黃土高原草田輪作對土壤動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)和多樣性的影響

陳應(yīng)武　夏彥飛

摘要：以甘肅慶陽黃土高原地區(qū)草田輪作系統(tǒng)中苜蓿（Medicago sativa 和小麥 （Triticum aestivum田為研究樣地，通過樣方取樣和干漏斗分離法，取樣調(diào)查了土壤動(dòng)物的多樣性。結(jié)果表明：在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)共分離到大型土壤動(dòng)物25 類，其中小麥田23類，苜蓿田25類；小型土壤動(dòng)物10類，其中苜蓿田10類，小麥田8類。苜蓿田土壤動(dòng)物群落Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Margalef多樣性指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)、個(gè)體數(shù)和類群數(shù)均表現(xiàn)為大于小麥田，這說明在草田輪作中苜蓿田具有高的土壤動(dòng)物多樣性而且群落穩(wěn)定程度高，輪作小麥后土壤的大型動(dòng)物多樣性下降且穩(wěn)定性程度也降低，小麥田輪作苜蓿后不僅可以有效增加農(nóng)田土壤節(jié)肢動(dòng)物的類群豐富度和多樣性，也可明顯提高其個(gè)體數(shù)量。

關(guān)鍵詞：黃土高原；草田輪作；苜蓿；小麥；土壤動(dòng)物；群落結(jié)構(gòu)；多樣性

中圖分類號： S181文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（201412-0353-03[HS][HT9SS]

收稿日期：2014-05-18

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（編號：31201558。

作者簡介：陳應(yīng)武（1972—，男，甘肅臨洮人，副教授，從事昆蟲學(xué)研究工作。E-mail：chengyw_gau@163com。

黃土高原是我國最嚴(yán)重的水土流失區(qū)之一，年水土流失量達(dá)16億t[1]。 將豆科牧草引入以小麥（Triticum aestivum 為主的禾谷類作物輪作體系，建立草地農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，是遏制生態(tài)環(huán)境惡化、 提高農(nóng)民收入、 實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必要途徑，并已在生產(chǎn)實(shí)踐中表現(xiàn)出強(qiáng)大的生命力。在多種輪作體系中，苜蓿 （Medicago sativa—小麥輪作具有最佳的水土保持效果。土壤動(dòng)物作為土壤生態(tài)系統(tǒng)中不可分割的一部分，其多樣性是生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的重要基礎(chǔ)。土壤動(dòng)物是生態(tài)系統(tǒng)中最重要的分解者和消費(fèi)者之一，在土壤動(dòng)植物殘?bào)w分解營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)土壤發(fā)育和熟化等過程中占有重要地位，起著不可替代的作用[4-5]。近年來，隨著人們對生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)的日益重視，土壤動(dòng)物研究越來越受到社會(huì)的普遍關(guān)注，關(guān)于土壤動(dòng)物的研究已有較多報(bào)道[4-12]。目前相關(guān)研究主要集中于土壤動(dòng)物的地理和生態(tài)分布[6，9]，土壤動(dòng)物的多樣性群落學(xué)特征及其與環(huán)境的關(guān)系[4，7-8]，土壤動(dòng)物在物質(zhì)循環(huán)能量流動(dòng)中的功能[10]和對環(huán)境變化的指示作用[12]，施肥灌溉放牧和環(huán)境污染等人為干擾措施對土壤動(dòng)物群落的影響[5-13]等方面，而有關(guān)我國黃土高原苜蓿—小麥輪作對土壤節(jié)肢動(dòng)物群落的變化特征及其機(jī)制的研究未見報(bào)道。鑒此，本研究以我國黃土高原地區(qū)最常見的苜蓿—小麥輪作體系為對象，開展了兩種作物田土壤動(dòng)物區(qū)系的研究，以期為生態(tài)環(huán)境建設(shè)、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和發(fā)展草地農(nóng)業(yè)提供基礎(chǔ)資料 。

