黑土区农田及防护林氮肥处理对中型土壤动物群落结构影响

周利军 张淑花 贾凤梅 佟 良 任红梅 贾 森

（1.绥化学院农业与水利工程学院 黑龙江绥化 152061；2.黑龙江科技大学建筑工程学院 黑龙江哈尔滨 150022）

氮肥是农业生产所需要的重要肥料，我国农业生产氮肥施用量在世界上处于最高水平，近年来受政策调控影响，我国氮肥施用量有一定减少，但每年向农田中施加的氮肥量仍然接近2000 万吨[1，2]。氮肥施加在提高农作物产量的同时，也对生态环境造成一定影响。土壤动物是土壤生态系统中重要的生命组成部分，土壤生态环境的变化对土壤动物群落会产生直接的影响，因此土壤动物是土壤生态系统环境质量评价的重要指标[3，4]。施加氮肥对土壤动物群落结影响也引起很多研究者的关注，有研究表明氮肥添加对沿海防护林土壤动物密度有显著影响，但对土壤动物类群数量影响不大[5]，荣海等对温郁金农田生态系统进行模拟氮沉降实验表明，低浓度氮处理可以促进大型土壤动物群落多样性提高，高浓度氮处理则对其有抑制作用[6]；徐国良等研究表明，在森林生态系统中随着氮浓度增高，土壤动物个体数和类群数具有一定阈值现象，即在中等浓度处理条件下个体数和类群数较高[7]；马尚飞等对草甸草原区研究也显示氮沉降对中小型土壤节肢动物个体数和类群数具有一定促进作用，且表现出阈值现象[8]；沙玉宝等研究高寒草甸土壤线虫群落结构和多样性对增氮的响应，结果表明增氮显著改变了高寒草甸土壤线虫的群落组成状况，并且降低了线虫多样性和均匀度[9]。农田防护林作为东北黑土区农林复合生态系统的组成部分，是保障农业生产安全的重要屏障，防护林带在改良土壤、防风固沙、提升作物产量等方面发挥重要作用，此外，农田防护林带在维持农田生物多样性方面也具有重要价值，起到物种资源库的作用。对施加氮肥对土壤动物群落结构影响的研究多是针对农田、森林或草地等一种类型的生态系统[6-11]，施加氮肥对农田和防护林土壤动物群落结构进行对比研究还比较少见，通过分析施加氮肥对农田和防护林土壤动物群落结构响应的差异，对研究防护林在氮沉降中的作用及农田生态系统管理方面具有一定意义。

一、材料与方法

（一）试验区域概况。研究试验区域位于黑龙江省哈尔滨市松北区，地理位置为45°51'N，126°33'E。样地设置在一处农田及相邻的防护林内，农田种植作为类型为玉米，防护林树种类型为杨树（Popolus.L），树高约10m，胸径为10cm；林下草本植物盖度约为60%，主要植物类型有香蒿（Artemisia Annua L.）、龙牙草（Agrimonia polosa Ledeb.）、龙葵（Solanum nigrum L.）及狗尾草（Setaria viridis Beauv.）等；林下凋落物层厚约1-2cm。

（二）试验样地处理。实验选用的氮肥为尿素[CO(NH₂)₂，具体为大庆石化总厂生产的大庆牌尿素，总N含量≥46.5%]，实验设计的处理浓度在结合农民耕作一般施肥量的基础上设置三个不同浓度等级，分别为浓度1：12.5g/m2，浓度2：25g/m2和浓度3：50g/m2，分别对农田和防护林样地进行施肥处理，同时设置不施肥的样地作为对照，样地编号分别为：TN0（农田对照）、TN1（农田浓度1）、TN2（农田浓度2）、TN3（农田浓度3）、LN0（防护林对照）、LN1（防护林浓度1）、LN2（防护林浓度2）、LN3（防护林浓度3），每个样地面积为4m×2.5m，相邻样地之间留0.5m不做任何处理的缓冲隔离区域。在4月份农田未播种时，将氮肥一次性均匀施加到样地中，施肥方法农田采用土埋法，即在样地内等间距密集地勾出深约5cm的垄沟，将氮肥均匀撒入垄沟内，再用土将垄沟填平；防护林内采取的是土壤表层施肥法，即先将地表枯落叶移走，将氮肥均匀扬撒在样地内，再将移走的枯落叶平铺于样地表面。处理过的农田样地正常进行玉米种植，防护林样地没有进行种植。

