不同秸稈還田方式對土壤線蟲群落特征的影響

饒繼翔，陳昊，吳興國，胡森琦，孫慶業(yè)*

（1.安徽大學資源與環(huán)境學院，合肥230601；2.宿州市農業(yè)科學院，安徽 宿州234099）

秸稈還田是現(xiàn)代農業(yè)生產過程中的一項重要技術，其不僅可以顯著增加土壤通氣孔隙、降低土壤容重、提高土壤活性有機質含量、增加土壤養(yǎng)分[1-2]，而且能夠減少秸稈焚燒造成的一系列環(huán)境問題。秸稈還田對于促進作物生長、改善和提高土壤質量具有重要作用[3]。

秸稈還田在改善土壤質量的同時，也對土壤動物群落產生一定的影響[4]，土壤動物作為農田生態(tài)系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，廣泛參與了農田生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)調節(jié)過程[5]，對土壤中營養(yǎng)物質的轉化、儲存和釋放以及對土壤微生物的調節(jié)和土壤理化性質的改變均發(fā)揮著積極作用[6-7]。土壤線蟲是土壤微生態(tài)環(huán)境中最豐富且敏感的生物類群之一[8]，其營養(yǎng)類群結構的變化與土壤生態(tài)系統(tǒng)過程緊密聯(lián)系，同時其也能反映出干擾因素的變化情況[9]，因此線蟲作為土壤健康指示生物受到廣泛重視。秸稈還田可在一定程度上改變土壤線蟲的豐度和多樣性，但受地域、生態(tài)環(huán)境、土壤類型、農事操作等諸多因素影響，土壤線蟲群落對秸稈還田的響應不盡相同。牟文雅等[10]發(fā)現(xiàn)，潮砂土中玉米秸稈還田能明顯增加線蟲種類，提高線蟲多樣性。Zhong等[11]在海南島通過長期免耕和秸稈還田研究發(fā)現(xiàn)，土壤線蟲的總豐度增加，但植食性線蟲豐度降低。孔云等[12]發(fā)現(xiàn)，潮土地區(qū)玉米秸稈不同還田量對土壤線蟲數(shù)量和種類多樣性有增加作用，但對線蟲的群落結構無顯著影響。張慶宇等[13]研究發(fā)現(xiàn)，不同秸稈還田量顯著影響水田改旱田地塊土壤動物個體數(shù)量，但對土壤動物的類群數(shù)及土壤生物的多樣性影響較小。有研究發(fā)現(xiàn)，不同秸稈還田量對線蟲種類、不同營養(yǎng)類群數(shù)量有一定影響，線蟲種類隨秸稈還田量的增加而降低[14]。

本實驗在自然條件下對淮河流域地區(qū)進行不同方式的秸稈還田，以研究不同的秸稈還田量對土壤線蟲群落結構的影響，探索秸稈還田量對于土壤結構和土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響，為淮河流域地區(qū)科學合理利用秸稈、提高秸稈的利用率提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于安徽省宿州市埇橋區(qū)宿州市農業(yè)科學院的試驗田，該區(qū)域屬暖溫帶半濕潤季風氣候，四季分明，光照充分，雨量適中，雨量多集中于夏秋季，年平均氣溫15.7 ℃，多年平均降雨量840 mm左右，無霜期約210 d。土質為砂姜黑土，試驗田主要耕作方式為小麥-玉米輪作。

在所屬試驗田開展秸稈還田試驗，試驗共設置7個處理（表1），每個處理分為4 個試驗小區(qū)，即4 個重復。小區(qū)長15 m、寬8 m，四周用0.5 m 寬保護行相隔，按照隨機區(qū)組排列。各小區(qū)內小麥播種行距0.2 m，播種量為195 kg·hm-2；玉米播種行距0.6 m，播種量為45 kg·hm-2。施尿素585 kg·hm-2、過磷酸鈣750 kg·hm-2、氯化鉀150 kg·hm-2，除G組外其余各組施肥量相同。秸稈還田采用機械旋耕還田方式，小麥秸稈和玉米秸稈機械粉碎后全部或50%還田，至本研究采樣時試驗已開展2年。

表1 不同秸稈還田方式的處理Table 1 Treatment of different straw returning methods

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集與預處理

2019年3月采集各試驗小區(qū)內0～20 cm（表層）土壤，用五點采樣法采集土壤樣品。所采集的土壤樣品帶回實驗室分成兩部分，一部分用于土壤線蟲研究，另一部分于室內自然風干、研磨后過20 目和100 目篩網，用于土壤理化性質分析。

