不同施肥方式對黑土農田彈尾目群落結構的影響

陳瑋，林琳，李艷芹，張利敏

（哈爾濱師范大學地理科學學院/寒區地理環境監測與空間信息服務黑龍江省重點實驗室，哈爾濱 150025）

東北黑土區農田面積約3 200 萬hm2，占全國耕地面積的26.56%，是中國重要的糧食生產基地，被譽為“北大倉”［1］。東北黑土富含有機質，土質肥沃，且分布聚集，雨熱同期，適宜農田耕種，為中國商品糧生產的核心區域［2］。長期以來人們對黑土資源重用輕養，加快了土壤中營養物質的分解消耗，導致黑土退化加劇，嚴重影響了糧食持續增產的能力［3］。而施肥是改善黑土退化最直接有效的方法之一［4］，能有效提高土壤肥力，激發土壤生物活性，改善土壤理化性質［5］，增加糧食產量。同時施肥也對土壤動物的多樣性及分布特征產生復雜而又深刻的影響［6］。施肥造成植物凋落物的質量和數量、根系分泌物的含量以及土壤理化性質的改變［7］，進一步影響著土壤動物群落及多樣性的發展。

彈尾目（Collembola）又稱彈尾蟲或跳蟲，分布廣、數量大、種類極為豐富，其以動植物殘體以及微生物為食，并通過撕碎凋落物、取食活動增強微生物活性進而參與凋落物的分解，影響土壤的形成［8］，是維持土壤生態系統平衡的重要組成部分［9，10］。同時，彈尾目在參與土壤物質循環和能量流動過程中，能夠增加土壤有機質含量，提高土壤肥力，有益于作物對土壤養分的利用［11］。此外，彈尾目對環境變化與人為干擾極為敏感［12］，能夠作為土壤質量評估的特征指標［13］，反映土壤生態系統健康狀況［14］。隨著施肥對黑土退化和可持續性生產力的影響逐漸加深，大量肥料用于黑土農田恢復，致使生態環境發生變化，影響了黑土農田土壤動物群落結構和多樣性。已有研究表明，土壤動物群落結構組成和多樣性對不同施肥方式的響應有所差異，能夠反映不同施肥方式下土壤環境的變化［15］。但目前多聚焦于不同施肥類型和不同施肥梯度對土壤動物整體群落影響的研究。關于黑土農田彈尾目群落對不同施肥方式的響應研究鮮有報道。

黑土中含有大量腐殖質，具有土壤結構疏松、透氣性良好和生物活性強等優點，并且東北地區受緯度和氣候影響，冬季較長，且凍融交替明顯，使得黑土農田生態系統的彈尾目群落優勢類群和物種組成具有一定的獨特性。因此，本研究探討不同施肥方式下黑土農田彈尾目群落組成和多樣性的變化特征，旨在進一步揭示在黑土農田生態系統中彈尾目群落對不同施肥方式的響應機制及其對土壤肥力、土壤質量的指示作用，明確彈尾目群落中對黑土肥力較為敏感的種類，分析不同施肥方式對黑土退化恢復的意義，為東北黑土農田生態系統的可持續發展和土壤動物的多樣性保護提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本研究選取黑龍江省哈爾濱市呼蘭區黑土農田為研究區域（126°34′E，45°51′N），區域內氣候屬于溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫為4 ℃，月均溫最高為23.1 ℃，最低為-19.4 ℃，年均降水量為569.1 mm，降水主要集中在6—9月，占全年降水量的70%，無霜期為130～145 d。研究區域內無山地、丘陵等復雜地形，地勢平坦開闊，屬于波狀平原，海拔115～150 m。全區總面積21.4 萬hm2，已開墾耕地15.5 萬hm2，占總面積的72.6%（哈爾濱市呼蘭區人民政府網）。耕地以黑土為主，土質養分含量高，土壤肥沃，主要作物為大豆、玉米，是全國百家產糧大縣之一和全國糧食生產先進縣，是中國重要的糧食生產基地。

1.2 試驗設計

于2012—2021 年對樣地實行肥料長期定位試驗，種植作物為大豆。保持黑土農田處于施肥及耕作模式，使黑土農田達到穩定狀態。試驗樣地共設置4 種處理方式，分別為單施有機肥（OM）、施加半有機肥（OM+NPK）、單施無機肥（NPK）、不做任何處理的對照（CK）。4 種不同處理之間間隔10 m，排除干擾，每個處理設置8 個重復樣地，共32 塊樣地，每塊樣地大小為5 m×4 m×30 cm。