（三）样品采集与鉴定。分别于施肥后的1 个月、3 个月、5个月，对样地内中型土壤动物进行调查取样，每个处理样地设置4个取样样方，每个样方面积为10cm×10cm，即每个样地取样面积为400cm2，农田样地分0～5cm、5～10cm、10～15cm 层进行取样，防护林样地分凋落物层、0～5cm、5～10cm、10～15cm层进行取样，将取回的土壤样品装入样品袋中带回室内，每次取回分离样品112份，三次共取回样品336分，采用Tullgren法（干漏斗法）对中型土壤动物进行分离。将分离出的土壤动物用75%的酒精固定，在体视显微镜下进行分类鉴定和数量统计，土壤动物分类鉴定主要参考《中国土壤动物检索图鉴》[12]，多数鉴定到科的等级，部分鉴定到目或亚目。同时对每个样地的土壤样品进行土壤理化性质分析，其中pH值采用酸度计（PB-10型）测定，有机质含量（SOM）采用重铬酸钾-硫酸氧化法测定，全氮（TN）采用凯氏定氮法测定，全磷（TP）采用硫酸-高氯酸消煮法测定，全钾（TK）采用NaOH碱熔-火焰光度法测定，速效磷（AP）采取双酸浸提、钼锑抗比色法测定，速效钾（AK）采用乙酸铵浸提、原子吸收法测定[13]。各样地土壤性质见表1，方差分析显示土壤有机质、全氮、全磷、速效磷在不同样地间差异显著（P＜0.01），其他土壤因子在不同样地间差异不明显（P＞0.05）。

表1 各样地土壤性质

SOM：有机质；TN：全氮；C/N：碳氮比；TP：总磷；AP：速效磷；TK：全钾；AK：速效钾；每列相同字母表示差异不显著（P＞0.05）

（四）数据处理与分析。对中型土壤动物个体数量统计采用调查获得的数量进行统计，对群落特征指数的计算包括Shannon-Wiener 多样性指数（H’）,Pielou 均匀度指数（J）,Simpson 优势度指数（C）,Maglalef 丰富度指数（M）,具体的计算公式为:

其中N为群落中所有类群的个体总数，ni为第i类群的个体数量，Pi=ni/N，s为群落的类群数量。

数据运算采用SPSS21.0统计分析软件和Excel 2003软件进行处理，多重比较利用最小显著差异法（Least-Significant Difference，LSD），P＜0.05为具有显著差异，P＜0.01为差异极显著。

二、结果与分析

（一）施氮肥对农田及防护林中型土壤动物个体数和类群数的影响。对氮肥处理的农田和防护林中型土壤动物进行调查，共获得中型土壤动物14672头，隶属于环节动物和节肢动物2门5纲16目，共50个类群（表2），其中农田样地中捕获中型土壤动物为34类，4301头，防护林样地捕获中型土壤动物为44类10371头。对农田和防护林中型土壤动物种类组成进行分析可以看出，甲螨亚目（Oribatida）和中气门亚目（Mesostigmta）都是优势类群，这两个类群在农田和防护林样地中所占的比重均达75%以上，是绝对的优势类群；农田和防护林的常见类群也有很大的一致性，棘跳虫科(Onychiuridae）、蚁科（Formicidae）、前气门亚目（Prostigmata）等节跳虫科（Isotomidae）、长角跳虫科（Paronellidae）在农田和防护林中均是常见类群，此外在农田中的常见类群还有隐翅甲科（Staphylinidae），防护林样地中的摇蚊科（Chironomidae）是常见类群，农田中常见类群的6个类群个体数量占总个体数量的17.19%，防护林常见的6个类群个体数量占总个体数量的11.64%。

表2 农田和防护林各样地中型土壤动物个体数量和类群数

对比农田及防护林样地中型土壤动物个体数能够看出，防护林总个体数量远高于农田样地，农田样地总个体数为4031，而防护林为10371，是农田样地个体数量的2倍多，分析不同处理样地也表现出防护林远高于农田的特征，对农田和防护林样地个体数量进行差异性分析显示差异性显著（F=17.849，P=0.006）；对比农田和防护林中型土壤动物类群数量得出，不论是总类群数，还是各处理样地都表现出防护林高于农田的特点，对农田和防护林样地类群数进行差异分析显示二者差异性显著（F=9.306，P=0.022）。

