劉鵬飛，紅 梅?，美 麗，王文東，趙烏英嘎，李志新

（1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院，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；2. 扎賚特旗農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，內(nèi)蒙古興安盟 137600）

農(nóng)作物秸稈是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的物質(zhì)基礎(chǔ)[1]，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要生物質(zhì)資源，具有高的養(yǎng)分價(jià)值[2]。我國(guó)秸稈資源有6 億～8 億噸，秸稈資源豐富[3]。秸稈還田有利于維護(hù)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中土壤動(dòng)物的生存環(huán)境[4-6]。土壤動(dòng)物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的重要參與者[7-9]，其活動(dòng)能夠改善土壤性質(zhì)與結(jié)構(gòu)，對(duì)土壤中有機(jī)物的分解與腐殖質(zhì)的形成等養(yǎng)分循環(huán)過(guò)程有積極作用，并在維持和發(fā)揮農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)正常功能上起著不可替代的作用[10]。近年來(lái)，東北黑土區(qū)由于過(guò)度開(kāi)墾、土壤侵蝕及不合理的田間管理措施，造成一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。而東北黑土區(qū)是我國(guó)糧食的主產(chǎn)區(qū)，土壤有機(jī)質(zhì)的下降對(duì)我國(guó)糧食生產(chǎn)造成一定威脅。隨著對(duì)玉米秸稈在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)重要性認(rèn)知的提高，玉米秸稈還田對(duì)土壤動(dòng)物群落的影響和土壤動(dòng)物對(duì)秸稈分解的作用受到關(guān)注[11]。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的秸稈還田對(duì)土壤動(dòng)物的響應(yīng)主要以秸稈覆蓋還田為主，其研究表明，秸稈覆蓋還田土壤動(dòng)物類群多樣性和豐富度增加[12]，類群和個(gè)體數(shù)增加[5，13]，顯著影響甲螨群落的多樣性指數(shù)，秸稈覆蓋還田和季節(jié)交互作用對(duì)土壤甲螨個(gè)體數(shù)量有顯著影響[14]。因此，本研究在前人研究的基礎(chǔ)上，以黑土區(qū)農(nóng)田作為研究樣點(diǎn)，通過(guò)試驗(yàn)明確玉米秸稈在不同量還田下大型土壤動(dòng)物群落變化特征，為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)化管理，玉米秸稈資源化利用提供科學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)和理論依據(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）。平均海拔206 m，屬溫帶大陸性氣候，年均氣溫為3.24℃，年均降水量400 mm，降水主要集中在6—9月。無(wú)霜期120～140 d。2016 年玉米生長(zhǎng)季5—9月平均氣溫為20.22℃，降水量為379 mm，相對(duì)濕度34%，平均風(fēng)速為4.62 m·s-1，土壤類型為暗栗鈣土。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

玉米秸稈通過(guò) 1 500 kg·hm-2的數(shù)量級(jí)梯度精確還田，即 9 000（SR1）、10 500（SR2）、12 000（SR3）、13 500 kg·hm-2（SR4），常規(guī)無(wú)秸稈還田為對(duì)照（CK），共5 個(gè)處理。隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3 次重復(fù)。小區(qū)面積10 m×10 m=100 m2，共20 壟，行距50 cm，小區(qū)之間間隔2 m。以玉米秸稈為原料，經(jīng)過(guò)徹底粉碎加工成秸稈沫于2016 年4 月翻地埋入土中。種植作物為玉米，各處理試驗(yàn)田采用統(tǒng)一常規(guī)耕作方法。

1.3 樣品采集與土壤動(dòng)物鑒定

樣品采集于2016 年玉米生長(zhǎng)季6—9 月份進(jìn)行，每月取樣一次（6 月中旬、7 月中旬、8 月中旬和9月末）。取樣時(shí)在每個(gè)小區(qū)中間點(diǎn)選擇典型玉米生長(zhǎng)生境，分別對(duì) 0～10、10～20 和 20～30 cm 共 3 個(gè)土層依次取樣，采樣面積為20 cm×20 cm=400 cm2，采用手揀法收集大型土壤動(dòng)物（體長(zhǎng)在2 mm 以上的動(dòng)物）。分類鑒定參考《中國(guó)土壤動(dòng)物檢索圖鑒》[15]，并在顯微鏡下對(duì)標(biāo)本進(jìn)行鑒定，所有大型土壤動(dòng)物鑒定到科，成蟲(chóng)和幼蟲(chóng)分開(kāi)統(tǒng)計(jì)。

