玉米秸稈留高茬免耕對(duì)黑土農(nóng)田大型土壤動(dòng)物群落的影響

馬丙增,蔣云峰,嚴(yán) 婷,劉俊男

(吉林師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院,吉林 四平 136000)

黑土地是擁有黑色或暗黑色腐殖質(zhì)表土層的一類土地,具有土壤性狀好、自然肥力高、供肥能力強(qiáng)、質(zhì)地疏松、適宜植物生長(zhǎng)等特點(diǎn),被譽(yù)為世界上最珍貴的土壤資源[1-2]。東北黑土區(qū)是我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地之一,但長(zhǎng)期的重用輕養(yǎng)使得黑土地出現(xiàn)不同程度的退化問題,嚴(yán)重影響該區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[3-4]。為遏制黑土地退化,提升耕地質(zhì)量,以少/免耕和秸稈還田為主要措施的保護(hù)性耕作越來越受到重視[5]。免耕,即除播種外,不再進(jìn)行其他任何土壤耕作,避免對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的破壞[6-8]。秸稈留高茬免耕是指除播種外不進(jìn)行耕作,但在收獲后將秸稈在農(nóng)田里留茬一定高度,次年播種滅茬,就地腐熟還田[9]。相較于傳統(tǒng)耕作,秸稈還田通過擾動(dòng)土壤來控制雜草,粉碎土壤表層的結(jié)殼,不僅可降低土壤侵蝕,保持土壤水分,而且能夠增加地表有機(jī)殘留物的累積,提高土壤的固碳能力[10-12]。

大型土壤動(dòng)物是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,既是土壤中的居住者,也是土壤環(huán)境的營(yíng)造者。它們通過對(duì)有機(jī)物質(zhì)的混合、破碎、采食,以及在土壤中的搬運(yùn)、穿透等活動(dòng)積極調(diào)節(jié)土壤孔隙的分布,促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成,影響土壤有機(jī)質(zhì)的分解和養(yǎng)分循環(huán)、存儲(chǔ)及時(shí)空再分布等過程[13-14]。大型土壤動(dòng)物對(duì)土壤環(huán)境的變化反應(yīng)敏感[15-17],易被人們發(fā)現(xiàn)。耕作方式轉(zhuǎn)變所引起的土壤環(huán)境的變化必然會(huì)對(duì)生存在其中的土壤動(dòng)物群落產(chǎn)生影響,從而進(jìn)一步影響土壤環(huán)境。研究表明,農(nóng)田管理措施能夠通過改變干擾強(qiáng)度、有機(jī)物輸入等直接或間接地影響土壤動(dòng)物群落及其調(diào)控的生態(tài)過程[18]。與傳統(tǒng)耕作相比,實(shí)施保護(hù)性耕作的土壤可顯著增加土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)、類群數(shù)和多樣性[19],改變土壤食物網(wǎng)的結(jié)構(gòu)組成[20]。但以往的研究工作主要關(guān)注秸稈覆蓋還田[21]和還田方式的影響[22],關(guān)于大型土壤動(dòng)物對(duì)黑土區(qū)農(nóng)田秸稈留高茬響應(yīng)的研究較少。本試驗(yàn)通過在玉米生育期內(nèi)取樣調(diào)查大型土壤動(dòng)物群落,探討玉米秸稈留高茬免耕下大型土壤動(dòng)物群落的生態(tài)分布特征,旨在為改善黑土區(qū)的農(nóng)田土壤生態(tài)系統(tǒng),推廣保護(hù)性耕作方式提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地位于中國(guó)科學(xué)院設(shè)在吉林省四平市梨樹縣高家村的保護(hù)性耕作研發(fā)基地(43°19′N,124°14′E)內(nèi)。該區(qū)屬溫帶季風(fēng)氣候,夏季炎熱多雨,冬季寒冷干燥,年均氣溫6.7 ℃,年均降水量614 mm,降水主要發(fā)生在6—9月,年無霜期140～150 d(表1)。試驗(yàn)當(dāng)年(2015年)的月均溫和月累計(jì)降水量基本與常年氣溫及降水量持平[23],當(dāng)年1～12月的平均氣溫分別為-13.5、-9.3、-0.7、9.0、16.0、21.1、23.7、22.2、16.0、7.7、-2.0、-10.0 ℃,當(dāng)年1～12月的降水量分別為6、5、13、31、53、98、174、144、57、31、14、7 mm。試驗(yàn)地地勢(shì)平坦,土壤類型為中層黑土,壤質(zhì)黏土。該基地自2007年4月建立至2015年取樣時(shí)已布設(shè)8年,其間一直進(jìn)行玉米連作,無其他作物干擾。

