劉鵬飛,紅 梅,,*,美 麗,趙巴音那木拉,,德海山,,白雪原,李志新,馬 璽
1 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué),呼和浩特 010011 2 內(nèi)蒙古自治區(qū)土壤質(zhì)量與養(yǎng)分資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,呼和浩特 010011 3 扎賚特旗農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心,內(nèi)蒙古興安盟 137600 4 興安盟土壤肥料和節(jié)水農(nóng)業(yè)工作站,內(nèi)蒙古興安盟 137600
玉米秸稈是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的物質(zhì)基礎(chǔ)[1-2],是一種重要的生物質(zhì)資源,具有高的養(yǎng)分[3]。地面節(jié)肢動(dòng)物主要生活在地面枯枝落葉層及淺層土壤中[4],是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[5-6],在調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)動(dòng)態(tài)、改善土壤性狀及土壤養(yǎng)分等物質(zhì)循環(huán)方面起到重要作用[7-9]。近年來,隨著對(duì)玉米秸稈在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)認(rèn)知的提高,玉米秸稈還田與土壤動(dòng)物群落的關(guān)系研究日益受到關(guān)注[10-12]。農(nóng)田黑土生態(tài)系統(tǒng)中土壤動(dòng)物數(shù)量巨大,研究其群落特征與生態(tài)功能是非常重要的內(nèi)容[13]。國(guó)內(nèi)已有的玉米秸稈還田對(duì)土壤動(dòng)物的響應(yīng)主要以玉米秸稈覆蓋還田為主,研究表明,隨玉米秸稈覆蓋量的增加,土壤動(dòng)物類群多樣性和豐富度增加[14];秸稈覆蓋免耕下土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)、類群數(shù)和多樣性較常規(guī)耕作有顯著增加[12,15];秸稈覆蓋還田也影響甲螨群落的多樣性指數(shù)[16]。但已有的研究主要關(guān)注玉米秸稈覆蓋還田及還田方式上,而對(duì)于玉米秸稈徹底粉碎,加工成秸稈沫翻壓還田的響應(yīng),以及玉米秸稈還田量的比較研究較少,尤其是對(duì)地面節(jié)肢動(dòng)物在黑土區(qū)農(nóng)田中的響應(yīng)研究較少。因此,本文通過玉米的生育期內(nèi)取樣調(diào)查地面節(jié)肢動(dòng)物群落,考察不同玉米秸稈還田量后土壤性狀的變化,探討玉米秸稈在不同還田量下地面節(jié)肢動(dòng)物群落的生態(tài)分布特征。為改善黑土區(qū)農(nóng)田土壤生態(tài)系統(tǒng)、提高玉米產(chǎn)量和品質(zhì)及秸稈資源化利用提供理論依據(jù)。
試驗(yàn)區(qū)位于內(nèi)蒙古興安盟扎賚特旗農(nóng)業(yè)科技示范園區(qū)試驗(yàn)示范種植基地(46°45′N,122°47′E)。屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年均氣溫3.24℃,年均降水量400 mm,降水主要集中在6—9月份。海拔206 m,無霜期120—140 d。土壤類型為暗栗鈣土。
