李曉蘭, 相吉山, 張艾明, 徐 峰, 索良喜
(1.赤峰學(xué)院,內(nèi)蒙古赤峰 024000; 2.內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市敖漢旗農(nóng)業(yè)局,內(nèi)蒙古赤峰 024000)
地膜覆蓋技術(shù)在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的應(yīng)用,大幅提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量,并且一定程度上抑制了雜草和病蟲害的發(fā)生,由于該技術(shù)的眾多優(yōu)點(diǎn),使得該技術(shù)推廣迅速[1-2]。據(jù)1982—2005年《中國農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒》的數(shù)據(jù)可知,1981年農(nóng)作物覆蓋種植面積僅為1.5萬hm2,而2004年增加到1 200萬hm2,中國農(nóng)業(yè)信息網(wǎng)報道了2012年全國的地膜覆蓋面積達(dá)到 2 330萬hm2,地膜覆蓋面積約占總耕地面積的20%。內(nèi)蒙古自治區(qū)已經(jīng)有30多年的地膜使用歷史,從1986年后,內(nèi)蒙古糧食作物地膜覆蓋面積呈現(xiàn)增加趨勢[3]。玉米是內(nèi)蒙古的第一大糧食作物,2007、2011、2014、2015年播種面積分別為200萬、267萬、333萬、341萬hm2;2015年赤峰市玉米種植面積為55萬hm2,其中覆膜玉米面積已經(jīng)達(dá)到33萬hm2,占赤峰市總種植玉米面積的60%,近些年來赤峰市地區(qū)的玉米種植面積和地膜使用面積逐步擴(kuò)大,導(dǎo)致覆膜連作現(xiàn)象發(fā)生。
土壤線蟲是土壤動物區(qū)系中最豐富的無脊椎動物[4],是生態(tài)系統(tǒng)中最敏感的指示生物之一[5],土壤線蟲對有機(jī)物的分解、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和能量傳遞等過程均起重要作用[6],所以常被用來評估土壤環(huán)境變化及土壤健康狀況。隨著覆膜玉米連作面積的增加,土壤環(huán)境發(fā)生了怎樣的變化,土壤環(huán)境的變化對土壤生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生了怎樣的影響,覆膜玉米的長期連作是否會造成負(fù)面的影響,這些問題均須要給出較合理的解釋。本研究試圖利用土壤線蟲來分析覆膜連作造成的影響,旨在為合理推廣玉米覆膜技術(shù)和客觀評價覆膜所帶來的負(fù)面影響提供科學(xué)依據(jù)。
土壤樣品采自內(nèi)蒙古赤峰市敖漢旗(地理位置41°42′~43°09′ N、119°30′~120°52′ E)多年種植玉米的農(nóng)田。敖漢旗位于赤峰市東南部,是赤峰市的農(nóng)業(yè)大縣,該旗地處中溫帶,氣候類型為半干旱大陸性季風(fēng)氣候,年降水量在310~460 mm之間,該旗是國家商品糧基地和自治區(qū)產(chǎn)糧十強(qiáng)旗(縣)之一。
選取多年種植玉米的農(nóng)田18塊,即多年種植未覆膜玉米、2015年首次種植覆膜玉米(之前多年種植玉米但未覆膜)、連續(xù)覆膜種植玉米4年處理各6塊樣地。于2015年10月分別在18塊農(nóng)田內(nèi)采集0~20 cm土壤樣品,每塊農(nóng)田內(nèi)采用5點(diǎn)法采集樣品,混勻后帶回實(shí)驗(yàn)室放入4 ℃冰箱內(nèi),同時在大田內(nèi)用環(huán)刀采集土樣測定土壤容重和孔隙度。將部分土樣進(jìn)行土壤線蟲的提取和鑒定,另外一部分土樣風(fēng)干后測定土壤理化性質(zhì)。