黄土高原草田轮作对土壤动物群落结构和多样性的影响

陈应武　夏彦飞

摘要：以甘肃庆阳黄土高原地区草田轮作系统中苜蓿（Medicago sativa 和小麦 （Triticum aestivum田为研究样地，通过样方取样和干漏斗分离法，取样调查了土壤动物的多样性。结果表明：在试验区内共分离到大型土壤动物25 类，其中小麦田23类，苜蓿田25类；小型土壤动物10类，其中苜蓿田10类，小麦田8类。苜蓿田土壤动物群落Shannon-Wiener多样性指数、Margalef多样性指数、Simpson多样性指数、个体数和类群数均表现为大于小麦田，这说明在草田轮作中苜蓿田具有高的土壤动物多样性而且群落稳定程度高，轮作小麦后土壤的大型动物多样性下降且稳定性程度也降低，小麦田轮作苜蓿后不仅可以有效增加农田土壤节肢动物的类群丰富度和多样性，也可明显提高其个体数量。

关键词：黄土高原；草田轮作；苜蓿；小麦；土壤动物；群落结构；多样性

中图分类号： S181文献标志码： A

文章编号：1002-1302（201412-0353-03[HS][HT9SS]

收稿日期：2014-05-18

基金项目：国家自然科学基金（编号：31201558。

作者简介：陈应武（1972—，男，甘肃临洮人，副教授，从事昆虫学研究工作。E-mail：chengyw_gau@163com。

黄土高原是我国最严重的水土流失区之一，年水土流失量达16亿t[1]。 将豆科牧草引入以小麦（Triticum aestivum 为主的禾谷类作物轮作体系，建立草地农业系统，是遏制生态环境恶化、 提高农民收入、 实现可持续发展的必要途径，并已在生产实践中表现出强大的生命力。在多种轮作体系中，苜蓿 （Medicago sativa—小麦轮作具有最佳的水土保持效果。土壤动物作为土壤生态系统中不可分割的一部分，其多样性是生态系统稳定的重要基础。土壤动物是生态系统中最重要的分解者和消费者之一，在土壤动植物残体分解营养物质循环土壤发育和熟化等过程中占有重要地位，起着不可替代的作用[4-5]。近年来，随着人们对生态系统保护的日益重视，土壤动物研究越来越受到社会的普遍关注，关于土壤动物的研究已有较多报道[4-12]。目前相关研究主要集中于土壤动物的地理和生态分布[6，9]，土壤动物的多样性群落学特征及其与环境的关系[4，7-8]，土壤动物在物质循环能量流动中的功能[10]和对环境变化的指示作用[12]，施肥灌溉放牧和环境污染等人为干扰措施对土壤动物群落的影响[5-13]等方面，而有关我国黄土高原苜蓿—小麦轮作对土壤节肢动物群落的变化特征及其机制的研究未见报道。鉴此，本研究以我国黄土高原地区最常见的苜蓿—小麦轮作体系为对象，开展了两种作物田土壤动物区系的研究，以期为生态环境建设、农业结构调整和发展草地农业提供基础资料 。

1材料与方法

11研究区概况

[JP2]典型黄土高原农业区土地不同利用方式试验在甘肃省西峰市以北18 km 什社乡境内。海拔为 1 297 m，[JP3]冬春寒冷干燥，秋季多风，夏季炎热，年均气温8～10 ℃，极端最高气温396 ℃，极端最低气温为-22 4 ℃，>5 ℃年平均积温 3 446 ℃。无霜期平均为 161 d，生长季255 d，年降水量480～660 mm，多集中在7—9月，年平均蒸发量1 504 mm。自然土壤为黑垆土，有机质缺乏，其含量在1%以下，土壤含氮量低于01%，pH 值为80～85。

12研究方法

2012年5月和9月在试验区取苜蓿—小麦轮作制度的试验地，选取苜蓿田和小麦田作为处理，每个处理设置4个重复，共8个小区，每小区面积为56 m2（14 m×4 m。在每个小区内随即选取3个25 cm×25 cm的采样点，按照0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm土层，用手捡法采集不同土层的土壤大型动物，分类装入盛有70%乙醇的小瓶，带回室内进行分类鉴定并统计数量。同时在每个采样点的内壁用 100 mL 的土壤环刀取样，分0～5 cm、5～10 cm、10～15 cm 3层取样，在实验室内分别用干漏斗法（Tullgren分离中小型土壤动物，并分类鉴定统计数量[13-15]。对所得数据进行群落结构分析，并用最常用的Simpson指数D、Shannon-Wiener指数H′、Margalef′s丰富度D′和Pielou的均匀度指数J进行α多样性的测度[15-16]，其中：H′=-∑PilnPi；J=（-∑PilnPi/lnS；D′=（S-1/lnN，Pi为物种i个体数，S为样方内物种i的全部总数，N为全部物种的类群数。

