不同比例猪粪沼液配施对小麦土壤线虫群落结构的影响

齐俊 余夏薇 黄静 张坤 张鑫 郭肖颖 胡淑恒

摘要： 为探究猪粪沼液施用对小麦土壤线虫群落结构影响，试验设置了对照CK（不施肥）、T30（沼液110 t/hm2，化肥1.2 t/hm2）、T50（沼液180 t/hm2，化肥0.9 t/hm2）、T70（沼液250 t/hm2，化肥0.55 t/hm2）4个处理，比较不同比例沼液施用对土壤养分变化及土壤线虫群落的差异。结果表明，与不施肥相比，沼液不同比例施用土壤有机质、全氮、全磷和全钾含量提升明显，T50处理小麦土壤肥力达到最佳水平。与不施肥相比，沼液施用有助于土壤线虫总数量的提升，T50处理更有利于食细菌等有益线虫生长，而抑制植食性有害线虫的繁殖，且土壤线虫生长与土壤养分因子间联系密切。不同比例沼液施用自由线虫成熟度指数（MI）值较不施肥处理均有所提升，植食性线虫成熟度指数（PPI）值在1.10～1.60，T50处理时PPI值达到最低值，说明土壤受干扰程度小、稳定性增加，而T70处理瓦斯乐斯卡指数（WI）值小于1，不利土壤系统维持稳定。本试验条件下，T50（沼液180 t/hm2，化肥0.9 t/hm2）处理能够有效提高土壤肥力，平衡不同食性土壤线虫占比，使得土壤生态环境趋向健康稳定，可为当地猪粪沼液的高效利用和土壤的健康运行提供理论参考依据。

关键词： 施肥；沼液；土壤肥力；土壤线虫；线虫群落结构

中图分类号：S154.38+6；S181；S512.106  文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2024）02-0228-07

土壤动物在农田生态系统中的作用不容忽视，土壤养分的转化、储存和释放以及微生物环境和土壤物理特性的变化，都与土壤动物的生存、取食和活动密切相关［1-4］。线虫作为一种最为常见的土壤动物，因其易鉴别、世代周期短、对生境的快速反应等特性，经常被当作土壤生态系统敏感的指示生物［5-6］。研究表明，土壤线虫在土壤食物网中占据多个营养级［7］，并直接参与土壤有机质分解、养分转化和能量传递，其线虫生态指数能够反映生态系统中独特的信息［8］。因此开展对农田生态系统中土壤线虫的调查研究，对揭示土壤健康状况、土壤生态系统演替或受干扰程度和指导农田施肥措施、改良土壤等方面具有十分重要的现实意义［9］。

随着畜禽养殖业的规模化发展，畜禽粪污大量产生，经厌氧发酵后的畜禽粪污沼液因其富含N、P、K等多种植物需要的养分元素，具有肥效高、易被作物吸收等特点，可以充当有机肥料，对土壤肥力的改良、农作物产量和品质的提升有着积极作用［10-11］。Xu等在水稻—油菜轮作沼液施用研究中发现，合适比例沼液（165.1、182.1 t/hm2）灌溉可增加土壤孔隙度，有利于土壤团粒结构上微生物的附着，同时土壤肥力也得到提升［12］。李国亮等研究发现，合理沼液施用对提高玉米（45 t/hm2）和小麦（60～75 t/hm2）产量、提升葡萄在果穗数以及单株产量有着积极作用［13］。虽然畜禽沼液在农田施肥管理上有诸多优势，但由于气候、土壤条件和沼液理化性质等在各地区差异较大，很多地方缺乏合理科学的施肥管理经验，使得沼液肥料化利用率不高，以及严重时会导致作物品质下降和土壤环境污染等问题［14］。目前，国内外对沼液利用的研究主要集中在对土壤物理特性的改变、作物品质的提升和土壤病虫害控制等方面，缺乏深入、系统性的理论研究，特别是对沼液施用后土壤环境中的线虫动物的影响研究较少［15］。

