施肥对农田土壤动物群落结构的影响

罗熳丽，兰 琴，王 戈，魏 洪，肖玖金，*，张 健

(1.四川农业大学 生态林业研究所，四川 成都 611130； 2.四川农业大学 林业生态工程四川省重点实验室，四川 成都 611130； 3.四川农业大学 旅游学院，四川 成都 611830； 4.四川省九顶山省级自然保护区，四川 德阳 618400)

土壤动物是指一生或生命过程中有一段时间定期在土壤中度过，而且对土壤产生一定影响的动物[1-3]。世界上90%以上的昆虫生活在土壤中，大约24%的昆虫生活在耕作土壤中[4-9]。土壤动物在食物链及生态环境中不可或缺，它们在残体分解、土壤理化性质改变、土壤物质迁移与能量转化等方面均具有重要作用，是生态系统物质循环的重要组成部分，对基于人为管理的环境变化具有重要的指示作用[10-11]，是生态系统物质循环和能量流动的关键环节，直接或间接参与土壤有机质的分解与矿化[12-14]。

当前，我国农业生产中施肥普遍存在重化肥、轻有机肥、过量施肥的现象[15-16]，不科学的施肥方式已成为农村面源污染的重要来源之一，同时也抬高了农业生产成本，甚至导致土壤理化性质和土壤结构变劣，农作物产量及品质降低，并会对土壤动物的生活环境造成一定的影响。近年来，土壤动物群落生态学研究已成为环境与生态领域的热点[17]。前人研究认为，施肥会在一定程度上改变土壤动物群落组成，对土壤动物的群落多样性与分布特征造成一定程度的影响[18-20]。为探索过量施肥对土壤动物群落结构的影响，本研究选择尿素作为施肥材料，对不同施肥量梯度下农田土壤动物群落特征进行研究，包含土壤动物群落的水平分布特征、垂直分布特征、不同体型分布特征、干湿生群落特征、多样性特征等，旨在为指导农户合理使用和控制化肥施用量，更好地保障农田土壤质量提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于四川省都江堰市安龙镇卉景村11组(103°36′04″～103°37′25″E，30°48′27″～30°48′35″N)，属四川盆地亚热带湿润气候区，气候温和，四季分明，年平均气温16 ℃，年均降水量1 243.80 mm，年均日照时数1 024 h，年无霜期265 d。试验地为典型的农田生态系统，种植植物有桂花(Osmanthusfragranscv. Tbubergii)、紫薇(Lagerstroemiaindica)等。土壤为黄壤，质地为重壤质，pH值6.5～6.8，在淀积层母质层之间有明显的潜育现象，土壤肥力中等，保水保肥性好。

1.2 样地设置

为探索过量施肥对土壤动物群落结构的影响，本研究以尿素作为施肥材料，参照年均农田正常施肥量水平(T1，225 kg·hm-2)，并在此基础上设不同的施肥梯度[21]：T2，450 kg·hm-2；T3，900 kg·hm-2；T4， 1 800 kg·hm-2；T5，3 600 kg·hm-2。同时，设置不施肥的处理作为对照(CK)。每个施肥梯度都以5 m×5 m(即25 m2)的样方为准，并设置3次重复。为避免相互影响，每个样方的间距控制在5～10 m，试验样方设置于同一块农田，其土壤环境基本一致。

1.3 样品采集

于2016年5月份进行一次性施肥处理，将尿素均匀施洒在样地，5—8月每月中旬进行采样(后续试验中将其汇总统计)，对各处理下的土壤分为0—5、5—10、10—15 cm土层，用圆形取样环刀(r=5 cm，V=100 cm3)自上而下顺次对样地进行“品”字型分层取样[22]，用尼龙网包好、编号，放入黑布袋中。

在土壤分层取样过程中对大型土壤动物采取“手捡法”进行数据采集，每个样点取样范围为0.25 m2(即50 cm×50 cm)，将采集到的土壤动物放入装有75%(体积分数)乙醇溶液的容器中，贴上标签，注明编号与土层深度，带回实验室。

