施氮量對農(nóng)田及防護林大型土壤動物群落結(jié)構(gòu)的影響

張淑花　周利軍　魏雅冬

摘要：為揭示不同氮濃度作用下大型土壤動物群落結(jié)構(gòu)的特征，對施加不同濃度氮肥的農(nóng)田和防護林進行大型土壤動物群落結(jié)構(gòu)調(diào)查，一次性向樣地中施加不同濃度氮肥，施肥后不同時間通過手撿法分離大型土壤動物，共獲得大型土壤動物2583個，隸屬于環(huán)節(jié)動物門和節(jié)肢動物門2門、4綱、10目。施氮肥使農(nóng)田大型土壤動物個體密度和類群數(shù)降低，不同濃度氮肥作用對農(nóng)田大型土壤動物個體密度和類群數(shù)的影響不顯著（F=0.714，F(xiàn)=0.072，P>0.05），氮肥對防護林個體密度和類群數(shù)影響存在一定的閾值現(xiàn)象，即中等濃度（LN2）較高，高濃度（LN3）較低;農(nóng)田和防護林土壤動物群落多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、豐富度指數(shù)均表現(xiàn)出中氮處理（N2）最高，高氮（N3）處理最低的特點，具有明顯的閾值現(xiàn)象;農(nóng)田和防護林大型土壤動物表現(xiàn)出明顯的時間變化規(guī)律，個體密度和類群數(shù)整體表現(xiàn)為5月>7月>9月的特點，差異分析顯示大型土壤動物個體密度和類群數(shù)在不同取樣時間差異十分顯著（P<0.01）;不同施氮量影響了大型土壤動物的表聚性特征，農(nóng)田樣地大型土壤動物個體密度除TN3樣地表現(xiàn)為0～5層最多外，其他樣地均表現(xiàn)為5～10cm最高，農(nóng)田樣地類群數(shù)在不同土層相差不大;防護林樣地大型土壤動物個體密度在不同土層無明顯規(guī)律，類群數(shù)在各濃度樣地表現(xiàn)為0～5cm最多、向下減少的趨勢。

關(guān)鍵詞：大型土壤動物;群落結(jié)構(gòu);施氮量;農(nóng)田;防護林

中圖分類號：S154;S181文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-1302（2021）04-0205-06

作者簡介：張淑花（1978—），女，黑龍江寶清人，博士，副教授，主要從事為區(qū)域經(jīng)濟與環(huán)境生態(tài)學(xué)研究。E-mail：zshua_2001@126.com。

施肥是目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中補充土壤養(yǎng)分、提高農(nóng)作物產(chǎn)量的重要方法[1]，施肥在很大程度上會影響到土壤的理化性質(zhì)，同時也對生活在土壤中的動物造成影響[2-4]，氮肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最為重要的化學(xué)肥料之一，其使用對農(nóng)作物產(chǎn)量提高具有重要意義，但氮肥的過量施用在一定程度破壞生態(tài)平衡，會帶來一系列生態(tài)環(huán)境問題[5]。我國是目前世界上氮肥施用量最大的國家，每年向土壤中施加的氮肥量達2000萬t以上，占世界氮肥消耗量的30%以上[6]。土壤動物作為土壤生態(tài)系統(tǒng)中重要的生物成分，對土壤系統(tǒng)環(huán)境變化具有較敏感的反應(yīng)，也是用來評價土壤生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo)之一[2]。氮肥的大量使用在增加了土壤氮的有效性同時，也影響了土壤動物的個體發(fā)育、數(shù)量及多樣性。周丹燕等研究表明，氮添加對土壤動物密度有顯著影響，但對土壤動物類群數(shù)影響不顯著[7];徐國良等對鼎湖山森林生態(tài)系統(tǒng)研究表明，隨著施肥濃度的增加，土壤動物的個體總數(shù)及不同土層的類群數(shù)表現(xiàn)出先增加后減少的特征，具有一定的閾值現(xiàn)象[8]。榮海等在溫郁金農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)進行模擬氮沉降試驗結(jié)果表明，低濃度氮處理對大型土壤動物多樣性有促進作用，而高氮處理有抑制作用[9]。這些研究均針對森林或農(nóng)田單一生態(tài)系統(tǒng)來進行，將同一地區(qū)農(nóng)田和防護林結(jié)合起來進行比較研究的還沒有。農(nóng)田防護林作為農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中重要的組成部分，除起到防風(fēng)固沙作用之外，對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的生物也具有“源”和“匯”的功能。本研究選擇農(nóng)田及附近防護林作為試驗對象，通過野外氮添加試驗，研究大型土壤動物對不同濃度氮肥的響應(yīng)，分析不同濃度氮肥對農(nóng)田和防護林土壤動物群落結(jié)構(gòu)的影響，為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)管理及分析氮沉降對生態(tài)系統(tǒng)的影響具有一定意義。