本研究通过大田试验，设置了不同比例的猪粪沼液施用处理，明确了不同比例沼液施用对土壤养分的影响，对土壤线虫的数量、营养类群结构组成以及線虫生态指数变化进行了评估，旨在为当地猪粪沼液的高效利用和农田土壤生态系统的健康运行提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本试验基地位于安徽省阜阳市颍上县六十铺镇（32°46′4″N，116°3′18″E），该地为淮北地区的典型冲积平原，处于北温带和亚热带的过渡地带，年平均温度为15 ℃，年降水量904.6 mm，土壤类型为棕壤。试验区建有猪舍5 000 m2，黑膜沼液池4 000 m2，氧化塘4 000 m2，年产猪粪沼液约3万t。

试验区按随机分区布置，设计4个施肥单元，每个处理单元重复3次，每个单元占地2 000 m2，试验始于2020年7月，设置了对照组CK（不施肥）、T30（沼液110 t/hm2，化肥1.2 t/hm2）、T50（沼液 180 t/hm2，化肥0.9 t/hm2）、T70（沼液250 t/hm2， 化肥 0.55 t/hm2）4个处理。沼液理化性质为：全盐量 1 620 mg/L，pH值7.52，化学需氧量1 030 mg/L， 总氮含量521 mg/L，总磷含量45.3 mg/L。沼液统一作冬麦基肥，采用管网配设流量计一次性定量施入，化肥经称质量后人工一次性施入，化肥采用氮磷钾复合肥（肥料中的N、P2O5、K2O含量均为15％）。为防止沼液施用后田间交互影响，田间垄沟采用塑料薄膜隔离。农田田间管理同一般大田生产，种植制度为冬麦—夏玉米轮作。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤样品采样

2021年7月采集成熟试验区小麦土壤样品。土壤采用“S”形五点采样，所采集的土层深为0～20 cm，每个取样区域收集5份样点混样，取样量为500 g。将采集的土壤样品放入事先准备好的塑料袋内，并将其编号，保存于4 ℃冰箱中。所采集样品一部分用于土壤线虫研究，另一部分经风干、研磨和过筛后用于土壤理化性质测定。

1.2.2 土壤化学性质测定

测定土壤中的总氮（TN）、总磷（TP）、总钾（TK）、有机质（SOM）、速效养分含量及pH值，测定方法参照《土壤农化分析》［16］。

1.2.3 线虫的分离与鉴别

利用线虫的趋水性和密度差异性，采用蔗糖离心法对土壤中线虫进行分离［17］。其操作方法如下：称取50 g新鲜土壤于离心管中，加100 mL水，混合均匀，用离心机以 2 000 r/min 离心5 min，然后弃上清液，加入蔗糖溶液（0.8 g/mL）搅拌均匀，再次以1 000 r/min离心1.5 min，把上清液倒入烧杯中，用水清洗过400、500目试验筛，收集分离出的线虫经过24 h饥饿处理，经TAF固定液（蒸馏水91 mL、三乙醇胺2 mL、40%甲醛7 mL）固定后，通过OLYMPUS光学显微镜对线虫进行计数，并对其进行形态学属的分类。每个处理取50 g新鲜土中分离出的线虫，按土壤含水率换算为100 g的干土中的线虫，每个处理重复3次。根据尾部形态、线虫头部及取食特点，将线虫分为四大营养类群：食细菌线虫（Ba）、食真菌线虫（Fu）、植食性线虫（PP）、杂食/捕食性线虫（OP）。线虫的种属鉴定参见《中国土壤动物检索图鉴》［18］。

1.2.4 土壤线虫生态学指数的计算

土壤线虫主要生态指数计算如下：（1）Shannon-Wiener多样性指数：H′=-∑pi×lnpi，式中：pi为第i个分类单元中线虫数占线虫总数的比值。（2）自由生活线虫成熟度指数：MI=∑（c-pi）×pi。（3）植物线虫成熟度指数：PPI=∑（vi×fi）。上式中c-pi、vi分别为自由生活线虫、植食性线虫根据不同生活策略分别赋予的c-p值；fi为第i种线虫的个体数占群落总个体数的比例。（4）瓦斯乐斯卡指数：WI=（Ba+Fu）/PP，式中：Ba、Fu和PP分别表示食细菌线虫、食真菌线虫和植食性线虫数量。（5）富集指数：EI=100×e/（e+b），结构指数：SI=100×s/（s+b），式中：b指Ba2和Fu2两类群，e指Ba1和Fu1两类群，s代表食物网结构成分，包括Ba3-5、Fu3-5、OP3-5、Ca2-5类群（分别为食细菌线虫、食真菌线虫和杂食线虫中c-p值3～5的类群以及捕食线虫中c-p值为2～5的类群）。