玉米秸稈不同還田量通過1500 kg/hm2的數(shù)量級(jí)梯度精確還田,即9000 (SR1)、10500 (SR2)、12000 (SR3)、13500 (SR4) kg/hm2,無玉米秸稈還田為對(duì)照(CK);共5個(gè)處理,重復(fù)3次,隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。小區(qū)面積10 m×10 m=100 m2,共20壟,行距50 cm,小區(qū)周圍有5壟保護(hù)行,小區(qū)間間隔2 m。玉米秸稈經(jīng)過徹底粉碎后,加工成玉米秸稈沫于2016年4月中旬翻地埋入土中(約15 cm)。種植作物為玉米,品種為先玉335,于2016年4月30日播種,于2016年9月26日收獲。各試驗(yàn)小區(qū)采用常規(guī)耕作方法。
圖1 試驗(yàn)地氣象數(shù)據(jù)Fig.1 Meteorological data of the test ground
樣品采集于2016年6—9月,采用陷阱誘捕法捕獲節(jié)肢動(dòng)物。在每個(gè)小區(qū)中心位置布設(shè)3個(gè)采樣點(diǎn),收集器直徑為7 cm、高9 cm,套在直徑為8 cm、高10 cm的PVC管中,收集器與地面齊平,在收集器里加入濃度為3%的福爾馬林溶液和甘油,增加捕獲的有效性。每月取樣一次,即6月中旬,7月中旬,8月中旬和9月末,每次收集時(shí)間為7 d。將收集到的地面節(jié)肢動(dòng)物裝在盛有75%酒精溶液的塑料瓶中。分類鑒定參考尹文英等《中國(guó)土壤動(dòng)物檢索圖鑒》[17]在體視顯微鏡(SZ78系列)或肉眼對(duì)樣品進(jìn)行鑒定,地面節(jié)肢動(dòng)物鑒定到科的水平。各個(gè)體類群等級(jí)劃分為:個(gè)體數(shù)占總個(gè)體數(shù)10%以上的地面節(jié)肢動(dòng)物類群為優(yōu)勢(shì)類群,1%—10%的地面節(jié)肢動(dòng)物類群為常見類群,1%以下的為稀有類群。
土壤溫度采用溫度計(jì)(TP101型)測(cè)定;土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定;土壤含水量采用烘干法測(cè)定;有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀-容量法測(cè)定[18];平均入滲率采用雙環(huán)法測(cè)定[19]。2016年5—9月試驗(yàn)地氣象數(shù)據(jù)見圖1。
對(duì)地面節(jié)肢動(dòng)物群落特征進(jìn)行分析時(shí),采用Shannon多樣性指數(shù)(H),Pielou均勻度指數(shù)(J),Margalef豐富度指數(shù)(D)和Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(C)進(jìn)行分析[20-21]。采用單因素方差分析(One-way ANOVA)和多重比較方法(LSD)進(jìn)行差異顯著性分析。采用Pearson相關(guān)系數(shù)(兩尾測(cè)驗(yàn))分析所捕獲的地面節(jié)肢動(dòng)物個(gè)體數(shù)和類群數(shù)與土壤環(huán)境的相關(guān)性。采用主成分分析法(PCA)進(jìn)行分析地面節(jié)肢動(dòng)物主要群落指標(biāo)對(duì)玉米秸稈還田的響應(yīng)關(guān)系。數(shù)據(jù)處理與作圖采用SAS 9.0,Excel 2003進(jìn)行。群落多樣性指數(shù)計(jì)算公式如下:
J=H/lnS
D=(S-1)/lnN
式中,Pi為第i個(gè)物種的個(gè)體數(shù)占總個(gè)體數(shù)的比率;S為類群數(shù);N為總個(gè)體數(shù);ni/N表明各個(gè)體數(shù)占總個(gè)體數(shù)的百分?jǐn)?shù)。
由表1可知,研究期間共捕獲地面節(jié)肢動(dòng)物1820只,隸屬16個(gè)類群。其中優(yōu)勢(shì)類群為蟋蟀總科和步甲科2類,占總個(gè)體數(shù)的83.85%。玉米秸稈還田后顯著提高蟋蟀總科的個(gè)體數(shù)(P<0.05),并且蟋蟀總科個(gè)體數(shù)隨玉米秸稈還田量增加呈增加趨勢(shì)。步甲科個(gè)體數(shù)只有在玉米秸稈還田量達(dá)到SR4時(shí)與對(duì)照CK有顯著差異(P<0.05),但個(gè)體數(shù)隨玉米秸稈還田量增加而呈現(xiàn)出一定增加趨勢(shì);常見類群為跳甲科、隱翅甲科和蟻科3類,占總個(gè)體數(shù)13.85%;剩余11類為稀有類群,占總個(gè)體數(shù)的2.30%。