1.3 樣品的采集分類與鑒定

2021 年9 月完成樣地采樣，每個地塊隨機進行4次取樣，每個取樣點大小為20 cm×20 cm，取樣點間隔2 m，除去凋落物和雜草層。每個取樣點取直徑5 cm，深度5～15 cm 的土柱，采用三點混合法排除干擾，共采集128 個土壤樣品。將土壤樣品分別裝入密封袋中，做好標記，在實驗室中采用Tullgren 漏斗法將彈尾目分離，分離得到的彈尾目置于75%乙醇中固定保存。在實體顯微鏡下統計彈尾目個體數和物種數量，并鑒定到科。土壤動物參考《中國土壤動物檢索圖鑒》［16］《昆蟲分類》［17］來進行分類鑒定。

1.4 數據處理與分析

1.4.1 土壤動物多度等級劃分 個體數占樣地總捕獲數量10%以上為優勢類群，占1%～10%為常見類群，占1%以下為稀有類群。

1.4.2 α 多樣性 通徑分析用于研究自變量對因變量的直接作用和間接作用［18］。本研究采用通徑分析方法確定在科的分類階元上，計算土壤彈尾目優勢類群和常見類群對土壤彈尾目群落多樣性指數的直接和間接通徑系數，分析彈尾目群落對多樣性指數的貢獻。

土壤彈尾目群落α 多樣性特征采用Shannonwiener 多樣性指數（H）、Pielou 均勻度指數（E）、Simpson 優勢度指數（C）和Margalef 豐富度指數（D）進行分析。計算公式分別如下。

式中，Pi為群落第i個物種的個體數占總個體數的比例；S為群落所有物種數；ni為該群落內第i個物種的個體數；N為全部物種的總個體數。

1.4.3 β 多樣性 采用相似性分析（Analysis of similarities，ANOSIM）法研究土壤彈尾目群落之間及群落內差異性，并繪制彈尾目群落主坐標排序圖，進一步分析土壤彈尾目β 多樣性。

1.4.4 土壤彈尾目與環境因子的關系 運用主成分分析（Principal component analysis，PCA）法研究各樣地對土壤彈尾目群落及多樣性特征的影響，通過指示物種分析明確各樣地指示物種。此外，應用冗余分析（Redundancy analysis）法研究不同施肥處理下土壤彈尾目群落與土壤理化性質的相關性。

1.4.5 數據統計分析 采用SPSS 25.0 軟件和R4.1.2 軟件進行數據統計，采用R4.1.2、Canoco for windows 4.5 軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 黑土農田彈尾目群落組成特征

在研究區4 個樣地內，共捕獲彈尾目2 045只，隸屬于9 科（表1）。其中優勢類群為等節跳科（Isotomidae）和棘跳科（Onychiuridae），占總個體數的71.79%，常見類群為球角跳科（Hypogastruridae）、長角跳科（Entomobryidae）、駝跳科（Cyphoderidae）、圓跳科（Sminthuridae）、疣跳科（Neanuridae）、山跳科（Pseudachorutidae），占總個體數的27.87%，稀有類群為鱗跳科（Tomocetidae），僅占總個體數的0.34%。4 種處理方式下捕獲的彈尾目個體總數高低表現為OM+NPK（537 頭）＞OM（536 頭）＞CK（523 頭）＞NPK（449 頭），捕獲類群數由高到低依次為OM（9 種）＞OM+NPK（8 種）=CK（8 種）＞NPK（6 種）。

表1 不同施肥處理下黑土農田彈尾目數量組成及占比

2.2 黑土農田彈尾目群落主要類群的變化特征

不同施肥方式下黑土農田彈尾目數量及變化幅度（與CK 相比）分析結果如表1、圖1 所示。CK 的優勢類群為等節跳科、球角跳科、長角跳科和棘跳科，分別占CK 彈尾目個體數的40.73%、19.31%、12.24%、14.72%。在OM 處理中，等節跳科、棘跳科彈尾目個體數為正增長，增幅分別為42.25%、61.04%，而球角跳科和長角跳科彈尾目個體數為負增長，減幅大于70%；OM+NPK 處理僅有等節跳科彈尾目個體數為正增長，增幅達58.69%，其余均為負增長或未變化；NPK 處理等節跳科和棘跳科彈尾目個體數為正增長，球角跳科和長角跳科為負增長，球角跳科減幅高達100%。等節跳科在OM、OM+NPK和NPK 處理中彈尾目個體數均為正增長，球角跳科和長角跳科彈尾目個體數均為負增長，說明施肥處理為等節跳科提供了適合生存與發展的微環境，且等節跳科對環境變化的適應能力更強，生態幅較寬，而球角跳科、長角跳科與其相反。

