不同栽培模式對中小型土壤動物多樣性的影響*

陳 茜, 李強(qiáng)強(qiáng), 唐 偉, 王禎祎, 陶 軍**, 許映軍, 顧 衛(wèi)

不同栽培模式對中小型土壤動物多樣性的影響*

陳 茜1,2, 李強(qiáng)強(qiáng)1,2, 唐 偉2, 王禎祎1,2, 陶 軍1,2**, 許映軍1,2, 顧 衛(wèi)1,2

(1. 北京師范大學(xué)環(huán)境演變與自然災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100875; 2. 北京師范大學(xué)地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部 北京 100875)

土壤動物是土壤中重要的生物群落, 在分解凋落物、土壤有機(jī)質(zhì)以及維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)平衡等方面中扮演重要角色。為了研究不同栽培模式下中小型土壤動物多樣性特征, 探究有利于中小型土壤動物的種植方式, 本文研究了有機(jī)與常規(guī)栽培、大棚與露天、茄果與葉菜等不同栽培模式對中小型土壤動物種群數(shù)量、組成和多樣性等特征的影響。結(jié)果表明: 1)利用Tullgren法在18個(gè)樣地共獲得中小型土壤動物3 869只, 隸屬于2門14目30科(亞目)。輻螨亞目、甲螨亞目以及等節(jié)跳科構(gòu)成了研究區(qū)土壤動物的主要部分。2)露天條件下, 有機(jī)栽培使5~10 cm和10~15 cm土層中小型土壤動物數(shù)量顯著高于常規(guī)栽培; 但大棚條件下, 有機(jī)栽培使0~5 cm和5~10 cm土層中小型土壤動物數(shù)量顯著低于常規(guī)栽培。3)有機(jī)栽培下, 大棚內(nèi)0~5 cm和10~15 cm土層中小型土壤動物數(shù)量顯著低于露天, 且棚內(nèi)10~15 cm層中小型土壤動物豐富度顯著高于常規(guī)栽培; 而常規(guī)栽培下, 大棚內(nèi)5~10 cm土層中小型土壤動物數(shù)量著高于露天。無論有機(jī)和常規(guī)栽培, 棚內(nèi)0~5 cm層中小型土壤動物Shannon-Weiner多樣性高于露天。4)有機(jī)栽培使葉菜作物10~15 cm土層中小型土壤動物數(shù)量顯著低于常規(guī)栽培, 且0~5 cm土層中小型土壤動物均勻度指數(shù)顯著高于常規(guī)栽培; 常規(guī)栽培使葉菜作物0~5 cm和5~10 cm土層中小型土壤動物數(shù)量顯著高于茄果作物。因此, 在設(shè)施條件下采用有機(jī)栽培和管理, 且利用作物輪作可能更有利于土壤動物群落數(shù)量和多樣性的增加。

有機(jī)栽培; 大棚種植; 露天種植; 作物種類; 中小型土壤動物

土壤動物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分, 其生活依賴于土壤環(huán)境, 并在土壤理化性狀、物質(zhì)循環(huán)和能量交換等方面發(fā)揮著極其重要的作用[1]。土壤動物作為對土壤環(huán)境變化反映敏感的生物指標(biāo), 其組成、數(shù)量及其分布可以反映土壤環(huán)境的質(zhì)量狀況[2]。其中, 中小型土壤動物通過破碎凋落物及取食調(diào)節(jié)微生物群落對土壤生態(tài)系統(tǒng)起著重要作用[3-4]。在人為擾動的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中, 土壤動物同樣能夠促進(jìn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)、改良土壤結(jié)構(gòu), 且其類群組成和數(shù)量也是指示農(nóng)業(yè)土壤生態(tài)環(huán)境的重要指標(biāo)[5]。土壤動物多樣性的減少則會引起植被的養(yǎng)分循環(huán)和養(yǎng)分吸收水平的降低[6]。在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中, 栽培模式、設(shè)施條件等農(nóng)業(yè)管理措施及作物種類也會對中小型土壤動物群落結(jié)構(gòu)和多樣性產(chǎn)生影響[7]。近年來, 伴隨著城市化進(jìn)程, 大城市群人口增加, 如京津冀地區(qū)。為了滿足城市人口對農(nóng)產(chǎn)品的需求, 設(shè)施農(nóng)業(yè)成為最主要的生產(chǎn)方式, 且種植面積不斷增加[8]。如, 京津冀地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)面積超于260 km2[9]。但設(shè)施種植“高投入、高產(chǎn)出”的特點(diǎn)以及高溫、高濕環(huán)境會導(dǎo)致土壤板結(jié)、次生鹽漬化、土壤酸化、土傳病害等問題[8]。上述的常規(guī)設(shè)施種植不僅改變了土壤物理和化學(xué)性狀, 也會影響土壤中生物多樣性和群落結(jié)構(gòu)特征。有研究表明, 常規(guī)設(shè)施栽培措施使土壤動物類群數(shù)減少, 密度、多樣性指數(shù)也存在降低趨勢[10]。

