不同施氮玉米田土壤線蟲群落特征及對土壤質(zhì)量的指示作用

王斌 馬冰 沈文彤 劉霞

摘要：在甘肅省玉米生產(chǎn)中存在長期過量施用氮肥的問題，導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降、地下水污染、耕地土壤質(zhì)量退化等問題，土壤線蟲作為指示生物能在一定程度上反映出土壤生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量狀況。在甘肅省榆中縣玉米田進行了0（CK）、5、10、15 g N/（m2·a）4個不同施氮水平的處理，分析了各處理對土壤線蟲群落的多度、屬豐富度、成熟度指數(shù)、富集指數(shù)、結(jié)構(gòu)指數(shù)等生態(tài)指數(shù)及復(fù)合代謝足跡的影響。采用非度量多維尺度法分析了土壤線蟲的群落組成情況，并采用置換多元方差分析檢驗了不同施氮處理間土壤線蟲群落組成的差異。結(jié)果表明，適量施氮使線蟲的總多度、食細菌線蟲和植食線蟲的多度顯著增加，使食真菌線蟲和雜食捕食線蟲多度顯著減少，進而導(dǎo)致線蟲群落的組成發(fā)生了顯著性變化，同時也使線蟲群落的屬豐富度顯著降低。此外，隨著施氮水平的逐漸增加，線蟲的體型呈逐漸減小趨勢，基礎(chǔ)指數(shù)顯著升高，結(jié)構(gòu)指數(shù)、成熟度指數(shù)、復(fù)合代謝足跡顯著降低，反映出施氮后線蟲群落逐漸不穩(wěn)定，施氮導(dǎo)致土壤食物網(wǎng)的連通性降低、食物鏈變短，食物網(wǎng)分解途徑由以真菌途徑為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐约毦緩綖橹鳎澄锞W(wǎng)能量流動總體變慢。

關(guān)鍵詞：土壤線蟲;施氮;玉米田;群落特征;土壤質(zhì)量;土壤食物網(wǎng);指示生物

中圖分類號：S513;S147.2? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1001-1463（2022）03-0085-05

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2022.03.018

Indicative Effect of Soil Nematode Community Characteristics on Soil Quality in Maize Field Under Nitrogen Application

WANG Bin， MA Bing， SHEN Wentong， LIU Xia

（Gansu Agricultural Vocational and Technical College， Lanzhou Gansu 730000， China）

Abstract：In the practise of maize cultivation in Gansu province， long-term excessive application of nitrogen fertilizer causes the degradation of soil quality and some other problems. Soil nematodes， an indicator organism， can reflect the status of soil ecosystem. In this study， three nitrogen treatments（5、 10、 15 g N/（m2·a） and 0 g N/（m2·a） ascontrol treatments（CK） were gathered from in the maize planting field of Yuzhong county， Gansu province. The effects of each treatment on the ecological indexes and metabolic footprints of soil nematode community， such as abundance， richness， maturity index， enrichment index and structure index， were analyzed. The community composition of soil nematodes was investigated by non-metric multidimensional scale analysis， and the differences of community composition among different treatments were tested by Permutational multivariate analysis of variance. The results demonstrated that nitrogen application significantly increased the total abundance of nematodes， bacteria-eating nematodes and herbivorous nematodes， and significantly decreased the abundance of fungus-eating nematodes and omnivorous nematodes， leading to an obviously change in the composition of nematode community， and significantly reduced the genus richness of nematode community. In addition， with the increase of nitrogen application concentration， the body size of nematodes decreased gradually， the basal index increased significantly， and the structure index， maturity index and metabolic footprint decreased significantly. The results showed that the nematode community became unstable after nitrogen application， the connectivity of soil food web was reduced and the food chain was shortened due to fertilization， the decomposition pathway of food web was changed from fungal pathway to bacterial pathway， and the overall energy flow of food web was slowed down.