2结果与分析

21草田轮作大型土壤动物群落及其变化特征

通过对2种处理农田的土壤大型动物的调查显示（表1：共有27类在试验区发现，27类在苜蓿田均出现，小麦田24类。总体来说两种农田的大型土壤动物均多分布在表层（0～10 cm，每个类群大型土壤动物基本都是苜蓿田大于小麦田，这说明苜蓿田具有高的土壤大型动物的类群数，在轮作[FL]

[F（W30][HT6H][J（]表1草田轮作中苜蓿田和小麦田不同土层土壤大型动物概况[HTSS][STB][J][JY]

[HJ5][BG（！][BHDFG3，W18，W42W]科/目名[B（][BHDWG12，W21。2W]麦田（头/m3苜蓿田（头/m3

[BHDWG12，W7。6W]0～10 cm10～20 cm20～30 cm0～10 cm10～20 cm20～30 cm[BW]

[BHDG12，W18Q，W7。6DWW]金龟甲科Scarabaeidae （成虫000 133 000 267 000 000

[BHDW]金龟甲科Scarabaeidae （幼虫400 000 000 1067 533 133

拟步甲科Tenebrionidae （成虫000 000 000 267 000 000

拟步甲科Tenebrionidae （幼虫533 000 000 933 133 267

隐翅甲科Staphylinidae （幼虫533 133 000 400 267 000

叶甲科Chrysomelidae （幼虫133 133 000 800 133 000

步甲科Carabidae （成虫133 000 000 267 000 000

步甲科Carabidae （幼虫133 000 000 133 000 000

叩头甲科Elateridae （成虫000 000 000 267 267 000

叩头甲科Elateridae （幼虫533 000 133 1867 400 267

象甲科Curculionidae （成虫000 000 133 1067 000 000

象甲科Curculionidae （幼虫267 000 000 1600 933 667

蚁科Formicidae（成虫2800 2400 2133 5733 3200 1467

土蜂科Scoliidae （蛹267 667 000 267 133 133

土蜂科Scoliidae （幼虫933 533 133 1600 1067 267

小蜂科Chalalcididae （幼虫133 133 000 267 000 000

盲蝽科Miridae267 000 000 1200 000 000

土蝽科Cydnidae933 400 000 2000 933 267

瘿蚊科Cecidomyiidae （幼虫400 000 000 400 000 000

大蚊科Tipulidae （幼虫533 000 000 400 133 000

蟋蟀科Gryllidae133 133 000 533 267 133

蠼螋科Labiduridae000 000 000 800 133 000

夜蛾科Noctuidae （幼虫400 000 000 933 133 000

弹尾目Collembola2000 267 000 7467 1333 000

蜘蛛目Araneae133 400 000 1600 133 000

蚰蜒目Scutigeromorpha267 000 267 533 000 000

线蚓科Enchytraeidae3067 533 400 2800 1600 800

种类数22126271810

个体数14933 5867 3200 35467 11733 4400 [HJ][BG）F][F）]

[FL（22]种植小麦后大型土壤动物的种类数下降，从而表明在草田轮作中大型土壤动物的类群由高到低的变化。

小麦田和苜蓿田大型土壤动物的Shannon-Wiener多样性指数、Margalef多样性指数、Simpson多样性指数、个体数和类群数均随着土层的加深而减小（表2，即0～10 cm>10～20 cm>20～30 cm。在同一土层（0～10 cm，10～20 cm或20～30 cmShannon-Wiener多样性指数、Margalef多样性指数、Simpson多样性指数、个体数和类群数均表现为苜蓿田大于小麦田（表2，这说明在草田轮作中苜蓿田具有高的大型土壤动物多样性而且群落稳定程度高，轮作小麦后土壤的大型动物多样性下降且稳定性程度也降低。[FL]

[F（W9][HT6H][J]表2草田轮作过程中土壤大型动物的多样性指数变化[HTSS][STB]

[HJ5][BG（！][BHDFG3，W6，W9。6W]样地土层Shannon-Wiener多样性指数DMargalef多样性指数D′Simpson多样性指数J个体数S类群数N

[BHDG12，W6，W9，W9。5DWW]麦田0～10 cm256308089112002200

[BHDW]10～20 cm19218407843001100

20～30 cm1131090532400600

苜蓿田0～10 cm274311090264002600

10～20 cm23626308788001800

20～30 cm19617808233001000[HJ][BG）F][F）]

