農(nóng)藥對稻田生態(tài)系統(tǒng)中土壤動物群落的影響

蔡小宇 單正軍 姜錦林 續(xù)衛(wèi)利 朱昱璇 廖建華 田豐

摘要：農(nóng)藥的大量使用，可能對土壤生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能造成不利影響。農(nóng)藥施用于土壤，首先對土壤動物群落產(chǎn)生影響。以江蘇丘陵地區(qū)鎮(zhèn)江農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所某示范基地水稻田為研究對象，定期施用當?shù)剞r(nóng)戶常規(guī)施用農(nóng)藥品種與高毒農(nóng)藥品種毒死蜱，以不施藥為對照，研究其對土壤動物群落的影響。研究結(jié)果表明，考察期限內(nèi)，共獲得土壤動物1 180個，隸屬于5門11屬，優(yōu)勢類群為顫蚓屬、廣桿線蟲屬、水絲蚓屬。對不同施藥樣地間作方差分析，常規(guī)農(nóng)藥樣地在土壤動物個體數(shù)、土壤動物特征指數(shù)（群落多樣性、豐富度、均勻度、優(yōu)勢度）以及優(yōu)勢類群顫蚓屬個體數(shù)等方面與不施藥對照田差異極顯著;高毒農(nóng)藥樣地則在土壤動物個體數(shù)、土壤動物特征指數(shù)（群落多樣性、豐富度）以及優(yōu)勢類群顫蚓屬、線蟲屬、水絲蚓屬個體數(shù)等指標方面和對照田差異極顯著。研究結(jié)果表明，研究區(qū)域內(nèi)農(nóng)藥在稻田施用對土壤動物群落存在影響，未來還應(yīng)關(guān)注農(nóng)藥長期施用對整個土壤生物群落帶來的影響。

關(guān)鍵詞：農(nóng)藥;稻田生態(tài)系統(tǒng);土壤動物群落;特征指數(shù)

中圖分類號： S154;X592

文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）15-0307-05

我國是水稻生產(chǎn)消費大國，而長江中下游地區(qū)的水稻種植面積和總產(chǎn)量均占全國的45%以上，是我國水稻的第一大主產(chǎn)區(qū)[1]。在水稻的生產(chǎn)過程中農(nóng)藥使用量相當大，從2000年開始進入激增階段，對比近30年的用量，增長了近4倍[2]。農(nóng)藥的廣泛使用，在為農(nóng)業(yè)帶來巨大經(jīng)濟效益的同時，也為人類的生存環(huán)境帶來了潛在的生態(tài)安全和健康風(fēng)險等問題，包括農(nóng)藥的土壤殘留、對食品安全和人類健康的影響、對生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)的影響等[3]。土壤動物是稻田生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分之一，是生態(tài)系統(tǒng)中重要的消費者和特殊的分解者，其生存、取食、活動對土壤有機質(zhì)的形成、土壤結(jié)構(gòu)及土壤物理化學(xué)性質(zhì)的變化都有一定的影響，它們可以作為土壤有機質(zhì)層的生物活性顯示指標[4]。土壤動物作為農(nóng)藥污染的重要指示生物能敏感反映土壤污染程度和生態(tài)學(xué)效應(yīng)[5]。國內(nèi)外學(xué)者主要研究了農(nóng)藥對土壤動物的毒性影響，對土壤動物群落的影響大多通過室內(nèi)模擬試驗進行研究[6-8]。本研究根據(jù)農(nóng)田正常耕作及施藥規(guī)律在稻田內(nèi)設(shè)置對照田、常規(guī)施藥田和高毒農(nóng)藥田，采集土壤動物進行調(diào)查分析，為評價農(nóng)藥的安全性及合理使用農(nóng)藥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 田間試驗方法

1.1.1 樣地布置 研究樣地位于江蘇丘陵地區(qū)鎮(zhèn)江農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所示范基地內(nèi)，該地區(qū)為亞熱帶氣候，是華中雙單季稻稻作區(qū)的長江中下游平原雙單季稻亞區(qū)[9]。在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)設(shè)對照樣地（不施藥）、常規(guī)農(nóng)藥品種樣地（農(nóng)民根據(jù)當?shù)刂脖Ｕ局笇?dǎo)正常噴施農(nóng)藥）、高毒農(nóng)藥品種樣地（主要噴施毒死蜱，通過農(nóng)藥信息網(wǎng)信息查詢可知，毒死蜱對土壤生物的毒性較高），相鄰處理樣地之間留寬度為0.5 m的田埂為間隔帶，不同處理樣地面積均為667 m2。所有樣地的管理工作（灌溉、曬田、施肥、除草等）都按作物正常生長要求進行。水稻栽種、耕作的年份為2016年，具體周期如下：水稻育苗時間為6月13日;水稻萌芽時間為6月18日;水稻移栽時間為7月3日;初次灌溉時間為7月3日;初次排水時間為8月3日;二次灌溉時間為8月13日;二次排水時間為9月18日;水稻收獲時間為10月23日。

