馬丙增,蔣云峰,嚴 婷,劉俊男

(吉林師范大學 地理科學與旅游學院,吉林 四平 136000)

黑土地是擁有黑色或暗黑色腐殖質表土層的一類土地,具有土壤性狀好、自然肥力高、供肥能力強、質地疏松、適宜植物生長等特點,被譽為世界上最珍貴的土壤資源[1-2]。東北黑土區(qū)是我國重要的糧食生產基地之一,但長期的重用輕養(yǎng)使得黑土地出現(xiàn)不同程度的退化問題,嚴重影響該區(qū)農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[3-4]。為遏制黑土地退化,提升耕地質量,以少/免耕和秸稈還田為主要措施的保護性耕作越來越受到重視[5]。免耕,即除播種外,不再進行其他任何土壤耕作,避免對土壤結構的破壞[6-8]。秸稈留高茬免耕是指除播種外不進行耕作,但在收獲后將秸稈在農田里留茬一定高度,次年播種滅茬,就地腐熟還田[9]。相較于傳統(tǒng)耕作,秸稈還田通過擾動土壤來控制雜草,粉碎土壤表層的結殼,不僅可降低土壤侵蝕,保持土壤水分,而且能夠增加地表有機殘留物的累積,提高土壤的固碳能力[10-12]。

大型土壤動物是農田生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,既是土壤中的居住者,也是土壤環(huán)境的營造者。它們通過對有機物質的混合、破碎、采食,以及在土壤中的搬運、穿透等活動積極調節(jié)土壤孔隙的分布,促進土壤團聚體的形成,影響土壤有機質的分解和養(yǎng)分循環(huán)、存儲及時空再分布等過程[13-14]。大型土壤動物對土壤環(huán)境的變化反應敏感[15-17],易被人們發(fā)現(xiàn)。耕作方式轉變所引起的土壤環(huán)境的變化必然會對生存在其中的土壤動物群落產生影響,從而進一步影響土壤環(huán)境。研究表明,農田管理措施能夠通過改變干擾強度、有機物輸入等直接或間接地影響土壤動物群落及其調控的生態(tài)過程[18]。與傳統(tǒng)耕作相比,實施保護性耕作的土壤可顯著增加土壤動物個體數(shù)、類群數(shù)和多樣性[19],改變土壤食物網(wǎng)的結構組成[20]。但以往的研究工作主要關注秸稈覆蓋還田[21]和還田方式的影響[22],關于大型土壤動物對黑土區(qū)農田秸稈留高茬響應的研究較少。本試驗通過在玉米生育期內取樣調查大型土壤動物群落,探討玉米秸稈留高茬免耕下大型土壤動物群落的生態(tài)分布特征,旨在為改善黑土區(qū)的農田土壤生態(tài)系統(tǒng),推廣保護性耕作方式提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗地位于中國科學院設在吉林省四平市梨樹縣高家村的保護性耕作研發(fā)基地(43°19′N,124°14′E)內。該區(qū)屬溫帶季風氣候,夏季炎熱多雨,冬季寒冷干燥,年均氣溫6.7 ℃,年均降水量614 mm,降水主要發(fā)生在6—9月,年無霜期140～150 d(表1)。試驗當年(2015年)的月均溫和月累計降水量基本與常年氣溫及降水量持平[23],當年1～12月的平均氣溫分別為-13.5、-9.3、-0.7、9.0、16.0、21.1、23.7、22.2、16.0、7.7、-2.0、-10.0 ℃,當年1～12月的降水量分別為6、5、13、31、53、98、174、144、57、31、14、7 mm。試驗地地勢平坦,土壤類型為中層黑土,壤質黏土。該基地自2007年4月建立至2015年取樣時已布設8年,其間一直進行玉米連作,無其他作物干擾。

表1 不同處理的大型土壤動物群落組成

1.2 試驗設計

試驗共設常規(guī)耕作(CT)、免耕(NT)和秸稈留高茬免耕(SS)3個處理。其中,CT作為對照,在秋季收獲后不進行秸稈覆蓋,滅茬旋耕(深度在18～25 cm),起壟作業(yè),除播種、施肥外,不再擾動土壤;NT在秋季收獲后不進行秸稈覆蓋,播種時利用免耕播種機一次性完成播種、施肥和鎮(zhèn)壓作業(yè),除此全年不擾動土壤;SS于秋收后秸稈留茬至約50 cm,春季播種時滅茬還田免耕播種。每個處理設置3個重復小區(qū),每個小區(qū)的面積為261 m2(8.7 m×30.0 m)。各處理樣地均只種植玉米,施肥總量相同。

