利用土壤線蟲生態指標表征砂姜黑土土壤健康狀況的探討

耿文敬 曹 森 樊 瓊 張 鑫, 齊 俊,4 王曉飛 朱 江 郭肖穎*

(1.安徽農業大學 資源與環境學院，合肥 230036； 2.安徽省農業科學院 農業工程研究所，合肥 230031； 3. 合肥學院 生物食品與環境學院，合肥 230601； 4. 合肥工業大學 資源與環境工程學院，合肥 230009)

土壤是人類賴以生存的重要資源，是農田生態系統的基礎，土壤健康狀況直接關系到環境質量和農產品安全。開展土壤健康評價，對于保障糧食安全和推進土壤可持續發展具有重要的現實意義[1]。目前針對土壤健康狀況的評價方法有多種，較常用的有內梅羅指數法[2]、模糊判別法[3]、灰色聚類法[4]、地質累積指數法[5]等評價法，這些評價方法各有其適用條件，但由于需要人為對評價指標賦權，存在一定主觀判斷上的局限。土壤線蟲是土壤中一類十分活躍的生物，在土壤有機質的分解、營養物質的轉化、養分循環和土壤理化性狀的改善等方面發揮十分重要的作用，在土壤生態鏈中占有重要地位[6]。已有研究表明土壤線蟲的群落組成可以反映土壤的健康狀況、污染狀況、有機物質的輸入狀況及自然和人類的干擾程度等[7-9]。隨著對土壤線蟲生態多樣性研究的深入，土壤線蟲常作為生物多樣性的指示因子，用來評價土壤的健康狀況和農田生態系統的穩定性[10-12]。

砂姜黑土是典型的中低產土壤，結構不良，缺磷少氮，有機質含量低，種植小麥玉米等農作物產量普遍較低[13-14]。施肥是砂姜黑土區域小麥增產的關鍵，其中施用氮肥對小麥增產的貢獻率達到69.4%[15]，施用磷肥平均畝產可增加95.1%[16-17]。目前關于砂姜黑土的研究多集中在研究土壤養分、作物產量、細菌群落等，將土壤線蟲作為指示生物來評價土壤健康狀況的報道尚少[18-19]。因此，本研究基于安徽省農業科學院蒙城砂姜黑土有機肥長期定位試驗基地，擬以土壤線蟲生態指標的變化作為土壤健康的指示因子，分析土壤線蟲數量、營養類群、生態指數的變化與土壤肥力水平的相關性，并進一步關聯作物的產量指標，探討利用土壤線蟲生態指標表征砂姜黑土土壤健康狀況的可行性。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

本研究以安徽省農業科學院蒙城砂姜黑土有機肥長期定位試驗基地為研究對象。該試驗站位于安徽省亳州市蒙城縣馬店村(116°37′ E，33°13′ N)，屬于半濕潤氣候，年平均氣溫16.5 ℃，有效積溫5 479 ℃，年平均降雨量870 mm，年水分蒸發量為1 027 mm，代表黃淮海平原典型的砂姜黑土區。

長期定位試驗開始于1982 年，冬小麥-大豆輪作，多年的長期定位施肥形成了不同肥力等級的穩定土壤環境。試驗設5 個處理(表1)，每個處理4 次重復，共20 個試驗小區，每個試驗小區面積為66.7 m2，小區采用完全隨機區組排列。秸稈含氮5.5 g/kg、碳482 g/kg；豬糞(干基)含氮17 g/kg、碳367 g/kg；牛糞(干基)含氮7.9 g/kg、碳380 g/kg；全部有機肥料和無機肥料于每年小麥種植整地前一次性施入，后茬大豆不施肥[20]。

表1 長期定位試驗施肥處理Table 1 Long-term located experiment fertilization treatment

1.2 土壤樣品采集

2019年采集該基地小麥收獲后不同施肥處理的土壤樣品。土樣采集時采用“S”形五點取樣法，每個試驗小區隨機采集5 個樣點的土壤混合成一個土樣，20 個試驗小區共采集20 份土樣，每個試驗小區采集約500 g土壤。取樣為0～20 cm的耕層土壤，將取好的土樣裝入塑料袋并編號，4 ℃保存備用。