1.3 数据统计与分析

在Excel 2010中开展数据统计， 利用SPSS 25.0进行方差分析和土壤肥力综合得分主成分分析，采用origin 2018软件对所得数据进行图形处理分析，使用R语言软件Corrplot程序包进行相关性热图分析。

2 结果与分析

2.1 不同比例沼液施用对土壤养分的影响

2.1.1 不同比例沼液施用对土壤理化性质的影响

由表1可知，不同比例沼液施用土壤有机质含量提升明显，T70处理土壤有机质含量达到最大值，较不施肥处理显著提高47.13%（P<0.05）。土壤总氮、总磷（除T30处理外）和总钾含量随着沼液施用量增加均得到不同程度提高。土壤有效磷和速效钾含量均在T50处理时最高，与不施肥处理相比，T30、T70处理有效磷和速效钾养分含量均降低。经不同沼液处理，土壤pH值在5.12～5.17之间，与CK处理差异不明显。

2.1.2 不同比例沼液施用土壤肥力水平分析

土壤的基础是肥力。本研究土壤肥力水平分析选取有机质（SOM）、总氮（TN）、总钾（TK）、pH值、速效磷（AK）和速效钾（AP）共7个土壤养分因子，采取PCA为提取方法进行主成分分析［19］。数据经标准化处理，共提取出3个主成分，主成分1特征值2.842，方差贡献率为40.60%，主要与SOM、TN有着正密切相关（表2），其载荷因子均＞0.8。主成分2特征值1.721，方差贡献率为24.57%，主要与TK和pH值密切正相关，其载因子载荷均＞0.6。主成分3特征值1.337，方差贡献率为19.10%，主要与TP有着密切正相关（载荷因子在0.5水平以上）。

根据主成分分析原理，按照得分系数矩阵结合各主成分贡献率计算出各土壤因子下土壤肥力得分：F=0.406 0F1+0.245 9F2+0.191 0F3，式中F1、F2、F3为各主成分得分权重（表3），得分F值越小，表明土壤肥力越低，反之越高。不同施肥处理下，土壤肥力等级高低顺序为：T50＞T70＞T30＞CK，说明CK处理土壤肥力最低，各不同比例沼液施用均不同程度地提高了土壤肥力，尤其T50处理，土壤肥力达到最高水平，其次为T70和T30处理。

2.3 不同比例沼液施用對土壤线虫群落结构的影响

2.3.1 不同比例沼液施用对土壤线虫总数和营养类群的影响

由图1可知，不同施肥处理土壤线虫营养结构存在较大差异。 本试验观测出土壤线虫数量1 466条/100 g干土。各不同施肥处理土壤线虫总数变化顺序为：T50＞T30＞T70＞CK（图1-a），说明不同比例沼液处理土壤线虫总数均高于CK处理，且T50处理土壤线虫数量最高（P<0.05）。

食细菌线虫和植食性线虫在各施肥处理土壤线虫总数中起决定作用（图1-b），其中食细菌线虫在土壤营养类群中占21%～38%，植食性线虫丰度为43%～61%，食真菌线虫和杂食/捕食性线虫丰度较低。随着沼液施用比例增加，T50处理食细菌线虫丰度明显提高，T30和T70处理食细菌线虫丰度较CK处理均有所降低。植食性线虫丰度变化趋势与食细菌线虫相反，在T50处理植食性线虫丰度最低，T30和T70处理植食性线虫丰度较CK处理均有所提升。与CK处理相比，随着沼液的施用，杂食/捕食性线虫（除T30）丰度比例呈上升趋势，食真菌线虫丰度有所下降。

2.3.2 不同比例沼液施用对小麦土壤线虫营养类群及组成的影响

由表4可知，本研究共鉴定出线虫属26个，其中食细菌线虫7属，食真菌线虫4属，植食性线虫7属，捕食/杂食性线虫8属。结果表明，不同施肥处理真头叶属、短体属和丝尾垫刃属均为优势属，本试验中小麦土壤短期不同比例沼液施用，并未明显改变小麦土壤线虫优势种属。