在每個(gè)小區(qū)取0～30 cm 的混合土壤樣品1 kg，作為土壤理化性質(zhì)指標(biāo)的測(cè)試。土壤 pH 采用電位法（土︰液=1︰5）進(jìn)行測(cè)定；土壤溫度采用地溫計(jì)（TP101 型）測(cè)定；土壤容重采用環(huán)刀法（環(huán)刀直徑為5 cm，高5 cm）；土壤含水量采用烘干稱重法測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀-容量法測(cè)定[16]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

對(duì)個(gè)體類群等級(jí)劃分為：個(gè)體數(shù)占總個(gè)體數(shù)10%以上的土壤動(dòng)物類群為優(yōu)勢(shì)類群，1%～10%之間的土壤動(dòng)物類群為常見(jiàn)類群，1%以下的為稀有類群。對(duì)大型土壤動(dòng)物群落特征進(jìn)行分析時(shí)，采用香農(nóng)-威爾（Shannon-Wiener）多樣性指數(shù)（H）、Pielou均勻度指數(shù)（E）、 Margalef 豐富度指數(shù)（D）和辛普森（Simpson）優(yōu)勢(shì)度指數(shù)（C）進(jìn)行分析[17-18]。采用單因素方差分析（one-way ANOVA）和多重比較方法（LSD）對(duì)不同數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析。采用冗余分析法（RDA）分析了農(nóng)田大型土壤動(dòng)物群落主要類群個(gè)體數(shù)與土壤環(huán)境因子的相關(guān)性。數(shù)據(jù)處理與作圖采用SAS 9.0，Canoca 4.5，Excel 2003軟件進(jìn)行。

群落多樣性指數(shù)計(jì)算公式如下：

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)。

2 結(jié) 果

2.1 玉米秸稈還田后大型土壤動(dòng)物群落組成

由表1 可知，研究區(qū)共捕獲大型土壤動(dòng)物2 681只，分別隸屬于13 目41 個(gè)類群。其中優(yōu)勢(shì)類群為隱翅甲科、象甲科幼蟲(chóng)和線蚓科3 類，占總個(gè)體數(shù)74.93%；常見(jiàn)類群為葉甲科、步甲科、金龜甲科、隱翅甲科幼蟲(chóng)、纓甲科幼蟲(chóng)、正蚓科、舞虻科幼蟲(chóng)、長(zhǎng)足虻科幼蟲(chóng)和奧地蜈蚣科 9 類，占總個(gè)體數(shù)19.17%；其余29 類為稀有類群，占總個(gè)體數(shù)5.89%。優(yōu)勢(shì)類群構(gòu)成了研究區(qū)大型土壤動(dòng)物的主體。不同處理間比較，對(duì)照 CK 大型土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)最少，SR4 處理大型土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)最多，并隨玉米秸稈還田量增加個(gè)體數(shù)隨之增加，個(gè)體數(shù)排序?yàn)?SR4＞SR3＞SR2＞SR1＞CK。

2.2 玉米秸稈還田后大型土壤動(dòng)物主要類群的變化

由圖1 所示，玉米秸稈還田后大型土壤動(dòng)物主要類群的個(gè)體數(shù)隨取樣時(shí)間和類群的不同而不同。鞘翅目成蟲(chóng)個(gè)體數(shù)在玉米生長(zhǎng)時(shí)期的6 月份發(fā)現(xiàn)較少，7 月份秸稈還田處理的個(gè)體數(shù)較 6 月的個(gè)體數(shù)顯著增加（P＜0.05）。鞘翅目幼蟲(chóng)個(gè)體數(shù)在 6—8 月份發(fā)現(xiàn)較少，9 月份個(gè)體數(shù)增加，SR2 和SR4 處理9 月份的個(gè)體數(shù)顯著高于 6—8 月份的個(gè)體數(shù)（P＜0.05）。顫蚓目的個(gè)體數(shù)在 6 月份沒(méi)有發(fā)現(xiàn)，7月份較少，8、9 月份個(gè)體數(shù)增加。從總計(jì)可以看出，玉米秸稈還田后大型土壤動(dòng)物隨著玉米生長(zhǎng)時(shí)期的推移，個(gè)體數(shù)隨之增加，并且隨著玉米秸稈還田量的增加，個(gè)體數(shù)隨之增加。