1.3 土壤線蟲提取及鑒定

庶糖離心漂浮法是比較高效常用的土壤線蟲分離法，過程中采用淘洗—過篩—蔗糖梯度密度離心浮選的方法提取[21]。稱取50 g鮮土于離心管中，加約100 mL水并充分混勻，置于離心機內以2 000 r/min 離心5 min，棄掉上清液，加入蔗糖溶液(0.8 g/mL)攪勻，再次以1 000 r/min離心1.5 min，將上清液倒入預先裝水的燒杯里，將燒杯內的液體通過用60、400和500目篩網過篩并用水沖洗，最后將400和500目篩網里的線蟲洗到塑料培養皿中。分離的線蟲經24 h饑餓處理后，用TAF固定液(40%甲醛，7 mL；三乙醇胺，2 mL；蒸餾水，91 mL)固定，在生物顯微鏡下進行計數和線蟲屬的鑒定。每個處理取50 g鮮土分離出全部線蟲，根據土壤含水量換算成100 g干土中的線蟲數量，每個樣品做三次重復。根據線蟲的頭部、尾部的形態學特征和取食特性將其劃分為4 個營養類群：植物寄生線蟲、食細菌線蟲、食真菌線蟲、雜食/捕食線蟲[22]。線蟲的種屬鑒定參見《中國土壤動物檢索圖鑒》[23]。

1.4 線蟲生態學指數度量方法

本研究中采用的線蟲生態學指數有香農多樣性指數、均勻度指數、優勢度指數、植物寄生線蟲成熟度指數、瓦斯樂斯卡指數、線蟲通路指數，計算公式如下：

香農多樣性指數

H′=-∑pilnpi

(1)

均勻度指數

J′=H′/lnS

(2)

優勢度指數

(3)

植物寄生線蟲成熟度指數

PPI=∑vif′i

(4)

瓦斯樂斯卡指數

WI=(BF+FF)/PP

(5)

線蟲通路指數

NCR=BF/(BF+FF)

(6)

式中：pi為第i個分類單元中個體占線蟲總個體數量的比例；S為線蟲分類單元數；vi為根據土壤線蟲在生態演替中的不同生活策略賦予的cp值；f′i為植物寄生線蟲科/屬在線蟲種群中所占的比重；BF、FF和PP分別為食細菌線蟲、食真菌線蟲和植物寄生線蟲的數量。

1.5 土壤理化指標測定

土壤理化性質的測定皆采用常規法：pH，m(水)∶m(土)=2.5∶1，進行酸度計測定；有機質，重鉻酸鉀加熱法；全氮，開氏法；堿解氮，堿解擴散法；硝態氮，紫外分光光度法；全磷，氫氧化鈉堿融-鉬銻抗比色法；有效磷，碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法；全鉀，氫氧化鈉堿融-火焰光度法；速效鉀，乙酸銨浸提-火焰光度法[24]。