Key words：Soil nematode;Nitrogen application;Corn fields;Community characteristics;Soil quality;Soil food web;Biological indicator

土壤線蟲物種繁多、數(shù)量巨大，可按其食性分為食細菌線蟲、食真菌線蟲、植食線蟲、雜食捕食線蟲等四大營養(yǎng)類群[1 ]，食性多樣化的線蟲在土壤食物網(wǎng)中占據(jù)多個關(guān)鍵營養(yǎng)級，常作為指示生物來反映土壤生態(tài)系統(tǒng)的功能狀況。線蟲廣泛存在于各類土壤環(huán)境，因此常用于評價不同干擾活動、農(nóng)業(yè)措施等對土壤環(huán)境的影響[2 ]。

施氮肥是增加作物產(chǎn)量、提高經(jīng)濟效益的主要農(nóng)業(yè)活動之一，施氮使土壤生態(tài)系統(tǒng)氮素富集，土壤逐漸酸化，酸堿度的改變將引起土壤微生物群落和動物群落的組成和結(jié)構(gòu)的變化。研究發(fā)現(xiàn)，不同水平的施氮措施會對土壤線蟲群落造成有利或不利的影響，例如，施加少量的氮肥能夠增加土壤線蟲的多樣性，當施氮超過一定的水平后線蟲多樣性降低[3 ]。然而Song等[4 ]開展的一項野外控制試驗發(fā)現(xiàn)，氮添加后土壤線蟲的數(shù)量無顯著變化，但食細菌性線蟲數(shù)量顯著增加。Wei等[5 ]也同樣發(fā)現(xiàn)施氮處理增加了食細菌線蟲的數(shù)量，但同時還發(fā)現(xiàn)捕食線蟲、雜食線蟲、食真菌線蟲和植食性線蟲的數(shù)量顯著減少。因此，土壤線蟲群落對施氮處理的響應(yīng)研究結(jié)果還不盡一致。

甘肅省玉米生產(chǎn)中存在長期過量施用氮肥的問題，導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降、地下水污染、耕地土壤質(zhì)量退化，并對農(nóng)田生態(tài)環(huán)境造成嚴重威脅[6 - 8 ]，土壤線蟲作為指示生物能在一定程度上反映出土壤生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量狀況。我們在玉米田開展不同施氮水平下線蟲群落特征研究，并以線蟲作為指示生物進行評價，以期為深入理解土壤線蟲群落組成在施氮水平下變化規(guī)律提供數(shù)據(jù)支持，同時也為監(jiān)測土壤健康狀況、促進生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供一定的理論依據(jù)。

1? ?材料與方法

1.1? ?試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于蘭州市榆中縣境內(nèi)的甘肅農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學院和平校區(qū)，地理位置北緯36° 06′、東經(jīng)103° 84′，地處隴西黃土高原，屬溫帶大陸性氣候，四季分明。平均海拔1 700 m，年平均氣溫6.6 ℃，1月平均氣溫-7.9 ℃，7月平均氣溫19.0 ℃。年降水量300～400 mm，主要集中在7 — 9月。主栽農(nóng)作物為馬鈴薯、小麥、玉米。

1.2? ?供試材料

供試氮肥為硝酸銨（含N≥35%），由中國—阿拉伯化肥有限公司生產(chǎn)并提供。指示玉米品種為金皇828，由甘肅種業(yè)有限公司生產(chǎn)并提供。研究對象為土壤線蟲。

1.3? ?試驗方法

試驗共設(shè)4個施氮水平處理，分別為0、5、10、15 g N/（m2·a），分別計作N0（CK）、N5、N10、N15，以零施氮水平為對照。采用隨機區(qū)組試驗設(shè)計，5次重復(fù)，小區(qū)面積16 m2（4 m×4 m），各小區(qū)之間保持1 m的間隔距離。分別于2020年5月5日、6月5日、7月5日、8月5日按試驗設(shè)計用量準確稱取各小區(qū)所需氮素并兌水2 L用塑料噴壺地表均勻噴灑1次[3 ]。其余管理同當?shù)卮筇铩?/p>

