馬 南，錢瑞雪，楊慧敏，陳智文，蔣云峰

(吉林師范大學 旅游與地理科學學院，吉林 四平 136000)

隨著人們保護環(huán)境、節(jié)約資源、發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)意識的提高，保護性耕作越來越受到重視。通過少耕、免耕、地表微地形改造及地表覆蓋等措施可以增加土壤有機質(zhì)、改善土壤結(jié)構(gòu)、減少土壤侵蝕，達到生態(tài)效益、經(jīng)濟效益和社會效益三者協(xié)調(diào)發(fā)展的目的[1]。免耕和秸稈留茬還田是保護性耕作的兩種措施[2-3]：免耕技術(shù)避免了機械對土壤的壓實和耕作對土壤結(jié)構(gòu)的破壞，改善了土壤物理性狀；秸稈留茬還田是在收割農(nóng)作物時，秸稈留茬一定高度，其余切碎均勻鋪撒在農(nóng)田表面，可起到防風蝕保水分、疏松土壤、增加有機質(zhì)、改良土壤理化性狀等作用。

中小型土壤動物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分，是土壤生態(tài)系統(tǒng)中重要的消費者和分解者[4-5]，通過生存、攝食和活動不僅可以促進生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化、有機物質(zhì)的歸還，還可維持土壤結(jié)構(gòu)[6]，提高植物對土壤營養(yǎng)物質(zhì)的有效利用。中小型土壤動物個體數(shù)量大，世代更替快，具有對環(huán)境變化響應敏感等特點，可作為判斷土壤環(huán)境變化的重要指標[4]。近幾年，隨著土壤動物生態(tài)學和農(nóng)田土壤可持續(xù)利用研究的深入，有關土壤動物對耕作方式響應的研究逐漸受到關注。國內(nèi)已有的關于保護性耕作對土壤動物群落影響的研究多是基于免耕秸稈覆蓋條件[7-8]，而對免耕秸稈留高茬還田方式的研究則相對較少。基于此，本文以中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所設置在吉林省梨樹縣的保護性耕作研發(fā)基地為研究區(qū)，分析中小型土壤動物對免耕和秸稈留高茬還田的響應特征，以期為保護黑土區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性和完善耕地可持續(xù)利用管理提供土壤動物學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗樣地概況

圖1 2015年梨樹縣各月降水量及平均氣溫Fig.1 Mean temperature and total precipitation monthly in Lishu County in 2015

試驗設在中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所梨樹縣保護性耕作研發(fā)基地(43°19′N，124°14′E)。該地區(qū)屬溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年平均氣溫6.9 ℃，最熱月為7月，月均溫23 ℃，最冷月為1月，月均溫-13.5 ℃。年平均降水量614 mm，主要集中在6—9月，占全年降水量的65%。試驗當年(2015年)月均溫和月累計降水量如圖1所示，基本與常年氣溫及降水持平。研究區(qū)土壤類型為中層黑土，壤質(zhì)黏土。樣地自2007年4月開始建立，至2015年4月取樣，已布設8 a。該基地建立前，經(jīng)歷了多年的以玉米連作為主的常規(guī)耕作。

1.2 試驗設計

試驗小區(qū)采用隨機區(qū)組設計，設置3種處理：免耕(NT)，秸稈留高茬(SS)，常規(guī)耕作(CT)。每種處理3個重復，共9個小區(qū)，每小區(qū)規(guī)格8.7 m×30 m。免耕處理除播種外全年不擾動土壤；秸稈留高茬處理在秋季收獲時，秸稈留茬50 cm；常規(guī)耕作處理為對照，秋季收獲留茬15 cm，剩余秸稈全部移出地表，起壟作業(yè)，除播種、施肥外，不再擾動土壤，壟高15 cm，壟距60 cm。3種處理施肥總量相同，免耕所需化肥在播種時通過免耕播種機直接施入。免耕和常規(guī)耕作氮肥施用量為234 kg·hm-2，磷(P2O5)肥和鉀(K2O)肥施用量均為108 kg·hm-2。2015年分3次(4月、7月、10月)對各樣地取樣，測得的土壤含水率如表1所示。

1.3 試驗方法

于2015年4月、7月和10月，在免耕、秸稈留高茬和常規(guī)耕作樣地上進行中小型土壤動物取樣。每個小區(qū)內(nèi)按對角線選3個取樣點，取樣面積10 cm×10 cm，分為0～5、5～10、10～15 cm 3層取樣。采集到的土樣帶回實驗室，利用Tullgern方法收集中小型土壤動物樣品，得到的中小型土壤動物樣品保存在75%(體積分數(shù))乙醇溶液中，顯微鏡觀察，依據(jù)《中國土壤動物檢索圖鑒》[9]、《昆蟲學》[10]進行分類鑒定。