土壤因子主要包括土壤含水量(SMC,%)、土壤機(jī)械組成(沙粒含量SAN、粉粒含量SIL、黏粒含量CLA)、土壤容重(SBD,g/cm3)、土壤孔隙度(SP,%)、pH值、電導(dǎo)率(EC,μS/m)、陽離子交換量(CEC,mg/g)、土壤有機(jī)碳含量(SOC,g/kg)、土壤全氮含量(STN,g/kg)、土壤全磷含量(STP,g/kg)、土壤全鉀含量(STK,g/kg),所有指標(biāo)地測定采用中國土壤學(xué)會主編的《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[7]和鮑士旦主編的《土壤農(nóng)化分析(第三版)》[8]的方法。
線蟲的分離提取采用蔗糖梯度離心法,提取的線蟲用解剖鏡計(jì)數(shù),用奧林巴斯光學(xué)顯微鏡進(jìn)行科屬的鑒定,每個樣品隨機(jī)抽取100頭線蟲(不足100頭的全部鑒定)。
所有數(shù)據(jù)分析和作圖采用SPSS 16.5和Excel 2007軟件進(jìn)行。
連續(xù)種植玉米后,覆膜處理和未覆膜處理存在一定的差異性。從表1可以看出,3種不同處理顯著影響了土壤中全磷含量和沙粒含量,不同處理間均存在顯著差異(P<0.01)。覆膜4年與未覆膜和覆膜1年存在顯著差異的土壤因子有土壤含水量、電導(dǎo)率、粉粒含量、有機(jī)碳含量、全氮和陽離子交換量,方差分析表明,處理間也存在顯著差異(P<0.01),連續(xù)覆膜4年后13個土壤指標(biāo)有8個發(fā)生了顯著變化,占總測定土壤因子的61.5%。
表1 不同處理玉米田土壤因子變化特征
所有土壤樣品中總計(jì)鑒定出36個屬(表2),未覆膜、覆膜1年和覆膜4年分別含有34、33和30個屬線蟲。其中,擬麗突屬在所研究的3種處理的玉米田中均為優(yōu)勢屬,該屬的相對豐富度均大于5%;在未覆膜玉米田中優(yōu)勢屬還有巴茲爾屬、絲尾墊刃屬、墊咽屬、頭葉屬、真頭葉屬、索努斯屬;覆膜1年處理的優(yōu)勢屬還包括巴茲爾屬、絲尾墊刃屬、默林屬、真滑刃屬、麗突屬;覆膜4年處理的優(yōu)勢屬包括默林屬、墊咽屬、麗突屬、索努斯屬、真矛線屬、鹿角唇屬、短體線蟲屬。
不同處理間對線蟲總數(shù)和線蟲屬數(shù)產(chǎn)生了顯著影響(P<0.01)。覆膜1年與未覆膜處理比較均無顯著差異,但連續(xù)覆膜4年后造成了線蟲總數(shù)和線蟲屬數(shù)顯著降低(圖1、圖2)。
線蟲屬的相對多度與土壤因子之間的關(guān)系如圖3、圖4所示,2種排序方法得到的線蟲屬相對多度、與環(huán)境因子之間的關(guān)系存在一定的差異性。在RDA和CCA 2種排序結(jié)果中,只有沙粒含量與軸1之間具有顯著的正相關(guān)性;含水量、電導(dǎo)率、有機(jī)碳含量、全氮含量、全磷含量和粉粒含量與軸1呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)性;但軸2與土壤因子的關(guān)系卻發(fā)生了很大的變化,在RDA排序中,軸2與黏粒含量和孔隙度有較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性,與土壤容重有較強(qiáng)的正相關(guān)性,同時軸2與土壤pH值和全鉀含量均呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)性,而在CCA排序中土壤pH值和全鉀含量與軸2卻呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)性。
表2 不同處理的玉米田土壤中線蟲群落組成(相對多度)