有機(jī)設(shè)施種植不僅能有效緩解設(shè)施種植的負(fù)面作用, 對土壤生物也能產(chǎn)生積極的影響[11]。相較于常規(guī)栽培, 有機(jī)栽培在增加土壤生物數(shù)量, 促進(jìn)和維持農(nóng)田土壤生物多樣性等方面起到積極作用[12-15]。此外, 相對于大田種植, 設(shè)施種植中采取了不同的管理模式, 如高溫悶棚、膜下滴灌等[16-18]帶來的小氣候效應(yīng)使土壤生物數(shù)量、群落組成和多樣性發(fā)生變化[19-20]。

目前, 設(shè)施土壤生物多樣性和群落結(jié)構(gòu)的研究主要集中于土壤微生物和設(shè)施條件(大棚與露天)、栽培模式等單因素的研究[21], 綜合比較栽培模式(有機(jī)和常規(guī))、設(shè)施條件(大棚和露天)以及不同作物種類下中小型土壤動物多樣性和群落結(jié)構(gòu)特征的研究較少。為此通過研究不同栽培模式、設(shè)施條件和作物種類及其交互作用, 對比3種影響因素下中小型土壤動物的群落結(jié)構(gòu)及多樣性, 進(jìn)一步探究利于中小型土壤動物種群數(shù)量增加、提高生物多樣性的種植方式, 為設(shè)施條件下土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定做出貢獻(xiàn), 也為設(shè)施種植土壤生態(tài)環(huán)境改善和可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究試驗(yàn)樣地選擇在北京市順義區(qū)設(shè)施蔬菜種植園(116°49￠E, 40°04￠N)。該區(qū)土壤類型為黏壤土, 年平均氣溫11.5 ℃, 年日照時(shí)數(shù)2 750 h, 無霜期191~199 d, 年均相對濕度50%, 年均降雨量約625 mm。2016年6月, 經(jīng)采樣分析測定0~15 cm供試土壤基本化學(xué)性質(zhì): pH 7.45, 電導(dǎo)率88.65 μS·cm-1, 銨態(tài)氮1.40 mg·kg-1, 硝態(tài)氮3.48 mg·kg-1, 總可溶性氮9.09 mg·kg-1, 全磷0.52 g·kg-1, 速效磷20.21 mg·kg-1, 速效鉀134.06 mg·kg-1, 有機(jī)質(zhì)16.36 g·kg-1, 陽離子交換量12.07 cmol·kg-1。種植園區(qū)占地面積0.11 km2, 共有75個(gè)大棚, 大棚長100 m, 寬7 m, 棚齡5年。

1.2 試驗(yàn)方法

研究共設(shè)置6個(gè)處理, 分別為有機(jī)設(shè)施栽培模式和常規(guī)設(shè)施栽培模式下的葉菜類種植、茄果類種植以及有機(jī)設(shè)施棚外和常規(guī)設(shè)施棚外的的玉米()地。每個(gè)設(shè)施處理下隨機(jī)選取3個(gè)大棚,每個(gè)棚作為一個(gè)樣地, 大棚東西走向, 長60 m, 寬7 m, 高3 m。該地區(qū)露天普遍種植玉米, 由于條件限制, 無法保障作物統(tǒng)一, 暫且忽略作物的影響。露天隨機(jī)選取有機(jī)與常規(guī)栽培棚外玉米地各3個(gè), 施肥栽培方式與樣地面積大小與棚內(nèi)保持一致。共6個(gè)處理, 18個(gè)樣地, 每個(gè)樣地間相隔7 m。