1材料與方法

11研究區(qū)概況

[JP2]典型黃土高原農(nóng)業(yè)區(qū)土地不同利用方式試驗(yàn)在甘肅省西峰市以北18 km 什社鄉(xiāng)境內(nèi)。海拔為 1 297 m，[JP3]冬春寒冷干燥，秋季多風(fēng)，夏季炎熱，年均氣溫8～10 ℃，極端最高氣溫396 ℃，極端最低氣溫為-22 4 ℃，>5 ℃年平均積溫 3 446 ℃。無霜期平均為 161 d，生長季255 d，年降水量480～660 mm，多集中在7—9月，年平均蒸發(fā)量1 504 mm。自然土壤為黑壚土，有機(jī)質(zhì)缺乏，其含量在1%以下，土壤含氮量低于01%，pH 值為80～85。

12研究方法

2012年5月和9月在試驗(yàn)區(qū)取苜蓿—小麥輪作制度的試驗(yàn)地，選取苜蓿田和小麥田作為處理，每個(gè)處理設(shè)置4個(gè)重復(fù)，共8個(gè)小區(qū)，每小區(qū)面積為56 m2（14 m×4 m。在每個(gè)小區(qū)內(nèi)隨即選取3個(gè)25 cm×25 cm的采樣點(diǎn)，按照0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm土層，用手撿法采集不同土層的土壤大型動(dòng)物，分類裝入盛有70%乙醇的小瓶，帶回室內(nèi)進(jìn)行分類鑒定并統(tǒng)計(jì)數(shù)量。同時(shí)在每個(gè)采樣點(diǎn)的內(nèi)壁用 100 mL 的土壤環(huán)刀取樣，分0～5 cm、5～10 cm、10～15 cm 3層取樣，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)分別用干漏斗法（Tullgren分離中小型土壤動(dòng)物，并分類鑒定統(tǒng)計(jì)數(shù)量[13-15]。對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行群落結(jié)構(gòu)分析，并用最常用的Simpson指數(shù)D、Shannon-Wiener指數(shù)H′、Margalef′s豐富度D′和Pielou的均勻度指數(shù)J進(jìn)行α多樣性的測度[15-16]，其中：H′=-∑PilnPi；J=（-∑PilnPi/lnS；D′=（S-1/lnN，Pi為物種i個(gè)體數(shù)，S為樣方內(nèi)物種i的全部總數(shù)，N為全部物種的類群數(shù)。

2結(jié)果與分析

21草田輪作大型土壤動(dòng)物群落及其變化特征

通過對2種處理農(nóng)田的土壤大型動(dòng)物的調(diào)查顯示（表1：共有27類在試驗(yàn)區(qū)發(fā)現(xiàn)，27類在苜蓿田均出現(xiàn)，小麥田24類。總體來說兩種農(nóng)田的大型土壤動(dòng)物均多分布在表層（0～10 cm，每個(gè)類群大型土壤動(dòng)物基本都是苜蓿田大于小麥田，這說明苜蓿田具有高的土壤大型動(dòng)物的類群數(shù)，在輪作[FL]

[F（W30][HT6H][J（]表1草田輪作中苜蓿田和小麥田不同土層土壤大型動(dòng)物概況[HTSS][STB][J][JY]

[HJ5][BG（！][BHDFG3，W18，W42W]科/目名[B（][BHDWG12，W21。2W]麥田（頭/m3苜蓿田（頭/m3

[BHDWG12，W7。6W]0～10 cm10～20 cm20～30 cm0～10 cm10～20 cm20～30 cm[BW]