1.2.2 土壤理化性質的測定土壤中總氮、總磷、總鉀、有機質、速效氮、速效磷、速效鉀的測定按照《土壤農化分析》進行[15]。

1.2.3 土壤線蟲的分離與鑒定

土壤線蟲采用改進的淺盤法分離[16-17]，分離后的線蟲參照《中國土壤動物檢索圖鑒》[18]進行鑒定。根據線蟲的取食習性和食道特征將其分成4 個營養(yǎng)類群[19]：食細菌線蟲（Bacterivores，bf）、食真菌線蟲（Fungivores，ff）、植物寄生線蟲（Plant-parasites，pp）和雜食-捕食線蟲（Omnivores-predators，op），并對線蟲劃分不同的c-p值[20]。

1.2.4 土壤線蟲生態(tài)指數(shù)計算

相對豐度為每100 g干土中各營養(yǎng)類群線蟲占線蟲總數(shù)的比例。各類群數(shù)量優(yōu)勢度的劃分參照文獻[21]的方法進行：個體數(shù)量占總捕獲量10% 以上者為優(yōu)勢類群，1%～10% 為常見類群，1% 以下為稀有類群。不同生態(tài)指數(shù)的計算公式如下[22]：

（1）Shannon 多樣性指數(shù)：H=-ΣPilnPi

（2）Pielou 均勻度指數(shù)：J=H/lnS

（3）Simpson 優(yōu)勢度指數(shù)：D=ΣPi2

式中：Pi為第i個分類單元中個體占線蟲總個體數(shù)的比例；S為鑒定分類單元的數(shù)目。

（4）豐富度指數(shù)：SR=（S-1）/lnN

（5）線蟲通道指數(shù)（Nematode channel ratio，NCR）：NCR=NB/（NB+NF）

（6）瓦斯樂斯卡指數(shù)（Wasilewska index，WI）：WI=（NB+NF）/NPP

式中：S為鑒定分類單元的數(shù)目；N為分類單元中線蟲數(shù)量；NB為食細菌類線蟲的數(shù)量；NF為食真菌類線蟲的數(shù)量；NPP為植物寄生類線蟲的數(shù)量。

（7）自由生活線蟲成熟度指數(shù)（Maturity index，MI）和植物寄生類線蟲成熟度指數(shù)（Plant parasite index，PPI）：MI（PPI）=Σ（vi×fi）

式中：vi為根據自由生活線蟲（植物寄生線蟲）在生態(tài)演替中的不同生活策略分別賦予的c-p值；fi為第i種線蟲的個體數(shù)占群落總個體數(shù)的比例[23-24]。

1.3 數(shù)據統(tǒng)計分析

用SPSS 23.0 軟件對數(shù)據進行單因素方差分析（One-way ANOVA），并用Duncan 法進行差異顯著性檢驗，差異顯著水平為0.05；用Origin 8.5繪圖。

2 結果與分析

2.1 秸稈還田方式對土壤理化性質的影響

從表2 可以看出，E 組和F 組的總氮含量較D 組提升12% 以上；C 組的總磷含量較D 組提升25% 以上；秸稈還田的處理組中有機質含量均高于D 組，其中C組較D組提升21%。C組在各項營養(yǎng)成分指標上均處于最高或者較高位置，且在總磷和有機質指標上顯著高于D 組，E 組和F 組的總氮和有機質含量要高于D組。因此，本實驗中秸稈還田相較于秸稈不還田可以提升土壤肥力，對改善土壤質量有一定作用。

2.2 秸稈還田方式對土壤線蟲物種多樣性的影響

2.2.1 土壤線蟲群落組成

通過對不同還田方式的農田土壤中的線蟲進行分離鑒定，共鑒定出線蟲36屬；其中食細菌類線蟲15屬，食真菌類線蟲5 屬，植物寄生類線蟲9 屬，雜食-捕食類線蟲7 屬（表3）；優(yōu)勢屬線蟲共有2 種，分別為食細菌類線蟲擬麗突屬（Acrobeles）和植物寄生類線蟲矮化屬（Tylenchorhynchus）。常見屬種類較多，在食細菌類線蟲中為真頭葉屬（Eucephalobus）和原桿屬（Protorhabditis），食真菌類線蟲多為常見屬，植物寄生類線蟲中螺旋屬（Helicitotylenchus）、短體屬（Pratylenchus）、潛 根 屬（Hirschmanniella）、根 結 屬（Meloidogyne）總體上為常見屬，捕食-雜食類線蟲中僅孔咽屬（Eudorylaimus）為常見屬。在所有處理中，A、B、C、D、E、F、G 組分別鑒定出31、32、31、28、33、32、26 屬，與G 處理組相比，秸稈還田可以增加線蟲的數(shù)量和種類，特別是食細菌類線蟲和捕食-雜食類線蟲的種類。所以，秸稈還田可以增加線蟲的數(shù)量，且秸稈還田的各組之間差距不明顯。

