有機(jī)栽培模式下棉田節(jié)肢動(dòng)物多樣性分析

楊亞珍，鐘肖，夏鵬亮，馮佩，馬琪琪，張建民，王香萍，朱建強(qiáng)

1.長江大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖北 荊州 434025 2.湖北省煙草公司恩施州公司，湖北 恩施 445000

土壤動(dòng)物是指其生活中有一段時(shí)間定期在土壤中度過、 對(duì)土壤有一定影響的動(dòng)物，包括原生動(dòng)物、扁形動(dòng)物、線形動(dòng)物、軟體動(dòng)物、緩步動(dòng)物、環(huán)節(jié)動(dòng)物和節(jié)肢動(dòng)物等[1]。其中，節(jié)肢動(dòng)物在土壤中數(shù)量最大、分布較最廣、適應(yīng)性最強(qiáng)[2]。在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，土壤節(jié)肢動(dòng)物是土壤中不可缺少的重要組成部分，對(duì)土壤的形成發(fā)育及土壤能量的遷移轉(zhuǎn)化發(fā)揮重要作用[3]。同時(shí)，土壤節(jié)肢動(dòng)物亦在改善土壤理化性質(zhì)、促進(jìn)物質(zhì)循環(huán)等方面扮演著關(guān)鍵角色[4,5]。一般來說，土壤節(jié)肢動(dòng)物能粉碎植物殘?bào)w，其取食和土壤中的上下移動(dòng)能獲得耕耘效果[6，7]，而土壤節(jié)肢動(dòng)物群落組成和多樣性受制于土壤孔隙、顆粒、水分、溫度以及有機(jī)質(zhì)等理化性質(zhì)和地表微生境空間資源變異等[8,9]。農(nóng)事操作，特別是農(nóng)業(yè)肥料以及農(nóng)藥的噴施，會(huì)造成農(nóng)業(yè)土壤環(huán)境的變化，這些外界干擾均會(huì)在不同程度上影響土壤節(jié)肢動(dòng)物群落的多樣性變化[10-13]。無機(jī)農(nóng)藥和肥料的噴施可能削弱土壤生態(tài)功能，也可能影響與其相關(guān)聯(lián)的生態(tài)系統(tǒng)功能[14-16]，造成生物鏈的破壞甚至引起害蟲大爆發(fā)而導(dǎo)致作物減產(chǎn)。

棉花是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物，是關(guān)系著國計(jì)民生的重要戰(zhàn)略物資。在棉花耕地面積不斷縮減卻要保證棉花產(chǎn)量和品質(zhì)的背景下，積極開展棉花安全生產(chǎn)研究顯得尤為重要[17]。棉田環(huán)境是以棉花為中心，且受人為活動(dòng)干擾的多種害蟲、天敵共存的一個(gè)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)[18]。棉田中土壤節(jié)肢動(dòng)物的活動(dòng)關(guān)系著棉田土壤有機(jī)質(zhì)的形成和植物殘留物分解及土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化[19]，其類群數(shù)、個(gè)體密度、多樣性指數(shù)等群落結(jié)構(gòu)特征可作為反映棉田土壤環(huán)境質(zhì)量狀況和棉田生態(tài)系統(tǒng)變化的量化指標(biāo)[20,21]。在不同栽培模式下，棉田土壤節(jié)肢動(dòng)物多樣性越高，則代表其群落穩(wěn)定性越高，對(duì)外部環(huán)境影響的抵抗能力相應(yīng)越強(qiáng)，相反則越弱[22]。有機(jī)農(nóng)業(yè)是采用一系列可持續(xù)發(fā)展的農(nóng)業(yè)技術(shù)以維持持續(xù)穩(wěn)定的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系的一種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，注重環(huán)境保護(hù)和安全，禁止施用化學(xué)農(nóng)藥[23]。因此，對(duì)有機(jī)栽培模式棉田與常規(guī)栽培模式棉田土壤節(jié)肢動(dòng)物多樣性進(jìn)行調(diào)查，對(duì)于了解棉田土壤節(jié)肢動(dòng)物在不同農(nóng)業(yè)栽培模式下的群落演替與組成結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律以及害蟲防治具有重要意義[24]。目前，有機(jī)栽培模式棉田土壤節(jié)肢動(dòng)物多樣性及發(fā)生動(dòng)態(tài)研究相對(duì)較少[25]。因此，積極開展有機(jī)栽培模式棉田土壤節(jié)肢動(dòng)物多樣性研究可為棉田中害蟲防治和益蟲利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究于2017年在武漢博茂有機(jī)農(nóng)業(yè)生態(tài)示范基地試驗(yàn)點(diǎn)和孝感安陸市有機(jī)種植示范點(diǎn)進(jìn)行。

