施肥對農(nóng)田土壤動物群落結(jié)構(gòu)的影響

羅熳麗，蘭 琴，王 戈，魏 洪，肖玖金，*，張 健

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 生態(tài)林業(yè)研究所，四川 成都 611130； 2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 林業(yè)生態(tài)工程四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 611130； 3.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 旅游學(xué)院，四川 成都 611830； 4.四川省九頂山省級自然保護(hù)區(qū)，四川 德陽 618400)

土壤動物是指一生或生命過程中有一段時間定期在土壤中度過，而且對土壤產(chǎn)生一定影響的動物[1-3]。世界上90%以上的昆蟲生活在土壤中，大約24%的昆蟲生活在耕作土壤中[4-9]。土壤動物在食物鏈及生態(tài)環(huán)境中不可或缺，它們在殘體分解、土壤理化性質(zhì)改變、土壤物質(zhì)遷移與能量轉(zhuǎn)化等方面均具有重要作用，是生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的重要組成部分，對基于人為管理的環(huán)境變化具有重要的指示作用[10-11]，是生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接或間接參與土壤有機(jī)質(zhì)的分解與礦化[12-14]。

當(dāng)前，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中施肥普遍存在重化肥、輕有機(jī)肥、過量施肥的現(xiàn)象[15-16]，不科學(xué)的施肥方式已成為農(nóng)村面源污染的重要來源之一，同時也抬高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，甚至導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)和土壤結(jié)構(gòu)變劣，農(nóng)作物產(chǎn)量及品質(zhì)降低，并會對土壤動物的生活環(huán)境造成一定的影響。近年來，土壤動物群落生態(tài)學(xué)研究已成為環(huán)境與生態(tài)領(lǐng)域的熱點(diǎn)[17]。前人研究認(rèn)為，施肥會在一定程度上改變土壤動物群落組成，對土壤動物的群落多樣性與分布特征造成一定程度的影響[18-20]。為探索過量施肥對土壤動物群落結(jié)構(gòu)的影響，本研究選擇尿素作為施肥材料，對不同施肥量梯度下農(nóng)田土壤動物群落特征進(jìn)行研究，包含土壤動物群落的水平分布特征、垂直分布特征、不同體型分布特征、干濕生群落特征、多樣性特征等，旨在為指導(dǎo)農(nóng)戶合理使用和控制化肥施用量，更好地保障農(nóng)田土壤質(zhì)量提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川省都江堰市安龍鎮(zhèn)卉景村11組(103°36′04″～103°37′25″E，30°48′27″～30°48′35″N)，屬四川盆地亞熱帶濕潤氣候區(qū)，氣候溫和，四季分明，年平均氣溫16 ℃，年均降水量1 243.80 mm，年均日照時數(shù)1 024 h，年無霜期265 d。試驗(yàn)地為典型的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，種植植物有桂花(Osmanthusfragranscv. Tbubergii)、紫薇(Lagerstroemiaindica)等。土壤為黃壤，質(zhì)地為重壤質(zhì)，pH值6.5～6.8，在淀積層母質(zhì)層之間有明顯的潛育現(xiàn)象，土壤肥力中等，保水保肥性好。

1.2 樣地設(shè)置

為探索過量施肥對土壤動物群落結(jié)構(gòu)的影響，本研究以尿素作為施肥材料，參照年均農(nóng)田正常施肥量水平(T1，225 kg·hm-2)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)不同的施肥梯度[21]：T2，450 kg·hm-2；T3，900 kg·hm-2；T4， 1 800 kg·hm-2；T5，3 600 kg·hm-2。同時，設(shè)置不施肥的處理作為對照(CK)。每個施肥梯度都以5 m×5 m(即25 m2)的樣方為準(zhǔn)，并設(shè)置3次重復(fù)。為避免相互影響，每個樣方的間距控制在5～10 m，試驗(yàn)樣方設(shè)置于同一塊農(nóng)田，其土壤環(huán)境基本一致。

1.3 樣品采集

于2016年5月份進(jìn)行一次性施肥處理，將尿素均勻施灑在樣地，5—8月每月中旬進(jìn)行采樣(后續(xù)試驗(yàn)中將其匯總統(tǒng)計)，對各處理下的土壤分為0—5、5—10、10—15 cm土層，用圓形取樣環(huán)刀(r=5 cm，V=100 cm3)自上而下順次對樣地進(jìn)行“品”字型分層取樣[22]，用尼龍網(wǎng)包好、編號，放入黑布袋中。