比较农田不同浓度样地个体数和类群数看出，个体数表现为TN1＞TN0＞TN2＞TN3，类群数为TN2＞TN1＞TN0＞TN3，说明在农田中等浓度氮肥（TN1、TN2）施加样地中型土壤动物个体数量和类群数量较多，高浓度氮肥（TN3）施加使个体数和类群数降低，对不同施肥浓度样地中型土壤动物个体数和类群数进行差异分析显示在不同浓度条件下，农田土壤动物群落个体数和类群数差异性不明显（F=0.270，P=0.845；F=1.293，P=0.341）；分析防护林中型土壤动物个体数表现为LN3＞LN0＞LN1＞LN2，类群数表现为LN0＞LN3＞LN2＞LN1，说明在防护林中较高浓度氮肥干扰和不施加氮肥情况下中型土壤动物个体数和类群数较高，中低浓度氮肥施加（LN1，LN2）个体数和类群数偏少，对不同施氮浓度防护林土壤动物个体数和类群数进行差异性分析显示二者的差异性不明显（F=1.459，P=0.297；P=2.223，P=0.163）。

（二）施氮肥对农田及防护林中型土壤动物群落特征指数的影响。依据1.4 中公式，对农田及防护林各样地中型土壤动物群落的多样性、均匀度、优势度、丰富度等特征指数进行计算，结果见表3。比较相同浓度处理下农田和防护林中型土壤动物群落特征指数可以看出，个体数、类群数和丰富度指数表现为防护林高于农田，多样性指数和均匀度指数表现为农田高于防护林，优势度指数在未施氮肥处理下表现为农田高于防护林，在氮肥处理的样地表现为防护林高于农田。说明不论是否施肥，农田中型土壤动物个体数、类群数和丰富度均低于防护林样地，而多样性和均匀性指数则高于防护林样地。

表3 农田与防护林不同处理样地中型土壤动物群落特征指数

各行相同字母表示差异不显著（P＞0.05）

对农田和防护林不同施氮肥浓度样地中型土壤动物群落特征指数进行比较分析，农田样地多样性和均匀度指数均表现为TN2最高，TN0最低，优势度表现为TN0最高，TN1最低，丰富度指数表现为TN1 最高，TN2 最低；防护林样地多样性最高为LN3，最低为LN2，均匀度指数最高为LN0，最低为LN2，优势度指数最高为LN0，最低为LN2，丰富度指数最高为LN3，最低为LN0。整体看不同浓度氮肥处理的农田和防护林样地表现出的规律性不明显，但分别对农田和防护林分析可以看出，农田样地的多样性指数、均匀度指数在中等浓度施氮肥（TN2）为最高，在不施氮肥（TN0）情况下最低；防护林则于此与此相反，说明氮肥处理对中型土壤动物群落结构变化与原有群落环境有很大关系。

差异性分析可以看出，只有均匀度指数在农田和防护林表现出显著差异性（F=23.886，P=0.03），多样性指数、优势度指数和丰富度指数在农田和防护林的差异性均不显著（P＞0.05）；对不同浓度处理样地群落特征指数进行差异性分析，除个体数量和均匀度指数在不同浓度处理样地间存在显著差异外，群落类群数、多样性指数、均匀度指数、丰富度指数在各样地均没有显著差异性。

（三）施氮肥对农田及防护林中型土壤动物群落垂直结构的影响。对农田和防护林各样地中型土壤动物个体数和类群数量分层进行统计结果见表4，可以看出农田中型土壤动物个体数量除高浓度氮肥（TN3）表层较低外，其它都具有明显的表聚性特征；类群数在TN0 和TN3 表层较小，TN2，TN3 表层显著高于下层。对农田中型土壤动物个体数和类群数在不同土层之间差异性进行分析显示二者在各土层之间均不具有显著差异性（F=1.644，P=0.246；F=0.148，P=0.856）；防护林各样地的个体数量均表现出由表层向下减少的表聚性特征，类群数在LN0 和LN3 表层低于下层，LN1，LN2 表层高于下层，差异性分析显示防护林中型土壤动物个体数和类群数在不同土层之间均具有显著差异性（F=11.121，P=0.001；F=4.644，P=0.023）。

表4 农田和防护林不同处理样地中型土壤动物个体密度和类群数量的垂直结构

对农田和防护林各土层（凋落物层除外）中型土壤动物个体数和类群数进行差异性分析，结果显示在0-5cm、5-10cm层，个体数和类群数均不具有显著差异（P＞0.05）；在10-15cm层类群数差异显著（F=11.308，P=0.015），个体数差异不明显（F=0.187，P=0.680）。