[BHDG12，W18Q，W7。6DWW]金龜甲科Scarabaeidae （成蟲000 133 000 267 000 000

[BHDW]金龜甲科Scarabaeidae （幼蟲400 000 000 1067 533 133

擬步甲科Tenebrionidae （成蟲000 000 000 267 000 000

擬步甲科Tenebrionidae （幼蟲533 000 000 933 133 267

隱翅甲科Staphylinidae （幼蟲533 133 000 400 267 000

葉甲科Chrysomelidae （幼蟲133 133 000 800 133 000

步甲科Carabidae （成蟲133 000 000 267 000 000

步甲科Carabidae （幼蟲133 000 000 133 000 000

叩頭甲科Elateridae （成蟲000 000 000 267 267 000

叩頭甲科Elateridae （幼蟲533 000 133 1867 400 267

象甲科Curculionidae （成蟲000 000 133 1067 000 000

象甲科Curculionidae （幼蟲267 000 000 1600 933 667

蟻科Formicidae（成蟲2800 2400 2133 5733 3200 1467

土蜂科Scoliidae （蛹267 667 000 267 133 133

土蜂科Scoliidae （幼蟲933 533 133 1600 1067 267

小蜂科Chalalcididae （幼蟲133 133 000 267 000 000

盲蝽科Miridae267 000 000 1200 000 000

土蝽科Cydnidae933 400 000 2000 933 267

癭蚊科Cecidomyiidae （幼蟲400 000 000 400 000 000

大蚊科Tipulidae （幼蟲533 000 000 400 133 000

蟋蟀科Gryllidae133 133 000 533 267 133

蠼螋科Labiduridae000 000 000 800 133 000

夜蛾科Noctuidae （幼蟲400 000 000 933 133 000

彈尾目Collembola2000 267 000 7467 1333 000

蜘蛛目Araneae133 400 000 1600 133 000

蚰蜒目Scutigeromorpha267 000 267 533 000 000

線蚓科Enchytraeidae3067 533 400 2800 1600 800

種類數(shù)22126271810

個(gè)體數(shù)14933 5867 3200 35467 11733 4400 [HJ][BG）F][F）]

[FL（22]種植小麥后大型土壤動(dòng)物的種類數(shù)下降，從而表明在草田輪作中大型土壤動(dòng)物的類群由高到低的變化。

小麥田和苜蓿田大型土壤動(dòng)物的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Margalef多樣性指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)、個(gè)體數(shù)和類群數(shù)均隨著土層的加深而減小（表2，即0～10 cm>10～20 cm>20～30 cm。在同一土層（0～10 cm，10～20 cm或20～30 cmShannon-Wiener多樣性指數(shù)、Margalef多樣性指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)、個(gè)體數(shù)和類群數(shù)均表現(xiàn)為苜蓿田大于小麥田（表2，這說明在草田輪作中苜蓿田具有高的大型土壤動(dòng)物多樣性而且群落穩(wěn)定程度高，輪作小麥后土壤的大型動(dòng)物多樣性下降且穩(wěn)定性程度也降低。[FL]

[F（W9][HT6H][J]表2草田輪作過程中土壤大型動(dòng)物的多樣性指數(shù)變化[HTSS][STB]

[HJ5][BG（！][BHDFG3，W6，W9。6W]樣地土層Shannon-Wiener多樣性指數(shù)DMargalef多樣性指數(shù)D′Simpson多樣性指數(shù)J個(gè)體數(shù)S類群數(shù)N

[BHDG12，W6，W9，W9。5DWW]麥田0～10 cm256308089112002200

[BHDW]10～20 cm19218407843001100

20～30 cm1131090532400600

苜蓿田0～10 cm274311090264002600

10～20 cm23626308788001800

20～30 cm19617808233001000[HJ][BG）F][F）]

[FL（22]22草田輪作中小型土壤動(dòng)物群落及其變化特征

干漏斗法調(diào)查的中小型土壤動(dòng)物結(jié)果（表3顯示：共有10類出現(xiàn)在研究區(qū)，苜蓿田這10類中小型土壤動(dòng)物均有分布，除了雙尾目和植綏螨科兩個(gè)類群外，其余也均分布在小麥田。兩種農(nóng)田中土壤動(dòng)物垂直分布的表現(xiàn)均呈現(xiàn)集中分布在表層，隨著土壤深度的增加，個(gè)體數(shù)和類群數(shù)減小。

苜蓿田和小麥田的同一土層土壤中小型動(dòng)物的類群數(shù)均表現(xiàn)為苜蓿田大于小麥田（圖1，這說明苜蓿田土壤動(dòng)物的多樣性程度高，在輪作為小麥田后其類群數(shù)減少。

苜蓿田和小麥田的同一土層土壤中小型動(dòng)物的數(shù)量（圖1顯示：0～5 cm土層較其他土層具有高的小型土壤動(dòng)物數(shù)量，說明土壤動(dòng)物的數(shù)量密度主要集中在0～5 cm， 而且表現(xiàn)[FL]