武漢博茂試驗(yàn)點(diǎn)位于武漢蔡甸區(qū)侏儒山街軍山外垸，地處沉湖集水區(qū)。該試驗(yàn)區(qū)屬北、中亞熱帶過渡性季風(fēng)氣候，具有熱豐、水富、光足的氣候特征。年降水量1100～1450mm。無霜期 253d，區(qū)內(nèi)日照較充足，日照時(shí)數(shù)2111.8h/a，光能輻射470.5kJ/cm2，均集中于春、夏、秋三季，具有明顯的溫光同季的特點(diǎn)。年平均氣溫為 16.5℃，其中春季月平均為16℃，夏季27.6℃，秋季 7.5℃，冬季4.8℃。該地區(qū)土壤類型為潮土，成土母質(zhì)為湖積土。

孝感安陸試驗(yàn)點(diǎn)位于安陸市王義貞鎮(zhèn)朱橋村，試驗(yàn)區(qū)地處桐柏山、大洪山余脈的丘陵與江漢平原北部交匯地帶，地勢(shì)北高南低，地貌類型為丘陵崗地。氣候特征為春秋短、冬夏長，四季分明，夏季炎熱多雨。年平均降水量1100mm，年平均氣溫為16.0℃，一月份平均氣溫為2.8℃，七月份平均氣溫為26.1℃，無霜期250多天。該地區(qū)耕地為頁巖母質(zhì)上發(fā)育的紫色粉砂質(zhì)土壤。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤節(jié)肢動(dòng)物調(diào)查方法

棉花出苗(2017年4月20)至吐絮結(jié)鈴期在武漢博茂和孝感安陸2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)查，每個(gè)試驗(yàn)地點(diǎn)分別作2個(gè)處理：常規(guī)栽培棉田(當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)栽培種植方式)和有機(jī)栽培棉田(嚴(yán)格按照有機(jī)栽培模式種植)，分別簡(jiǎn)稱為武漢有機(jī)棉田、武漢常規(guī)棉田、孝感有機(jī)棉田、孝感常規(guī)棉田。每月調(diào)查1次，共取樣6次。

1.2.2 土壤節(jié)肢動(dòng)物取樣和分離方法

試驗(yàn)棉花株距0.26～0.30m,行距0.80m。每個(gè)處理隨機(jī)選取3個(gè)田間調(diào)查樣點(diǎn)進(jìn)行土樣采集，采集土樣時(shí)保持每樣方長×寬×深為20cm×20cm×10cm。先對(duì)土壤中大型節(jié)肢動(dòng)物進(jìn)行調(diào)查，然后采用自制的高50cm、直徑40cm、底部為圓錐形的漏斗狀裝置在高溫下分離土壤中的小型節(jié)肢動(dòng)物，分離完畢依據(jù)文獻(xiàn)[26]進(jìn)行鏡檢鑒定。

1.2.3 指數(shù)計(jì)算

采用物種個(gè)體總數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)和優(yōu)勢(shì)集中性指數(shù)分析昆蟲群落的多樣性。各指數(shù)按照文獻(xiàn)[21]的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。

采用DPS 9.50 和Excel 2013軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，圖表制作使用Sigma Plot 10.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同栽培模式對(duì)土壤節(jié)肢動(dòng)物類群的影響