從線蟲屬相對多度與土壤因子之間的關(guān)系看,土壤含水量(SMC)、電導(dǎo)率(EC)、粉粒含量(SIL)、有機(jī)碳含量(SOC)、全氮含量(STN)、全磷含量(STP)和陽離子交換量(CEC)與巴茲爾屬(Bas)和絲尾墊刃屬(Fil)的相對多度均有較密切的正相關(guān)關(guān)系,而與短體線蟲屬(Pra)、膜皮屬(Dip)、麗突屬(Acr)、鹿角唇屬(Cer)和真矛線屬(Eud)則呈現(xiàn)較密切的負(fù)相關(guān)關(guān)系,沙粒含量(SAN)與這些線蟲屬相對多度的相關(guān)性恰好相反。從線蟲屬相對多度與土壤因子關(guān)系方差解釋比例看,RDA和CCA排序分析中軸1的解釋方差比例分別為49.0%和37.5%,軸2的解釋方差比例為11.7%和10.0%。
覆膜連續(xù)種植作物影響了土壤微生物多樣性[9]、土壤理化性質(zhì)[10-11]、土壤酶活性[12-13]、作物產(chǎn)量和品質(zhì)[14]等指標(biāo)。在本研究中,覆膜1年與未覆膜比較,13種土壤因子中只有土壤全磷含量和沙粒含量發(fā)生了顯著變化;但連續(xù)覆膜4年后土壤含水量、電導(dǎo)率、土壤有機(jī)碳含量、全氮含量、全磷含量、陽離子交換量和粉粒含量顯著降低,而沙粒含量卻顯著升高,造成部分土壤因子降低可能是因?yàn)檫B續(xù)覆膜造成了土壤中殘存了大量農(nóng)膜。已有研究表明,覆膜2、5、10年的農(nóng)田耕層土壤中(0~30 cm)地膜殘留量分別達(dá)到59.1、75.3、103.41 kg/hm2,隨著覆膜年限的增加殘膜量繼續(xù)增加[15]。土壤中存在的大量殘膜會造成土壤容重顯著增加,孔隙度顯著降低,水分下滲速度明顯減慢,土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀的含量下降[16],同時使土壤有機(jī)質(zhì)腐殖化、氮素的消化、磷素的分解等過程也會受到很大程度的影響[17]。在本研究中所有田塊均為多年種植玉米,在種植玉米的田塊中進(jìn)行覆膜處理,連續(xù)覆膜4年后雖然土壤容重和孔隙度變化不明顯,從數(shù)值上看,土壤容重有增加趨勢,孔隙度有降低趨勢。
土壤線蟲是土壤中的重要生物,隨著土壤中環(huán)境的變化,線蟲群落組成和結(jié)構(gòu)也會發(fā)生變化[18-19]。在本研究中,未覆膜的玉米田及覆膜1年的玉米田的土壤中線蟲總數(shù)和線蟲屬數(shù)均無明顯變化,而連續(xù)覆膜4年種植玉米田的土壤線蟲總數(shù)和線蟲屬數(shù)均明顯減小,這說明連續(xù)覆膜4年后玉米田土壤環(huán)境因子的變化使得部分線蟲屬死亡或者遷移。未覆膜、覆膜1年和覆膜4年處理的土壤線蟲的優(yōu)勢種群也發(fā)生了顯著變化,如巴茲爾屬和絲尾墊刃屬均為未覆膜及覆膜1年處理的優(yōu)勢屬(>5%),而覆膜4年處理中這2個屬的相對多度下降為1%。默林屬和麗突屬在覆膜1、4年的處理中成為了優(yōu)勢屬,這可能與覆膜影響了部分土壤因子,使得土壤線蟲的某些屬的相對多度發(fā)生顯著的變化。短體線蟲屬在覆膜4年處理中成為了優(yōu)勢屬,該屬相對多度的增加對玉米的生長是極其不利的,因?yàn)槎腆w線蟲屬會引起植物根部組織壞死腐爛,造成土傳病害而危害植物的生長[20-23]。
由于CCA分析是一種基于單峰模型的排序方法,而RDA是基于線性模型的排序方法[24],在本研究中RDA和CCA方法對線蟲屬與土壤因子關(guān)系的描述結(jié)果存在一定的差異,但主要表現(xiàn)在與軸2的差異上,與軸1的解釋方差比例分別為49.0%和37.5%,前兩軸的方差累計(jì)分別為60.7%和47.5%,軸1所占比例較大,所以軸1與土壤因子的關(guān)系更密切。RDA排序分析的方差累計(jì)值高于CCA分析,說明在本研究中解釋線蟲屬與土壤因子的關(guān)系用RDA排序方法更加準(zhǔn)確。部分線蟲屬與土壤因子在排序分析中也表現(xiàn)出較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性,所以土壤環(huán)境的變化與土壤中生物群落的演變關(guān)系密切。