玉米间作种植对黑土区农田中小型土壤动物群落的影响

刘鹏飞，红 梅,2*，平翠枝，美 丽，王文东，赵乌英嘎

(1.内蒙古农业大学，内蒙古 呼和浩特 010011；2.内蒙古自治区土壤质量与养分资源重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010011；3.内蒙古阿荣旗农业技术推广中心，内蒙古 呼伦贝尔 162750)

近年来，随着农业资源、环境、粮食等问题的挑战，间作种植再次引起人们的关注[1]。间作种植能够充分利用水、肥、光和热等自然资源，实现了农田土地在时间和空间上的集约化利用[2]。豆科-禾本科间作种植模式具有悠久历史[3]，中国间作种植模式每年种植面积超过2 800万hm2[4]。豆科与禾本科作物间作具有明显产量和养分利用优势，它能利用豆科作物的共生固氮作用，将固定的氮向禾本科作物转移，促进禾本科作物对氮素的吸收[5]。在自然界中物质循环的原动力主要是靠土壤生物完成，它直接参与有机物的分解和营养元素的矿化，已有试验证明原生动物、线虫、螨类、跳虫、蚯蚓和一些大型节肢动物直接参与N循环[6]，土壤动物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[7]，影响土壤的物质能量的迁移与转化[8]。

然而，关于玉米/大豆间作种植体系下对土壤动物群落的影响研究鲜有报道，为此，本试验通过玉米/大豆间作与玉米单作两种种植体系，在黑土区农田土壤中开展中小型土壤动物群落多样性及功能群的研究具有重要作用与意义。探讨玉米间作种植体系下对土壤动物群落的响应特征。为间作种植体系下土壤动物群落变化提供科学评价指标和依据。

1 研究地区与方法

1.1 试验区概况

本试验在内蒙古呼伦贝尔市阿荣旗乐昌(N48°20′,E123°31′)五组进行，位于大兴安岭向松嫩平原过渡的黑土带，海拔平均204 m。半干旱、半湿润温带大陆性气候，雨热同季，年均气温1.7℃，年有效积温2 394℃，年均降水量约450 mm，降水主要集中在6～8月。无霜期90～130 d。土壤类型为黑钙土，土壤基本理化性质为：土壤有机质38.24 g/kg，全氮1.94 g/kg，有效磷17.91 mg/kg，速效钾148.27 mg/kg。

1.2 试验设计

试验采取玉米单作种植(DZ)和玉米/大豆间作种植(JZ)两种种植方式，开始试验的时间为2016年，采用统一常规耕作方法。种植作物为玉米和大豆，玉米品种为先玉335，大豆品种为黑农48。施肥为掺混肥料(N-P2O5-K2O 21-14-10)，施用量为540 kg/hm2。灌水方式为井水喷灌，灌水2次；玉米株距20 cm，行距60 cm，小区面积20 m×20 m=400 m2。每个小区四周有5垄(3 m)的保护行，小区之间间隔2 m。

1.3 样品采集与土壤动物鉴定

样品采集分别于2016年玉米和大豆生长季，具体时间为6月14日、7月18日、8月15日和9月26日，取样于玉米单作和间作种植小区的玉米行进行。取样时，每个小区设3个重复采样点。用高10 cm、直径5 cm环刀分别从0～10、10～20、20～30 cm 3个土层依次取样。采用改良Tullgren漏斗经过24 h分离提取中小型土壤动物，将收集到的中小型土壤动物装在盛有75%酒精的塑料瓶中。分类鉴定参考《中国土壤动物检索图鉴》[9]，并在显微镜(Olympus CKX41)和体视显微镜(SZ78系列)下对标本进行鉴定，土壤动物鉴定到科的水平。类群等级按个体数占总个体数比例进行划分：10%以上为优势类群，1%～10%为常见类群，1%以下的为稀有类群。

1.4 数据统计与分析

对中小型土壤动物群落特征进行分析时，采用Shannon多样性指数(H)，Pielou均匀度指数(E)，Margalef丰富度指数(D)和Simpson优势度指数(C)进行分析[10-11]。对中小型土壤动物功能群的分类时，参考徐演鹏等[12]和林英华等[13]的方法进行分类。采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和多重比较(LSD)对不同数据进行差异显著性分析。数据分析处理与作图采用Excel 2003、SAS 9.0进行。计算公式如下：

