玉米間作種植對黑土區(qū)農(nóng)田中小型土壤動物群落的影響

劉鵬飛，紅 梅,2*，平翠枝，美 麗，王文東，趙烏英嘎

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)土壤質(zhì)量與養(yǎng)分資源重點實驗室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011；3.內(nèi)蒙古阿榮旗農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 162750)

近年來，隨著農(nóng)業(yè)資源、環(huán)境、糧食等問題的挑戰(zhàn)，間作種植再次引起人們的關(guān)注[1]。間作種植能夠充分利用水、肥、光和熱等自然資源，實現(xiàn)了農(nóng)田土地在時間和空間上的集約化利用[2]。豆科-禾本科間作種植模式具有悠久歷史[3]，中國間作種植模式每年種植面積超過2 800萬hm2[4]。豆科與禾本科作物間作具有明顯產(chǎn)量和養(yǎng)分利用優(yōu)勢，它能利用豆科作物的共生固氮作用，將固定的氮向禾本科作物轉(zhuǎn)移，促進(jìn)禾本科作物對氮素的吸收[5]。在自然界中物質(zhì)循環(huán)的原動力主要是靠土壤生物完成，它直接參與有機物的分解和營養(yǎng)元素的礦化，已有試驗證明原生動物、線蟲、螨類、跳蟲、蚯蚓和一些大型節(jié)肢動物直接參與N循環(huán)[6]，土壤動物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分及物質(zhì)循環(huán)的重要參與者[7]，影響土壤的物質(zhì)能量的遷移與轉(zhuǎn)化[8]。

然而，關(guān)于玉米/大豆間作種植體系下對土壤動物群落的影響研究鮮有報道，為此，本試驗通過玉米/大豆間作與玉米單作兩種種植體系，在黑土區(qū)農(nóng)田土壤中開展中小型土壤動物群落多樣性及功能群的研究具有重要作用與意義。探討玉米間作種植體系下對土壤動物群落的響應(yīng)特征。為間作種植體系下土壤動物群落變化提供科學(xué)評價指標(biāo)和依據(jù)。

1 研究地區(qū)與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本試驗在內(nèi)蒙古呼倫貝爾市阿榮旗樂昌(N48°20′,E123°31′)五組進(jìn)行，位于大興安嶺向松嫩平原過渡的黑土帶，海拔平均204 m。半干旱、半濕潤溫帶大陸性氣候，雨熱同季，年均氣溫1.7℃，年有效積溫2 394℃，年均降水量約450 mm，降水主要集中在6～8月。無霜期90～130 d。土壤類型為黑鈣土，土壤基本理化性質(zhì)為：土壤有機質(zhì)38.24 g/kg，全氮1.94 g/kg，有效磷17.91 mg/kg，速效鉀148.27 mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采取玉米單作種植(DZ)和玉米/大豆間作種植(JZ)兩種種植方式，開始試驗的時間為2016年，采用統(tǒng)一常規(guī)耕作方法。種植作物為玉米和大豆，玉米品種為先玉335，大豆品種為黑農(nóng)48。施肥為摻混肥料(N-P2O5-K2O 21-14-10)，施用量為540 kg/hm2。灌水方式為井水噴灌，灌水2次；玉米株距20 cm，行距60 cm，小區(qū)面積20 m×20 m=400 m2。每個小區(qū)四周有5壟(3 m)的保護行，小區(qū)之間間隔2 m。

1.3 樣品采集與土壤動物鑒定

樣品采集分別于2016年玉米和大豆生長季，具體時間為6月14日、7月18日、8月15日和9月26日，取樣于玉米單作和間作種植小區(qū)的玉米行進(jìn)行。取樣時，每個小區(qū)設(shè)3個重復(fù)采樣點。用高10 cm、直徑5 cm環(huán)刀分別從0～10、10～20、20～30 cm 3個土層依次取樣。采用改良Tullgren漏斗經(jīng)過24 h分離提取中小型土壤動物，將收集到的中小型土壤動物裝在盛有75%酒精的塑料瓶中。分類鑒定參考《中國土壤動物檢索圖鑒》[9]，并在顯微鏡(Olympus CKX41)和體視顯微鏡(SZ78系列)下對標(biāo)本進(jìn)行鑒定，土壤動物鑒定到科的水平。類群等級按個體數(shù)占總個體數(shù)比例進(jìn)行劃分：10%以上為優(yōu)勢類群，1%～10%為常見類群，1%以下的為稀有類群。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

對中小型土壤動物群落特征進(jìn)行分析時，采用Shannon多樣性指數(shù)(H)，Pielou均勻度指數(shù)(E)，Margalef豐富度指數(shù)(D)和Simpson優(yōu)勢度指數(shù)(C)進(jìn)行分析[10-11]。對中小型土壤動物功能群的分類時，參考徐演鵬等[12]和林英華等[13]的方法進(jìn)行分類。采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和多重比較(LSD)對不同數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析。數(shù)據(jù)分析處理與作圖采用Excel 2003、SAS 9.0進(jìn)行。計算公式如下：