表1 不同處理的大型土壤動(dòng)物群落組成

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)常規(guī)耕作(CT)、免耕(NT)和秸稈留高茬免耕(SS)3個(gè)處理。其中,CT作為對(duì)照,在秋季收獲后不進(jìn)行秸稈覆蓋,滅茬旋耕(深度在18～25 cm),起壟作業(yè),除播種、施肥外,不再擾動(dòng)土壤;NT在秋季收獲后不進(jìn)行秸稈覆蓋,播種時(shí)利用免耕播種機(jī)一次性完成播種、施肥和鎮(zhèn)壓作業(yè),除此全年不擾動(dòng)土壤;SS于秋收后秸稈留茬至約50 cm,春季播種時(shí)滅茬還田免耕播種。每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)小區(qū),每個(gè)小區(qū)的面積為261 m2(8.7 m×30.0 m)。各處理樣地均只種植玉米,施肥總量相同。

1.3 樣品的采集與鑒定

分別于2015年春季(4月,對(duì)應(yīng)于玉米播種期)、夏季(7月,對(duì)應(yīng)于玉米拔節(jié)期)和秋季(10月,對(duì)應(yīng)于玉米成熟期)進(jìn)行大型土壤動(dòng)物取樣。每次在各小區(qū)內(nèi)沿對(duì)角線選取3塊樣地,取樣面積625 cm2(25 cm×25 cm),分別在0～5、5～10、10～15 cm土層取樣,共取243份土樣。直接在樣地采用手撿法獲取大型土壤動(dòng)物樣品,除蚯蚓保存在4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的福爾馬林中,其余大型土壤動(dòng)物樣本均保存于75%(體積分?jǐn)?shù))乙醇中。將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后,利用SMZ800型體視顯微鏡(日本Nikon)進(jìn)行觀察,依據(jù)《中國(guó)土壤動(dòng)物檢索圖鑒》[24]、《昆蟲分類》[25]和《幼蟲學(xué)分類》[26]對(duì)所獲得的大型土壤動(dòng)物樣品進(jìn)行分類鑒定,一般鑒定到科或目。部分土壤動(dòng)物的幼蟲和成蟲有不同的生態(tài)功能,將其幼蟲和成蟲分開統(tǒng)計(jì)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

將每個(gè)采樣點(diǎn)3層所獲的土壤動(dòng)物總個(gè)體數(shù)換算為密度(m-2),并按照各類群密度占總密度的比例劃分優(yōu)勢(shì)度：10%以上為優(yōu)勢(shì)類群,1%～10%為常見類群,1%以下為稀有類群。采用個(gè)體密度、類群數(shù)和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)分析大型土壤動(dòng)物的群落特征[27]。參照Wardle[28]的方法計(jì)算V指數(shù),以表征每個(gè)類群對(duì)耕作的響應(yīng)程度,計(jì)算公式如下：

V=2MC/(MC+MN)-1。

(1)

式(1)中：MC和MN分別表示某類土壤動(dòng)物在常規(guī)耕作和免耕體系中的個(gè)體數(shù)量。

利用重復(fù)測(cè)量方差(repeated measures ANOVA)分析不同處理和不同季節(jié)大型土壤動(dòng)物的群落組成和多樣性差異。采用單因素方差分析(one-way ANOVA)檢驗(yàn)不同處理和不同季節(jié)對(duì)土壤動(dòng)物個(gè)體密度、類群數(shù)、多樣性指數(shù)的影響。對(duì)不服從正態(tài)分布的數(shù)據(jù),采用將其值加1后取常用對(duì)數(shù)的方法進(jìn)行轉(zhuǎn)換。對(duì)有顯著(P<0.05)差異的,采用最小顯著差數(shù)法(LSD)進(jìn)行多重比較。采用置換多元方差分析(PerMANOVA)測(cè)試各處理之間土壤動(dòng)物群落的組成差異,并利用主成分分析(PCA)對(duì)各次取樣的大型土壤動(dòng)物群落進(jìn)行分析。