圖1 與對照相比不同施肥處理下黑土農田彈尾目優勢類群個體數變化幅度

2.3 黑土農田彈尾目群落多樣性變化特征

3 種不同施肥方式下，彈尾目群落的優勢種和常見種的多樣性指數通徑分析（表2）表明，等節跳科對多樣性指數的直接效應、間接效應和總效應均為最大，其次為球角跳科。與其他彈尾目物種相比，等節跳科通過駝跳科對多樣性指數的間接貢獻率最高，這表明等節跳科在多樣性指數的提高上具有積極作用。優勢種和常見種中棘跳科間接效應最小，其他物種對彈尾目多樣性指數的間接貢獻率均大于直接貢獻率，表明彈尾目物種之間共生環境更有利于物種多樣性的提高。

表2 不同施肥處理下黑土農田彈尾目群落對多樣性指數影響的通徑分析

2.3.1 黑土農田彈尾目群落α 多樣性分析 OM、OM+NPK 和NPK 3 種施肥處理的彈尾目群落多樣性指數顯著低于CK，其中，OM+NPK 處理的多樣性指數最低，表明施肥降低了黑土農田彈尾目群落的多樣性水平。不同處理方式下彈尾目群落均勻度指數表現為NPK（0.84）＞CK（0.82）＞OM+NPK（0.70）＞OM（0.62），NPK 處理的均勻性顯著高于OM 處理，表明NPK 處理的彈尾目物種分布比較均勻。OM 處理的等節跳科和棘跳科2 類占比較大，導致樣地彈尾目群落均勻性最差。OM+NPK 處理的優勢度指數最高，顯著高于CK，其中等節跳科個體數占彈尾目總個體數的62.94%，在該處理中是最具優勢的類群。從豐富度指數來看，OM、OM+NPK、NPK 3 種施肥處理顯著低于CK，表明3 種施肥處理造成的土壤環境變化不適合彈尾目豐富度的發展。

表3 不同施肥處理下黑土農田彈尾目α 多樣性特征（平均值±標準誤）

2.3.2 黑土農田彈尾目群落β 多樣性分析 對不同施肥方式下黑土農田彈尾目群落進行相似性分析（Analysis of similarities，ANOSIM）和主坐 標分析（Principal coordinate analysis）。相似性分析結果顯示，各樣地土壤彈尾目群落組間差異大于組內差異，并且組間差異極顯著（R=0.343 3，P=0.001）。主坐標分析（圖2）顯示，PC1 軸（PCO1）、PC2 軸（PCO2）分別解釋變量的39.93%和29.68%，二者累積解釋變量的69.61%。兩軸將各樣地分隔開，PC1 分隔NPK處理與CK，PC2 將OM、OM+NPK 處理與NPK 處理、CK 分隔開，各樣地間距離越遠，土壤彈尾目群落間物種組成差異性越大。CK、NPK、OM 3 種處理下土壤彈尾目群落組間距離較遠，樣地差異性明顯，表明受施肥影響不同樣地中彈尾目的共有種有所減少。

圖2 不同施肥處理下土壤彈尾目群落β 多樣性分析

2.4 黑土農田彈尾目功能類群特征

樣地捕獲腐食性彈尾目有等節跳科、駝跳科、圓跳科、鱗跳科、疣跳科和山跳科，菌食性彈尾目主要有球角跳科、長角跳科和棘跳科。腐食性和菌食性彈尾目個體數各占捕獲總數的66.36%、33.64%，腐食性彈尾目在施肥處理下占絕對優勢，其中等節跳科占腐食性類群的79.43%、棘跳科占菌食性類群的56.68%，為主要優勢類群。由圖3 可以看出，就類群數而言，3 種施肥處理的菌食性類群數顯著低于CK，NPK 處理的腐食性類群數顯著低于CK；就個體數而言，OM+NPK 處理與CK、NPK 處理相比，腐食性個體數顯著增多，3 種施肥處理的菌食性個體數顯著低于CK。

2.5 黑土農田彈尾目群落對土壤環境的響應

2.5.1 黑土農田彈尾目群落指示物種分析 對彈尾目優勢類群和常見類群進行主成分分析（Principal component analysis，PCA），如圖4 所示，第一、第二主成分軸分別解釋了彈尾目群落變異的68.9%、18.1%。等節跳科與OM、OM+NPK 處理密切相關；球角跳科和駝跳科與NPK 處理密切相關。

