等氮条件下施用不同有机肥对玉米田大型土壤动物种群的影响

2024-12-31牛天新熊伟吴新荣

安徽农学通报 2024年16期

摘要为从土壤动物角度研究土壤改良和耕地质量提升，探究等氮条件下不同有机肥和化肥配施对玉米田大型土壤动物的影响，试验设定猪粪（处理3）、羊粪（处理4）、菌渣（处理5）、易腐垃圾（处理6）有机肥、化肥（处理2）和空白（处理1）共6个处理，对不同施肥处理不同土层的土壤环境及大型土壤动物的分布情况开展调查，并对其大型土壤动物多样性进行了分析。结果表明，在玉米田土壤中共捕获到膜翅目、蜘蛛目、半翅目和弹尾目等1‌0个类群的大型动物，以膜翅目和蜘蛛目为优势类群。各处理组的Shannon-Wiener多样性指数从高到低依次为处理6、处理3、处理4、处理5、处理2和处理1。其中，易腐垃圾有机肥处理的Shannon-Wiener多样性指数和均匀度指数最高，猪粪有机肥处理次之。4种有机肥处理的Shannon-Wiener多样性指数均比纯化肥和空白处理高，可见有机肥料的施用增加了土壤含水量，提高了有机质及全氮含量，有利于土壤动物群落数量和多样性增加，有利于农业可持续发展。

关键词有机肥；玉米田；土壤大型动物；优势类群；Shannon-Wiener多样性指数；均匀度指数

中图分类号 S154.5；S513" " 文献标识码 A" " 文章编号 1007-7731（2024）16-0001-07

DOI号 10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2024.16.001

Effects of different organic fertilizers on macrofauna population in maize

field under equal nitrogen conditions

NIU Tianxin1" " XIONG Wei2" " WU Xinrong2

（1‌Hangzhou Academy of Agricultural Sciences， Hangzhou 310024， China;

2Weifulai （Zhejiang） Technology Co.， Ltd.， Hangzhou 310000， China）

Abstract To explore soil improvement and farmland quality improvement from the perspective of soil macrofauna， and to investigate the effects of different combinations of organic fertilizers and chemical fertilizers on maize soil macrofauna under equal nitrogen conditions， a survey was conducted on the soil environment and distribution of macrofauna in different soil layers under different fertilization treatments， and the diversity of soil macrofauna was analyzed. The experiment set up 6 treatments， including pig manure （treatment 3）， sheep manure （treatment 4）， bacterial residue （treatment 5）， organic fertilizer （treatment 6） for perishable garbage， chemical fertilizer （treatment 2）， and blank （treatment 1）. The results showed that a total of 10 groups of macrofauna， including Hymenoptera， Arachnida， Hemiptera， and Bombtail， were captured in the soil， with Hymenoptera and Arachnida as the dominant groups. The experimental results showed that the Shannon-Wiener diversity index of each treatment was ranked from high to low as treatment 6， treatment 3， treatment 4， treatment 5， treatment 2， and treatment 1. Among them， the Shannon-Wiener diversity index and evenness index were the highest for the treatment of perishable waste organic fertilizer， followed by the treatment of pig manure organic fertilizer. The Shannon-Wiener diversity index of the four types of organic fertilizers was higher than that of pure chemical fertilizers and blank treatments， indicating that the application of organic fertilizers increases soil moisture content， organic matter and total nitrogen content， which was conducive to the increase of soil tauna community quantity and diversity， and was conducive to the sustainable development of agriculture ecology.

Keywords organic fertilizer; corn field; soil macrofauna; dominant group; Shannon-Wiener diversity index; evenness index

土壤动物数量丰富、物种多样且分布广泛，是土壤生态系统的重要组成部分及物质循环的重要参与者[1-3]，直接或间接参与有机物的分解和营养元素的矿化。土壤动物对土壤碳氮循环中凋落物分解、土壤呼吸、碳稳定性改变以及土壤氮素矿化与反硝化作用等关键过程发挥着重要作用[4-6]，在农业可持续发展以及物质分解和养分循环等生态学过程中起着关键性作用[7-8]。土壤动物及其食物网是驱动土壤碳氮循环的主要因素之一[9]。大型土壤动物对土壤有机质的形成和分布、土壤的养分循环和理化性质的变化均有一定的影响[10]，其通过挖掘土壤，改善土壤微环境，调节资源的可用性，被誉为“生态系统工程师”[11]。大型土壤动物对土壤环境的变化具有明显的指示作用[12-13]，因此其群落结构、多样性和生态功能等受到广泛关注[14-15]。

