中国农田生态系统土壤动物的研究进展*

刘 爽，刘启龙，李格格，陈 婷，刘金文，高梅香

(1.哈尔滨师范大学；2.吉林省农业科学院；3.宁波大学;4.宁波市高等学校协同创新中心“宁波陆海国土空间利用与治理协同创新中心”)

0 引言

农业是人类生存的基础，土壤是农业的基础，如果没有土壤就不可能有农业[1],人类各种活动不断影响生活在其中的土壤动物，导致农田土壤环境发生了很大的变化，大范围农田生态系统和土壤生境劣化或破坏[2].农药的大量使用导致土壤污染严重，土壤污染对土地资源可持续利用与农产品生态安全已构成威胁[3].土壤动物对土壤污染的修复作用不可忽视，土壤动物生存、取食、活动改变土壤结构和土壤理化性质[4]，影响土壤物质能量的迁移转化，促进土壤有机质的形成，对改善农田生态系统土壤生态环境、增强作物对养分的吸收利用有着积极的作用[5-6].因此该文主要综述了2010～2019年中国农田生态系统对土壤动物的影响(有学者总结了2010年以前农田生态系统对土壤动物影响)，针对不同农业措施和不同土地利用方式对农田土壤动物的影响，希望可以为未来农田生态系统的研究提供更多有效依据.

1 中国农田生态系统土壤动物研究史

1.1 中国农田生态系统土壤动物研究史

农田土壤动物的研究，从科学意义上来说是源于20世纪60年代，赵善欢等学者提到了农药对农田土壤动物的危害[7].直到20世纪80年代，农田生态系统的研究才拉开帷幕[8].研究发现一些农业措施及农作物等会对农田土壤动物产生影响，比如国内学者对农事活动和不同耕作方式等方面开展了研究，如王洪全[9]和蒋佩兰[10]等研究了农事活动和不同间作方式对稻田蜘蛛消长影响；张友梅[5,11]等和丁兆龙[12]等学者探究了农田与其他不同生境和小麦不同生长过程对农田土壤动物的影响.

20世纪90年代，线虫的研究调查陆续增多，如徐建华在1990～1992年对南京、徐州、连云港和淮阴市的大棚菜寄生线虫的种类和发生进行了调查[13]；刘维志等学者对沈阳地区的谷子根和黄瓜根寄生线虫进行分类鉴定研究[14-15].

20世纪90年代中后期，越来越多的学者对农田土壤动物进行更加全面深入的研究.包括农药、杀虫剂、耕作方式及不同土地利用方式对农田土壤动物的影响.比如，李忠武、邢协加[16-22]等针对农药及杀虫剂减少了农田土壤动物的数量及多样性；黄诚，黄论先等在研究中表明，不同耕作方式可使某些土壤动物类群数在增加或减少，免耕轮作对土壤动物的繁殖起了促进作用[23-24]；路有成、闫冬春等发现不同土地利用方式对不同农田土壤动物群落各项指标明显不同[25-26].

随着21世纪的到来，全球气候不断变化，学者们对土壤动物的关注愈加强烈，对土壤动物的研究内容更加宽泛，农田生态系统的关注度也越来越多.宋理洪[8]等综述了2010以前近30年的中国农田土壤动物的研究进展，并指出文章较少涉及单种化肥以及农田作物单一化的问题.因此该文针对中国近10年中国农田土壤动物，对中国一些农业措施(施肥，农药)和不同土地利用方式两方面进行综述，以期更好地发挥土壤动物对农田生态系统的积极作用.

1.2 研究方法

文献收集通过中国知网数据库平台和Web of Sciences(1990～2020)平台，搜索出与中国农田生态系统中土壤动物研究的相关文献.在中国知网数据库平台所使用的关键词为：土壤动物、蚯蚓、甲虫、鞘翅目、蜘蛛、线虫、跳虫、弹尾目、螨虫、蜱螨目，在Web of Sciences平台所有数据库使用关键词为：(1) “soil animals” And farmland cropland; (2) earthworms And farmland cropland; (3) beetles And farmland cropland; (4) spiders And farmland cropland; (5) nematodes And farmland cropland; (6) springtail And farmland cropland; (7) podura And farmland cropland; (8) snowflea And farmland cropland; (9) mites And farmland cropland; (10)coleoptera And farmland cropland; (11) collembola And farmland cropland; (12) Acarina And farmland cropland,共收集到中文文献674篇，英文文献113篇，共计787篇,针对研究方向进行筛选，实际用到有效中文文献133 篇，英文文献14篇，共计147篇.