E=H/lnS

D=(S-1)/lnN

式中：Pi為第i個物種的個體數(shù)占總個體數(shù)的比率；S為類群數(shù)；N為總個體數(shù)；ni/N表明各個體數(shù)占總個體數(shù)的百分?jǐn)?shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 中小型土壤動物群落組成

2.2 中小型土壤動物群落多樣性

2.2.1 中小型土壤動物多樣性水平動態(tài)

由表2所示，玉米間作種植降低中小型土壤動物個體數(shù)30.52%(P<0.05)，類群數(shù)降低15.52%(P>0.05)。玉米間作種植使中小型土壤動物多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)和豐富度指數(shù)降低，優(yōu)勢度指數(shù)增加，但都沒有達(dá)到顯著差異(P>0.05)。

由圖1所示，玉米單作和間作種植下中小型土壤動物個體數(shù)均在7月份最多(32,25)，玉米單作種植下個體數(shù)在月份間無顯著差異(P>0.05)，玉米間作種植下7月份個體數(shù)顯著高于9月份個體數(shù)(P<0.05)。單作種植類群數(shù)在7月份最多(11.33)，玉米間作種植類群數(shù)在6月份最多(9.33)，但類群數(shù)在月份間無顯著差異(P>0.05)。

2.2.2 中小型土壤動物多樣性垂直動態(tài)

由表3所示，本研究中小型土壤動物的個體數(shù)與類群數(shù)總體隨土層深度增加而減少，0～10 cm土層與10～20和20～30 cm土層的土壤動物有顯著差異(P<0.05)，而10～20 cm與20～30 cm土層的土壤動物差異不明顯(P>0.05)。中小型土壤動物的個體數(shù)與類群數(shù)具有表聚性。中小型土壤動物群落多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)和豐富度指數(shù)隨土層深度增加而減少，0～10 cm與20～30 cm土層均有顯著差異(P<0.05)；優(yōu)勢度指數(shù)隨土層深度增加而增加，20～30 cm與0～10 cm土層優(yōu)勢度指數(shù)有顯著差異(P<0.05)。

表1 中小型土壤動物群落組成

注：Ph:植食性Phytophage;Pr:捕食性Predators;S:腐食性Saprozoic;O:雜食性O(shè)mnivores；“—”表示該土壤動物類群在該處理中未被發(fā)現(xiàn)。

注：同一列不同小寫字母表示不同處理差異顯著(P<0.05)。表4同。

圖1 不同處理中小型土壤動物個體數(shù)與類群數(shù)月動態(tài)變化注：不同大寫字母表示相同月份不同處理差異顯著(P<0.05)，不同小寫字母表示相同處理不同月份差異顯著(P<0.05)，圖2同。

表3 不同土層中小型土壤動物多樣性垂直特征(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)

注：同一列不同小寫字母表示不同土層差異顯著(P<0.05)。表5同。

由圖2所示，從相同土層不同月份看，中小型土壤動物個體數(shù)和類群數(shù)特點不同。0～10和10～20 cm土層的個體數(shù)與類群數(shù)在月份間變化較大(P<0.05)，而20～30 cm土層中的個體數(shù)與類群數(shù)基本趨于一致，無明顯變化(P>0.05)。從不同土層相同月份看中小型土壤動物個體數(shù)和類群數(shù)的特點也不同。個體數(shù)在6月份0～10、10～20和20～30 cm土層間均有顯著差異(P<0.05)，7～9月份只有0～10 cm與10～20和20～30 cm有顯著差異(P<0.05)，個體數(shù)均表現(xiàn)出0～10 cm>10～20 cm>20～30 cm土層。類群數(shù)在9月份差異不顯著(P>0.05)，6～8月份均有明顯差異性(P<0.05)。

圖2 中小型土壤動物個體數(shù)與類群數(shù)垂直動態(tài)變化

2.3 中小型土壤動物群落功能群

2.3.1 中小型土壤動物功能群水平動態(tài)

由表4所示，由于捕食性和植食性動物的個體數(shù)與類群較少，故一起統(tǒng)計分析。玉米間作種植分別降低了中小型土壤動物功能群的腐食性、雜食性和捕食性+植食性的個體數(shù)；同時，玉米間作種植降低了中小型土壤動物功能群腐食性的類群數(shù)，增加雜食性和捕食性+植食性的類群數(shù)，但均沒有達(dá)到顯著差異(P>0.05)。

表4 不同處理中小型土壤動物功能群水平特征(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)

由圖3所示，通過調(diào)查結(jié)果表明，玉米單作和間作種植對中小型土壤動物功能群的個體數(shù)和類群數(shù)在月份間的影響不同。玉米單作和間作種植下的腐食性個體數(shù)均在7月份最多(62,42)，9月份最少(29,23)；且在7月份和9月份有顯著差異(P<0.05)。雜食性個體數(shù)均在6月份最多(30,33)，除了單作種植在6月份與7月份無顯著差異外，其余雜食性個體數(shù)在6月與7～9月份均有顯著差異(P<0.05)。玉米單作和間作種植下的捕食性+植食性的個體數(shù)在月份間均無明顯變化(P>0.05)。

