賈遠(yuǎn)彬,陳康怡,叢孟菲,胡洋,唐光木,徐萬里,朱新萍,賈宏濤,4
(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,烏魯木齊 830052;2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所,烏魯木齊 830091;3.北京農(nóng)學(xué)院生物與資源環(huán)境學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華北都市農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102206;4.新疆土壤與植物生態(tài)過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830052)
線蟲是地球低等無脊椎生物中最為豐富的一類,是土壤動(dòng)物中主要的功能類群之一[1],可作為指示土壤生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力以及土壤環(huán)境健康的指標(biāo)[2],例如:施加有機(jī)肥以及秸稈還田能夠有效抑制麥田中植食類線蟲的豐度,并提升捕食/雜食類線蟲的豐度,進(jìn)而提高線蟲成熟度指數(shù)(MI),有利于土壤食物網(wǎng)的穩(wěn)定[3];秸稈還田對食細(xì)菌線蟲的繁殖具有促進(jìn)作用,可抑制植食類線蟲的繁殖,優(yōu)化線蟲群落結(jié)構(gòu),從而改善土壤狀況[4]。因此,土壤線蟲在指示土壤環(huán)境健康、促進(jìn)物質(zhì)循環(huán)及能量流動(dòng)方面具有重要意義[5]。
生物質(zhì)炭是動(dòng)植物殘?bào)w在完全或部分缺氧的情況下經(jīng)過高溫裂解碳化產(chǎn)生的一類芳香化且難熔的固態(tài)物質(zhì)[6]。生物質(zhì)炭所具有的孔隙結(jié)構(gòu)會(huì)影響土壤的通氣性和保水性,并為微生物、土壤動(dòng)物的生長發(fā)育提供繁殖空間和良好的棲息環(huán)境[7]。目前關(guān)于生物質(zhì)炭對土壤改良效應(yīng)的研究多為短期施入或者連續(xù)施加研究,且主要集中在生物質(zhì)炭對土壤物理和化學(xué)性狀方面的影響[8],生物質(zhì)炭施加于土壤后,在環(huán)境因素的作用下,發(fā)生凍融交替、干濕交替以及氧化作用等,導(dǎo)致生物質(zhì)炭發(fā)生老化,隨著時(shí)間的延長生物質(zhì)炭也會(huì)改變土壤物理化學(xué)性質(zhì),例如土壤pH、含水量、土壤養(yǎng)分以及微生物群落等,這些都是影響線蟲群落生長的因素[9-11]。研究表明紅壤中加入生物質(zhì)炭會(huì)對線蟲不同營養(yǎng)類群豐度產(chǎn)生影響[12],低量生物質(zhì)炭的施加對土壤動(dòng)物群落起促進(jìn)作用,但若施炭量過高則可能對土壤動(dòng)物群落產(chǎn)生負(fù)面影響[13-14],Liu等[15]研究發(fā)現(xiàn),紅壤中連續(xù)施入生物質(zhì)炭2 年后,60 t·hm-2施加量抑制了線蟲的多個(gè)營養(yǎng)類群的生長。也有研究發(fā)現(xiàn)水稻土中5 t·hm-2的施炭量促進(jìn)了捕食/雜食類線蟲的生長,而40 t·hm-2則對其產(chǎn)生了抑制作用[16]。在黃褐土上施炭5 年后,線蟲群落的總豐度和捕食/雜食類線蟲的豐度增加[9]。綜上可知,由于施加量和土壤類型不同,生物質(zhì)炭施加一定年限后對土壤線蟲群落不同營養(yǎng)類群作用并不一致,促進(jìn)或抑制作用均有表現(xiàn),目前關(guān)于風(fēng)沙土生物質(zhì)炭施加年限及生物質(zhì)炭老化對土壤線蟲群落結(jié)構(gòu)影響的研究還少有報(bào)道。