1.4? ?土壤樣品采集

2020年8月底收集土壤樣品。每小區(qū)用直徑3.8 cm的土鉆取深20 cm土樣5次，將5次取樣的樣土均勻混合后作為1個樣品?；旌虾蟮臉悠芳皶r放入密封塑料袋中，并于當天帶回實驗室，盡快進行線蟲提取工作。

1.5? ?線蟲分離和鑒定

采用改良的貝爾曼漏斗法分離提取土壤線蟲[9 ]。每個土樣剔除石塊、粗根等雜質(zhì)后稱取30 g，在貝爾曼漏斗浸提48 h后，浸提液接入樣品瓶中并加入乙醇、甘油混合液2 mL（乙醇與甘油體積比為17∶3），在55 ℃條件下烘干水和乙醇。將提取出的線蟲保存于甘油中，用光學顯微鏡進行計數(shù)和形態(tài)學鑒定，將其鑒定至屬水平[10 ]，并根據(jù)線蟲食性將其分類至食細菌類、食真菌類、植食類、捕食 — 雜食類4個類型。

1.6? ?數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析前，將所有樣品中的線蟲數(shù)量轉(zhuǎn)換為100 g干土中所含的數(shù)量。采用單因素方差分析（one-way ANOVA）統(tǒng)計分析各采樣點線蟲群落的多度、豐富度、成熟度指數(shù)（MI）、富集指數(shù)（EI）、結(jié)構(gòu)指數(shù)（SI）等生態(tài)指數(shù)及代謝足跡，采用非度量多維尺度分析（Nonmetric Multidimensional Scaling，NMDS）分析土壤線蟲的群落組成情況，并采用置換多元方差分析（PERMANOVA）檢驗不同處理間群落組成的差異。所有統(tǒng)計分析用R 4.0.3 軟件完成。

2? ?結(jié)果與分析

2.1? ?不同施氮處理對線蟲群落多度、豐富度和群落組成的影響

從表1可以看出，與對照相比，不同水平的施氮處理對土壤線蟲總多度和各營養(yǎng)類群線蟲的多度有顯著的影響，隨施氮水平的提高呈先增后減趨勢，在N10處理下達到最高值（每100 g干土中平均有線蟲1 360.93條），且線蟲的總多度較對照顯著增加，在N15處理下線蟲總多度有所降低（每100 g干土中平均有線蟲1 318.08條），這主要是由食細菌線蟲和植食線蟲的顯著增加引起的。但施氮使食真菌線蟲和雜食捕食線蟲顯著減少。此外，施氮使線蟲群落的屬豐富度顯著降低，由對照組平均屬豐富度為30.60屬，最低降為N15處理下的23.60屬。

由NMDS排序結(jié)果（圖1）顯示，線蟲群落組成越相似，點之間的距離在圖中越近，對照與N5處理距離較近，N10處理與N15處理距離較近。進一步對排序結(jié)果進行置換多元方差分析表明，對照與N10處理、N15處理的線蟲群落組成有顯著性差異（表2）。

2.2? ?不同施氮處理對線蟲體型大小的影響

從圖2可以看出，隨著施氮水平的逐漸增加，線蟲的體型大小呈逐漸減小趨勢。與對照相比，N15處理使線蟲的體型顯著減小，平均體型由對照的4.14 μg降至N15處理的2.15 μg。

2.3? ?土壤食物網(wǎng)區(qū)系分析和線蟲群落復(fù)合代謝足跡

從表3可以看出，與對照相比，不同水平的施氮處理使線蟲群落的成熟度指數(shù)顯著降低，而對植物寄生類成熟度沒有顯著影響。施氮處理使線蟲的結(jié)構(gòu)指數(shù)顯著降低，基礎(chǔ)指數(shù)明顯升高，對富集指數(shù)沒有顯著影響。N5、N10、N15處理下的通路比值均大于0.5，分別為0.58、0.67、0.72，且均與對照（通路比值為0.43）有顯著性差異。N15處理下土壤線蟲復(fù)合代謝足跡較其余處理均顯著降低。