總體來看,玉米秸稈還田量對(duì)地面節(jié)肢動(dòng)物個(gè)體數(shù)表現(xiàn)出差異性,但對(duì)類群數(shù)沒有明顯影響。其中對(duì)照CK個(gè)體數(shù)最少,隨玉米秸稈還田量增加個(gè)體數(shù)隨之增加,SR4處理個(gè)體數(shù)最多,個(gè)體數(shù)排序?yàn)镃K 由表2可知,個(gè)體數(shù)在玉米秸稈還田量達(dá)到SR2時(shí)與對(duì)照CK有顯著差異(P<0.05),并隨玉米秸稈還田量的增加個(gè)體數(shù)隨之增加。類群數(shù)在玉米秸稈還田后與對(duì)照CK有微弱增加趨勢(shì),只有SR3處理與對(duì)照CK有顯著差異(P<0.05)。SR4處理的多樣性指數(shù)最高(1.17),與對(duì)照CK無顯著差異(P>0.05);多樣性指數(shù)排序SR1 表1 不同處理地面節(jié)肢動(dòng)物群落組成 表中“—”表示該土壤動(dòng)物類群在該處理中未被發(fā)現(xiàn);CK:對(duì)照,control check;SR1:秸稈還田9000 kg/hm2,straw returned for 9000 kg/hm2;SR2:秸稈還田10500 kg/hm2,straw returned for 10500 kg/hm2;SR3:秸稈還田12000 kg/hm2,straw returned for 12000 kg/hm2;SR4:秸稈還田13500 kg/hm2,straw returned for 13500 kg/hm2 表2 不同處理地面節(jié)肢動(dòng)物群落特征(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤) 不同小寫字母表示同一列不同處理間的差異顯著(P<0.05) 由圖2所示,地面節(jié)肢動(dòng)物的個(gè)體數(shù)和類群數(shù)在月份變化中與土壤含水量和溫度具有一定關(guān)聯(lián)性。地面節(jié)肢動(dòng)物個(gè)體數(shù)在8月份達(dá)到最多;總體趨勢(shì)8月>7月>6月>9月。地面節(jié)肢動(dòng)物類群數(shù)在7月份最多,總體趨勢(shì)7月>8月>6月>9月。土壤溫度在7月份最高,總體趨勢(shì)7月>8月>6月>9月。土壤含水量在6月份最高,總體趨勢(shì)6月>9月>8月>7月。 圖2 地面節(jié)肢動(dòng)物個(gè)體數(shù)和類群數(shù)與溫度和含水量的月動(dòng)態(tài)變化Fig.2 The monthly dynamic changes of soil ground arthropod individual, groups, temperature and moistureCK:對(duì)照,control check;SR1:秸稈還田9000 kg/hm2,straw returned for 9000 kg/hm2;SR2:秸稈還田10500 kg/hm2,straw returned for 10500 kg/hm2;SR3:秸稈還田12000 kg/hm2,straw returned for 12000 kg/hm2;SR4:秸稈還田13500 kg/hm2,straw returned for 13500 kg/hm2 由表3可知,與對(duì)照CK相比,秸稈還田后土壤有機(jī)質(zhì)含量、平均入滲率、土壤溫度和含水量顯著增加(P<0.05),并且隨玉米秸稈還田量的增加呈增加趨勢(shì);土壤容重顯著降低(P<0.05),隨玉米秸稈還田量的增加呈下降趨勢(shì)。 