石灰性旱地土壤施用生物質炭對土壤節肢動物群落的影響①

唐 靜，鄧承佳，袁 訪，宋理洪，陳祖擁，胡 燕，葉蘋蘋

石灰性旱地土壤施用生物質炭對土壤節肢動物群落的影響①

唐 靜，鄧承佳，袁 訪，宋理洪*，陳祖擁，胡 燕，葉蘋蘋

(貴州大學農學院，貴陽 550025)

為探討玉米秸稈生物質炭不同施用量對土壤節肢動物群落結構的影響，于2019年5—10月分別對0、5、10、20和50 t/hm2生物質炭處理下的貴州石灰性旱地農田土壤小型土壤節肢動物群落進行調查，并探討土壤節肢動物群落與土壤溫度、濕度、pH、電導率和有機碳等環境因子的關系。本研究共捕獲土壤節肢動物14 133頭，隸屬于6綱21類群。研究表明：適量生物質炭添加(10 t/hm2)有助于提高土壤節肢動物個體數和類群數，高量施用(50 t/hm2)則不利于土壤節肢動物生存；典范對應分析結果顯示，生物質炭施用導致環境因子的變化顯著影響了土壤節肢動物群落結構(共解釋了24.81% 的物種變異，<0.01)，其中溫度的影響最大，單獨解釋了物種變異的16.1%。總體上，施用生物質炭影響土壤微環境，進而影響土壤節肢動物群落組成和多樣性，施用適量生物質炭(10 t/hm2)有益于農田土壤節肢動物的生存，但這一結論還需要在其他土壤類型和生物質炭中進行驗證。

生物質炭；土壤節肢動物；多樣性特征；堿性土

生物質炭是生物質材料在缺氧條件下高溫熱解炭化而成的富含碳且性能穩定的固體產物，具有孔隙多、比表面積大和吸附能力強等特點[1-2]。大量研究結果表明，生物質炭具有改善土壤理化性質、提高土壤肥力[3-4]、促進植物生長[4]、提高作物產量[5]和改善農田生態環境的效應。其可能的機理主要有：生物質炭本身含有的養分的輸入[3]；生物質炭具有較高的陽離子交換量從而增加對土壤養分的吸附[6-7]；通過對微生物群落及其活性的影響提高土壤氮、磷和鉀等養分元素的含量[2,8]。

土壤動物是農田生態系統物質循環、能量流動和信息傳遞的重要參與者，其行為活動能夠改善土壤結構、加快有機質轉化、促進植物對養分的吸收，同時可以修復受污染土壤或緩解土壤退化等[9]。目前國內外學者已廣泛開展生物質炭對土壤生物區系影響的研究，但多集中在土壤微生物豐度和活性方面，關于對土壤動物群落影響的研究較少[2]。對土壤動物群落的研究又多集中于蚯蚓室內毒理控制試驗[10-12]，探討生物質炭對其生長、繁殖和行為活動等毒性的影響。農田生態系統中，生物質炭可吸附有機農藥和重金屬離子等有害物質，降低其生物有效性，有利于土壤生物的生存[3]。研究表明生物質炭施用于農田可以有效地降低蚯蚓對化學農藥的生物富集，從而增加土壤中蚯蚓的數量[13]；但同時蚯蚓也會因為取食含有毒物質的生物質炭而受到毒害[14-15]。

生物質炭對土壤動物群落的影響，其作用途徑主要包括：生物質炭自身特性的差異對土壤動物群落造成直接影響；生物質炭施用后改變土壤物理、化學和生物學特性等環境間接影響土壤動物群落[16]。生物質炭對土壤動物影響具體表現為，低量添加促進土壤動物的生長繁殖和行為活動，若施炭量過高則會對土壤動物產生毒害作用[16-19]。本研究在貴州典型分布的石灰性土壤中，開展生物質炭施用對農田土壤節肢動物群落的影響，并提出如下假設：①土壤節肢動物數量隨施炭量的增加先升高再降低；②生物質炭施用導致土壤pH的改變是影響土壤節肢動物群落結構最主要的環境因子。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于貴州大學農學院試驗場(106°31′E，26°30′N)，屬于亞熱帶季風性濕潤氣候，年平均氣溫14.9℃，年平均降雨量1 200 mm。試驗區土壤為貴州廣泛分布的石灰土，pH為8.16，有機質含量為12.19 g/kg。