1.6 小麥產量測定

2019年小麥收獲期，在每個試驗小區隨機選取5 個樣點，每個樣點收獲1 平方米范圍內的全部小麥脫粒測產。

1.7 數據統計與分析

統計數據采用SPSS 25.0軟件進行方差分析及主成分分析，用 LSD 新復極差法進行顯著性檢驗，圖表采用Microsoft Excel 2010生成。

2 結果與分析

2.1 不同施肥條件下的土壤肥力

2.1.1不同施肥條件下的土壤養分

對砂姜黑土試驗小區的土壤養分進行分析測定，不同施肥處理的土壤養分情況見表2。與CK相比，NPK+PM、NPK+CM提高了土壤pH，而NPK、NPK+S處理與CK相比則顯著降低了土壤pH(P<0.05)。與不施肥相比，牛糞配施、豬糞配施能顯著提高土壤pH，而單施化肥以及秸稈配施處理則顯著降低了土壤pH。與CK相比，NPK、NPK+S、NPK+PM、NPK+CM 4 個施肥處理的土壤有機質、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀含量顯著提高(P<0.05)，其中長期施肥處理的土壤有機質含量與CK相比分別提升了28.95%、53.98%、103.44%和105.55%。NPK+CM、NPK+PM 2個糞肥配施處理的土壤有機質、堿解氮、全磷和有效磷含量與NPK相比有顯著提高(P<0.05)，其中土壤有機質含量較NPK分別提高了32.12%和33.49%。

2.2.2基于主成分分析的土壤肥力

本研究選取pH、有機質、全氮、堿解氮、硝態氮、全磷、有效磷、全鉀和速效鉀9個養分因子，采用主成分分析法對不同施肥處理的土壤肥力水平進行評價，結果見表3。按照主成分分析特征值>1的原則，提取了2個主成分。如表3所示，第1主成分對總方差的貢獻率為65.455%，第2主成分的貢獻為22.070%，累計貢獻率達到87.525%，說明提取的2個主成分基本能反映土壤肥力的信息。由表4因子載荷矩陣可知，第1主成分與有機質、堿解氮、全磷、有效磷、速效鉀正向密切相關，其因子載荷值均大于0.95，表明有機質、堿解氮、全磷、有效磷、速效鉀含量的變化對土壤肥力水平差異起主要影響作用。第2主成分與pH、全鉀正向密切相關(因子載荷值在0.50以上)，這表明土壤pH、全鉀含量也是土壤肥力水平差異的關鍵作用因子。

表3 主成分特征向量及累計貢獻率Table 3 Eigenvectors and cumulative contribution rate principal component

表4 初始因子載荷與成分得分系數矩陣Table 4 The initial factor load and component score coefficient matrix

表5 各土壤肥力指標標準化數據Table 5 Standardized data for soil fertility indicators

表6 土壤肥力等級綜合評價結果Table 6 Comprehensive evaluation of soil fertility grades

2.2 不同施肥條件下的土壤線蟲生態指標

2.2.1不同施肥條件下的土壤線蟲數量

試驗對不同肥力水平的土壤線蟲數量分析結果顯示，線蟲總數范圍為307～787條/100 g干土，不同肥力條件的土壤線蟲總數存在顯著差異(圖1，P<0.05)，其中NPK+S的線蟲總數最多，達到787條/100 g(干土)，CK的線蟲總數最少。與CK相比，NPK、NPK+S、NPK+PM、NPK+CM四個肥力水平相對高的施肥處理線蟲總數顯著高于不施肥處理，表明提高土壤肥力能夠顯著增加土壤線蟲總數。與單施化肥相比，有機無機肥配施NPK+S、NPK+PM、NPK+CM的線蟲總數顯著提高，表明長期有機無機肥配施處理的土壤線蟲總數顯著高于單施化肥處理。有機無機肥配施處理中，NPK+PM、NPK+CM的土壤線蟲總數顯著低于NPK+S，表明長期秸稈配施處理對線蟲總數的提高效果優于豬糞配施和牛糞配施。

土壤線蟲總數由大到小依次是NPK+S>NPK+CM>NPK+PM>NPK>CK，可以發現肥力水平相對較低的NPK+S線蟲總數高于NPK+CM和NPK+PM，這與土壤肥力水平的變化趨勢并不一致。可能是由于土壤線蟲總數包含了植物寄生類線蟲、食細菌類線蟲、食真菌類線蟲和雜食-捕食類線蟲4 個營養類群，其中植物寄生線蟲以作物根系為食，是對作物生長有害的一類線蟲，其所占比例的增加并不能提高土壤的健康水平[25]。因而，利用土壤線蟲數量指示土壤健康狀況具有一定的局限性。

圖1 不同肥力水平對土壤線蟲數量的影響Fig.1 Effects of different fertility levels on the number of soil nematodes