每個(gè)棚內(nèi)(或棚外)隨機(jī)設(shè)置3個(gè)10 cm×10 cm的樣方作為重復(fù), 每個(gè)樣方分別采集0~5 cm、5~10 cm、10~15 cm土層土壤, 設(shè)施棚內(nèi)獲取土壤樣品108個(gè), 棚外獲取土壤樣品54個(gè), 共162個(gè)。采樣當(dāng)季作物于2016年3月種植, 采樣于2016年6月進(jìn)行, 此時(shí)棚內(nèi)作物處于收獲期, 玉米處于生長后期。有機(jī)設(shè)施栽培模式基肥為北京市特供商品有機(jī)肥, 施用量為1 000~1 200 kg·hm-2; 其總氮1.94 g·kg-1, 總磷0.58 g·kg-1, 總鉀0.84 g·kg-1, 有機(jī)質(zhì)182.45 g·kg-1。常規(guī)設(shè)施栽培模式以磷酸二銨和菜園專用復(fù)合肥(鉀肥)為基肥, 兩種肥料按6∶1比例混合, 施用量為450 kg·hm-2, 混合肥料肥效總養(yǎng)分≥680 g·kg-1, 氮素180 g·kg-1, P2O5460 g·kg-1, K2O 70 g·kg-1。兩種栽培模式后期都進(jìn)行3~4次追肥, 追肥施用磷酸二銨, 每次施用量為120 kg·hm-2。有機(jī)設(shè)施栽培模式每年7月底進(jìn)行30~45 d悶棚殺菌, 采用粘蟲網(wǎng)防治害蟲; 采用蜜蜂傳粉(熊蜂, 1 200 kg·hm-2)。常規(guī)設(shè)施栽培模式定植后噴施化學(xué)殺蟲劑(噻蟲嗪、滅蠅胺)3~5次防治害蟲; 人工授粉。兩種栽培模式均采用人工割草方式。常規(guī)模式產(chǎn)量基本穩(wěn)定在茄果60 000 kg·hm-2, 葉菜12 000 kg·hm-2, 有機(jī)模式果蔬產(chǎn)量為常規(guī)模式的80%。

茄果類蔬菜為西紅柿()和辣椒(), 葉菜類蔬菜為韭菜()和西芹()。兩種模式下, 灌溉方式均為滴灌。覆膜方式均采用茄果覆膜, 葉菜不覆膜。在種植過程中, 均為茄果起壟, 葉菜不起壟。茄果栽培密度為3.45萬~4.20萬株·hm-2; 葉菜芹菜栽培密度為45萬~30萬株·hm-2, 韭菜栽培密度450萬~525萬株·hm-2。

采用Tullgren法[22]采集中小型土壤動物。土壤動物保存在裝有75%酒精溶液的樣品收集瓶中, 帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行類群鑒定和數(shù)目統(tǒng)計(jì)。土壤動物樣品在Olympus SZX16雙目體視顯微系統(tǒng)下觀察鑒定, 分類鑒定主要參考《中國土壤動物檢索圖鑒》《昆蟲分類》[23-24], 一般鑒定到科, 少數(shù)鑒定到亞目, 對成蟲與幼蟲分別分類、統(tǒng)計(jì)數(shù)量以及分析。

在樣地內(nèi)進(jìn)行“S”形取土, 取土深度分為0~5 cm、5~10 cm和10~15 cm, 每棚4鉆(土鉆直徑3 cm, 深度20 cm), 然后將每個(gè)樣地內(nèi)的同層土樣混勻后合成一個(gè)樣品, 帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行土壤pH、電導(dǎo)率(EC)、氨態(tài)氮(NH4+-N)和硝態(tài)氮(NO3--N)等分析。土壤樣品測定方法參考《土壤農(nóng)化分析》。