1.1.2 施藥信息與采樣周期 高毒農(nóng)藥樣地的施藥時間和常規(guī)農(nóng)藥一致，即每噴1次常規(guī)農(nóng)藥就相應(yīng)噴1次毒死蜱，以接近生物對毒死蜱的真實暴露條件，所有藥劑噴施量均為推薦使用量，具體施用量見表1。根據(jù)水稻生長周期以及農(nóng)戶正常噴藥周期確定采樣時間。噴藥前采集1次樣品，之后在每次噴藥后的0、4、7 d采樣。因8月7日施藥后，稻田為曬田期，土質(zhì)干裂，無法取樣，因此取消0、4 d的采樣。

1.2 土壤理化性質(zhì)參數(shù)測定方法

取土樣回室內(nèi)進行土壤理化性質(zhì)參數(shù)分析，主要測定指標有土壤pH值、有機質(zhì)含量、全氮含量、速效磷含量、速效鉀含量等。土壤pH值的測定采用氯化鉀鹽浸提法;有機質(zhì)含量測定采用重鉻酸鉀-硫酸氧化法;全氮含量的測定采用凱氏定氮法;速效磷含量的測定采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法;速效鉀含好好量采用乙酸銨浸提-火焰光度法進行分析[10];全磷含量的測定采用氫氧化鈉堿熔-鉬銻抗比色法;有效氮含量的測定采用堿解擴散法;全鉀含量的測定采用原子吸收分光光度法。

1.3 土壤動物采集、分離、鑒別方法

在每種樣地內(nèi)隨機布置3個采樣點，樣點距生境邊緣4行作物以上，每個采樣點的取樣面積為50 cm×50 cm、深度為0～20 cm。取出土樣后，大型土壤動物采用手撿法分離，中小型土壤動物采用濕漏斗法分離，將分離出的動物放入瓶中做好標簽，并用80%的乙醇殺死、固定，在解剖鏡下分析鑒定，一般鑒定到科，部分鑒定到屬，同時統(tǒng)計個體數(shù)量。對土壤動物的分類和鑒別，主要參照《中國土壤動物檢索圖鑒》[11]《土壤動物學(xué)》[12]等文獻資料，同時向有關(guān)方面專家咨詢學(xué)習(xí)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本研究所示數(shù)據(jù)均為3次采樣的平均值，按照傅必謙等的劃分標準[13]對各類群動物數(shù)量進行等級劃分，即占群落總數(shù)量10.0%以上為優(yōu)勢類群，1.0%～10.0%為常見類群，不足1.0%者為稀有類群。對土壤動物群落特征指數(shù)進行分析。

相關(guān)性分析采用Pearson分析法，使用雙尾檢驗法檢驗其P相關(guān)顯著性，數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析應(yīng)用SPSS 16.0和Origin 80統(tǒng)計軟件進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)藥施用對土壤理化性質(zhì)的影響

從表2可以看出，第2次施藥后土壤基本理化性質(zhì)在3塊樣地中無明顯差異，對照樣地與常規(guī)農(nóng)藥樣地間及對照樣地與高毒農(nóng)藥樣地之間的參數(shù)值均無明顯差異，說明農(nóng)藥對土壤理化性質(zhì)無明顯影響。

2.2 農(nóng)藥施用對土壤動物種類和數(shù)量的影響

從表3可以看出，試驗調(diào)查共獲得1 180個土壤動物，隸屬于環(huán)節(jié)動物門、節(jié)肢動物門、軟體動物門、扁形動物門和線形動物門等5門11屬，其中優(yōu)勢類群為顫蚓屬、廣桿線蟲屬、水絲蚓屬，分別占總個體數(shù)量的40.93%、33.90%、19.49%。常見類群為圓扁螺屬，占總體個數(shù)的2.54%，稀有類群則包括圓田螺屬、鼠婦屬等7種，占總體個數(shù)的3.12%。從表3可以看出，農(nóng)藥施用能減少土壤動物的個體數(shù)，其中對照樣地共獲得土壤動物542個，常規(guī)農(nóng)藥樣地、高毒農(nóng)藥樣地分別為339、299個。但農(nóng)藥施用對土壤動物種群數(shù)的影響較小，對照樣地和常規(guī)農(nóng)藥樣地的類群數(shù)相同，都為8種，高毒農(nóng)藥樣地為10種。

