地膜覆盖对玉米田土壤理化性质和线虫群落组成的影响

李晓兰， 相吉山， 张艾明， 徐 峰， 索良喜

(1.赤峰学院，内蒙古赤峰 024000； 2.内蒙古自治区赤峰市敖汉旗农业局，内蒙古赤峰 024000)

地膜覆盖技术在农田生态系统中的应用，大幅提高了农作物的产量，并且一定程度上抑制了杂草和病虫害的发生，由于该技术的众多优点，使得该技术推广迅速[1-2]。据1982—2005年《中国农业统计年鉴》的数据可知，1981年农作物覆盖种植面积仅为1.5万hm2，而2004年增加到1 200万hm2，中国农业信息网报道了2012年全国的地膜覆盖面积达到 2 330万hm2，地膜覆盖面积约占总耕地面积的20%。内蒙古自治区已经有30多年的地膜使用历史，从1986年后，内蒙古粮食作物地膜覆盖面积呈现增加趋势[3]。玉米是内蒙古的第一大粮食作物，2007、2011、2014、2015年播种面积分别为200万、267万、333万、341万hm2；2015年赤峰市玉米种植面积为55万hm2，其中覆膜玉米面积已经达到33万hm2，占赤峰市总种植玉米面积的60%，近些年来赤峰市地区的玉米种植面积和地膜使用面积逐步扩大，导致覆膜连作现象发生。

土壤线虫是土壤动物区系中最丰富的无脊椎动物[4]，是生态系统中最敏感的指示生物之一[5]，土壤线虫对有机物的分解、养分转化和能量传递等过程均起重要作用[6]，所以常被用来评估土壤环境变化及土壤健康状况。随着覆膜玉米连作面积的增加，土壤环境发生了怎样的变化，土壤环境的变化对土壤生态系统结构和功能产生了怎样的影响，覆膜玉米的长期连作是否会造成负面的影响，这些问题均须要给出较合理的解释。本研究试图利用土壤线虫来分析覆膜连作造成的影响，旨在为合理推广玉米覆膜技术和客观评价覆膜所带来的负面影响提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究地点概况

土壤样品采自内蒙古赤峰市敖汉旗(地理位置41°42′～43°09′ N、119°30′～120°52′ E)多年种植玉米的农田。敖汉旗位于赤峰市东南部，是赤峰市的农业大县，该旗地处中温带，气候类型为半干旱大陆性季风气候，年降水量在310～460 mm之间，该旗是国家商品粮基地和自治区产粮十强旗(县)之一。

1.2 研究方法

选取多年种植玉米的农田18块，即多年种植未覆膜玉米、2015年首次种植覆膜玉米(之前多年种植玉米但未覆膜)、连续覆膜种植玉米4年处理各6块样地。于2015年10月分别在18块农田内采集0～20 cm土壤样品，每块农田内采用5点法采集样品，混匀后带回实验室放入4 ℃冰箱内，同时在大田内用环刀采集土样测定土壤容重和孔隙度。将部分土样进行土壤线虫的提取和鉴定，另外一部分土样风干后测定土壤理化性质。土壤因子主要包括土壤含水量(SMC，%)、土壤机械组成(沙粒含量SAN、粉粒含量SIL、黏粒含量CLA)、土壤容重(SBD，g/cm3)、土壤孔隙度(SP，%)、pH值、电导率(EC，μS/m)、阳离子交换量(CEC，mg/g)、土壤有机碳含量(SOC，g/kg)、土壤全氮含量(STN，g/kg)、土壤全磷含量(STP，g/kg)、土壤全钾含量(STK，g/kg)，所有指标地测定采用中国土壤学会主编的《土壤农业化学分析方法》[7]和鲍士旦主编的《土壤农化分析(第三版)》[8]的方法。

线虫的分离提取采用蔗糖梯度离心法，提取的线虫用解剖镜计数，用奥林巴斯光学显微镜进行科属的鉴定，每个样品随机抽取100头线虫(不足100头的全部鉴定)。

1.3 数据处理

所有数据分析和作图采用SPSS 16.5和Excel 2007软件进行。

2 结果与分析

2.1 土壤因子变化特征

连续种植玉米后，覆膜处理和未覆膜处理存在一定的差异性。从表1可以看出，3种不同处理显著影响了土壤中全磷含量和沙粒含量，不同处理间均存在显著差异(P<0.01)。覆膜4年与未覆膜和覆膜1年存在显著差异的土壤因子有土壤含水量、电导率、粉粒含量、有机碳含量、全氮和阳离子交换量，方差分析表明，处理间也存在显著差异(P<0.01)，连续覆膜4年后13个土壤指标有8个发生了显著变化，占总测定土壤因子的61.5%。

表1 不同处理玉米田土壤因子变化特征

2.2 土壤线虫群落组成

所有土壤样品中总计鉴定出36个属(表2)，未覆膜、覆膜1年和覆膜4年分别含有34、33和30个属线虫。其中，拟丽突属在所研究的3种处理的玉米田中均为优势属，该属的相对丰富度均大于5%；在未覆膜玉米田中优势属还有巴兹尔属、丝尾垫刃属、垫咽属、头叶属、真头叶属、索努斯属；覆膜1年处理的优势属还包括巴兹尔属、丝尾垫刃属、默林属、真滑刃属、丽突属；覆膜4年处理的优势属包括默林属、垫咽属、丽突属、索努斯属、真矛线属、鹿角唇属、短体线虫属。