上述數(shù)據(jù)處理與分析過程在Excel 2010、SPSS 18.0和PC-ORD 5.0軟件上完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 大型土壤動(dòng)物群落組成

本研究從3個(gè)處理的樣地上共獲得24科(部分僅鑒定到分類學(xué)的目水平上)大型土壤動(dòng)物(表1),隸屬于2門4綱14目。春、夏、秋季,各處理樣地的大型土壤動(dòng)物均以顫蚓目(Tubificida)的線蚓科(Enchytraeidae)具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì),在相應(yīng)處理下的占比均不低于40%,秋季各處理下甚至達(dá)80%以上;其次是鞘翅目(Coleoptera),在各處理的不同采樣期多為優(yōu)勢(shì)類群或常見類群;另外,地蜈蚣目(Geophilomorpha)、雙翅目幼蟲(Diptera larvae)和膜翅目(Hymenoptera)的蟻科(Formicidae)在不同處理中也具有相對(duì)較高的比例。

2.2 大型土壤動(dòng)物的群落結(jié)構(gòu)特征比較

重復(fù)測(cè)量方差分析結(jié)果顯示,處理、季節(jié)及其交互作用對(duì)大型土壤動(dòng)物的密度具有極顯著(P<0.01)影響,土壤動(dòng)物類群數(shù)僅受季節(jié)的顯著影響,土壤動(dòng)物的多樣性指數(shù)受季節(jié)的極顯著影響。

春季,NT樣地中的土壤動(dòng)物密度顯著高于CT與SS,是CT的3.8倍,但CT與SS樣地的土壤動(dòng)物密度無顯著差異;夏季,SS樣地中的土壤動(dòng)物密度顯著高于CT與NT,是CT的2.8倍,但CT與NT樣地的土壤動(dòng)物密度無顯著差異;秋季,NT和SS樣地中的土壤動(dòng)物密度均顯著高于CT,分別是CT的2.1倍和2.3倍,但NT與SS樣地的土壤動(dòng)物個(gè)體密度無顯著差異。各處理的土壤動(dòng)物密度均表現(xiàn)為春、夏季顯著低于秋季(圖1),以SS處理為例,春季的平均密度僅為32.0 m-2,而秋季的平均密度達(dá)709.3 m-2。

CT,常規(guī)耕作;NT,免耕;SS,秸稈留高茬免耕。柱上無相同大寫字母的表示同一處理不同季節(jié)間差異顯著(P<0.05),無相同小寫字母的表示同一季節(jié)不同處理間差異顯著(P<0.05)。下同。CT, Conventional tillage; NT, No tillage; SS, No tillage with high stubble. Bars marked without the same uppercase letters indicate singificant (P<0.05) difference within seasons under the same treatment. Bars marked without the same lowercase letters indicate significant (P<0.05) difference within treatments under the same season. The same as below.圖1 不同處理的大型土壤動(dòng)物個(gè)體密度、類群豐富度和多樣性Fig.1 The densit, number of groups and Shannon-Wiener diversity index of soil macrofauna communities under treatments

春季,各處理的大型土壤動(dòng)物類群數(shù)和多樣性指數(shù)存在顯著差異,NT處理顯著高于SS處理。夏、秋兩季,3個(gè)處理的大型土壤動(dòng)物類群數(shù)和多樣性指數(shù)均無顯著差異。同一處理不同季節(jié)相比,SS處理夏、秋兩季的類群數(shù)顯著高于春季,夏季的多樣性指數(shù)顯著高于春、秋兩季;其他處理的類群數(shù)和多樣性指數(shù)在不同季節(jié)間無顯著差異。