E=H/lnS

D=(S-1)/lnN

式中：Pi为第i个物种的个体数占总个体数的比率；S为类群数；N为总个体数；ni/N表明各个体数占总个体数的百分数。

2 结果与分析

2.1 中小型土壤动物群落组成

2.2 中小型土壤动物群落多样性

2.2.1 中小型土壤动物多样性水平动态

由表2所示，玉米间作种植降低中小型土壤动物个体数30.52%(P<0.05)，类群数降低15.52%(P>0.05)。玉米间作种植使中小型土壤动物多样性指数、均匀度指数和丰富度指数降低，优势度指数增加，但都没有达到显著差异(P>0.05)。

由图1所示，玉米单作和间作种植下中小型土壤动物个体数均在7月份最多(32,25)，玉米单作种植下个体数在月份间无显著差异(P>0.05)，玉米间作种植下7月份个体数显著高于9月份个体数(P<0.05)。单作种植类群数在7月份最多(11.33)，玉米间作种植类群数在6月份最多(9.33)，但类群数在月份间无显著差异(P>0.05)。

2.2.2 中小型土壤动物多样性垂直动态

由表3所示，本研究中小型土壤动物的个体数与类群数总体随土层深度增加而减少，0～10 cm土层与10～20和20～30 cm土层的土壤动物有显著差异(P<0.05)，而10～20 cm与20～30 cm土层的土壤动物差异不明显(P>0.05)。中小型土壤动物的个体数与类群数具有表聚性。中小型土壤动物群落多样性指数、均匀度指数和丰富度指数随土层深度增加而减少，0～10 cm与20～30 cm土层均有显著差异(P<0.05)；优势度指数随土层深度增加而增加，20～30 cm与0～10 cm土层优势度指数有显著差异(P<0.05)。

表1 中小型土壤动物群落组成

注：Ph:植食性Phytophage;Pr:捕食性Predators;S:腐食性Saprozoic;O:杂食性Omnivores；“—”表示该土壤动物类群在该处理中未被发现。

注：同一列不同小写字母表示不同处理差异显著(P<0.05)。表4同。

图1 不同处理中小型土壤动物个体数与类群数月动态变化注：不同大写字母表示相同月份不同处理差异显著(P<0.05)，不同小写字母表示相同处理不同月份差异显著(P<0.05)，图2同。

表3 不同土层中小型土壤动物多样性垂直特征(平均值±标准误)

注：同一列不同小写字母表示不同土层差异显著(P<0.05)。表5同。

由图2所示，从相同土层不同月份看，中小型土壤动物个体数和类群数特点不同。0～10和10～20 cm土层的个体数与类群数在月份间变化较大(P<0.05)，而20～30 cm土层中的个体数与类群数基本趋于一致，无明显变化(P>0.05)。从不同土层相同月份看中小型土壤动物个体数和类群数的特点也不同。个体数在6月份0～10、10～20和20～30 cm土层间均有显著差异(P<0.05)，7～9月份只有0～10 cm与10～20和20～30 cm有显著差异(P<0.05)，个体数均表现出0～10 cm>10～20 cm>20～30 cm土层。类群数在9月份差异不显著(P>0.05)，6～8月份均有明显差异性(P<0.05)。

图2 中小型土壤动物个体数与类群数垂直动态变化

2.3 中小型土壤动物群落功能群

2.3.1 中小型土壤动物功能群水平动态

由表4所示，由于捕食性和植食性动物的个体数与类群较少，故一起统计分析。玉米间作种植分别降低了中小型土壤动物功能群的腐食性、杂食性和捕食性+植食性的个体数；同时，玉米间作种植降低了中小型土壤动物功能群腐食性的类群数，增加杂食性和捕食性+植食性的类群数，但均没有达到显著差异(P>0.05)。

表4 不同处理中小型土壤动物功能群水平特征(平均值±标准误)