3? ?結(jié)論與討論

在甘肅省榆中縣在玉米田進行了0（CK）、5、10、15 g N/（m2·a）4個不同施氮水平的處理，通過分析了各處理對土壤線蟲群落的多度、屬豐富度、成熟度指數(shù)、富集指數(shù)、結(jié)構(gòu)指數(shù)等生態(tài)指數(shù)及復(fù)合代謝足跡的影響，采用非度量多維尺度分析方法探究了土壤線蟲的群落組成情況，并采用置換多元方差分析檢驗了不同施氮處理間土壤線蟲群落組成的差異。結(jié)果表明，適量施氮使線蟲的總多度、食細菌線蟲和植食線蟲的多度顯著增加，使食真菌線蟲和雜食捕食線蟲的多度顯著減少，進而導(dǎo)致線蟲群落的組成發(fā)生了顯著性變化，同時也使線蟲群落的屬豐富度顯著降低。此外，隨著施氮水平的逐漸增加，線蟲的體型大小呈逐漸減小趨勢，基礎(chǔ)指數(shù)顯著升高，結(jié)構(gòu)指數(shù)、成熟度指數(shù)、復(fù)合代謝足跡顯著降低，反映出施氮后線蟲群落逐漸不穩(wěn)定，施氮導(dǎo)致土壤食物網(wǎng)的連通性降低、食物鏈變短，食物網(wǎng)分解途徑由以真菌途徑為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐约毦緩綖橹鳎澄锞W(wǎng)能量流動總體變慢。

在本研究中，施氮使線蟲的總多度、食細菌線蟲和植食線蟲的多度顯著增加，使食真菌線蟲和雜食捕食線蟲的多度顯著減少，這與Wei等[5 ]在內(nèi)蒙古草原的研究結(jié)果部分一致，他們發(fā)現(xiàn)氮添加使食細菌線蟲數(shù)量增多，而捕食雜食線蟲、食真菌線蟲以及植食線蟲的數(shù)量減少。同樣，Murray等[11 ]在更早時也發(fā)現(xiàn)食細菌線蟲隨氮濃度增加而增多，而食真菌、植食和雜食捕食線蟲隨之減少。然而，上述結(jié)果與Song等[4 ]研究完全相反，他們發(fā)現(xiàn)施氮導(dǎo)致食細菌線蟲減少，雜食捕食性線蟲、食真菌線蟲反而增多，這可能是由于不同實驗所施用的氮肥濃度不同導(dǎo)致的。本研究中，施氮引起食細菌線蟲和植食線蟲多度的增長，可能由于增加了它們的食物資源，通過自下而上作用調(diào)控了線蟲的數(shù)量。已有研究發(fā)現(xiàn)，施氮能增加細菌豐度[12 ]，增加植物生產(chǎn)力[13 ]。施氮使食真菌線蟲和雜食捕食線蟲的多度顯著減少，可能是由于氮添加導(dǎo)致的土壤pH降低，而這兩類線蟲對環(huán)境變化十分敏感，施氮引起的土壤pH降低導(dǎo)致其數(shù)量下降 [14 ]。

施肥處理對不同營養(yǎng)類群線蟲的影響不同，施氮引起食細菌線蟲和植食線蟲多度的增長，使食真菌線蟲和雜食捕食線蟲的多度顯著減少，進而導(dǎo)致了線蟲群落組成的變化。本研究中，不施氮與施氮水平為10 g N/（m2·a）的處理、施氮水平為15 g N/（m2·a）處理的線蟲群落組成有顯著性差異。此外，施氮對土壤理化性質(zhì)、微生物群落可能造成的一系列影響，使線蟲的生境和資源發(fā)生變化，進而導(dǎo)致群落組成和多樣性的變化。我們發(fā)現(xiàn)施氮使線蟲群落的屬豐富度顯著降低，這與閆俊[15 ]在青藏高原開展的研究結(jié)果相似。然而，程建偉等[3 ]發(fā)現(xiàn)低水平施氮增加土壤動物的多樣性，當施氮水平大于10 g N/（m2·a）時多樣性降低。

