不同秸稈還田方式對土壤線蟲群落特征的影響

饒繼翔，陳昊，吳興國，胡森琦，孫慶業(yè)*

（1.安徽大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，合肥230601；2.宿州市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，安徽 宿州234099）

秸稈還田是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的一項(xiàng)重要技術(shù)，其不僅可以顯著增加土壤通氣孔隙、降低土壤容重、提高土壤活性有機(jī)質(zhì)含量、增加土壤養(yǎng)分[1-2]，而且能夠減少秸稈焚燒造成的一系列環(huán)境問題。秸稈還田對于促進(jìn)作物生長、改善和提高土壤質(zhì)量具有重要作用[3]。

秸稈還田在改善土壤質(zhì)量的同時，也對土壤動物群落產(chǎn)生一定的影響[4]，土壤動物作為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，廣泛參與了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)調(diào)節(jié)過程[5]，對土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化、儲存和釋放以及對土壤微生物的調(diào)節(jié)和土壤理化性質(zhì)的改變均發(fā)揮著積極作用[6-7]。土壤線蟲是土壤微生態(tài)環(huán)境中最豐富且敏感的生物類群之一[8]，其營養(yǎng)類群結(jié)構(gòu)的變化與土壤生態(tài)系統(tǒng)過程緊密聯(lián)系，同時其也能反映出干擾因素的變化情況[9]，因此線蟲作為土壤健康指示生物受到廣泛重視。秸稈還田可在一定程度上改變土壤線蟲的豐度和多樣性，但受地域、生態(tài)環(huán)境、土壤類型、農(nóng)事操作等諸多因素影響，土壤線蟲群落對秸稈還田的響應(yīng)不盡相同。牟文雅等[10]發(fā)現(xiàn)，潮砂土中玉米秸稈還田能明顯增加線蟲種類，提高線蟲多樣性。Zhong等[11]在海南島通過長期免耕和秸稈還田研究發(fā)現(xiàn)，土壤線蟲的總豐度增加，但植食性線蟲豐度降低?？自频萚12]發(fā)現(xiàn)，潮土地區(qū)玉米秸稈不同還田量對土壤線蟲數(shù)量和種類多樣性有增加作用，但對線蟲的群落結(jié)構(gòu)無顯著影響。張慶宇等[13]研究發(fā)現(xiàn)，不同秸稈還田量顯著影響水田改旱田地塊土壤動物個體數(shù)量，但對土壤動物的類群數(shù)及土壤生物的多樣性影響較小。有研究發(fā)現(xiàn)，不同秸稈還田量對線蟲種類、不同營養(yǎng)類群數(shù)量有一定影響，線蟲種類隨秸稈還田量的增加而降低[14]。

本實(shí)驗(yàn)在自然條件下對淮河流域地區(qū)進(jìn)行不同方式的秸稈還田，以研究不同的秸稈還田量對土壤線蟲群落結(jié)構(gòu)的影響，探索秸稈還田量對于土壤結(jié)構(gòu)和土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響，為淮河流域地區(qū)科學(xué)合理利用秸稈、提高秸稈的利用率提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于安徽省宿州市埇橋區(qū)宿州市農(nóng)業(yè)科學(xué)院的試驗(yàn)田，該區(qū)域?qū)倥瘻貛О霛駶櫦撅L(fēng)氣候，四季分明，光照充分，雨量適中，雨量多集中于夏秋季，年平均氣溫15.7 ℃，多年平均降雨量840 mm左右，無霜期約210 d。土質(zhì)為砂姜黑土，試驗(yàn)田主要耕作方式為小麥-玉米輪作。

在所屬試驗(yàn)田開展秸稈還田試驗(yàn)，試驗(yàn)共設(shè)置7個處理（表1），每個處理分為4 個試驗(yàn)小區(qū)，即4 個重復(fù)。小區(qū)長15 m、寬8 m，四周用0.5 m 寬保護(hù)行相隔，按照隨機(jī)區(qū)組排列。各小區(qū)內(nèi)小麥播種行距0.2 m，播種量為195 kg·hm-2；玉米播種行距0.6 m，播種量為45 kg·hm-2。施尿素585 kg·hm-2、過磷酸鈣750 kg·hm-2、氯化鉀150 kg·hm-2，除G組外其余各組施肥量相同。秸稈還田采用機(jī)械旋耕還田方式，小麥秸稈和玉米秸稈機(jī)械粉碎后全部或50%還田，至本研究采樣時試驗(yàn)已開展2年。

