牡丹种植对土壤线虫群落影响研究

杨礼通,雷应雪,杨 丽,蔡晓林,张文静

(四川省彭州市规划和自然资源局/彭州市天彭牡丹保育发展中心,成都 611930)

土壤线虫作为土壤动物中个体数量和功能类群最丰富的一类,凭借多变的摄食策略影响铵释放,进而调控土壤生态系统氮循环[1-3]。同时由于对资源投入和环境变化的敏感性,线虫被认为是土壤生态系统健康的重要指示生物[4]。基于此,土壤线虫成为研究地下生态系统影响的良好指示生物[5]。连作作为农业生产的一个重要方面,可以通过改变土壤理化性质、凋落物养分状态以及食物来源微生物,来调控线虫群落结构的变化[6]。但农业生态系统功能的多样化和结构的复杂化,使得线虫对该系统中植物连作的响应存在滞后效应和变异性,同时,线虫群落中的不同功能类群对连作的响应也存在差异性[7]。因此,植物连作对线虫群落影响程度和机制目前仍不清晰[8]。线虫因构造易辨别、食性多样化、繁殖周期短等特性,被认为是一种重要的环境指示生物。它们的群落组成和功能多样性在不同环境中的分布,提供了重要证据为研究土壤生物与环境的关系。因此,在以前的研究中,一直被用作土壤生态学研究中的生物指示物。它们的组成和结构对非生物和生物因素反应敏感,这些因素均会影响土壤线虫的分布[9]。目前的研究中,主要用线虫的指示功能反映生态系统的健康状况、演替和受干扰程度的评估[10]。例如在重金属污染严重的土壤中,C-P值较高的类群丰度会急速下降[11]。牡丹(PaeoniasuffruticosaAndr.),别名鹿韭、白术、富贵花,为芍药科芍药属多年生落叶灌木,花色艳丽,借其多样化的价值如观赏、药用、食用等而得到广泛栽种。中国牡丹资源特别丰富,在我国牡丹栽培面积最大、种植最集中于菏泽、洛阳、四川等地。四川彭州是我国现代三大牡丹聚集区之一,也是我国牡丹西南品种群的分布中心。连栽是指在同一地区连续种植多年后,导致相关植物生长不良、病虫害严重、减产、品质差。此外,还会导致植株死亡。如对茄子、黄瓜、番茄、辣椒等作物连栽后土壤理化性质进行分析发现,连栽种植使耕层土壤氮、磷、钾等营养元素积累,盐分增加,土壤酸化,土壤酶活性下降,导致土壤养分转化和供应受阻[12-14]。为研究牡丹种植对土壤线虫群落影响,文章以毗邻农田为对照,研究牡丹连载1年、2年和3年样地后土壤线虫群落特征。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

位于彭州市天彭牡丹保育中心(103°10′E～103°40′E,30°54′N～31°26′N),该研究区位于四川盆地亚热带湿润气候区,气候温润,季节性明显。年均气温15.9℃,温度最高月7月平均气温25.1℃,温度最低月1月平均气温5.3℃,无霜期长,雨量充沛,年均降水量为867mm,降水季节分配不均,多集中于7～9月份,雨热同期,日照偏少,日照时数为1131.0h。文章以毗邻农田为对照,研究种植1年(F1)、2年(F2)和3年(F3)样地土壤线虫,各样地土壤含水量和pH值见表1。

表1 样地基本情况

表2 线虫营养类群、C-P值划分

1.2 样品采集

于2022年3月在CK样地及不同连载年限各样方内随机选取5个点,用50cm×50cm的线框置于凋落物层上,然后用刀沿凋落物层切开后,将收集好的5个点凋落物样品分别混匀后装于纱网带中并做好标记。土壤层随机选取5个点后,采用环刀(r= 5cm,v= 100cm3)依次从0～5cm、5～10cm、10～15cm土层分别进行土壤样品采集,采集好的样品统一放在黑色布袋中带回实验室分离鉴定线虫。

1.3 线虫分离

称取20g样品进行含水率测定,土壤线虫分离方法采用Baermann漏斗法,首先,每个处理称取50g土样放入提前在60目网筛内垫上1～2层纱布的容器中并轻轻压紧样品,使土样与底部筛网充分接触,分离48h后,用10mL离心管收集线虫悬浊液,然后静置24h,用移液枪去吸取上清液,60℃恒温水浴3min,再用2倍于线虫悬浊液体积的TAF固定液固定线虫,静置6h后,再小心去除上清液留下约2mL线虫悬浊液,使用显微镜鉴定并计数其中的线虫,最后依据土壤含水量换算成100g干土含有的线虫数量[15]。

线虫分类鉴定参照《De NE-matode Van Nederland》《Soil and Freshwater NE-matodes》《长白山森林土壤线虫》《中国土壤动物检索图鉴》《中国亚热带土壤动物》对所采集到的土壤线虫进行鉴定至属[16-18]。

1.4 线虫优势度

线虫个体密度占总密度10%以上者为优势类群,1%～10%为常见类群,1%以下为稀有类群[19-21]。

1.5 线虫功能类群

根据线虫的头部形态学特征和取食习性将土壤线虫分成植食线虫(PP)、食细菌线虫(BF)、食真菌线虫(FF)和捕食/杂食线虫(OP)4个营养类群。根据生态对策将土壤线虫分为C-P值为1～5的5个类群,如BF2表示食细菌线虫中C-P值为2的类群[22]。