表3 不同處理土壤理化性質(zhì) 不同小寫字母表示同一列不同處理間的差異顯著(P<0.05) 由表4的Pearson相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果可知,農(nóng)田地面節(jié)肢動(dòng)物的個(gè)體數(shù)與土壤有機(jī)質(zhì)呈極顯著相關(guān)(P<0.01),與平均入滲率呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與土壤容重呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05);類群數(shù)與土壤溫度呈顯著正相關(guān)(P<0.05);豐富度指數(shù)與平均入滲率和土壤含水量呈顯著正相關(guān)(P<0.05);優(yōu)勢(shì)度指數(shù)與土壤溫度呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。 表4 地面節(jié)肢動(dòng)物群落與土壤環(huán)境相關(guān)系數(shù) *表示顯著相關(guān)(P<0.05),**表示極顯著相關(guān)(P<0.01) 由表5可知,本研究對(duì)地面節(jié)肢動(dòng)物個(gè)體數(shù)、類群數(shù)、多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、豐富度指數(shù)、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)、優(yōu)勢(shì)類群(蟋蟀總科和步甲科)和常見類群(跳甲科、隱翅甲科和蟻科)等11個(gè)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析,并確定對(duì)玉米秸稈還田最敏感的特征指標(biāo)。通過選取前2個(gè)主成分,累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到90.96%,可以包含這11個(gè)特征指標(biāo)的絕大部分信息。 由表6可知,每個(gè)特征指標(biāo)的綜合得分是通過以每個(gè)主成分所對(duì)應(yīng)特征值占所選取的2個(gè)主成分特征值之和的比值作為權(quán)重,然后分別與對(duì)應(yīng)的主成分值相乘后求和得到,最后進(jìn)行排序[22]。綜合得分排序前5名為:個(gè)體數(shù)、多樣性指數(shù)、蟋蟀總科、跳甲科和步甲科。結(jié)果表明:綜合得分排序較前的這5個(gè)特征指標(biāo)對(duì)該地區(qū)玉米秸稈還田處理較為敏感,初步認(rèn)為可以作為衡量黑土區(qū)玉米秸稈還田效應(yīng)的指標(biāo)。 表5 地面節(jié)肢動(dòng)物主成分特征根與方差貢獻(xiàn)率 表6 地面節(jié)肢動(dòng)物群落特征指標(biāo)主成分綜合得分及排序 在本研究中,與對(duì)照CK相比,玉米秸稈還田后地面節(jié)肢動(dòng)物個(gè)體數(shù)增加,由對(duì)照CK的296只增加到SR4處理的441只,增加48.99%;其中優(yōu)勢(shì)類群蟋蟀總科和步甲科增加顯著(P<0.05),蟋蟀總科增加34.15%,步甲科增加70.45%。這是因?yàn)橛衩捉斩挶旧砭哂休^高養(yǎng)分價(jià)值,玉米秸稈還田提高土壤腐殖質(zhì)含量,為節(jié)肢動(dòng)物提供充足的食物來源外,有利于農(nóng)田黑土中的土壤動(dòng)物生存[23]。一般來說,優(yōu)勢(shì)度指數(shù)的大小表明該群落中某個(gè)類群的土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)占該群落總個(gè)體數(shù)比例的大小[24],即某一個(gè)群落的優(yōu)勢(shì)度指數(shù)越小,豐富度指數(shù)越大,同時(shí)群落中的個(gè)體在物種間分配比例越均勻,均勻度指數(shù)就越大,多樣性指數(shù)也就越大[25]。