1.2 試驗設計

在試驗區內，按5 t/hm2(B5)、10 t/hm2(B10)、20 t/hm2(B20)和50 t/hm2(B50)設置生物質炭不同施用量梯度，以不施用生物質炭處理為對照(CK)。試驗采用完全隨機區組設計，每個處理重復5次，共計25個試驗小區。每個試驗小區面積為2.8 m × 2.5 m=7 m2，小區間設保護行。玉米行距60 cm，株距30 cm，每個小區內種植5行玉米。播種時施尿素450 kg/hm2。生物質炭以玉米秸稈為原料，經過高溫熱解(500℃) 6 h制成，pH為7.98，灰分含量為29.53%，粒徑0.3 ~ 0.35 cm。2019年4月15日，將生物質炭均勻施入各試驗小區，并進行翻耕，使其與表層0 ~ 20 cm土壤充分混勻。試驗布置完成后，隨機選擇各處理的1個試驗小區，采用三溫三濕溫濕度記錄儀自動記錄土壤深度5 cm處的溫度和濕度。于4月25日種植玉米，各處理田間管理方式與當地大田相同。

1.3 樣品采集與處理

于2019年玉米生長季，分別在5月下旬(苗期)、7月中旬(穗期)、9月上旬(成熟期)和10月上旬(收獲后)進行樣品的采集。每次采樣時，在每個試驗小區內用直徑5 cm的土鉆在玉米行間隨機2處采取表層0 ~ 10 cm的土壤樣品2份(數據處理時，合并為一份)，用于土壤節肢動物的分離提取。采用干漏斗法分離土壤動物，并保存于75% 的酒精中。體視顯微鏡下對收集的土壤動物進行鑒定(鑒定到綱或目)和計數，土壤動物的分類鑒定主要參考《中國土壤動物檢索圖鑒》[20]。

分離完土壤動物的土壤樣品用于土壤理化指標的測試。土壤pH采用電位法(水土質量比為5∶1)進行測定；土壤電導率使用電導率儀測定；土壤有機碳采用重鉻酸鉀–濃硫酸外加熱法測定。

1.4 數據處理與統計分析

對土壤動物個體類群進行等級劃分：個體數占總個體數10% 以上的土壤動物類群為優勢類群，1% ~ 10% 的為常見類群，1% 以下的為稀有類群。土壤動物多樣性特征分析采用Shannon-Wiener多樣性指數、Pielou均勻度指數和Simpson優勢度指數等指標。

采用主坐標分析方法(principal co-ordinates analysis, PCoA)研究生物質炭不同施用量下的土壤動物群落組成差異特征，并使用置換多元方差分析(permutational multivariate analysis of variance，PERMANOVA)進行差異顯著性檢驗；采用單因素方差分析(one-way ANOVA)探究生物質炭施用量對土壤動物密度、類群數和多樣性指數的影響，并采用最小顯著差異法(LSD)進行多重比較；采用典范對應分析(canonical correspondence analysis, CCA)探討土壤動物群落與土壤環境因子的相關關系(因三溫三濕溫濕度自動記錄儀出故障，5月土壤溫濕度數據丟失，CCA分析時僅使用7月、9月和10月的數據)。所有的統計分析和作圖采用R語言進行。

2 結果

2.1 施用生物質炭對土壤理化性質的影響

生物質炭的施用對土壤溫濕度產生一定程度的影響，整個試驗期間土壤平均溫度以CK處理最高、B50處理最低，土壤平均濕度B50處理最高、CK處理相對較低。施用生物質炭顯著增加了土壤有機碳(SOC)含量(<0.05，圖1)，與CK處理相比，B5、B10、B20和B50處理SOC含量分別平均增加了30%、51.91%、125.59% 和228.28%。土壤pH隨生物質炭施用量的增加而降低(圖1)，但僅在5月和7月與CK處理相比差異達顯著水平(<0.05)。除9月外，生物質炭的施用也顯著影響土壤電導率(EC，<0.05)，總體表現為高量生物質炭施用(B50)大于其他處理。