不同处理间对线虫总数和线虫属数产生了显著影响(P<0.01)。覆膜1年与未覆膜处理比较均无显著差异，但连续覆膜4年后造成了线虫总数和线虫属数显著降低(图1、图2)。

2.3 土壤线虫群落与土壤因子的关系分析

线虫属的相对多度与土壤因子之间的关系如图3、图4所示，2种排序方法得到的线虫属相对多度、与环境因子之间的关系存在一定的差异性。在RDA和CCA 2种排序结果中，只有沙粒含量与轴1之间具有显著的正相关性；含水量、电导率、有机碳含量、全氮含量、全磷含量和粉粒含量与轴1呈现显著的负相关性；但轴2与土壤因子的关系却发生了很大的变化，在RDA排序中，轴2与黏粒含量和孔隙度有较强的负相关性，与土壤容重有较强的正相关性，同时轴2与土壤pH值和全钾含量均呈现显著的负相关性，而在CCA排序中土壤pH值和全钾含量与轴2却呈现显著的正相关性。

表2 不同处理的玉米田土壤中线虫群落组成(相对多度)

从线虫属相对多度与土壤因子之间的关系看，土壤含水量(SMC)、电导率(EC)、粉粒含量(SIL)、有机碳含量(SOC)、全氮含量(STN)、全磷含量(STP)和阳离子交换量(CEC)与巴兹尔属(Bas)和丝尾垫刃属(Fil)的相对多度均有较密切的正相关关系，而与短体线虫属(Pra)、膜皮属(Dip)、丽突属(Acr)、鹿角唇属(Cer)和真矛线属(Eud)则呈现较密切的负相关关系，沙粒含量(SAN)与这些线虫属相对多度的相关性恰好相反。从线虫属相对多度与土壤因子关系方差解释比例看，RDA和CCA排序分析中轴1的解释方差比例分别为49.0%和37.5%，轴2的解释方差比例为11.7%和10.0%。

3 结论与讨论

覆膜连续种植作物影响了土壤微生物多样性[9]、土壤理化性质[10-11]、土壤酶活性[12-13]、作物产量和品质[14]等指标。在本研究中，覆膜1年与未覆膜比较，13种土壤因子中只有土壤全磷含量和沙粒含量发生了显著变化；但连续覆膜4年后土壤含水量、电导率、土壤有机碳含量、全氮含量、全磷含量、阳离子交换量和粉粒含量显著降低，而沙粒含量却显著升高，造成部分土壤因子降低可能是因为连续覆膜造成了土壤中残存了大量农膜。已有研究表明，覆膜2、5、10年的农田耕层土壤中(0～30 cm)地膜残留量分别达到59.1、75.3、103.41 kg/hm2，随着覆膜年限的增加残膜量继续增加[15]。土壤中存在的大量残膜会造成土壤容重显著增加，孔隙度显著降低，水分下渗速度明显减慢，土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾的含量下降[16]，同时使土壤有机质腐殖化、氮素的消化、磷素的分解等过程也会受到很大程度的影响[17]。在本研究中所有田块均为多年种植玉米，在种植玉米的田块中进行覆膜处理，连续覆膜4年后虽然土壤容重和孔隙度变化不明显，从数值上看，土壤容重有增加趋势，孔隙度有降低趋势。

土壤线虫是土壤中的重要生物，随着土壤中环境的变化，线虫群落组成和结构也会发生变化[18-19]。在本研究中，未覆膜的玉米田及覆膜1年的玉米田的土壤中线虫总数和线虫属数均无明显变化，而连续覆膜4年种植玉米田的土壤线虫总数和线虫属数均明显减小，这说明连续覆膜4年后玉米田土壤环境因子的变化使得部分线虫属死亡或者迁移。未覆膜、覆膜1年和覆膜4年处理的土壤线虫的优势种群也发生了显著变化，如巴兹尔属和丝尾垫刃属均为未覆膜及覆膜1年处理的优势属(>5%)，而覆膜4年处理中这2个属的相对多度下降为1%。默林属和丽突属在覆膜1、4年的处理中成为了优势属，这可能与覆膜影响了部分土壤因子，使得土壤线虫的某些属的相对多度发生显著的变化。短体线虫属在覆膜4年处理中成为了优势属，该属相对多度的增加对玉米的生长是极其不利的，因为短体线虫属会引起植物根部组织坏死腐烂，造成土传病害而危害植物的生长[20-23]。

由于CCA分析是一种基于单峰模型的排序方法，而RDA是基于线性模型的排序方法[24]，在本研究中RDA和CCA方法对线虫属与土壤因子关系的描述结果存在一定的差异，但主要表现在与轴2的差异上，与轴1的解释方差比例分别为49.0%和37.5%，前两轴的方差累计分别为60.7%和47.5%，轴1所占比例较大，所以轴1与土壤因子的关系更密切。RDA排序分析的方差累计值高于CCA分析，说明在本研究中解释线虫属与土壤因子的关系用RDA排序方法更加准确。部分线虫属与土壤因子在排序分析中也表现出较强的关联性，所以土壤环境的变化与土壤中生物群落的演变关系密切。