曹 蕾,唐 琪,郭儼輝,3,湯逸帆,2,韓建剛,2,3,朱詠莉,2,*

1 南京林業(yè)大學 生物與環(huán)境學院,南京 210037 2 南京林業(yè)大學 南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210037 3 江蘇洪澤湖濕地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站,洪澤 223100

作物高產(chǎn)驅(qū)動下對化學肥料的高度依賴使土壤質(zhì)量與生態(tài)系統(tǒng)平衡面臨巨大風險與挑戰(zhàn)。土壤動物是土壤生態(tài)系統(tǒng)最重要的組成部分,參與土壤生物化學循環(huán),刺激真菌和細菌的新陳代謝,維持著土壤生態(tài)系統(tǒng)的平衡[1—2]。土壤節(jié)肢動物群落對生境變化具有較為敏感的響應,是反映土壤生態(tài)系統(tǒng)健康與穩(wěn)定的重要指標[3—4]。研究發(fā)現(xiàn),長期施用化肥減少了土壤中小型動物豐度和多度[5—8],抑制了土壤動物的繁殖甚至導致其死亡[6]。例如,長期單獨施用氮肥會減少無脊椎動物的數(shù)量[9],但有機肥的施用能夠增加小型土壤動物的數(shù)量、密度和多樣性[10—12],以及群落的成熟度指數(shù)[13]。相比較而言,有機肥配施化肥有利于土壤動物群落多樣性和豐富度的提高[7, 14]。沼液是畜禽糞污等有機物充分厭氧發(fā)酵后殘留的液態(tài)副產(chǎn)物,富含氮素、氨基酸和各種礦質(zhì)營養(yǎng)元素[15],是當前替代化肥的首選。以往有關沼液施用的研究主要集中在不同施用量或施用方式對作物產(chǎn)量[16—17]、品質(zhì)[18—19],土壤性狀及重金屬含量[20—24]等的影響方面,對土壤動物群落的影響還很不充分。特別是,有關沼液替代化肥模式下土壤節(jié)肢動物群落的變化研究還未見報道。

我國東部沿海的濱海鹽土約有2.3×106hm2[25],這些土壤經(jīng)過改良已成為我國當前最重要的糧食安全保障基地[26]。同時,由于濱海地區(qū)土地成本低,遠離人群,大量規(guī)?；B(yǎng)殖企業(yè)分布在此區(qū)域[27],產(chǎn)生的沼液主要在當?shù)剞r(nóng)田消納。因此,本研究在江蘇東臺進行了連續(xù)施用沼液5年的試驗的基礎上,通過設置沼液不同用量(0、100、200、300 m3/hm2)及不同比例(0%、33%、66%、100%)替代化肥的田間小區(qū)試驗,研究土壤中小型節(jié)肢動物數(shù)量、密度、群落結構等的變化,為海岸帶圍墾田沼液施用及替代化肥對土壤動物群落影響提供研究數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 區(qū)域概況

研究試驗位于江蘇省鹽城東臺市弶港鎮(zhèn)(32°38′25″N,120°54′17″E),區(qū)域?qū)儆趤啛釒Ш团瘻貛н^渡區(qū),年均氣溫 14.4 ℃,降水量 1060 mm,日照時間2221 h,四季分明,雨量多集中在夏季,夏熱冬冷。土壤質(zhì)地為粉砂質(zhì)壤土。小麥種植周期為每年的11月上旬—次年6月上旬,種植品種為揚麥16號。土壤基本理化性質(zhì)如表1所示。

表1 土壤基本理化性質(zhì)

1.2 沼液性狀

沼液選自中糧家佳康(江蘇)有限公司黃海豬場沼氣工程站。豬場糞污經(jīng)水泡糞工藝收集,通過勻漿池后進入發(fā)酵罐,36—38℃下全混合厭氧反應器(CSTR)發(fā)酵15 d。液體進入存貯池并穩(wěn)定1—2個月,底部為沼渣,中上部為沼液。沼液的基本理化性狀如表2所示。

