生物炭基肥施用对棉田土壤线虫群落结构的影响

杨贝贝，朱新萍，2*，赵 一，陈小云，贾宏涛，2，李辉信

（1.新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.新疆土壤与植物生态过程重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830052；3.南京农业大学资源与环境科学学院，江苏 南京 210095）

线虫作为农田土壤中数量和多样性最为丰富的微型土壤动物之一，在土壤食物网中占据多个营养级地位［1-2］，对维持土壤生态系统的稳定、促进物质循环和能量流动具有重要意义［3］。生物质炭和生物炭基肥在农田生产中的施用，可以增加棉田土壤酶活性［4-6］，显著改善棉田微生物种群结构［7-8］，提高土壤的田间持水量［9］，改善土壤物理性质［10-11］，提高作物产量［13］等效果。随着人们越来越关注生存环境和农业可持续发展，在现代农业生产中，更加注重有机肥、新型肥料的施用等土壤健康问题。作为土壤生物区系的重要组成部分之一，线虫因具有身体透明易于鉴别、结构与功能对应关系好等特点，被作为农田管理措施改变的敏感指示生物［14-15］。土壤线虫作为反映土壤健康的敏感指标，前人的研究多侧重于调查旱旱［16］、水旱不同轮作体系［17］，秸秆还田［18］，有机肥及与化肥配施等农田管理措施对土壤线虫群落结构的影响研究［19］。新疆地处欧亚大陆腹地，降水量稀少，蒸发强烈，是我国最为干旱，土壤盐碱化分布面积最广，盐碱化类型最多，土壤积盐最重的地区［20］，同时又是我国优质产棉地之一，生物炭基肥、生物质炭目前已初步应用于棉花生产中，但在提高作物产量的同时，对于土壤生物以及土壤健康的影响值得进一步探讨。生物炭基肥、生物质炭施用以及常规施肥会对棉田土壤线虫群落结构产生什么影响？本研究选择新疆棉田土壤，比较施用炭基肥、生物质炭以及常规施肥对土壤线虫群落结构的影响，旨在明确不同肥源及其与化肥配施对土壤线虫区系的调控效果，为新疆农田生态系统的健康运行和生物炭基肥应用提供一些参考依据。

1 研究区域与实验方法

1.1 研究区概况

研究区位于新疆准葛尔盆地西部古尔班通古特大沙漠的边缘的一二八团，属温带大陆性干旱荒漠气候。全年日照时数为2 611 h，昼夜温差大。降水稀少，每年平均为160 mm 左右。年蒸发量平均为1 761.9 mm。土壤类型为潮土，pH 值8.09，电导率692.50 μS/cm。

1.2 试验设计

田间试验共设 4 个处理，分别为常规施肥处理（CK）、生物炭基肥+木醋液追肥处理（T+M）、生物炭基肥+常规追肥（T+C）和生物质炭+常规追肥（SWT）处理，采用随机区组设计，小区面积为200 m2，每处理3 次重复，在调研当地施肥量基础上设计各处理施肥量（表1）。各处理基肥于播种前一次性全部施入，施入深度约20 cm，采用膜下滴灌方式灌溉。供试棉花品种为“中棉71 号”。

表1 试验施肥处理

试验肥料尿素（N 46.3%）、硫酸钾（K2O 50%）、重过磷酸钙（P2O546%），生物质炭为玉米秸秆限氧热裂解制成，生物炭基肥采用玉米秸秆限氧热裂解制成的生物炭和氮磷钾肥混合而成，其中N、P2O5、K2O 养分含量为15%、15%、10%，木醋液为生物炭制备过程中生成的副产品，均由南京农业大学提供。

1.3 样品采集方法

于 2018 年 9 月棉花收获前期采集土壤样品。采用 S 形采样法，随机选取 5 个点，用土钻采取棉花根部附近0 ～30 cm 土层土壤，将采好的土样迅速装入自封袋，编号后带回实验室作简单处理，之后置于4℃冰箱保存。

1.4 土壤线虫的分离与鉴定

称取土壤50 g，采用浅盘法分离土壤中的线虫［21］，随机数100 条线虫，参考《中国土壤动物检索图鉴》［22］及 Bongers［23］主编的《De nematoden van Nederland》进行线虫鉴定。将线虫分为 4 个营养类群：食细菌线虫（ Bacterivores）、食真菌线虫（ Fungivores）、植食性线虫（ Plant-parasites）和杂食/捕食性线虫（ Omnivores/ predators）［24］。并根据线虫的食性和生活策略（r-策略和k-策略）对线虫划分为1 ～5 的c-p 值［25］。