2.2.2不同施肥條件下的土壤線蟲營養類群

對土壤線蟲營養類群的分析結果見表7，試驗共鑒定出20 個屬線蟲，其中，CK鑒定出16 屬，NPK鑒定出15 屬，NPK+S鑒定出19 屬，NPK+PM鑒定出18 屬，NPK+CM鑒定出18 屬。與CK相比，有機無機肥配施處理NPK+S、NPK+PM、NPK+CM明顯增加了線蟲屬的數量，由于有機無機肥配施處理的土壤肥力顯著高于不施肥處理，因此可以說明提高土壤肥力能增加砂姜黑土土壤線蟲屬的數量。所有土壤肥力條件的優勢屬線蟲共有5 種，分別為螺旋屬、矮化屬、短體屬、絲尾墊刃屬、真頭葉屬。CK、NPK、NPK+S處理優勢屬主要是螺旋屬、矮化屬、短體屬和絲尾墊刃屬等對土壤健康有害的植物寄生線蟲屬，而土壤肥力較高的糞肥配施處理NPK+PM、NPK+CM則出現真頭葉屬一類的食細菌線蟲成為優勢屬。NPK+PM、NPK+CM處理的植物寄生線蟲的相對豐度顯著低于CK、NPK、NPK+S處理，與CK相比，NPK+PM、NPK+CM處理的植物寄生線蟲相對豐度分別下降28.38%、35.45%。由于植物寄生線蟲一般以取食植物為生，因此NPK+PM、NPK+CM處理比CK土壤更有利于作物生長，可能因為豬糞配施和牛糞配施抑制了植物寄生線蟲的發生，增加了食細菌性線蟲的相對豐度[26]。劉艷軍等[27]的研究結果同樣表明長期有機無機肥配施不僅大大提高了土壤中食細菌線蟲的相對豐度，而且能明顯降低植物寄生線蟲的數量，對土壤植物寄生線蟲的多樣性也有明顯的抑制作用，有利于土壤發育和作物生長。

2.2.3不同施肥條件下的土壤線蟲生態指數

由表8可見不同肥力條件下的香農多樣性指數(H′)的大小在2.00～2.51，均勻度指數(J′)的大小在0.67～0.85，瓦斯樂斯卡指數(WI)的大小在0.18～0.61。NPK+PM的H′值、J′值和WI值最大，CK最小。土壤肥力水平較高的長期施肥處理香農多樣性指數(H′)、均勻度指數(J′)和瓦斯樂斯卡指數(WI)較CK顯著提高(P<0.05)。與NPK相比，NPK+PM和NPK+CM的H′值、J′值和WI值顯著提高(P<0.05)。NPK+S與NPK的H′值、J′值和WI值差異不顯著，NPK+PM和NPK+CM之間H′值、J′值和WI值差異不顯著。

NPK、NPK+S的優勢度指數(λ)比不施肥略有降低，但差異不顯著。NPK+PM、NPK+CM的優勢度指數(λ)較CK顯著降低(P<0.05)，NPK+PM和NPK+CM的λ值差異不顯著。本試驗中，所有肥力水平的線蟲通路指數(NCR)在0.77～0.88，表明試驗中土壤有機質分解過程主要以細菌分解為主。

表7 不同類群的土壤線蟲的平均豐度和所占比例Table 7 Average abundance and proportion of soil nematodes of different groups

表8 不同施肥處理的土壤線蟲生態指數Table 8 Ecological index of soil nematodes under different fertilization treatments

植物寄生線蟲成熟度指數(PPI)在長期施肥和不施肥之間差異顯著(P<0.05)，其中NPK、NPK+S、NPK+PM、NPK+CM的PPI值顯著低于CK。有機無機肥配施處理中，NPK+S的PPI值顯著高于NPK(P<0.05)，而NPK+PM、NPK+CM的PPI值顯著低于NPK(P<0.05)。