表2 沼液理化性質(zhì)(平均值±標準差)n=3

1.3 試驗設計

田間小區(qū)建于2015年,共設2組實驗。

試驗組①：設置0、100、200、300 m3/hm2共4個沼液施用量處理(稱為B處理：分別編號B0、B1、B2、B3,折合氮肥分別為0、150、300、450 kg/hm2),其中150 kg/hm2為當?shù)赝扑]沼液施用量。

試驗組②：施加沼液中折合的氮與補施化肥氮的總量控制為150 kg/hm2,設置沼液替代化肥比例分別為0%、33%、66%、100% 共4個處理(稱為S處理：分別編號S0、S1、S2、S3)。

每個處理設3個重復(小區(qū)),共21個小區(qū)(其中,B1與S3相同),小區(qū)面積為6 m×10 m,各小區(qū)間隔50 cm,底部和間隔帶均做防滲處理。分別于10月下旬施加基肥,次年1月施加追肥,基肥與追肥的比例為1∶1,田間管理與當?shù)卮筇镆恢?。各小區(qū)施肥用量如表3所示。

表3 各試驗小區(qū)施肥量

1.4 樣品采集

分別在小麥苗期(2019年12月)和小麥收獲期(2020年6月)采集土壤樣品。每個處理按S形布點,采集5個樣點。采樣時,小心去除凋落物層,用直徑為4 cm的取土器分0—10 cm和10—20 cm兩個層次采集土壤樣品。同一小區(qū)的相同土層土壤充分混勻形成一個混合樣品,裝入封口袋中密封裝箱,盡量減少對土壤動物的擾動,48小時內(nèi)帶回實驗室進行分析。

1.5 土壤中小型節(jié)肢動物的分離、鑒別與群落分析

采用Tullgren法收集土壤中的中小型節(jié)肢動物樣品,分離時間為48 h,分離出的土壤動物標本保存于75%乙醇溶液中。采用生物顯微鏡(ECLIPSE E200MV,南京尼康江南光學儀器有限公司)對分離出來的土壤動物進行鑒定并統(tǒng)計數(shù)量。依據(jù)尹文英的《中國土壤動物檢索圖鑒》[28]進行土壤動物鑒別。幼蟲和成蟲歸到同一類別。

根據(jù)土壤動物個體數(shù)量進行分類,個體數(shù)量占群落總個體數(shù)10.00%以上者為優(yōu)勢類群(+++),占1.00%—10.00%者為常見類群(++),<1.00%者為稀有類群(+)。

土壤動物群落多樣性分析包括：Simpson 優(yōu)勢度指數(shù)(C)、Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)(H)、Pielou均勻度指數(shù)(J)。計算公式如式(1)—(3)：

(1)

H=-∑(PilnPi)

(2)

J=H/lnS

(3)

式中,Pi=ni/N,ni為第i個類群的個體數(shù),N為總個體數(shù),S為總類群數(shù)。

1.6 數(shù)據(jù)處理與分析

土壤動物密度數(shù)據(jù)均為分離的土壤動物個體數(shù)量換算成的平均密度(個/m2)。數(shù)據(jù)分析前,對不服從正態(tài)分布數(shù)據(jù)進行l(wèi)og(X+1)轉(zhuǎn)換,采用 IBM SPSS Statistics 25.0軟件進行方差分析(one-way ANOVA),并用鄧肯(Duncan)法對不同處理之間進行差異顯著性檢驗(P<0.05)。而對于不服從正態(tài)分布的土壤動物數(shù)據(jù),則采用 Kruskal Wallis Test(H) 非參數(shù)檢驗進行數(shù)據(jù)分析。采用主成分分析(Principal component analysis PCA)分析不同施肥處理對主要類群土壤動物密度的影響,應用R 4.0.1(R Core Team 2020)軟件中的“vegan”包進行土壤動物群落多樣性分析運算,并用OriginPro 9.0軟件作圖。圖表中涉及土壤動物密度及群落多樣性指數(shù)數(shù)據(jù)均為平均值±標準誤。不同小寫字母表示同一類群不同施肥處理間的差異顯著(P<0.05)。

