，，

(1.中國(guó)科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海倫農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外觀測(cè)研究站， 黑龍江 哈爾濱 150081；2.中國(guó)科學(xué)院 研究生院,北京 100049)

0 引 言

施肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要農(nóng)藝措施，對(duì)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境影響較大。施肥可以改變土壤理化性質(zhì)，如pH值、有機(jī)質(zhì)含量等[1-2]，進(jìn)而引起土壤動(dòng)物種群結(jié)構(gòu)變化。土壤動(dòng)物是指生命周期中有一段時(shí)間穩(wěn)定地在土壤中度過(guò)，而對(duì)土壤能產(chǎn)生一定影響的動(dòng)物[3]，是土壤生態(tài)系統(tǒng)重要組成部分，具有重要的功能性作用[4-5]，作為土壤生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的重要組成部分-分解者[6-8]，土壤動(dòng)物參與土壤中C、N、P的循環(huán)[9-10]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的一些農(nóng)藝措施對(duì)土壤動(dòng)物的多樣性產(chǎn)生影響，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致土壤環(huán)境惡化和土壤動(dòng)物滅絕[11]。因此，對(duì)土壤動(dòng)物的研究已經(jīng)引起人們的重視。近年來(lái)，在自然生態(tài)系統(tǒng)中對(duì)土壤動(dòng)物的研究已經(jīng)取得大量成果[12-16]，但對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)研究較少，尤其是針對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期定位研究罕見(jiàn)。因此，為探討長(zhǎng)期定位施肥對(duì)土壤動(dòng)物種群結(jié)構(gòu)的影響，選取東北黑土區(qū)中國(guó)科學(xué)院海倫農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)區(qū)中的3種典型施肥方式，對(duì)土壤動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)展開(kāi)研究，以評(píng)價(jià)施肥方式對(duì)土壤動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的影響，進(jìn)而評(píng)價(jià)不同施肥方式下農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院海倫農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站進(jìn)行，海倫站地處黑土區(qū)中部，海拔高度240 m，中心地理位置為東經(jīng) 126°38′，北緯 47°26′，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨，雨熱同季 。年平均氣溫1.5 ℃，極端最高溫度37 ℃，極端最低溫度-39.5 ℃，年均降水量500 mm，年均有效積溫2 450 ℃，年均日照時(shí)數(shù)2 600 h～2 800 h，無(wú)霜期為125 d。土壤類(lèi)型為中厚層黑土，地下水埋深20 m～30 m[17-19]。

長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)區(qū)建立于1994年，小區(qū)隨機(jī)排列，試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行小麥、玉米和大豆輪作種植，研究3個(gè)處理為，即：①無(wú)肥(NF)：試驗(yàn)區(qū)不使用任何肥料；②化肥(CF)： 2009年地上作物為玉米，施肥量為N 150 kg·hm-2和 P2O575 kg·hm-2；③化肥+有機(jī)肥(CMF)：施肥量為N 150 kg·hm-2和 P2O575 kg·hm-2，增施腐熟的豬糞3 000 kg·hm-2。小區(qū)面積為50.4 m2,完全隨機(jī)排列,4次重復(fù)。

1.2 研究方法

試驗(yàn)于2009年進(jìn)行，采用環(huán)刀法于5月5日、6月15日和7月20日3次調(diào)查，每處理3次重復(fù)，土壤環(huán)刀的容積為100 cm3。按土壤垂直不同深度0～5 cm、5 cm～10 cm、10 cm～15 cm分3層進(jìn)行取樣，帶回實(shí)驗(yàn)室采用改良的Tullgren漏斗法進(jìn)行分離后鑒定[20]。分類(lèi)檢索參見(jiàn)尹文英《中國(guó)土壤動(dòng)物檢索圖鑒》[21]，所有土壤動(dòng)物鑒定到科。

1.3 數(shù)據(jù)分析

群落多樣性指數(shù)采用Shannon-Weiner指數(shù)、Pielou均勻性指數(shù)、Margalef豐富度指數(shù)，即：

式中：s—樣方中觀察的物種數(shù)；Pi=Ni/N，N—樣方中各物種個(gè)體數(shù)總和，Ni—第i個(gè)種的個(gè)體數(shù)。

統(tǒng)計(jì)分析采用DPS v3.01軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤動(dòng)物的類(lèi)群和數(shù)量組成