1材料與方法

1.1試驗樣地處理

施肥試驗小區(qū)設(shè)置在黑龍江省哈爾濱市松北區(qū)哈爾濱師范大學(xué)附近一農(nóng)田及相鄰的防護林內(nèi)，地理位置45°51′N，126°33′E，農(nóng)田種植的農(nóng)作物類型為玉米，防護林樹種為楊樹（PopulusL.），樹高約10m，胸徑10cm;林下草本植物有香蒿（ArtemisiaAnnuaL.）、龍牙草（AgrimoniapolosaLedeb.）、龍葵（SolanumnigrumL.）及狗尾草（SetariaviridisBeauv.）等，草本植物總覆蓋度約60%，凋落物層厚1～2cm。處理所用氮肥類型為大慶石化總廠生產(chǎn)的大慶牌尿素（總氮含量≥46.5%），結(jié)合農(nóng)民一般田間化肥施用量，在農(nóng)田和防護林分別設(shè)置3個不同的施肥濃度和一個不施肥對照樣地，濃度分別是12.5g/m2（TN1和LN1）、25.0g/m2（TN2和LN2）和50.0g/m2（TN3和LN3），對照樣地（TN0和LN0），每個樣地面積為4.0m×2.5m，相鄰樣地之間留0.5m不施肥的隔離區(qū)域，在春季播種前一次性將氮肥均勻施加到樣地內(nèi)。農(nóng)田樣地施肥方法為土埋法，即先在樣地內(nèi)勾出深約5cm壟溝，將每一樣地待施加化肥均勻地撒入壟溝內(nèi)，再用土將壟溝填平，相鄰壟溝間盡量接近以保證每一樣地內(nèi)氮肥施用的均勻性;防護林內(nèi)采取表層施肥，先將枯落葉移走，將氮肥均勻撒于樣地內(nèi)，再將枯落葉鋪于樣地表面。

1.2樣品采集及鑒定

施肥于2010年4月末進行，分別于施肥后1、3、5個月（即5月、7月和9月）在各樣地內(nèi)對大型土壤動物進行調(diào)查取樣，每個樣地設(shè)置4個樣方，樣方面積為50cm×50cm，采取手檢法分離，獲得的標(biāo)本保存在75%乙醇中，所有分離樣品在體視顯微鏡下進行分類鑒定和數(shù)量統(tǒng)計，土壤動物分類鑒定主要參考《中國土壤動物檢索圖鑒》[10]，大多數(shù)土壤動物鑒定到科。土壤pH值采用酸度計（PB-10型）測定，土壤有機質(zhì)（SOM）含量采用重鉻酸鉀-硫酸氧化法測定，土壤全氮（TN）含量采用凱氏定氮法測定，土壤全磷（TP）含量采用硫酸-高氯酸消煮法測定，土壤全鉀（TK）含量采用NaOH堿熔-火焰光度法測定，速效磷（AP）含量采取雙酸浸提、鉬銻抗比色法測定，速效鉀（AK）含量采用乙酸銨浸提、原子吸收法測定。由表1可知，方差分析顯示土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、速效磷在不同樣地間差異顯著（P<0.05），其他土壤因子在不同樣地間差異不明顯（P>0.05）。

1.3數(shù)據(jù)處理與分析

采用如下公式對調(diào)查獲得的土壤動物群落特征指數(shù)進行分析：Shannon-Wiener多樣性指數(shù)：H′=-∑[DD（]si=1[DD）]Piln（Pi）;Pielou均勻度指數(shù)：J=H′lns;Simpson優(yōu)勢度指數(shù)：C=∑（ni/N）2;Margalef豐富度指數(shù)：M=s-1lnN;式中，N為群落中所有種類的個體總數(shù)，ni為第i各類群的個體數(shù)量，Pi=niN，s為群落類群數(shù)。