农业生产中不当施用化肥，可能会对作物生长以及土壤动物的生存产生一定负面影响，一定程度上影响农业的可持续发展[16]。化肥能有效提高作物产量，但长期施用会影响土壤结构[17-19]，导致肥料利用率低，土壤生物多样性受到威胁[20-21]以及出现农业面源污染等问题，进而影响土壤生态系统的健康[22]。有机肥可以增加土壤有机质含量，改良土壤理化性质，合理的有机肥替代化肥可以明显改善土壤的理化性状及生物活性，促进土壤中微生物繁殖[23-25]，提高土壤肥力，最终实现农业增产增效[26]。当前，开展长期不同施肥方式下农田生态系统生物群落结构和多样性的变化规律研究已成为生态系统研究的重要内容之一[27]，其能够揭示物种间、生物与物理环境间紧密的相互作用关系，其表现出的多样性与生产力的关系能真实地反映物种多样性在长期进化过程中对生产力的长期稳定效应，可为农田科学管理提供依据。

目前，关于等氮条件下不同有机肥料和化肥配施培肥地力对大型土壤动物的影响研究有待深入，本研究针对玉米种植田开展长期定位试验，探讨在等氮条件下不同有机肥无机肥配施对玉米田大型土壤动物分布和群落的影响，通过不同处理下土壤动物的种群数量变化了解土壤状况，从土壤动物角度为土壤改良和耕地质量提升提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地基本情况

试验点设在浙江杭州转塘镇之江基地（120°09′96″ E，30°15′68″ N），该区域属亚热带季风气候区，土壤类型为黏质生土，基地0～20 cm土层土壤基本理化性质为pH 7.57，有机质5.70 g/kg，全氮0.353%，有效磷1.21 mg/kg，速效钾15.83 mg/kg。

1.2 试验材料

玉米品种：钱江糯3号。

肥料种类：猪粪商品有机肥（有机质≥45%，N+P2O5+K2O≥5%，桐庐吉诚农业开发有限公司），羊粪有机肥（有机质≥45%，总养分≥5%，杭州南坞庄有机肥有限公司），菌渣和生活易腐垃圾有机肥[蔚复来（浙江）科技股份有限公司]；硫酸钾复合肥（15∶15∶15，N+P2O5+K2O≥45%，安徽省司尔特肥业股份有限公司）、硫酸钾（K2O≥52%，埃佩克国际化工有限责任公司）。

1.3 试验设计

按田间小区试验设计，每个处理3个重复，小区面积18.48 m2，随机区组排列。试验设6个处理：处理1（对照），不施肥；处理2，单施化肥；处理3，施猪粪有机肥；处理4，施羊粪有机肥；处理5，施菌渣有机肥；处理6，施生活易腐垃圾有机肥。玉米3月8日育苗，3月31‌日移栽，间距35 cm，行距50 cm，肥料均匀撒施，翻入土中。整个生育期不打除草剂，追施复合肥2次，人工拔除杂草，就地还田，6月1‌8日收获。连续进行两年种植试验。有机肥、化肥作基肥一次性施入，不同处理除施肥种类外，其他田间管理措施均保持一致。

1.4 环境参数测定

1.4.1 土壤含水量nbsp; 土壤含水量采用烘干法测定。采用环刀法（r＝7 cm，V＝200 cm3）自上而下依次取（0～5]、（5～10]和（10～15] cm土层土样，将采集的土样盛放在铝盘中，置于105 ℃恒温烘箱中烘干至恒重，取出分别称重。

1.4.2 土壤pH" 土壤pH测定采用pH计法NY/T 1121.2—2006《土壤检测第6部分：土壤有机质的测定》。将不同土层的土样分别放入已知质量的铝盘中，称取5 g，量取12.5 mL蒸馏水，依照1.0∶2.5比例配制，搅拌1 min至乳状，放置30 min澄清后，用pH计测定。