在研究區(qū)中共獲得中小型土壤動(dòng)物1 800個(gè)，鑒定隸屬35科，其中優(yōu)勢(shì)類(lèi)群為：高殼甲螨科(Liodidae)、綏螨科(Sejidae)和小甲螨科(Oribatellidae)，優(yōu)勢(shì)類(lèi)群個(gè)體數(shù)占總個(gè)體數(shù)的78.9 %。常見(jiàn)類(lèi)群7科，其個(gè)體數(shù)占總個(gè)體數(shù)的12.6 %；稀有類(lèi)群25科，其個(gè)體數(shù)占總個(gè)體數(shù)的8.5 %，見(jiàn)表1。3種不同施肥方式下中小型土壤動(dòng)物種類(lèi)群數(shù)和個(gè)體數(shù)量均表現(xiàn)為CMF>CF>NF。單純施用化肥時(shí)，土壤中優(yōu)勢(shì)類(lèi)群高殼甲螨科、綏螨科和小甲螨科的數(shù)量與無(wú)肥處理差異不明顯，但施用有機(jī)肥土壤中高殼甲螨科數(shù)量顯著增多，表明與施用有機(jī)肥相比施用化肥可顯著降低土壤動(dòng)物的數(shù)量，其原因可能是由于單純施用化肥可以使土壤中的有機(jī)物質(zhì)含量下降，土壤板結(jié)，土壤環(huán)境惡化，不利于土壤動(dòng)物的生存，土壤動(dòng)物優(yōu)勢(shì)類(lèi)群個(gè)體數(shù)量減少。而無(wú)肥處理中土壤動(dòng)物類(lèi)群數(shù)和個(gè)體數(shù)低，推測(cè)其原因可能為長(zhǎng)期種植作物使土壤中的養(yǎng)分過(guò)度被吸收利用，在缺乏外界補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的條件下，土壤瘠薄不利于土壤動(dòng)物的生存。

表1 3種施肥方式下土壤動(dòng)物數(shù)量及多度Tab.1 Individual number and abundance of soil fauna under three fertilization treatments

注：各類(lèi)群數(shù)量等級(jí)劃分：個(gè)體數(shù)量占全部捕獲量10 %以上為優(yōu)勢(shì)類(lèi)群，即+++；介于1 %～10 %之間的為常見(jiàn)類(lèi)群，即++；介于0.1 %～1 %為稀有類(lèi)群，即+。

2.2 中小型土壤動(dòng)物多樣性

多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)和豐富度指數(shù)指示著群落的穩(wěn)定性和生產(chǎn)力，研究表明不同施肥方式下中小型土壤動(dòng)物的多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)和豐富度指數(shù)存在著差異，不同施肥方式下土壤動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)差異不顯著，但豐富度指數(shù)差異顯著。豐富度指數(shù)表現(xiàn)為：CMF>NF>CF，見(jiàn)表2?；逝涫┯袡C(jī)肥處理下土壤動(dòng)物的豐富度指數(shù)高于無(wú)肥處理，說(shuō)明施肥方式影響土壤動(dòng)物的群落組成，化肥配施有機(jī)肥處理使土壤中有機(jī)物質(zhì)含量增加，土壤環(huán)境得到改善，有利于土壤動(dòng)物的生存，進(jìn)而使土壤中土壤動(dòng)物的豐富度增加，且化肥配施有機(jī)肥處理中土壤動(dòng)物的群落結(jié)構(gòu)也較單純施用化肥和不施肥的處理穩(wěn)定。

表2 不同施肥方式下土壤動(dòng)物群落多樣性測(cè)度Tab.2 Diversity index of soil fauna under different fertilization

2.3 中小型土壤動(dòng)物垂直分布特征

對(duì)研究區(qū)0～5 cm、5 cm～10 cm和10 cm～15 cm土壤中土壤動(dòng)物數(shù)量及種類(lèi)進(jìn)行調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，CMF和CF中土壤動(dòng)物數(shù)量和種類(lèi)順序均為：0～5 cm>5 cm～10 cm>10 cm～15 cm，而NF中土壤動(dòng)物數(shù)量和種類(lèi)順序?yàn)椋? cm～10 cm>0～5 cm>10 cm～15 cm，種類(lèi)順序?yàn)椋? cm～10 cm>0～5 cm>10 cm～15 cm；化肥處理中土壤動(dòng)物數(shù)量順序?yàn)椋?～5 cm>5 cm～10 cm>10 cm～15 cm，種類(lèi)順序?yàn)椋?～5 cm>5 cm～10cm>10 cm～15cm。CMF中土壤動(dòng)物的數(shù)量和種類(lèi)數(shù)在不同深度之間均達(dá)到了差異顯著性(p<0.05)，CMF中土壤動(dòng)物分布符合自然生態(tài)系統(tǒng)中土壤動(dòng)物表聚特征，見(jiàn)圖1，其原因可能是與CF相比CMF可以在一定程度上改善土壤理化性質(zhì)，使土壤環(huán)境更有利于土壤動(dòng)物生存。

