玉米秸秆留高茬免耕对黑土农田大型土壤动物群落的影响

马丙增,蒋云峰,严 婷,刘俊男

(吉林师范大学 地理科学与旅游学院,吉林 四平 136000)

黑土地是拥有黑色或暗黑色腐殖质表土层的一类土地,具有土壤性状好、自然肥力高、供肥能力强、质地疏松、适宜植物生长等特点,被誉为世界上最珍贵的土壤资源[1-2]。东北黑土区是我国重要的粮食生产基地之一,但长期的重用轻养使得黑土地出现不同程度的退化问题,严重影响该区农业的可持续发展[3-4]。为遏制黑土地退化,提升耕地质量,以少/免耕和秸秆还田为主要措施的保护性耕作越来越受到重视[5]。免耕,即除播种外,不再进行其他任何土壤耕作,避免对土壤结构的破坏[6-8]。秸秆留高茬免耕是指除播种外不进行耕作,但在收获后将秸秆在农田里留茬一定高度,次年播种灭茬,就地腐熟还田[9]。相较于传统耕作,秸秆还田通过扰动土壤来控制杂草,粉碎土壤表层的结壳,不仅可降低土壤侵蚀,保持土壤水分,而且能够增加地表有机残留物的累积,提高土壤的固碳能力[10-12]。

大型土壤动物是农田生态系统的重要组成部分,既是土壤中的居住者,也是土壤环境的营造者。它们通过对有机物质的混合、破碎、采食,以及在土壤中的搬运、穿透等活动积极调节土壤孔隙的分布,促进土壤团聚体的形成,影响土壤有机质的分解和养分循环、存储及时空再分布等过程[13-14]。大型土壤动物对土壤环境的变化反应敏感[15-17],易被人们发现。耕作方式转变所引起的土壤环境的变化必然会对生存在其中的土壤动物群落产生影响,从而进一步影响土壤环境。研究表明,农田管理措施能够通过改变干扰强度、有机物输入等直接或间接地影响土壤动物群落及其调控的生态过程[18]。与传统耕作相比,实施保护性耕作的土壤可显著增加土壤动物个体数、类群数和多样性[19],改变土壤食物网的结构组成[20]。但以往的研究工作主要关注秸秆覆盖还田[21]和还田方式的影响[22],关于大型土壤动物对黑土区农田秸秆留高茬响应的研究较少。本试验通过在玉米生育期内取样调查大型土壤动物群落,探讨玉米秸秆留高茬免耕下大型土壤动物群落的生态分布特征,旨在为改善黑土区的农田土壤生态系统,推广保护性耕作方式提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于中国科学院设在吉林省四平市梨树县高家村的保护性耕作研发基地(43°19′N,124°14′E)内。该区属温带季风气候,夏季炎热多雨,冬季寒冷干燥,年均气温6.7 ℃,年均降水量614 mm,降水主要发生在6—9月,年无霜期140～150 d(表1)。试验当年(2015年)的月均温和月累计降水量基本与常年气温及降水量持平[23],当年1～12月的平均气温分别为-13.5、-9.3、-0.7、9.0、16.0、21.1、23.7、22.2、16.0、7.7、-2.0、-10.0 ℃,当年1～12月的降水量分别为6、5、13、31、53、98、174、144、57、31、14、7 mm。试验地地势平坦,土壤类型为中层黑土,壤质黏土。该基地自2007年4月建立至2015年取样时已布设8年,其间一直进行玉米连作,无其他作物干扰。

表1 不同处理的大型土壤动物群落组成

1.2 试验设计

试验共设常规耕作(CT)、免耕(NT)和秸秆留高茬免耕(SS)3个处理。其中,CT作为对照,在秋季收获后不进行秸秆覆盖,灭茬旋耕(深度在18～25 cm),起垄作业,除播种、施肥外,不再扰动土壤;NT在秋季收获后不进行秸秆覆盖,播种时利用免耕播种机一次性完成播种、施肥和镇压作业,除此全年不扰动土壤;SS于秋收后秸秆留茬至约50 cm,春季播种时灭茬还田免耕播种。每个处理设置3个重复小区,每个小区的面积为261 m2(8.7 m×30.0 m)。各处理样地均只种植玉米,施肥总量相同。

