稻草不同還田量對土壤動物群落結構的影響

羅熳麗， 段均華， 姚 恒， 盧昌泰， 肖玖金， 張 健

（1. 四川農業大學 生態林業研究所， 四川 成都611130； 2. 四川農業大學 林業生態工程省級重點實驗室， 四川 成都 611130； 3. 四川農業大學 旅游學院， 四川 成都611830； 4. 廣元市朝天區林業和園林局， 四川 廣元 628012）

土壤動物及土壤微生物的活動能夠改善土壤的通氣狀況、 養分有效性， 在土壤形成、 發育、 演化及土壤肥力形成演變中發揮著重要的作用。 土壤動物數量繁多， 通過參與一系列生命活動， 直接或間接改變土壤的性質［1］， 對土壤形成、 發育及生態系統物質循環都具有重要意義。 稻草還田是一種有效的農田培肥措施［3］， 在避免稻草焚燒造成環境污染的同時， 也為農業生產提供有機肥源。 作為重要肥料來源和潛在的碳庫能源［2］， 還田的稻草在增加土壤養分［4］， 培肥地力， 改善土壤理化性狀［5］， 優化農田生態環境， 提高作物產量與品質［6-9］等方面意義重大。 本研究以未進行稻草還田的處理為對照， 設置不同質量稻草還田處理， 并調查不同處理下農田土壤動物群落特征， 分析不同稻草還田量對土壤動物群落結構的影響， 旨在為農田耕地環境的保護及可持續農業發展提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區四川省都江堰市浦陽鎮金鳳村（31°0′23″N， 103°37′18″E）屬四川盆地亞熱帶濕潤氣候， 年平均氣溫為15.2 ℃， 年降水量為1 243.8 mm， 空間分布不均， 呈東南向西北減少， 無霜期269.0 d， 年蒸發量為930.1 mm。 土壤類型為山地黃壤。 樣地為水稻Oryza sativa-油菜Brassica campestris輪作模式， 水稻品種為‘川優6203’ ‘Chuanyou 6203’， 油菜品種為‘綿油88’ ‘Mianyou 88’。

1.2 研究方法

2016 年4 月， 在耕地內按照具有代表性的原則設置2 個面積均為10 m × 30 m 的樣地； 各樣地內設置面積為5 m × 5 m 樣方各4 個， 保持各樣方間間距大于2 m， 其中4 個為重復樣地。 隨機編號， 按照單位面積稻草的平均產生量， 選取最新收獲的水稻稻草， 切成3～5 段后按0 （ck）、 0.2 （T5）、 0.4 （T10）、0.8 kg·m-2（T20）的稻草均勻鋪撒在樣方上進行還田。

分別在還田2 個月和5 個月時， 在各樣方內按 “品” 字形布點， 隨機設置3 個大小為50 cm × 50 cm 的小樣方， 采集0～5、 5～10、 10～15 cm 深度土層。 手撿法分層收集土壤中的大型動物， 并用體積分數為75%的乙醇將動物殺死， 帶回實驗室。 環刀法（r=5 cm，V=100 cm3）自上而下依次取土樣， 每層各取2 個， 用尼龍網包好貼上標簽迅速放入黑布袋帶回實驗室； 用Tullgren［10］干漏斗和Baermann［11］濕漏斗分離土壤中的中小型土壤動物， 分離時間為48 h， 其中濕生土壤動物每4 h 觀察1 次。 干生分離出的土壤動物用盛有體積分數為75%乙醇的器皿收集， 濕生土壤動物用清水收集， 解剖鏡下進行分類鑒定和數量統計。

所得土壤動物用雙目解剖鏡（Leica， EZ4HD）進行觀察， 參照《中國土壤動物檢索圖鑒》［12］、 《昆蟲分類檢索》［13］、 《幼蟲分類學》［14］進行分類鑒定， 一般鑒定到科， 同時統計個體數量。

1.3 數據分析與處理

土壤動物多樣性分析： 采用Shannon-Wiener 多樣性指數（H′）、 Margalef 豐富度指數（D）［15］、 Pielou均勻度指數（J）［16］、 Simpson 優勢度指數（C）［17］。 計算公式如下： Shannon-Wiener 多樣性指數式中：Pi=ni/N，ni為第i個類群的個體數；N為所有類群的個體數。 Margalef 豐富度指數D=（S-1）/lnN。式中：S為類群數，N為所有類群的個體數。 Pielou 均勻度指數J=H′/lnS。 式中：H′ 為Shannon-Wiener多樣性指數，S為類群數。 Simpson 優勢度指數其中：ni為第i個類群的個體數；N為所有類群的個體數。

類群數量等級劃分： 個體數量大于捕獲總量的10.0%者為優勢類群（+++）， 大于等于1.0%小于等于10.0%者為常見類群（++）， 小于1.0%者為稀有類群（+）。

采用Excel 2010 和SPSS 22.0 完成數據處理和分析。 用單因素方差分析（one-way ANOVA）對不同樣方間土壤動物群落組成進行檢驗； 用LSD（方差齊性）法進行多重比較， 顯著性水平設定為P=0.05［18］。