2.2 施用生物質炭對土壤節肢動物群落的影響

本研究共捕獲土壤節肢動物14 133頭，分別隸屬于6綱21類群(表1)。其中疥螨目和中氣門目為優勢類群，分別占總個體數的54.5% 和25.68%；長角跳目、原跳目和絨螨目為常見類群，分別占總個體數的7.39%、3.23% 和2.31%；其他為稀有類群，共占總個體數的6.88%。基于物種數據的主坐標分析(PCoA)結果顯示，不同采樣時期，生物質炭不同施用量的樣方分布在排序圖的不同區域；PERMANOVA分析結果表明，施用生物質炭顯著影響土壤群落組成結構(圖2，<0.05)。

2.3 施用生物質炭對土壤節肢動物密度和類群數的影響

施用生物質炭對土壤節肢動物密度的影響在5月、7月和10月的樣品中差異都達到顯著水平(< 0.05)，總體上，土壤節肢動物密度均隨施炭量的增加呈先升高后降低的趨勢(圖3)。與CK處理相比，施用適量生物質炭(如 10 t/hm2)可增加土壤節肢動物的數量，但施炭過多(如 50 t/hm2)則會減少土壤節肢動物的數量。土壤節肢動物類群數隨著生物質炭施用量的增多也呈單峰模式(先增加后降低)(圖3)。生物質炭不同施用量處理下土壤節肢動物類群數與CK處理相比，無顯著差異；僅在7月和10月采集的樣品中，B10處理土壤節肢動物類群數顯著大于B50處理(圖3)。

(圖中數據為平均值 ± 標準差，柱圖上方不同小寫字母表示各月份中不同處理間的差異顯著(P<0.05)，下同)

表1 生物質炭不同施用量下土壤節肢動物個體數量

注：CK：對照；B5、B10、B20、B50：施炭量5、10、20、50 t/hm2；占比(%)指各類群土壤節肢動物個體數所占該處理總個數的比例；+++：豐度>10%，優勢類群；++：1%≤豐度≤10%，常見類群；+：豐度<1%，稀有類群。樣品重復數=10；表中“0”表示該節肢動物類群在該處理中未被發現。

圖2 生物質炭不同施用量下土壤節肢動物群落主坐標排序圖

2.4 施用生物質炭對土壤節肢動物多樣性的影響

在不同采樣時期，施用生物質炭對土壤節肢動物群落多樣性指數的影響不同：在生物質炭施用初期(5月和7月)Shannon-Wiener多樣性指數、Simpson優勢度指數和Pielou均勻度指數在各處理間的差異均達顯著或近似顯著水平，而在中后期(9月和10月)各多樣性指數在各處理間均無顯著差異(表2)。總體上，土壤節肢動物多樣性在生物質炭適量施用下(B10處理)最大，過量施用下(B50處理)最低(表2)。

2.5 土壤節肢動物群落與土壤環境因子的關系

典范對應分析(CCA)結果顯示，排序軸1與軸2分別解釋了土壤節肢動物群落與環境因子關系的71.44% 和14.78%(圖4)。其中軸1主要反映土壤溫度及濕度的影響，軸2主要反映土壤電導率的影響。疥螨目(Sarcoptiformes)和原尾綱(Protura)與土壤溫度正相關，泄管綱(Secernentea)與土壤溫度負相關；倍足綱(Diplopoda)與土壤濕度正相關，愈腹跳目(Symphypleona)與土壤濕度負相關；蜱目(Ixodida)、絨螨目(Trombidioidea)、嚙目(Psocoptera)和鞘翅目幼蟲(Coleoptera larvae)與土壤pH正相關，等翅目(Isoptera)與其負相關。生物質炭施用導致環境因子的改變顯著影響土壤節肢動物群落，試驗測定的環境指標共解釋了24.81% 的物種變異(<0.01)；其中土壤溫度的影響最大，單獨解釋了16.1% 的物種群落變化(<0.01)；其次為土壤濕度，單獨解釋了土壤節肢動物群落結構變化的4.4%(<0.01)；土壤pH單獨解釋了土壤節肢動物群落結構變化的3.2%(<0.05)，土壤有機碳和電導率對土壤節肢動物群落的解釋量相對較小，且未達顯著水平(>0.05，表3)。