風(fēng)沙土是新疆主要的障礙性土壤之一,也是重要的后備耕地之一,主要分布在塔克拉瑪干沙漠和古爾班通古特沙漠邊緣地區(qū),占新疆土地面積的22.5%,風(fēng)沙土結(jié)構(gòu)松散、保水保肥能力差,肥力低下,土壤生產(chǎn)力較低[17]。生物質(zhì)炭技術(shù)的應(yīng)用為風(fēng)沙土改良和地力提升提供了新前景,但針對風(fēng)沙土改良的研究中,尚缺少用土壤線蟲相關(guān)指標(biāo)來反映生物質(zhì)炭施加時(shí)間對土壤健康的影響研究。因此,本研究以風(fēng)沙土為供試土壤,探究生物質(zhì)炭施加7 年與1 年后對風(fēng)沙土土壤線蟲群落結(jié)構(gòu)特征的影響,試圖從土壤生物角度揭示生物質(zhì)炭一次施加后隨時(shí)間延長對土壤健康的影響,為確定生物質(zhì)炭科學(xué)施加量以及間隔時(shí)間提供科學(xué)的參考。
盆栽所用土壤采集于新疆石河子墾區(qū)兵團(tuán)農(nóng)八師121 團(tuán)炮臺(tái)土壤改良試驗(yàn)站,土壤類型為風(fēng)沙土。試驗(yàn)站年平均氣溫7.5 ℃,日照2 525 h,無霜期169 d,年降雨量225 mm,年蒸發(fā)量1 250 mm。試驗(yàn)所用生物質(zhì)炭為河南三利新能源有限公司提供的小麥秸稈炭,在450 ℃限氧條件下炭化5 h,粉碎后過2 mm 篩。玉米品種為“新玉53號(hào)”。
盆栽試驗(yàn)花盆直徑25 cm、高25 cm,每盆裝15 kg土壤。盆栽試驗(yàn)分為兩組:A 組風(fēng)沙土來自2014 年布置的施加不同量生物質(zhì)炭的原位長期定位試驗(yàn)田,玉米連作7年,施加生物質(zhì)炭處理見表1,每個(gè)處理設(shè)置3 個(gè)重復(fù);C 組為2021 年未施加生物質(zhì)炭且未種植玉米的原位田間風(fēng)沙土,依據(jù)原位長期定位試驗(yàn)生物質(zhì)炭施加量,計(jì)算出每盆生物質(zhì)炭施加量,使施炭量與長期定位試驗(yàn)田施加量保持一致,同時(shí)以田間未施生物質(zhì)炭風(fēng)沙土為對照。試驗(yàn)所用化肥施加量及農(nóng)藝措施與土壤改良試驗(yàn)站常規(guī)大田一致。玉米收獲后采集各處理盆栽內(nèi)土壤,挑除植物根莖后分成兩份帶回實(shí)驗(yàn)室,一份鮮土樣置于4 ℃冰箱內(nèi)保存,用于線蟲分離;另一份風(fēng)干后過篩用于土壤理化性質(zhì)測定。
表1 各處理組生物質(zhì)炭施加量(t·hm-2)Table 1 Biochar application amount of treatments(t·hm-2)
土壤pH、電導(dǎo)率分別采用pH 儀、電導(dǎo)率儀測定;有機(jī)質(zhì)測定采用濃硫酸-重鉻酸鉀外加熱法;全磷測定采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法;全鉀測定采用氫氧化鈉熔融-火焰光度法;全氮測定采用凱氏定氮法;速效磷測定采用碳酸氫鈉-硫酸鉬銻抗比色法;速效鉀測定采用乙酸銨浸提-火焰光度計(jì)法;堿解氮測定采用堿解擴(kuò)散法[18]。
稱取不同處理下的鮮土樣50 g,采用淺盤分離-蔗糖離心浮選的連續(xù)提取法提取土壤線蟲,提取出的線蟲通過解剖鏡進(jìn)行計(jì)數(shù),在光學(xué)顯微鏡下鑒定到屬[19],并換算為每100 g 干土的線蟲數(shù)量,線蟲鑒定參照The Nematodes of the Netherlands[20]和《中國土壤動(dòng)物檢索圖鑒》[21],并依據(jù)線蟲的食性將其分為食細(xì)菌類(Ba,Bacterivores)、食真菌類(Fu,Fungivores)、植物寄生類(Pp,Plant-parasites)、捕食/雜食類(P/O,Predators/Omnivores)四個(gè)營養(yǎng)類群[22]。