2.3.3 不同比例沼液施用对土壤线虫生态指数的影响

由表5可知，不同施肥处理土壤线虫生态指数存在差异。与不施肥（CK）相比，不同比例沼液施用，自由生活线虫成熟度指数（MI）均得到不同提升，T70处理MI较CK处理提高43.14%（P<0.05）。T50处理植食性线虫成熟度指数（PPI）值达到最低水平，较CK处理降低10.57%（P<0.05），T30和T70处理PPI均高于CK处理。不同比例沼液施用瓦斯乐斯卡指数（WI）在T50处理达到最高值，T70处理显著低于CK处理（P<0.05）。线虫多样性指数（H′）在不同施肥处理差异不明显。与不施肥（CK）相比，不同比例沼液施用线虫富集指数（EI）和结构指数SI均高于CK，其值均超过50，EI差异显著。

2.4 土壤线虫与土壤养分间的相关性分析

由图2可知，土壤肥力F与土壤线虫总数、杂食/捕食线虫数量、食细菌线虫数量呈正相关，与植食性线虫数量呈极显负相关（P<0.01）。就各具体土壤养分因子而言，不同施肥土壤线虫总数与土壤总钾、磷（P<0.05）含量呈正相关，与土壤有机质、速效钾含量呈负相关（P<0.05）。食细菌线虫数量与土壤有机质、总氮含量呈负相关，与土壤pH值及总磷、总钾含量呈正相关。植食性线虫与土壤有机质含量呈正相关，与总磷、有效磷和速效钾含量呈负相关。此外，杂食/捕食类线虫数量与土壤总氮、总磷含量呈正相关。

3 讨论

3.1 不同比例沼液施用对土壤养分的提升

沼液作为一种高效液态有机肥料，合理的施用能提高土壤孔隙度，改善土壤结构，沼液中丰富的营养物质对土壤有机质和养分含量有着显著提升作用［20］。樊文华等研究认为，与不施肥相比，施用沼肥土壤有机质含量增加9.8%～31.9%，而氮素含量增加10%［21］。在本试验中，随着沼液施用比例的提高，土壤中有机质、总磷、总钾（除T30处理外）含量较不施肥处理均得以显著提升，这与前人研究结论一致。主成分分析发现，土壤有机质、总氮、总钾、pH值等是土壤肥力组成的关键因子，T50（沼液170 t/hm2，化肥0.9 t/hm2）处理时肥力达到最佳，说明合适比例沼液施用对改善土壤养分含量、提升土壤肥力有着积极作用。

3.2 土壤线虫总数和营养类群对不同比例沼液施用的响应

土壤线虫作为一种敏感指示生物，对土壤环境改变反应迅速，能够有效指示土壤生态系统的变化状况［22］。在农田生态系统中，外界资源输入引起土壤养分的变化，是影响土壤线虫多样性和线虫群落组成变化的主要原因［23］。大量研究表明，施用有机肥能够显著提高土壤线虫总数［24］。胡诚等研究认为，施化肥土壤线虫数量降低明显，而有机肥施用则能显著增加土壤线虫数量［25］。在本试验中，与不施肥（CK）相比，不同比例沼液施用均不同程度增加土壤线虫总数，这与前人研究结果一致，说明对农田系统进行有机肥管理能够促进土壤线虫的生长［26］。施肥能够有效提升土壤养分，为线虫提供更为广泛的食物来源，这有利于平衡土壤中不同食性线虫比例［27］。叶成龙等研究认为，有机料与化肥配施对食细菌线虫（有益线虫）繁殖起到促进作用，而植食性线虫（有害线虫）数量下降明显［28］。在本研究中，在T50处理（沼液170 t/hm2，化肥0.9 t/hm2）时，食细菌线虫丰度明显增加，植食性线虫繁殖受到抑制效果明显；T30和T70处理较不施肥处理食细菌线虫丰度有所下降，植食性线虫得到有效繁殖。这与前人研究结果［29］存在一定差异，可见对植食线性虫的抑制作用与沼液用量有关。研究发現不同比例沼液施用（T30除外）杂食/捕食线虫丰度提升明显，这主要是沼液施用为杂食/捕食线虫提供了更多的土壤食物来源［30］。

