玉米秸秆还田量对黑土区农田地面节肢动物群落的影响

刘鹏飞,红 梅,,*,美 丽,赵巴音那木拉,,德海山,,白雪原,李志新,马 玺

1 内蒙古农业大学,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,呼和浩特 010011 3 扎赉特旗农业技术推广中心,内蒙古兴安盟 137600 4 兴安盟土壤肥料和节水农业工作站,内蒙古兴安盟 137600

玉米秸秆是农田生态系统物质循环的物质基础[1-2],是一种重要的生物质资源,具有高的养分[3]。地面节肢动物主要生活在地面枯枝落叶层及浅层土壤中[4],是土壤生态系统的重要组成部分[5-6],在调节生态系统营养动态、改善土壤性状及土壤养分等物质循环方面起到重要作用[7-9]。近年来,随着对玉米秸秆在农田生态系统认知的提高,玉米秸秆还田与土壤动物群落的关系研究日益受到关注[10-12]。农田黑土生态系统中土壤动物数量巨大,研究其群落特征与生态功能是非常重要的内容[13]。国内已有的玉米秸秆还田对土壤动物的响应主要以玉米秸秆覆盖还田为主,研究表明,随玉米秸秆覆盖量的增加,土壤动物类群多样性和丰富度增加[14]；秸秆覆盖免耕下土壤动物个体数、类群数和多样性较常规耕作有显著增加[12,15]；秸秆覆盖还田也影响甲螨群落的多样性指数[16]。但已有的研究主要关注玉米秸秆覆盖还田及还田方式上,而对于玉米秸秆彻底粉碎,加工成秸秆沫翻压还田的响应,以及玉米秸秆还田量的比较研究较少,尤其是对地面节肢动物在黑土区农田中的响应研究较少。因此,本文通过玉米的生育期内取样调查地面节肢动物群落,考察不同玉米秸秆还田量后土壤性状的变化,探讨玉米秸秆在不同还田量下地面节肢动物群落的生态分布特征。为改善黑土区农田土壤生态系统、提高玉米产量和品质及秸秆资源化利用提供理论依据。

1 研究地区与研究方法

1.1 试验区概况

试验区位于内蒙古兴安盟扎赉特旗农业科技示范园区试验示范种植基地(46°45′N,122°47′E)。属温带大陆性季风气候,年均气温3.24℃,年均降水量400 mm,降水主要集中在6—9月份。海拔206 m,无霜期120—140 d。土壤类型为暗栗钙土。

1.2 试验设计

玉米秸秆不同还田量通过1500 kg/hm2的数量级梯度精确还田,即9000 (SR1)、10500 (SR2)、12000 (SR3)、13500 (SR4) kg/hm2,无玉米秸秆还田为对照(CK)；共5个处理,重复3次,随机区组设计。小区面积10 m×10 m=100 m2,共20垄,行距50 cm,小区周围有5垄保护行,小区间间隔2 m。玉米秸秆经过彻底粉碎后,加工成玉米秸秆沫于2016年4月中旬翻地埋入土中(约15 cm)。种植作物为玉米,品种为先玉335,于2016年4月30日播种,于2016年9月26日收获。各试验小区采用常规耕作方法。

1.3 样品采集与地面节肢动物鉴定

图1 试验地气象数据Fig.1 Meteorological data of the test ground

样品采集于2016年6—9月,采用陷阱诱捕法捕获节肢动物。在每个小区中心位置布设3个采样点,收集器直径为7 cm、高9 cm,套在直径为8 cm、高10 cm的PVC管中,收集器与地面齐平,在收集器里加入浓度为3%的福尔马林溶液和甘油,增加捕获的有效性。每月取样一次,即6月中旬,7月中旬,8月中旬和9月末,每次收集时间为7 d。将收集到的地面节肢动物装在盛有75%酒精溶液的塑料瓶中。分类鉴定参考尹文英等《中国土壤动物检索图鉴》[17]在体视显微镜(SZ78系列)或肉眼对样品进行鉴定,地面节肢动物鉴定到科的水平。各个体类群等级划分为：个体数占总个体数10%以上的地面节肢动物类群为优势类群,1%—10%的地面节肢动物类群为常见类群,1%以下的为稀有类群。