所有數(shù)據(jù)運算采用Excel2003、SPSS13.0軟件進行處理，差異性分析主要以方差分析（F檢驗）進行統(tǒng)計，P>0.05說明無顯著差異，P<0.05說明差異顯著，P<0.01說明差異極顯著，多重比較采LSD法。

2結(jié)果分析

2.1不同濃度氮肥影響下土壤動物種類和數(shù)量特征

對不同濃度氮肥作用下農(nóng)田和防護林樣地大型土壤動物進行調(diào)查，共獲得大型土壤動物2583個，隸屬于環(huán)節(jié)動物門和節(jié)肢動物門2門、4綱、10目，其中農(nóng)田樣地獲得23類249個，防護林樣地獲得28類2334個。由表2可知，分析農(nóng)田和防護林的大型土壤動物種類組成，蟻科（Formicidae）和線蚓科（Enchytraeidae）均具有絕對優(yōu)勢的類群，此外農(nóng)田樣地中優(yōu)勢類群還有隱翅甲科（Staphylinidae）（10.44%），農(nóng)田和防護林樣地常見類群的種類組成差異明顯，農(nóng)田樣地常見類群有地蜈蚣目（Geophilomorpha）、葬甲科（Silphidae）、虎甲科（Cicindelidae）等7個類群，占總個體數(shù)量的28.92%，防護林樣地常見類群只有金龜甲科（Scarabaeidae）、步甲科（Carabidae）和紅螢科（Lycidae）3個類群，占總個體數(shù)量的7.59%。

由表2可知，對不同施氮肥濃度樣地進行比較，農(nóng)田樣地和防護林樣地對施加不同濃度氮肥的響應(yīng)有一定差異。農(nóng)田樣地個體密度表現(xiàn)為TN0>TN3>TN2>TN1，類群數(shù)特征表現(xiàn)為TN0>TN1>TN2>TN3，說明施氮肥會使農(nóng)田大型土壤動物個體密度和類群數(shù)降低，類群數(shù)隨氮肥濃度增高而降低，個體密度并未表現(xiàn)出隨濃度增高降低的特征，差異分析顯示農(nóng)田大型土壤動物個體密度和類群數(shù)在不同濃度氮肥作用下差異均不顯著（F=0.714，P=0.553;F=0.072，P=0.975）;防護林樣地個體密度表現(xiàn)為LN2>LN1>LN0>LN3，類群數(shù)表現(xiàn)為LN2>LN0>LN3>LN1，方差分析顯示防護林樣地大型土壤動物個體密度和類群數(shù)在不同濃度氮肥影響下也不具有顯著差異性（F=0.667，P=0.577;F=0.891，P=0.453）。

2.2不同濃度氮肥影響下大型土壤動物群落特征指數(shù)

依據(jù)前述公式，對農(nóng)田樣地和防護林樣地不同濃度氮肥作用下大型土壤動物群落特征指數(shù)進行計算。由表3可知，比較不同氮肥濃度對群落特征指數(shù)的影響，農(nóng)田樣地和防護林樣地的多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、豐富度指數(shù)均表現(xiàn)出N2>N0>N3的特征，說明一定量的氮肥施加會導(dǎo)致大型土壤動物群落多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、豐富度指數(shù)增高，但過高的濃度會使多樣性降低，這和其他學(xué)者研究結(jié)果一致，如榮海等研究氮沉降對溫郁金農(nóng)田大型土壤動物影響得到同樣結(jié)論[9]，徐國良等研究認(rèn)為氮沉降對土壤動物的影響可能存在閾值作用[11-12]。優(yōu)勢度指數(shù)表現(xiàn)與多樣性指數(shù)相反，農(nóng)田和防護林都表現(xiàn)為N2樣地優(yōu)勢度指數(shù)最低，說明一定濃度的氮肥會導(dǎo)致大型土壤動物群落優(yōu)勢現(xiàn)象降低。