3.3 土壤线虫生态学指数对不同比例沼液施用的响应

线虫的生态指数可反映土壤线虫群落和结构的差异，以及土壤在不同施肥处理后土壤受干扰程度。本试验主要研究了MI、PPI、WI、H′、SI和EI 共6种生态指数。自由线虫成熟度指数（MI）和植食性线虫成熟度指数（PPI）常用于评价土壤生态系统的受外界干扰程度，MI越高表明土壤受干扰程度越小［31］，而PPI同时与土壤肥力和生产力有着密切关系，PPI越低则土壤环境稳定性愈高［32］。大量研究显示，施有机肥能够显著改善土壤中的线虫群落成熟度指数，减少外界环境变化对土壤的扰动［33-34］，本研究中不同比例的沼液施用较CK处理MI值有所提升的结论与之一致。在T50处理（沼液 170 t/hm2， 化肥0.9 t/hm2）时，PPI指数达到最低值（P<0.05），说明T50处理更有利于土壤环境维持稳定，结合土壤肥力在T50达到最佳水平（表3），也初步证实PPI用来指示土壤肥力的可行性。瓦斯乐斯卡指数（WI）可用来反映土壤健康状况，值越小则土壤健康状况越差，本研究中，T70处理WI＜1，达到显著性最低水平，说明较高量沼液处理T70（沼液250 t/hm2，化肥0.55 t/hm2）施用不利于土壤的健康稳定。研究发现，沼液不同比例的施用线虫富集指数（EI）得以显著提高，说明合理比例沼液施用能够改善土壤养分富集状况，为线虫提供更为丰富食物来源［35］，线虫结构指数（SI）也有所提升，但不明显。

3.4 土壤线虫与施肥后土壤养分变化间的关系

在以施肥为主要管理措施的农田生态系统中，土壤生物与土壤养分因子联系密切，多表现出对土壤环境的选择适应性。有研究指出，高养分含量的环境条件更适合较高c-p值的线虫类群（对环境压力敏感线虫属）生存［36］，例如食细菌线虫和杂食捕食线虫的生长依赖于充足的食物来源。在本试验中，不同比例沼液施用，以土壤有机质、总氮、总钾等为关键养分因子的土壤肥力F与线虫总数、食细菌线虫数量密切正相关，进一步证实了合适比例沼液（沼液170 t/hm2，化肥0.9 t/hm2）施用对土壤肥力的改善，有利于土壤线虫数量的提升。植食性细菌线虫数量与土壤肥力呈极显负相关，这可能与土壤肥力的提升促进了食细菌线虫的生长，使其占据有利生态位，进而抑制了植食性线虫的繁殖有关［37］。

4 结论

本研究针对不同比例沼液施用对小麦土壤养分和线虫群落结构的影响进行研究。得到以下结论：（1）沼液一定比例的施用有利于土壤养分的改善和肥力的提升，且在T50（沼液180 t/hm2，化肥0.9 t/hm2）时，土壤肥力达到最佳水平。（2）不同比例沼液施用能够显著增加土壤线虫总数，特别是在T50处理时，食细菌等有益线虫数量明显提升，植食性等有害线虫的繁殖受到抑制，且土壤线虫生长与土壤养分因子间联系密切。（3）结合线虫生态指数分析可知，不同比例沼液施用能够提高自由线虫成熟度指数MI值，T50处理时，植食性线虫成熟度指数PPI值最低，降低了对土壤环境的干扰程度，T70处理WI值小于1，不利于土壤维持稳定。

综合考虑，T50（沼液180 t/hm2，化肥0.9 t/hm2） 处理能够有效改善土壤养分、提升肥力，对平衡各不同食性线虫数量有着促进作用，有利于土壤维持稳定，可为当地猪粪沼液高效还田利用和土壤健康运行提供参考依据。

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收 稿日期：2023-03-09

基金項目：国家自然科学基金（编号：21407002）；安徽省自然科学基金（编号：1508085MB39）；农业农村部农村可再生能源开发利用重点实验室开放课题（编号：2018-007）。

作者简介：齐 俊（1995—），男，安徽铜陵人，硕士研究生，主要从事农业生态环境研究。E-mail：qjhfut@163.com。

通信作者：郭肖颖，博士，研究员，主要从事农业生态环境研究，E-mail：gxy2@mail.ustc.edu.cn；胡淑恒，博士，副教授，主要从事水污染治理、生态环境修复、环境规划与管理等研究，E-mail：hushuheng@hfut.edu.cn。