張默焓，薛中俊，呂得林，周春曉，巫厚長*

腐熟秸稈替代化肥對冬小麥田節(jié)肢動物群落結構與小麥產(chǎn)量的影響

張默焓1，薛中俊1，呂得林1，周春曉2，巫厚長1*

(1. 安徽農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院 合肥 230036；2. 合肥市第三十二中學 合肥 230051)

通過開展等氮條件下腐熟秸稈替代化肥定位試驗，研究不同施肥處理對冬小麥田節(jié)肢動物群落結構與小麥產(chǎn)量的影響，以期為化肥減量施用和秸稈資源化利用提供理論依據(jù)。試驗共設置5個處理：單施化肥、腐熟秸稈替代20%、50%、80%和100%化肥。結果顯示：隨著腐熟秸稈替代化肥量的增多，害蟲數(shù)量呈現(xiàn)減少趨勢，天敵數(shù)量呈現(xiàn)先增后減的趨勢。以腐熟秸稈替代50%化肥為節(jié)點，除了害蟲優(yōu)勢集中性指數(shù)，節(jié)肢動物群落各主要特征值均隨著替代量的增多呈現(xiàn)先增后減的趨勢。當腐熟秸稈替代化肥達50%及以上時，小麥各產(chǎn)量指標均顯著低于單施化肥。結論表明腐熟秸稈替代化肥比例宜控制在50%以下。

冬小麥；腐熟秸稈；節(jié)肢動物群落；天敵；害蟲；產(chǎn)量

化肥長期過量施用會導致農(nóng)田生態(tài)環(huán)境失衡[1]，因此，有機肥以合理比例替代化肥配施成為時下國內外研究的熱點。秸稈資源作為構建農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟系統(tǒng)種植業(yè)與養(yǎng)殖業(yè)間的重要紐帶，對于實現(xiàn)農(nóng)業(yè)資源循環(huán)利用和可持續(xù)發(fā)展有重要意義[2]。田間農(nóng)作物秸稈采用好氧堆肥工藝腐熟后含有大量腐殖質和營養(yǎng)物質，且不帶致病微生物，可以作為有機肥替代化肥還田[3]。

節(jié)肢動物在農(nóng)田生態(tài)環(huán)境中具有影響生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)、養(yǎng)分循環(huán)等多種重要功能，可以指示各種環(huán)境變化[4]，農(nóng)作物產(chǎn)量則直接反應氮素在其體內的積累程度[5]。通過觀察田間節(jié)肢動物群落結構和農(nóng)作物產(chǎn)量的變化可以評價腐熟秸稈替代化肥后產(chǎn)生的影響。有報道指出，基施腐熟秸稈有助于提高天敵個體數(shù)，從而可持續(xù)地控制害蟲個體數(shù)，用腐熟秸稈部分或全部替代化肥可以抑制害蟲數(shù)量[6-7]；施用有機肥能提高蜘蛛、捕食性天敵和寄生性天敵物種的多樣性與均勻度指數(shù)，且能顯著降低害蟲種群的危害[8]。有調查結果顯示有機種植較常規(guī)種植能夠維持更高的生物多樣性、多度甚至豐度[9]，且不同種植模式的多樣化鑲嵌有可能構建更加復雜和完善的節(jié)肢動物群落結構[10]。此外，諸多研究證明，有機肥以合理比例替代化肥可以保證農(nóng)作物的穩(wěn)產(chǎn)甚至增產(chǎn)[11-15]。

有機肥按科學比例替代化肥不僅減少化肥施用，而且能維持原本的氮素基礎，這對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有重要意義。因此，本研究基于田間小區(qū)定位試驗第3年的背景，探討等氮條件下腐熟秸稈按不同比例替代化肥對冬小麥（）田節(jié)肢動物群落結構與小麥產(chǎn)量的影響，以期為腐熟秸稈科學替代化肥還田提供合理依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地基本概況