對相同時間內(nèi)不同農(nóng)藥樣地間的土壤動物個體數(shù)和類群數(shù)進行方差分析，從表4可以看出，對照樣地與常規(guī)農(nóng)藥樣地之間的個體數(shù)差異極顯著（P<0.01），而類群數(shù)無顯著性差異;對照樣地與高毒農(nóng)藥樣地之間的個體數(shù)差異極顯著（P<0.01），類群數(shù)差異顯著（P<0.05）;常規(guī)農(nóng)藥樣地與高毒農(nóng)藥樣地之間的個體數(shù)差異極顯著（P<0.01），而類群數(shù)無顯著性差異。表明農(nóng)藥對土壤動物的個體數(shù)與類群數(shù)都有一定的影響，高毒農(nóng)藥對土壤動物的個體數(shù)和類群數(shù)影響更為顯著。

2.3 農(nóng)藥對土壤動物特征指數(shù)的影響

不同處理土壤動物的特征指數(shù)見表5。對表5中的土壤動物特征指數(shù)作方差分析，由表6可知，對照樣地與常規(guī)農(nóng)藥樣地之間的群落多樣性、豐富度、均勻度及優(yōu)勢度都存在極顯著差異（P<0.01）;對照樣地與高毒農(nóng)藥樣地之間的群落多

2.4 農(nóng)藥對優(yōu)勢類群動物數(shù)量的影響

對不同處理下優(yōu)勢類群（顫蚓屬、廣桿線蟲屬、水絲蚓屬）的個體數(shù)進行比較，結(jié)果見表7。

2.4.1 農(nóng)藥對顫蚓屬動物數(shù)量的影響 從圖1可以看出，隨采樣時間的延長，3組處理樣地的顫蚓屬個體數(shù)整體呈上升趨勢，農(nóng)藥處理組較對照組降低，方差分析結(jié)果表7顯示，對照樣地與常規(guī)農(nóng)藥樣地之間、對照樣地與高毒農(nóng)藥樣地之間以及常規(guī)農(nóng)藥樣地與高毒農(nóng)藥樣地之間都呈極顯著性差異（P<0.01），表明無論常規(guī)農(nóng)藥還是高毒農(nóng)藥都對顫蚓屬動物數(shù)量存在極顯著性影響。

2.4.2 農(nóng)藥對廣桿線蟲屬動物數(shù)量的影響 從圖2、表7可以看出，3組樣地的廣桿線蟲屬個體數(shù)整體呈起伏波動變化趨勢，對照樣地與常規(guī)農(nóng)藥樣地之間無顯著差異，對照樣地與高毒農(nóng)藥樣地之間以及常規(guī)農(nóng)藥樣地與高毒農(nóng)藥樣地之間都存在極顯著性差異（P<0.01），表明常規(guī)農(nóng)藥對廣桿線蟲屬動物數(shù)量無顯著影響，高毒農(nóng)藥對廣桿線蟲屬動物數(shù)量存在極顯著性影響。

2.4.3 農(nóng)藥對水絲蚓屬動物數(shù)量的影響 從圖3、表7可以看出，隨采樣時間的延長，3組樣地的水絲蚓屬數(shù)量整體呈現(xiàn)出前期少后期多的變化趨勢， 對照樣地與常規(guī)農(nóng)藥樣地間無顯著性差異，對照樣地與高毒農(nóng)藥樣地之間存在極顯著性差異（P<0.01），常規(guī)農(nóng)藥樣地和高毒農(nóng)藥樣地之間存在顯著性差異（P<0.05）。表明常規(guī)農(nóng)藥對水絲蚓屬動物數(shù)量無顯著影響，高毒農(nóng)藥對水絲蚓屬動物數(shù)量存在極顯著性影響。