1.3 數(shù)據(jù)分析

土壤動物多度根據(jù)原始捕獲量占捕獲總量的百分比劃分各類群數(shù)量等級[25]。原始捕獲量占捕獲總量10%以上的為優(yōu)勢類群(dominant group), 介于1%~ 10%的為常見類群(common group), 1%以下的為稀有類群(rare group)。

使用Microsoft Excel 2016軟件進(jìn)行土壤動物不同土層(樣地重復(fù)間取均值)以及整體數(shù)量統(tǒng)計(jì), 并計(jì)算土壤動物群落Shannon-Weiner多樣性指數(shù)()、Pielou均勻度指數(shù)()、Simpson優(yōu)勢度指數(shù)()以及Menhinick豐富度指數(shù)()。

土壤動物群落多樣性的計(jì)算公式如下:

=/ln(2)

=ln/ln(4)

式中:P=n/N,n為第個(gè)類群的個(gè)體數(shù),為群落中所有類群的個(gè)體總數(shù),為類群數(shù)。

使用SPSS 20.0對栽培模式和設(shè)施條件(大棚條件下取葉菜和茄果類每個(gè)重復(fù)均值)以及設(shè)施大棚條件下栽培模式和作物種類, 進(jìn)行雙因素方差分析, 得出對不同土層中小型土壤動物多樣性的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤動物群落組成

在6個(gè)處理的18個(gè)樣地中共捕獲中小型土壤動物3 869只, 分屬于2門14目30科。其中, 露天條件下6個(gè)樣地捕獲中小型土壤動物1 432只, 分屬于2門8目22科; 大棚條件下12個(gè)樣地捕獲中小型土壤動物2 437只, 分屬于12目25科。輻螨亞目(Actinedida)、甲螨亞目(Oribatida)以及彈尾目[等節(jié)跳科(Onychiruidae)]構(gòu)成了研究區(qū)土壤動物的主要部分(表1、表2)。

由表1可知, 露天條件下, 輻螨亞目、甲螨亞目、彈尾目[棘跳科(Isotomidae)與等節(jié)跳科]為主要優(yōu)勢類群, 4種優(yōu)勢類群之和占該地區(qū)土壤動物總數(shù)量的84.63%, 其中輻螨亞目占土壤動物總?cè)郝涞?1.19%, 超過該樣區(qū)土壤動物總數(shù)一半。革螨亞目(Gamasida)、彈尾目[長角跳科(Entomobryidae)]及膜翅目[蟻科(Formicidae)]為研究區(qū)域的常見類群, 其個(gè)體數(shù)占露天樣地總個(gè)體數(shù)的12.37%。在露天條件下, 有機(jī)栽培中的甲螨亞目與膜翅目(蟻科)所占總個(gè)體數(shù)的比重明顯高于常規(guī)栽培, 革螨亞目與等節(jié)跳科則相反。

表2可知, 輻螨亞目、甲螨亞目、革螨亞目及彈尾目(等節(jié)跳科)為大棚條件下土壤動物的主要優(yōu)勢類群, 4種優(yōu)勢類群之和占該地區(qū)土壤動物的80.78%。棘跳科、球角跳科(Hypogastruridae)、蟻科以及蜉金龜科(Aphodiidae)為常見類群, 個(gè)體數(shù)占總個(gè)體數(shù)的15.4%。有機(jī)栽培中, 輻螨亞目與彈尾目(棘跳科)所占比重明顯高于常規(guī)栽培, 等節(jié)跳科與蟻科相反。球角跳科作為大棚設(shè)施條件下的常見類群只在葉菜類樣地中出現(xiàn), 可作為指示類物種。

表1 不同栽培模式露天條件下中小型土壤動物組成(n=6)

+++代表優(yōu)勢類群(≥10.0%); ++代表常見類群(1.0%~10.0%); +代表稀有類群(≤1.0%)。+++: predominant group (≥10%); ++: frequent group (1.0%-10.0%); +: rare group (≤1.0%).