由表3可知，同樣處理方式下，農(nóng)田樣地個體密度、類群數(shù)及優(yōu)勢度指數(shù)顯著低于防護林樣地，多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)及豐富度指數(shù)高于防護林，差異分析顯示農(nóng)田和防護林在大型土壤動物個體密度、多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)方面具有極顯著差異（P<0.01），群落類群數(shù)具有顯著差異（P<0.05），豐富度指數(shù)在農(nóng)田和防護林之間差異不顯著（F=0.233，P=0.646），這說明不同用地類型對土壤動物群落結(jié)構(gòu)具有重要的影響[13]。

2.3不同濃度氮肥影響下大型土壤動物群落時間變化特征

對農(nóng)田和防護林樣地不同時間獲取的大型土壤動物個體密度和類群數(shù)進行統(tǒng)計。由表4可知，不論是農(nóng)田樣地，還是防護林樣地，在不同月份土壤動物個體密度和類群數(shù)均有一定的差異，個體密度除TN3樣地外，其余樣地均表現(xiàn)為5月>7月>9月的時間變化規(guī)律，類群數(shù)變化與個體密度變化規(guī)律相似，除TN1和TN3外，其他樣地均表現(xiàn)為5月>7月>9月的變化規(guī)律。

差異性分析顯示不論是農(nóng)田還是防護林樣地，大型土壤動物個體密度和類群數(shù)在不同取樣時間差異均十分顯著（P<0.01），對不同月份個體密度和類群數(shù)進行LSD對比分析發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田個體密度和類群數(shù)及防護林樣地的個體密度均表現(xiàn)為5月與7月和9月的差異顯著，7月與9月之間差異不顯著;防護林樣地的類群數(shù)表現(xiàn)為5月、7月和9月均差異明顯。

2.4不同濃度氮肥影響下大型土壤動物群落垂直結(jié)構(gòu)特征

氮肥的施加會在一定程度上改變土壤動物的表聚性特征[8]，對不同土層獲得的大型土壤動物個體密度和類群數(shù)進行統(tǒng)計。由表5可知，農(nóng)田樣地大型土壤動物個體密度除TN3樣地表現(xiàn)為0～5cm最多外，其他樣地均表現(xiàn)為5～10cm最高，農(nóng)田樣地的類群數(shù)在不同土層相差不明顯，方差分析顯示農(nóng)田大型土壤動物的個體密度和類群數(shù)在不同土層之間均不具有顯著差異（個體密度F=0.566，P=0.578;類群數(shù)F=0.320，P=0.734）;防護林樣地個體密度在LN0和LN2樣地表現(xiàn)為0～5cm最高，LN1樣地為5～10cm最高，LN3樣地為10～15cm最高，類群數(shù)在各濃度樣地均表現(xiàn)為0～5cm最多，向上、向下減少的趨勢，方差分析顯示防護林大型土壤動物個體密度在不同土層不具有顯著差異（F=1.496，P=0.266），類群數(shù)在不同土層之間差異性顯著（F=7.025，P=0.006），這表明不同施氮量影響下大型土壤動物個體密度和類群數(shù)的垂直結(jié)構(gòu)變化沒有明顯規(guī)律性。

對各土層不同濃度氮處理樣地土壤動物個體密度和類群數(shù)比較發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田樣地個體密度0～5cm層TN3樣地最高，5～10cm和10～15cm層都是TN0樣地最高，農(nóng)田類群數(shù)每層都是TN0最高;防護林樣地個體密度在地被層和0～5cm層LN2最高，5～10cm層為LN1最高，10～15cm層為LN3最高，類群數(shù)在地被層、0～5cm層、5～10cm層均是LN2樣地最高，在10～15層LN0和LN3最高，二者類群數(shù)量相同。同樣施氮量的農(nóng)田和防護林，大型土壤動物個體密度和類群數(shù)響應(yīng)不同，這應(yīng)該與農(nóng)田和防護林不同的植被特征有關(guān)，農(nóng)作物和雜草為土壤動物提供棲息地和食物等要素，施加氮肥對農(nóng)田作物和防護林雜草會產(chǎn)生影響，這樣勢必會影響土壤動物的群落結(jié)構(gòu)。

3結(jié)論與討論

對不同濃度氮肥作用下農(nóng)田及其附近防護林大型土壤動物進行調(diào)查，共獲得大型土壤動物2583個，隸屬于環(huán)節(jié)動物門和節(jié)肢動物門2門、4綱、10目，農(nóng)田捕獲249個共23類動物，優(yōu)勢類群為蟻科、線蚓科和隱翅甲科，3個類群占農(nóng)田樣地總個體數(shù)量的63.05%;防護林樣地捕獲2334個共28類動物，優(yōu)勢類群為蟻科和線蚓科，2個類群個體數(shù)占防護林樣地個體數(shù)的86.89%。

