不同玉米秸秆还田量的土壤大型动物夏季群落动态特征*

刘鹏飞，红 梅†，美 丽，王文东，赵乌英嘎，李志新

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

农作物秸秆是农田生态系统物质循环的物质基础[1]，是农业生产中的重要生物质资源，具有高的养分价值[2]。我国秸秆资源有6 亿～8 亿吨，秸秆资源丰富[3]。秸秆还田有利于维护农田生态系统中土壤动物的生存环境[4-6]。土壤动物是土壤生态系统的重要组成部分，是生态系统物质循环的重要参与者[7-9]，其活动能够改善土壤性质与结构，对土壤中有机物的分解与腐殖质的形成等养分循环过程有积极作用，并在维持和发挥农田生态系统正常功能上起着不可替代的作用[10]。近年来，东北黑土区由于过度开垦、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。而东北黑土区是我国粮食的主产区，土壤有机质的下降对我国粮食生产造成一定威胁。随着对玉米秸秆在农田生态系统重要性认知的提高，玉米秸秆还田对土壤动物群落的影响和土壤动物对秸秆分解的作用受到关注[11]。国内现有的秸秆还田对土壤动物的响应主要以秸秆覆盖还田为主，其研究表明，秸秆覆盖还田土壤动物类群多样性和丰富度增加[12]，类群和个体数增加[5，13]，显著影响甲螨群落的多样性指数，秸秆覆盖还田和季节交互作用对土壤甲螨个体数量有显著影响[14]。因此，本研究在前人研究的基础上，以黑土区农田作为研究样点，通过试验明确玉米秸秆在不同量还田下大型土壤动物群落变化特征，为农田生态系统优化管理，玉米秸秆资源化利用提供科学评价指标和理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古兴安盟扎赉特旗农业科技示范园区试验示范种植基地（46°45′N，122°47′E）。平均海拔206 m，属温带大陆性气候，年均气温为3.24℃，年均降水量400 mm，降水主要集中在6—9月。无霜期120～140 d。2016 年玉米生长季5—9月平均气温为20.22℃，降水量为379 mm，相对湿度34%，平均风速为4.62 m·s-1，土壤类型为暗栗钙土。

1.2 试验设计

玉米秸秆通过 1 500 kg·hm-2的数量级梯度精确还田，即 9 000（SR1）、10 500（SR2）、12 000（SR3）、13 500 kg·hm-2（SR4），常规无秸秆还田为对照（CK），共5 个处理。随机区组设计，3 次重复。小区面积10 m×10 m=100 m2，共20 垄，行距50 cm，小区之间间隔2 m。以玉米秸秆为原料，经过彻底粉碎加工成秸秆沫于2016 年4 月翻地埋入土中。种植作物为玉米，各处理试验田采用统一常规耕作方法。

1.3 样品采集与土壤动物鉴定

样品采集于2016 年玉米生长季6—9 月份进行，每月取样一次（6 月中旬、7 月中旬、8 月中旬和9月末）。取样时在每个小区中间点选择典型玉米生长生境，分别对 0～10、10～20 和 20～30 cm 共 3 个土层依次取样，采样面积为20 cm×20 cm=400 cm2，采用手拣法收集大型土壤动物（体长在2 mm 以上的动物）。分类鉴定参考《中国土壤动物检索图鉴》[15]，并在显微镜下对标本进行鉴定，所有大型土壤动物鉴定到科，成虫和幼虫分开统计。

在每个小区取0～30 cm 的混合土壤样品1 kg，作为土壤理化性质指标的测试。土壤 pH 采用电位法（土︰液=1︰5）进行测定；土壤温度采用地温计（TP101 型）测定；土壤容重采用环刀法（环刀直径为5 cm，高5 cm）；土壤含水量采用烘干称重法测定；土壤有机质采用重铬酸钾-容量法测定[16]。

