地膜覆蓋對玉米田土壤理化性質(zhì)和線蟲群落組成的影響

李曉蘭， 相吉山， 張艾明， 徐 峰， 索良喜

(1.赤峰學(xué)院，內(nèi)蒙古赤峰 024000； 2.內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市敖漢旗農(nóng)業(yè)局，內(nèi)蒙古赤峰 024000)

地膜覆蓋技術(shù)在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的應(yīng)用，大幅提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量，并且一定程度上抑制了雜草和病蟲害的發(fā)生，由于該技術(shù)的眾多優(yōu)點，使得該技術(shù)推廣迅速[1-2]。據(jù)1982—2005年《中國農(nóng)業(yè)統(tǒng)計年鑒》的數(shù)據(jù)可知，1981年農(nóng)作物覆蓋種植面積僅為1.5萬hm2，而2004年增加到1 200萬hm2，中國農(nóng)業(yè)信息網(wǎng)報道了2012年全國的地膜覆蓋面積達到 2 330萬hm2，地膜覆蓋面積約占總耕地面積的20%。內(nèi)蒙古自治區(qū)已經(jīng)有30多年的地膜使用歷史，從1986年后，內(nèi)蒙古糧食作物地膜覆蓋面積呈現(xiàn)增加趨勢[3]。玉米是內(nèi)蒙古的第一大糧食作物，2007、2011、2014、2015年播種面積分別為200萬、267萬、333萬、341萬hm2；2015年赤峰市玉米種植面積為55萬hm2，其中覆膜玉米面積已經(jīng)達到33萬hm2，占赤峰市總種植玉米面積的60%，近些年來赤峰市地區(qū)的玉米種植面積和地膜使用面積逐步擴大，導(dǎo)致覆膜連作現(xiàn)象發(fā)生。

土壤線蟲是土壤動物區(qū)系中最豐富的無脊椎動物[4]，是生態(tài)系統(tǒng)中最敏感的指示生物之一[5]，土壤線蟲對有機物的分解、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和能量傳遞等過程均起重要作用[6]，所以常被用來評估土壤環(huán)境變化及土壤健康狀況。隨著覆膜玉米連作面積的增加，土壤環(huán)境發(fā)生了怎樣的變化，土壤環(huán)境的變化對土壤生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生了怎樣的影響，覆膜玉米的長期連作是否會造成負面的影響，這些問題均須要給出較合理的解釋。本研究試圖利用土壤線蟲來分析覆膜連作造成的影響，旨在為合理推廣玉米覆膜技術(shù)和客觀評價覆膜所帶來的負面影響提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地點概況

土壤樣品采自內(nèi)蒙古赤峰市敖漢旗(地理位置41°42′～43°09′ N、119°30′～120°52′ E)多年種植玉米的農(nóng)田。敖漢旗位于赤峰市東南部，是赤峰市的農(nóng)業(yè)大縣，該旗地處中溫帶，氣候類型為半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年降水量在310～460 mm之間，該旗是國家商品糧基地和自治區(qū)產(chǎn)糧十強旗(縣)之一。

1.2 研究方法

選取多年種植玉米的農(nóng)田18塊，即多年種植未覆膜玉米、2015年首次種植覆膜玉米(之前多年種植玉米但未覆膜)、連續(xù)覆膜種植玉米4年處理各6塊樣地。于2015年10月分別在18塊農(nóng)田內(nèi)采集0～20 cm土壤樣品，每塊農(nóng)田內(nèi)采用5點法采集樣品，混勻后帶回實驗室放入4 ℃冰箱內(nèi)，同時在大田內(nèi)用環(huán)刀采集土樣測定土壤容重和孔隙度。將部分土樣進行土壤線蟲的提取和鑒定，另外一部分土樣風(fēng)干后測定土壤理化性質(zhì)。土壤因子主要包括土壤含水量(SMC，%)、土壤機械組成(沙粒含量SAN、粉粒含量SIL、黏粒含量CLA)、土壤容重(SBD，g/cm3)、土壤孔隙度(SP，%)、pH值、電導(dǎo)率(EC，μS/m)、陽離子交換量(CEC，mg/g)、土壤有機碳含量(SOC，g/kg)、土壤全氮含量(STN，g/kg)、土壤全磷含量(STP，g/kg)、土壤全鉀含量(STK，g/kg)，所有指標地測定采用中國土壤學(xué)會主編的《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[7]和鮑士旦主編的《土壤農(nóng)化分析(第三版)》[8]的方法。