2017年4月至9月分別在2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)對(duì)有機(jī)栽培模式和常規(guī)栽培模式棉田進(jìn)行土壤取樣調(diào)查，調(diào)查結(jié)果顯示：在武漢博茂試驗(yàn)點(diǎn)有機(jī)栽培模式下捕獲土壤節(jié)肢動(dòng)物5699頭，常規(guī)栽培模式下捕獲土壤節(jié)肢動(dòng)物3462頭；在孝感安陸試驗(yàn)點(diǎn)有機(jī)栽培模式下捕獲土壤節(jié)肢動(dòng)物2374頭，孝感安陸試驗(yàn)點(diǎn)常規(guī)栽培模式下捕獲土壤節(jié)肢動(dòng)物2298頭。兩地共捕獲土壤節(jié)肢動(dòng)物共計(jì)13833頭，隸屬8綱18目26科(見表1)，其中記錄的科不包括蛛形綱寄螨目和真螨目下屬科以及彈尾目下的跳蟲中各個(gè)科。

表1 不同栽培模式棉田土壤節(jié)肢動(dòng)物捕獲數(shù)量和比例Table 1 Number and proportion of soil arthropods caught in cotton fields under different cultivation modes

注;表中占比數(shù)據(jù)為每地捕獲該類土壤節(jié)肢動(dòng)物的總量與占當(dāng)?shù)乜偛东@量的比例。

所捕獲的土壤節(jié)肢動(dòng)物中彈尾目、真螨目、寄螨目均為不同栽培模式下的優(yōu)勢(shì)類群，分別占捕獲土壤節(jié)肢動(dòng)物總量的54.17%、27.78%和12.06%。但常見類群在不同的種植模式下種類和數(shù)目均不相同。在武漢博茂試驗(yàn)點(diǎn)有機(jī)栽培模式下只有蟻科為常見種類，占該模式總體個(gè)數(shù)的1.01%；在武漢博茂試驗(yàn)點(diǎn)常規(guī)栽培模式下也僅有1種常見種，為綜合目么蚰科，占該栽培模式下總個(gè)體數(shù)的1.21%；在孝感安陸試驗(yàn)點(diǎn)有機(jī)栽培模式下的常見種為隱翅甲科、蟻科、蝽幼蟲以及鞘翅目幼蟲(包括金龜子科幼蟲，瓢甲科幼蟲，步甲科幼蟲等)，其在該模式下占總個(gè)體數(shù)的比例均大于1.0%；在孝感安陸試驗(yàn)點(diǎn)常規(guī)栽培模式下的常見類群為蟻科以及隸屬寡毛綱的蚯蚓科，分別占該樣點(diǎn)總個(gè)體數(shù)的0.98%和2.22%。蟻科在兩地不同栽培模式下都為常規(guī)類群(見表2)。

表2 不同栽培模式棉田的土壤動(dòng)物類群組成Table 2 Composition of soil invertebrate communities under different cultivation modes

從稀有類群來看，在武漢博茂試驗(yàn)點(diǎn)有機(jī)栽培模式中稀有類群有22科，其中瓢甲科、蟋蟀科、金龜子科、葉蟬科同時(shí)也是該模式下獨(dú)有類群；在武漢博茂試驗(yàn)點(diǎn)常規(guī)栽培模式中稀有類群有17科，其中姬蜂科同時(shí)也是該模式下獨(dú)有類群；在孝感安陸試驗(yàn)點(diǎn)常規(guī)栽培模式下的稀有類群有19科，其中石蜈蚣科、潮蟲科同時(shí)也為其獨(dú)有類群；在孝感安陸試驗(yàn)點(diǎn)有機(jī)栽培模式下的稀有類群有18科，其中埋葬甲科和雙翅目幼蟲同時(shí)也為其獨(dú)有類群。

從兩地土壤節(jié)肢動(dòng)物的捕獲量來看，孝感安陸試驗(yàn)點(diǎn)的紫色粉砂質(zhì)土壤與武漢博茂試驗(yàn)點(diǎn)的湖積土相比，湖積土土壤節(jié)肢動(dòng)物類群和數(shù)量明顯大于紫色粉砂質(zhì)土壤中的土壤節(jié)肢動(dòng)物的類群和數(shù)量，表明湖積土類型土壤與紫色粉砂質(zhì)土壤相比可能更適宜土壤節(jié)肢動(dòng)物的生存和繁衍。兩地有機(jī)栽培模式土壤節(jié)肢動(dòng)物捕獲數(shù)大于其常規(guī)栽培模式且在類群數(shù)上占一定優(yōu)勢(shì)。