由图3所示，通过调查结果表明，玉米单作和间作种植对中小型土壤动物功能群的个体数和类群数在月份间的影响不同。玉米单作和间作种植下的腐食性个体数均在7月份最多(62,42)，9月份最少(29,23)；且在7月份和9月份有显著差异(P<0.05)。杂食性个体数均在6月份最多(30,33)，除了单作种植在6月份与7月份无显著差异外，其余杂食性个体数在6月与7～9月份均有显著差异(P<0.05)。玉米单作和间作种植下的捕食性+植食性的个体数在月份间均无明显变化(P>0.05)。

玉米间作种植下腐食性类群数在6月份最多(7)，单作种植下腐食性类群数在7月份最多(8.33)。只有单作种植下的腐食性类群数在7月份与9月份有显著差异(P<0.05)。单作和间作种植下杂食性类群数均在6月份最多(3.67,2.33)，单作种植类群数6月份与8～9月份有显著差异(P<0.05)，间作种植类群数在月份间无显著差异(P>0.05)。单作和间作种植下的捕食性+植食性的类群数在月份间均无明显变化(P>0.05)。

图3 不同处理中小型土壤动物功能群个体数与类群数动态变化注：不同字母表示相同功能群不同月份间的差异显著(P<0.05)，图4同。

2.3.2 中小型土壤动物功能群垂直动态

由表5所示，中小型土壤动物的功能群下的个体数和类群数具有表聚性。0～10 cm与10～20和20～30 cm土层下的腐食性和杂食性的个体数具有显著差异(P<0.05)，0～10 cm与20～30 cm土层下的腐食性和杂食性的类群数具有显著差异(P<0.05)，捕食性+植食性的个体数和类群数在土层间无显著差异(P>0.05)。

表5 不同土层中小型土壤动物功能群垂直特征(平均值±标准误)

由图4所示，不同土层中小型土壤动物按功能群分类下的个体数与类群数在不同月份特点不同。其中不同土层的腐蚀性个体数和类群数均在7月份最多；且在10～20 cm土层中腐蚀性个体数在6～8月份与9月份有明显差异(P<0.05)，类群数在6～7月份与8～9月份有显著差异(P<0.05)；20～30 cm土层中腐蚀性个体数在7月份与8～9月份有显著差异(P<0.05)，类群数在7月份与8月份有显著差异(P<0.05)。不同土层的杂食性个体数和类群数均在6月份最多；且在0～10和10～20 cm土层中个体数和类群数6月份与7～9月份有显著差异(P<0.05)。不同土层的捕食性+植食性个体数在8月份最多，类群数在6月份最多；整体来看,捕食性+植食性的个体数和类群数在月份间变化不大(P>0.05)。

图4 不同土层中小型土壤动物功能群个体数与类群数动态变化

3 讨论与结论

3.1 玉米间作种植下中小型土壤动物群落多样性变化

3.2 玉米间作种植下中小型土壤动物群落功能群变化

玉米/大豆间作种植改变了农田不同食性土壤动物的个体数量、类群数以及多样性变化。不同食性的土壤动物功能群是构成土壤地下食物网的主要环节，在调节物质循环过程起到重要作用。一般认为相对稳定的土壤环境，其土壤动物的各食性比例保持一个稳定状态[20-21]。本研究表明玉米间作种植对各食性土壤动物的数量、种类及功能群具有一定影响，但没有达到显著差异(P>0.05)；玉米/大豆间作种植腐食性、杂食性、捕食性+植食性个体数较玉米单作种植都有下降(P>0.05)，Quinn等[22]研究认为，施用N肥后植物根组织N的浓度增加可能是导致植食性土壤动物数量增加，豆科-禾本科作物间作种植降低了土壤N素[16]，在本研究中玉米/大豆间作种植减少了植食性土壤动物的个体数，同时减少了捕食性土壤动物个体数；土壤中有机质的含量对腐食性土壤动物的数量有正相关作用[22]，玉米/大豆间作种植由于根系间相互作用时根系分泌物相互迁移活化分解土壤有机质[23]，加快了土壤有机质分解，导致腐食性中小型土壤动物的个体数减少。但玉米单作和间作种植中小型土壤动物腐食性>杂食性>捕食性+植食性的个体数，且差异明显(P<0.05)。玉米间作种植导致杂食性和捕食性+植食性的土壤动物类群数增加，腐食性土壤动物类群数降低，腐食性土壤动物在0～10 cm与10～20和20～30 cm土层相比较有显著增加，这可能是土壤表层食物资源充足的原因。