線蟲的分離提取采用蔗糖梯度離心法，提取的線蟲用解剖鏡計數(shù)，用奧林巴斯光學(xué)顯微鏡進行科屬的鑒定，每個樣品隨機抽取100頭線蟲(不足100頭的全部鑒定)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)分析和作圖采用SPSS 16.5和Excel 2007軟件進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤因子變化特征

連續(xù)種植玉米后，覆膜處理和未覆膜處理存在一定的差異性。從表1可以看出，3種不同處理顯著影響了土壤中全磷含量和沙粒含量，不同處理間均存在顯著差異(P<0.01)。覆膜4年與未覆膜和覆膜1年存在顯著差異的土壤因子有土壤含水量、電導(dǎo)率、粉粒含量、有機碳含量、全氮和陽離子交換量，方差分析表明，處理間也存在顯著差異(P<0.01)，連續(xù)覆膜4年后13個土壤指標有8個發(fā)生了顯著變化，占總測定土壤因子的61.5%。

表1 不同處理玉米田土壤因子變化特征

2.2 土壤線蟲群落組成

所有土壤樣品中總計鑒定出36個屬(表2)，未覆膜、覆膜1年和覆膜4年分別含有34、33和30個屬線蟲。其中，擬麗突屬在所研究的3種處理的玉米田中均為優(yōu)勢屬，該屬的相對豐富度均大于5%；在未覆膜玉米田中優(yōu)勢屬還有巴茲爾屬、絲尾墊刃屬、墊咽屬、頭葉屬、真頭葉屬、索努斯屬；覆膜1年處理的優(yōu)勢屬還包括巴茲爾屬、絲尾墊刃屬、默林屬、真滑刃屬、麗突屬；覆膜4年處理的優(yōu)勢屬包括默林屬、墊咽屬、麗突屬、索努斯屬、真矛線屬、鹿角唇屬、短體線蟲屬。

不同處理間對線蟲總數(shù)和線蟲屬數(shù)產(chǎn)生了顯著影響(P<0.01)。覆膜1年與未覆膜處理比較均無顯著差異，但連續(xù)覆膜4年后造成了線蟲總數(shù)和線蟲屬數(shù)顯著降低(圖1、圖2)。

2.3 土壤線蟲群落與土壤因子的關(guān)系分析

線蟲屬的相對多度與土壤因子之間的關(guān)系如圖3、圖4所示，2種排序方法得到的線蟲屬相對多度、與環(huán)境因子之間的關(guān)系存在一定的差異性。在RDA和CCA 2種排序結(jié)果中，只有沙粒含量與軸1之間具有顯著的正相關(guān)性；含水量、電導(dǎo)率、有機碳含量、全氮含量、全磷含量和粉粒含量與軸1呈現(xiàn)顯著的負相關(guān)性；但軸2與土壤因子的關(guān)系卻發(fā)生了很大的變化，在RDA排序中，軸2與黏粒含量和孔隙度有較強的負相關(guān)性，與土壤容重有較強的正相關(guān)性，同時軸2與土壤pH值和全鉀含量均呈現(xiàn)顯著的負相關(guān)性，而在CCA排序中土壤pH值和全鉀含量與軸2卻呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)性。

表2 不同處理的玉米田土壤中線蟲群落組成(相對多度)

從線蟲屬相對多度與土壤因子之間的關(guān)系看，土壤含水量(SMC)、電導(dǎo)率(EC)、粉粒含量(SIL)、有機碳含量(SOC)、全氮含量(STN)、全磷含量(STP)和陽離子交換量(CEC)與巴茲爾屬(Bas)和絲尾墊刃屬(Fil)的相對多度均有較密切的正相關(guān)關(guān)系，而與短體線蟲屬(Pra)、膜皮屬(Dip)、麗突屬(Acr)、鹿角唇屬(Cer)和真矛線屬(Eud)則呈現(xiàn)較密切的負相關(guān)關(guān)系，沙粒含量(SAN)與這些線蟲屬相對多度的相關(guān)性恰好相反。從線蟲屬相對多度與土壤因子關(guān)系方差解釋比例看，RDA和CCA排序分析中軸1的解釋方差比例分別為49.0%和37.5%，軸2的解釋方差比例為11.7%和10.0%。