表2 不同栽培模式大棚設(shè)施條件下中小型土壤動物組成(n=12)

+++代表優(yōu)勢類群(≥10.0%); ++代表常見類群(1.0%~10.0%); +代表稀有類群(≤1.0%)。+++: predominant group (≥10%); ++: frequent group (1.0%-10.0%); +: rare group (≤1.0%).

2.2 土壤動物個(gè)數(shù)

露天條件下, 有機(jī)栽培5~10 cm和10~15 cm土層中小型土壤動物數(shù)量顯著高于常規(guī)栽培; 大棚條件下, 有機(jī)栽培的(茄果和葉菜類作物)0~5 cm和5~10 cm層中小型土壤動物數(shù)量顯著低于常規(guī)栽培, 有機(jī)栽培下的葉菜處理10~15 cm層中小型土壤動物數(shù)量顯著低于常規(guī)栽培。有機(jī)栽培下, 大棚內(nèi)0~5 cm、10~15 cm層中小型土壤動物數(shù)量顯著低于露天, 而常規(guī)栽培下, 大棚內(nèi)5~10 cm層中小型土壤動物數(shù)量顯著高于露天。常規(guī)栽培下, 棚內(nèi)葉菜處理的0~5 cm和5~10 cm層中小型土壤動物數(shù)量顯著高于茄果處理(圖1)。

2.3 土壤動物群落多樣性

調(diào)查結(jié)果顯示(表3), 有機(jī)與常規(guī)栽培模式相比, 各土層中小型土壤動物Shannon-Weiner多樣性、均勻度和優(yōu)勢度指數(shù)差異不顯著。

圖1 不同處理間各土層中小型土壤動物個(gè)體數(shù)和類群數(shù)

OS: 有機(jī)模式大棚茄果類; OL: 有機(jī)模式大棚葉菜類; CS: 常規(guī)模式大棚茄果類; CL: 常規(guī)模式大棚葉菜類; OO: 露天有機(jī)模式; CO: 露天常規(guī)模式。不同小寫字母表示同一土層不同處理間差異顯著(<0.05)。OS: organic management of solanaceous vegetable in the greenhouse; OL: organic management of leafy vegetable in the greenhouse; CS: conventional management of solanaceous vegetable in the greenhouse; CL: conventional management of leafy vegetable in the greenhouse; OO: organic management in the open air; CO: conventional management in the open air. Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments in the same soil layer at 0.05 level．

表3 不同處理間各土層中小型土壤動物多樣性指數(shù)(n=18)

OS: 有機(jī)模式大棚茄果類; OL: 有機(jī)模式大棚葉菜類; CS: 常規(guī)模式大棚茄果類; CL: 常規(guī)模大棚式葉菜類; OO: 露天有機(jī)模式; CO: 露天常規(guī)模式。同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示同一土層不同處理間差異顯著(<0.05)。OS: organic management of solanaceous vegetable in the greenhouse; OL: organic management of leafy vegetable in the greenhouse; CS: conventional management of solanaceous vegetable in the greenhouse; CL: conventional management of leafy vegetable in the greenhouse; OO: organic management in the open air; CO: conventional management in the open air. Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments in the same soil layer at 0.05 level．

有機(jī)與常規(guī)栽培模式下中小型土壤動物Shannon- Weiner多樣性沒有顯著差異。大棚條件下, 有機(jī)栽培的葉菜處理0~5 cm土層中小型土壤動物均勻度指數(shù)顯著高于常規(guī)栽培模式(<0.05); 有機(jī)栽培(包括葉菜與茄果作物)的10~15 cm土層中小型土壤動物豐富度顯著高于常規(guī)栽培。無論有機(jī)和常規(guī)栽培, 棚內(nèi)0~5 cm土層中小型土壤動物Shannon-Weiner多樣性和均勻度高于露天, 但差異不顯著; 有機(jī)栽培模式下, 棚內(nèi)(包括葉菜與茄果作物)的10~15 cm土層中小型土壤動物豐富度顯著高于露天。常規(guī)栽培下, 葉菜作物0~5 cm土層中小型土壤動物均勻度顯著高于茄果作物。研究表明, 設(shè)施條件對0~5 cm土層Shannon-Weiner多樣性()、均勻度指數(shù)()以及優(yōu)勢度指數(shù)()有顯著影響(<0.05), 栽培模式和作物類型對不同土層中小型土壤動物多樣性指數(shù)的影響不顯著(表4、表5)。

