有机肥施用对农田中小型土壤动物群落的影响

美 丽，红 梅,2*，刘鹏飞，赵巴音那木拉,2，德海山,2，李志新

(1.内蒙古农业大学,内蒙古 呼和浩特 010011;2.内蒙古自治区土壤质量与养分资源重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010011;3.扎赉特旗农业技术推广中心,内蒙古 兴安盟 137600)

内蒙古自治区东北部的呼伦贝尔市、兴安盟、通辽市和赤峰市分布着大面积的黑色或暗黑色腐殖质的表层土壤，总面积为17.15万km2，约占中国东北黑土的1/4～1/5，是我国东北黑土的一部分，也是内蒙古自治区重要的商品粮生产基地[1]。近年来，由于过度开垦、土壤侵蚀及不合理的田间管理措施，造成一系列生态环境问题。而作为我国粮食的主产区，土壤有机质的下降对我国粮食生产造成一定威胁[2]，因此保护黑土地刻不容缓。增施有机肥是培肥地力的重要方式，这里畜禽有机肥资源丰富，且需要人们合理有效地处理禽畜粪便，使其无害化、资源化[3]，并且能够给作物提供生长所需的大量元素及中微量元素，同时还能增加土壤的生物活性，改善土壤物理和化学性质，如孔隙度、团聚体稳定性等[4]。而中小型土壤动物作为农业生态系统中的重要组成部分，影响土壤的物质能量的迁移与转化，对调节土壤养分矿化等物质循环的过程起到重要作用[5-6]。

当前化肥的过量、盲目施用等问题凸现，不仅带来了成本的增加还造成了环境的污染。长期大量使用化肥会对土壤肥力、生物多样性和地表水等产生消极影响[7]，有研究发现化肥的施用减少了小型土壤动物多度和丰度[8]，氮肥的施用降低了小型土壤动物的多样性[9-10]。有机肥的添加通常使土壤动物的密度得到显著提高[11]，因而有机肥的使用越来越被重视。但由于土壤动物取食和相互关系相对复杂，土壤动物各类群对有机质增加的反应并不一致[12-13]。国内关于有机肥施用对农田土壤影响的研究主要集中在土壤的理化性质和微生物学等方面。近年来，有关施用有机肥对农田土壤线虫的研究越来越多[14-18]，不同量的有机肥施用对农田中小型土壤动物群落的研究报道较少。因此，本研究在前人研究的基础上对畜禽有机肥进行不同量还田，在农田土壤中开展中小型土壤动物群落研究对黑土肥力提升以及考察中小型土壤动物对不同有机肥施用量的响应特征具有重要作用和意义。探讨有机肥在不同施用量下中小型土壤动物群落变化，以及对土壤性状变化的情况，为黑土农田生态系统健康管理和土壤肥力提升提供科学依据。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区概况

试验区位于内蒙古自治区东北部兴安盟扎赉特旗农业科技示范园区试验示范种植基地，地处大兴安岭南麓向松嫩平原延伸的过渡地带，处于黑龙江、吉林、内蒙古三省区交界处。东接黑龙江省龙江县，南与黑龙江省泰来县、吉林省镇赉县交界，西连科尔沁右翼前旗，北与呼伦贝尔市扎兰屯毗邻。扎赉特旗属温带大陆性气候，年平均气温3.24℃，年降水量400 mm，无霜期120～140 d。

1.2 试验设计

试验设置4个有机肥施用梯度，即有机肥0 kg·hm-2(CK),15 000 kg·hm-2(OF1)、30 000 kg·hm-2(OF2)、45 000 kg·hm-2(OF3)；有机肥为当地农户家发酵好的牛粪，所有处理均施尿素150 kg·hm-2，磷酸二铵225 kg·hm-2。小区面积为10 m×10 m=100 m2，重复3次。种植作物为玉米，品种为先玉335，玉米株距20 cm，行距50 cm。玉米于2016年4月30日耕种，9月26日收获，其他田间管理一致。

1.3 中小型土壤动物的取样及鉴定方法

样品采集于2016年6～9月每个月采样一次。为了消除边界效应，在每个小区中心选取3个采样点，采用10 cm直径的环刀，分别按土壤深度0～10、10～20、20～30 cm分层取样。中小型土壤动物采用改良的Tullgern干漏斗法进行24 h分离，并将收集到的中小型土壤动物置于75%的酒精溶液中。中小型土壤动物的分类鉴定依据尹文英《中国土壤动物检索图鉴》[19]在显微镜(Olympus CKX41)和体视显微镜(SZ78系列)下对标本进行鉴定，鉴定到科的水平。由于成虫和幼虫在土壤中的作用不同，故分开统计。各个体类群等级划分为：个体密度占总个体密度的10%以上为优势类群；个体密度占总个体密度的1%～10%为常见类群；个体密度占总个体密度的1%以下为稀有类群[20]。

土壤动物采样的同时，采集各层土样进行土壤理化性质指标的分析。土壤有机质(SOM)采用重铬酸钾容量法-外加热法测定[21]；土壤pH值采用酸度计(土∶液=1∶5)测定；土壤铵态氮与硝态氮的测定，先用2 mol·L-1KCl浸提，再用流动注射仪进行测定；土壤容重采用环刀法测定；土壤温度采用土壤温度计测定。

1.4 数据处理

所有数据统计分析均使用SAS 9.0软件，采用单因素方差分析(One-way ANOVA)和多重比较法(LSD)分析不同处理间数据的差异。利用Pearson相关系数(两尾测验)分析所捕获的主要土壤动物个体密度、类群数与土壤养分的相关性。使用Excel 2007绘制图表。选用多样性指数、均匀度指数、丰富度指数、优势度指数和群落相似性指数作为不同有机肥施用量下土壤动物群落结构指标[22]，其计算公式如下：