土壤温度采用温度计(TP101型)测定；土壤容重采用环刀法测定；土壤含水量采用烘干法测定；有机质采用重铬酸钾-容量法测定[18]；平均入渗率采用双环法测定[19]。2016年5—9月试验地气象数据见图1。

1.4 数据统计与分析

对地面节肢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(J),Margalef丰富度指数(D)和Simpson优势度指数(C)进行分析[20-21]。采用单因素方差分析(One-way ANOVA)和多重比较方法(LSD)进行差异显著性分析。采用Pearson相关系数(两尾测验)分析所捕获的地面节肢动物个体数和类群数与土壤环境的相关性。采用主成分分析法(PCA)进行分析地面节肢动物主要群落指标对玉米秸秆还田的响应关系。数据处理与作图采用SAS 9.0,Excel 2003进行。群落多样性指数计算公式如下：

J=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 玉米秸秆还田量下地面节肢动物群落组成

由表1可知,研究期间共捕获地面节肢动物1820只,隶属16个类群。其中优势类群为蟋蟀总科和步甲科2类,占总个体数的83.85%。玉米秸秆还田后显著提高蟋蟀总科的个体数(P<0.05),并且蟋蟀总科个体数随玉米秸秆还田量增加呈增加趋势。步甲科个体数只有在玉米秸秆还田量达到SR4时与对照CK有显著差异(P<0.05),但个体数随玉米秸秆还田量增加而呈现出一定增加趋势；常见类群为跳甲科、隐翅甲科和蚁科3类,占总个体数13.85%；剩余11类为稀有类群,占总个体数的2.30%。

总体来看,玉米秸秆还田量对地面节肢动物个体数表现出差异性,但对类群数没有明显影响。其中对照CK个体数最少,随玉米秸秆还田量增加个体数随之增加,SR4处理个体数最多,个体数排序为CK

2.2 玉米秸秆还田量对地面节肢动物群落多样性的影响

由表2可知,个体数在玉米秸秆还田量达到SR2时与对照CK有显著差异(P<0.05),并随玉米秸秆还田量的增加个体数随之增加。类群数在玉米秸秆还田后与对照CK有微弱增加趋势,只有SR3处理与对照CK有显著差异(P<0.05)。SR4处理的多样性指数最高(1.17),与对照CK无显著差异(P>0.05)；多样性指数排序SR10.05)；优势度指数排序SR4

表1 不同处理地面节肢动物群落组成

表中“—”表示该土壤动物类群在该处理中未被发现；CK：对照,control check；SR1：秸秆还田9000 kg/hm2,straw returned for 9000 kg/hm2；SR2：秸秆还田10500 kg/hm2,straw returned for 10500 kg/hm2；SR3：秸秆还田12000 kg/hm2,straw returned for 12000 kg/hm2；SR4：秸秆还田13500 kg/hm2,straw returned for 13500 kg/hm2

表2 不同处理地面节肢动物群落特征(平均值±标准误)

不同小写字母表示同一列不同处理间的差异显著(P<0.05)

2.3 地面节肢动物个体数和类群数与土壤含水量和温度的月动态变化

由图2所示,地面节肢动物的个体数和类群数在月份变化中与土壤含水量和温度具有一定关联性。地面节肢动物个体数在8月份达到最多；总体趋势8月>7月>6月>9月。地面节肢动物类群数在7月份最多,总体趋势7月>8月>6月>9月。土壤温度在7月份最高,总体趋势7月>8月>6月>9月。土壤含水量在6月份最高,总体趋势6月>9月>8月>7月。

图2 地面节肢动物个体数和类群数与温度和含水量的月动态变化Fig.2 The monthly dynamic changes of soil ground arthropod individual, groups, temperature and moistureCK：对照,control check；SR1：秸秆还田9000 kg/hm2,straw returned for 9000 kg/hm2；SR2：秸秆还田10500 kg/hm2,straw returned for 10500 kg/hm2；SR3：秸秆还田12000 kg/hm2,straw returned for 12000 kg/hm2；SR4：秸秆还田13500 kg/hm2,straw returned for 13500 kg/hm2

2.4 玉米秸秆还田量下土壤理化性质与相关性分析

由表3可知,与对照CK相比,秸秆还田后土壤有机质含量、平均入渗率、土壤温度和含水量显著增加(P<0.05),并且随玉米秸秆还田量的增加呈增加趋势；土壤容重显著降低(P<0.05),随玉米秸秆还田量的增加呈下降趋势。