試驗小區(qū)位于安徽省合肥市安徽農(nóng)業(yè)大學實驗農(nóng)場夏玉米（）-冬小麥輪作田（117°14′E，31°52′N），地處長江中下游地區(qū)安徽中部，屬于亞熱帶季風性濕潤氣候，年平均降水量940～1 000 mm，年平均氣溫15.7 ℃，土壤類型黃褐土。土壤0～20 cm基本理化性質為有機質12.5 g·kg-1、全氮1.03 g·kg-1、堿解氮70.17 mg·kg-1、有效磷23.46 mg·kg-1、速效鉀213.26 mg·kg-1、pH 7.5。前茬作物為玉米，小區(qū)面積大約90 m2，本次為定位試驗第3年。

1.2 試驗材料與試驗設計

供試小麥品種為“鎮(zhèn)麥8號”。供試腐熟秸稈含N 2%，P2O51.6%，K2O 1.4%，有機質含量≥45%，pH 7.45（好氧堆肥腐熟的小麥秸稈）。供試化肥：尿素含N46%（中鹽安徽紅四方股份有限公司），復合肥含N 15%，P2O515%，K2O 15%（中鹽安徽紅四方股份有限公司）。

采用單因素試驗，共設置5個處理：單施化肥、等氮條件下腐熟秸稈替代20%化肥、等氮條件下腐熟秸稈替代50%化肥、等氮條件下腐熟秸稈替代80%化肥和等氮條件下腐熟秸稈替代100%化肥，每個處理6次重復，試驗采用隨機區(qū)組設計，共計30個小區(qū)，每個小區(qū)3 m2（3 m×1 m），共90 m2。小麥施肥按N 225 kg·hm-2，P2O5105 kg·hm-2，K2O 105 kg·hm-2施肥，各處理具體施肥量見表1。小麥于2017年11月10日播種，播種量為120 kg·hm-2，采用行播，行距20 cm，每個處理2行。所有處理的有機肥以及化肥均于冬小麥播種前一次性基施，作物生長期內不施用除草劑與殺蟲劑。小區(qū)間用水泥梗隔離，防止串水串肥。田間管理按常規(guī)，于2018年5月25日收獲時測產(chǎn)。

表1 不同處理的腐熟秸稈與化肥施用量

注：腐熟秸稈自身含有氮磷鉀肥，為達到各處理施肥環(huán)境條件統(tǒng)一，需保持腐熟秸稈氮磷鉀肥含量與化肥氮磷鉀肥含量之和相等，因此各處理化肥氮磷鉀肥含量隨著腐熟秸稈替代量的增加而減少。

1.3 取樣與調查方法

節(jié)肢動物群落調查于2018年4—5月進行（小麥抽穗期至灌漿期），每7 d調查1次，共調查5次，每個小區(qū)采取平行跳躍法抽取5株小麥，采用目測法系統(tǒng)調查每株小麥及其周圍0.25 m2地表所有節(jié)肢動物種類和個體數(shù)量。將麥田節(jié)肢動物劃分為3個功能團（天敵類、害蟲類和中性昆蟲類[16]），分析各功能團優(yōu)勢度。5月底小麥成熟，收割后脫粒風干，經(jīng)過室內考種測得不同處理穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重以及產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用群落相對豐度（P）、Simpson多樣性指數(shù)（）、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)（）、Pielou均勻度指數(shù)（）和Simpson優(yōu)勢集中性指數(shù)（）測定節(jié)肢動物群落特征。計算公式如下[17-21]：

P=N/N

1-∑P2

-∑(PlnP)

ln

∑P2

式中，N為群落中第個物種的個體數(shù)；為群落中所有物種的個體總數(shù)；P為第個物種的個體數(shù)與群落內各物種個體總數(shù)的比例；為群落中物種總數(shù)；為1→。試驗所得的數(shù)據(jù)結果采用Excel 2007和SPSS 22.0進行統(tǒng)計分析，差異顯著性測驗采用Duncan法。

利用物種數(shù)（S）和個體數(shù)（S）之比以及天敵物種數(shù)（S）和害蟲物種數(shù)（S）之比來表示群落相對穩(wěn)定程度。S/S值主要反映種類間數(shù)量上的制約作用，S/S值主要反映群落內部食物網(wǎng)絡關系的復雜程度和相互制約程度[22-23]。