2 結果

2.1 沼液用量對土壤中小型節(jié)肢動物群落組成及多樣性的影響

對不同沼液用量(B)處理兩個時期(小麥苗期和收獲期)0—20 cm土層相關數(shù)據(jù)綜合統(tǒng)計,共捕獲土壤動物1275只,隸屬于9綱23個類群(目)(表4),從表中可以看出,B處理的優(yōu)勢類群為前氣門亞目Prostigmata、甲螨亞目Oribatida和彈尾目Collembola,分別占總密度的52.09%、22.20%和16.51%；常見類群為：雙尾目Diplura(4.24%)、蜚蠊目Blattoptera(1.96%)。對優(yōu)勢類群密度的分析表明(圖1),優(yōu)勢目的密度隨沼液施用量的增加呈現(xiàn)升高的趨勢,且B0處理(沼液施用量為0 m3/hm2)前氣門亞目和甲螨亞目的密度均顯著低于其他處理(P<0.05),B3處理(沼液施用量為300 m3/hm2),前氣門亞目和甲螨亞目密度則均顯著高于其他處理(P<0.05)；但不同處理間彈尾目密度的差異未達到顯著水平(P>0.05)。

不同沼液用量處理間土壤動物總類群數(shù)有明顯差異,以B0最少(約10個類群),其次是B2和B3處理,B1最高,類群數(shù)約達到了14個(表5)。等足目Isopoda、倍足目Diplopoda、革翅目Dermaptera、鱗翅目Lepidoptera未出現(xiàn)在沼液施用量較高的處理中(B2、B3)?？傮w來看,隨沼液用量的增加,土壤中小型節(jié)肢動物總密度隨之增加,不同處理間表現(xiàn)為B3>B2>B1>B0。

不同沼液用量處理土壤中小型節(jié)肢動物總密度同時受采樣時期及土層的顯著影響。由圖2可見,苗期不同沼液用量處理間無顯著性差異,而收獲期B3顯著高于其他處理(P<0.05)?？傮w而言,小麥苗期土壤中小型節(jié)肢動物總密度均顯著低于收獲期；且無論0—10 cm或10—20 cm土層,不同沼液用量間的動物密度均表現(xiàn)為高施用量處理大于低施用量處理,但處理間總體差異不顯著(P>0.05)(圖3)。從圖3中也可以看出,土壤中小型節(jié)肢動物表現(xiàn)出明顯的表聚性,各處理0—10 cm土層的密度均高于10—20 cm土層。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),各處理0—10 cm土層中小型節(jié)肢動物數(shù)量占總數(shù)量平均達到了55.96%—66.19%。表5可見,隨沼液施用量的增加,其多樣性指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)均呈升高趨勢；但不同處理間多樣性指數(shù)無顯著差異(P>0.05),優(yōu)勢度指數(shù)則表現(xiàn)為除了B0與B3間差異顯著外,其他處理間均不顯著。均勻度指數(shù)表現(xiàn)為B1顯著低于其他3個處理(P<0.05)。

表4 不同沼液用量及替代化肥處理的土壤動物群落組成及密度/(個/m2)

表5 不同沼液用量(B)處理土壤動物群落的多樣性特征

2.2 沼液替代化肥對土壤中小型節(jié)肢動物群落組成及多樣性的影響

對沼液替代化肥(S)處理兩個時期(小麥苗期和收獲期)0—20 cm土層相關數(shù)據(jù)綜合統(tǒng)計,共捕獲土壤動物1152只,隸屬于9綱22個類群(目)(表4)。S處理的優(yōu)勢類群同B處理一致,均為前氣門亞目、甲螨亞目和彈尾目,分別占總密度的55.28%、23.86%和10.38%；常見類群為：雙尾目(3.17%)、蜚蠊目(2.33%)和等翅目Isoptera(1.30%)。圖4表明,S1、S2和S3處理的優(yōu)勢類群密度均顯著高于純化肥處理(S0)(P<0.05)；當沼液替代66%化肥(S2)時,前氣門亞目密度最高；純沼液處理(S3)時,彈尾目密度顯著高于其他處理(P<0.05)。