2.2.4不同肥力水平的小麥產量及構成

為了進一步證明土壤線蟲生態指標表征土壤健康狀況的可行性，本試驗在小麥成熟期進行了測產，結果如圖2所示。結果表明，通過30 多年的定位施肥，肥力水平相對較高的施肥處理NPK、NPK+S、NPK+PM、NPK+CM，其小麥千粒重、每平方米穗數、穗粒數以及產量都遠遠高于CK。圖2(d)可以看出，不同長期施肥處理的小麥產量存在顯著差異，小麥產量表現為NPK+CM>NPK+PM>NPK+S>NPK>CK，NPK、NPK+S、NPK+PM、NPK+CM的產量較CK分別提升了337.87%、396.14%、495.43%和534.24%，表明隨著土壤肥力水平的提高，砂姜黑土作物產量顯著增加。有機無機肥配施NPK+S、NPK+CM、NPK+PM比NPK對作物產量提升的幅度更大，表明有機無機肥配施是砂姜黑土作物產量提升的重要途徑。有機無機肥配施處理中NPK+CM對小麥產量提升的效果最好，其次是NPK+PM，NPK+PM效果優于NPK+S。

圖2 不同肥力水平的小麥產量及構成因素Fig.2 Wheat yield and composition factors under different fertility levels

2.3 土壤線蟲生態指標與土壤肥力和小麥產量及構成的相關性分析

為探討土壤線蟲生態指標的變化與土壤肥力水平、小麥產量及構成的關系，將上述所做土壤肥力指標、小麥產量及構成指標與土壤線蟲生態指標做了相關性分析。Spearman相關性分析結果如表9 所示，可以發現，土壤肥力綜合得分IFI與植物寄生線蟲數量、食細菌線蟲數量、雜食/捕食線蟲數量顯著正相關，與土壤線蟲生態指數WI、H′、J′值顯著正相關，與PPI和λ值顯著負相關。小麥千粒重與食細菌線蟲數量、WI、H′、J′值顯著正相關，與植物寄生線蟲數量、PPI、λ值顯著負相關。小麥產量與H′、J′值顯著正相關，與λ值顯著負相關。結果表明，IFI、小麥產量與土壤線蟲生態指標之間具有顯著的相關性，土壤線蟲生態指標的變化與土壤肥力水平的差異具有一致性。

3 討 論

土壤肥力是土壤供給作物生長所需養分的能力，其核心是土壤中各種養分的含量。土壤養分含量與土壤肥力的高低密切相關[28]。作物生長需要持續從土壤中帶走一部分養分，不對土壤做施肥處理會持續降低土壤的養分含量，即降低土壤肥力水平[29]。毛偉等[30]研究有機氮替代對土壤養分的影響發現施肥處理能顯著增加土壤肥力，提高土壤有效養分的含量。鄒文秀等[31]研究發現長期施有機肥能顯著提高土壤肥力，增加土壤有機碳、全氮、全磷、堿解氮、速效磷和速效鉀的含量。本研究中，長期不同施肥處理的土壤肥力也不同，肥力水平由高到低的順序是：豬糞配施>牛糞配施>秸稈配施>單施化肥>不施肥，與江春等的研究結果一致[29]。

表9 土壤線蟲生態指標與土壤肥力條件和小麥產量及構成的相關性Table 9 Correlation of soil nematode ecological index with soil fertility conditions and wheat yield and composition

土壤健康狀況與土壤中各種養分的含量密切相關，土壤肥力的變化會直接或間接影響土壤線蟲群落結構，通過改變土壤線蟲的生態指標來表征土壤的健康狀況[32-34]。本試驗中，隨著土壤肥力水平的提高，線蟲香農多樣性指數(H′)、均勻度指數(J′)和瓦斯樂斯卡指數(WI)顯著提高，植物寄生線蟲成熟度指數(PPI)顯著降低，表明肥力水平的提高能夠增加土壤線蟲的物種多樣性和種群分布的均勻性，增強土壤線蟲群落結構的穩定性，同時能夠降低土壤中植物寄生線蟲的比例，使土壤生態系統向穩定健康的方向發展。上述結果與任宏飛等[35]研究結果一致，說明采用土壤線蟲生態指數表征砂姜黑土的土壤健康狀況是可行的。