2.2 不同栽培模式對(duì)棉田土壤節(jié)肢動(dòng)物多樣性影響

武漢博茂試驗(yàn)點(diǎn)2種栽培模式的土壤節(jié)肢動(dòng)物在Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)和優(yōu)勢(shì)集中性指數(shù)上均無明顯差異，有機(jī)栽培模式對(duì)武漢博茂試驗(yàn)點(diǎn)土壤節(jié)肢動(dòng)物的群落復(fù)雜性、分布均勻度和種群優(yōu)勢(shì)種影響不大(見圖1)。孝感安陸試驗(yàn)點(diǎn)2種栽培模式的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)和優(yōu)勢(shì)集中性指數(shù)與武漢博茂試驗(yàn)點(diǎn)類似(見圖2)，其間并無顯著差異，表明有機(jī)栽培棉田和常規(guī)栽培棉田中的農(nóng)事操作對(duì)土壤節(jié)肢動(dòng)物的分布及優(yōu)勢(shì)種類群影響不明顯。

圖1 武漢博茂試驗(yàn)點(diǎn)棉田土壤節(jié)肢動(dòng)物多樣性 圖2 孝感安陸試驗(yàn)點(diǎn)棉田土壤節(jié)肢動(dòng)物多樣性Fig.1 Soil arthropod diversity in cotton fields at Wuhan Fig.2 Soil arthropod diversity in cotton fields at Xiaogan Bomao experimental site Anlu experimental site

表3 不同栽培模式棉田土壤中各群落節(jié)肢動(dòng)物科數(shù) Table 3 The number of arthropod families in different communities in cotton field soil under different cultivation modes

2.3 不同栽培模式對(duì)棉田土壤節(jié)肢動(dòng)物常見群落的影響

比較分析棉田捕獲節(jié)肢動(dòng)物所屬科數(shù)，發(fā)現(xiàn)兩地捕獲節(jié)肢動(dòng)物的昆蟲群落、害蟲亞群落和天敵亞群落在科數(shù)上并無顯著性差異，但棉田有機(jī)栽培模式下，各個(gè)群落的科數(shù)平均數(shù)相對(duì)常規(guī)栽培模式較高(見表3)。

2.4 不同栽培模式對(duì)棉田土壤節(jié)肢動(dòng)物發(fā)生動(dòng)態(tài)的影響

圖3 土壤節(jié)肢動(dòng)物不同月份數(shù)目動(dòng)態(tài)變化Fig.3 The dynamic change of soil arthropod number in different months

對(duì)棉田土壤節(jié)肢動(dòng)物數(shù)目進(jìn)行了整合(見圖3)，土壤節(jié)肢動(dòng)物自4月份開始到6月份呈現(xiàn)明顯上升的趨勢(shì)，在7月份開始捕獲土壤節(jié)肢動(dòng)物數(shù)目開始減少，可能是因?yàn)樵谔鞖鉁睾偷?到6月份土壤節(jié)肢動(dòng)物隨溫度開始向土壤淺層移動(dòng)，數(shù)量逐步增多。而7月份之后高溫天氣增多，土壤節(jié)肢動(dòng)物受到高溫影響又開始向深層土壤移動(dòng)以躲避高溫。

3 結(jié)論與討論

1)土壤節(jié)肢動(dòng)物多樣性調(diào)查時(shí)間從2017年4月持續(xù)到9月上旬。共捕獲土壤節(jié)肢動(dòng)物13833頭，隸屬8綱18目26科(不包括寄螨目、真螨目和彈尾目中的各個(gè)科)。其中武漢博茂試驗(yàn)點(diǎn)和孝感安陸試驗(yàn)點(diǎn)的有機(jī)栽培模式棉田分別捕獲5699頭和2374頭，其常規(guī)栽培模式分別捕獲3462頭和2298頭。調(diào)查結(jié)果表明，在2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)不同栽培模式下均以彈尾目、真螨目和寄螨目為優(yōu)勢(shì)類群，與黃淮平原和吉林黑土區(qū)土壤優(yōu)勢(shì)類群研究結(jié)果類似[6,27]。

