长期施肥对东北黑土玉米田土壤动物影响

，，

(1.中国科学院 东北地理与农业生态研究所 黑土区农业生态院重点实验室，海伦农田生态系统国家野外观测研究站， 黑龙江 哈尔滨 150081；2.中国科学院 研究生院,北京 100049)

0 引 言

施肥是农业生产中的重要农艺措施，对农田生态环境影响较大。施肥可以改变土壤理化性质，如pH值、有机质含量等[1-2]，进而引起土壤动物种群结构变化。土壤动物是指生命周期中有一段时间稳定地在土壤中度过，而对土壤能产生一定影响的动物[3]，是土壤生态系统重要组成部分，具有重要的功能性作用[4-5]，作为土壤生态系统物质循环的重要组成部分-分解者[6-8]，土壤动物参与土壤中C、N、P的循环[9-10]。农业生产中的一些农艺措施对土壤动物的多样性产生影响，严重时甚至导致土壤环境恶化和土壤动物灭绝[11]。因此，对土壤动物的研究已经引起人们的重视。近年来，在自然生态系统中对土壤动物的研究已经取得大量成果[12-16]，但对农田生态系统研究较少，尤其是针对农田生态系统的长期定位研究罕见。因此，为探讨长期定位施肥对土壤动物种群结构的影响，选取东北黑土区中国科学院海伦农业生态试验站长期定位施肥试验区中的3种典型施肥方式，对土壤动物群落结构展开研究，以评价施肥方式对土壤动物群落结构的影响，进而评价不同施肥方式下农业生态系统的稳定性，为农田生态系统生态环境保护提供科学依据。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

试验在中国科学院海伦农田生态系统国家野外科学观测研究站进行，海伦站地处黑土区中部，海拔高度240 m，中心地理位置为东经 126°38′，北纬 47°26′，属于温带大陆性季风气候区，冬季寒冷干燥，夏季高温多雨，雨热同季 。年平均气温1.5 ℃，极端最高温度37 ℃，极端最低温度-39.5 ℃，年均降水量500 mm，年均有效积温2 450 ℃，年均日照时数2 600 h～2 800 h，无霜期为125 d。土壤类型为中厚层黑土，地下水埋深20 m～30 m[17-19]。

长期定位施肥试验区建立于1994年，小区随机排列，试验区进行小麦、玉米和大豆轮作种植，研究3个处理为，即：①无肥(NF)：试验区不使用任何肥料；②化肥(CF)： 2009年地上作物为玉米，施肥量为N 150 kg·hm-2和 P2O575 kg·hm-2；③化肥+有机肥(CMF)：施肥量为N 150 kg·hm-2和 P2O575 kg·hm-2，增施腐熟的猪粪3 000 kg·hm-2。小区面积为50.4 m2,完全随机排列,4次重复。

1.2 研究方法

试验于2009年进行，采用环刀法于5月5日、6月15日和7月20日3次调查，每处理3次重复，土壤环刀的容积为100 cm3。按土壤垂直不同深度0～5 cm、5 cm～10 cm、10 cm～15 cm分3层进行取样，带回实验室采用改良的Tullgren漏斗法进行分离后鉴定[20]。分类检索参见尹文英《中国土壤动物检索图鉴》[21]，所有土壤动物鉴定到科。

1.3 数据分析

群落多样性指数采用Shannon-Weiner指数、Pielou均匀性指数、Margalef丰富度指数，即：

式中：s—样方中观察的物种数；Pi=Ni/N，N—样方中各物种个体数总和，Ni—第i个种的个体数。

统计分析采用DPS v3.01软件。

2 结果与分析

2.1 土壤动物的类群和数量组成

在研究区中共获得中小型土壤动物1 800个，鉴定隶属35科，其中优势类群为：高壳甲螨科(Liodidae)、绥螨科(Sejidae)和小甲螨科(Oribatellidae)，优势类群个体数占总个体数的78.9 %。常见类群7科，其个体数占总个体数的12.6 %；稀有类群25科，其个体数占总个体数的8.5 %，见表1。3种不同施肥方式下中小型土壤动物种类群数和个体数量均表现为CMF>CF>NF。单纯施用化肥时，土壤中优势类群高壳甲螨科、绥螨科和小甲螨科的数量与无肥处理差异不明显，但施用有机肥土壤中高壳甲螨科数量显著增多，表明与施用有机肥相比施用化肥可显著降低土壤动物的数量，其原因可能是由于单纯施用化肥可以使土壤中的有机物质含量下降，土壤板结，土壤环境恶化，不利于土壤动物的生存，土壤动物优势类群个体数量减少。而无肥处理中土壤动物类群数和个体数低，推测其原因可能为长期种植作物使土壤中的养分过度被吸收利用，在缺乏外界补充营养物质的条件下，土壤瘠薄不利于土壤动物的生存。

表1 3种施肥方式下土壤动物数量及多度Tab.1 Individual number and abundance of soil fauna under three fertilization treatments

注：各类群数量等级划分：个体数量占全部捕获量10 %以上为优势类群，即+++；介于1 %～10 %之间的为常见类群，即++；介于0.1 %～1 %为稀有类群，即+。

