施加生物质炭对风沙土土壤线虫群落结构的影响

2024-02-15贾远彬陈康怡丛孟菲胡洋唐光木徐万里朱新萍贾宏涛

农业资源与环境学报 2024年1期

贾远彬，陈康怡，丛孟菲，胡洋，唐光木，徐万里，朱新萍，贾宏涛,4

（1.新疆农业大学资源与环境学院，乌鲁木齐 830052；2.新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所，乌鲁木齐 830091；3.北京农学院生物与资源环境学院/农业农村部华北都市农业重点实验室，北京 102206；4.新疆土壤与植物生态过程重点实验室，乌鲁木齐 830052）

线虫是地球低等无脊椎生物中最为丰富的一类，是土壤动物中主要的功能类群之一[1]，可作为指示土壤生态系统恢复力以及土壤环境健康的指标[2]，例如：施加有机肥以及秸秆还田能够有效抑制麦田中植食类线虫的丰度，并提升捕食/杂食类线虫的丰度，进而提高线虫成熟度指数（MI），有利于土壤食物网的稳定[3]；秸秆还田对食细菌线虫的繁殖具有促进作用，可抑制植食类线虫的繁殖，优化线虫群落结构，从而改善土壤状况[4]。因此，土壤线虫在指示土壤环境健康、促进物质循环及能量流动方面具有重要意义[5]。

生物质炭是动植物残体在完全或部分缺氧的情况下经过高温裂解碳化产生的一类芳香化且难熔的固态物质[6]。生物质炭所具有的孔隙结构会影响土壤的通气性和保水性，并为微生物、土壤动物的生长发育提供繁殖空间和良好的栖息环境[7]。目前关于生物质炭对土壤改良效应的研究多为短期施入或者连续施加研究，且主要集中在生物质炭对土壤物理和化学性状方面的影响[8]，生物质炭施加于土壤后，在环境因素的作用下，发生冻融交替、干湿交替以及氧化作用等，导致生物质炭发生老化，随着时间的延长生物质炭也会改变土壤物理化学性质，例如土壤pH、含水量、土壤养分以及微生物群落等，这些都是影响线虫群落生长的因素[9-11]。研究表明红壤中加入生物质炭会对线虫不同营养类群丰度产生影响[12]，低量生物质炭的施加对土壤动物群落起促进作用，但若施炭量过高则可能对土壤动物群落产生负面影响[13-14],Liu等[15]研究发现，红壤中连续施入生物质炭2 年后，60 t·hm-2施加量抑制了线虫的多个营养类群的生长。也有研究发现水稻土中5 t·hm-2的施炭量促进了捕食/杂食类线虫的生长，而40 t·hm-2则对其产生了抑制作用[16]。在黄褐土上施炭5 年后，线虫群落的总丰度和捕食/杂食类线虫的丰度增加[9]。综上可知，由于施加量和土壤类型不同，生物质炭施加一定年限后对土壤线虫群落不同营养类群作用并不一致，促进或抑制作用均有表现，目前关于风沙土生物质炭施加年限及生物质炭老化对土壤线虫群落结构影响的研究还少有报道。风沙土是新疆主要的障碍性土壤之一，也是重要的后备耕地之一，主要分布在塔克拉玛干沙漠和古尔班通古特沙漠边缘地区，占新疆土地面积的22.5%，风沙土结构松散、保水保肥能力差，肥力低下，土壤生产力较低[17]。生物质炭技术的应用为风沙土改良和地力提升提供了新前景，但针对风沙土改良的研究中，尚缺少用土壤线虫相关指标来反映生物质炭施加时间对土壤健康的影响研究。因此，本研究以风沙土为供试土壤，探究生物质炭施加7 年与1 年后对风沙土土壤线虫群落结构特征的影响，试图从土壤生物角度揭示生物质炭一次施加后随时间延长对土壤健康的影响，为确定生物质炭科学施加量以及间隔时间提供科学的参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

盆栽所用土壤采集于新疆石河子垦区兵团农八师121 团炮台土壤改良试验站，土壤类型为风沙土。试验站年平均气温7.5 ℃，日照2 525 h，无霜期169 d，年降雨量225 mm，年蒸发量1 250 mm。试验所用生物质炭为河南三利新能源有限公司提供的小麦秸秆炭，在450 ℃限氧条件下炭化5 h，粉碎后过2 mm 筛。玉米品种为“新玉53号”。