表1 各處理樣地土壤含水率Table 1 Soil moisture content of samplings

1.4 數(shù)據(jù)處理

將獲得的中小型土壤動物個體數(shù)量換算成密度(只·m-2)，并按各類群密度占總密度的比例劃分優(yōu)勢度，10%以上為優(yōu)勢類群，1%～10%為常見類群，1%以下為稀有類群。中小型土壤動物群落分析主要選擇Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)、Margalef豐富度指數(shù)(D)、Pielou均勻度指數(shù)(E)。

參照Wardle[11]討論主要土壤動物類群對不同耕作方式的響應，計算公式如下：

V=2MCT/(MCT+MNT)-1。

(1)

式(1)中MCT和MNT分別表示某種類土壤動物在常規(guī)耕作和保護性耕作(免耕或秸稈留高茬)條件下的豐富度。當V=-1時，動物只在保護性耕作條件下出現(xiàn)；當V=1時，動物只在常規(guī)耕作條件下出現(xiàn)；當V<-0.67時，動物受耕作重度抑制；當-0.670.67時，動物受耕作重度激發(fā)。

采用單因素方差分析(ANOVA)對各處理間不同取樣時期土壤樣品中的中小型土壤動物群落特征差異進行分析，對有顯著差異的數(shù)據(jù)采用Duncan法進行多重比較。對不服從正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，利用lg(x+1)進行轉(zhuǎn)換。所有數(shù)據(jù)處理和分析過程在SPSS 17.0和Excel 2016軟件平臺上進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤動物群落組成及數(shù)量特征

在3種處理樣地中，共獲取中小型土壤動物18 309只，隸屬于2門6綱16目(表2)。3種處理樣地中小型土壤動物類群組成不同：CT獲土壤動物21類，優(yōu)勢類群為甲螨、球角跳科和革螨，常見類群為等節(jié)跳科、擬亞跳科、輻螨和線蚓，稀有類群為長角跳科、鋏尾蟲科等14類；SS獲土壤動物26類，優(yōu)勢類群為甲螨、球角跳科和等節(jié)跳科，常見類群為革螨和擬亞跳科；稀有類群為輻螨、線蚓、長角跳科等21類；NT獲土壤動物24類，優(yōu)勢類群為甲螨和球角跳科，常見類群為等節(jié)跳科、革螨、擬亞跳科和輻螨，稀有類群為線蚓、長角跳科、鋏尾蟲科等18類。

2.2 中小型土壤動物群落結(jié)構(gòu)特征比較

對3種處理的土壤動物個體密度、類群豐富度、多樣性和均勻度指數(shù)進行方差分析(圖2)。結(jié)果顯示，土壤動物個體密度4月SS處理顯著(P<0.05)高于CT和NT處理，7月和10月NT高于其他處理，但差異未達到顯著性水平。Margalef豐富度指數(shù)(D)，4月NT顯著(P<0.05)高于其他處理，7月SS顯著(P<0.05)高于NT，但與CT無顯著差異，10月各處理間無顯著差異。Shannon-Wiener指數(shù)(H′)與Pielou均勻度指數(shù)(E)，各處理均表現(xiàn)為4月NT顯著(P<0.05)高于SS，與CT差異不顯著，7月SS顯著(P<0.05)高于CT和NT，10月各處理間無顯著差異。由以上分析可知，4月秸稈留高茬處理相對提高了土壤動物的密度，7月秸稈留高茬提高了土壤動物的豐富度、多樣性和均勻度。

2.3 主要土壤動物類群的變化

本研究中，甲螨、革螨、輻螨、彈尾目、鞘翅目和線蚓的個體數(shù)量占總個體數(shù)的99.34%，據(jù)此將其選為主要土壤動物類群。其中，彈尾目包括球角跳科、等節(jié)跳科、擬亞跳科、圓跳科和長角跳科，鞘翅目包括擬步甲科、步甲科、金龜子科、金龜子科幼蟲、小蠹科、蟻甲科、隱翅蟲科、隱翅蟲科幼蟲、露尾甲科幼蟲、步甲科幼蟲、叩甲科幼蟲、出尾蕈甲科。方差分析結(jié)果顯示，除鞘翅目外(圖3)，各類土壤動物的個體密度在3種處理間均具有顯著差異(P<0.05)。甲螨4月份SS顯著(P<0.05)高于CT和NT，7月和10月NT高于其他處理，但差異不顯著；革螨4月SS顯著(P<0.05)高于NT；輻螨10月CT顯著(P<0.05)高于SS，但與NT無顯著差異；彈尾目10月SS和NT顯著(P<0.05)高于CT；線蚓10月NT顯著(P<0.05)高于CT和SS。整體來看，相對于常規(guī)耕作，免耕或秸稈留高茬處理有效增加了各類土壤動物的個體數(shù)量，甲螨、彈尾和線蚓具有明顯的季節(jié)變化，它們在各處理中的最高值均出現(xiàn)在10月。

表2 各處理樣地中小型土壤動物的群落組成Table 2 List of taxa，mean abundance and percentage of soil meso-microfauna collected at every plot