研究中涉及的線蟲生態(tài)指數(shù)包括多樣性指數(shù)(H)、自由生活線蟲成熟指數(shù)(MI)、豐富度指數(shù)(SR)、線蟲通路比值(NCR)、富集指數(shù)(EI)和結(jié)構(gòu)指數(shù)(SI)[23-24],計(jì)算方法如下:
式中:i為分類單元;Pi為第i個(gè)分類單元中個(gè)體占總體的比例;Vi為根據(jù)線蟲在生活策略中所屬類群賦予的c-p值;S為鑒定分類單元的數(shù)目[25];BF為食細(xì)菌線蟲的豐度;FF為食真菌線蟲的豐度;b指的是c-p 值為2的Ba和Fu類群;e指的是c-p值為1的Ba和Fu類群;s指的是c-p 值為3、4、5 的Ba、Fu、Om(雜食)類群和c-p值為2、3、4、5的捕食類群(Predators)[26-27]。
使用Excel收集整理數(shù)據(jù),使用SPSS 26.0 對土壤物理化學(xué)性質(zhì)以及線蟲總數(shù)和生態(tài)學(xué)指數(shù)進(jìn)行單因素方差分析,采用LSD 進(jìn)行多重比較檢驗(yàn),顯著水平為P<0.05,用Origin 2021 制圖,并使用R 3.6.2 中的RDA(Redundancy analysis)對土壤線蟲群落和土壤因子進(jìn)行排序。
由表2 可看出,施加生物質(zhì)炭對土壤電導(dǎo)率影響不顯著。C 組中,與C0 相比,施加生物質(zhì)炭各處理土壤pH、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀、速效磷以及土壤全量養(yǎng)分含量顯著增加。A組中,與A0相比,A4處理土壤堿解氮、全量養(yǎng)分含量顯著增加(P<0.05),A1 和A3土壤速效磷含量顯著增加了61.9% 和39.3%(P<0.05),施加生物質(zhì)炭處理(A1除外)土壤pH、速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量均顯著增加。A、C兩組對比發(fā)現(xiàn),相同生物質(zhì)炭施加量下,施加生物質(zhì)炭1 年后的土壤pH 顯著高于施加生物質(zhì)炭7 年后的土壤pH,且土壤速效養(yǎng)分、全量養(yǎng)分以及有機(jī)質(zhì)含量均顯著增加,說明生物質(zhì)炭老化后對土壤養(yǎng)分的提升效應(yīng)會(huì)降低。
表2 生物質(zhì)炭不同施加水平下土壤理化性質(zhì)Table 2 Physical and chemical properties of soil under different biochar treatments
研究共獲得土壤線蟲2 942 條,其中A 組1 879條,C 組1 063 條。如圖1 所示,C 組每100 g 土壤(以干土計(jì),下同)中線蟲數(shù)量在12~303 條之間,與C0 處理相比,施炭降低了土壤線蟲數(shù)量,且在C1和C4處理降幅顯著(P<0.05)。A 組每100 g 土壤中線蟲數(shù)量在112~374 條之間,與A0 處理相比,A4 處理線蟲數(shù)量降幅最大,但未達(dá)到顯著水平,A4 處理線蟲數(shù)量較A1、A3處理顯著降低。相較于C組,施炭7年后土壤線蟲數(shù)量得到恢復(fù),生物質(zhì)炭施加量為15.75 t·hm-2處理下線蟲數(shù)量恢復(fù)較好。
適應(yīng)輔助服務(wù)市場化的自動(dòng)發(fā)電控制調(diào)頻容量實(shí)時(shí)計(jì)算方法//仇進(jìn),吳繼平,滕賢亮,徐瑞,于昌海//(8):16
圖1 施加生物質(zhì)炭不同年限土壤(100 g)的線蟲數(shù)量Figure 1 Amount of nematodes in soils(100 g)of different years of applied biochar