表3 不同处理土壤理化性质

不同小写字母表示同一列不同处理间的差异显著(P<0.05)

由表4的Pearson相关系数分析结果可知,农田地面节肢动物的个体数与土壤有机质呈极显著相关(P<0.01),与平均入渗率呈显著正相关(P<0.05),与土壤容重呈显著负相关(P<0.05)；类群数与土壤温度呈显著正相关(P<0.05)；丰富度指数与平均入渗率和土壤含水量呈显著正相关(P<0.05)；优势度指数与土壤温度呈显著负相关(P<0.05)。

表4 地面节肢动物群落与土壤环境相关系数

*表示显著相关(P<0.05),**表示极显著相关(P<0.01)

2.5 玉米秸秆还田量对地面节肢动物群落特征指标的影响

由表5可知,本研究对地面节肢动物个体数、类群数、多样性指数、均匀度指数、丰富度指数、优势度指数、优势类群(蟋蟀总科和步甲科)和常见类群(跳甲科、隐翅甲科和蚁科)等11个指标进行主成分分析,并确定对玉米秸秆还田最敏感的特征指标。通过选取前2个主成分,累计贡献率达到90.96%,可以包含这11个特征指标的绝大部分信息。

由表6可知,每个特征指标的综合得分是通过以每个主成分所对应特征值占所选取的2个主成分特征值之和的比值作为权重,然后分别与对应的主成分值相乘后求和得到,最后进行排序[22]。综合得分排序前5名为：个体数、多样性指数、蟋蟀总科、跳甲科和步甲科。结果表明:综合得分排序较前的这5个特征指标对该地区玉米秸秆还田处理较为敏感,初步认为可以作为衡量黑土区玉米秸秆还田效应的指标。

表5 地面节肢动物主成分特征根与方差贡献率

表6 地面节肢动物群落特征指标主成分综合得分及排序

3 讨论

3.1 地面节肢动物群落多样性的差异

在本研究中,与对照CK相比,玉米秸秆还田后地面节肢动物个体数增加,由对照CK的296只增加到SR4处理的441只,增加48.99%；其中优势类群蟋蟀总科和步甲科增加显著(P<0.05),蟋蟀总科增加34.15%,步甲科增加70.45%。这是因为玉米秸秆本身具有较高养分价值,玉米秸秆还田提高土壤腐殖质含量,为节肢动物提供充足的食物来源外,有利于农田黑土中的土壤动物生存[23]。一般来说,优势度指数的大小表明该群落中某个类群的土壤动物个体数占该群落总个体数比例的大小[24],即某一个群落的优势度指数越小,丰富度指数越大,同时群落中的个体在物种间分配比例越均匀,均匀度指数就越大,多样性指数也就越大[25]。本研究中,SR1处理的优势度指数最高,对照CK的均匀度指数最高,这主要是由于经过玉米秸秆还田后蟋蟀总科和步甲科的数量大量增加造成的,说明玉米秸秆还田后更适合蟋蟀总科和步甲科的生存；SR4处理的丰富度指数和多样性指数最高,这是由于玉米秸秆除能够为地面节肢动物提供食物来源,还对土壤性质和结构条件的调控来影响地面节肢动物的生存环境,如玉米秸秆能减小土壤容重和增加土壤孔隙度,增加入渗速率,提供多样化的生境,这些因素可能促进土壤生物的活动、促进土壤养分循环,增加了多样性[26]。群落的物种多样性指数越大,群落的营养通道就越复杂,群落就会向更稳定方向发展[27]。同时,本研究中随着玉米秸秆还田量的增加,优势度指数SR1—SR4处理逐渐降低,均匀度指数SR1—SR4处理逐渐上升,这主要是SR1—SR4处理中的蟋蟀总科占群落总个体数比例下降,其他常见类群的节肢动物微弱增加,群落中的个体在物种间分配比例较均匀所导致。丰富度指数和多样性指数SR1—SR4处理增加,可能是由于玉米秸秆还田量增加,玉米秸秆提高了土壤腐殖质含量,土壤含水量增加,玉米秸秆降解速率提高,增加对土壤的生境调控。因此,随玉米秸秆还田量增加地面节肢动物丰富度指数和多样性指数增加。