[FL（22]22草田轮作中小型土壤动物群落及其变化特征

干漏斗法调查的中小型土壤动物结果（表3显示：共有10类出现在研究区，苜蓿田这10类中小型土壤动物均有分布，除了双尾目和植绥螨科两个类群外，其余也均分布在小麦田。两种农田中土壤动物垂直分布的表现均呈现集中分布在表层，随着土壤深度的增加，个体数和类群数减小。

苜蓿田和小麦田的同一土层土壤中小型动物的类群数均表现为苜蓿田大于小麦田（图1，这说明苜蓿田土壤动物的多样性程度高，在轮作为小麦田后其类群数减少。

苜蓿田和小麦田的同一土层土壤中小型动物的数量（图1显示：0～5 cm土层较其他土层具有高的小型土壤动物数量，说明土壤动物的数量密度主要集中在0～5 cm， 而且表现[FL]

[F（W13][HT6H][J（]表3草田轮作中苜蓿田和小麦田不同土层土壤中小型动物概况[J][HTSS][STB][JY]

[HJ5][BG（！][BHDFG3，W18，W42W]（科/目名[B（][BHDWG12，W21。2W]麦田（万头/m3苜蓿田（万头/m3

[BHDWG12，W7。6W]0～5 cm5～10 cm10～15 cm0～5 cm5～10 cm10～15 cm[BW]

[BHDG12，W18Q，W7。6DWW]跳虫科Poduridae4100 1267 000 11067 1600 333

[BHDW]甲螨目Oribatida633 033 000 1300 123 000

寄螨目Parasitiformes200 133 000 233 100 100

双尾目Diplura000 000 000 067 033 000

真螨目Acariformes700 267 033 1300 333 133

瘿蚊科Cecidomyiidae （幼虫033 000 033 034 023 000

植绥螨科Phytoseiidae000 000 000 067 033 000

蜘蛛目Araneae133 000 000 167 000 000

双翅目Diptera （幼虫033 000 000 186 000 000

隐翅甲科Staphylinidae（幼虫033 133 000 144 126 000 [HJ][BG）F][F）]

[FL（22]

[F（W20][TPCYW1tif][F]

为苜蓿田大于小麦田；5～10 cm和10～15 cm土层小型土壤动物的数量较接近。总体来看土壤小型动物的数量表现为苜蓿田大于小麦田。苜蓿田土壤动物的密度高，在轮作为小麦田后其密度急剧下降。

3结论与讨论

黄土高原农作区，小麦田轮作苜蓿后不仅可以有效增加农田土壤节肢动物的类群丰富度和多样性，也可明显提高其个体数量，反之，苜蓿田轮作小麦后土壤动物群落的多样性降低，这种作用主要发生于表层土壤层。已有研究表明，土壤动物对于土壤环境的变化非常敏感，土壤环境的任何明显改变都会导致土壤动物群落的变化[17-18]。苜蓿—小麦轮作后，土壤动物群落的多样性发生了明显变化。苜蓿由于是多年性宿根植物，而且种植后保持若干年，这样土壤环境和食物相对稳定，而且凋落物覆盖地表，这种相对环境有利于土壤动物的定居繁衍，所以土壤动物多样性程度较高。这说明，由于苜蓿为宿根性植物，而且苜蓿田多年定植，保持了土壤环境的相对稳定性，在苜蓿田轮作为小麦田后，土壤翻动改变了苜蓿田土壤结构，使得一些土壤动物由于物理机械原因而死亡，一些类群因不适于苜蓿—小麦田这种种植植物轮换，一些不适合小麦田的土壤动物从群落中退出，但还有较多的类群因生态幅较广而保留下来，[JP+1]同时以小麦田为寄主的类群加入了进来，从而使群落类群多样性和种群数量改变。另外，由于小麦生育期短，植被收获和种植使得植被间断，加之每年反复翻动土壤，土壤和植被的稳定性较之苜蓿田差，土壤动物群落的波动性高，多样性相对差。反之，小麦田轮作为苜蓿田后，随着土壤和植被环境条件的改变，生态系统的稳定性比小麦田高，土壤植被的扰动低，所以苜蓿田土壤动物的种类、数量和多样性程度较高。所以，黄土高原农作区，小麦田轮作为苜蓿田后不仅可以有效增加农田土壤节肢动物的类群丰富度和多样性，也可明显提高其个体数量，这种作用主要发生于表层土壤层。

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