1.4 土壤动物的分离与计数

土壤动物的分离参照肖玖金等[23]、黄玉梅等[24]、赵瑜等[25]的方法，分离均在烘虫箱中进行，控制烘虫箱温度在35～40 ℃。干生和湿生的烘虫时间均为48 h。其中，分离干生土壤动物的用1环刀土样，用75%(体积分数)乙醇溶液收集；分离湿生土壤动物采取四分法(即取1/4环刀的土样)，用清水收集。

土壤动物的分类鉴定：将手捡和分离所得的土壤动物置于SZ760双目解剖镜下观察，其中，干生48 h观察1次，湿生分4 h和48 h两个时间段进行观察，主要参考《中国土壤动物检索图鉴》[26]、《中国亚热带土壤动物》[27]、《昆虫分类检索》[28]和《幼虫分类学》[29]进行分类鉴定，并分别统计数量，一般鉴定到科的水平。由于成虫和幼虫在土壤中的作用和功能不尽相同，因此分开统计其种类和数量。

1.5 数据分析与处理

对土壤动物进行多样性分析，指标主要采用Shannon-Wiener多样性指数(H′)、Margalef丰富度指数(D)、Pielou均匀度指数(J)、Simpson优势度指数(C)[30-32]。计算公式如下：

(1)

D=(S-1)/lnN；

(2)

J=H′/lnS；

(3)

(4)

式(1)～(4)中：Pi=ni/N，ni为第i个类群的个体数，N为所有类群的个体数，S为类群数。

类群数量等级划分：个体密度大于捕获总量密度的10.0%以上者为优势类群(+++)，占1.0～10.0%者为常见类群(++)，不足1.0%者为稀有类群(+)。

数据的处理和分析采用SPSS 22.0进行，用Origin 8.1绘制图形。用单因素方差分析(one-way ANOVA)对不同样地间土壤动物群落组成进行检验，如果差异显著(P<0.05)，则用LSD(方差齐性)法或Dunnetts’C法(方差不齐)进行多重比较。对不服从正态分布的数据，利用lg(X+1)进行转换，如果仍不服从正态分布，则进行Kruskal Wallis Test(H)非参数检验。

2 结果与分析

2.1 土壤动物类群结构及数量组成

试验共捕获土壤动物1 307只，隶属于3门13纲19目40科，详见表1。优势类群为线虫纲和绥螨科，分别占总密度的56.07%和14.33%；常见类群为跳虫科、蚁科、叶蝉科等，占总密度的26.65%；剩余阎甲科、蠼螋科、蝼蛄科等构成稀有类群，占总密度的2.95%。

CK处理下土壤动物平均密度为2.14×104m-2，是T1处理的1.68倍、T2处理的1.35倍、T3处理的1.86倍、T4处理的2.68倍、T5处理的2.46倍。CK样方中的土壤动物最多，施肥量相对较少的T1、T2与T3样方中的土壤动物次之，而施肥量较多的T4与T5样方中土壤动物较少。

2.2 土壤动物群落的水平分布特征

如图1所示：各处理的土壤动物平均密度排序为CK>T2>T1>T3>T5>T4，土壤动物类群对不同处理的土壤动物平均密度进一步做多重比较(LSD)，结果显示：施肥各处理(T1～T5)的土壤动物平均密度均显著(P<0.05)低于CK。施肥处理间，T2处理的土壤动物平均密度显著(P<0.05)高于T4、T5。