2.3 玉米秸稈還田后大型土壤動(dòng)物多樣性特征

由圖2 所示，多樣性指數(shù)隨著玉米生長(zhǎng)季總體上呈現(xiàn)出先增加后下降的趨勢(shì)，SR1 處理7 月份多樣性指數(shù)顯著高于6 月和9 月多樣性指數(shù)（P＜0.05），SR3 處理 7 月和 8 月多樣性指數(shù)顯著高于 9 月份（P＜0.05）。均勻度指數(shù)隨玉米生長(zhǎng)季總體上呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，SR4 處理 6 月均勻度指數(shù)顯著高于 7月和9 月（P＜0.05）。豐富度指數(shù)隨玉米生長(zhǎng)季總體上呈現(xiàn)出先增加后下降的趨勢(shì)，SR1 和SR2 處理7月和 8 月豐富度指數(shù)顯著高于 6 月和 9 月（P＜0.05），SR4 處理 6—8 月豐富度指數(shù)顯著高于 9 月（P＜0.05）。優(yōu)勢(shì)度指數(shù)總體與多樣性指數(shù)變化趨勢(shì)相反，隨玉米生長(zhǎng)季呈現(xiàn)出先下降后增加的趨勢(shì)，SR3 和SR4 處理優(yōu)勢(shì)度指數(shù)9 月顯著高于6 月和8月（P＜0.05）。

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圖1 玉米秸稈還田后大型土壤動(dòng)物群落主要類群個(gè)體數(shù)Fig. 1 Change in number of individuals of major groups of soil macrofauna in farmlands with corn stalk returned

圖2 玉米秸稈還田量對(duì)大型土壤動(dòng)物群落多樣性的影響Fig. 2 Impact of corn stalk returning on diversity of the soil macrofauna community in farmland

2.4 玉米秸稈還田后大型土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)垂直分布

由圖3 所示，隨著玉米的生長(zhǎng)6 月份大型土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)在 0～10 cm 土層所占比例最多；7—9月0～10 cm 土層個(gè)體數(shù)所占比例下降，10～20 cm土層個(gè)體數(shù)所占比例增加；6—9 月20～30 cm 土層的個(gè)體數(shù)所占比例均最少。

2.5 玉米秸稈還田后大型土壤動(dòng)物功能群特征

由圖4 所示，捕食性大型土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)隨玉米的生長(zhǎng)季呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì)，6—9 月中各處理間個(gè)體數(shù)無(wú)顯著差異（P＞0.05）。植食性大型土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)6—8 月較少，9 月個(gè)體數(shù)顯著增加，并且9 月SR4 處理與CK、SR1 和SR2 處理有顯著差異（P＜0.05）。腐食性大型土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)隨玉米生長(zhǎng)季呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，并且隨秸稈還田量的增加，個(gè)體數(shù)總體上表現(xiàn)為增加的趨勢(shì)。7 月SR4 處理與對(duì)照 CK 有顯著差異（P＜0.05），9 月 SR4 處理與 SR1處理有顯著差異（P＜0.05）。雜食性大型土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)在玉米生長(zhǎng)季6—8 月變化較一致，9 月沒(méi)有發(fā)現(xiàn)雜食性大型土壤動(dòng)物。

2.6 秸稈還田大型土壤動(dòng)物群落與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

由表2 知，玉米秸稈還田后與對(duì)照CK 相比，土壤有機(jī)質(zhì)和土壤含水量顯著增加（P＜0.05），且隨玉米秸稈還田量的增加呈增加趨勢(shì)；土壤容重顯著下降（P＜0.05），隨玉米秸稈還田量的增加呈下降趨勢(shì)；土壤溫度下降，對(duì)照CK 與12 000 kg·hm-2（SR3）處理下有顯著差異（P＜0.05）；土壤pH 在玉米秸稈還田后無(wú)顯著變化（P＞0.05）。

圖3 玉米秸稈還田量對(duì)大型土壤動(dòng)物群落個(gè)體數(shù)垂直分布的影響Fig. 3 Impact of return of corn stalk on vertical distribution of individuals of soil macrofauna