（四）施氮肥不同时间后中型土壤动物群落结构的变化。对施肥后1个月、3个月、5个月农田和防护林各处理样地中型土壤动物个体数和类群数进行统计（表5），从表中可以看出农田个体数量除TN2为施肥5个月最高，1个月最低外，其他均表现为施肥后1个月最高，施肥5个月数量最低；农田类群数也表现出大致相同的规律，TN2 为1 个月＞5 个月＞3 个月，其他样地表现为1个月＞3个月＞5个月的特点；防护林个体数在LN0为3个月＞5 个月＞1 个月，LN3 为5 个月＞3 个月＞1 个月，在LN1 和LN2样地表现为1个月＞3个月＞5个月，类群数除LN0为5个月＞3个月＞1个月外，其他都是1个月＞3个月＞5个月。说明在农田和防护林均表现出随着施肥后时间的增长，中型土壤动物个体数和类群数降低的趋势。

表5 农田和防护林氮肥处理后不同时间中型土壤动物群落结构

对各月农田与防护林间的个体数和类群数进行差异分析，施肥1 个月后农田和防护林中型土壤动物个体数和类群数具有显著差异性（F=10.069，P=0.019；F=11.368，P=0.015），施肥3 个月后二者间的个体数和类群数差异也很显著（F=8.226，P=0.028；F=12.115，P=0.013），施肥5 个月后二者之间个体数和类群数差异性不显著（F=4.325，P=0.083；F=2.305，P=0.180）。

三、结论与讨论

对氮肥处理的农田和防护林中型土壤动物进行调查，共获得中型土壤动物14672 头，隶属于环节动物和节肢动物2门5 纲16 目，共50 个类群，其中农田样地中捕获中型土壤动物为34 类，4301 头，防护林样地捕获中型土壤动物为44 类10371 头。

农田和防护林个体数和类群数量相差较大，防护林总个体数量远高于农田样地，是农田样地个体数量的2倍以上，类群数也表现出防护林高于农田的特点，差异性分析显示农田和防护林个体数和类群数均有显著差异性，这与农田和防护林不同的环境条件有关，也印证了防护林作为农田区域生物多样性的物种资源库的价值所在。

农田中型土壤动物群落表现出中等浓度氮肥施加样地（TN1、TN2）个体数和类群数较高，而高浓度氮施样地（TN3）较低的现象，说明N肥对中型土壤动物群落个体数和类群数影响具有一定的阈值现象，这与很多学者的研究结果具有一致性[8,14,15]，也符合中等干扰理论学说的结论[16,17]，但在防护林却表现出较高浓度氮肥干扰（LN3）和不受氮肥干扰（LN0）样地中型土壤动物个体数和类群数较高，中等浓度氮肥干扰（LN1，LN2）个体数和类群数偏少的现象，这可能与防护林土壤中氮含量相对较高有关系。农田样地的多样性指数和均匀度指数表现出中等浓度氮肥干扰样地（TN2）较高，不受氮肥干扰样地（LN0）较低的现象，也显示出一定阈值现象，防护林则有与农田表现相反的特征；对比农田和防护林中型土壤动物群落特征指数显示，不论是否有氮肥干扰，农田中型土壤动物多样性和均匀性指数均显著高于防护林样地，而丰富度低于防护林样地，这也说明氮肥对中型土壤动物群落结构的干扰与原有土壤环境具有很大的关系。

农田和防护林中型土壤动物个体数和类群数表现出表层高于下层的表聚性特点，这与土壤养分由表层向下降低有关[18,19]，但也有样地表现为下层高于表层的现象，尤其是在农田样地，由于人为耕作使不同土层之间相互扰动，使不同土层间养分差异不大，各层次间土壤动物个体数和类群数差异也不显著，而防护林样地由于人为对不同土层扰动较少，使个体数和类群数在不同土层间差异性显著。

施肥后不同时间中型土壤动物个体数量和类群数量在农田和防护林有大体相同的变化趋势，表现出1个月＞3个月＞5个月的规律，即，随着施肥后时间的增长，农田和防护林个体数和类群数都逐渐降低。这可能与氮肥逐渐消耗减少有关，此外也可能与不同取样季节水热状况的差异有关，由于对土壤样品理化性质只在施肥一个月后测定了1次，且没有对实验年份样地温度和降水等气候因子进行记录，故随着施肥后时间增长中型土壤动物群落个体数和类群数减少的变化规律是否具有普遍性还需要后续试验进一步验证。