表4 不同栽培模式和栽培條件對不同土層中小型土壤動物多樣性指數(shù)的影響 (Two-way ANOVA)

: Shannon-Weiner多樣性指數(shù);: 均勻度指數(shù);: 優(yōu)勢度指數(shù);: 豐富度指數(shù)。*表示<0.05; **表示<0.01。: Shannon-Weiner index;: Pielou evenness index;: Simpson dominance index;: Menhinick richness index. * and ** mean significant effects at< 0.05 and< 0.01, respectively.

3 討論

本研究所有處理土壤中輻螨亞目、甲螨亞目與等節(jié)跳科為主要的優(yōu)勢類群, 這與大多數(shù)農(nóng)田研究結(jié)果類似[14,26], 這表明即使農(nóng)田自然地理環(huán)境存在差異, 但在人為長期擾動(施肥、耕作等)下, 土壤動物群落結(jié)構(gòu)趨于一致。在露天條件下, 有機(jī)栽培的中小型土壤動物數(shù)量顯著高于常規(guī)栽培, 這與已有的大多數(shù)研究結(jié)果一致——有機(jī)農(nóng)業(yè)可以增加土壤生物數(shù)量[11,14,27]。在大棚條件下, 有機(jī)栽培的中小型土壤動物數(shù)量低于常規(guī)栽培, 且多樣性沒有顯著差異。這一研究結(jié)果與試驗(yàn)預(yù)期相反。研究表明, 有機(jī)栽培過程中有機(jī)肥施用有利于土壤生物多樣性增加[12,14,28]。且設(shè)施大棚條件下, 有機(jī)栽培使得土壤細(xì)菌多樣性高于常規(guī)栽培[11]。但也有研究表明, 有機(jī)栽培的生物多樣性與常規(guī)栽培無顯著差異, 甚至低于常規(guī)栽培[29-31]。這可能與大棚條件和管理過程中一些具體措施有關(guān)[32]。有研究表明, 由于不同農(nóng)業(yè)管理措施及其設(shè)施條件下形成的局部小氣候可能導(dǎo)致有機(jī)栽培中土壤動物(蚯蚓)生物量與常規(guī)栽培沒有顯著差異甚至低于常規(guī)栽培[33-34]。另外, 本研究的設(shè)施大棚于每年7月份采用灌水悶棚措施增加土壤溫度進(jìn)行土傳病蟲害的防治。因此, 過高的土壤溫度也可能直接影響了設(shè)施大棚中小型土壤動物數(shù)量[35]。有研究表明, 中小型土壤動物對土壤溫度較敏感[36-37]。

表5 不同栽培模式下作物種類對不同土層中小型土壤動物多樣性指數(shù)的影響(Two-way ANOVA)

: Shannon-Weiner多樣性指數(shù);: 均勻度指數(shù);: 優(yōu)勢度指數(shù);: 豐富度指數(shù)。*表示0.05; **表示<0.01.: Shannon-Weiner index;: Pielou evenness index;: Simpson dominance index;: Menhinick richness index. * and ** mean significant effects at< 0.05 and< 0.01, respectively.