經(jīng)分離鑒定獲得土壤線蟲共26 個(gè)屬,包括食細(xì)菌類線蟲9個(gè)屬、食真菌類線蟲2個(gè)屬、植物寄生類線蟲4 個(gè)屬和雜食/捕食類線蟲11 個(gè)屬。A 組獲得線蟲20 個(gè)屬,C 組獲得線蟲21 個(gè)屬,食細(xì)菌類線蟲是主要的營養(yǎng)類群,擬麗突屬(Acrobeloides)為優(yōu)勢屬(圖2)。
圖2 施加生物質(zhì)炭對土壤線蟲群落結(jié)構(gòu)的影響Figure 2 Effects of biochar application on soil nematode community structure
如圖3 所示,隨著生物質(zhì)炭施加量的增加,A 組和C 組生物質(zhì)炭對食真菌類線蟲變化規(guī)律影響不明顯;C 組捕食/雜食類營養(yǎng)類群線蟲豐度降低,而A 組捕食/雜食類營養(yǎng)類群線蟲豐度增加,主要由真矛線屬(Endorylaimus)、扁腔屬(Sectonema)和盤咽屬(Discolaimus)豐度變化引起,說明生物質(zhì)炭施加量超過31.50 t·hm-2后,隨年限的增加,捕食/雜食類營養(yǎng)類群線蟲豐度增加。
圖3 施加生物質(zhì)炭對土壤線蟲營養(yǎng)類群分布特征的影響Figure 3 Effects of biochar application on the distribution characteristics of soil nematode trophic groups
隨著生物質(zhì)炭施加量的增加,C 組生物質(zhì)炭引起短體屬(Pratylenchus)豐度升高,植物寄生類線蟲豐度升高。而A 組生物質(zhì)炭老化引起植物寄生類線蟲中短體屬豐度下降,與A0處理相比,植物寄生類線蟲在A3、A4 處理下降。這說明生物質(zhì)炭施加后,隨施加年限的增加,植物寄生類線蟲豐度降低。
隨著生物質(zhì)炭施加量的增加,C2、C3 和C4 處理食細(xì)菌類線蟲豐度增加,且擬麗突屬、麗突屬(Acrobeles)與板唇屬(Chiloplacus)為優(yōu)勢屬。A 組食細(xì)菌類線蟲在A3 處理下豐度最高,為55.1%,在A4 處理下最低,為28.5%,擬麗突屬為優(yōu)勢屬。隨施炭年限的增加,A2、A3、A4 處理生物質(zhì)炭老化后食細(xì)菌類線蟲豐度降低。
如表3所示,與對照相比,A組和C組各處理土壤線蟲的SR、H和SI無顯著差異。A、C 兩組NCR在0.71~1.00 和0.87~1.00 之間,說明土壤有機(jī)質(zhì)分解以細(xì)菌分解為主。隨著生物質(zhì)炭量的增加,與C0 相比C4 處理MI顯著降低,降幅達(dá)35.7%(P<0.05),而A 組MI增加。A、C 兩組EI均小于50 且SI均大于50,說明A、C兩組生物質(zhì)炭施加后土壤食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)化程度高,受干擾程度較低。
表3 施加生物質(zhì)炭對土壤線蟲群落生態(tài)指數(shù)的影響Table 3 Effect of biochar application on ecological index of soil nematode community
圖4 揭示了施加生物炭不同時(shí)間后土壤因子變化對土壤線蟲群落結(jié)構(gòu)的影響,A 組兩個(gè)維度共解釋了52.25%的總變異。土壤SOC 和速效鉀與真頭葉屬(Eucephalobus)呈正相關(guān)關(guān)系,全氮和堿解氮與真矛線屬(Eudorylaimus)呈正相關(guān)關(guān)系,速效磷與盤咽屬(Discolaimus)和麗突屬(Acrobeles)呈正相關(guān)關(guān)系,短體屬(Pratylenchus)與除速效磷以外的土壤因子呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。