在土壤分層取樣過程中對大型土壤動物采取“手撿法”進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，每個樣點(diǎn)取樣范圍為0.25 m2(即50 cm×50 cm)，將采集到的土壤動物放入裝有75%(體積分?jǐn)?shù))乙醇溶液的容器中，貼上標(biāo)簽，注明編號與土層深度，帶回實(shí)驗(yàn)室。

1.4 土壤動物的分離與計數(shù)

土壤動物的分離參照肖玖金等[23]、黃玉梅等[24]、趙瑜等[25]的方法，分離均在烘蟲箱中進(jìn)行，控制烘蟲箱溫度在35～40 ℃。干生和濕生的烘蟲時間均為48 h。其中，分離干生土壤動物的用1環(huán)刀土樣，用75%(體積分?jǐn)?shù))乙醇溶液收集；分離濕生土壤動物采取四分法(即取1/4環(huán)刀的土樣)，用清水收集。

土壤動物的分類鑒定：將手撿和分離所得的土壤動物置于SZ760雙目解剖鏡下觀察，其中，干生48 h觀察1次，濕生分4 h和48 h兩個時間段進(jìn)行觀察，主要參考《中國土壤動物檢索圖鑒》[26]、《中國亞熱帶土壤動物》[27]、《昆蟲分類檢索》[28]和《幼蟲分類學(xué)》[29]進(jìn)行分類鑒定，并分別統(tǒng)計數(shù)量，一般鑒定到科的水平。由于成蟲和幼蟲在土壤中的作用和功能不盡相同，因此分開統(tǒng)計其種類和數(shù)量。

1.5 數(shù)據(jù)分析與處理

對土壤動物進(jìn)行多樣性分析，指標(biāo)主要采用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)、Margalef豐富度指數(shù)(D)、Pielou均勻度指數(shù)(J)、Simpson優(yōu)勢度指數(shù)(C)[30-32]。計算公式如下：

(1)

D=(S-1)/lnN；

(2)

J=H′/lnS；

(3)

(4)

式(1)～(4)中：Pi=ni/N，ni為第i個類群的個體數(shù)，N為所有類群的個體數(shù)，S為類群數(shù)。

類群數(shù)量等級劃分：個體密度大于捕獲總量密度的10.0%以上者為優(yōu)勢類群(+++)，占1.0～10.0%者為常見類群(++)，不足1.0%者為稀有類群(+)。

數(shù)據(jù)的處理和分析采用SPSS 22.0進(jìn)行，用Origin 8.1繪制圖形。用單因素方差分析(one-way ANOVA)對不同樣地間土壤動物群落組成進(jìn)行檢驗(yàn)，如果差異顯著(P<0.05)，則用LSD(方差齊性)法或Dunnetts’C法(方差不齊)進(jìn)行多重比較。對不服從正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，利用lg(X+1)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，如果仍不服從正態(tài)分布，則進(jìn)行Kruskal Wallis Test(H)非參數(shù)檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤動物類群結(jié)構(gòu)及數(shù)量組成

試驗(yàn)共捕獲土壤動物1 307只，隸屬于3門13綱19目40科，詳見表1。優(yōu)勢類群為線蟲綱和綏螨科，分別占總密度的56.07%和14.33%；常見類群為跳蟲科、蟻科、葉蟬科等，占總密度的26.65%；剩余閻甲科、蠼螋科、螻蛄科等構(gòu)成稀有類群，占總密度的2.95%。

CK處理下土壤動物平均密度為2.14×104m-2，是T1處理的1.68倍、T2處理的1.35倍、T3處理的1.86倍、T4處理的2.68倍、T5處理的2.46倍。CK樣方中的土壤動物最多，施肥量相對較少的T1、T2與T3樣方中的土壤動物次之，而施肥量較多的T4與T5樣方中土壤動物較少。

2.2 土壤動物群落的水平分布特征

如圖1所示：各處理的土壤動物平均密度排序?yàn)镃K>T2>T1>T3>T5>T4，土壤動物類群對不同處理的土壤動物平均密度進(jìn)一步做多重比較(LSD)，結(jié)果顯示：施肥各處理(T1～T5)的土壤動物平均密度均顯著(P<0.05)低于CK。施肥處理間，T2處理的土壤動物平均密度顯著(P<0.05)高于T4、T5。