常規(guī)栽培下, 大棚內(nèi)5~10 cm和10~15 cm的中小型土壤動物數(shù)量高于露天。這可能歸功于大棚內(nèi)的高水分和養(yǎng)分投入促進(jìn)植物生長, 土壤根系增加帶來更多的有機(jī)質(zhì), 更有利于土壤動物數(shù)量的增加[38]。而有機(jī)栽培下, 棚內(nèi)的中小型土壤動物數(shù)量低于露天。這可能由于有機(jī)條件下的設(shè)施大棚每年的悶棚處理減少了土壤中小型動物數(shù)量。棚內(nèi)的0~5 cm土層中小型土壤動物Shannon-Weiner指數(shù)和均勻度指數(shù)顯著高于露天處理, 而在其他土層兩個(gè)處理間沒有顯著差異。這可能由于以下兩個(gè)原因: 1)露天條件下表層土壤受到自然環(huán)境條件(溫度和水分變異性大)的影響較大, 不利于中小型土壤動物生存, 而棚內(nèi)表層土壤的溫度和水分變異性較小, 有利于中小型土壤動物生存[39-40]; 2)與棚內(nèi)相比, 露天土壤中植物根系主要分布表層以下, 進(jìn)而也影響了表層土壤中小型土壤動物的數(shù)量和多樣性[41]。

常規(guī)栽培下, 葉菜處理的0~5 cm和5~10 cm土層中小型土壤動物數(shù)量顯著高于茄果處理, 但其Shannon-Weiner多樣性低于茄果處理。這可能因?yàn)槌Ｒ?guī)栽培下茄果類作物采用膜下滴灌。覆膜影響土壤與大氣的氣體交換, 土壤含氧量低[42], 影響中小型土壤動物數(shù)量; 此外, 可能由于茄果作物栽培采用的地膜覆蓋在一定程度上限制了鞘翅目、步甲科、正蚓科等出土類地表活動頻繁的土壤動物[42]。有研究表明, 體型較大的中小型土壤動物受到農(nóng)業(yè)強(qiáng)度的影響較大[43]。但茄果類作物的發(fā)達(dá)根系能夠?yàn)橥寥乐猩锾峁┴S富多樣的食物資源, 有利于豐富土壤動物種類, 促進(jìn)中小型土壤動物多樣性增加[44]。此外, 有機(jī)栽培下茄果類作物中的等節(jié)跳科個(gè)體數(shù)遠(yuǎn)多于該樣地下其他種類土壤動物數(shù)量, 這可能影響了該樣地的其他類群出現(xiàn)或其數(shù)量的增加。研究表明, 施用有機(jī)肥可能增加了土壤中真菌的生物量從而為彈尾目提供更充足的食物資源, 使得彈尾目數(shù)量增加[45]; 膜下滴灌使得土壤表層含水量高, 適于真菌的生長, 為等節(jié)跳科的生存提供了充足的食物資源。

4 結(jié)論

大棚條件下, 有機(jī)比常規(guī)栽培有較低的中小型土壤動物數(shù)量。有機(jī)栽培下, 大棚內(nèi)0~5 cm和10~15 cm土層中小型土壤動物數(shù)量顯著低于露天。常規(guī)栽培下, 棚內(nèi)葉菜處理0~10 cm土層中小型土壤動物數(shù)量顯著高于茄果處理。大棚條件下, 有機(jī)栽培模式的中小型土壤動物Shannon-Weiner多樣性與常規(guī)栽培間沒有顯著差異, 但其10~15 cm土層的動物豐富度高于常規(guī)栽培。有機(jī)栽培下, 棚內(nèi)10~15 cm土層中小型土壤動物豐富度高于露天。這些結(jié)果表明, 在棚內(nèi), 雖然中小型土壤動物的數(shù)量在有機(jī)栽培下顯著低于常規(guī)栽培, 但其多樣性與常規(guī)栽培并無顯著差異。因此, 棚內(nèi)采用有機(jī)栽培和管理, 不僅可以有效減少土壤病蟲害發(fā)生[46], 也能維持中小型土壤動物多樣性。另外, 不同種類作物和管理措施對中小型土壤動物數(shù)量和組成及多樣性產(chǎn)生較大影響。因此, 在大棚內(nèi)有效利用茄果-葉菜輪作制度不僅能提高作物產(chǎn)量[47], 也可能有利于土壤動物群落的恢復(fù)。但上述影響還需進(jìn)行長期的動態(tài)研究去揭示其影響機(jī)制, 進(jìn)而為設(shè)施土壤生態(tài)系統(tǒng)功能和服務(wù)的可持續(xù)性提供理論依據(jù)。

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Effects of different cultivation facilities on the diversity of soil meso- and micro-fauna*