2 結果與分析

2.1 土壤動物種類和數量組成

本研究共捕獲土壤動物1 194 只， 隸屬于3 門11 綱19 目44 個類群， 類群數排序為T20＞T10＞T5＞對照。 優勢類群為線蟲綱Nematoda 和懶甲螨科Nothridae， 分別占總捕獲量的72.16%和11.09%； 常見類群為蟻科Formicidae、 線蚓科Enchytraeidae、 綏螨科Sejidae、 麗甲螨科Liacaridae、 雙翅目Diptera 幼蟲， 分別占總量的4.33%、 4.00%、 2.41%、 1.95%和1.59%； 棘科Onychiuridae、 跳蟲科Poduridae、露尾甲科Nitidulidae 等構成稀有類群， 占總量的2.47%。

由表1 可見： 還田2 個月后各樣地的優勢類群都為線蟲綱和懶甲螨科， 其中： T20樣地2 次捕獲的土壤動物包含30 個類群， 平均密度4.13×104只·m-2； T10樣地2 次捕獲的土壤動物隸屬于20 科， 平均密度為4.83×104只·m-2； T5樣地2 次捕獲的土壤動物隸屬于21 科， 平均密度4.73×104只·m-2； 對照樣地2 次捕獲的土壤動物隸屬于11 科， 平均密度3.70×104只·m-2。 還田5 個月后T20、 T10、 T5樣地的優勢類群都為線蟲綱， 對照樣地優勢類群為線蟲綱和蟻科， 其中： T20樣地2 次捕獲的土壤動物包含22 科，優勢類群為線蟲綱， 平均密度9.32×104只·m-2； T10樣地2 次捕獲的土壤動物隸屬于20 科， 平均密度8.48×104只·m-2； T5樣地2 次捕獲的土壤動物隸屬于19 科， 平均密度4.75×104只·m-2； 對照樣地2 次捕獲的土壤動物隸屬于11 科， 平均密度4.60×104只·m-2。

2.2 土壤動物群落水平分布特征

由圖1A 可知： 還田5 個月后各樣地的土壤動物密度均高于還田2 個月后的土壤密度。 還田2 個月后， 各樣地的平均密度排序為T10＞T5＞T20＞對照， 各樣地間差異不顯著（F=0.105，P=0.956）。 還田5 個月后， 各樣地的平均密度排序為T20＞T10＞T5＞對照， 樣地間差異極顯著（F=6.702，P=0.003）； 其中， T20樣地與對照、 T5樣地的平均密度均呈極顯著差異（P＜0.01）， T10與T5樣地的平均密度均呈極顯著差異（P＜0.01）， 與對照樣地呈顯著差異（P＜0.05）。

T20土壤動物的類群數均高于T10、 T5和對照樣地的土壤動物。 統計分析顯示（圖1B）： 還田2 個月后樣地間土壤動物類群數差異性極顯著（F=9.312，P=0.001）， 其中， T20樣地和T10、 T5、 對照樣地分別呈極顯著差異（P＜0.01）； 還田5 個月后T10和T20樣地的土壤動物類群數呈顯著差異（F=1.299，P=0.011）。

圖1 各生境土壤動物水平分布變化Figure 1 Each horizontal distribution of soil fauna habitat change

2.3 不同體型土壤動物群落的水平分布特征

按照尹文英［12］對土壤動物體型的劃分， 土壤動物可分為大型和中小型2 類。 由圖2 可以看出： 與對照相比， T20、 T10、 T5樣地大型、 中小型土壤動物的平均密度均較高。 還田2 個月后， 各處理大型土壤動物平均密度排序為T20＞T10＞T5＞對照， 其中T20樣地和對照差異顯著（P＜0.05）， 其他樣地間差異不顯著； 中小型土壤動物以T10樣地平均密度最高， 對照樣地最低， 差異均不顯著。 還田5 個月后， T20樣地大型土壤動物密度最高， 占總密度的41.44%， 其余依次為T5（35.14%）、 T10（18.02%）、 對照（5.40%）。統計分析顯示： 還田5 個月后， 各樣地中小型土壤動物平均密度差異極顯著（F=6.759，P=0.003）， 對照分別與T10、 T20呈顯著差異（P＜0.05）， T5分別與T10、 T20呈顯著差異（P＜0.05）。

表1 不同樣地土壤動物群落密度統計Table 1 Compositions of soil fauna community in the different plots

圖2 各生境不同體型土壤動物分布變化Figure 2 Each horizontal size distribution of soil fauna in the different levels of change

2.4 土壤動物群落的垂直分布特征

對不同稻草還田量下0～5、 5～10 和10～15 cm 層的土壤動物密度進行比較， 結果顯示： 0～5 cm 層土壤動物平均密度最高， 隨著土層加深土壤動物密度降低， 具有明顯的表聚性（圖3A）。