1.2 试验设计

盆栽试验花盆直径25 cm、高25 cm，每盆装15 kg土壤。盆栽试验分为两组：A 组风沙土来自2014 年布置的施加不同量生物质炭的原位长期定位试验田，玉米连作7年，施加生物质炭处理见表1，每个处理设置3 个重复；C 组为2021 年未施加生物质炭且未种植玉米的原位田间风沙土，依据原位长期定位试验生物质炭施加量，计算出每盆生物质炭施加量，使施炭量与长期定位试验田施加量保持一致，同时以田间未施生物质炭风沙土为对照。试验所用化肥施加量及农艺措施与土壤改良试验站常规大田一致。玉米收获后采集各处理盆栽内土壤，挑除植物根茎后分成两份带回实验室，一份鲜土样置于4 ℃冰箱内保存，用于线虫分离；另一份风干后过筛用于土壤理化性质测定。

表1 各处理组生物质炭施加量（t·hm-2）Table 1 Biochar application amount of treatments（t·hm-2）

1.3 土壤化学性质测定

土壤pH、电导率分别采用pH 仪、电导率仪测定;有机质测定采用浓硫酸-重铬酸钾外加热法；全磷测定采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法；全钾测定采用氢氧化钠熔融-火焰光度法；全氮测定采用凯氏定氮法；速效磷测定采用碳酸氢钠-硫酸钼锑抗比色法；速效钾测定采用乙酸铵浸提-火焰光度计法；碱解氮测定采用碱解扩散法[18]。

1.4 土壤线虫的提取、鉴定及生态指数计算

称取不同处理下的鲜土样50 g，采用浅盘分离-蔗糖离心浮选的连续提取法提取土壤线虫，提取出的线虫通过解剖镜进行计数，在光学显微镜下鉴定到属[19]，并换算为每100 g 干土的线虫数量，线虫鉴定参照The Nematodes of the Netherlands[20]和《中国土壤动物检索图鉴》[21]，并依据线虫的食性将其分为食细菌类（Ba，Bacterivores）、食真菌类（Fu,Fungivores）、植物寄生类（Pp，Plant-parasites）、捕食/杂食类（P/O,Predators/Omnivores）四个营养类群[22]。

研究中涉及的线虫生态指数包括多样性指数（H）、自由生活线虫成熟指数（MI）、丰富度指数（SR）、线虫通路比值（NCR）、富集指数（EI）和结构指数（SI）[23-24]，计算方法如下:

式中：i为分类单元；Pi为第i个分类单元中个体占总体的比例；Vi为根据线虫在生活策略中所属类群赋予的c-p值；S为鉴定分类单元的数目[25]；BF为食细菌线虫的丰度；FF为食真菌线虫的丰度；b指的是c-p 值为2的Ba和Fu类群；e指的是c-p值为1的Ba和Fu类群；s指的是c-p 值为3、4、5 的Ba、Fu、Om（杂食）类群和c-p值为2、3、4、5的捕食类群（Predators）[26-27]。

1.5 数据处理与统计分析

使用Excel收集整理数据，使用SPSS 26.0 对土壤物理化学性质以及线虫总数和生态学指数进行单因素方差分析，采用LSD 进行多重比较检验，显著水平为P＜0.05，用Origin 2021 制图，并使用R 3.6.2 中的RDA（Redundancy analysis）对土壤线虫群落和土壤因子进行排序。

2 结果与分析

2.1 施加生物质炭对土壤环境因子的影响

由表2 可看出，施加生物质炭对土壤电导率影响不显著。C 组中，与C0 相比，施加生物质炭各处理土壤pH、有机质、碱解氮、速效钾、速效磷以及土壤全量养分含量显著增加。A组中，与A0相比，A4处理土壤碱解氮、全量养分含量显著增加（P＜0.05），A1 和A3土壤速效磷含量显著增加了61.9% 和39.3%（P＜0.05），施加生物质炭处理（A1除外）土壤pH、速效钾、有机质含量均显著增加。A、C两组对比发现，相同生物质炭施加量下，施加生物质炭1 年后的土壤pH 显著高于施加生物质炭7 年后的土壤pH，且土壤速效养分、全量养分以及有机质含量均显著增加，说明生物质炭老化后对土壤养分的提升效应会降低。

表2 生物质炭不同施加水平下土壤理化性质Table 2 Physical and chemical properties of soil under different biochar treatments

2.2 施加生物质炭对土壤线虫数量的影响

研究共获得土壤线虫2 942 条，其中A 组1 879条，C 组1 063 条。如图1 所示，C 组每100 g 土壤（以干土计，下同）中线虫数量在12～303 条之间，与C0 处理相比，施炭降低了土壤线虫数量，且在C1和C4处理降幅显著（P＜0.05）。A 组每100 g 土壤中线虫数量在112～374 条之间,与A0 处理相比，A4 处理线虫数量降幅最大，但未达到显著水平，A4 处理线虫数量较A1、A3处理显著降低。相较于C组，施炭7年后土壤线虫数量得到恢复，生物质炭施加量为15.75 t·hm-2处理下线虫数量恢复较好。