表1 不同秸稈還田方式的處理Table 1 Treatment of different straw returning methods

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集與預(yù)處理

2019年3月采集各試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)0～20 cm（表層）土壤，用五點(diǎn)采樣法采集土壤樣品。所采集的土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室分成兩部分，一部分用于土壤線蟲研究，另一部分于室內(nèi)自然風(fēng)干、研磨后過20 目和100 目篩網(wǎng)，用于土壤理化性質(zhì)分析。

1.2.2 土壤理化性質(zhì)的測定土壤中總氮、總磷、總鉀、有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效磷、速效鉀的測定按照《土壤農(nóng)化分析》進(jìn)行[15]。

1.2.3 土壤線蟲的分離與鑒定

土壤線蟲采用改進(jìn)的淺盤法分離[16-17]，分離后的線蟲參照《中國土壤動物檢索圖鑒》[18]進(jìn)行鑒定。根據(jù)線蟲的取食習(xí)性和食道特征將其分成4 個營養(yǎng)類群[19]：食細(xì)菌線蟲（Bacterivores，bf）、食真菌線蟲（Fungivores，ff）、植物寄生線蟲（Plant-parasites，pp）和雜食-捕食線蟲（Omnivores-predators，op），并對線蟲劃分不同的c-p值[20]。

1.2.4 土壤線蟲生態(tài)指數(shù)計(jì)算

相對豐度為每100 g干土中各營養(yǎng)類群線蟲占線蟲總數(shù)的比例。各類群數(shù)量優(yōu)勢度的劃分參照文獻(xiàn)[21]的方法進(jìn)行：個體數(shù)量占總捕獲量10% 以上者為優(yōu)勢類群，1%～10% 為常見類群，1% 以下為稀有類群。不同生態(tài)指數(shù)的計(jì)算公式如下[22]：

（1）Shannon 多樣性指數(shù)：H=-ΣPilnPi

（2）Pielou 均勻度指數(shù)：J=H/lnS

（3）Simpson 優(yōu)勢度指數(shù)：D=ΣPi2

式中：Pi為第i個分類單元中個體占線蟲總個體數(shù)的比例；S為鑒定分類單元的數(shù)目。

（4）豐富度指數(shù)：SR=（S-1）/lnN

（5）線蟲通道指數(shù)（Nematode channel ratio，NCR）：NCR=NB/（NB+NF）

（6）瓦斯樂斯卡指數(shù)（Wasilewska index，WI）：WI=（NB+NF）/NPP

式中：S為鑒定分類單元的數(shù)目；N為分類單元中線蟲數(shù)量；NB為食細(xì)菌類線蟲的數(shù)量；NF為食真菌類線蟲的數(shù)量；NPP為植物寄生類線蟲的數(shù)量。

（7）自由生活線蟲成熟度指數(shù)（Maturity index，MI）和植物寄生類線蟲成熟度指數(shù)（Plant parasite index，PPI）：MI（PPI）=Σ（vi×fi）

式中：vi為根據(jù)自由生活線蟲（植物寄生線蟲）在生態(tài)演替中的不同生活策略分別賦予的c-p值；fi為第i種線蟲的個體數(shù)占群落總個體數(shù)的比例[23-24]。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

用SPSS 23.0 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析（One-way ANOVA），并用Duncan 法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，差異顯著水平為0.05；用Origin 8.5繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田方式對土壤理化性質(zhì)的影響