表1 不同样地土壤动物群落组成统计

Table1Compositions of soil fauna community in different plots

类群GroupT1Den/m-2Pr/%T2Den/m-2Pr/%T3Den/m-2Pr/%T4Den/m-2Pr/%T5Den/m-2Pr/%CKDen/m-2Pr/%总计TotalDen/m-2Pr/%线虫纲7026.3055.3712115. 7076.227924.6068.694075.2651.153395.7539.089289.8343.4443827.4456.07Nematoda绥螨科Sejidae2829.8722.301697.6510.681188.3610.30339.534.261980.5922.793168.9514.8211204.9514.33跳虫科848.836.69282.941.78226.351.96——113.181.30396.121.851867.422.39Poduridae阎甲科56.590.45——————————56.590.07Histeridae小蚓类39.560.3126.670.1716.000.142.220.03——18.220.09102.670.13Microdrileoligochaetes蠼螋科0.4400.890.010.890.01——1.330.021.780.015.330.01Labiduridae蝼蛄科2.220.021.330.011.330.010.890.012.670.030.8909.330.01Gryllotalpidae露尾甲科0.440————0.890.010.440.010.4402.220Nitidulidae姬马陆科3.110.024.000.0319.110.1712.000.158.440.106.670.0353.330.07Julidae蚁科343.532.71120.290.76401.013.48360.864.53238.82.75740.983.462205.472.82Formicidae

续表1

Den，密度；Pr，比例。

Den， Density; Pr， Proportion.

柱上无相同字母的表示差异显著(P<0.05)。Bars marked without the same letters indicated significant difference at P<0.05.图1 各处理的土壤动物水平分布Fig.1 Horizontal distribution of soil fauna habitat under different treatments

数排序为T1>CK>T2>T4>T5>T3。统计分析显示，各处理的土壤动物类群数之间无显著差异(F=1.006，P=0.424)，但平均密度之间存在极显著差异(F=6.785，P<0.001)。

2.3 不同体型土壤动物群落的水平分布特征

按照尹文英[26]对土壤动物体型的划分，本次试验所捕获的土壤动物可分为大型和中小型土壤动物2大类，不同施肥处理下不同体型土壤动物群落的水平分布特征如图2所示。随着施肥量增加，大型土壤动物的平均密度总体减少，T1处理的大型土壤动物平均密度显著(P<0.05)高于T5处理，但二者与CK相比均无显著差异。中小型土壤动物的平均密度整体亦随施肥量的增加而减少，CK处理的中小型土壤动物平均密度显著(P<0.05)高于其他施肥处理(T1～T5)，施肥处理中，T2处理的中小型土壤动物平均密度显著(P<0.05)高于T4和T5处理。

相同体型动物系列柱上无相同字母的表示处理间差异显著(P<0.05)。Bars that donated the same habitat size soil fauna marked without the same letters indicated significant difference at P<0.05.图2 各处理不同体型土壤动物的水平分布Fig.2 Horizontal distribution of soil fauna with different habitat size under different treatments

相同土层系列柱上无相同字母的表示处理间差异显著(P<0.05)。Bars that donated the same soil layer marked without the same letters indicated significant difference at P<0.05.图3 各处理的土壤动物垂直分布Fig.3 Vertical distribution of soil fauna under different treatments

2.4 土壤动物的垂直分布特征

对所捕获的土壤动物进行层次分析(图3)，结果显示：0—5 cm土层中各处理间土壤动物平均密度存在显著差异(P<0.05)，CK处理的土壤动物平均密度显著(P<0.05)高于各施肥处理(T1～T5)，各施肥处理间，T2和T3处理的土壤动物平均密度显著(P<0.05)高于T5处理；5—10 cm土层中各处理间土壤动物平均密度存在显著差异(P<0.05)，CK处理的土壤动物平均密度显著(P<0.05)高于除T2外的其他所有施肥处理，但各施肥处理间无显著差异；10—15 cm土层中各处理间土壤动物平均密度同样存在显著差异(P<0.05)，但与0—10 cm土层不同的是，T2处理的土壤动物平均密度最高，显著(P<0.05)高于T3、T4、T5处理，但与CK和T1处理差异不显著。对比各土层的土壤动物平均密度可以看出，土壤动物分布呈现出表聚特征。