表1 不同樣地土壤動物群落組成統(tǒng)計

Table1Compositions of soil fauna community in different plots

類群GroupT1Den/m-2Pr/%T2Den/m-2Pr/%T3Den/m-2Pr/%T4Den/m-2Pr/%T5Den/m-2Pr/%CKDen/m-2Pr/%總計TotalDen/m-2Pr/%線蟲綱7026.3055.3712115. 7076.227924.6068.694075.2651.153395.7539.089289.8343.4443827.4456.07Nematoda綏螨科Sejidae2829.8722.301697.6510.681188.3610.30339.534.261980.5922.793168.9514.8211204.9514.33跳蟲科848.836.69282.941.78226.351.96——113.181.30396.121.851867.422.39Poduridae閻甲科56.590.45——————————56.590.07Histeridae小蚓類39.560.3126.670.1716.000.142.220.03——18.220.09102.670.13Microdrileoligochaetes蠼螋科0.4400.890.010.890.01——1.330.021.780.015.330.01Labiduridae螻蛄科2.220.021.330.011.330.010.890.012.670.030.8909.330.01Gryllotalpidae露尾甲科0.440————0.890.010.440.010.4402.220Nitidulidae姬馬陸科3.110.024.000.0319.110.1712.000.158.440.106.670.0353.330.07Julidae蟻科343.532.71120.290.76401.013.48360.864.53238.82.75740.983.462205.472.82Formicidae

續(xù)表1

Den，密度；Pr，比例。

Den， Density; Pr， Proportion.

柱上無相同字母的表示差異顯著(P<0.05)。Bars marked without the same letters indicated significant difference at P<0.05.圖1 各處理的土壤動物水平分布Fig.1 Horizontal distribution of soil fauna habitat under different treatments

數(shù)排序?yàn)門1>CK>T2>T4>T5>T3。統(tǒng)計分析顯示，各處理的土壤動物類群數(shù)之間無顯著差異(F=1.006，P=0.424)，但平均密度之間存在極顯著差異(F=6.785，P<0.001)。

2.3 不同體型土壤動物群落的水平分布特征

按照尹文英[26]對土壤動物體型的劃分，本次試驗(yàn)所捕獲的土壤動物可分為大型和中小型土壤動物2大類，不同施肥處理下不同體型土壤動物群落的水平分布特征如圖2所示。隨著施肥量增加，大型土壤動物的平均密度總體減少，T1處理的大型土壤動物平均密度顯著(P<0.05)高于T5處理，但二者與CK相比均無顯著差異。中小型土壤動物的平均密度整體亦隨施肥量的增加而減少，CK處理的中小型土壤動物平均密度顯著(P<0.05)高于其他施肥處理(T1～T5)，施肥處理中，T2處理的中小型土壤動物平均密度顯著(P<0.05)高于T4和T5處理。

相同體型動物系列柱上無相同字母的表示處理間差異顯著(P<0.05)。Bars that donated the same habitat size soil fauna marked without the same letters indicated significant difference at P<0.05.圖2 各處理不同體型土壤動物的水平分布Fig.2 Horizontal distribution of soil fauna with different habitat size under different treatments

相同土層系列柱上無相同字母的表示處理間差異顯著(P<0.05)。Bars that donated the same soil layer marked without the same letters indicated significant difference at P<0.05.圖3 各處理的土壤動物垂直分布Fig.3 Vertical distribution of soil fauna under different treatments

2.4 土壤動物的垂直分布特征

對所捕獲的土壤動物進(jìn)行層次分析(圖3)，結(jié)果顯示：0—5 cm土層中各處理間土壤動物平均密度存在顯著差異(P<0.05)，CK處理的土壤動物平均密度顯著(P<0.05)高于各施肥處理(T1～T5)，各施肥處理間，T2和T3處理的土壤動物平均密度顯著(P<0.05)高于T5處理；5—10 cm土層中各處理間土壤動物平均密度存在顯著差異(P<0.05)，CK處理的土壤動物平均密度顯著(P<0.05)高于除T2外的其他所有施肥處理，但各施肥處理間無顯著差異；10—15 cm土層中各處理間土壤動物平均密度同樣存在顯著差異(P<0.05)，但與0—10 cm土層不同的是，T2處理的土壤動物平均密度最高，顯著(P<0.05)高于T3、T4、T5處理，但與CK和T1處理差異不顯著。對比各土層的土壤動物平均密度可以看出，土壤動物分布呈現(xiàn)出表聚特征。

2.5 干、濕生土壤動物群落特征

干、濕生土壤動物群落特征如表2所示。干生土壤動物各處理間，CK的干生土壤動物平均密度顯著(P<0.05)高于T3與T5處理，其余各處理間差異不顯著；濕生土壤動物各處理間，以CK的濕生土壤動物平均密度最高，顯著(P<0.05)高于除T2外的其他所有施肥處理(T1、T3、T4、T5)，各施肥處理間，T2處理的濕生土壤動物平均密度顯著(P<0.05)高于T4與T5處理，其余各處理間無顯著差異。