3 討 論

土壤動(dòng)物的類(lèi)群數(shù)量和個(gè)體數(shù)量均受到施肥方式的影響，結(jié)果表明施肥顯著影響土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)量，但對(duì)土壤動(dòng)物的類(lèi)群數(shù)影響不大。土壤動(dòng)物種類(lèi)的增加主要是稀有類(lèi)群的類(lèi)群數(shù)目增加引起的，化肥和無(wú)肥處理中稀有類(lèi)群數(shù)量分別為15和13，但化肥配施有機(jī)肥處理中土壤動(dòng)物稀有類(lèi)群數(shù)量為21，顯著高于化肥和無(wú)肥處理，土壤動(dòng)物數(shù)量的增多則是由優(yōu)勢(shì)類(lèi)群個(gè)體數(shù)量增多引起，其中化肥配施有機(jī)肥處理中的優(yōu)勢(shì)類(lèi)群高殼甲螨科數(shù)量顯著高于化肥和無(wú)肥。在針對(duì)不同地區(qū)土壤動(dòng)物研究中均發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象，說(shuō)明地域差別不是影響土壤動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的主要因素[22-24]。施肥可以顯著影響土壤理化性質(zhì)，如pH值，有機(jī)質(zhì)含量等，而這些因素可以直接影響土壤動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)[25-26]，與土壤動(dòng)物的生存和發(fā)展密切相關(guān)，有機(jī)肥料的施用顯著增加了土壤中中小型土壤動(dòng)物的種群多樣性和豐富度，進(jìn)而增加了土壤動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。Eaton采用移除有機(jī)物質(zhì)的方法來(lái)調(diào)查有機(jī)物質(zhì)對(duì)土壤動(dòng)物的影響，結(jié)果表明，有機(jī)物質(zhì)移除使土壤中跳蟲(chóng)數(shù)量顯著下降[27]，整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中的土壤動(dòng)物多樣性和豐富度降低；而采用施入有機(jī)物質(zhì)的方法研究有機(jī)物質(zhì)對(duì)土壤動(dòng)物多樣性的影響，表明有機(jī)物質(zhì)的施入可以增加土壤動(dòng)物的多樣性，兩個(gè)研究采用不同的方法證明土壤有機(jī)物質(zhì)是影響土壤動(dòng)物多樣性的因素之一。土壤動(dòng)物在自然生態(tài)系統(tǒng)中的分布具有表聚性特征，即從地表向下，隨著深度的增加土壤動(dòng)物類(lèi)群和數(shù)量逐漸減少，上層(0～5 cm)的類(lèi)群數(shù)和個(gè)體數(shù)最多，中層(5 cm～10 cm)其次，下層(10 cm～15 cm)最少。單純施用化肥使土壤動(dòng)物表聚特征消失，可能是由于單純施用化肥嚴(yán)重影響土壤理化性質(zhì)，可引起土壤板結(jié)，土壤中有機(jī)質(zhì)含量下降[28]。而無(wú)肥處理中土壤動(dòng)物也不具有表聚特征，分析其原因，可能是長(zhǎng)期種植作物，土壤中的有機(jī)物質(zhì)因被大量利用而使其含量降低，導(dǎo)致土壤動(dòng)物表聚特征消失。在自然生態(tài)系統(tǒng)中，土壤動(dòng)物的表聚特征明顯，而農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中由于受到人類(lèi)的干擾土壤動(dòng)物的表聚現(xiàn)象消失，但化肥配施有機(jī)肥方式下土壤動(dòng)物表聚特征明顯，說(shuō)明有機(jī)肥的施入會(huì)改善土壤動(dòng)物的生存環(huán)境，有利于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤動(dòng)物群落的穩(wěn)定[29]。

圖1 不同時(shí)期土壤動(dòng)物垂直分布Fig.1 Distribution of soil fauna in three sampling dates

長(zhǎng)期施肥可引起土壤動(dòng)物的數(shù)量變化，但對(duì)土壤動(dòng)物種類(lèi)數(shù)量影響較小；有機(jī)肥的施用有利與土壤動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，且保持了土壤動(dòng)物原有的表聚特征，對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的生態(tài)環(huán)境具有更好的保護(hù)作用。

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