1.4.3 土壤有机质和全氮含量" 用不同土层的风干土样测定，有机质含量依据NY/T 1121.6—2006，采用重铬酸钾氧化外加热度法测定，全氮采用凯氏定氮法（GB 7173—1987）测定，全自动定氮仪Kjeltec 8400。

1.5 土壤大型动物种群调查

为消除边界效应，在每个小区中心选取3个采样点，采集时去除地表杂物，在近玉米植株处选择面积为50 cm×50 cm的样点，手捡法分层收集土壤中的大型动物，并用75%乙醇处理后带回实验室。

1.6 数据处理与分析

采集的土壤动物用体视显微镜（北京派迪威仪器有限公司尼康SMZ800）进行观察，参照《中国土壤动物检索图鉴》[28]和《昆虫分类学》[29]进行分类鉴定，同时统计个体数量。采用Pielon均匀性指数、Shannon-Wiener多样性指数分析土壤动物多样性，计算出多样性指数和均匀度指数。

（1）Shannon-Wiener（H'）：H'=-[pi]ln[pi]（i=1，2，3，…，S），其中[pi]是样本中第i个分类单元中个体数占所有物体个体总量的比值。

（2）均匀度指数（J）：J=H'/lnS，其中H'为Shannon-Wiener多样性指数；S为鉴定分类单元的数目。

2 结果与分析

2.1 不同处理不同土层的土壤含水率变化

由表1可知，玉米田块不同施肥处理的土壤含水率从上到下呈升高趋势，深度（0～5]、（5～10]和（10～15] cm土层的平均含水率分别为16.7%、17.4%和17.6%。空白和化肥处理的中下部（5～10]和（10～15] cm土层含水率比较高，并且各层水分差异较大。有机肥处理除菌渣有机肥外，其他处理的含水率最高值出现在中上部（0～5]和（5～10] cm土层。菌渣有机肥最高值出现在（10～15] cm土层，但各层水分差异较小。除易腐垃圾有机肥外，其他有机肥处理的含水率平均值高于空白和化肥处理。

2.2 不同处理不同土层的pH变化

玉米生长适宜土壤为中性，以酸碱度6.5～7.5较为适宜，试验地土壤为碱性土。（0～5]、（5～10]和（10～15] cm土层的平均pH分别为7.94、8.03和8.06，各土层pH差异不大，中下层土壤pH较高。空白和纯化肥处理的（5～10]和（10～15] cm中下部土层pH比较高，中部（5～10] cm土层pH最高。除猪粪有机肥处理为中部（5～10] cm的pH最高，其他3种有机肥处理都是下层（10～15] cm土层的pH最高。猪粪有机肥处理的土壤平均pH最高，菌渣有机肥和化肥处理的最低（表2）。

2.3 不同处理不同土层的有机质含量变化

不同处理的土壤有机质平均含量从高到低分别为处理6、处理4、处理3、处理5、处理2和处理1，易腐垃圾处理的土壤有机质含量最高，比纯化肥处理提高125.1%，比空白处理提高180.7%，各有机肥处理均比空白和纯化肥处理的土壤有机质含量高。从各土层来看，除猪粪有机肥处理的有机质含量最高值出现在（0～5] cm上层，其他处理最高值都集中在（5～10] cm中层。空白和纯化肥处理的土壤有机质含量最高和次高值分别出现在（5～10] cm中层和（0～5] cm上层土层，猪粪和菌渣有机肥处理的上层和中层的有机质含量较高，羊粪和易腐垃圾有机肥处理的中层和下层的有机质含量较高（表3）。

2.4 不同处理不同土层的全氮含量变化

不同处理的平均土壤全氮从高到低分别为处理6、处理3、处理5、处理4、处理2和处理1，其中，易腐垃圾有机肥处理的土壤全氮含量最高，比纯化肥处理提高62.5%，比空白处理提高73.3%，各有机肥处理的土壤全氮含量均比空白和纯化肥处理高。从各土层来看，除猪粪有机肥处理的最高值出现在（5～10] cm中层土壤，其他有机肥处理的全氮最高值均集中在（0～5] cm上层土壤。除了空白处理土壤全氮最高和次高值分别出现在（10～15] cm下层和（0～5] cm上层土层，其他处理的全氮均为中上土层较高（表4）。