1.3 樣品的采集與鑒定

分別于2015年春季(4月,對應于玉米播種期)、夏季(7月,對應于玉米拔節(jié)期)和秋季(10月,對應于玉米成熟期)進行大型土壤動物取樣。每次在各小區(qū)內沿對角線選取3塊樣地,取樣面積625 cm2(25 cm×25 cm),分別在0～5、5～10、10～15 cm土層取樣,共取243份土樣。直接在樣地采用手撿法獲取大型土壤動物樣品,除蚯蚓保存在4%(質量分數(shù))的福爾馬林中,其余大型土壤動物樣本均保存于75%(體積分數(shù))乙醇中。將樣品帶回實驗室后,利用SMZ800型體視顯微鏡(日本Nikon)進行觀察,依據(jù)《中國土壤動物檢索圖鑒》[24]、《昆蟲分類》[25]和《幼蟲學分類》[26]對所獲得的大型土壤動物樣品進行分類鑒定,一般鑒定到科或目。部分土壤動物的幼蟲和成蟲有不同的生態(tài)功能,將其幼蟲和成蟲分開統(tǒng)計。

1.4 數(shù)據(jù)處理

將每個采樣點3層所獲的土壤動物總個體數(shù)換算為密度(m-2),并按照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。采用個體密度、類群數(shù)和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)分析大型土壤動物的群落特征[27]。參照Wardle[28]的方法計算V指數(shù),以表征每個類群對耕作的響應程度,計算公式如下：

V=2MC/(MC+MN)-1。

(1)

式(1)中：MC和MN分別表示某類土壤動物在常規(guī)耕作和免耕體系中的個體數(shù)量。

利用重復測量方差(repeated measures ANOVA)分析不同處理和不同季節(jié)大型土壤動物的群落組成和多樣性差異。采用單因素方差分析(one-way ANOVA)檢驗不同處理和不同季節(jié)對土壤動物個體密度、類群數(shù)、多樣性指數(shù)的影響。對不服從正態(tài)分布的數(shù)據(jù),采用將其值加1后取常用對數(shù)的方法進行轉換。對有顯著(P<0.05)差異的,采用最小顯著差數(shù)法(LSD)進行多重比較。采用置換多元方差分析(PerMANOVA)測試各處理之間土壤動物群落的組成差異,并利用主成分分析(PCA)對各次取樣的大型土壤動物群落進行分析。

上述數(shù)據(jù)處理與分析過程在Excel 2010、SPSS 18.0和PC-ORD 5.0軟件上完成。

2 結果與分析

2.1 大型土壤動物群落組成

本研究從3個處理的樣地上共獲得24科(部分僅鑒定到分類學的目水平上)大型土壤動物(表1),隸屬于2門4綱14目。春、夏、秋季,各處理樣地的大型土壤動物均以顫蚓目(Tubificida)的線蚓科(Enchytraeidae)具有絕對優(yōu)勢,在相應處理下的占比均不低于40%,秋季各處理下甚至達80%以上;其次是鞘翅目(Coleoptera),在各處理的不同采樣期多為優(yōu)勢類群或常見類群;另外,地蜈蚣目(Geophilomorpha)、雙翅目幼蟲(Diptera larvae)和膜翅目(Hymenoptera)的蟻科(Formicidae)在不同處理中也具有相對較高的比例。

2.2 大型土壤動物的群落結構特征比較

重復測量方差分析結果顯示,處理、季節(jié)及其交互作用對大型土壤動物的密度具有極顯著(P<0.01)影響,土壤動物類群數(shù)僅受季節(jié)的顯著影響,土壤動物的多樣性指數(shù)受季節(jié)的極顯著影響。

春季,NT樣地中的土壤動物密度顯著高于CT與SS,是CT的3.8倍,但CT與SS樣地的土壤動物密度無顯著差異;夏季,SS樣地中的土壤動物密度顯著高于CT與NT,是CT的2.8倍,但CT與NT樣地的土壤動物密度無顯著差異;秋季,NT和SS樣地中的土壤動物密度均顯著高于CT,分別是CT的2.1倍和2.3倍,但NT與SS樣地的土壤動物個體密度無顯著差異。各處理的土壤動物密度均表現(xiàn)為春、夏季顯著低于秋季(圖1),以SS處理為例,春季的平均密度僅為32.0 m-2,而秋季的平均密度達709.3 m-2。