(1)Margalef丰富度指数：D=(S-1)/lnN；

(2)Shannon-Wiener多样性指数：H=-∑(PilnPi)；

(3)Pielou均匀度指数：E=H/lnS；

(4)Simpson优势度指数：C=∑Pi2。

式中，Pi为第i个物种的个体数占总个体数的比率；N为总个体数，H为多样性指数，S为总种数或种的总量。

2 结果与分析

2.1 中小型土壤动物群落组成

有机肥施用对农田中小型土壤动物的个体密度与类群数有一定的影响，并呈现着一定的规律。随着有机肥施用量的增多，中小型土壤动物个体密度呈递增趋势，OF3处理下个体密度达到最高，个体密度大小依次为OF3>OF2> OF1>CK。类群数CK最高，OF1、OF2、OF3处理降低了中小型土壤动物的类群数。

表1 中小型土壤动物个体密度统计 (只·m-2)

续表

续表

注：“—”表示该土壤动物类群在该处理中未被发现。

2.2 中小型土壤动物个体密度与类群数的月动态变化

由图1可知，施用有机肥对中小型土壤动物群落带来了一定影响，研究结果表明，施用有机肥对中小型土壤动物个体密度影响大于对其类群数的影响。OF1、OF2、OF3处理显著提高了中小型土壤动物的个体密度，但降低了类群数。从个体密度看，各处理均在7月达到最大值，8月为最小值。从类群数看，各处理均在7月达到最大值，9月为最小值。

图1 施用有机肥对中小型土壤动物群落的影响及各处理下月动态变化

2.3 施用有机肥中小型土壤动物的多样性变化

由表2可知，施用有机肥后多样性指数、均匀度指数和优势度指数均未达到显著差异(P>0.05)。多样性指数OF2处理最大，排序为OF3

表2 有机肥不同施用量下农田土壤动物的多样性变化

注：不同小写字母表示不同处理之间差异显著(P<0.05)。下同。

2.4 中小型土壤动物的垂直分布

由图2可知，由于表层土壤疏松、通气性好，多数中小型土壤动物栖息在土壤表层中。中小型土壤动物在土层中的垂直分布表现出明显表聚性特点，并且各处理并未改变这一规律。在0～10和10～20 cm土层中，只有有机肥施用量达到30 000 kg·hm-2(OF2)才与CK差异显著(P<0.05)，在20～30 cm土层中，只有OF3处理下中小型土壤动物的个体密度高于CK。

2.5 有机肥施用后土壤理化性质与相关性分析

由表3可知，为明确有机肥施用对中小型土壤动物带来的影响，对农田施用不同量有机肥后，土壤环境发生了改变。与CK相比，OF3处理显著提高了土壤有机质含量、硝态氮含量和土壤温度(P<0.05)；显著降低了土壤pH值和土壤容重(P<0.05)。OF1和OF2处理显著降低了土壤pH值，增加了土壤温度(P<0.05)；对其他环境参数并没有显著影响。

由表4可知，中小型土壤动物对所生存的环境极为敏感，土壤环境的变化与中小型土壤动物的变化存在一定的相关关系。表4分析了中小型土壤动物群落特征与土壤理化性质的关系，中小型土壤动物个体密度与土壤有机质、硝态氮含量呈极显著正相关关系(P<0.01)，与土壤容重呈显著负相关关系(P<0.01)。土壤中小型动物类群数与各环境因素的相关性都没有呈显著效果。

图2 不同处理土壤动物个体密度和类群数的垂直分布

注：相同条柱，不同小写字母表示处理之间个体密度和类群数差异显著(P<0.05)；不同大写字母表示0～10、10～20和20～30 cm间个体密度和类群数差异显著(P<0.05)。

表3 施用有机肥处理下的环境参数

表4 有机肥处理下中小型土壤动物群落与土壤主要理化性质的相关系数

注：*表示差异显著(P<0.05)，**表示差异极显著(P<0.01)。

3 讨论

3.1 有机肥不同施用量对农田中小型土壤动物群落的影响

3.2 中小型土壤动物群落多样性分析

3.3 对中小型土壤动物月动态变化及垂直分布的影响

6～9月4个月的土壤动物个体密度和类群数的月动态变化中，月份对中小型土壤动物的影响较大，个体密度和类群数都在7月最多；个体密度排序8月<9月<6月<7月，类群数排序9月<6月<8月<7月。原因可能是当地7月份土壤的水热条件适中，促进土壤生物的活动，加快有机肥在土壤中的腐解速度，为中小型土壤动物提供了一定食物来源，使7月份土壤动物的个体密度和类群数最多。中小型土壤动物的垂直分布中，个体密度0～10 cm>10～20 cm>20～30 cm(P<0.05)，类群数0～10 cm>20～30 cm(P<0.05)，这主要是表层土壤养分含量较高，利于中小型土壤动物生存[30]；而土壤动物垂直分布研究表明中小型土壤动物具有表聚特性[31]，但是人为活动能干扰并降低土壤动物表聚性[32]，在本研究中随土层的加深中小型土壤动物个体密度不断减少，类群数也相应的减少，但是没有个体密度明显。

4 结论

OF1、OF2、OF3处理均显著提高了农田中小型土壤动物个体密度(P<0.05)，个体密度与土壤有机质、硝态氮极显著相关，与土壤容重显著负相关；而对其类群数无显著影响(P>0.05)。施用有机肥后，OF3处理的优势度指数最高(0.31)，OF2处理多样性指数(1.92)和丰富度指数(4.17)最高,OF1处理均匀度指数(0.62)最高。

农田中小型土壤动物依旧保持表聚特性，并且有机肥的施用也并没有改变这一特性。