CHEN Xi1,2, LI Qiangqiang1,2, TANG Wei2, WANG Zhenyi1,2, TAO Jun1,2**, XU Yingjun1,2, GU Wei1,2

(1. State Key Laboratory of Environmental Change and Natural Disaster, Ministry of Education, Beijing Normal University, Beijing 100875, China; 2. State Key Laboratory of Earth Surface Process and Resource Ecology, Beijing Normal University / Faculty of Geographical Science, Beijing Normal University, Beijing 100875, China)

Organic agriculture, which has become increasingly popular in recent years and is widely used in greenhouse facilities, is generally believed to be more conducive to agro-ecosystems than conventional agriculture. The soil fauna is a significant biological indicator of the soil environment. An understanding of the differences in the community structure and diversity of the soil fauna under different facility management regimens is necessary. However, little is known about the effects of both organic and conventional agricultural systems on the diversity of soil meso- and micro-fauna. To investigate the effects of organic facility cultivation on the diversity and community structure of soil meso- and micro-fauna, the fauna of soils under 6 treatments (organic and conventional cropping patterns of leafy and solanaceous vegetables in greenhouse, organic and conventional cropping patterns in open air) in the Shunyi District of Beijing in June 2016 was studied. Fauna from the 0–15 cm soil layer was extracted by the modified Tullgren method. In total, there were 3 869 soil meso- and micro-fauna in the 18 sample plots, belonging to 30 families, 14 orders 14, 2 taxa (suborders). The results were as follows: 1) the orders such as Actinedida, Oribatida, and Onychiuridae were in the largest quantities and were the most widely distributed in the study area, where Acarina, Rhabditidae, and Collembola constituted the main taxa of the soil meso- and micro-fauna. 2) In the open air, the numbers of soil meso- and micro-fauna in the 5–10 cm and 10–15 cm layers under organic cultivation were higher than those under conventional cultivation. In the greenhouse, the numbers of soil meso- and micro-fauna in the 0–5 cm and 5–10 cm layers under organic cultivation were significantly lower than those under conventional cultivation. 3) Under organic cultivation, the numbers of soil meso- and micro-fauna in the 0–5 cm and 10–15 cm layers in the greenhouse were significantly lower than those in the open air, and the Menhinick’s abundance index of soil meso- and micro-fauna in the 10–15 cm layer in the greenhouse was higher than that in conventional cultivation. Under conventional cultivation, the number of soil meso- and micro-fauna in the 5–10 cm layer in the greenhouse was significantly higher than that in the open air. The Shannon-Weiner diversity index of soil meso- and micro-fauna in the 0–5 cm layer was higher in the greenhouse than in the open air under both organic and conventional cultivation. 4) Under organic cultivation, the number of soil meso- and micro-fauna in the 10–15 cm layer was lower than that under conventional cultivation, and the Pielou’s evenness indices of soil meso- and micro-fauna in the 0–5 cm layer were higher than those under conventional cultivation when leafy vegetables were cultivated. Under the conventional cultivation of leafy vegetables, there were more meso- and micro-fauna in the 0–5 cm and 5–10 cm soil layers than in those of solanaceous vegetable cultivation. Therefore, organic cultivation and management in the greenhouse, and the effective use of crop rotation system can facilitate the restoration of soil fauna communities.

Organic cultivation; Facility planting; Open-air conditions; Crops species; Meso- and micro-fauna

S154.5

2096-6237(2019)08-1147-10

10.13930/j.cnki.cjea.180618

* 國家科技支撐計(jì)劃課題(2014BAD14B03)資助

陶軍, 主要研究方向?yàn)橥寥郎鷳B(tài)學(xué)。E-mail: juntao@bnu.edu.cn

陳茜, 主要研究方向?yàn)橥寥绖游?。E-mail: 201621480013@mail.bnu.edu.cn

2018-07-02

2019-04-01

* This study was founded by the National Key Technologies R&D Program of China (2014BAD14B03).

, E-mail: juntao@bnu.edu.cn

Jul. 2, 2018;

Apr. 1, 2019

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