本研究中,SR1處理的優(yōu)勢(shì)度指數(shù)最高,對(duì)照CK的均勻度指數(shù)最高,這主要是由于經(jīng)過玉米秸稈還田后蟋蟀總科和步甲科的數(shù)量大量增加造成的,說明玉米秸稈還田后更適合蟋蟀總科和步甲科的生存;SR4處理的豐富度指數(shù)和多樣性指數(shù)最高,這是由于玉米秸稈除能夠?yàn)榈孛婀?jié)肢動(dòng)物提供食物來源,還對(duì)土壤性質(zhì)和結(jié)構(gòu)條件的調(diào)控來影響地面節(jié)肢動(dòng)物的生存環(huán)境,如玉米秸稈能減小土壤容重和增加土壤孔隙度,增加入滲速率,提供多樣化的生境,這些因素可能促進(jìn)土壤生物的活動(dòng)、促進(jìn)土壤養(yǎng)分循環(huán),增加了多樣性[26]。群落的物種多樣性指數(shù)越大,群落的營(yíng)養(yǎng)通道就越復(fù)雜,群落就會(huì)向更穩(wěn)定方向發(fā)展[27]。同時(shí),本研究中隨著玉米秸稈還田量的增加,優(yōu)勢(shì)度指數(shù)SR1—SR4處理逐漸降低,均勻度指數(shù)SR1—SR4處理逐漸上升,這主要是SR1—SR4處理中的蟋蟀總科占群落總個(gè)體數(shù)比例下降,其他常見類群的節(jié)肢動(dòng)物微弱增加,群落中的個(gè)體在物種間分配比例較均勻所導(dǎo)致。豐富度指數(shù)和多樣性指數(shù)SR1—SR4處理增加,可能是由于玉米秸稈還田量增加,玉米秸稈提高了土壤腐殖質(zhì)含量,土壤含水量增加,玉米秸稈降解速率提高,增加對(duì)土壤的生境調(diào)控。因此,隨玉米秸稈還田量增加地面節(jié)肢動(dòng)物豐富度指數(shù)和多樣性指數(shù)增加。 從6—9月地面節(jié)肢動(dòng)物月動(dòng)態(tài)變化來看,8月份地面節(jié)肢動(dòng)物個(gè)體數(shù)最多,這可能是由于8月由于氣候條件適宜,水熱條件好,大多數(shù)土壤動(dòng)物已逐步成熟[1],同時(shí),8月份土壤含水量較大,土壤中水分能增加植物地下凈初級(jí)生存力[28],刺激土壤微生物的生長(zhǎng)與繁殖[29],加快了玉米秸稈的腐解速度,為地面節(jié)肢動(dòng)物提供一定食物來源,導(dǎo)致地面節(jié)肢動(dòng)物個(gè)體數(shù)在8月份最多。7月份地面節(jié)肢動(dòng)物類群數(shù)最多,這主要是由于7月份土壤溫度較高,溫暖而濕潤(rùn)的環(huán)境,加之農(nóng)田表面有一定的玉米秸稈沫,以及雜草物質(zhì),食物資源豐富,為地面節(jié)肢動(dòng)物提供充足食物來源[15],適合不同地面節(jié)肢動(dòng)物類群的生存,使類群數(shù)有微弱增加趨勢(shì)。 玉米秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的生物質(zhì)資源,玉米秸稈還田能夠改善土壤環(huán)境。地面節(jié)肢動(dòng)物主要生活在地面枯枝落葉層及淺層土壤中,受土壤環(huán)境的影響較大,土壤環(huán)境的改變能夠快速使地面節(jié)肢動(dòng)物表現(xiàn)出相應(yīng)的反應(yīng),所以,玉米秸稈通過改善土壤環(huán)境,進(jìn)而改變了地面節(jié)肢動(dòng)物的生存環(huán)境。本研究中,由于玉米秸稈還田量的不同,導(dǎo)致玉米秸稈降解速率與降解數(shù)量不同,從而對(duì)地面節(jié)肢動(dòng)物群落影響不同。因此,測(cè)定土壤理化性質(zhì)是衡量土壤質(zhì)量的重要因子。林英華等研究認(rèn)為:長(zhǎng)期施肥下土壤有機(jī)質(zhì)和全氮與土壤動(dòng)物群落具有顯著相關(guān)性,對(duì)土壤質(zhì)量具有很好的預(yù)測(cè)指示能力[30]。為此,本文為明確在玉米秸稈還田量下地面節(jié)肢動(dòng)物群落與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系,采用Pearson相關(guān)系數(shù)分析,研究表明:農(nóng)田土壤環(huán)境中的土壤有機(jī)質(zhì)、容重、溫度、含水量和土壤平均入滲率與地面節(jié)肢動(dòng)物群落的關(guān)系密切,地面節(jié)肢動(dòng)物群落中的個(gè)體數(shù)、類群數(shù)、豐富度指數(shù)和優(yōu)勢(shì)度指數(shù)與土壤環(huán)境的關(guān)系密切。