2.2.2 土壤線蟲數(shù)量

由圖1 可知，秸稈還田的土壤中線蟲數(shù)量要顯著高于秸稈不還田的土壤，玉米秸稈還田的B 組和F 組線蟲數(shù)量要高于小麥秸稈還田的A 組和E 組，C 組的線蟲數(shù)量最高。說明秸稈還田處理可以顯著提高土壤線蟲的數(shù)量，且隨秸稈還田量的增加有上升趨勢。

2.2.3 土壤線蟲生態(tài)指數(shù)

由表4 可知，隨著秸稈還田量的增加，線蟲的多樣性指數(shù)（H）、均勻度指數(shù)（J）和自由生活成熟度指數(shù)（MI）均呈增加趨勢，G組與其他處理組之間有顯著差異，秸稈全部還田和秸稈50% 還田處理之間差異不顯著，但總體隨秸稈還田量的增加而增加。秸稈還田處理的優(yōu)勢度指數(shù)（D）要顯著低于秸稈不還田處理。各處理的豐富度指數(shù)（SR）隨秸稈還田量的增加有先增加后減少的趨勢，其中以秸稈50%還田的E組最高。本實驗中各組的線蟲通道指數(shù)（NCR）均大于0.5，而且各處理中D 組和G 組的NCR 指數(shù)顯著高于其他組。秸稈還田處理的自由生活線蟲成熟度指數(shù)（MI）高于秸稈不還田處理的G組，且秸稈全部還田處理的MI值總體低于秸稈50%還田處理。

表2 不同秸稈還田方式土壤理化性質（mg·kg-1）Table 2 Physical and chemical properties of soil with different straw returning methods（mg·kg-1）

表3 不同秸稈還田方式土壤線蟲群落組成Table 3 Community composition of soil nematodes in different ways of straw returning

圖1 不同秸稈還田方式土壤線蟲數(shù)量Figure 1 Number of soil nematodes in different ways of straw returning

2.3 秸稈還田方式對土壤線蟲營養(yǎng)類群及生活策略的影響

圖2 說明，秸稈還田處理的土壤中各營養(yǎng)類群的線蟲數(shù)量均高于秸稈不還田處理，食細菌類線蟲和食真菌類線蟲的數(shù)量隨著秸稈還田量的增多呈上升趨勢，植食類線蟲數(shù)量和捕食-雜食類線蟲數(shù)量隨秸稈還田量的增加有先增加后減少的趨勢。

圖2 不同秸稈還田方式土壤線蟲各營養(yǎng)類群數(shù)量Figure 2 Number of soil nematodes in different straw returning ways

由圖3 可知，c-p1、c-p2、c-p3 類線蟲的相對多度之和在每個處理組中均大于90%，其中以c-p2類線蟲多度比例最大，占比大于50%。秸稈50% 還田的E組和F組的c-p2類線蟲相對多度占比大于秸稈全部還田的處理組。B組和F組的c-p3類線蟲的相對多度占比大于其他秸稈還田處理組。

2.4 土壤線蟲群落結構與土壤理化性質的相關性

相關性分析表明（表5），在本實驗中線蟲的數(shù)量變化與總氮、有機質、速效磷和速效鉀含量呈顯著正相關；捕食-雜食類線蟲數(shù)量與有機質和速效鉀含量呈顯著正相關；線蟲多樣性指數(shù)（H）與速效鉀含量呈顯著正相關；瓦斯樂斯卡指數(shù)（WI）與有機質含量呈顯著正相關。

3 討論

圖3 不同秸稈還田方式土壤線蟲生活史類群相對多度Figure 3 Relative abundance of life history groups of soil nematodes in different straw returning ways

表4 不同秸稈還田方式土壤線蟲生態(tài)指數(shù)Table 4 ecological index of soil nematode in different straw returning ways

表5 土壤線蟲數(shù)量、生態(tài)指數(shù)及優(yōu)勢屬線蟲數(shù)量與土壤性狀的相關系數(shù)Table 5 Correction coefficients between numbers of nematodes，ecological indices，numbers of dominant genera and soil properties

華萃等[25]的研究表明秸稈還田量對有機質的影響不顯著，而對總氮的影響顯著。但是本實驗研究發(fā)現(xiàn)不同的秸稈還田量之間總氮和有機質含量的差異顯著，而總鉀含量差異不顯著。這與田平等[26]發(fā)現(xiàn)的旋耕秸稈還田可提高耕層土壤有機碳、總氮、總磷含量的結果相似。可能是采樣時間的不同，白和平等[27]發(fā)現(xiàn)秸稈中有機質和礦質元素的釋放隨著作物生長呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢，前期秸稈中營養(yǎng)成分釋放較多，所以各組之間變化較大。