從表2 可以看出，E 組和F 組的總氮含量較D 組提升12% 以上；C 組的總磷含量較D 組提升25% 以上；秸稈還田的處理組中有機(jī)質(zhì)含量均高于D 組，其中C組較D組提升21%。C組在各項(xiàng)營養(yǎng)成分指標(biāo)上均處于最高或者較高位置，且在總磷和有機(jī)質(zhì)指標(biāo)上顯著高于D 組，E 組和F 組的總氮和有機(jī)質(zhì)含量要高于D組。因此，本實(shí)驗(yàn)中秸稈還田相較于秸稈不還田可以提升土壤肥力，對改善土壤質(zhì)量有一定作用。

2.2 秸稈還田方式對土壤線蟲物種多樣性的影響

2.2.1 土壤線蟲群落組成

通過對不同還田方式的農(nóng)田土壤中的線蟲進(jìn)行分離鑒定，共鑒定出線蟲36屬；其中食細(xì)菌類線蟲15屬，食真菌類線蟲5 屬，植物寄生類線蟲9 屬，雜食-捕食類線蟲7 屬（表3）；優(yōu)勢屬線蟲共有2 種，分別為食細(xì)菌類線蟲擬麗突屬（Acrobeles）和植物寄生類線蟲矮化屬（Tylenchorhynchus）。常見屬種類較多，在食細(xì)菌類線蟲中為真頭葉屬（Eucephalobus）和原桿屬（Protorhabditis），食真菌類線蟲多為常見屬，植物寄生類線蟲中螺旋屬（Helicitotylenchus）、短體屬（Pratylenchus）、潛 根 屬（Hirschmanniella）、根 結(jié) 屬（Meloidogyne）總體上為常見屬，捕食-雜食類線蟲中僅孔咽屬（Eudorylaimus）為常見屬。在所有處理中，A、B、C、D、E、F、G 組分別鑒定出31、32、31、28、33、32、26 屬，與G 處理組相比，秸稈還田可以增加線蟲的數(shù)量和種類，特別是食細(xì)菌類線蟲和捕食-雜食類線蟲的種類。所以，秸稈還田可以增加線蟲的數(shù)量，且秸稈還田的各組之間差距不明顯。

2.2.2 土壤線蟲數(shù)量

由圖1 可知，秸稈還田的土壤中線蟲數(shù)量要顯著高于秸稈不還田的土壤，玉米秸稈還田的B 組和F 組線蟲數(shù)量要高于小麥秸稈還田的A 組和E 組，C 組的線蟲數(shù)量最高。說明秸稈還田處理可以顯著提高土壤線蟲的數(shù)量，且隨秸稈還田量的增加有上升趨勢。

2.2.3 土壤線蟲生態(tài)指數(shù)

由表4 可知，隨著秸稈還田量的增加，線蟲的多樣性指數(shù)（H）、均勻度指數(shù)（J）和自由生活成熟度指數(shù)（MI）均呈增加趨勢，G組與其他處理組之間有顯著差異，秸稈全部還田和秸稈50% 還田處理之間差異不顯著，但總體隨秸稈還田量的增加而增加。秸稈還田處理的優(yōu)勢度指數(shù)（D）要顯著低于秸稈不還田處理。各處理的豐富度指數(shù)（SR）隨秸稈還田量的增加有先增加后減少的趨勢，其中以秸稈50%還田的E組最高。本實(shí)驗(yàn)中各組的線蟲通道指數(shù)（NCR）均大于0.5，而且各處理中D 組和G 組的NCR 指數(shù)顯著高于其他組。秸稈還田處理的自由生活線蟲成熟度指數(shù)（MI）高于秸稈不還田處理的G組，且秸稈全部還田處理的MI值總體低于秸稈50%還田處理。

表2 不同秸稈還田方式土壤理化性質(zhì)（mg·kg-1）Table 2 Physical and chemical properties of soil with different straw returning methods（mg·kg-1）

表3 不同秸稈還田方式土壤線蟲群落組成Table 3 Community composition of soil nematodes in different ways of straw returning

圖1 不同秸稈還田方式土壤線蟲數(shù)量Figure 1 Number of soil nematodes in different ways of straw returning