置換多元方差分析的結(jié)果也顯示,綜合3個(gè)季節(jié)的CT處理大型土壤動(dòng)物群落與SS處理具有顯著差異。PCA結(jié)果也表明,不同處理的大型土壤動(dòng)物群落組成不同(圖2),除春季外,SS處理均被PCⅡ軸與CT處理明顯分開,3個(gè)季節(jié)的PC1和PC2均累計(jì)解釋了90%以上的動(dòng)物群落變化。

圖2 不同處理大型土壤動(dòng)物群落的主成分分析(PCA)Fig.2 Principal component analysis (PCA) of soil macrofauna communities under treatments

2.3 不同處理的大型土壤動(dòng)物主要類群變化

挑選主要土壤動(dòng)物類群[線蚓科、正蚓科(Lumbricidae)、蟻科、地蜈蚣目、雙翅目幼蟲、鞘翅目成蟲、鞘翅目幼蟲]開展重復(fù)測(cè)量方差分析。因鞘翅目下各單科的幼蟲并非在所有季節(jié)都有存在,且個(gè)體數(shù)量過少,為便于分析,故將鞘翅目的步甲科幼蟲、隱翅蟲科幼蟲、叩甲科幼蟲、象甲科幼蟲、虎甲科幼蟲和金龜子科幼蟲統(tǒng)一歸類為鞘翅目幼蟲,將其余成蟲統(tǒng)一歸類為鞘翅目成蟲,分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。結(jié)果顯示,僅線蚓科受處理、季節(jié),及二者交互作用的顯著影響,正蚓科受到季節(jié)的顯著影響。春季,線蚓科密度在各處理間無顯著差異;夏季,SS處理的線蚓科密度顯著高于CT和NT處理;秋季,SS處理的線蚓科密度顯著高于CT處理,NT處理的線蚓科密度與CT、SS處理均無顯著差異(圖3)。

圖3 不同處理的線蚓科動(dòng)物密度Fig.3 Density of Enchytraeidae under treatments

不同季節(jié),各類大型土壤動(dòng)物對(duì)不同處理的響應(yīng)不同(圖4)。相較于CT：春季,NT處理增加了除鞘翅目成蟲和地蜈蚣目外其他大型土壤動(dòng)物的數(shù)量(V<0);SS處理增加了線蚓科和蟻科的數(shù)量;夏季,NT處理增加了線蚓科、蟻科、雙翅目幼蟲、鞘翅目成蟲、鞘翅目幼蟲的數(shù)量;SS處理增加了線蚓科、正蚓科的個(gè)體數(shù)量;秋季,NT處理增加了除蟻科和鞘翅目成蟲外的其他大型土壤動(dòng)物的個(gè)體數(shù)量,SS處理增加了線蚓科、正蚓科、蟻科和鞘翅目成蟲的數(shù)量。

3 討論

本文從群落組成、結(jié)構(gòu)和季節(jié)變化分析了玉米秸稈留高茬免耕對(duì)大型土壤動(dòng)物群落的影響。相較于常規(guī)耕作,秸稈留高茬免耕增加了大型土壤動(dòng)物的數(shù)量,并引起其群落結(jié)構(gòu)變化。秸稈留高茬免耕在減少土壤擾動(dòng)的同時(shí),隨次年滅茬還田增加了一定的有機(jī)物料的歸還。這不僅為土壤動(dòng)物生存提供了穩(wěn)定的環(huán)境,而且秸稈滅茬還田通過微生物活動(dòng)加速了秸稈有機(jī)態(tài)養(yǎng)分的分解釋放,在土壤食物網(wǎng)中經(jīng)自下而上的調(diào)控,為土壤動(dòng)物提供可利用的食物源[29-30]。免耕雖然也較常規(guī)耕作提高了土壤動(dòng)物的數(shù)量,但群落組成的變化不及留高茬免桿。免耕被廣泛認(rèn)為是一種比其他耕作方式(如翻耕)對(duì)土壤環(huán)境影響較小的措施,若擬通過免耕來實(shí)現(xiàn)土壤質(zhì)量的改善(如降低土壤侵蝕,增強(qiáng)土壤固碳能力,提高土壤生物活性等),需結(jié)合秸稈覆蓋或適當(dāng)?shù)妮喿鱗31-32]。