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图1 施加生物质炭不同年限土壤（100 g）的线虫数量Figure 1 Amount of nematodes in soils（100 g）of different years of applied biochar

2.3 施加生物质炭对土壤线虫群落组成的影响

经分离鉴定获得土壤线虫共26 个属，包括食细菌类线虫9个属、食真菌类线虫2个属、植物寄生类线虫4 个属和杂食/捕食类线虫11 个属。A 组获得线虫20 个属，C 组获得线虫21 个属，食细菌类线虫是主要的营养类群，拟丽突属（Acrobeloides）为优势属（图2）。

图2 施加生物质炭对土壤线虫群落结构的影响Figure 2 Effects of biochar application on soil nematode community structure

如图3 所示，随着生物质炭施加量的增加，A 组和C 组生物质炭对食真菌类线虫变化规律影响不明显；C 组捕食/杂食类营养类群线虫丰度降低，而A 组捕食/杂食类营养类群线虫丰度增加，主要由真矛线属（Endorylaimus）、扁腔属（Sectonema）和盘咽属（Discolaimus）丰度变化引起，说明生物质炭施加量超过31.50 t·hm-2后，随年限的增加，捕食/杂食类营养类群线虫丰度增加。

图3 施加生物质炭对土壤线虫营养类群分布特征的影响Figure 3 Effects of biochar application on the distribution characteristics of soil nematode trophic groups

随着生物质炭施加量的增加，C 组生物质炭引起短体属（Pratylenchus）丰度升高，植物寄生类线虫丰度升高。而A 组生物质炭老化引起植物寄生类线虫中短体属丰度下降，与A0处理相比，植物寄生类线虫在A3、A4 处理下降。这说明生物质炭施加后，随施加年限的增加，植物寄生类线虫丰度降低。

随着生物质炭施加量的增加，C2、C3 和C4 处理食细菌类线虫丰度增加，且拟丽突属、丽突属（Acrobeles）与板唇属（Chiloplacus）为优势属。A 组食细菌类线虫在A3 处理下丰度最高，为55.1%，在A4 处理下最低，为28.5%，拟丽突属为优势属。随施炭年限的增加，A2、A3、A4 处理生物质炭老化后食细菌类线虫丰度降低。

2.4 施加生物质炭对土壤线虫群落生态指数的影响

如表3所示，与对照相比，A组和C组各处理土壤线虫的SR、H和SI无显著差异。A、C 两组NCR在0.71～1.00 和0.87～1.00 之间，说明土壤有机质分解以细菌分解为主。随着生物质炭量的增加，与C0 相比C4 处理MI显著降低，降幅达35.7%（P＜0.05），而A 组MI增加。A、C 两组EI均小于50 且SI均大于50，说明A、C两组生物质炭施加后土壤食物网结构化程度高，受干扰程度较低。

表3 施加生物质炭对土壤线虫群落生态指数的影响Table 3 Effect of biochar application on ecological index of soil nematode community

2.5 土壤线虫群落特征与土壤环境因子的关系

图4 揭示了施加生物炭不同时间后土壤因子变化对土壤线虫群落结构的影响，A 组两个维度共解释了52.25%的总变异。土壤SOC 和速效钾与真头叶属（Eucephalobus）呈正相关关系，全氮和碱解氮与真矛线属（Eudorylaimus）呈正相关关系，速效磷与盘咽属（Discolaimus）和丽突属（Acrobeles）呈正相关关系，短体属（Pratylenchus）与除速效磷以外的土壤因子呈负相关关系。C 组两个维度共解释了49.48%的总变异。丽突属和板唇属（Chiloplacus）与土壤因子呈正相关关系，真矛线属和扁腔属（Sectonema）与土壤因子呈负相关关系。由表4得出，MI与C组中土壤环境因子具有显著相关性，且相关系数高于A 组，因而MI指示短期施加生物质炭对风沙土土壤性质干扰性高于长期施用，因而对线虫群落结构的影响也较大。

图4 不同年限生物质炭施加土壤线虫群落与土壤环境因子的冗余分析（RDA）Figure 4 Redundancy analysis（RDA）of soil nematode community and soil environmental factors with biochar application for different years

表4 土壤线虫群落生态指数与土壤环境因子的相关性Table 4 Correlation between soil nematode community ecological index and soil environmental factors