因為試驗是砂姜黑土在長期定位下不同施肥處理的條件下進行，因此，土壤肥力水平與土壤線蟲生態指標的變化與施肥處理密切相關。有機肥和無機肥配施處理的條件下，豬糞配施和牛糞配施處理的線蟲香農多樣性指數(H′)、均勻度指數(J′)和瓦斯樂斯卡指數(WI)較單施化肥均顯著提高，植物寄生線蟲成熟度指數(PPI)較單施化肥顯著降低，這與土壤肥力水平所表現的趨勢一致，表明肥力水平相對較高的豬糞配施和牛糞配施處理對土壤線蟲的生物多樣性更好，更能優化土壤線蟲的群落結構，并且能降低有害的植物寄生線蟲線蟲的比例，這與前人的研究結果相一致[36-38]。因此，采用香農多樣性指數(H′)、均勻度指數(J′)、瓦斯樂斯卡指數(WI)和植物寄生線蟲成熟度指數(PPI)可以表征砂姜黑土的土壤健康狀況。

土壤線蟲生態指標的變化與土壤肥力水平密切相關，土壤肥力水平直接的表達就是地上部分作物的產量高低[39-40]。本研究發現，土壤肥力水平相對較高的長期施肥處理，其土壤有機質、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀含量明顯增加，小麥千粒重、每株穗數、穗粒數以及產量都遠遠高于肥力水平最低的不施肥處理，表明土壤肥力水平是影響小麥產量高低的重要因素[41]。

土壤線蟲群落結構的變化與地上作物產量的形成顯著相關[42-43]。該觀點在本研究中得到證實。本研究發現：隨著土壤肥力水平的提高，線蟲香農多樣性指數(H′)、均勻度指數(J′)和瓦斯樂斯卡指數(WI)顯著提高，植物寄生線蟲成熟度指數(PPI)顯著降低，土壤健康狀況逐漸變好，小麥產量會隨之逐漸增加；Spearman相關性分析結果顯示，土壤線蟲生態指標與土壤肥力和小麥產量及其構成之間具有顯著相關性，其中土壤肥力綜合評分IFI和小麥產量都與土壤線蟲生態指標WI、H′、J′值顯著正相關，與PPI值顯著負相關。進一步說明采用香農多樣性指數(H′)、均勻度指數(J′)、瓦斯樂斯卡指數(WI)和植物寄生線蟲成熟度指數(PPI)可以表征出砂姜黑土的土壤健康狀況。

4 結 論

1)長期不同施肥處理后的土壤肥力等級由高到低依次是：NPK+CM>NPK+PM>NPK+S>NPK>CK。其中，糞肥配施處理NPK+CM和NPK+PM的土壤肥力水平最高，秸稈配施NPK+S土壤肥力水平次之，單施化肥NPK肥力水平低于秸稈配施，不施肥處理CK肥力最低。

2)土壤線蟲生態指標與土壤肥力水平和小麥產量密切相關。隨著土壤肥力水平的提高，線蟲香農多樣性指數(H′)、均勻度指數(J′)和瓦斯樂斯卡指數(WI)顯著提高，植物寄生線蟲成熟度指數(PPI)顯著降低，土壤健康狀況顯著提高。此時，NPK、NPK+S、NPK+PM、NPK+CM的產量較CK分別提升了337.87%、396.14%、495.43%和534.24%，因此采用香農多樣性指數(H′)、均勻度指數(J′)、瓦斯樂斯卡指數(WI)和植物寄生線蟲成熟度指數(PPI)來表征砂姜黑土的土壤健康狀況具有一定的可行性。

致謝

感謝安徽省農業科學院土壤肥料研究所提供的長期定位試驗基地，感謝王道中老師、花可可老師在試驗選點和樣品采集中給予的幫助和支持。