各類土壤動(dòng)物對(duì)免耕和秸稈留高茬免耕后土壤環(huán)境變化的響應(yīng)在不同季節(jié)表現(xiàn)不一。研究期間,秸稈留高茬免耕相較于常規(guī)耕作增加了線蚓科的密度,正蚓科的密度在夏秋季也高于常規(guī)耕作。秸稈留高茬滅茬還田被微生物作用后,為線蚓科等動(dòng)物提供了更多的食物資源,利于其生存[33]。夏季免耕處理中,鞘翅目(成蟲/幼蟲)和蟻科密度相對(duì)較高。這可能是因?yàn)榍食崮亢拖伩贫嗷顒?dòng)在地表,喜好開闊、陽光充足,低植被覆蓋的區(qū)域[34-35]。無秸稈覆蓋的免耕地表可以接受更多的陽光,更適合這些動(dòng)物的生存活動(dòng)。在傳統(tǒng)耕作的樣地中,有些動(dòng)物類群仍具有較高的密度,如地蜈蚣目。這可能與地蜈蚣具有較強(qiáng)的活動(dòng)能力和捕食能力,對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)等因素有關(guān)。Wardle[28]認(rèn)為,土壤動(dòng)物對(duì)耕作表現(xiàn)出多樣的響應(yīng),可能與取樣時(shí)期、擾動(dòng)強(qiáng)度和生物適應(yīng)性有關(guān)。

秸稈留高茬免耕對(duì)土壤動(dòng)物群落的影響程度在不同季節(jié)并不相同。這與楊旭等[36]的研究結(jié)果基本一致。土壤動(dòng)物的密度隨季節(jié)的變化起伏較大。本研究中,土壤動(dòng)物密度的最高值出現(xiàn)在秋季,而多樣性指數(shù)的最高值出現(xiàn)在夏季,這與劉鵬飛等[37]、朱強(qiáng)根等[38]的研究基本一致。氣候因素、地上植物的生長(zhǎng)狀況等是影響土壤動(dòng)物分布的重要因素[39]。本研究區(qū)屬溫帶季風(fēng)氣候,春季干燥且多大風(fēng),秸稈留高茬雖可降低土壤風(fēng)蝕,但土壤溫度和含水量較低[23],且在春季(播種期)進(jìn)行的土壤擾動(dòng)會(huì)對(duì)土壤動(dòng)物產(chǎn)生一定的影響,使得土壤動(dòng)物的密度和類群數(shù)均處于3次取樣的最低值。夏季(拔節(jié)期)秸稈留高茬免耕的處理,由于滅茬還田,土壤表面覆蓋有一定量的秸稈碎屑,可以攔截部分雨水并儲(chǔ)存在秸稈中,增加土壤水分。同時(shí),玉米秸稈和雜草的生長(zhǎng)也可為土壤動(dòng)物提供多樣的生境和食物來源,利于多種土壤動(dòng)物的生存與發(fā)展。秋季(成熟期),氣溫降低,土壤水分蒸發(fā)的速度降低,秸稈碎屑經(jīng)微生物作用可以為土壤動(dòng)物提供食物來源,帶動(dòng)一些喜濕耐低溫的土壤動(dòng)物(如線蚓科)的數(shù)量增加,從而明顯提高了大型土壤動(dòng)物的密度。

總的來看,秸稈留高茬免耕相較于常規(guī)耕作增加了黑土農(nóng)田大型土壤動(dòng)物的密度,特別是線蚓科。不同處理間土壤動(dòng)物密度的季節(jié)變化較為一致,總體表現(xiàn)為春低秋高。秸稈留高茬免耕處理的大型土壤動(dòng)物群落組成與常規(guī)耕作差異明顯,特別是在夏、秋兩季,但與免耕的差異不顯著。因此,相較于常規(guī)耕作,秸稈留高茬免耕對(duì)大型土壤動(dòng)物具有一定的保育作用。