1.4 数据统计与分析

对个体类群等级划分为：个体数占总个体数10%以上的土壤动物类群为优势类群，1%～10%之间的土壤动物类群为常见类群，1%以下的为稀有类群。对大型土壤动物群落特征进行分析时，采用香农-威尔（Shannon-Wiener）多样性指数（H）、Pielou均匀度指数（E）、 Margalef 丰富度指数（D）和辛普森（Simpson）优势度指数（C）进行分析[17-18]。采用单因素方差分析（one-way ANOVA）和多重比较方法（LSD）对不同数据进行差异显著性分析。采用冗余分析法（RDA）分析了农田大型土壤动物群落主要类群个体数与土壤环境因子的相关性。数据处理与作图采用SAS 9.0，Canoca 4.5，Excel 2003软件进行。

群落多样性指数计算公式如下：

式中，Pi为第i个物种的个体数占总个体数的比率；S为类群数；N为总个体数；ni/N表明各个体数占总个体数的百分数。

2 结 果

2.1 玉米秸秆还田后大型土壤动物群落组成

由表1 可知，研究区共捕获大型土壤动物2 681只，分别隶属于13 目41 个类群。其中优势类群为隐翅甲科、象甲科幼虫和线蚓科3 类，占总个体数74.93%；常见类群为叶甲科、步甲科、金龟甲科、隐翅甲科幼虫、缨甲科幼虫、正蚓科、舞虻科幼虫、长足虻科幼虫和奥地蜈蚣科 9 类，占总个体数19.17%；其余29 类为稀有类群，占总个体数5.89%。优势类群构成了研究区大型土壤动物的主体。不同处理间比较，对照 CK 大型土壤动物个体数最少，SR4 处理大型土壤动物个体数最多，并随玉米秸秆还田量增加个体数随之增加，个体数排序为 SR4＞SR3＞SR2＞SR1＞CK。

2.2 玉米秸秆还田后大型土壤动物主要类群的变化

由图1 所示，玉米秸秆还田后大型土壤动物主要类群的个体数随取样时间和类群的不同而不同。鞘翅目成虫个体数在玉米生长时期的6 月份发现较少，7 月份秸秆还田处理的个体数较 6 月的个体数显著增加（P＜0.05）。鞘翅目幼虫个体数在 6—8 月份发现较少，9 月份个体数增加，SR2 和SR4 处理9 月份的个体数显著高于 6—8 月份的个体数（P＜0.05）。颤蚓目的个体数在 6 月份没有发现，7月份较少，8、9 月份个体数增加。从总计可以看出，玉米秸秆还田后大型土壤动物随着玉米生长时期的推移，个体数随之增加，并且随着玉米秸秆还田量的增加，个体数随之增加。

2.3 玉米秸秆还田后大型土壤动物多样性特征

由图2 所示，多样性指数随着玉米生长季总体上呈现出先增加后下降的趋势，SR1 处理7 月份多样性指数显著高于6 月和9 月多样性指数（P＜0.05），SR3 处理 7 月和 8 月多样性指数显著高于 9 月份（P＜0.05）。均匀度指数随玉米生长季总体上呈现出下降的趋势，SR4 处理 6 月均匀度指数显著高于 7月和9 月（P＜0.05）。丰富度指数随玉米生长季总体上呈现出先增加后下降的趋势，SR1 和SR2 处理7月和 8 月丰富度指数显著高于 6 月和 9 月（P＜0.05），SR4 处理 6—8 月丰富度指数显著高于 9 月（P＜0.05）。优势度指数总体与多样性指数变化趋势相反，随玉米生长季呈现出先下降后增加的趋势，SR3 和SR4 处理优势度指数9 月显著高于6 月和8月（P＜0.05）。

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图1 玉米秸秆还田后大型土壤动物群落主要类群个体数Fig. 1 Change in number of individuals of major groups of soil macrofauna in farmlands with corn stalk returned

图2 玉米秸秆还田量对大型土壤动物群落多样性的影响Fig. 2 Impact of corn stalk returning on diversity of the soil macrofauna community in farmland

2.4 玉米秸秆还田后大型土壤动物个体数垂直分布

由图3 所示，随着玉米的生长6 月份大型土壤动物个体数在 0～10 cm 土层所占比例最多；7—9月0～10 cm 土层个体数所占比例下降，10～20 cm土层个体数所占比例增加；6—9 月20～30 cm 土层的个体数所占比例均最少。