在不同秸稈還田方式下的土壤中共鑒定出土壤線蟲36 屬，秸稈還田增加了土壤線蟲的數(shù)量和種類，與Yin等[28]發(fā)現(xiàn)的秸稈施用可以促進線蟲的繁殖結果相似。本實驗中食細菌類線蟲和捕食-雜食類線蟲的種類增加，而且隨著秸稈還田量的增加捕食-雜食類線蟲數(shù)量有先增加后減少的趨勢，可能是由于隨著秸稈還田量的增加對土壤及其生態(tài)系統(tǒng)的干擾程度增加，從而導致線蟲數(shù)量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，這與Gu 等[29]的研究結果相似。武際等[30]和徐建程等[31]均發(fā)現(xiàn)秸稈的腐解會呈現(xiàn)前期快、后期慢的變化規(guī)律，秸稈還田前期會為土壤微生物提供大量底物，從而使得土壤中細菌和真菌數(shù)量大幅增加。食細菌類線蟲數(shù)量和食真菌類線蟲數(shù)量隨秸稈還田量的增加呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，可能是秸稈的腐解會產生大量的真菌和細菌，從而導致食真菌類線蟲和食細菌類線蟲的數(shù)量呈上升趨勢，這與Hu 等[32]發(fā)現(xiàn)秸稈還田可以增加真菌類線蟲數(shù)量的結果相似。秸稈還田后c-p4、c-p5 類線蟲的相對多度相較G 組有所增加，而D 組稀有類線蟲的多度僅與秸稈50% 還田的處理組差異較大。可能是由于秸稈全部還田對于土壤的擾動較大，導致稀有種類線蟲的數(shù)量發(fā)生變化，但是這種干擾對優(yōu)勢種類線蟲的影響并不明顯。

本實驗中多樣性指數(shù)（H）秸稈不還田處理的G組與秸稈還田的處理組之間有顯著差異，但秸稈還田的各組之間無顯著差異；各組間的豐富度指數(shù)（SR）差異較大，秸稈還田與秸稈不還田之間有顯著差異，秸稈還田的處理中E 組的SR值最高并與其他組之間差異顯著。本實驗中各組的線蟲通道指數(shù)（NCR）均大于0.5，說明本實驗土壤中的有機物質分解是以細菌分解占主要方式。實驗中秸稈不還田處理的NCR值高于秸稈還田處理組，說明秸稈還田有助于增加線蟲的數(shù)量和種類。秸稈還田處理的瓦斯樂斯卡指數(shù)（WI）與秸稈不還田的G處理組有顯著差異，且隨著秸稈還田量的升高呈先上升后下降的趨勢，各還田處理組中秸稈50% 還田的E 組WI值最高，說明秸稈50%還田土壤健康程度最高。自由生活線蟲成熟度指數(shù)（MI）和植物寄生類線蟲成熟度指數(shù)（PPI）適合用來指示短期的強干擾[33]，其中MI值越高表明干擾程度越小，反之干擾程度就越大。本研究中E 組MI值最高，說明在本實驗中E組受到的干擾程度最低。

線蟲的各種營養(yǎng)成分與線蟲的生態(tài)學指數(shù)之間相關性并不顯著，但是與線蟲數(shù)量之間的相關性比較顯著。土壤總氮、有機質、速效磷和速效鉀與線蟲的總數(shù)呈顯著正相關，說明土壤中線蟲數(shù)量的變化是多種營養(yǎng)成分綜合作用而并非單一營養(yǎng)成分作用的結果。這與華萃等[25]所認為的線蟲群落密度主要受有效磷的影響有所不同，可能的原因是土壤性質的差異。有機質和速效鉀含量與食細菌類線蟲和捕食-雜食類線蟲數(shù)量呈顯著正相關。秸稈還田后秸稈中養(yǎng)分釋放速率鉀最高，釋放量碳最高[34]，可能是秸稈還田后土壤有機質和速效鉀含量的大量增加使得線蟲的食物來源更加豐富，進而導致線蟲數(shù)量增加。

秸稈還田通過改變土壤線蟲的數(shù)量和種類，從而改變土壤生態(tài)系統(tǒng)的結構，使得土壤生態(tài)系統(tǒng)更加穩(wěn)定和健康。結合以上數(shù)據認為該地秸稈還田以秸稈50%還田更為合理，對土壤的養(yǎng)分積累和土壤生態(tài)系統(tǒng)的健康更有利。

4 結論

（1）不同的秸稈還田方式均可以增加土壤線蟲的種類和數(shù)量，食細菌和真菌類線蟲的數(shù)量會隨著秸稈還田量的增加而增加，但線蟲種類隨秸稈還田量的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，其中秸稈50% 還田線蟲種類最多。

（2）秸稈還田豐富了土壤線蟲的群落結構，提高了土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（3）秸稈50% 還田處理后的土壤抗干擾能力和健康程度最高。