1.6 数据分析

数据的分析采用Excel 2010和SPSS 25.0完成,采用Origin 2022和CANOCO5绘制图形。采用单因素方差分析(One-way ANOVA)和多重比较(LSD)检验,显著性水平设为P=0.05或P=0.01。对环境因子和线虫指标采用Pearson相关分析。

2 试验结果

2.1 土壤线虫群落结构组成

牡丹种植不同年限土壤线虫群落结构组成特征见表3,从表可以看出,各样地共捕获土壤线虫75类,其中,以牙咽属数量最高,其数量达24条/100g干土,其总占比为10.30%,为本次研究中的优势类群。矮化属、平滑垫刃属、拟矛线科、垫刃科、中杆属、裸矛属、索咽属、膜皮科、纽带科、齿腔科、齿咽属、轮属、膜皮属、驼线科、威尔斯属、缢咽属、短体属、剑尾垫刃属、矛线科、扭钩属、微线属、细咽科、小杆属等23个类群为常见类群,其总占比为61.84%。其余的51个类群为稀有类群,其总占比为27.95%。

表3 牡丹种植下土壤线虫群落结构组成

表4 线虫营养类群与土壤养分含量相关性分析

2.2 牡丹种植不同土壤层线虫数量特征

不同连载年限下的土层不同层次线虫数量特征见图1。可以看出,各样地土壤线虫数量随着土层加深而逐渐减少,同时,与农田相比,牡丹连载减少了各土层线虫数量,表明牡丹连载对土壤线虫群落的发展有一定限制作用。另外,从不同牡丹种植的不同连载时间来看,牡丹连载1年后,土壤线虫数量下降最高,但随着连载时间的推移,土壤线虫数量呈现出逐渐增加的趋势,到牡丹连载的第3年时,土壤线虫数量达到35条/100g干土。

图1 土壤线虫数量特征

2.3 牡丹种植下土壤线虫营养类群特征

为进一步研究牡丹种植对土壤线虫营养类群特征的影响,根据土壤线虫营养类群特点,将本次调查到的土壤线虫的营养类型分为植食线虫(PP),食细菌线虫(BF),食真菌线虫(FF),捕食杂食线虫(OP),牡丹种植下线虫营养类群特征见图2所示,从图可以看出,各样地中,均以食细菌线虫占比最高,以捕食杂食线虫最低,可以看出,牡丹种植后,土壤植食线虫占比增加,并随着种植时间而增加,而捕食杂食线虫占比在种植牡丹为呈现下降趋势,食细菌线虫在牡丹种植后占比有所提高,同时,随着牡丹种植时间的延长而下降[23-24]。

图2 线虫营养类群特征

进一步对土壤线虫的生活史策略进行分析,可以看出,牡丹种植增加了C-P4的比例,表明牡丹种植时间延长,土壤线虫对环境压力敏感,到种植的第3年,土壤线虫表现出对环境压力特别敏感(图3)。对照样地和种植1年后,土壤线虫耐环境压力较强,在外界营养富集条件下能快速增长。目前的研究结果表明,牡丹种植年限越长其根际微生物种群结构就越趋于简单,有益菌的数量逐渐减少。

图3 土壤线虫C-P值

2.4 牡丹种植下土壤线虫营养类群特征

对线虫营养类群与土壤养分含量相关性进行分析,植食线虫与土壤含水量呈现出显著相关(r=0.81),食细菌线虫与土壤有机质含量呈现显著相关(r=0.53),食真菌线虫与土壤全氮含量呈现显著相关(r=0.71),食细菌线虫与土壤全磷含量呈现显著相关(r=0.61)。同时,植食线虫和捕食杂食线虫分别与全氮、有机质均呈负相关。

3 结论

各样地共捕获土壤线虫75类,以牙咽属数量最高,其数量达24条/100g干土,总占比为10.30%,为本次研究中的优势类群。常见类群有23个类群,其总占比为61.84%。其余的51个类群为稀有类群,其总占比为27.95%。各样地土壤线虫数量随着土层的加深而逐渐减少,同时,与农田相比,牡丹连载减少了各土层线虫数量,表明牡丹连载对土壤线虫群落的发展有一定的限制作用。随着连载时间的推移,土壤线虫数量呈现出逐渐增加的趋势。各样地中,均以食细菌线虫占比最高,以捕食杂食线虫最低,可以看出,牡丹种植后,土壤植食线虫占比增加,并随着种植时间而增加,而捕食杂食线虫占比在种植牡丹为呈现下降趋势,食细菌线虫在牡丹种植后占比有所提高,同时,随着牡丹种植时间的延长而下降。牡丹种植时间延长,土壤线虫对环境压力敏感,到种植的第3年,土壤线虫表现出对环境压力特别敏感。对照样地和种植1年后,土壤线虫耐环境压力较强,在外界营养富集条件下能快速增长。植食线虫与土壤含水量间呈现出显著相关,食细菌线虫与土壤有机质含量间呈现显著相关,食真菌线虫与土壤全氮含量间呈现显著相关,食细菌线虫与土壤全磷含量间呈现显著相关。同时,植食线虫和捕食杂食线虫分别与全氮、有机质均呈负相关。