2.5 玉米秸秆还田后大型土壤动物功能群特征

由图4 所示，捕食性大型土壤动物个体数随玉米的生长季呈现先增加后下降的趋势，6—9 月中各处理间个体数无显著差异（P＞0.05）。植食性大型土壤动物个体数6—8 月较少，9 月个体数显著增加，并且9 月SR4 处理与CK、SR1 和SR2 处理有显著差异（P＜0.05）。腐食性大型土壤动物个体数随玉米生长季呈现增加的趋势，并且随秸秆还田量的增加，个体数总体上表现为增加的趋势。7 月SR4 处理与对照 CK 有显著差异（P＜0.05），9 月 SR4 处理与 SR1处理有显著差异（P＜0.05）。杂食性大型土壤动物个体数在玉米生长季6—8 月变化较一致，9 月没有发现杂食性大型土壤动物。

2.6 秸秆还田大型土壤动物群落与土壤理化性质的关系

由表2 知，玉米秸秆还田后与对照CK 相比，土壤有机质和土壤含水量显著增加（P＜0.05），且随玉米秸秆还田量的增加呈增加趋势；土壤容重显著下降（P＜0.05），随玉米秸秆还田量的增加呈下降趋势；土壤温度下降，对照CK 与12 000 kg·hm-2（SR3）处理下有显著差异（P＜0.05）；土壤pH 在玉米秸秆还田后无显著变化（P＞0.05）。

图3 玉米秸秆还田量对大型土壤动物群落个体数垂直分布的影响Fig. 3 Impact of return of corn stalk on vertical distribution of individuals of soil macrofauna

为进一步探讨不同玉米秸秆还田量下土壤理化性质对大型土壤动物主要群落的影响，采用冗余分析方法进行分析（图5）。结果表明，第一主轴和第二主轴分别解释了农田大型土壤动物主要类群总变量的93.80%和5.90%。土壤有机质和土壤含水量与第一排序轴均存在显著正相关关系（P＜0.05）。土壤有机质与隐翅甲科、象甲科幼虫、缨甲科幼虫和正蚓科呈显著正相关（P＜0.05），土壤pH 与隐翅甲科幼虫呈显著负相关（P＜0.05），土壤含水量与隐翅甲科和线蚓科呈显著正相关（P＜0.05）。

图4 玉米秸秆还田量对大型土壤动物群落功能群特征的影响Fig. 4 Impact of return of corn stalk on functional groups of the soil macrofauna community in farmland

表2 不同玉米秸秆还田量下土壤理化性质Table 2 Soil physico-chemical properties relative to treatment

3 讨 论

图5 大型土壤动物群落主要类群冗余分析（RDA）Fig. 5 Redundancy analysis of major groups of the soil macrofauna in farmland

农业生产中，对农田采取玉米秸秆还田措施可以增加土壤养分和玉米秸秆的资源化利用。本研究中，玉米秸秆还田后显著增加了大型土壤动物群落的个体数，类群数有一定的增加，这与李泽兴等[12]随玉米秸秆覆盖量增加农田土壤动物数量增加的结果较一致，原因可能是玉米秸秆还田后增加了土壤有机质含量[19]和农田腐殖质的土壤含水量[20]，土壤容重降低和孔隙增加，加快了玉米秸秆沫的降解速率，为大型土壤动物提供了充足食物资源；因此随着玉米秸秆还田量的增加大型土壤动物个体数呈增加趋势。土壤动物个体数量的增加是由于优势类群的土壤动物个体数量增加所引起的[21]。在本研究中，个体数增加主要以优势类群的隐翅甲科、象甲科幼虫和线蚓科3 类为主；同时，本研究采用RDA 分析了大型土壤动物群落主要类群个体数和土壤环境因子之间的关系，隐翅甲科和象甲科幼虫与土壤有机质呈显著正相关，隐翅甲科和线蚓科与土壤含水量呈显著正相关。