1.3 样品的采集与鉴定

分别于2015年春季(4月,对应于玉米播种期)、夏季(7月,对应于玉米拔节期)和秋季(10月,对应于玉米成熟期)进行大型土壤动物取样。每次在各小区内沿对角线选取3块样地,取样面积625 cm2(25 cm×25 cm),分别在0～5、5～10、10～15 cm土层取样,共取243份土样。直接在样地采用手捡法获取大型土壤动物样品,除蚯蚓保存在4%(质量分数)的福尔马林中,其余大型土壤动物样本均保存于75%(体积分数)乙醇中。将样品带回实验室后,利用SMZ800型体视显微镜(日本Nikon)进行观察,依据《中国土壤动物检索图鉴》[24]、《昆虫分类》[25]和《幼虫学分类》[26]对所获得的大型土壤动物样品进行分类鉴定,一般鉴定到科或目。部分土壤动物的幼虫和成虫有不同的生态功能,将其幼虫和成虫分开统计。

1.4 数据处理

将每个采样点3层所获的土壤动物总个体数换算为密度(m-2),并按照各类群密度占总密度的比例划分优势度：10%以上为优势类群,1%～10%为常见类群,1%以下为稀有类群。采用个体密度、类群数和Shannon-Wiener多样性指数(H′)分析大型土壤动物的群落特征[27]。参照Wardle[28]的方法计算V指数,以表征每个类群对耕作的响应程度,计算公式如下：

V=2MC/(MC+MN)-1。

(1)

式(1)中：MC和MN分别表示某类土壤动物在常规耕作和免耕体系中的个体数量。

利用重复测量方差(repeated measures ANOVA)分析不同处理和不同季节大型土壤动物的群落组成和多样性差异。采用单因素方差分析(one-way ANOVA)检验不同处理和不同季节对土壤动物个体密度、类群数、多样性指数的影响。对不服从正态分布的数据,采用将其值加1后取常用对数的方法进行转换。对有显著(P<0.05)差异的,采用最小显著差数法(LSD)进行多重比较。采用置换多元方差分析(PerMANOVA)测试各处理之间土壤动物群落的组成差异,并利用主成分分析(PCA)对各次取样的大型土壤动物群落进行分析。

上述数据处理与分析过程在Excel 2010、SPSS 18.0和PC-ORD 5.0软件上完成。

2 结果与分析

2.1 大型土壤动物群落组成

本研究从3个处理的样地上共获得24科(部分仅鉴定到分类学的目水平上)大型土壤动物(表1),隶属于2门4纲14目。春、夏、秋季,各处理样地的大型土壤动物均以颤蚓目(Tubificida)的线蚓科(Enchytraeidae)具有绝对优势,在相应处理下的占比均不低于40%,秋季各处理下甚至达80%以上;其次是鞘翅目(Coleoptera),在各处理的不同采样期多为优势类群或常见类群;另外,地蜈蚣目(Geophilomorpha)、双翅目幼虫(Diptera larvae)和膜翅目(Hymenoptera)的蚁科(Formicidae)在不同处理中也具有相对较高的比例。

2.2 大型土壤动物的群落结构特征比较

重复测量方差分析结果显示,处理、季节及其交互作用对大型土壤动物的密度具有极显著(P<0.01)影响,土壤动物类群数仅受季节的显著影响,土壤动物的多样性指数受季节的极显著影响。