1.3 中国农田生态系统土壤动物研究现状

随着人口的不断增加以及生态意识的提高，人们对农田生态系统的关注度也越来越多.从发表文章数量对比分析出，与过去30年相比，近10年国内学者开展了大量关于农田土壤动物的相关研究，国内学者发表在SCI核心期刊数据库和中国知网数据库中，可以看到关于中国农田土壤动物的论文数量逐年增加(如图1所示).

图1 近40年关于中国农田生态系统土壤动物相关文献统计

近年来，中国农田生态系统土壤动物的研究工作已经取得很大的进展，由图2可知，目前，中国农田土壤动物的研究地点分布呈现出以东北平原、华北平原和长江中下游平原多中心的空间集聚格局，总体特征表现为：大体上以黑河-腾冲一线为界，东南多，西北少，但中国大部分省份都已开展了农田土壤动物的相关研究.

图2 中国农田生态系统土壤动物研究地点分布示意图

2 农业措施与土壤动物

2.1 施肥对农田土壤动物的影响

施肥对于中国农田生态系统是一种常见措施.但随着各种各样肥料的不断投入，改变了原本的土壤理化性质，进而影响土壤动物的群落特征[27].

2.1.1 不同种类肥料对农田土壤动物的影响

不同品种的肥料对农田土壤动物的影响程度不同.施加有机肥料不仅能够保证作物的正常生长，提高作物产量，而且还能优化作物生长环境，增强作物抗病能力，提升作物的品质[28]；与传统肥料相比，EM堆肥可减少化肥农药的使用，促进作物的生长，改善农产品的品质，实现农业的健康持续发展[29].蚯蚓堆肥自身含有大量的营养元素和植物生长激素，可以改善土壤结构，增加土壤中微生物群落结构多样性，吸附更多的重金属离子，促进作物的生长[30].

当降低氮素的含量使其到达一定程度时，氮素对线虫数量没有明显的抑制作用，甚至有利于土壤线虫丰富度与多样性[31]，在稻田地中施用氮肥蜘蛛数量明显比不施用氮肥的稻田的蜘蛛数量多[32-34]；当磷素开始缺失，土壤线虫丰度明显减少，即使在有机肥和营养均衡的条件下，大型土壤动物的个体数和类群数均较低，且会导致土壤肥力状况更加贫瘠[35-36]；施用有机肥能够增加农田中小型土壤动物的个体密度，提高土壤食微线虫的丰度；大型土壤动物表聚性增强，个体数随施用量的增加而增加，且土壤环境趋于健康[37-39].但有研究表明施肥对土壤线虫影响更多表现在总数量上，而对植物寄生线虫和异源线虫均无显著影响[40]；EM堆肥的使用对黑土区中小型土壤动物在一定程度上增加群落结构及多样性[29].蚯蚓堆肥处理后, 整体上能增加速效养分含量和微生物数量[41]，并且在中等浓度下施用蚯蚓堆肥，可以获得最大的植物产量[42].

2.1.2 不同施肥方式对农田土壤动物的影响

中国作为农业大国，但施肥方式却普遍存在不合理的问题现状，致使农作物产量不乐观[43].中国常用施肥方式不尽相同，不同的施肥方式对土壤动物的影响有所不同，不同种类的农田土壤动物对肥料的响应也有所差异.