2 結果與分析

2.1 冬小麥田節(jié)肢動物群落種類和數(shù)量

調查發(fā)現(xiàn)冬小麥田共有30種節(jié)肢動物，3 457頭，分屬13目26科。其中天敵7目13科，常見的有黑帶食蚜蠅（）、七星瓢蟲（）、龜紋瓢蟲（）、異色瓢蟲（）、擬環(huán)紋狼蛛（）和姬蜂（）；害蟲6目10科，常見的有麥二叉蚜（）、稻棘緣蝽（）、油葫蘆（）；中性昆蟲3目3科，常見的有中國蜜蜂（）和露螽（）（表2）。

表2 冬小麥田節(jié)肢動物群落組成及豐度

注：數(shù)據(jù)為30個小區(qū)（30×3 m2）的調查結果。

表3 各施肥處理麥田節(jié)肢動物群落組成

注：數(shù)據(jù)為30個小區(qū)（30×3 m2）的調查結果。

2.2 腐熟秸稈替代化肥對冬小麥田節(jié)肢動物組成和數(shù)量的影響

2.2.1 對節(jié)肢動物組成和數(shù)量的影響 麥田節(jié)肢動物群落中鞘翅目、雙翅目、同翅目、半翅目和蜘蛛目發(fā)生量較大，構成了群落主要成分。天敵類功能團中雙翅目食蚜蠅科和鞘翅目瓢蟲科占絕對優(yōu)勢；害蟲類功能團中同翅目蚜科和半翅目緣蝽科占絕對優(yōu)勢（表2）。害蟲類功能團的個體數(shù)明顯高于天敵類，物種數(shù)明顯少于天敵類。5個處理中單施化肥害蟲發(fā)生量大，腐熟秸稈替代50%化肥天敵發(fā)生量大（表3）。通過分析不同種類天敵害蟲的物種數(shù)個體數(shù)，確定麥田優(yōu)勢種天敵為黑帶食蚜蠅和七星瓢蟲，目標害蟲為麥二叉蚜和稻棘緣蝽。

腐熟秸稈替代50%、80%和100%化肥害蟲功能團的個體數(shù)顯著低于單施化肥，替代20%化肥與單施化肥差異不顯著；替代80%和100%化肥物種數(shù)均顯著低于單施化肥，替代20%和50%化肥未達到顯著性差異。替代50%化肥捕食性天敵功能團的物種數(shù)和個體數(shù)均顯著高于單施化肥，且與替代20%化肥相比不顯著。替代50%化肥中性昆蟲功能團的個體數(shù)顯著高于其他處理。5個施肥處理的麥田節(jié)肢動物總群落物種數(shù)與個體數(shù)差異不顯著（表4）。

表4 各施肥處理麥田節(jié)肢動物種類與個體數(shù)量組成

注：數(shù)據(jù)為平均每個小區(qū)（3 m2）的調查結果。同行同指標數(shù)據(jù)后不同字母表示差異顯著（<0.05）。

表5 各施肥處理麥田目標害蟲、優(yōu)勢種天敵的個體數(shù)量組成

注：數(shù)據(jù)為平均每個小區(qū)（3 m2）的調查結果。同列數(shù)據(jù)后不同字母表示差異顯著（<0.05）。下同。

表6 各施肥處理對麥田節(jié)肢動物群落主要特征值的影響

表7 各施肥處理麥田產(chǎn)量指標

2.2.2 對目標害蟲和優(yōu)勢種天敵組成和數(shù)量的影響

腐熟秸稈替代50%、80%和100%化肥的麥二叉蚜個體數(shù)顯著低于單施化肥；替代100%化肥的稻棘緣蝽個體數(shù)顯著高于其他處理。替代50%化肥的黑帶食蚜蠅個體數(shù)顯著高于其他處理；替代20%、80%和100%化肥的七星瓢蟲個體數(shù)顯著低于單施化肥，替代50%化肥與單施化肥間未達到顯著效果（表5）。