CT,常規(guī)耕作;NT,免耕;SS,秸稈留高茬免耕。柱上無相同大寫字母的表示同一處理不同季節(jié)間差異顯著(P<0.05),無相同小寫字母的表示同一季節(jié)不同處理間差異顯著(P<0.05)。下同。CT, Conventional tillage; NT, No tillage; SS, No tillage with high stubble. Bars marked without the same uppercase letters indicate singificant (P<0.05) difference within seasons under the same treatment. Bars marked without the same lowercase letters indicate significant (P<0.05) difference within treatments under the same season. The same as below.圖1 不同處理的大型土壤動物個體密度、類群豐富度和多樣性Fig.1 The densit, number of groups and Shannon-Wiener diversity index of soil macrofauna communities under treatments

春季,各處理的大型土壤動物類群數(shù)和多樣性指數(shù)存在顯著差異,NT處理顯著高于SS處理。夏、秋兩季,3個處理的大型土壤動物類群數(shù)和多樣性指數(shù)均無顯著差異。同一處理不同季節(jié)相比,SS處理夏、秋兩季的類群數(shù)顯著高于春季,夏季的多樣性指數(shù)顯著高于春、秋兩季;其他處理的類群數(shù)和多樣性指數(shù)在不同季節(jié)間無顯著差異。

置換多元方差分析的結果也顯示,綜合3個季節(jié)的CT處理大型土壤動物群落與SS處理具有顯著差異。PCA結果也表明,不同處理的大型土壤動物群落組成不同(圖2),除春季外,SS處理均被PCⅡ軸與CT處理明顯分開,3個季節(jié)的PC1和PC2均累計解釋了90%以上的動物群落變化。

圖2 不同處理大型土壤動物群落的主成分分析(PCA)Fig.2 Principal component analysis (PCA) of soil macrofauna communities under treatments

2.3 不同處理的大型土壤動物主要類群變化

挑選主要土壤動物類群[線蚓科、正蚓科(Lumbricidae)、蟻科、地蜈蚣目、雙翅目幼蟲、鞘翅目成蟲、鞘翅目幼蟲]開展重復測量方差分析。因鞘翅目下各單科的幼蟲并非在所有季節(jié)都有存在,且個體數(shù)量過少,為便于分析,故將鞘翅目的步甲科幼蟲、隱翅蟲科幼蟲、叩甲科幼蟲、象甲科幼蟲、虎甲科幼蟲和金龜子科幼蟲統(tǒng)一歸類為鞘翅目幼蟲,將其余成蟲統(tǒng)一歸類為鞘翅目成蟲,分別進行統(tǒng)計。結果顯示,僅線蚓科受處理、季節(jié),及二者交互作用的顯著影響,正蚓科受到季節(jié)的顯著影響。春季,線蚓科密度在各處理間無顯著差異;夏季,SS處理的線蚓科密度顯著高于CT和NT處理;秋季,SS處理的線蚓科密度顯著高于CT處理,NT處理的線蚓科密度與CT、SS處理均無顯著差異(圖3)。

圖3 不同處理的線蚓科動物密度Fig.3 Density of Enchytraeidae under treatments

不同季節(jié),各類大型土壤動物對不同處理的響應不同(圖4)。相較于CT：春季,NT處理增加了除鞘翅目成蟲和地蜈蚣目外其他大型土壤動物的數(shù)量(V<0);SS處理增加了線蚓科和蟻科的數(shù)量;夏季,NT處理增加了線蚓科、蟻科、雙翅目幼蟲、鞘翅目成蟲、鞘翅目幼蟲的數(shù)量;SS處理增加了線蚓科、正蚓科的個體數(shù)量;秋季,NT處理增加了除蟻科和鞘翅目成蟲外的其他大型土壤動物的個體數(shù)量,SS處理增加了線蚓科、正蚓科、蟻科和鞘翅目成蟲的數(shù)量。