2.4 主要土壤動物類群對不同耕作方式的響應

利用V值分析主要動物類群對免耕和留茬耕作的響應(圖4)。相對CT：4月除輻螨和鞘翅目外，SS有效增加了各類中小型動物的個體數(shù)量(V<0)，而NT僅增加了輻螨和線蚓的數(shù)量；7月NT和SS分別增加了甲螨和鞘翅目，彈尾和線蚓的個體數(shù)量；10月除輻螨和SS處理下的線蚓外，NT和SS增加了各類土壤動物的數(shù)量。由此可見，相對于CT，SS和NT增加了主要土壤動物的個體數(shù)量，主要土壤動物類群對免耕和秸稈留高茬的響應具有季節(jié)變化。

同一月份不同處理間無相同小寫字母或同一處理不同月份間無相同大寫字母的表示差異顯著(P<0.05)。下同。Different treatments in the same time or the same treatment in different time marked by no same lowercase or uppercase letters indicated significant difference at P<0.05. The same as below.圖2 各處理樣地中小型土壤動物的個體密度、類群豐富度、多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)Fig.2 Density，group richness and diversity of soil meso-microfauna communities across every plot sampling sites

圖3 各處理樣地主要土壤動物的個體密度Fig.3 Density of major soil meso-microfauna communities across every plot sampling sites

圖4 各處理主要土壤動物類群的V值Fig.4 Comparison of V values of major groups of soil fauna under SS and NT treatments

3 討論

本研究顯示，免耕和秸稈留高茬處理提高了中小型土壤動物的個體密度和多樣性。各處理樣地中小型動物季節(jié)變化比較明顯。保護性耕作條件下，土壤中較高的有機質(zhì)含量為土壤動物提供了豐富的食物來源，加之穩(wěn)定的生存環(huán)境，都成為土壤動物生存和繁殖的重要條件，在一定程度上促進了土壤動物的生存和發(fā)展。

耕作是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的重要措施之一。耕作方式的改變會引起農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中土壤環(huán)境的改變，進而影響土壤動物群落結(jié)構(gòu)[12-13]。與常規(guī)耕作相比，保護性耕作可增加土壤水穩(wěn)性團聚體[14]，減少土壤溫度波動，增加土壤含水率[15-16]，這些變化都有利于土壤動物的生存，提高土壤動物數(shù)量和多樣性，穩(wěn)定群落結(jié)構(gòu)[17]。在本研究中，相對于常規(guī)耕作，玉米秸稈留高茬和免耕處理增加了土壤動物的個體密度、類群豐富度和多樣性，尤其是秸稈留高茬處理的土壤動物的類群豐富度和多樣性高于其他處理。這可能是由于秸稈留高茬處理不僅減少了對土壤的擾動，而且為土壤動物提供了穩(wěn)定、多樣的環(huán)境和豐富的食物來源[18]，適合多種土壤動物的生存和繁殖。

不同處理對中小型土壤動物群落的影響存在明顯的季節(jié)變化。研究區(qū)屬于溫帶半濕潤大陸性季風氣候，氣溫和降水季節(jié)變化明顯。4月溫度較低，降水較少，氣候干燥，秸稈留高茬可降低地表土壤的風蝕[18]，減少水分蒸發(fā)，增加有機物質(zhì)來源[19]，其中SS處理土壤動物的個體密度顯著高于其他處理樣地。7月溫度升高，降水增多，秸稈留高茬樣地土壤表面被秸稈覆蓋，可以攔截部分雨水并儲存在秸稈中，并減少土壤水分的蒸發(fā)，增加土壤水分。此外，豐富的玉米秸稈和雜草物質(zhì)不僅為土壤動物提供了多樣的生境，而且提供了食物來源，利于多種土壤動物的生存與發(fā)展。10月溫度降低，蒸發(fā)量少，土壤水分含量較高，為對水分依賴較高的土壤動物，如線蚓類，提供了良好的生存環(huán)境，其數(shù)量明顯增多，提高了中小型土壤動物的整體密度。

不同土壤動物類群對處理方式及季節(jié)變化的響應存在差異。甲螨數(shù)量在各處理樣地均為優(yōu)勢類群，尤其是7月和10月免耕處理中數(shù)量最多，這可能由于免耕處理為其生存提供了相對穩(wěn)定的生境和食物來源，但輻螨的數(shù)量則在受擾動的常規(guī)處理中較多，具體原因有待于進一步研究。10月份溫度開始降低，秸稈留高茬和免耕處理土壤水分含量較高，受水分因素影響較大的類群，如彈尾類[20-22]和線蚓個體密度顯著增高，且秸稈留高茬處理土壤中被微生物分解腐爛后的植物殘茬又為腐食性線蚓的生存和繁殖提供了有利的條件。鞘翅目在7月和10月個體密度較高，并多出現(xiàn)在秸稈留高茬和免耕處理中，與土壤環(huán)境穩(wěn)定及食物資源豐富有關，且占鞘翅目比重較高的步甲科具有冬眠的特性，而隱翅蟲能夠適應較低的溫度[23]，這也提高了10月份鞘翅目的數(shù)量。

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