這表明,玉米秸稈還田后土壤有機(jī)質(zhì)含量增加,土壤變疏松,容重減小,孔隙度增大,入滲速率增加,土壤含水量增加,使土壤呼吸速率增加,促進(jìn)微生物降解和玉米根系發(fā)育,為地面節(jié)肢動(dòng)物創(chuàng)造了有利的生存條件。楊旭等研究表明,土壤動(dòng)物個(gè)體密度、甲螨亞目、節(jié)跳蟲科、前氣門亞目的類群受秸稈還田方式的影響較大,是耕作黑土中對(duì)秸稈還田方式反應(yīng)敏感的土壤動(dòng)物指標(biāo),能夠作為考察耕作黑土秸稈還田肥力效應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)[1]。為此,本研究采用主成分分析法(PCA)對(duì)11個(gè)地面節(jié)肢動(dòng)物的特征指標(biāo)進(jìn)行分析,明晰在黑土區(qū)農(nóng)田不同玉米秸稈還田量下地面節(jié)肢動(dòng)物群落的敏感因子,結(jié)果顯示:地面節(jié)肢動(dòng)物個(gè)體數(shù)、多樣性指數(shù)、蟋蟀總科、跳甲科和步甲科這5個(gè)地面節(jié)肢動(dòng)物特征指標(biāo)對(duì)不同玉米秸稈還田量較為敏感,初步認(rèn)為是衡量黑土區(qū)土壤玉米秸稈還田后土壤質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)。 2016年6—9月于黑土區(qū)農(nóng)田中共捕獲地面節(jié)肢動(dòng)物1820只,隸屬于16個(gè)類群。其中,優(yōu)勢(shì)類群個(gè)體數(shù)占總個(gè)體數(shù)83.85%,構(gòu)成了研究樣地地面節(jié)肢動(dòng)物群落的主體。 玉米秸稈還田作為保護(hù)性耕作措施之一,玉米秸稈還田量的不同影響農(nóng)田地面節(jié)肢動(dòng)物群落的組成。在一定還田量范圍內(nèi),玉米秸稈還田有助于提高地面節(jié)肢動(dòng)物個(gè)體數(shù),隨玉米秸稈還田量增加個(gè)體數(shù)增加;并且對(duì)直翅目的蟋蟀總科和鞘翅目的步甲科的影響最為明顯。 群落多樣性指數(shù)分析可得出:隨玉米秸稈還田量的增加,優(yōu)勢(shì)度指數(shù)降低,豐富度指數(shù)增加,群落中的個(gè)體在物種間分配比例越均勻,均勻度指數(shù)增加,多樣性指數(shù)增加;玉米秸稈還田降低了土壤環(huán)境受干擾的程度,使土壤生態(tài)系統(tǒng)向更穩(wěn)定方向發(fā)展。 玉米秸稈還田對(duì)地面節(jié)肢動(dòng)物群落的總個(gè)體數(shù)、多樣性指數(shù)、蟋蟀總科、跳甲科和步甲科的個(gè)體數(shù)等5個(gè)指標(biāo)的影響較大,這5個(gè)指標(biāo)對(duì)秸稈還田量的響應(yīng)較敏感,能夠預(yù)測(cè)長(zhǎng)期玉米秸稈還田量引起的土壤肥力的變化,對(duì)黑土區(qū)農(nóng)田土壤肥力的提升具有一定預(yù)測(cè)潛力。2.2 玉米秸稈還田量對(duì)地面節(jié)肢動(dòng)物群落多樣性的影響
2.3 地面節(jié)肢動(dòng)物個(gè)體數(shù)和類群數(shù)與土壤含水量和溫度的月動(dòng)態(tài)變化
2.4 玉米秸稈還田量下土壤理化性質(zhì)與相關(guān)性分析
2.5 玉米秸稈還田量對(duì)地面節(jié)肢動(dòng)物群落特征指標(biāo)的影響
3 討論
3.1 地面節(jié)肢動(dòng)物群落多樣性的差異
3.2 地面節(jié)肢動(dòng)物月動(dòng)態(tài)分布變化特征
3.3 玉米秸稈還田量下地面節(jié)肢動(dòng)物群落特征
4 結(jié)論