研究期间，大型土壤动物群落多样性在玉米生长季表现出明显变化。多样性指数和丰富度指数随着玉米生长季总体上呈现出先增加后下降的趋势，总体在7 月和8 月玉米拔节期和抽穗期多样性指数和丰富度指数最大。朱强根等[22]的研究表明：免耕秸秆覆盖样地在拔节期有助于提高土壤动物多样性；杨旭等[23]在松嫩平原黑土耕作区研究表明8 月份土壤动物均匀度指数和丰富度指数最高，优势度指数最低。原因可能是7 月和8 月份土壤中的水热条件适中，促进土壤微生物活动，加快玉米秸秆腐解的速度[23-24]，对土壤性质和结构进行了改善，这些因素可能促进土壤生物的活动、促进土壤养分循环，增加了多样性[25]。本研究中优势度指数总体与多样性指数和丰富度指数变化趋势相反，总体在 9月玉米成熟期优势度指数最大。优势度指数的大小表明该群落中某个类群的土壤动物个体数占该群落总个体数比例的大小[26]，即某一个群落的优势度指数越小，丰富度指数越大，多样性指数也越大[27]。王振海等[28]在长白山苔原带研究表明7 月份土壤动物优势度指数降低，多样性指数、丰富度指数和均匀度指数最高。进一步说明，在不同地区和不同时间及不同措施处理的差异下对土壤动物多样性动态影响是不同的。

土壤动物通常表现出表聚性，土壤动物个体数和类群数随土壤深度加深而降低[24，28]，不同土壤类型降减速率可能不同[29]，但在沙地或农业用地中土壤动物的垂直分布可能会出现逆向分布的现象[30]。在本研究中，不同玉米秸秆还田量下各月份不同土层的大型土壤动物表明：随玉米的生长时期的推移，表层0～10 cm 的大型土壤动物有向10～20 cm 土层下移的趋势。原因可能是经过秸秆还田后，玉米秸秆末主要位于土壤表层中，能够为大型土壤动物提高大量的食物资源，导致大型土壤动物在表层最多，但在9 月末可能由于土壤温度低，大型土壤动物有向下移动的趋势。

不同功能类群对不同玉米秸秆还田量的响应存在差异。以线蚓科和隐翅甲科为主要的腐食性类群个体数随玉米生长季的推移个体数增加，并随玉米秸秆还田量的增加而增加。有研究表明：线蚓的数量能够反映群落环境特点和土壤质地状况，通常土壤含水量高、有机质丰富的群落线蚓科的数量就多[31]。本研究中，秸秆还田后线蚓科数量显著增加，原因可能是粉碎的秸秆还田以后不仅可以增加土壤腐殖质含量，还可以增加土壤含水量，加快秸秆的腐解，秸秆腐解的越多，越有利于腐食性类群生存；同时，腐食性类群的个体数增加，说明农田土壤生态系统物质循环和能量转换的过程增加[32]。杂食性类群随玉米生长季的推移个体数变化较一致，并且在9 月末没有发现；这与蒋云峰等[13]在4 月、7 月和10 月的取样研究中杂食性类群仅在4 月和7 月获得的研究结果较为一致。捕食性类群作为生态系统的次级消费者，个体数随玉米生长季的推移呈先增后降的趋势，秸秆还田后其类群总体个体数增加，但未随秸秆还田量的增加而增加；捕食性类群主要由鞘翅目的步甲科、叶甲科，双翅目的舞虻科幼虫和长足虻科幼虫，地蜈蚣目和蜘蛛目等组成。

4 结 论

玉米秸秆还田后受农田土壤环境因子影响较大的大型土壤动物类群主要是研究区的优势类群，占总个体数74.93%，构成了研究区大型土壤动物群落的主体。玉米秸秆还田作为保护性耕作措施之一，玉米秸秆还田有助于提高大型土壤动物个体数，随玉米秸秆还田量增加个体数增加；玉米秸秆还田在一定程度上提高了大型土壤动物的类群数。多样性指数和丰富度指数随玉米生长季总体呈现出先增加后下降的趋势；均匀度指数随玉米生长季总体呈现出下降的趋势；优势度指数随玉米生长季呈现出先下降后增加的趋势。玉米秸秆还田增加了群落多样性指数，使土壤生态系统向更稳定方向发展。大型土壤动物群落随玉米生长时期的推移，表层 0～10 cm 土层的大型土壤动物有向10～20 cm 土层下移的趋势。捕食性大型土壤动物个体数随玉米生长季呈现先增加后下降的趋势；植食性和腐食性大型土壤动物个体数随玉米生长季呈现增加的趋势；杂食性大型土壤动物个体数在玉米生长季无明显变化。