圖1 不同沼液用量(B)處理對土壤動物優(yōu)勢類群密度的影響Fig.1 Different dosage of biogas slurry (B) treatment of soil fauna dominant density B處理：不同沼液用量處理；B0：沼液用量0 m3/hm2；B1：沼液用量100 m3/hm2；B2：沼液用量200 m3/hm2；B3：沼液用量300 m3/hm2

圖2 不同沼液用量(B)處理苗期和收獲期土壤中小型動物總密度差異Fig.2 Different dosage of biogas slurry (B) processing seedling and harvest soil fauna density difference 小寫字母表示苗期不同處理間的差異,大寫字母表示收獲期不同處理間的差異(P<0.05);相同處理間苗期與收獲期：*表示差異顯著(P<0.05),**表示差異極顯著(P<0.01)

圖3 不同沼液用量(B)處理0—10 cm與10—20 cm土層中小型動物密度比較Fig.3 Different dosage of biogas slurry (B) 0—10 cm and 10—20 cm soil layer of soil fauna density (seedling and harvest)

圖4 沼液替代化肥(S)處理對土壤中小型節(jié)肢動物優(yōu)勢類群密度的影響Fig.4 Biogas slurry instead of chemical fertilizer (S) treatment of soil fauna dominant density S處理：不同沼液替代化肥比例；S0：沼液替代化肥0%；S1：沼液替代化肥33%；S2：沼液替代化肥66%；S3：沼液替代化肥100%

不同沼液替代化肥處理間分布的土壤動物類群有明顯差異,以S0最少(約11個類群),其次是S1和S2處理,S3最高,類群數(shù)約達到了14個(表6)。倍足目、橈足綱Copepoda、石蛃目Microcoryphia未出現(xiàn)在含化肥(S0、S1和S2)的處理中。由此可見,S0處理土壤動物密度最少,S3次之,沼液化肥配施處理土壤動物密度高于純化肥和純沼液處理；密度排序為S2>S1>S3>S0。

由圖5可見,各處理小麥苗期土壤中小型節(jié)肢動物總密度均顯著低于收獲期。土壤中小型節(jié)肢動物表聚性也較明顯(圖6), 各處理0—10 cm土層的密度平均達到7673.03個/m2,比10—20 cm土層平均高17.2%。但只有S2處理0—10 cm和10—20 cm間的差異達到顯著水平(P<0.05)。此外,沼液替代化肥不同比例處理對土壤中小型節(jié)肢動物多樣性及均勻度也表現(xiàn)出一定的影響。表6可見,土壤動物群落多樣性指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)和均勻度指數(shù)均表現(xiàn)為S0>S2>S1；但不同處理間多樣性指數(shù)無顯著差異,優(yōu)勢度指數(shù)則表現(xiàn)為只有S1與S3間差異顯著。均勻度指數(shù)表現(xiàn)為S1處理顯著低于其他3個處理(P<0.05)。

表6 沼液替代化肥(S)處理土壤動物群落的多樣性特征

圖5 沼液替代化肥(S)處理苗期和收獲期土壤中小型動物總密度差異Fig.5 Biogas slurry instead of chemical fertilizer (S) treatment processing seedling and harvest soil fauna density difference

圖6 沼液替代化肥(S)處理0—10 cm與10—20 cm土層中小型動物密度比較Fig.6 Biogas slurry instead of chemical fertilizer (S) treatment 0—10 cm and 10—20 cm soil layer of soil fauna density