隨著施氮濃度逐漸增加，線蟲的體型逐漸減小，與對照[施氮水平為0 g N/（m2·a）]相比，施氮水平為15 g N/（m2·a）的處理使線蟲的體型顯著減小，線蟲平均體型由對照的4.14 μg降低至施氮水平為15 g N/（m2·a）下的2.15 μg?？赡苁怯捎谑┓室鹜寥谰€蟲群落組成發(fā)生變化，即食細菌線蟲增多、雜食捕食線蟲減少。一般而言，食細菌線蟲體型較小，而雜食捕食線蟲體型較大[16 ]，小體型線蟲的增多、大體型線蟲的減少導(dǎo)致線蟲群落的平均體型變小。

與本研究結(jié)果不同的是，前人研究發(fā)現(xiàn)線蟲體型大小與資源緊密相關(guān)，不論施化肥或有機肥，都顯著增加了線蟲群落的平均體型大小[17 ]。也有類似的研究發(fā)現(xiàn)在稻麥輪作農(nóng)田中，施肥使線蟲平均體型增大[18 ]。閆俊[15 ]在青藏高原的施肥試驗中有與本研究相似的結(jié)果，他發(fā)現(xiàn)高寒地區(qū)的線蟲體型大小變化受不同施肥方式的影響，在施用磷肥和氮磷混施情況下，其體型變化無顯著差異，在施用氮肥達到一定的程度后其體型大小顯著減小。

土壤線蟲因其種類多、數(shù)量大，在食物網(wǎng)多個營養(yǎng)劑均占據(jù)重要位置，因此利用土壤線蟲的指示作用來對土壤食物網(wǎng)進行區(qū)系分析，具有一定的可靠性[16 ]。基礎(chǔ)指數(shù)可以指示土壤食物網(wǎng)的抵抗力，本研究中施氮處理使基礎(chǔ)指數(shù)顯著升高，說明土壤食物網(wǎng)抵抗力增加。結(jié)構(gòu)指數(shù)可以代表食物網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，即食物鏈的長短和食物網(wǎng)的連通性，本研究中施氮使線蟲的結(jié)構(gòu)指數(shù)顯著降低，說明施肥可能導(dǎo)致食物網(wǎng)的連通性降低、食物鏈變短。此外，與不施氮相比，不同濃度的施氮處理使線蟲群落的成熟度指數(shù)顯著降低，說明線蟲群落逐漸不穩(wěn)定，出現(xiàn)退化。

通路比值能反映出土壤食物網(wǎng)的分解途徑是以較快速的細菌途徑（通路比值 > 0.5）還是較緩慢的真菌途徑（通路比值 < 0.5）。在本研究中，施氮水平為5、10、15 g N/（m2·a）時各處理的通路比值均大于0.5（分別為0.58、0.67、0.72），且均與對照[施氮水平為0 g N/（m2·a）]的通路比值有顯著性差異，說明未施氮的土壤中食物網(wǎng)分解途徑以真菌途徑為主，而施氮以后土壤食物網(wǎng)分解途徑轉(zhuǎn)變?yōu)橐约毦緩綖橹鳎译S著施氮水平的增加，細菌途徑的占比越重。復(fù)合代謝足跡的估算基于線蟲生長發(fā)育的生物量碳和新陳代謝的呼吸碳，用以指代土壤食物網(wǎng)的能量流動情況[16 ]。本研究中，施氮處理使土壤線蟲代謝足跡呈現(xiàn)降低趨勢，施氮水平為15 g N/（m2·a）的處理較其余處理均顯著降低，說明施氮后土壤食物網(wǎng)能量流動總體變慢。

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收稿日期：2021 - 12 - 28

基金項目：甘肅省高等學校創(chuàng)新能力提升項目（2020A-227）資助。

作者簡介：王? ?斌（1981 — ），男，甘肅定西人，副教授，研究方向為植物病蟲害防治。聯(lián)系電話：（0）18993112322。Email：381864661@qq.com。

通信作者：馬? ?冰（1990 — ），女，甘肅蘭州人，博士，研究方向為農(nóng)業(yè)生態(tài)學。聯(lián)系電話 ：（0） 13919326688。Email：mab19@lzu.edu.cn。