2.6 土壤動物的多樣性特征

多樣性分析結(jié)果(表3)顯示：CK處理的土壤動物多樣性指數(shù)最高，T2處理的多樣性指數(shù)最低，二者差異顯著(P<0.05)，但分別與其他處理相比均無顯著差異；T5和CK處理的均勻度指數(shù)最低，T2處理的均勻度指數(shù)最高，除T5外，其他施肥處理(T1、T2、T3、T4)的均勻度指數(shù)間均無顯著差異，CK的均勻度指數(shù)顯著(P<0.05)低于T2，但與其他處理無顯著差異；T2處理的優(yōu)勢度指數(shù)最低，且顯著(P<0.05)低于T4、T5和CK處理，但與其他處理無顯著差異；各處理的豐富度指數(shù)無顯著差異。

表2 各處理干、濕分離土壤動物的群落結(jié)構(gòu)特征

Table2Community structure characteristics of Tullgren and Baermann separation of soil fauna under different treatments

同列數(shù)據(jù)后無相同字母的表示差異顯著(P<0.05)。下同。

Data marked without the same letters indicated significant difference atP<0.05. The same as below.

表3 各處理土壤動物群落的多樣性特征

Table3Diversity characteristics of soil fauna under different treatments

處理TreatmentH′JCDT10.99±0.14 ab0.49±0.07 abc0.46±0.06 ab0.81±0.66 aT20.83±0.15 b0.61±0.07 a0.39±0.06 b0.73±0.11 aT30.97±0.22 ab0.55±0.09 ab0.44±0.08 ab0.79±0.10 aT41.11±0.08 ab0.43±0.03 abc0.55±0.03 a0.78±0.07 aT51.23±0.11 ab0.36±0.05 c0.62±0.05 a0.75±0.06 aCK1.34±0.11 a0.36±0.05 bc0.59±0.04 a0.87±0.07 a

3 討論

本研究發(fā)現(xiàn)，不施肥的CK處理的土壤動物數(shù)量最多，施肥較少的T2、T1、T3處理次之，而施肥量較大的T4、T5處理土壤動物數(shù)量最少，表明施肥對各處理土壤動物群落分布產(chǎn)生了一定的影響，這與土壤動物類群格局和土壤環(huán)境密切相關(guān)[33]。T2處理的土壤動物平均密度高于施肥量較少的T1處理，這主要是因?yàn)門2處理中的線蟲數(shù)量較高，這可能是由于在一定范圍內(nèi)，施肥量的增加改變了土壤生態(tài)環(huán)境及養(yǎng)分狀況，提高了土壤中細(xì)菌類群的生物量，進(jìn)而提高了食細(xì)菌線蟲種群的數(shù)量[34]。另外，隨著施肥量增加，各個處理間的土壤動物類群數(shù)總體呈減少趨勢，說明單氮肥的大量施用會抑制土壤動物類群數(shù)量。

本研究中，各處理通過濕生分離出的土壤動物比干生分離的多。在0—5 cm和5—10 cm土層中，各處理的土壤動物分布均以CK占優(yōu)勢。分析顯示，本研究中各施肥處理的土壤濕度分別為：0—5 cm土層，38%左右；5—10 cm土層，36%左右；10—15 cm土層，35%左右，而CK處理在0—5 cm與5—10 cm土層的土壤濕度均為40%左右。這說明土壤動物對土壤濕度具有一定的生存依賴性[35]。

將所捕獲的土壤動物依體型分為大型與中小型土壤動物，比較發(fā)現(xiàn)，同一處理的中小型土壤動物密度比大型土壤動物密度大。

綜上所述，施肥會對土壤動物的平均密度、不同體型數(shù)量、群落結(jié)構(gòu)分布、多樣性、均勻度等產(chǎn)生一定程度的影響。過量施肥會對土壤動物數(shù)量、豐富度等產(chǎn)生不利影響。但是，在試驗(yàn)過程中僅考慮了單一肥料(氮肥)類型對土壤動物群落結(jié)構(gòu)的影響，而大田生產(chǎn)中常會混合施用多種肥料，而且本試驗(yàn)也僅考查了肥料對土壤動物群落的短期效應(yīng)。今后有必要深入開展長期定位試驗(yàn)以研究多因素綜合作用下的施肥對土壤動物群落結(jié)構(gòu)的影響，同時，相關(guān)機(jī)理也有待深入挖掘。