2.2 中小型土壤动物多样性

多样性指数、均匀度指数和丰富度指数指示着群落的稳定性和生产力，研究表明不同施肥方式下中小型土壤动物的多样性指数、均匀度指数和丰富度指数存在着差异，不同施肥方式下土壤动物群落结构多样性指数和均匀度指数差异不显著，但丰富度指数差异显著。丰富度指数表现为：CMF>NF>CF，见表2。化肥配施有机肥处理下土壤动物的丰富度指数高于无肥处理，说明施肥方式影响土壤动物的群落组成，化肥配施有机肥处理使土壤中有机物质含量增加，土壤环境得到改善，有利于土壤动物的生存，进而使土壤中土壤动物的丰富度增加，且化肥配施有机肥处理中土壤动物的群落结构也较单纯施用化肥和不施肥的处理稳定。

表2 不同施肥方式下土壤动物群落多样性测度Tab.2 Diversity index of soil fauna under different fertilization

2.3 中小型土壤动物垂直分布特征

对研究区0～5 cm、5 cm～10 cm和10 cm～15 cm土壤中土壤动物数量及种类进行调查研究发现，CMF和CF中土壤动物数量和种类顺序均为：0～5 cm>5 cm～10 cm>10 cm～15 cm，而NF中土壤动物数量和种类顺序为：5 cm～10 cm>0～5 cm>10 cm～15 cm，种类顺序为：5 cm～10 cm>0～5 cm>10 cm～15 cm；化肥处理中土壤动物数量顺序为：0～5 cm>5 cm～10 cm>10 cm～15 cm，种类顺序为：0～5 cm>5 cm～10cm>10 cm～15cm。CMF中土壤动物的数量和种类数在不同深度之间均达到了差异显著性(p<0.05)，CMF中土壤动物分布符合自然生态系统中土壤动物表聚特征，见图1，其原因可能是与CF相比CMF可以在一定程度上改善土壤理化性质，使土壤环境更有利于土壤动物生存。

3 讨 论

土壤动物的类群数量和个体数量均受到施肥方式的影响，结果表明施肥显著影响土壤动物个体数量，但对土壤动物的类群数影响不大。土壤动物种类的增加主要是稀有类群的类群数目增加引起的，化肥和无肥处理中稀有类群数量分别为15和13，但化肥配施有机肥处理中土壤动物稀有类群数量为21，显著高于化肥和无肥处理，土壤动物数量的增多则是由优势类群个体数量增多引起，其中化肥配施有机肥处理中的优势类群高壳甲螨科数量显著高于化肥和无肥。在针对不同地区土壤动物研究中均发现此现象，说明地域差别不是影响土壤动物群落结构的主要因素[22-24]。施肥可以显著影响土壤理化性质，如pH值，有机质含量等，而这些因素可以直接影响土壤动物群落结构[25-26]，与土壤动物的生存和发展密切相关，有机肥料的施用显著增加了土壤中中小型土壤动物的种群多样性和丰富度，进而增加了土壤动物群落结构的稳定性。Eaton采用移除有机物质的方法来调查有机物质对土壤动物的影响，结果表明，有机物质移除使土壤中跳虫数量显著下降[27]，整个生态系统中的土壤动物多样性和丰富度降低；而采用施入有机物质的方法研究有机物质对土壤动物多样性的影响，表明有机物质的施入可以增加土壤动物的多样性，两个研究采用不同的方法证明土壤有机物质是影响土壤动物多样性的因素之一。土壤动物在自然生态系统中的分布具有表聚性特征，即从地表向下，随着深度的增加土壤动物类群和数量逐渐减少，上层(0～5 cm)的类群数和个体数最多，中层(5 cm～10 cm)其次，下层(10 cm～15 cm)最少。单纯施用化肥使土壤动物表聚特征消失，可能是由于单纯施用化肥严重影响土壤理化性质，可引起土壤板结，土壤中有机质含量下降[28]。而无肥处理中土壤动物也不具有表聚特征，分析其原因，可能是长期种植作物，土壤中的有机物质因被大量利用而使其含量降低，导致土壤动物表聚特征消失。在自然生态系统中，土壤动物的表聚特征明显，而农田生态系统中由于受到人类的干扰土壤动物的表聚现象消失，但化肥配施有机肥方式下土壤动物表聚特征明显，说明有机肥的施入会改善土壤动物的生存环境，有利于农田生态系统土壤动物群落的稳定[29]。

图1 不同时期土壤动物垂直分布Fig.1 Distribution of soil fauna in three sampling dates

长期施肥可引起土壤动物的数量变化，但对土壤动物种类数量影响较小；有机肥的施用有利与土壤动物群落结构的稳定，且保持了土壤动物原有的表聚特征，对农田生态系统中的生态环境具有更好的保护作用。

参考文献：

[1] 韩晓增,王凤仙,王凤菊,等.长期施用有机肥对黑土肥力及作物产量的影响 [J].干旱地区农业研究,2010,28(1):66-71.