為進(jìn)一步探討不同玉米秸稈還田量下土壤理化性質(zhì)對(duì)大型土壤動(dòng)物主要群落的影響，采用冗余分析方法進(jìn)行分析（圖5）。結(jié)果表明，第一主軸和第二主軸分別解釋了農(nóng)田大型土壤動(dòng)物主要類群總變量的93.80%和5.90%。土壤有機(jī)質(zhì)和土壤含水量與第一排序軸均存在顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）。土壤有機(jī)質(zhì)與隱翅甲科、象甲科幼蟲(chóng)、纓甲科幼蟲(chóng)和正蚓科呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），土壤pH 與隱翅甲科幼蟲(chóng)呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），土壤含水量與隱翅甲科和線蚓科呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）。

圖4 玉米秸稈還田量對(duì)大型土壤動(dòng)物群落功能群特征的影響Fig. 4 Impact of return of corn stalk on functional groups of the soil macrofauna community in farmland

表2 不同玉米秸稈還田量下土壤理化性質(zhì)Table 2 Soil physico-chemical properties relative to treatment

3 討 論

圖5 大型土壤動(dòng)物群落主要類群冗余分析（RDA）Fig. 5 Redundancy analysis of major groups of the soil macrofauna in farmland

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)農(nóng)田采取玉米秸稈還田措施可以增加土壤養(yǎng)分和玉米秸稈的資源化利用。本研究中，玉米秸稈還田后顯著增加了大型土壤動(dòng)物群落的個(gè)體數(shù)，類群數(shù)有一定的增加，這與李澤興等[12]隨玉米秸稈覆蓋量增加農(nóng)田土壤動(dòng)物數(shù)量增加的結(jié)果較一致，原因可能是玉米秸稈還田后增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量[19]和農(nóng)田腐殖質(zhì)的土壤含水量[20]，土壤容重降低和孔隙增加，加快了玉米秸稈沫的降解速率，為大型土壤動(dòng)物提供了充足食物資源；因此隨著玉米秸稈還田量的增加大型土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)呈增加趨勢(shì)。土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)量的增加是由于優(yōu)勢(shì)類群的土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)量增加所引起的[21]。在本研究中，個(gè)體數(shù)增加主要以優(yōu)勢(shì)類群的隱翅甲科、象甲科幼蟲(chóng)和線蚓科3 類為主；同時(shí)，本研究采用RDA 分析了大型土壤動(dòng)物群落主要類群個(gè)體數(shù)和土壤環(huán)境因子之間的關(guān)系，隱翅甲科和象甲科幼蟲(chóng)與土壤有機(jī)質(zhì)呈顯著正相關(guān)，隱翅甲科和線蚓科與土壤含水量呈顯著正相關(guān)。

研究期間，大型土壤動(dòng)物群落多樣性在玉米生長(zhǎng)季表現(xiàn)出明顯變化。多樣性指數(shù)和豐富度指數(shù)隨著玉米生長(zhǎng)季總體上呈現(xiàn)出先增加后下降的趨勢(shì)，總體在7 月和8 月玉米拔節(jié)期和抽穗期多樣性指數(shù)和豐富度指數(shù)最大。朱強(qiáng)根等[22]的研究表明：免耕秸稈覆蓋樣地在拔節(jié)期有助于提高土壤動(dòng)物多樣性；楊旭等[23]在松嫩平原黑土耕作區(qū)研究表明8 月份土壤動(dòng)物均勻度指數(shù)和豐富度指數(shù)最高，優(yōu)勢(shì)度指數(shù)最低。原因可能是7 月和8 月份土壤中的水熱條件適中，促進(jìn)土壤微生物活動(dòng)，加快玉米秸稈腐解的速度[23-24]，對(duì)土壤性質(zhì)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改善，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[25]。本研究中優(yōu)勢(shì)度指數(shù)總體與多樣性指數(shù)和豐富度指數(shù)變化趨勢(shì)相反，總體在 9月玉米成熟期優(yōu)勢(shì)度指數(shù)最大。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[26]，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，多樣性指數(shù)也越大[27]。王振海等[28]在長(zhǎng)白山苔原帶研究表明7 月份土壤動(dòng)物優(yōu)勢(shì)度指數(shù)降低，多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)和均勻度指數(shù)最高。進(jìn)一步說(shuō)明，在不同地區(qū)和不同時(shí)間及不同措施處理的差異下對(duì)土壤動(dòng)物多樣性動(dòng)態(tài)影響是不同的。