3 結(jié)論與討論

覆膜連續(xù)種植作物影響了土壤微生物多樣性[9]、土壤理化性質(zhì)[10-11]、土壤酶活性[12-13]、作物產(chǎn)量和品質(zhì)[14]等指標。在本研究中，覆膜1年與未覆膜比較，13種土壤因子中只有土壤全磷含量和沙粒含量發(fā)生了顯著變化；但連續(xù)覆膜4年后土壤含水量、電導(dǎo)率、土壤有機碳含量、全氮含量、全磷含量、陽離子交換量和粉粒含量顯著降低，而沙粒含量卻顯著升高，造成部分土壤因子降低可能是因為連續(xù)覆膜造成了土壤中殘存了大量農(nóng)膜。已有研究表明，覆膜2、5、10年的農(nóng)田耕層土壤中(0～30 cm)地膜殘留量分別達到59.1、75.3、103.41 kg/hm2，隨著覆膜年限的增加殘膜量繼續(xù)增加[15]。土壤中存在的大量殘膜會造成土壤容重顯著增加，孔隙度顯著降低，水分下滲速度明顯減慢，土壤有機質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀的含量下降[16]，同時使土壤有機質(zhì)腐殖化、氮素的消化、磷素的分解等過程也會受到很大程度的影響[17]。在本研究中所有田塊均為多年種植玉米，在種植玉米的田塊中進行覆膜處理，連續(xù)覆膜4年后雖然土壤容重和孔隙度變化不明顯，從數(shù)值上看，土壤容重有增加趨勢，孔隙度有降低趨勢。

土壤線蟲是土壤中的重要生物，隨著土壤中環(huán)境的變化，線蟲群落組成和結(jié)構(gòu)也會發(fā)生變化[18-19]。在本研究中，未覆膜的玉米田及覆膜1年的玉米田的土壤中線蟲總數(shù)和線蟲屬數(shù)均無明顯變化，而連續(xù)覆膜4年種植玉米田的土壤線蟲總數(shù)和線蟲屬數(shù)均明顯減小，這說明連續(xù)覆膜4年后玉米田土壤環(huán)境因子的變化使得部分線蟲屬死亡或者遷移。未覆膜、覆膜1年和覆膜4年處理的土壤線蟲的優(yōu)勢種群也發(fā)生了顯著變化，如巴茲爾屬和絲尾墊刃屬均為未覆膜及覆膜1年處理的優(yōu)勢屬(>5%)，而覆膜4年處理中這2個屬的相對多度下降為1%。默林屬和麗突屬在覆膜1、4年的處理中成為了優(yōu)勢屬，這可能與覆膜影響了部分土壤因子，使得土壤線蟲的某些屬的相對多度發(fā)生顯著的變化。短體線蟲屬在覆膜4年處理中成為了優(yōu)勢屬，該屬相對多度的增加對玉米的生長是極其不利的，因為短體線蟲屬會引起植物根部組織壞死腐爛，造成土傳病害而危害植物的生長[20-23]。

由于CCA分析是一種基于單峰模型的排序方法，而RDA是基于線性模型的排序方法[24]，在本研究中RDA和CCA方法對線蟲屬與土壤因子關(guān)系的描述結(jié)果存在一定的差異，但主要表現(xiàn)在與軸2的差異上，與軸1的解釋方差比例分別為49.0%和37.5%，前兩軸的方差累計分別為60.7%和47.5%，軸1所占比例較大，所以軸1與土壤因子的關(guān)系更密切。RDA排序分析的方差累計值高于CCA分析，說明在本研究中解釋線蟲屬與土壤因子的關(guān)系用RDA排序方法更加準確。部分線蟲屬與土壤因子在排序分析中也表現(xiàn)出較強的關(guān)聯(lián)性，所以土壤環(huán)境的變化與土壤中生物群落的演變關(guān)系密切。