春季,NT样地中的土壤动物密度显著高于CT与SS,是CT的3.8倍,但CT与SS样地的土壤动物密度无显著差异;夏季,SS样地中的土壤动物密度显著高于CT与NT,是CT的2.8倍,但CT与NT样地的土壤动物密度无显著差异;秋季,NT和SS样地中的土壤动物密度均显著高于CT,分别是CT的2.1倍和2.3倍,但NT与SS样地的土壤动物个体密度无显著差异。各处理的土壤动物密度均表现为春、夏季显著低于秋季(图1),以SS处理为例,春季的平均密度仅为32.0 m-2,而秋季的平均密度达709.3 m-2。

CT,常规耕作;NT,免耕;SS,秸秆留高茬免耕。柱上无相同大写字母的表示同一处理不同季节间差异显著(P<0.05),无相同小写字母的表示同一季节不同处理间差异显著(P<0.05)。下同。CT, Conventional tillage; NT, No tillage; SS, No tillage with high stubble. Bars marked without the same uppercase letters indicate singificant (P<0.05) difference within seasons under the same treatment. Bars marked without the same lowercase letters indicate significant (P<0.05) difference within treatments under the same season. The same as below.图1 不同处理的大型土壤动物个体密度、类群丰富度和多样性Fig.1 The densit, number of groups and Shannon-Wiener diversity index of soil macrofauna communities under treatments

春季,各处理的大型土壤动物类群数和多样性指数存在显著差异,NT处理显著高于SS处理。夏、秋两季,3个处理的大型土壤动物类群数和多样性指数均无显著差异。同一处理不同季节相比,SS处理夏、秋两季的类群数显著高于春季,夏季的多样性指数显著高于春、秋两季;其他处理的类群数和多样性指数在不同季节间无显著差异。

置换多元方差分析的结果也显示,综合3个季节的CT处理大型土壤动物群落与SS处理具有显著差异。PCA结果也表明,不同处理的大型土壤动物群落组成不同(图2),除春季外,SS处理均被PCⅡ轴与CT处理明显分开,3个季节的PC1和PC2均累计解释了90%以上的动物群落变化。

图2 不同处理大型土壤动物群落的主成分分析(PCA)Fig.2 Principal component analysis (PCA) of soil macrofauna communities under treatments

2.3 不同处理的大型土壤动物主要类群变化

挑选主要土壤动物类群[线蚓科、正蚓科(Lumbricidae)、蚁科、地蜈蚣目、双翅目幼虫、鞘翅目成虫、鞘翅目幼虫]开展重复测量方差分析。因鞘翅目下各单科的幼虫并非在所有季节都有存在,且个体数量过少,为便于分析,故将鞘翅目的步甲科幼虫、隐翅虫科幼虫、叩甲科幼虫、象甲科幼虫、虎甲科幼虫和金龟子科幼虫统一归类为鞘翅目幼虫,将其余成虫统一归类为鞘翅目成虫,分别进行统计。结果显示,仅线蚓科受处理、季节,及二者交互作用的显著影响,正蚓科受到季节的显著影响。春季,线蚓科密度在各处理间无显著差异;夏季,SS处理的线蚓科密度显著高于CT和NT处理;秋季,SS处理的线蚓科密度显著高于CT处理,NT处理的线蚓科密度与CT、SS处理均无显著差异(图3)。

图3 不同处理的线蚓科动物密度Fig.3 Density of Enchytraeidae under treatments

不同季节,各类大型土壤动物对不同处理的响应不同(图4)。相较于CT：春季,NT处理增加了除鞘翅目成虫和地蜈蚣目外其他大型土壤动物的数量(V<0);SS处理增加了线蚓科和蚁科的数量;夏季,NT处理增加了线蚓科、蚁科、双翅目幼虫、鞘翅目成虫、鞘翅目幼虫的数量;SS处理增加了线蚓科、正蚓科的个体数量;秋季,NT处理增加了除蚁科和鞘翅目成虫外的其他大型土壤动物的个体数量,SS处理增加了线蚓科、正蚓科、蚁科和鞘翅目成虫的数量。