2.5 干、湿生土壤动物群落特征

干、湿生土壤动物群落特征如表2所示。干生土壤动物各处理间，CK的干生土壤动物平均密度显著(P<0.05)高于T3与T5处理，其余各处理间差异不显著；湿生土壤动物各处理间，以CK的湿生土壤动物平均密度最高，显著(P<0.05)高于除T2外的其他所有施肥处理(T1、T3、T4、T5)，各施肥处理间，T2处理的湿生土壤动物平均密度显著(P<0.05)高于T4与T5处理，其余各处理间无显著差异。

2.6 土壤动物的多样性特征

多样性分析结果(表3)显示：CK处理的土壤动物多样性指数最高，T2处理的多样性指数最低，二者差异显著(P<0.05)，但分别与其他处理相比均无显著差异；T5和CK处理的均匀度指数最低，T2处理的均匀度指数最高，除T5外，其他施肥处理(T1、T2、T3、T4)的均匀度指数间均无显著差异，CK的均匀度指数显著(P<0.05)低于T2，但与其他处理无显著差异；T2处理的优势度指数最低，且显著(P<0.05)低于T4、T5和CK处理，但与其他处理无显著差异；各处理的丰富度指数无显著差异。

表2 各处理干、湿分离土壤动物的群落结构特征

Table2Community structure characteristics of Tullgren and Baermann separation of soil fauna under different treatments

同列数据后无相同字母的表示差异显著(P<0.05)。下同。

Data marked without the same letters indicated significant difference atP<0.05. The same as below.

表3 各处理土壤动物群落的多样性特征

Table3Diversity characteristics of soil fauna under different treatments

处理TreatmentH′JCDT10.99±0.14 ab0.49±0.07 abc0.46±0.06 ab0.81±0.66 aT20.83±0.15 b0.61±0.07 a0.39±0.06 b0.73±0.11 aT30.97±0.22 ab0.55±0.09 ab0.44±0.08 ab0.79±0.10 aT41.11±0.08 ab0.43±0.03 abc0.55±0.03 a0.78±0.07 aT51.23±0.11 ab0.36±0.05 c0.62±0.05 a0.75±0.06 aCK1.34±0.11 a0.36±0.05 bc0.59±0.04 a0.87±0.07 a

3 讨论

本研究发现，不施肥的CK处理的土壤动物数量最多，施肥较少的T2、T1、T3处理次之，而施肥量较大的T4、T5处理土壤动物数量最少，表明施肥对各处理土壤动物群落分布产生了一定的影响，这与土壤动物类群格局和土壤环境密切相关[33]。T2处理的土壤动物平均密度高于施肥量较少的T1处理，这主要是因为T2处理中的线虫数量较高，这可能是由于在一定范围内，施肥量的增加改变了土壤生态环境及养分状况，提高了土壤中细菌类群的生物量，进而提高了食细菌线虫种群的数量[34]。另外，随着施肥量增加，各个处理间的土壤动物类群数总体呈减少趋势，说明单氮肥的大量施用会抑制土壤动物类群数量。

本研究中，各处理通过湿生分离出的土壤动物比干生分离的多。在0—5 cm和5—10 cm土层中，各处理的土壤动物分布均以CK占优势。分析显示，本研究中各施肥处理的土壤湿度分别为：0—5 cm土层，38%左右；5—10 cm土层，36%左右；10—15 cm土层，35%左右，而CK处理在0—5 cm与5—10 cm土层的土壤湿度均为40%左右。这说明土壤动物对土壤湿度具有一定的生存依赖性[35]。

将所捕获的土壤动物依体型分为大型与中小型土壤动物，比较发现，同一处理的中小型土壤动物密度比大型土壤动物密度大。

综上所述，施肥会对土壤动物的平均密度、不同体型数量、群落结构分布、多样性、均匀度等产生一定程度的影响。过量施肥会对土壤动物数量、丰富度等产生不利影响。但是，在试验过程中仅考虑了单一肥料(氮肥)类型对土壤动物群落结构的影响，而大田生产中常会混合施用多种肥料，而且本试验也仅考查了肥料对土壤动物群落的短期效应。今后有必要深入开展长期定位试验以研究多因素综合作用下的施肥对土壤动物群落结构的影响，同时，相关机理也有待深入挖掘。