圖3 生物質炭不同施用量下土壤節肢動物的密度和類群數

表2 生物質炭不同施用量下土壤節肢動物多樣性特征

注：表中數據為平均值±標準差；不同采樣時間各處理下的最大值加粗顯示，最小值斜體顯示；同列不同小寫字母表示各月份中不同處理間的差異顯著(<0.05)。

圖4 土壤節肢動物與環境因子典范對應分析

表3 基于典范對應分析環境因子對土壤節肢動物群落變化的解釋量

3 討論

本研究的試驗結果與第一個假設相符：土壤節肢動物密度和類群數，隨著生物質炭施用量的增加呈先增加后降低的趨勢。B10(10 t/hm2)處理下的土壤節肢動物密度和類群數高于其他處理，這可能是因為添加適量的生物質炭能夠改善土壤環境，給土壤節肢動物提供適宜的生存條件。B50(50 t/hm2)處理下土壤節肢動物的密度和類群數總體上低于其他處理，這可能是因為生物質炭本身也是一種毒物。室內控制試驗表明，生物質炭對土壤節肢動物的毒性在添加量>5% (生物質炭與土壤的質量比)時就會表現出來[21]。盆栽試驗結果也表現出相似趨勢，生物質炭低量添加下(<5%)對土壤節肢動物群落起促進作用，施炭量過高(>10%)對土壤節肢動物產生負面影響[13,18-19]。土壤節肢動物群落的多樣性指數和均勻度指數等是土壤肥力的重要標志，也可用于監測農業生態系統的變化[22-23]。本研究發現，在玉米不同生育期生物質炭不同施用量對土壤節肢動物多樣性特征的影響不同，尤其在生物質炭施入的初期階段較為明顯。這可能是因為施用生物質炭初期，較大地改變土壤理化性質，進而對土壤動群落多樣性特征造成較大影響；隨著時間的延長，土壤環境逐漸趨于穩定，對土壤動物群落多樣性特征的影響逐漸減小。另一方面，生物質炭施入初期也是玉米生長初期，作物對土壤節肢動物的影響較小；生物質炭輸入后期，到玉米的灌漿期或成熟期，玉米地上地下生物量增大，根系分泌物增多，對土壤節肢動物的影響增加，可抵消部分生物質炭高施入量對土壤節肢動物的毒害作用[24]。

生物質炭可通過改善土壤理化性質，影響土壤節肢動物的群落結構。雖然本研究的結果與第二個假設不符，但并不否定生物質炭對土壤節肢動物群落的影響是由于土壤環境的變化。本次研究的幾個土壤指標并不能很好地揭示土壤節肢動物群落結構的變化規律。土壤溫濕度是影響土壤節肢動物群落的主要指標之一[25]。本研究中土壤濕度在B50處理下較高，這是因為生物質炭具有豐富的微孔結構，向土壤中添加生物質炭會增加土壤的含水量(圖1)，進而提高土壤節肢動物豐度，這與相關研究結果一致[26-27]。研究表明，在作物不同生育期生物質炭不同施用量下對土壤溫度的影響不同：施炭量較高的處理在玉米苗期和拔節期增溫效果更強，在抽雄、灌漿和成熟期施生物質炭處理土壤溫度反而比對照低[28]。本研究中，玉米整個生長周期(因溫濕度記錄儀故障，6月22日前的溫濕度數據丟失)施炭處理土壤溫度均低于CK處理，可能是因為施炭處理地塊玉米的長勢均比CK處理好，對土壤的覆蓋面積增大，阻礙了太陽光對地面的輻射，降低了生物質炭的增溫作用[29]。

土壤pH與土壤節肢動物類群組成具有一定的相關性。van Zwieten等[30]研究發現，生物質炭可提高土壤pH、增加微生物活性，進而正向影響土壤節肢動物的種群結構和多度。高溫裂解的生物質炭大多呈中性或堿性，其本身含有Ca2+、K+、Mg2+等鹽基離子，可以交換土壤中的H+和Al3+，從而調節土壤的酸堿度[31]。生物質炭原料不同對土壤pH影響也具有差異：稻殼炭和木炭會使土壤pH升高，而棉花秸稈生物質炭則會使土壤pH降低[32]。本研究中的生物質炭原料為玉米秸稈，土壤pH隨著生物質炭的添加而降低，這與Robertson 等[33]研究生物質炭對中性堿性土壤的影響研究結果一致。但本研究中生物質炭僅在施用初期對土壤pH具有顯著影響，在中后期其影響程度逐漸減弱。其原因可能是玉米種植過程中施用氮肥對土壤pH的影響較大[34-35]，從而減弱了生物質炭對土壤pH的影響。