3 討論與結(jié)論

農(nóng)藥在稻田使用時主要以除草劑、殺蟲劑、殺菌劑為主，化學(xué)農(nóng)藥占使用量的大部分，生物農(nóng)藥使用率低，部分高毒高殘留農(nóng)藥仍有使用[14]。同時在農(nóng)藥使用的過程中，缺乏合理的規(guī)范，存在農(nóng)藥登記缺失和傳統(tǒng)農(nóng)藥劑型使用頻率過高等問題[15]。這些都加大了農(nóng)藥對環(huán)境的污染程度，尤其是對土壤生物造成的直接傷害。

已有研究結(jié)果表明，敵百蟲[16]、甲胺磷[17]等殺蟲劑對土壤動物群落結(jié)構(gòu)的影響顯著，隨著藥劑濃度的加大土壤動物的數(shù)量及種群數(shù)都呈顯著下降趨勢。而百草清[18]、苯磺隆[19]、乙草胺、2，4-滴丁酯、噻吩磺隆[20]等除草劑對土壤動物群落結(jié)構(gòu)的影響不顯著，與有機磷類殺蟲劑相比，除草劑對土壤動物的毒性較弱，且屬于慢性影響。本研究中的常規(guī)農(nóng)藥樣地為混合施藥樣地，在正常水稻種植過程中同時需要噴施殺蟲劑與除草劑。朱新玉的研究結(jié)果表明，3種殺蟲劑與除草劑混用對土壤動物的影響顯著，隨著農(nóng)藥濃度的增加，土壤動物個體數(shù)、類群數(shù)以及群落多樣性等都隨之降低[21]。這與本研究結(jié)果一致，常規(guī)農(nóng)藥樣地與對照樣地相比在動物個體數(shù)、群落多樣性、豐富度、均勻度及優(yōu)勢度方面都存在極顯著差異，只有類群數(shù)無顯著差異，說明常規(guī)農(nóng)藥對土壤動物的個體數(shù)及特征指數(shù)存在極顯著影響。Fountain等的研究結(jié)果表明，毒死蜱對蜘蛛目和彈尾目的群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著性影響，在種類和數(shù)量上都出現(xiàn)了顯著性變化[22]。本研究中的高毒農(nóng)藥樣地為完全施用毒死蜱樣地，它與對照樣地相比在土壤動物個體數(shù)、群落多樣性、豐富度方面存在極顯著差異，類群數(shù)存在顯著差異，均勻度、優(yōu)勢度均無顯著性差異，說明高毒農(nóng)藥對土壤動物個體數(shù)、類群數(shù)及特征指數(shù)都存在一定的影響。程燕等的研究結(jié)果表明，毒死蜱對蚯蚓的生長和繁殖存在一定的影響，蚯蚓作為土壤生物的優(yōu)勢種群，具有表征農(nóng)藥對土壤生物影響的作用[23]。本研究結(jié)果顯示，常規(guī)農(nóng)藥對顫蚓屬動物數(shù)量影響顯著，而對廣桿線蟲屬和水絲蚓屬動物數(shù)量影響不顯著，高毒農(nóng)藥對3種優(yōu)勢種群動物數(shù)量都存在極顯著影響，表明農(nóng)藥對優(yōu)勢種群存在影響，高毒農(nóng)藥對優(yōu)勢種群的影響更為顯著。

土壤動物作為土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，土壤環(huán)境和外部環(huán)境的改變勢必會對其產(chǎn)生一定的影響。本研究結(jié)果表明，農(nóng)藥施用對土壤動物群落存在一定影響。常規(guī)農(nóng)藥對土壤動物的個體數(shù)以及群落多樣性、豐富度、均勻度、優(yōu)勢度等土壤動物特征指數(shù)影響極顯著，并對優(yōu)勢類群顫蚓屬的影響較大，而對類群數(shù)以及廣桿線蟲屬和水絲蚓屬等優(yōu)勢類群無顯著影響。高毒農(nóng)藥對土壤動物個體數(shù)、類群數(shù)以及群落多樣性、豐富度等土壤動物特征指數(shù)影響顯著或極顯著，同時對顫蚓屬、廣桿線蟲屬、水絲蚓屬等優(yōu)勢類群影響較大，而對均勻度、優(yōu)勢度2種土壤動物特征指數(shù)無顯著影響。

鑒于農(nóng)藥在稻田施用會受其他耕作及自然環(huán)境的影響，并且受本研究期限的限制，本研究結(jié)果未能反映出農(nóng)藥長期施用對土壤動物帶來的危害，在今后研究中更應(yīng)該關(guān)注農(nóng)藥的長期施用對土壤動物群落產(chǎn)生的影響。

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