2.5 土壤大型动物种群调查分析

2.5.1 土壤大型动物垂直分布" 空白处理只捕获了5只土壤大型动物，分属于膜翅目和蜘蛛目，比第一年捕获的动物种类减少，这两个目为优势类群，其中膜翅目占大型土壤动物总量的80.0%，都聚集在（0～5] cm的土壤表层（表5）。

纯化肥处理捕获了11只大型土壤动物，分属于3目，其中膜翅目、蜘蛛目是优势类群，比第一年捕获的种类减少，膜翅目和蜘蛛目占大型土壤动物总量的54.5%和36.4%，大部分聚集在（0～5] cm的土壤表层，少量活动到（5～10] cm的土壤中层（表6）。

猪粪有机肥处理捕获了12只大型土壤动物，分属于5目，其中膜翅目、蜘蛛目是优势类群，占大型土壤动物总量的33.3%和41.7%，大部分聚集在（0～5] cm的土壤表层，占总数的83.3%，少部分开始向中层和下层活动（表7）。

羊粪有机肥处理捕获了15只大型土壤动物，分属于5目，其中膜翅目、蜘蛛目是优势类群，膜翅目占大型土壤动物总量的60.0%，大部分聚集在（0～5] cm的土壤表层，占总数的66.7%。（5～10]和（10～15] cm的土层中大型土壤动物数量明显比第一年多（表8）。

菌渣有机肥处理捕获了22只大型土壤动物，分属于6目，其中膜翅目、蜘蛛目是优势类群，膜翅目占大型土壤动物总量的68.2%，大部分聚集在（0～5] cm的土壤表层，占总数的90.9%，少量生活在（5～10] cm土层中（表9）。

易腐垃圾有机肥处理捕获了24只大型土壤动物，在所有处理中数量最多，分属于9目，其中膜翅目、蜘蛛目和鞘翅目是优势类群，膜翅目占大型土壤动物总量的29.2%，大部分聚集在（0～5] cm土壤表层（表10）。

由各处理垂直分布（表5～10）可知，大型土壤动物大部分分布在（0～5] cm表层土壤中，少部分分布在（5～10] cm中层土壤中，（10～15] cm下层土壤动物量最少。

2.5.2 大型土壤动物生物多样性" 由表11可见，各处理的Shannon-Wiener多样性指数从高到低分别为处理6、处理3、处理4、处理5、处理2和处理1，而均匀度指数从高到低分别为处理6、处理3、处理2、处理4、处理1和处理5。易腐垃圾有机肥处理的Shannon-Wiener多样性指数和均匀度指数最高，该处理的类群数与个体数也最高，猪粪有机肥处理多样性指数其次。空白处理的多样性指数最低，4种有机肥Shannon-Wiener多样性指数均比纯化肥和空白处理高，其中菌渣有机肥处理表现一般，有机肥的施加有利于土壤动物个体数的增加。

3 结论与讨论

杨颖楠等[17]研究发现，有机肥处理明显提高了0～10和20～30 cm土层的土壤有效持水容量。本试验中不同施肥处理的玉米地土壤含水率从上到下呈升高趋势，空白和化肥处理因土壤理化性质较差，中下部土层含水率高且各层水分差异较大，而有机肥处理中上部0～10 cm土层含水率较高，这与前者研究结果一致。除易腐垃圾有机肥外，其他有机肥处理的含水率均高于空白和纯化肥处理。有机肥处理经过连续两年的投入，土壤较为疏松，不仅增加了土壤腐殖质含量，还提高了土壤含水量，易腐垃圾有机肥处理的土壤含水率较低，可能与其处理的玉米产量较高，玉米生长需要吸收更多水分有关。

空白和化肥处理的5～10 cm中层土壤pH最高，大部分有机肥处理是10～15 cm下层土壤的pH最高。纯化肥处理的pH最低，仅施用化肥可能会造成土壤酸化。碱性土地一般具有土瘦、结构差的特点，施入的有机肥经微生物分解转化形成腐殖质，能够提高土壤的缓冲能力，并与碳酸钠作用形成腐殖酸钠，降低碱性土壤对玉米生长的不利影响。土壤的pH对土壤动物影响较大，过酸或过碱都会明显抑制土壤微生物的活动，从而影响氮素及其他养分的转化和供应。