2.3 腐熟秸稈替代化肥對冬小麥田節(jié)肢動物群落特征的影響

腐熟秸稈替代50%化肥的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)（），Simpson多樣性指數(shù)（）和Pielou均勻度指數(shù)（）均顯著高于單施化肥，替代20%和80%化肥與單施化肥差異不顯著。替代100%化肥的Simpson多樣性指數(shù)顯著高于單施化肥，Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)與單施化肥差異不顯著。

腐熟秸稈替代50%和100%化肥的害蟲類群優(yōu)勢集中性（）顯著低于單施化肥，表明優(yōu)勢種害蟲麥二叉蚜的個體數(shù)量受到顯著控制。替代50%化肥的天敵類群優(yōu)勢集中性顯著高于單施化肥，表明優(yōu)勢種天敵的個體數(shù)量得到提高。

腐熟秸稈替代50%化肥的S/S值顯著高于單施化肥、替代20%和80%化肥，且與單施化肥差異更顯著，替代20%、80%和100%化肥之間差異不顯著，表明腐熟秸稈替代50%化肥顯著抑制了目標害蟲蚜蟲和稻棘緣蝽種群數(shù)量的增長，一定程度上對節(jié)肢動物群落穩(wěn)定性起促進作用。腐熟秸稈替代20%和50%化肥的S/S值顯著高于單施化肥與替代100%化肥，表明腐熟秸稈替代化肥比例在50%以內能夠提高群落內部食物網(wǎng)絡關系的復雜程度和相互制約程度（表6）。

2.4 冬小麥產(chǎn)量

各腐熟秸稈替代化肥處理的產(chǎn)量均顯著低于單施化肥，產(chǎn)量由高到低依次是：單施化肥>20%秸稈>50%秸稈>80%秸稈>100%秸稈，隨著腐熟秸稈替代化肥量的增加，小麥外觀上表現(xiàn)為植株逐漸變矮，葉片逐漸變小，麥穗逐漸不飽滿。表明腐熟秸稈替代化肥量越多，越不利于小麥穩(wěn)產(chǎn)。腐熟秸稈替代50%、80%和100%化肥的穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重均顯著低于單施化肥，產(chǎn)量分別比單施化肥減少15.58%、17.35%和21.59%，替代20%化肥的穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重與單施化肥差異性不顯著（表7）。

3 討論與結論

綜合定位試驗第3年的結果分析，腐熟秸稈替代化肥比例超過50%顯著影響害蟲物種數(shù)和個體數(shù)，但同時也顯著影響了冬小麥的產(chǎn)量指標。腐熟秸稈等氮替代化肥能對小麥氮素的吸收和土壤氮素的利用產(chǎn)生影響[24]，由于定位試驗年限尚短，腐熟秸稈養(yǎng)分分解周期長，肥效發(fā)揮慢，小麥養(yǎng)分吸收存在滯后。從腐熟秸稈替代化肥對冬小麥的產(chǎn)量影響來看，腐熟秸稈替代化肥比例宜控制在50%以下，這與上一年定位試驗的研究結論[25]相一致。

與單施化肥相比，腐熟秸稈替代20%化肥對害蟲個體數(shù)量影響不顯著，替代80%和100%化肥對天敵數(shù)量影響不顯著，隨著替代量的增多，害蟲數(shù)量呈現(xiàn)減少趨勢，天敵數(shù)量呈現(xiàn)先增后減的趨勢。蚜蟲喜食氮素營養(yǎng)充足，葉片寬大且嫩薄的植株，從線性變化看，小麥植株生長狀態(tài)隨腐熟秸稈替代化肥量的增多逐漸變差，當替代比例超過50%以后，化肥氮素比例下降，小麥葉片氮素成分變少，質量下降，間接抑制了蚜蟲的個體數(shù)量，天敵食物來源減少，數(shù)量相應下降。