玉米間作種植下腐食性類群數(shù)在6月份最多(7)，單作種植下腐食性類群數(shù)在7月份最多(8.33)。只有單作種植下的腐食性類群數(shù)在7月份與9月份有顯著差異(P<0.05)。單作和間作種植下雜食性類群數(shù)均在6月份最多(3.67,2.33)，單作種植類群數(shù)6月份與8～9月份有顯著差異(P<0.05)，間作種植類群數(shù)在月份間無顯著差異(P>0.05)。單作和間作種植下的捕食性+植食性的類群數(shù)在月份間均無明顯變化(P>0.05)。

圖3 不同處理中小型土壤動物功能群個體數(shù)與類群數(shù)動態(tài)變化注：不同字母表示相同功能群不同月份間的差異顯著(P<0.05)，圖4同。

2.3.2 中小型土壤動物功能群垂直動態(tài)

由表5所示，中小型土壤動物的功能群下的個體數(shù)和類群數(shù)具有表聚性。0～10 cm與10～20和20～30 cm土層下的腐食性和雜食性的個體數(shù)具有顯著差異(P<0.05)，0～10 cm與20～30 cm土層下的腐食性和雜食性的類群數(shù)具有顯著差異(P<0.05)，捕食性+植食性的個體數(shù)和類群數(shù)在土層間無顯著差異(P>0.05)。

表5 不同土層中小型土壤動物功能群垂直特征(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)

由圖4所示，不同土層中小型土壤動物按功能群分類下的個體數(shù)與類群數(shù)在不同月份特點不同。其中不同土層的腐蝕性個體數(shù)和類群數(shù)均在7月份最多；且在10～20 cm土層中腐蝕性個體數(shù)在6～8月份與9月份有明顯差異(P<0.05)，類群數(shù)在6～7月份與8～9月份有顯著差異(P<0.05)；20～30 cm土層中腐蝕性個體數(shù)在7月份與8～9月份有顯著差異(P<0.05)，類群數(shù)在7月份與8月份有顯著差異(P<0.05)。不同土層的雜食性個體數(shù)和類群數(shù)均在6月份最多；且在0～10和10～20 cm土層中個體數(shù)和類群數(shù)6月份與7～9月份有顯著差異(P<0.05)。不同土層的捕食性+植食性個體數(shù)在8月份最多，類群數(shù)在6月份最多；整體來看,捕食性+植食性的個體數(shù)和類群數(shù)在月份間變化不大(P>0.05)。

圖4 不同土層中小型土壤動物功能群個體數(shù)與類群數(shù)動態(tài)變化

3 討論與結(jié)論

3.1 玉米間作種植下中小型土壤動物群落多樣性變化

3.2 玉米間作種植下中小型土壤動物群落功能群變化

玉米/大豆間作種植改變了農(nóng)田不同食性土壤動物的個體數(shù)量、類群數(shù)以及多樣性變化。不同食性的土壤動物功能群是構(gòu)成土壤地下食物網(wǎng)的主要環(huán)節(jié)，在調(diào)節(jié)物質(zhì)循環(huán)過程起到重要作用。一般認(rèn)為相對穩(wěn)定的土壤環(huán)境，其土壤動物的各食性比例保持一個穩(wěn)定狀態(tài)[20-21]。本研究表明玉米間作種植對各食性土壤動物的數(shù)量、種類及功能群具有一定影響，但沒有達(dá)到顯著差異(P>0.05)；玉米/大豆間作種植腐食性、雜食性、捕食性+植食性個體數(shù)較玉米單作種植都有下降(P>0.05)，Quinn等[22]研究認(rèn)為，施用N肥后植物根組織N的濃度增加可能是導(dǎo)致植食性土壤動物數(shù)量增加，豆科-禾本科作物間作種植降低了土壤N素[16]，在本研究中玉米/大豆間作種植減少了植食性土壤動物的個體數(shù)，同時減少了捕食性土壤動物個體數(shù)；土壤中有機質(zhì)的含量對腐食性土壤動物的數(shù)量有正相關(guān)作用[22]，玉米/大豆間作種植由于根系間相互作用時根系分泌物相互遷移活化分解土壤有機質(zhì)[23]，加快了土壤有機質(zhì)分解，導(dǎo)致腐食性中小型土壤動物的個體數(shù)減少。但玉米單作和間作種植中小型土壤動物腐食性>雜食性>捕食性+植食性的個體數(shù)，且差異明顯(P<0.05)。玉米間作種植導(dǎo)致雜食性和捕食性+植食性的土壤動物類群數(shù)增加，腐食性土壤動物類群數(shù)降低，腐食性土壤動物在0～10 cm與10～20和20～30 cm土層相比較有顯著增加，這可能是土壤表層食物資源充足的原因。