OF1、OF2、OF3處理均顯著提高了農(nóng)田中小型土壤動物個體密度(P<0.05)，個體密度與土壤有機(jī)質(zhì)、硝態(tài)氮極顯著相關(guān)，與土壤容重顯著負(fù)相關(guān)；而對其類群數(shù)無顯著影響(P>0.05)。施用有機(jī)肥后，OF3處理的優(yōu)勢度指數(shù)最高(0.31)，OF2處理多樣性指數(shù)(1.92)和豐富度指數(shù)(4.17)最高,OF1處理均勻度指數(shù)(0.62)最高。

農(nóng)田中小型土壤動物依舊保持表聚特性，并且有機(jī)肥的施用也并沒有改變這一特性。