2)武漢博茂試驗(yàn)點(diǎn)和孝感安陸試驗(yàn)點(diǎn)兩地的土質(zhì)分別為湖積土和紫色粉砂質(zhì)土壤。從獲取的土壤節(jié)肢動(dòng)物的總個(gè)體數(shù)和總類群數(shù)來看，武漢博茂試驗(yàn)點(diǎn)塊狀的湖積土中捕獲的土壤節(jié)肢動(dòng)物數(shù)顯著高于孝感安陸試驗(yàn)點(diǎn)的捕獲數(shù)，可能由于塊狀湖積土有較大的孔隙空間供土壤節(jié)肢動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)和繁衍，而片層狀的紫色粉砂質(zhì)土壤間隙較小可能不利于土壤節(jié)肢動(dòng)物的上下遷移，在一定程度上影響了其取食和躲避天敵災(zāi)害等，因而其土壤節(jié)肢動(dòng)物的生物量相對(duì)較少。

3)從不同的栽培模式節(jié)肢動(dòng)物捕獲量來看，有機(jī)栽培模式下棉田土壤節(jié)肢動(dòng)物類群數(shù)相對(duì)于常規(guī)栽培模式下棉田土壤節(jié)肢動(dòng)物類群數(shù)較多，且其個(gè)體密度也較大，表明常規(guī)栽培模式的農(nóng)事操作可能會(huì)對(duì)土壤節(jié)肢動(dòng)物的種群數(shù)和個(gè)體密度造成影響，因而使土壤節(jié)肢動(dòng)物類群數(shù)和個(gè)體數(shù)較有機(jī)栽培模式少。同時(shí)，有機(jī)栽培模式下的稀有類群數(shù)與獨(dú)有類群較常規(guī)栽培模式多，可能是由于有機(jī)栽培模式較常規(guī)栽培模式有更好的小環(huán)境，更適合中小型動(dòng)物生存。但2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的2種栽培模式的土壤節(jié)肢動(dòng)物在Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)和優(yōu)勢(shì)集中性指數(shù)上并沒有表現(xiàn)出明顯差異。

4)2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)在所捕獲土壤節(jié)肢動(dòng)物的科數(shù)上也無顯著差異。但有機(jī)栽培模式在天敵亞群落的科數(shù)上都較常規(guī)模式高，雖然害蟲亞群落科數(shù)也相應(yīng)升高，但也表明在棉田有機(jī)栽培模式下土壤節(jié)肢動(dòng)物相對(duì)于棉田常規(guī)栽培模式土壤節(jié)肢動(dòng)物可能有更好的營養(yǎng)級(jí)聯(lián)，這可能是由于棉田常規(guī)栽培模式對(duì)棉花植株上的節(jié)肢動(dòng)物造成影響較大,導(dǎo)致土壤節(jié)肢動(dòng)物相關(guān)的食物網(wǎng)級(jí)聯(lián)減弱。

5)從不同月份捕獲量動(dòng)態(tài)來看，土壤節(jié)肢動(dòng)物在不同月份捕獲量存在差異，在6月份捕獲量普遍最高，季節(jié)變化也可能是影響到土壤節(jié)肢動(dòng)物多樣性的一個(gè)重要因素，土壤節(jié)肢動(dòng)物隨著季節(jié)的變化而變化，即氣溫變化可能會(huì)影響土壤節(jié)肢動(dòng)物在土壤中的上移和下遷。初春時(shí)，土壤溫度還未完全回升，土壤節(jié)肢動(dòng)物可能生活在較下層的土壤中；春季及春夏交替的較適宜氣候條件下，土壤節(jié)肢動(dòng)物繁衍迅速并開始向土壤表面遷移；而高溫的盛夏其數(shù)量明顯下降，究其原因可能是由于土壤節(jié)肢動(dòng)物躲避高溫而向下遷移所造成的。