2.3 土壤中小型節(jié)肢動物對沼液不同用量及替代化肥處理的敏感性

為了進一步探討沼液用量及替代化肥對土壤中小型節(jié)肢動物密度及類群變化的影響,以密度占比最高的十個類群(即為：土壤動物主要類群,其密度占總密度的96.97%)進行變異主成分分析。結果表明(圖7),第一主成分(橫軸)和第二主成分(縱軸)共解釋了土壤動物主要類群密度變異的99.6%,其中第一主成分為98.5%,第二主成分為1.1%。沼液用量(B0、B1、B2、B3)和沼液替代化肥(S0、S1、S2)聚類區(qū)分明顯,并且沼液替代化肥控制總氮平衡下的各處理間夾角較小,而沼液用量各處理間夾角較大。單施沼液對彈尾目影響最大,而甲螨亞目和前氣門亞目在沼液替代化肥處理中表現(xiàn)敏感。雙尾目、蜚蠊目、等翅目、蜘蛛目、嚙蟲目、直翅目、鞘翅目之間聚類相關性較高,但未受到沼液用量和沼液替代化肥的明顯影響。

圖7 不同施肥處理對土壤動物主要類群變異主成分分析Fig.7 Principal component analysis(PCA)of soil fauna with the different treatment

3 討論

3.1 沼液用量對土壤中小型節(jié)肢動物群落組成及多樣性的影響

楊寶玲等在江蘇東臺林場不同土地利用類型的調(diào)查結果表明[29],優(yōu)勢類群為蜱螨目和彈尾目。這與本研究在麥田的調(diào)查一致,這表明施用沼液(0—300 m3/hm2)不會對土壤動物原有優(yōu)勢類群產(chǎn)生影響。然而,隨著沼液施用量增加,不同類群的密度發(fā)生顯著變化。本研究發(fā)現(xiàn)前氣門亞目和甲螨亞目密度在沼液施用后增加,例如,甲螨亞目的個體密度在沼液施用后增加了100%—150%。這與單施沼液下甲螨個體密度隨沼液用量的增加而增大的結論相一致[30]。相比較而言,高用量沼液處理有利于彈尾目密度的增加。這種變化的原因可能是沼液能提高土壤的真菌數(shù)量[31],而彈尾目類群與真菌協(xié)同共存[32—33]。

與不施沼液處理(B0)相比,沼液施用增加了土壤動物群落的總類群數(shù)(表4),尤其低施用量(B1)的增加效果更為顯著。這可能是由于沼液中含有豐富的氨基酸、有機質(zhì)等營養(yǎng)[34],低用量施用后提升了土壤的保持及緩沖能力,提供了合適的微環(huán)境,有利于土壤動物的生存和繁衍[35],提高了多樣性指數(shù),對土壤動物群落結構有一定的積極作用。由此可見,施用沼液能使土壤中小型動物密度增加,群落多樣性上升。

3.2 沼液替代化肥施用對土壤動物群落組成及多樣性的影響

本研究在氮總量保持一致的前提下進行不同比例的沼液替代化肥,研究發(fā)現(xiàn),S2處理較S0處理,三大優(yōu)勢類群前氣門亞目、甲螨亞目和彈尾目的密度分別提高了154%、100%和50%,稀有類群半翅目的密度提高了228%。這可能與沼液與化肥配施可以更好的提升土壤養(yǎng)分的有效性有關[36—37]。有所不同的是,隨沼液施用比例的增加一些類群數(shù)量的增長受到抑制,例如,S2較S1處理的鞘翅目和膜翅目密度分別降低了75%和50%,但沼液替代比例繼續(xù)增加為100%(S3)時,甲螨亞目與彈尾目的密度依然繼續(xù)升高,而前氣門亞目的密度卻有所下降?？自频劝l(fā)現(xiàn)有機肥配施化肥提高了中小型土壤動物如蜱螨目、彈尾目的密度[38]；而朱強根等在僅施用有機肥處理的研究中發(fā)現(xiàn)前氣門亞目與甲螨亞目沒有明顯影響[7]。這與本研究結果不完全一致。這可能與本研究施用的沼液與其他有機肥性狀不同的原因。