2.3 秸稈還田方式對土壤線蟲營養(yǎng)類群及生活策略的影響

圖2 說明，秸稈還田處理的土壤中各營養(yǎng)類群的線蟲數(shù)量均高于秸稈不還田處理，食細(xì)菌類線蟲和食真菌類線蟲的數(shù)量隨著秸稈還田量的增多呈上升趨勢，植食類線蟲數(shù)量和捕食-雜食類線蟲數(shù)量隨秸稈還田量的增加有先增加后減少的趨勢。

圖2 不同秸稈還田方式土壤線蟲各營養(yǎng)類群數(shù)量Figure 2 Number of soil nematodes in different straw returning ways

由圖3 可知，c-p1、c-p2、c-p3 類線蟲的相對多度之和在每個處理組中均大于90%，其中以c-p2類線蟲多度比例最大，占比大于50%。秸稈50% 還田的E組和F組的c-p2類線蟲相對多度占比大于秸稈全部還田的處理組。B組和F組的c-p3類線蟲的相對多度占比大于其他秸稈還田處理組。

2.4 土壤線蟲群落結(jié)構(gòu)與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性

相關(guān)性分析表明（表5），在本實(shí)驗(yàn)中線蟲的數(shù)量變化與總氮、有機(jī)質(zhì)、速效磷和速效鉀含量呈顯著正相關(guān)；捕食-雜食類線蟲數(shù)量與有機(jī)質(zhì)和速效鉀含量呈顯著正相關(guān)；線蟲多樣性指數(shù)（H）與速效鉀含量呈顯著正相關(guān)；瓦斯樂斯卡指數(shù)（WI）與有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)。

3 討論

圖3 不同秸稈還田方式土壤線蟲生活史類群相對多度Figure 3 Relative abundance of life history groups of soil nematodes in different straw returning ways

表4 不同秸稈還田方式土壤線蟲生態(tài)指數(shù)Table 4 ecological index of soil nematode in different straw returning ways

表5 土壤線蟲數(shù)量、生態(tài)指數(shù)及優(yōu)勢屬線蟲數(shù)量與土壤性狀的相關(guān)系數(shù)Table 5 Correction coefficients between numbers of nematodes，ecological indices，numbers of dominant genera and soil properties

華萃等[25]的研究表明秸稈還田量對有機(jī)質(zhì)的影響不顯著，而對總氮的影響顯著。但是本實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)不同的秸稈還田量之間總氮和有機(jī)質(zhì)含量的差異顯著，而總鉀含量差異不顯著。這與田平等[26]發(fā)現(xiàn)的旋耕秸稈還田可提高耕層土壤有機(jī)碳、總氮、總磷含量的結(jié)果相似?？赡苁遣蓸訒r間的不同，白和平等[27]發(fā)現(xiàn)秸稈中有機(jī)質(zhì)和礦質(zhì)元素的釋放隨著作物生長呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢，前期秸稈中營養(yǎng)成分釋放較多，所以各組之間變化較大。

在不同秸稈還田方式下的土壤中共鑒定出土壤線蟲36 屬，秸稈還田增加了土壤線蟲的數(shù)量和種類，與Yin等[28]發(fā)現(xiàn)的秸稈施用可以促進(jìn)線蟲的繁殖結(jié)果相似。本實(shí)驗(yàn)中食細(xì)菌類線蟲和捕食-雜食類線蟲的種類增加，而且隨著秸稈還田量的增加捕食-雜食類線蟲數(shù)量有先增加后減少的趨勢，可能是由于隨著秸稈還田量的增加對土壤及其生態(tài)系統(tǒng)的干擾程度增加，從而導(dǎo)致線蟲數(shù)量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，這與Gu 等[29]的研究結(jié)果相似。武際等[30]和徐建程等[31]均發(fā)現(xiàn)秸稈的腐解會呈現(xiàn)前期快、后期慢的變化規(guī)律，秸稈還田前期會為土壤微生物提供大量底物，從而使得土壤中細(xì)菌和真菌數(shù)量大幅增加。食細(xì)菌類線蟲數(shù)量和食真菌類線蟲數(shù)量隨秸稈還田量的增加呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，可能是秸稈的腐解會產(chǎn)生大量的真菌和細(xì)菌，從而導(dǎo)致食真菌類線蟲和食細(xì)菌類線蟲的數(shù)量呈上升趨勢，這與Hu 等[32]發(fā)現(xiàn)秸稈還田可以增加真菌類線蟲數(shù)量的結(jié)果相似。秸稈還田后c-p4、c-p5 類線蟲的相對多度相較G 組有所增加，而D 組稀有類線蟲的多度僅與秸稈50% 還田的處理組差異較大。可能是由于秸稈全部還田對于土壤的擾動較大，導(dǎo)致稀有種類線蟲的數(shù)量發(fā)生變化，但是這種干擾對優(yōu)勢種類線蟲的影響并不明顯。