C 組兩個(gè)維度共解釋了49.48%的總變異。麗突屬和板唇屬(Chiloplacus)與土壤因子呈正相關(guān)關(guān)系,真矛線屬和扁腔屬(Sectonema)與土壤因子呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。由表4得出,MI與C組中土壤環(huán)境因子具有顯著相關(guān)性,且相關(guān)系數(shù)高于A 組,因而MI指示短期施加生物質(zhì)炭對風(fēng)沙土土壤性質(zhì)干擾性高于長期施用,因而對線蟲群落結(jié)構(gòu)的影響也較大。
圖4 不同年限生物質(zhì)炭施加土壤線蟲群落與土壤環(huán)境因子的冗余分析(RDA)Figure 4 Redundancy analysis(RDA)of soil nematode community and soil environmental factors with biochar application for different years
表4 土壤線蟲群落生態(tài)指數(shù)與土壤環(huán)境因子的相關(guān)性Table 4 Correlation between soil nematode community ecological index and soil environmental factors
風(fēng)沙土有機(jī)質(zhì)含量低,養(yǎng)分貧瘠,生物質(zhì)炭能夠增加土壤中的氮、磷、鉀等有效養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)的含量,從而改善風(fēng)沙土的理化性質(zhì),為風(fēng)沙土土壤線蟲提供良好的物質(zhì)基礎(chǔ),從而促進(jìn)線蟲的生長發(fā)育[28]。本研究發(fā)現(xiàn),與施加生物質(zhì)炭1年相比,施炭7年后土壤線蟲數(shù)量有所升高,推測可能是由于生物質(zhì)炭在土壤中長時(shí)間的破碎、老化以及pH 降低使其對土壤生物類群的干擾降低。在土壤生境中,生物質(zhì)炭的老化年限對土壤線蟲群落結(jié)構(gòu)的影響可能有所不同,已有研究表明,在黃褐土和堿性農(nóng)業(yè)土壤中施加5~60 t·hm-2生物質(zhì)炭2~3年后會(huì)導(dǎo)致線蟲數(shù)量的變化,但影響不顯著[15,29],這與本研究的部分結(jié)果一致。本研究中施加生物質(zhì)炭1 年后土壤線蟲數(shù)量降低,其中126.00 t·hm-2處理土壤線蟲數(shù)量降幅最大(57.9%),其原因可能是土壤pH的升高以及過量的生物質(zhì)炭施加會(huì)使一些對土壤線蟲有害的物質(zhì)增加,從而增大了土壤線蟲的死亡率[30]。
生物質(zhì)炭施加后,隨年限增加,其老化可能是影響其土壤生態(tài)效應(yīng)的因素之一。本研究發(fā)現(xiàn),施加15.75 t·hm-2生物質(zhì)炭1 年后對捕食/雜食類群線蟲豐度具有促進(jìn)作用,相比之下,31.50 t·hm-2的施炭量有利于提升食細(xì)菌類線蟲豐度,而施炭7 年后食細(xì)菌類線蟲和捕食/雜食類線蟲的比例則趨于穩(wěn)定,推測可能是生物質(zhì)炭的施加增加了土壤速效養(yǎng)分且提高了養(yǎng)分有效性,為食細(xì)菌、食真菌類線蟲提供了良好的食物基礎(chǔ),也間接促進(jìn)了捕食/雜食類線蟲的生長[31-33],同時(shí)本研究中施加生物質(zhì)炭1 年后的冗余分析結(jié)果表明,麗突屬和板唇屬(均為食細(xì)菌類線蟲)與土壤養(yǎng)分呈正相關(guān)關(guān)系,因此養(yǎng)分含量的增加可能促進(jìn)食細(xì)菌類線蟲豐度增加的這一推測得到驗(yàn)證[34]。