[2] 韩秉进,陈 渊,乔云发,等.连年施用有机肥对土壤理化性状的影响 [J].农业系统科学与综合研究,2004,20(4):294-296.

[3] 尹文英,等.中国亚热带土壤动物[M].北京：科学出版社,1992.

[4] Jordan D,R J Miles,V C Hubbard,et al.Effect of management practices and cropping systems on earthworm abundance and microbial activity in Sanborn Field:a 115-year-old agricultural field [J].Pedobiologia,2004，48:99-110.

[5] Govaerts B,M Mezzalama,K D Sayre,et al.Long-term consequences of tillage,residue management,and crop rotation on maize/wheat root rot and nematode populations in subtropical highlands [J].Applied Soil Ecology,2006，32:305-315.

[6] Elfstrand S,J Lagerlof,K Hedlund,et al.Carbon routes from decomposing plant residues and living root into soil food webs assessed with13C labeling [J].Soil Biology and Biochemistry,2008,40(10):2530-2539.

[7] Rantalainen M L,J Haimi,H Fritze,et al.Soil decomposer community as a model system in studying the effects of habitat fragmentation and habitat corridors [J].Soil Biology and Biochemistry,2008,40(4):853-863.

[8] Caner L,B Zeller,E Dambrine,et al.Origin of the nitrogen assimilated by soil fauna living in decomposing beech litter[J].Soil Biology and Biochemistry,2004,36(1):1861-1872.

[9] 徐国良,莫江明,周国逸,等.土壤动物与N 素循环及对N 沉降的响应 [J].生态学报,2003,23(11):2453-2463.

[10] 单 军,季 荣.土食性大型土壤动物转化土壤有机碳的14C示踪法应用研究进展 [J].土壤,2008,40(6):863-871.

[11] Decans T,J J Jiménez,C Gioia,et al.The values of soil animals for conservation biology[J].European Journal of Soil Biology,2006,42:23-38.

[12] 黄丽荣,张雪萍.大兴安岭北部寒温带地区土壤动物群落特征 [J].东北林业大学学报,2008,36(10):22-25.

[13] 张雪萍,侯威岭,陈 鹏.东北森林土壤动物同功能种团及其生态分布 [J].应用与环境生物学报,2001,7(4):370-374.

[14] 王振中,张友梅,李忠武.黄山森林生态系统土壤动物群落结构特征及其多样性 [J].林业科学,2009,45(10):68-173.

[15] 吴鹏飞,刘兴良,刘世荣.米亚罗亚高山草甸冬春两季土壤动物群落特征的比较 [J].草业学报,2009,18(5):123-129.

[16] 普 穷,旦 巴,边巴多吉.色季拉山不同植被类型土壤动物多样性研究 [J].安徽农业科学,2010,38(20):10793-10795.

[17] 乔云发,苗淑杰,韩晓增.长期施肥条件下黑土有机碳和氮的动态变化 [J].土壤通报,2008,39(3):545-548.

[18] 李 凯,窦 森,韩晓增,等.长期施肥对黑土团聚体中腐殖物质组成的影响 [J].土壤学报,2010,47(3):579-583.

[19] 邹文秀,韩晓增,王守宇,等.长期施肥对大豆地土壤蒸发和水分利用效率的影响 [J].大豆科学,2009,28(3):487-490.

[20] 殷秀琴,马祝阳.Tullgren法对土壤动物的分离效率 [J].东北师大学报自然科学版,2002,34(2):84-91.

[21] 尹文英.中国土壤动物检索图鉴 [M].北京：科学出版社,1998.

[22] Cole J,S M Buckland,R D Bardgett.Influence of disturbance and nitrogen addition on plant and soil animal diversity in grassland [J].Soil Biology and Biochemistry,2008,40(2):505-514.

[23] 林英华,朱 平,张夫道，等.吉林黑土区不同施肥处理对农田土壤昆虫的影响 [J].生态学报,2006,26(4):1122-1130.

[24] 林英华,杨学云,张夫道,等.陕西黄土区不同施肥条件下农田土壤动物的群落组成和结构 [J].生物多样性,2005,13(3):188-196.

[25] Bardgett R D,K F Chan.Experimental evidence that soil fauna enhance nutrient mineralization and plant nutrient uptake in montane grassland ecosystems[J].Soil Biology and Biochemistry,1999,31:1007-1014.

[26] Nieminen J K.Soil animals and ecosystem processes:How much does nutrient cycling explain?[J].Pedobiologia,2008,51(5-6):367-373.

[27] Eaton R J,M Barbercheck,M Buford,et al.Effects of organic matter removal,soil compaction,and vegetation control on Collembolan populations [J].Pedobiologia,2004,48(2):121-128.

[28] 张 迪，韩晓增，侯雪莹.长期不同施肥管理对黑土活性有机碳及碳库管理指数的影响[J].土壤通报,2011,42(3)：654-658.

[29] 黄丽荣,张雪萍.大兴安岭北部森林生态系统土壤动物的功能类群及其生态分布 [J].土壤通报,2008,39(5):1017-1022.