施肥方式对农田中小型土壤节肢动物群落组成和结构有不同的影响[44]，有机肥和秸秆配施有利于增加中小型土壤动物的个体数和类群数，同时提高黑土区土壤质量和群落结构[45]；化肥-有机肥配施方式中土壤线虫、蚯蚓和甲螨的个体数量较于常规和对照施肥高[46]，但可以促进食细菌线虫的繁殖，抑制植食线虫的繁殖[47]，同时可以提高线虫的丰度和作物产量[48]，且对农田生态系统的环境具有保护作用[49]，而单施化肥和猪粪商品有机无机复合肥对植食性线虫的抑制作用不明显[50]；有机-无机肥的合理配施有利于土壤动物的繁殖[46]；化肥-生物有机肥与秸秆配施方式对土壤动物群落结构的稳定带了更有利的影响[44].

2.2 农药对农田土壤动物的影响

随着农业的发展，农药早已成为农业生产中不可或缺的生产材料之一，对农作物的产量有着重要保障[51].市场中存在各种农药，农药对土壤呼吸强度的影响随农药的品种而异[52]，不同种类农药对土壤动物的影响存在明显差异性，既有抑制作用又有促进作用[53].筛选出高效率安全性高的农药，可以保障农产品产地环境更加绿色安全.为推进农业生产生活更加绿色化，针对不同种类农药对土壤动物产生的影响加以分析.

不同种类农药对农田土壤动物的影响不同.敌百虫对土壤动物的个体数量和类群数(多样性指数和均匀度指数)的影响表现在随浓度的增加而减少，而优势度指数则递增[54]；醚菊酯,氟虫腈,吡虫啉,噻嗪酮及敌敌畏5种药剂药随浓度增大，对稻田蜘蛛的毒杀作用越强[55]；毒死蜱、乐果、吡虫啉在一定浓度下会对抑制跳虫体内的总胆碱酯酶产生，破坏力虫体内的抗氧化系统[56]；氰虫·啶虫脒减少了稻田蜘蛛数量但却增加了害虫褐飞虱虫口数量[57]；三唑磷与毒死蜱对种蜘蛛更不安全，相对于其他种药剂,氯虫苯甲酰胺对种蜘蛛较为安全；甲维盐和阿维菌素对种蜘蛛比较安全；杀虫单对拟环纹狼蛛不安全[58]；0.5%吡蚜酮对蜘蛛安全，且可以高效防治稻田飞虱[59-60]；磺胺二甲嘧啶对生物的影响随其污染时间的延长而下降[61]；呋虫胺粒应优先选择对蜘蛛的安全性较高的颗粒剂[62].对于农药的使用，可根据对非靶标生物的有害程度以及对靶标生物的有效性进行综合性选择，以减少对农田生态环境的破坏.

3 不同土地利用方式(农田)与土壤动物

不同土地利用方式的土壤小气候、地上植物群落组成以及土壤理化性质决定了土壤动物群落特征[63]，因此土地利用方式对生态系统的重要性不可忽略.该文主要针对农田(耕地)与其他土地利用方式(林地和草地)比较分析说明不同土地利用方式对农田土壤动物的影响.

3.1 不同类型土地利用方式对土壤动物的影响

不同土地利用方式下，土壤动物的个体数和类群数均有十分显著的差异[64]，土壤动物的个体数和类群数量的变化，会随着土壤深度的增加而逐渐递减，水稻田和蔬菜地的个体数和类群数会随土层的加深而急剧减少[65]，土壤动物的物种丰富度受其影响较大[66].

由于土地利用方式不同，土壤动物的水平分布存在一定差异,农田的多样性与均匀度最低,Simpson指数最高[67].不同土地利用方式对螨有不同的影响[68]，其中甲螨多样性及群落结构均有不同的表现[69].农田与其他土地利用方式相比，大型土壤动物个体数最低，但类群数变化不大[63].而大中型土壤动物群落物种多样性和均匀度指数存在一定差异,农田物种多样性最小[69].中小型土壤动物无论在个体数上，还是类群数量上农田均低于其他土地利用方式[64,70,71].