農(nóng)田樣地和防護林樣地對施加不同濃度氮肥的響應(yīng)有一定差異，施氮肥使農(nóng)田大型土壤動物個體密度和類群數(shù)降低，類群數(shù)隨氮肥濃度增高而降低，個體密度并未表現(xiàn)出隨濃度增高降低的特征，這與林英華等在外源氮作用下土壤動物組成與結(jié)構(gòu)研究中得出大型土壤動物個體密度隨外源氮濃度升高呈降低趨勢的表現(xiàn)[14-15]有一定不同，差異分析顯示農(nóng)田大型土壤動物個體密度和類群數(shù)在不同濃度氮肥作用下差異不顯著（P>0.05）;防護林個體密度和類群數(shù)均表現(xiàn)出LN2最高、LN3較低的特點，即存在一定的閾值現(xiàn)象，這與徐國良等研究氮沉降對苗圃地土壤動物群落影響的結(jié)果一致，即施氮處理對土壤動物具有促進作用，但過高的氮處理則會帶來負(fù)面影響[11-12]，差異分析顯示防護林樣地大型土壤動物個體密度和類群數(shù)在不同濃度氮肥影響下差異性不顯著（P>0.05）。不同氮濃度處理對農(nóng)田和防護林土壤動物群落多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、豐富度指數(shù)的作用都表現(xiàn)出中氮處理（N2）高、高氮（N3）處理低的特點，表現(xiàn)出明顯的閾值現(xiàn)象，這一點與很多研究結(jié)果[7，9，12]一致。

農(nóng)田樣地與防護林樣地在群落特征方面存在顯著差異，個體密度、類群數(shù)及優(yōu)勢度指數(shù)農(nóng)田樣地顯著低于防護林樣地，多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)及豐富度指數(shù)農(nóng)田樣地高于防護林，差異分析表明在農(nóng)田和防護林之間，大型土壤動物個體密度、多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)具有極顯著的差異（P<0.01），類群數(shù)具有顯著差異（P<0.05），豐富度指數(shù)不具有顯著差異（P>0.05），很多研究均表明土壤動物與地上植物間具有很大關(guān)系[16-17]，農(nóng)田樣地與防護林樣地在植被組成和覆蓋程度上存在較大差異，導(dǎo)致二者土壤動物群落結(jié)構(gòu)具有顯著的差異。

不論是農(nóng)田樣地，還是防護林樣地，在不同月份土壤動物個體密度和類群數(shù)均有一定的差異，個體密度除TN3樣地外，其余樣地均表現(xiàn)為5月>7月>9月的時間變化規(guī)律，類群數(shù)變化與個體密度變化規(guī)律相似，除TN2和TN3外，其他樣地均表現(xiàn)為5月>7月>9月的變化規(guī)律。差異分析顯示大型土壤動物個體密度和類群數(shù)在不同取樣時間差異十分顯著（P<0.01），這與不同月份氣候因素的差異有關(guān)。

不同施氮量在一定程度上影響了大型土壤動物的表聚性特征，農(nóng)田樣地大型土壤動物個體密度除TN3樣地表現(xiàn)為0～5cm最多外，其余樣地均表現(xiàn)為5～10cm最高，農(nóng)田樣地的類群數(shù)在不同土層相差不明顯，方差分析顯示農(nóng)田大型土壤動物的個體密度和類群數(shù)在不同土層之間不具有顯著的差異（P>0.05）;防護林樣地大型土壤動物個體密度垂直變化在不同濃度樣地沒有明顯規(guī)律，類群數(shù)在各濃度樣地均表現(xiàn)為0～5cm最多、向下減少的趨勢，方差分析顯示防護林大型土壤動物個體密度在不同土層不具有顯著差異（P>0.05），類群數(shù)在不同土層之間差異極顯著（P<0.01），這與林英華等在研究黑土區(qū)不同施肥條件下土壤動物組成和多樣性中得出土壤動物個體密度和類群數(shù)最大值可能出現(xiàn)在三層中的任意層次的結(jié)果[14]一致。

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