生物質炭含碳量較高，施入土壤能夠提高土壤有機碳含量[36]。生物質炭本身也是一種有機碳，其施用導致土壤有機碳含量的增多，并不代表土壤肥力就高。研究指出，長期單一施用生物質炭會使土壤有機質中腐殖酸比例下降，而黑炭和胡敏素比例上升，導致土壤肥力降低[37]。這可能也是本研究中生物質炭高施用量(B50)下土壤有機碳含量最高，但土壤節肢動物密度和類群數最少的原因。生物質炭具有較高的陽離子交換量，而且灰分中含有金屬離子，施入土壤后可提高土壤電導率(EC)[38]。農田土壤電導率可以用來反映土壤中可溶性離子的含量水平，也在一定程度上反映了土壤的鹽堿化程度。本研究中，電導率最高的B50處理土壤節肢動物密度最低。這可能是因為施炭量過高造成電導率明顯上升，這對于在土壤孔隙中生活的土壤節肢動物來說環境惡劣較難適應。

本研究只關注了土壤溫度、濕度、pH、電導率和有機碳等5個環境指標，盡管測定的這5個環境指標顯著影響了土壤節肢動物群落結構，但僅解釋了物種變異的24.81%。未來應加強其他環境指標在不同施炭量和不同原料生物質炭與土壤節肢動物之間關系的研究，如地上/地下生物量、土壤微生物和根系分泌物等。另外，本次研究歷時較短，且僅探討了生物質炭一次性施用對土壤節肢動物群落的影響，今后應加強對生物質炭穩定性等影響下土壤節肢動物動態變化特征的監測，為生物質炭的田間應用提供更加科學的依據。

4 結論

施用生物質炭作為改善土壤理化性質的措施之一，10 t/hm2生物質炭添加有助于提高土壤節肢動物個體數，施用50 t/hm2則不利于土壤節肢動物生存。不同施炭量下土壤溫度的改變是影響土壤節肢動物群落最主要的環境因子。

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Community Characteristics of Soil Arthropods Under Biochar Application in Alkaline Farmland Soil

TANG Jing, DENG Chengjia, YUAN Fang, SONG Lihong*, CHEN Zuyong, HU Yan, YE Pingping

(College of Agriculture, Guizhou University, Guiyang 550025, China)

In order to explore the influence of biochar application on the community structure of soil arthropods and their association with soil parameters, including soil temperature, humidity, pH, electrical conductivity and soil organic carbon, biochar produced from maize straw was applied at the rates of 0, 5, 10, 20 and 50 t/hm2in an alkaline soil farmland in Guizhou. A total number of 14 133 individuals of soil arthropods were captured, belonging to 6 classes, 21 groups. An appropriate amount of biochar application, e.g. 10 t/hm2, increased the individuals and group numbers of soil arthropods. Negative effect of biochar on soil arthropods was observed with excessive biochar application, e.g. 50 t/hm2. Canonical correspondence analysis showed that soil arthropods community was significantly correlated with the measured environmental factors (adjusted2=24.81%,<0.01), and most affected by soil temperature, which explained 16.1% of the variance. In general, the application of biochar changed soil microenvironment, affecting the community structure of soil arthropods. An appropriate amount of biochar application, e.g. 10 t/hm2was beneficial to farmland soil arthropods community. Further studies were needed to focus on different types of soils and biochars.

Biochar; Soil arthropods; Diversity characteristics; Alkaline soil

S154.1

A

10.13758/j.cnki.tr.2021.06.017

唐靜，鄧承佳，袁訪, 等. 石灰性旱地土壤施用生物質炭對土壤節肢動物群落的影響. 土壤, 2021, 53(6): 1228–1235.

國家自然科學基金項目(41807055)和貴州省科技廳項目(黔科合后補助[2020]3001)資助。

通訊作者(lihong_song@qq.com)

唐靜(1995—)，女，河北邢臺人，碩士研究生，主要研究方向為土壤生態學。E-mail: 2281194313@qq.com