土壤動(dòng)物通常表現(xiàn)出表聚性，土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)和類群數(shù)隨土壤深度加深而降低[24，28]，不同土壤類型降減速率可能不同[29]，但在沙地或農(nóng)業(yè)用地中土壤動(dòng)物的垂直分布可能會(huì)出現(xiàn)逆向分布的現(xiàn)象[30]。在本研究中，不同玉米秸稈還田量下各月份不同土層的大型土壤動(dòng)物表明：隨玉米的生長(zhǎng)時(shí)期的推移，表層0～10 cm 的大型土壤動(dòng)物有向10～20 cm 土層下移的趨勢(shì)。原因可能是經(jīng)過(guò)秸稈還田后，玉米秸稈末主要位于土壤表層中，能夠?yàn)榇笮屯寥绖?dòng)物提高大量的食物資源，導(dǎo)致大型土壤動(dòng)物在表層最多，但在9 月末可能由于土壤溫度低，大型土壤動(dòng)物有向下移動(dòng)的趨勢(shì)。

不同功能類群對(duì)不同玉米秸稈還田量的響應(yīng)存在差異。以線蚓科和隱翅甲科為主要的腐食性類群個(gè)體數(shù)隨玉米生長(zhǎng)季的推移個(gè)體數(shù)增加，并隨玉米秸稈還田量的增加而增加。有研究表明：線蚓的數(shù)量能夠反映群落環(huán)境特點(diǎn)和土壤質(zhì)地狀況，通常土壤含水量高、有機(jī)質(zhì)豐富的群落線蚓科的數(shù)量就多[31]。本研究中，秸稈還田后線蚓科數(shù)量顯著增加，原因可能是粉碎的秸稈還田以后不僅可以增加土壤腐殖質(zhì)含量，還可以增加土壤含水量，加快秸稈的腐解，秸稈腐解的越多，越有利于腐食性類群生存；同時(shí)，腐食性類群的個(gè)體數(shù)增加，說(shuō)明農(nóng)田土壤生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)換的過(guò)程增加[32]。雜食性類群隨玉米生長(zhǎng)季的推移個(gè)體數(shù)變化較一致，并且在9 月末沒(méi)有發(fā)現(xiàn)；這與蔣云峰等[13]在4 月、7 月和10 月的取樣研究中雜食性類群僅在4 月和7 月獲得的研究結(jié)果較為一致。捕食性類群作為生態(tài)系統(tǒng)的次級(jí)消費(fèi)者，個(gè)體數(shù)隨玉米生長(zhǎng)季的推移呈先增后降的趨勢(shì)，秸稈還田后其類群總體個(gè)體數(shù)增加，但未隨秸稈還田量的增加而增加；捕食性類群主要由鞘翅目的步甲科、葉甲科，雙翅目的舞虻科幼蟲(chóng)和長(zhǎng)足虻科幼蟲(chóng)，地蜈蚣目和蜘蛛目等組成。

4 結(jié) 論

玉米秸稈還田后受農(nóng)田土壤環(huán)境因子影響較大的大型土壤動(dòng)物類群主要是研究區(qū)的優(yōu)勢(shì)類群，占總個(gè)體數(shù)74.93%，構(gòu)成了研究區(qū)大型土壤動(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，玉米秸稈還田有助于提高大型土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)，隨玉米秸稈還田量增加個(gè)體數(shù)增加；玉米秸稈還田在一定程度上提高了大型土壤動(dòng)物的類群數(shù)。多樣性指數(shù)和豐富度指數(shù)隨玉米生長(zhǎng)季總體呈現(xiàn)出先增加后下降的趨勢(shì)；均勻度指數(shù)隨玉米生長(zhǎng)季總體呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)；優(yōu)勢(shì)度指數(shù)隨玉米生長(zhǎng)季呈現(xiàn)出先下降后增加的趨勢(shì)。玉米秸稈還田增加了群落多樣性指數(shù)，使土壤生態(tài)系統(tǒng)向更穩(wěn)定方向發(fā)展。大型土壤動(dòng)物群落隨玉米生長(zhǎng)時(shí)期的推移，表層 0～10 cm 土層的大型土壤動(dòng)物有向10～20 cm 土層下移的趨勢(shì)。捕食性大型土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)隨玉米生長(zhǎng)季呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì)；植食性和腐食性大型土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)隨玉米生長(zhǎng)季呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)；雜食性大型土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)在玉米生長(zhǎng)季無(wú)明顯變化。