以腐熟秸稈替代50%化肥為節(jié)點，除了害蟲優(yōu)勢集中性指數(shù)，節(jié)肢動物群落各主要特征值均隨著替代量的增多呈現(xiàn)先增后減的趨勢，當麥田生態(tài)環(huán)境與施肥之間達到平衡點時，田間節(jié)肢動物群落結構也會隨之達到一個理想的平衡點。有研究指出，在農(nóng)田生境中，可以通過調整施肥結構間接增加田間生物多樣性，從而提高生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性，達到控制害蟲的目的[26]。生境復雜度的上升，不僅為中性昆蟲提供了良好的生存環(huán)境，也為部分天敵提供了替代食料，提高田間天敵優(yōu)勢集中性[27]，間接抑制了麥田害蟲個體數(shù)。與常規(guī)施肥相比，腐熟秸稈替代化肥比例在50%以下時整體效果最佳，既能減少化肥施用，又能保持節(jié)肢動物群落穩(wěn)定，抑制蚜蟲。這種“以蟲治蟲”的生物防治模式避免了農(nóng)藥的噴灑和害蟲抗藥性的產(chǎn)生，減少了環(huán)境污染，對于害蟲防控、土壤養(yǎng)分結構改善以及農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定有重要意義。

腐熟秸稈替代化肥達50%及以上時，小麥各產(chǎn)量指標均顯著低于單施化肥，替代50%化肥以下時小麥的產(chǎn)量指標已經(jīng)接近對照，但總體產(chǎn)量仍有差距，與其他因素相比，養(yǎng)分依舊是影響小麥產(chǎn)量的關鍵因素。本試驗作為定位試驗第3年，腐熟秸稈替代化肥對土壤的調節(jié)和作物提產(chǎn)效果尚不顯著，需連續(xù)幾年，甚至更長時間尺度的觀察研究。

腐熟秸稈替代100%化肥的稻棘緣蝽個體數(shù)顯著增多，可能是由于有機肥對不同種類害蟲的影響有差異[28]，需針對施肥與物種關系進行專門驗證。此外，優(yōu)勢種天敵黑帶食蚜蠅和七星瓢蟲個體數(shù)量在不同施肥處理下的變化機理需要深入研究。目前，針對等氮條件下腐熟秸稈替代化肥對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)影響的課題，涉及節(jié)肢動物群落的較少，關于施肥對田間節(jié)肢動物群落結構的影響值得進一步關注。

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Effects of fermented straw substituting fertilizer on arthropod community structure and grain yield in winter wheat field

ZHANG Mohan1, XUE Zhongjun1, LYU Delin1, ZHOU Chunxiao2, WU Houzhang1

(1. School of Resources and Environment, Anhui Agricultural University, Hefei 230036;2. The Thirty-second High School of Hefei City, Hefei 230051)

In order to reduce fertilizer application and utilize straw resources, the research on effects of fermented straw substituting fertilizer in equal nitrogen level on arthropod community structure and grain yield in winter wheat field had been carried out. Five treatments of different proportions of fermented straw substituting fertilizer were designed: conventional fertilization, fermented straw substituting fertilizers by 20%,50%,80% and 100%, respectively. The result showed that: With the increase of the amount of fermented straw substituting fertilizers, pests number showed a decrease trend, natural enemies number did a increase at first and then a decrease. When the fermented straw substituting 50% fertilizers and above, in addition to the pests dominant concentration index, arthropod community main characteristic value increased at first and then decreased, but the wheat yield index was significantly lower than conventional fertilization. Therefore, the proportion of fermented straw substituting fertilizer is suitable for being controlled lower than 50%.

winter wheat; fermented straw; arthropod community; natural enemies; pests; grain yield

S141.4; S512.11

A

1672-352X (2021)05-0713-07

10.13610/j.cnki.1672-352x.20211105.006

2021-11-8 9:49:45

[URL] https://kns.cnki.net/kcms/detail/34.1162.S.20211105.1128.012.html

2021-01-11

安徽省農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)保和質量安全產(chǎn)業(yè)技術體系專項資金（皖農(nóng)科[2016]18號），金寨縣人民政府-安徽農(nóng)業(yè)大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)學研聯(lián)盟專項基金（金政秘[2014]47號）和國家科技支撐計劃（2012BAK17B00，2012BAD15B03）共同資助。

張默焓，碩士研究生。E-mail：1428731383@qq.com

通信作者:巫厚長，博士，教授。E-mail：houzhangw@ahau.edu.cn