[F（W13][HT6H][J（]表3草田輪作中苜蓿田和小麥田不同土層土壤中小型動(dòng)物概況[J][HTSS][STB][JY]

[HJ5][BG（！][BHDFG3，W18，W42W]（科/目名[B（][BHDWG12，W21。2W]麥田（萬頭/m3苜蓿田（萬頭/m3

[BHDWG12，W7。6W]0～5 cm5～10 cm10～15 cm0～5 cm5～10 cm10～15 cm[BW]

[BHDG12，W18Q，W7。6DWW]跳蟲科Poduridae4100 1267 000 11067 1600 333

[BHDW]甲螨目Oribatida633 033 000 1300 123 000

寄螨目Parasitiformes200 133 000 233 100 100

雙尾目Diplura000 000 000 067 033 000

真螨目Acariformes700 267 033 1300 333 133

癭蚊科Cecidomyiidae （幼蟲033 000 033 034 023 000

植綏螨科Phytoseiidae000 000 000 067 033 000

蜘蛛目Araneae133 000 000 167 000 000

雙翅目Diptera （幼蟲033 000 000 186 000 000

隱翅甲科Staphylinidae（幼蟲033 133 000 144 126 000 [HJ][BG）F][F）]

[FL（22]

[F（W20][TPCYW1tif][F]

為苜蓿田大于小麥田；5～10 cm和10～15 cm土層小型土壤動(dòng)物的數(shù)量較接近。總體來看土壤小型動(dòng)物的數(shù)量表現(xiàn)為苜蓿田大于小麥田。苜蓿田土壤動(dòng)物的密度高，在輪作為小麥田后其密度急劇下降。

3結(jié)論與討論

黃土高原農(nóng)作區(qū)，小麥田輪作苜蓿后不僅可以有效增加農(nóng)田土壤節(jié)肢動(dòng)物的類群豐富度和多樣性，也可明顯提高其個(gè)體數(shù)量，反之，苜蓿田輪作小麥后土壤動(dòng)物群落的多樣性降低，這種作用主要發(fā)生于表層土壤層。已有研究表明，土壤動(dòng)物對于土壤環(huán)境的變化非常敏感，土壤環(huán)境的任何明顯改變都會(huì)導(dǎo)致土壤動(dòng)物群落的變化[17-18]。苜蓿—小麥輪作后，土壤動(dòng)物群落的多樣性發(fā)生了明顯變化。苜蓿由于是多年性宿根植物，而且種植后保持若干年，這樣土壤環(huán)境和食物相對穩(wěn)定，而且凋落物覆蓋地表，這種相對環(huán)境有利于土壤動(dòng)物的定居繁衍，所以土壤動(dòng)物多樣性程度較高。這說明，由于苜蓿為宿根性植物，而且苜蓿田多年定植，保持了土壤環(huán)境的相對穩(wěn)定性，在苜蓿田輪作為小麥田后，土壤翻動(dòng)改變了苜蓿田土壤結(jié)構(gòu)，使得一些土壤動(dòng)物由于物理機(jī)械原因而死亡，一些類群因不適于苜蓿—小麥田這種種植植物輪換，一些不適合小麥田的土壤動(dòng)物從群落中退出，但還有較多的類群因生態(tài)幅較廣而保留下來，[JP+1]同時(shí)以小麥田為寄主的類群加入了進(jìn)來，從而使群落類群多樣性和種群數(shù)量改變。另外，由于小麥生育期短，植被收獲和種植使得植被間斷，加之每年反復(fù)翻動(dòng)土壤，土壤和植被的穩(wěn)定性較之苜蓿田差，土壤動(dòng)物群落的波動(dòng)性高，多樣性相對差。反之，小麥田輪作為苜蓿田后，隨著土壤和植被環(huán)境條件的改變，生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性比小麥田高，土壤植被的擾動(dòng)低，所以苜蓿田土壤動(dòng)物的種類、數(shù)量和多樣性程度較高。所以，黃土高原農(nóng)作區(qū)，小麥田輪作為苜蓿田后不僅可以有效增加農(nóng)田土壤節(jié)肢動(dòng)物的類群豐富度和多樣性，也可明顯提高其個(gè)體數(shù)量，這種作用主要發(fā)生于表層土壤層。

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