1.5 线虫群落分析

采用多种生态指数对土壤线虫的多样性和群落结构进行评价，具体计算方法如下：

Shannon-Wiener 多样性指数（H）［26］：

式中，pi是样本中第i个分类单元中个体数占线虫总个体数量的比例。

Pielon 均匀度指数（J）［27］：

式中，S为鉴定分类单元的数目。

富集指数（EI）［27］：

式中，b主要指c-p值为2 的Ba 和Fu 类群；e主要指c-p值为1 的Ba 和Fu 类群。

结构指数（SI）［28］：

式中，s包括c-p值为3、4、5 的Ba、Fu、Om和c-p值为2、3、4、5 的Ca 类群。

线虫通路指数（NCR）［29］：

式中，NB指食细菌性线虫的数量；NF指食真菌性线虫的数量。

瓦斯乐斯卡指数（WI）［26］：

式中，NPP为食植物性线虫数量。

植物寄生线虫成熟度指数（PPI）［25］：

式中，vi为根据自由生活线虫在生态演替中的不同生活策略分别赋予的c-p；fi为第i种线虫的个体数占群落总个体数的比例。

1.6 数据统计分析

土壤线虫数量折算成每 100 g 干土含有线虫的条数，丰度以不同属或营养类群的线虫数量占线虫总数的百分比（%）来表示［27］，采用 Excel 2016软件进行数据统计与处理。

2 结果与分析

2.1 棉田土壤线虫群落组成及营养类群结构

棉田4 个不同处理共获得土壤线虫419 条，分属于35 属，土壤线虫数量平均为249 条 /100 g 干土。食细菌性线虫 12 属、食真菌性线虫 3 属、植食性线虫 10 属、杂食/捕食性线虫 10 属，各处理下营养类群数量情况见表2。CK 处理鉴定出12 属、T+C 处理鉴定出21 属、T+M 处理鉴定出 21 属、SWT 处理鉴定出 12 属，与 CK 相比，T+C 处理和T+M 处理增加了土壤线虫属数，但SWT 处理土壤线虫属无明显变化。CK 处理主要线虫优势属为螺旋属，T+C 处理的线虫优势属为原杆属Protorhabditis、 螺 旋 属Helicotylenchus、 针 属Paratylenchus，T+M 处理的线虫优势属为原杆属Protorhabditis、螺旋属Helicotylenchus，SWT 处理的线虫优势属为原杆属Protorhabditis和真头叶属Eucephalobus。与对照相比，施用生物炭基肥使土壤中原杆属Protorhabditis相对丰度提高 9.14%～50.03%，螺旋属Helicotylenchus相对丰度降低36.64%～59.55%；提高了食细菌性线虫、杂食/捕食性线虫和食真菌性线虫相对丰度，降低了植食性线虫相对丰度。

表2 不同处理土壤线虫的群落组成及丰富度

2.2 棉田土壤线虫群落的多样性

由表3 可知，土壤线虫多样性指数（H）变化为CK＜SWT＜T+M＜T+C、均匀度指数（J）变化为CK＜SWT＜T+M＜T+C、植物寄生线虫成熟度指数（PPI）变化为SWT＜T+C＜T+M＜CK，瓦斯乐斯卡指数（WI）变化为CK＜T+C＜T+M＜SWT。与CK 处理相比，施用生物炭基肥提高了线虫多样性指数（H）和均匀度指数（J）。富集指数（EI）、结构指数（SI）均大于 50。线虫通道指数（NCR）在 0.88 ～1.00 之间，说明有机物的分解以细菌分解途径为主。与CK 处理相比，均降低了线虫通道指数，表现为CK ＞SWT＞T+M＞T+C。瓦斯乐斯卡指数（WI）为CK＜T+C＜T+M＜SWT。T+C 和T+M 处理的植物寄生线虫成熟指数（PPI）高于CK 处理，SWT 的植物寄生线虫成熟指数（PPI）显著小于CK 处理。