3.2 农田与其他不同土地利用方式相比对土壤动物的影响(人为干扰)

在自然界中，干扰普遍存在于生态系统中，以土壤为栖息环境的土壤动物群落结构及多样性会随着干扰程度产生相应的变化.在农业生产过程中，除草挖坑、播种盖土、施化肥农药、收获作物、秸秆还田等措施均会对农田土壤动物产生干扰，同时农机具对土壤结构的破坏等因素明显降低了土壤线虫的多样性[71]，因此农田所带来的干扰与其他土地利用方式相比对土壤动物的影响相对更复杂.

实验数据表明，人为干扰会对土壤动物的群落结构和多样性产生影响.在不同土地利用方式下，土壤动物多样性因受不同程度干扰而表现出差异[72]，土壤动物种类、数量和分布也均表现出不同差异[73].农田与其他土地利用方式相比，农田土壤动物类群丰富度、样性和种群密度均较低[74]，其中农田土壤动物多样性最低且与施用化肥、农药有关[75-76]，但复合经营和适度干扰措施在一定程度上可以提高土壤动物的物种丰富度，人干扰强度较大时，土壤动物的多样性和均匀度均会降低[77].

4 总结与展望

人类的生存离不开农田生态系统，人类各种农业活动不断向农田生态系统添加化学物质，打破了生态系统原有平衡，包括生活在其中的土壤动物.与此同时，土壤动物作为重要的生物指示剂，不断指示环境质量.因此，农田土壤动物的研究对未来的农田生态系统至关重要.

(1)近10年来，关于中国农田土壤动物的研究不断增加，对今后的研究提供了更多依据.

(2)与过去30年相比，2010至今，随着科学技术不断发展的今天，肥料在绿色生态上取得了质上的进步，对农田土壤动物积极方面的影响越来越突出，且针对不同种施肥方式的文章也相对增多，在一定程度增加了对施肥方式的最佳选择.到目前为止，农药的大量使用更多带来不利的影响，农药的高效利用率问题依旧亟待解决，随着导向农药和纳米载体材料的发展，以其作为提高农药利用率的手段得到了广泛关注，目前有关改善农药内吸性或靶向性的研究也取得了一定进展[78]，但是依旧不成熟，不能广泛使用.

(3)不同土地利用方式以及土地利用方式的改变都会引起农田生态系统发生变化.近10年研究发现，农田和其他土地利用方式对土壤动物的研究相比与过去实验并未有较大出入，均表示农田对土壤动物的不利影响明显大于其他土地利用方式，且人为干扰因素偏多.人为干扰程度是人类唯一尽力去保持农田生态系统的稳态问题，在农业作业方面尽量避免对农田的破坏，这就需要相关人才去研究如何高效、低伤害的机器去解决农田作业问题.

存在的问题：(1)大多数实验周期相对较短，残存在土壤动物的化肥农药危害程度不可确定.(2)合理肥料配施会对农作环境及土壤动物带来积极影响，而对其实验未触及的生物所带来的影响是未知的.(3)不同农药对不同农田土壤动物影响丞待研究；不同浓度农药对不同土壤动物的影响丞待研究.研发农药内吸性进而提高农药利用率，减少对土壤动物的直接接触.(4)由于实验调查方法和作物种类、土壤类型等因素的不统一，不同的研究结果难以进行比较.

未来农田生态系统土壤动物的研究方向应重点关注以下几个方面：(1)生产更加智能化的农业机械，如无人智能农业机械，实现远程操控，减少人为干扰对农田土壤动物的影响，同时精准调控各项农田作业，如灌溉水利用，农药利用率等；(2)创新绿色农药技术体系，减少农药残留，提高农药利用率，减少对农田土壤动物的危害；(3)土壤动物对土壤的修复作用有待深入研究与探讨，如降低土壤重金属的含量，改变土壤微塑料的降解速度等，以期减少土壤污染对农田土壤动物的消极影响，促进农田生态系统可持续发展；(4)农业废弃物碳化为生物炭技术有待开发研究，其中生物炭对土壤生物及农田生态系统的风险、效果等方面尚不明确，缺乏大量数据来研究说明；(5)目前实验研究多限于对土壤动物数量及其多样性的研究，如何利用生物学、基因工程等前沿学科来发现土壤动物更多未知的可能.