3 讨论

本文从群落组成、结构和季节变化分析了玉米秸秆留高茬免耕对大型土壤动物群落的影响。相较于常规耕作,秸秆留高茬免耕增加了大型土壤动物的数量,并引起其群落结构变化。秸秆留高茬免耕在减少土壤扰动的同时,随次年灭茬还田增加了一定的有机物料的归还。这不仅为土壤动物生存提供了稳定的环境,而且秸秆灭茬还田通过微生物活动加速了秸秆有机态养分的分解释放,在土壤食物网中经自下而上的调控,为土壤动物提供可利用的食物源[29-30]。免耕虽然也较常规耕作提高了土壤动物的数量,但群落组成的变化不及留高茬免杆。免耕被广泛认为是一种比其他耕作方式(如翻耕)对土壤环境影响较小的措施,若拟通过免耕来实现土壤质量的改善(如降低土壤侵蚀,增强土壤固碳能力,提高土壤生物活性等),需结合秸秆覆盖或适当的轮作[31-32]。

各类土壤动物对免耕和秸秆留高茬免耕后土壤环境变化的响应在不同季节表现不一。研究期间,秸秆留高茬免耕相较于常规耕作增加了线蚓科的密度,正蚓科的密度在夏秋季也高于常规耕作。秸秆留高茬灭茬还田被微生物作用后,为线蚓科等动物提供了更多的食物资源,利于其生存[33]。夏季免耕处理中,鞘翅目(成虫/幼虫)和蚁科密度相对较高。这可能是因为鞘翅目和蚁科多活动在地表,喜好开阔、阳光充足,低植被覆盖的区域[34-35]。无秸秆覆盖的免耕地表可以接受更多的阳光,更适合这些动物的生存活动。在传统耕作的样地中,有些动物类群仍具有较高的密度,如地蜈蚣目。这可能与地蜈蚣具有较强的活动能力和捕食能力,对环境的适应性较强等因素有关。Wardle[28]认为,土壤动物对耕作表现出多样的响应,可能与取样时期、扰动强度和生物适应性有关。

秸秆留高茬免耕对土壤动物群落的影响程度在不同季节并不相同。这与杨旭等[36]的研究结果基本一致。土壤动物的密度随季节的变化起伏较大。本研究中,土壤动物密度的最高值出现在秋季,而多样性指数的最高值出现在夏季,这与刘鹏飞等[37]、朱强根等[38]的研究基本一致。气候因素、地上植物的生长状况等是影响土壤动物分布的重要因素[39]。本研究区属温带季风气候,春季干燥且多大风,秸秆留高茬虽可降低土壤风蚀,但土壤温度和含水量较低[23],且在春季(播种期)进行的土壤扰动会对土壤动物产生一定的影响,使得土壤动物的密度和类群数均处于3次取样的最低值。夏季(拔节期)秸秆留高茬免耕的处理,由于灭茬还田,土壤表面覆盖有一定量的秸秆碎屑,可以拦截部分雨水并储存在秸秆中,增加土壤水分。同时,玉米秸秆和杂草的生长也可为土壤动物提供多样的生境和食物来源,利于多种土壤动物的生存与发展。秋季(成熟期),气温降低,土壤水分蒸发的速度降低,秸秆碎屑经微生物作用可以为土壤动物提供食物来源,带动一些喜湿耐低温的土壤动物(如线蚓科)的数量增加,从而明显提高了大型土壤动物的密度。

总的来看,秸秆留高茬免耕相较于常规耕作增加了黑土农田大型土壤动物的密度,特别是线蚓科。不同处理间土壤动物密度的季节变化较为一致,总体表现为春低秋高。秸秆留高茬免耕处理的大型土壤动物群落组成与常规耕作差异明显,特别是在夏、秋两季,但与免耕的差异不显著。因此,相较于常规耕作,秸秆留高茬免耕对大型土壤动物具有一定的保育作用。