方差分析顯示（圖3B）： 還田2 個月后各樣地所有土層土壤動物平均密度差異均不顯著（P＞0.05）；還田5 個月后各樣地10～15 cm 土層土壤動物平均密度差異不顯著（F=1.556，P=0.237）， 0～5 cm 層（F=6.099，P=0.005）、 5～10 cm 層（F=5.942，P=0.006）差異顯著。 0～5 cm 土層中， 對照與T20樣地土壤動物密度差異顯著（P＜0.05）， T5與T10、 T20樣地差異顯著（P＜0.05）。

圖3 各生境土壤動物垂直分布變化Figure 3 Each vertical distribution of soil fauna habitat change

2.5 土壤動物的多樣性特征

稻草還田提高了土壤動物的多樣性指數。 還田2 個月后各處理下土壤動物多樣性指數（H′）、 豐富度指數（D）均高于對照， 優勢度指數（C）均低于對照， 均勻度指數T20和T5高于對照， 但T10低于對照。 還田5 個月后對照土壤動物多樣性指數和均勻度指數最高， T10處理下土壤動物優勢度指數最高， T20處理下土壤動物豐富度指數最高（表2）。

方差分析結果顯示： 還田2 個月后， 各樣地中土壤動物優勢度指數（F=1.810，P=0.184）、 多樣性指數（F=2.049，P=0.145）、 均勻性指數（F=0.270，P=0.846）的差異均不顯著， 豐富度指數（F=9.764，P=0.001）T20樣地與T10、 T5、 對照呈極顯著差異（P＜0.01）。 還田5 個月后， 各樣地中土壤動物優勢度指數（F=1.436，P=0.267）、 多樣性指數（F=1.795，P=0.186）差異均不顯著， T20與T10樣地的豐富度指數差異顯著（P＜0.05）， 對照與T10樣地的均勻度指數差異顯著（P＜0.05）。

3 討論

目前， 稻草還田已經作為農業上培肥地力的一項技術而普遍利用。 本研究發現： 還田2 個月和5 個月后， 土壤動物類群數排序均為T20＞T10＞T5＞對照， 土壤動物密度排序為T10＞T5＞T20＞對照。 整體來看， 土壤動物平均密度和類群數差異不顯著， 原因可能有以下幾點。 首先， 實驗在夏季進行， 土壤溫度高、 濕度大， 微生物活動旺盛， 分解快， 還田5 個月后（9 月）未發現明顯稻草的分解物， 說明腐熟高峰已過， 土壤營養處于下降狀態， 因此土壤動物個體數量和類群數降低。 其次， 稻草覆蓋的還田方式增加了農田表層腐殖質的土壤水分和有機質， 提高了土壤保水保墑能力， 喜濕土壤動物幼蟲數量明顯增加，土壤動物類群數量也隨之增加， 其中， 稻草還田處理的土壤線蟲數量最高達到ck 處理的2.5 倍； 再次，單位面積上稻草還田較多， 則分解后養分較多， 有利于創造適宜土壤動物生存繁衍的環境［19-21］。 相比于稻草還田處理， 對照土壤貧瘠， 土壤肥力較差， 因此土壤動物類群數和土壤動物密度都最低［22］。 這與在楠木人工林凋落物和草本層對土壤動物群落的影響中得到相似的結論［23］。

表2 稻草不同還田量下土壤動物群落的多樣性特征Table 2 Diversity characteristics of soil fauna in each habitat

各樣地土壤動物密度剖面及類群分布具明顯的表聚性特征， 2 次采樣所采集到的大型、 中小型土壤動物的數量有一定的差異， 隨著季節的不同土壤動物的多樣性也各不相同。 還田2 個月和還田5 個月，不同量稻草還田對土壤動物多樣性的影響不同， 具體來說， 土壤動物數量與類群在不同還田量稻草處理下差異明顯， 稻草還田量大的樣地土壤動物數量與類群明顯多于稻草還田量少的樣地。 稻草還田2 個月后各樣地上土壤動物多樣性指數、 均勻度指數和豐富度指數均高于還田5 個月的樣地， 以線蟲綱密度增加最為明顯， 可能是因為稻草還田后線蟲等中小型土壤動物對土壤環境敏感性強、 響應明顯； 優勢度指數則低于還田5 個月后， 與此同時對照組不同月份各指數差異變化不大， 說明稻草還田后， 樣地的土壤動物種群更加豐富， 土壤的生態環境相對穩定良好， 一段時間后優勢種群開始突出。

綜上所述， 與未進行稻草還田處理的普通樣地相比， 稻草還田顯著增加了土壤動物密度和類群數，影響了區域內土壤動物群落結構； 稻草還田通過改變土壤理化性質， 促進了土壤動物的多樣性和生態系統的穩定性， 提高了作物質量和產量［22,24］。 基于對生態系統穩定性及生產效率等因素的考慮， 建議農業生產上稻草切碎后覆蓋還田選擇0.8 kg·m-2還田量。 本次研究歷時較短， 僅研究了稻草覆蓋還田對土壤動物群落的影響， 今后應繼續對稻草還田腐爛程度等影響因素的土壤動物動態變化特征進行監測研究，為農業生產提供更加科學的依據。