3.2 地面节肢动物月动态分布变化特征

从6—9月地面节肢动物月动态变化来看,8月份地面节肢动物个体数最多,这可能是由于8月由于气候条件适宜,水热条件好,大多数土壤动物已逐步成熟[1],同时,8月份土壤含水量较大,土壤中水分能增加植物地下净初级生存力[28],刺激土壤微生物的生长与繁殖[29],加快了玉米秸秆的腐解速度,为地面节肢动物提供一定食物来源,导致地面节肢动物个体数在8月份最多。7月份地面节肢动物类群数最多,这主要是由于7月份土壤温度较高,温暖而湿润的环境,加之农田表面有一定的玉米秸秆沫,以及杂草物质,食物资源丰富,为地面节肢动物提供充足食物来源[15],适合不同地面节肢动物类群的生存,使类群数有微弱增加趋势。

3.3 玉米秸秆还田量下地面节肢动物群落特征

玉米秸秆是农业生产中的生物质资源,玉米秸秆还田能够改善土壤环境。地面节肢动物主要生活在地面枯枝落叶层及浅层土壤中,受土壤环境的影响较大,土壤环境的改变能够快速使地面节肢动物表现出相应的反应,所以,玉米秸秆通过改善土壤环境,进而改变了地面节肢动物的生存环境。本研究中,由于玉米秸秆还田量的不同,导致玉米秸秆降解速率与降解数量不同,从而对地面节肢动物群落影响不同。因此,测定土壤理化性质是衡量土壤质量的重要因子。林英华等研究认为：长期施肥下土壤有机质和全氮与土壤动物群落具有显著相关性,对土壤质量具有很好的预测指示能力[30]。为此,本文为明确在玉米秸秆还田量下地面节肢动物群落与土壤理化性质的关系,采用Pearson相关系数分析,研究表明：农田土壤环境中的土壤有机质、容重、温度、含水量和土壤平均入渗率与地面节肢动物群落的关系密切,地面节肢动物群落中的个体数、类群数、丰富度指数和优势度指数与土壤环境的关系密切。这表明,玉米秸秆还田后土壤有机质含量增加,土壤变疏松,容重减小,孔隙度增大,入渗速率增加,土壤含水量增加,使土壤呼吸速率增加,促进微生物降解和玉米根系发育,为地面节肢动物创造了有利的生存条件。杨旭等研究表明,土壤动物个体密度、甲螨亚目、节跳虫科、前气门亚目的类群受秸秆还田方式的影响较大,是耕作黑土中对秸秆还田方式反应敏感的土壤动物指标,能够作为考察耕作黑土秸秆还田肥力效应的评价指标[1]。为此,本研究采用主成分分析法(PCA)对11个地面节肢动物的特征指标进行分析,明晰在黑土区农田不同玉米秸秆还田量下地面节肢动物群落的敏感因子,结果显示：地面节肢动物个体数、多样性指数、蟋蟀总科、跳甲科和步甲科这5个地面节肢动物特征指标对不同玉米秸秆还田量较为敏感,初步认为是衡量黑土区土壤玉米秸秆还田后土壤质量的评价指标。

4 结论

2016年6—9月于黑土区农田中共捕获地面节肢动物1820只,隶属于16个类群。其中,优势类群个体数占总个体数83.85%,构成了研究样地地面节肢动物群落的主体。

玉米秸秆还田作为保护性耕作措施之一，玉米秸秆还田量的不同影响农田地面节肢动物群落的组成。在一定还田量范围内,玉米秸秆还田有助于提高地面节肢动物个体数,随玉米秸秆还田量增加个体数增加；并且对直翅目的蟋蟀总科和鞘翅目的步甲科的影响最为明显。

群落多样性指数分析可得出：随玉米秸秆还田量的增加,优势度指数降低,丰富度指数增加,群落中的个体在物种间分配比例越均匀,均匀度指数增加,多样性指数增加；玉米秸秆还田降低了土壤环境受干扰的程度,使土壤生态系统向更稳定方向发展。

玉米秸秆还田对地面节肢动物群落的总个体数、多样性指数、蟋蟀总科、跳甲科和步甲科的个体数等5个指标的影响较大,这5个指标对秸秆还田量的响应较敏感,能够预测长期玉米秸秆还田量引起的土壤肥力的变化,对黑土区农田土壤肥力的提升具有一定预测潜力。