食細(xì)菌類線蟲c-p值為1~2,類群較耐環(huán)境脅迫,而捕食/雜食類線蟲c-p 值為4~5,類群對環(huán)境脅迫敏感,因此土壤pH 的上升以及126.00 t·hm-2的生物質(zhì)炭外源施入可能也是導(dǎo)致施炭1年后捕食/雜食類線蟲c-p值為4~5 的類群豐度下降的因素[35-36]。Yan 等[37]的研究結(jié)果表明,風(fēng)沙土中一次性施加生物質(zhì)炭7 年后,根際土壤細(xì)菌群落的多樣性增加,且細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)改變,同時(shí)有學(xué)者報(bào)道,在風(fēng)沙土中施加生物質(zhì)炭7 年后促進(jìn)了玉米根系的生長,并增加了玉米產(chǎn)量[38]。細(xì)菌群落和植物生物量的改變均有可能對線蟲群落產(chǎn)生影響,這也可能是本研究中生物質(zhì)炭施加7 年后植物寄生類與食細(xì)菌類線蟲豐度改變的原因。
土壤線蟲群落生態(tài)指數(shù)可用于反映土壤線蟲群落的多樣性與穩(wěn)定性[39],施加年限導(dǎo)致生物質(zhì)炭對土壤線蟲MI有一定影響,因此MI可用于反映土壤環(huán)境受干擾程度。施加1 年后,隨著施炭量的增加,MI降低,說明施炭量的增加可能導(dǎo)致土壤環(huán)境受到的干擾程度增大,而施加7 年后MI增加,說明一次性施加生物質(zhì)炭7 年后老化的生物質(zhì)炭依然有利于土壤食物網(wǎng)穩(wěn)定,并增加了土壤環(huán)境的抗干擾能力。結(jié)合NCR、EI和SI值說明施加生物質(zhì)炭后土壤有機(jī)質(zhì)的分解途徑主要為細(xì)菌分解或完全為細(xì)菌分解,表明土壤食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)化程度升高,受干擾程度較低[40-41]。土壤環(huán)境因子對土壤線蟲群落生態(tài)指數(shù)也有不可忽視的影響,張?jiān)剖娴萚42]的研究表明,在一次性施加生物質(zhì)炭5年后,老化生物質(zhì)炭對土壤增肥效應(yīng)逐年減弱,本研究也發(fā)現(xiàn)相同效應(yīng)。研究中MI值受土壤環(huán)境因子影響最為顯著,土壤pH、速效磷、速效鉀以及有機(jī)質(zhì)是影響線蟲群落組成的主要因子,這與盧孟召等[43]、范琳娟等[44]的研究結(jié)果一致。以上研究說明土壤線蟲群落結(jié)構(gòu)的變化與環(huán)境因子具有密切聯(lián)系,因而施加生物質(zhì)炭后隨時(shí)間的增加,老化生物質(zhì)炭對土壤的生態(tài)效應(yīng)有別于新鮮生物質(zhì)炭。本研究重點(diǎn)關(guān)注了向風(fēng)沙土施加生物質(zhì)炭對線蟲數(shù)量和生態(tài)指數(shù)的影響,但有關(guān)土壤線蟲群落結(jié)構(gòu)以及種群豐度變化對土壤生態(tài)功能提升貢獻(xiàn)度的量化研究還需要進(jìn)一步開展。
(1)施加生物質(zhì)炭使土壤pH 和土壤養(yǎng)分含量提高,但隨時(shí)間延長,生物質(zhì)炭老化會(huì)使土壤養(yǎng)分提升效應(yīng)降低,土壤環(huán)境因子與土壤線蟲群落結(jié)構(gòu)具有密切的相關(guān)性。
(2)施加生物質(zhì)炭1年后,土壤線蟲群落結(jié)構(gòu)、營養(yǎng)類群分布和豐度均發(fā)生改變,土壤線蟲數(shù)量受到顯著抑制,但施加生物質(zhì)炭7年后土壤線蟲數(shù)量會(huì)恢復(fù)。
(3)一次性施加126.00 t·hm-2生物質(zhì)炭7 年后土壤線蟲數(shù)量顯著降低,而施加15.75 t·hm-2生物質(zhì)炭對土壤線蟲數(shù)量和群落結(jié)構(gòu)的維持具有積極的作用。