配施處理中沼液的施用顯著增加了土壤動物群落的總類群數(shù),并隨沼液配比增加而提高,這可能是由于純化肥對土壤理化性質(zhì)的影響與沼液不同[39],從而對土壤動物造成不利影響。然而隨沼液配比的增加,各處理土壤動物群落多樣性指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)與均勻度指數(shù)無顯著差異。這表明沼液替代化肥對土壤動物群落多樣性無顯著影響。值得注意的是,純化肥(S0)處理的土壤動物類群數(shù)和土壤動物密度在S處理中均為最低,但均勻度指數(shù)卻最高。這可能是類群數(shù)和密度側重描述數(shù)量關系大小,均勻度指數(shù)側重描述類群間平衡差異,在衡量群落多樣性上可能存在差異表現(xiàn)[7]。

3.3 不同采樣時期與土層對土壤中小型節(jié)肢動物的分布特征

土壤節(jié)肢動物群落動態(tài)主要受土壤溫度及含水量的變化的影響[40—41],不同采樣時期溫度變化較大,冬小麥收獲期處于6月,氣溫與土壤溫度均明顯高于12月(苗期)。因此,土壤中小型節(jié)肢動物的整體密度表現(xiàn)為收獲期(2020年6月)顯著高于苗期(2019年12月)。并且,不同采樣時期土壤動物密度的差異也同時因施肥處理產(chǎn)生影響。例如,B處理收獲期比苗期土壤動物密度增加了295%—857%,S處理收獲期比苗期土壤動物密度增加了212%—503%。土壤溫度的季節(jié)變化是影響土壤動物季節(jié)動態(tài)的主要因子。此外,不論是沼液施用量處理還是沼液替代化肥處理,均表現(xiàn)出0—10 cm土層中小型動物密度大于10—20 cm土層,呈現(xiàn)明顯的表聚現(xiàn)象。這與大多數(shù)研究一致[42—44],原因可能主要與土壤表層營養(yǎng)豐富、通氣性好等因素有關。

3.4 土壤中小型節(jié)肢動物群落密度的變異特征

土壤動物群落密度可以用來反映不同施肥措施對農(nóng)田土壤生態(tài)環(huán)境的影響[45—46]。本研究不同沼液施肥量處理對土壤動物群落的貢獻差異主要來源于總氮量的差異,而控制總氮平衡的S處理則表現(xiàn)為沼液與化肥配比的差異。以往研究也表明,農(nóng)田中小型土壤動物個體數(shù)隨外源氮施用量升高而遞增[47—48],且各類群土壤動物的響應不盡相同[8, 49]。從敏感性分析,單施沼液對彈尾目影響最大,而甲螨亞目和前氣門亞目在沼液替代化肥處理中表現(xiàn)最為敏感。本研究發(fā)現(xiàn)彈尾目、前氣門亞目和甲螨亞目的密度對不同施肥措施均表現(xiàn)最為敏感,并與研究區(qū)域麥田土壤中小型節(jié)肢動物的優(yōu)勢類群具有一致性,可將其作為土壤中小型節(jié)肢動物對施肥響應的指示指標。

4 結論

(1)江蘇海岸帶圍墾麥田土壤中小型節(jié)肢動物群落組成類群豐富,無論是不同沼液施用量處理還是沼液替代化肥處理,其優(yōu)勢土壤動物類群均為前氣門亞目、甲螨亞目和彈尾目,其數(shù)量平均分別占總捕獲量的52.09%—55.28%、22.20%—23.86%和13.14%—16.51%。

(2)沼液施用增加了土壤中小型節(jié)肢動物的總體密度特別是前氣門亞目和甲螨亞目等類群密度以及優(yōu)勢度指數(shù)。沼液替代33%和66%化肥均提高了土壤動物的密度、類群數(shù)和優(yōu)勢度指數(shù),沼液替代66%化肥時,土壤動物密度、類群數(shù)和優(yōu)勢度指數(shù)最高。

(3)彈尾目、前氣門亞目與甲螨亞目分別對沼液不同用量和沼液替代化肥處理響應最為靈敏,可嘗試將其作為土壤中小型節(jié)肢動物對施肥響應的指示指標。