3 讨论

3.1 生物质炭对土壤环境因子和线虫群落结构的影响

风沙土有机质含量低，养分贫瘠，生物质炭能够增加土壤中的氮、磷、钾等有效养分和有机质的含量，从而改善风沙土的理化性质，为风沙土土壤线虫提供良好的物质基础，从而促进线虫的生长发育[28]。本研究发现，与施加生物质炭1年相比，施炭7年后土壤线虫数量有所升高，推测可能是由于生物质炭在土壤中长时间的破碎、老化以及pH 降低使其对土壤生物类群的干扰降低。在土壤生境中，生物质炭的老化年限对土壤线虫群落结构的影响可能有所不同，已有研究表明，在黄褐土和碱性农业土壤中施加5～60 t·hm-2生物质炭2～3年后会导致线虫数量的变化，但影响不显著[15，29]，这与本研究的部分结果一致。本研究中施加生物质炭1 年后土壤线虫数量降低，其中126.00 t·hm-2处理土壤线虫数量降幅最大（57.9%），其原因可能是土壤pH的升高以及过量的生物质炭施加会使一些对土壤线虫有害的物质增加，从而增大了土壤线虫的死亡率[30]。

生物质炭施加后，随年限增加，其老化可能是影响其土壤生态效应的因素之一。本研究发现，施加15.75 t·hm-2生物质炭1 年后对捕食/杂食类群线虫丰度具有促进作用，相比之下，31.50 t·hm-2的施炭量有利于提升食细菌类线虫丰度，而施炭7 年后食细菌类线虫和捕食/杂食类线虫的比例则趋于稳定，推测可能是生物质炭的施加增加了土壤速效养分且提高了养分有效性，为食细菌、食真菌类线虫提供了良好的食物基础，也间接促进了捕食/杂食类线虫的生长[31-33]，同时本研究中施加生物质炭1 年后的冗余分析结果表明，丽突属和板唇属（均为食细菌类线虫）与土壤养分呈正相关关系，因此养分含量的增加可能促进食细菌类线虫丰度增加的这一推测得到验证[34]。食细菌类线虫c-p值为1～2，类群较耐环境胁迫，而捕食/杂食类线虫c-p 值为4～5，类群对环境胁迫敏感，因此土壤pH 的上升以及126.00 t·hm-2的生物质炭外源施入可能也是导致施炭1年后捕食/杂食类线虫c-p值为4～5 的类群丰度下降的因素[35-36]。Yan 等[37]的研究结果表明，风沙土中一次性施加生物质炭7 年后，根际土壤细菌群落的多样性增加，且细菌群落结构改变，同时有学者报道，在风沙土中施加生物质炭7 年后促进了玉米根系的生长，并增加了玉米产量[38]。细菌群落和植物生物量的改变均有可能对线虫群落产生影响，这也可能是本研究中生物质炭施加7 年后植物寄生类与食细菌类线虫丰度改变的原因。

3.2 生物质炭对线虫群落生态指数的影响

土壤线虫群落生态指数可用于反映土壤线虫群落的多样性与稳定性[39]，施加年限导致生物质炭对土壤线虫MI有一定影响，因此MI可用于反映土壤环境受干扰程度。施加1 年后，随着施炭量的增加，MI降低，说明施炭量的增加可能导致土壤环境受到的干扰程度增大，而施加7 年后MI增加，说明一次性施加生物质炭7 年后老化的生物质炭依然有利于土壤食物网稳定，并增加了土壤环境的抗干扰能力。结合NCR、EI和SI值说明施加生物质炭后土壤有机质的分解途径主要为细菌分解或完全为细菌分解，表明土壤食物网结构化程度升高，受干扰程度较低[40-41]。土壤环境因子对土壤线虫群落生态指数也有不可忽视的影响，张云舒等[42]的研究表明，在一次性施加生物质炭5年后，老化生物质炭对土壤增肥效应逐年减弱，本研究也发现相同效应。研究中MI值受土壤环境因子影响最为显著，土壤pH、速效磷、速效钾以及有机质是影响线虫群落组成的主要因子，这与卢孟召等[43]、范琳娟等[44]的研究结果一致。以上研究说明土壤线虫群落结构的变化与环境因子具有密切联系，因而施加生物质炭后随时间的增加，老化生物质炭对土壤的生态效应有别于新鲜生物质炭。本研究重点关注了向风沙土施加生物质炭对线虫数量和生态指数的影响，但有关土壤线虫群落结构以及种群丰度变化对土壤生态功能提升贡献度的量化研究还需要进一步开展。