张奇等[24]研究表明，当有机肥及生物有机肥的施用量达到4 500 kg/hm2及以上时，均可明显提高土壤中的有机质含量。本试验中有机肥施用量均超过4 500 kg/hm2，不同肥料处理的平均有机质含量从高到低分别为处理6、处理4、处理3、处理5、处理2和处理1，易腐垃圾有机肥处理的土壤有机质含量最高，各有机肥处理的土壤有机质含量均比空白和纯化肥处理高，并且各处理的土壤有机质含量在土层中上部较高，有机肥的施入明显增加了土壤有机质含量，这与前者的研究结果一致。

毛妙等[16]研究了蔬菜、水稻等有机种植模式，发现有机种植区土壤pH以及全磷、全氮和有机质含量比常规种植高。张奇等[24]研究表明，施用有机肥对土壤氮、磷和钾含量均有不同程度的提升作用，其中对土壤氮的影响最为明显。本试验中有机肥的施入提高了土壤的有机质和全氮含量，且均比空白和纯化肥处理高。

本试验在9月份玉米收获前，在基地土壤中共捕获到膜翅目、蜘蛛目、半翅目、弹尾目、隐翅目、鞘翅目、革翅目、直翅目、鳞翅目和寡毛目共1‌0个类群的大型动物，分属于节肢动物门和环节动物门两门和昆虫纲、蛛形纲、多毛纲3个纲，与第一年相比减少了双翅目增加了革翅目，各处理中膜翅目、蜘蛛目均是优势类群。土壤动物个体数和类群数随土壤深度加深而降低。王文东等[25]研究表明，有机肥处理的土壤中大型土壤动物具有明显的表聚性，并且随着有机肥施用量的增加表聚性增强。本试验中，样地土壤中的大型动物具有明显的表层聚集性，个别处理（0～5] cm的最高土壤动物能达到总量的90.9%，较第一年有所降低，说明连续施用有机肥种植的第二年，少部分大型土壤动物明显有向中下层活动的趋势。但因试验土壤为回填生土，墒情较差，大型土壤动物数量较少。而空白和纯化肥处理的大型土壤动物种类比第一年的有所减少。表明连续不施肥和施加纯化肥不利于大型土壤动物的生存活动，导致大型土壤动物的种类减少。

因大型土壤动物喜欢聚集在土壤表层，其垂直分布情况与类群数、个体数的变化，土壤环境因子如含水率、pH及养分含量变化有关。肥料尤其是有机肥的施入为大型土壤动物提供了大量的食物资源，因此肥料处理的多样性指数均比空白处理高。长期施用有机肥可以增加土壤微生物的种类和丰富度，能够给土壤动物提供更多食物，从而有效提高土壤肥力和有益微生物活力，进而改善土壤团粒结构和土壤质地，增强植物对土壤养分的利用率，有利于土壤动物群落数量和多样性增加。毛妙等[16]研究发现，多个有机种植基地的大型土壤动物的多样性指数明显优于常规种植。张奇等[24]研究表明，随着有机肥施用量增加，土壤微生物群落的丰富度和多样性呈逐渐增加趋势。本试验中各处理的Shannon-Wiener多样性指数从高到低分别为处理6、处理3、处理4、处理5、处理2和处理1，这与土壤全氮和有机质含量有一定的相关性，而均匀度指数从高到低分别为处理6、处理3、处理2、处理4、处理1和处理5，与前者略有差异。易腐垃圾有机肥处理的Shannon-Wiener多样性指数和均匀度指数均最高，该处理的类群数与个体数也最高，猪粪有机肥处理的多样性指数次之。4种有机肥处理的Shannon-Wiener多样性指数均比纯化肥和空白处理高。

本研究针对玉米开展长期定位试验，探讨在等氮条件下不同有机无机配施对玉米大型土壤动物分布和群落的影响，通过不同处理下土壤动物的数量种群变化了解土壤状况，从土壤动物角度为土壤改良和耕地质量提升提供参考。

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