本實(shí)驗(yàn)中多樣性指數(shù)（H）秸稈不還田處理的G組與秸稈還田的處理組之間有顯著差異，但秸稈還田的各組之間無顯著差異；各組間的豐富度指數(shù)（SR）差異較大，秸稈還田與秸稈不還田之間有顯著差異，秸稈還田的處理中E 組的SR值最高并與其他組之間差異顯著。本實(shí)驗(yàn)中各組的線蟲通道指數(shù)（NCR）均大于0.5，說明本實(shí)驗(yàn)土壤中的有機(jī)物質(zhì)分解是以細(xì)菌分解占主要方式。實(shí)驗(yàn)中秸稈不還田處理的NCR值高于秸稈還田處理組，說明秸稈還田有助于增加線蟲的數(shù)量和種類。秸稈還田處理的瓦斯樂斯卡指數(shù)（WI）與秸稈不還田的G處理組有顯著差異，且隨著秸稈還田量的升高呈先上升后下降的趨勢，各還田處理組中秸稈50% 還田的E 組WI值最高，說明秸稈50%還田土壤健康程度最高。自由生活線蟲成熟度指數(shù)（MI）和植物寄生類線蟲成熟度指數(shù)（PPI）適合用來指示短期的強(qiáng)干擾[33]，其中MI值越高表明干擾程度越小，反之干擾程度就越大。本研究中E 組MI值最高，說明在本實(shí)驗(yàn)中E組受到的干擾程度最低。

線蟲的各種營養(yǎng)成分與線蟲的生態(tài)學(xué)指數(shù)之間相關(guān)性并不顯著，但是與線蟲數(shù)量之間的相關(guān)性比較顯著。土壤總氮、有機(jī)質(zhì)、速效磷和速效鉀與線蟲的總數(shù)呈顯著正相關(guān)，說明土壤中線蟲數(shù)量的變化是多種營養(yǎng)成分綜合作用而并非單一營養(yǎng)成分作用的結(jié)果。這與華萃等[25]所認(rèn)為的線蟲群落密度主要受有效磷的影響有所不同，可能的原因是土壤性質(zhì)的差異。有機(jī)質(zhì)和速效鉀含量與食細(xì)菌類線蟲和捕食-雜食類線蟲數(shù)量呈顯著正相關(guān)。秸稈還田后秸稈中養(yǎng)分釋放速率鉀最高，釋放量碳最高[34]，可能是秸稈還田后土壤有機(jī)質(zhì)和速效鉀含量的大量增加使得線蟲的食物來源更加豐富，進(jìn)而導(dǎo)致線蟲數(shù)量增加。

秸稈還田通過改變土壤線蟲的數(shù)量和種類，從而改變土壤生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，使得土壤生態(tài)系統(tǒng)更加穩(wěn)定和健康。結(jié)合以上數(shù)據(jù)認(rèn)為該地秸稈還田以秸稈50%還田更為合理，對土壤的養(yǎng)分積累和土壤生態(tài)系統(tǒng)的健康更有利。

4 結(jié)論

（1）不同的秸稈還田方式均可以增加土壤線蟲的種類和數(shù)量，食細(xì)菌和真菌類線蟲的數(shù)量會隨著秸稈還田量的增加而增加，但線蟲種類隨秸稈還田量的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，其中秸稈50% 還田線蟲種類最多。

（2）秸稈還田豐富了土壤線蟲的群落結(jié)構(gòu)，提高了土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（3）秸稈50% 還田處理后的土壤抗干擾能力和健康程度最高。