表3 不同处理土壤线虫群落的生态指标

3 讨论

线虫作为土壤健康的指示生物，已被广泛应用于评价各种生态系统受干扰的情况［30］。经短期施用生物炭基肥对棉田土壤线虫的影响的研究，4 个处理共鉴定了土壤线虫419 条，分属于35 属。对于棉田土壤线虫群落结构及其多样性的研究，其中李克梅等［31］主要开展植物寄生线虫的研究，发现新疆棉田土壤有11 个属的植物线虫，真滑刃属（Aphelenchus）是绝对优势种群，其次是茎属（Ditylenchus）和螺旋属（Helicotylenchus）。李晓兰等［32］对新疆棉花黄萎病区的研究发现有8 个属的植物寄生线虫，螺旋属（Helicotylenchus）、拟丽突属（Acrobeloides）、滑刃属（Aphelenchoides）是优势属，且相对丰富度均大于10%。而本研究优势种群为螺旋属（Helicotylenchus），共鉴定出10 个属，与前人的研究结果一致，真滑刃属和拟丽突属属于常见属。郭佳惠等［33］在天津市武清区的棉花线虫群落研究中发现所采集土壤样品中，共鉴定出土壤线虫34 属，其中，食细菌线虫13 属，食真菌线虫3 属，杂食/捕食性线虫9 属，植食性线虫9 属，螺旋属（Helicotylenchus）是优势属之一，这与本研究结果相一致，在属数上都是Ba＞Op＞Pp＞Fu，螺旋属（Helicotylenchus）也是优势属之一。

生物质炭具特殊的孔隙结构，可以为土壤微生物提供生存空间，同时生物质炭具有强大的吸附特性［34］，因此贮存的养分供给线虫一定的营养来源，促进线虫繁殖，土壤中的细菌数量因为生物质炭量增加而上升，也会使食真菌性线虫丰度增多［27］。前人研究结果表明，不同有机物料的配施均增加了土壤线虫总数及食细菌、食真菌、杂食/捕食性线虫的比例，抑制了植食性线虫的相对丰度［35］。这与本研究结果相一致。利用线虫生态指数可以反映不同处理中线虫群落结构差异。研究中发现T+C、T+M 和SWT 提高了线虫多样性指数（H）和瓦斯乐斯卡指数（WI），这与前人研究结果相一致［14］。线虫多样性指数（H）值越大，表明线虫种类越多，土壤食微线虫越丰富，且大于植食性线虫数量，土壤健康程度越高［27］。瓦斯乐斯卡指数（WI）的大小反应土壤健康本质，瓦斯乐斯卡指数理解为土壤健康指数。WI 值＞1 时，值越大，说明土壤健康状况越好；当WI 值=1 时，表明单位土壤中食细菌线虫与食真菌线虫之和的数量与植食线虫的数量相当，说明土壤健康程度一般；WI 值＜1 时，值越小，说明土壤健康程度越差［36］。T+C和T+M 的WI 值分别为0.93 和1.12，趋近于1，说明土壤健康状况一般，SWT 的WI 值为15.50，土壤健康状况良好，CK 的WI 值只有0.14。因此施加生物炭有助于改良土壤健康状况。

NCR 值代表微生物参与分解有机质的途径，NCR 值为 0，代表土壤有机质完全依靠真菌分解；若 NCR 值为 1，则表示有机质完全由细菌分解［19］。SWT 处 理 的 NCR 最 低，T+C 和T+M 处 理的NCR 相差不大，在本试验中，CK 处理 NCR 值为1.00，表示有机质完全由细菌分解，T+C 和T+M处理 NCR 值在0.88 ～0.97 之间，说明细菌是此棉田土壤有机质的主要分解者。细菌占土壤微生物90%以上［37］，施用生物炭基肥和木醋液的 NCR 值均有降低的趋势，说明T+C 和T+M 处理在保持细菌分解有机质的主要途径基础上，有助于增强真菌分解有机质的途径［37］。T+C、T+M 和SWT 处理均降低了线虫 PPI 指数，其中SWT 处理降低最为明显，这可能是由于SWT 提高了土壤有机质，而有机质与 PPI 指数呈显著负相关［38］。

4 结论

在棉田中施用生物炭基肥可使土壤线虫种类更丰富，提高了线虫的总数量、食细菌性线虫数量、食真菌性线虫数量和杂食/捕食性线虫数量，抑制了植食性线虫数量；施用生物炭基肥提高了线虫的多样性指数（H）、均匀度指数（J）和瓦斯乐斯卡指数（WI）。短期内施用生物炭基肥对棉田土壤生态系统健康无不良影响，但长期施用生物炭基肥以及生物质炭产品会对土壤生态系统带来何种程度的潜在影响还需要进一步开展研究。