3 討論

本文從群落組成、結構和季節(jié)變化分析了玉米秸稈留高茬免耕對大型土壤動物群落的影響。相較于常規(guī)耕作,秸稈留高茬免耕增加了大型土壤動物的數(shù)量,并引起其群落結構變化。秸稈留高茬免耕在減少土壤擾動的同時,隨次年滅茬還田增加了一定的有機物料的歸還。這不僅為土壤動物生存提供了穩(wěn)定的環(huán)境,而且秸稈滅茬還田通過微生物活動加速了秸稈有機態(tài)養(yǎng)分的分解釋放,在土壤食物網(wǎng)中經(jīng)自下而上的調控,為土壤動物提供可利用的食物源[29-30]。免耕雖然也較常規(guī)耕作提高了土壤動物的數(shù)量,但群落組成的變化不及留高茬免桿。免耕被廣泛認為是一種比其他耕作方式(如翻耕)對土壤環(huán)境影響較小的措施,若擬通過免耕來實現(xiàn)土壤質量的改善(如降低土壤侵蝕,增強土壤固碳能力,提高土壤生物活性等),需結合秸稈覆蓋或適當?shù)妮喿鱗31-32]。

各類土壤動物對免耕和秸稈留高茬免耕后土壤環(huán)境變化的響應在不同季節(jié)表現(xiàn)不一。研究期間,秸稈留高茬免耕相較于常規(guī)耕作增加了線蚓科的密度,正蚓科的密度在夏秋季也高于常規(guī)耕作。秸稈留高茬滅茬還田被微生物作用后,為線蚓科等動物提供了更多的食物資源,利于其生存[33]。夏季免耕處理中,鞘翅目(成蟲/幼蟲)和蟻科密度相對較高。這可能是因為鞘翅目和蟻科多活動在地表,喜好開闊、陽光充足,低植被覆蓋的區(qū)域[34-35]。無秸稈覆蓋的免耕地表可以接受更多的陽光,更適合這些動物的生存活動。在傳統(tǒng)耕作的樣地中,有些動物類群仍具有較高的密度,如地蜈蚣目。這可能與地蜈蚣具有較強的活動能力和捕食能力,對環(huán)境的適應性較強等因素有關。Wardle[28]認為,土壤動物對耕作表現(xiàn)出多樣的響應,可能與取樣時期、擾動強度和生物適應性有關。

秸稈留高茬免耕對土壤動物群落的影響程度在不同季節(jié)并不相同。這與楊旭等[36]的研究結果基本一致。土壤動物的密度隨季節(jié)的變化起伏較大。本研究中,土壤動物密度的最高值出現(xiàn)在秋季,而多樣性指數(shù)的最高值出現(xiàn)在夏季,這與劉鵬飛等[37]、朱強根等[38]的研究基本一致。氣候因素、地上植物的生長狀況等是影響土壤動物分布的重要因素[39]。本研究區(qū)屬溫帶季風氣候,春季干燥且多大風,秸稈留高茬雖可降低土壤風蝕,但土壤溫度和含水量較低[23],且在春季(播種期)進行的土壤擾動會對土壤動物產生一定的影響,使得土壤動物的密度和類群數(shù)均處于3次取樣的最低值。夏季(拔節(jié)期)秸稈留高茬免耕的處理,由于滅茬還田,土壤表面覆蓋有一定量的秸稈碎屑,可以攔截部分雨水并儲存在秸稈中,增加土壤水分。同時,玉米秸稈和雜草的生長也可為土壤動物提供多樣的生境和食物來源,利于多種土壤動物的生存與發(fā)展。秋季(成熟期),氣溫降低,土壤水分蒸發(fā)的速度降低,秸稈碎屑經(jīng)微生物作用可以為土壤動物提供食物來源,帶動一些喜濕耐低溫的土壤動物(如線蚓科)的數(shù)量增加,從而明顯提高了大型土壤動物的密度。

總的來看,秸稈留高茬免耕相較于常規(guī)耕作增加了黑土農田大型土壤動物的密度,特別是線蚓科。不同處理間土壤動物密度的季節(jié)變化較為一致,總體表現(xiàn)為春低秋高。秸稈留高茬免耕處理的大型土壤動物群落組成與常規(guī)耕作差異明顯,特別是在夏、秋兩季,但與免耕的差異不顯著。因此,相較于常規(guī)耕作,秸稈留高茬免耕對大型土壤動物具有一定的保育作用。