圖4 不同施肥處理下彈尾目群落指標的主成分分析

為進一步明確彈尾目在農業生態系統中對土壤肥力的指示效果，對彈尾目物種進行指示值分析。由表4 可知，OM+NPK、NPK 和CK 3 種處理中具有指示物種，駝跳科是OM+NPK 處理的指示物種，疣跳科是NPK 處理的指示物種，球角跳科、圓跳科和長角跳科是CK 處理的指示物種。OM 處理中物種多度與頻度不突出，缺乏指示物種。

表4 不同施肥處理下黑土農田彈尾目群落指示物種分析

2.5.2 黑土農田彈尾目群落與土壤理化性質間的關系 不同施肥方式會造成土壤理化性質的改變，而土壤動物群落組成、分布格局也因土壤理化性質的不同產生一定差異［19］。通過RDA（Redundancy analysis）分析（圖5）表明，在OM 處理中，第一、第二排序軸累積解釋了土壤彈尾目群落結構變異的68.0%，有機質含量對彈尾目群落影響最大，棘跳科與土壤有機質含量顯著正相關（P＜0.05），駝跳科與全磷和全氮含量呈正相關，疣跳科、圓跳科與pH 呈正相關；在OM+NPK 處理中，第一、第二排序軸累積解釋了土壤彈尾目群落結構變異的66.0%，土壤有機質含量對彈尾目群落影響最大，等節跳科與土壤有機質含量呈顯著正相關（P＜0.05），球角跳科與全鉀含量呈正相關，駝跳科與pH 呈正相關；在NPK 處理中，第一、第二排序軸累積解釋了土壤彈尾目群落結構變異的67.3%，全鉀含量對彈尾目影響最大，等節跳科、長角跳科與全鉀含量呈顯著正相關（P＜0.05），棘跳科與全磷含量呈正相關，疣跳科與有機質含量呈正相關。

圖5 不同施肥處理下彈尾目與土壤因子RDA 分析

3 討論

3.1 不同施肥方式對黑土農田彈尾目群落結構的影響

不同施肥方式引起土壤環境變化，導致黑土農田彈尾目群落結構改變。本研究中，與CK 處理相比，OM 和OM+NPK 處理可使彈尾目群落的個體數和類群數增加，選用的有機肥料為雞糞，其含有大量有機質、未消化的飼料和營養物質［20］，能夠促進微生物繁衍和植物根系生長［21］，為腐食性和菌食性彈尾目群落提供了充足的食物。施用有機肥有助于彈尾目群落生存、繁衍和穩定［19］；而施加NPK 彈尾目群落的類群數和個體數明顯減少，原因是單一施用無機肥會造成土壤板結，使土壤保水、保肥能力下降，通透性降低，引起土壤彈尾目缺氧［22］，從而降低了彈尾目的豐富度。

土壤動物群落組成結構不僅與土壤環境條件有關，也受物種生態學特性差異的影響［23］。等節跳科是各處理中的優勢類群，在3 種施肥處理中均為正增長，可能與等節跳科是單性生殖物種［13］，有較高的繁殖率和恢復潛力［24］，同時又具有較強的環境適應能力［25］，受環境的變化和外界干擾較小有關。球角跳科和長角跳科在3 種施肥處理中均為負增長，可能與球角跳科和長角跳科屬于間接受精，需雄蟲將精球置于地上等雌蟲發現并收入體內［13］，這個過程極易受外界影響有關。3 種施肥處理下土壤理化環境變化較大，受干擾程度較強［26］，對球角跳科和長角跳科的繁育產生了不利影響。

此外，土壤動物功能類群也可解釋物種對環境變化的響應。相對CK 處理而言，OM+NPK 處理使腐食性彈尾目的個體數量增多，但降低了菌食性彈尾目的數量，這表明施用半有機肥有益于腐食性彈尾目生存而對菌食性彈尾目具有抑制作用。半有機肥中的有機肥料比例下降導致土壤酸化［27］，使土壤微生物活性減弱［28］，微生物生物量減少，進而影響了菌食性彈尾目取食位點，此外腐食性彈尾目的增多會競爭菌食性彈尾目的生態位，也可導致菌食性彈尾目數量下降。而施用NPK 對腐食性和菌食性彈尾目的生存均有不利影響，主要是無機肥中過量的硝酸鹽等化學有毒物質對土壤彈尾目有直接的毒害作用［29］，對彈尾目功能類群的發展具有抑制作用。

3.2 不同施肥方式對黑土農田彈尾目多樣性的影響

物種多樣性是群落生物組成結構的重要指標［30］，反映了群落內物種的豐富程度及其與環境之間的關系，體現了群落內物種食物網的復雜性和健康程度［31］。在3 種施肥處理中，OM+NPK 處理多樣性指數最低，而優勢度指數最高，這表明OM+NPK處理使土壤彈尾目群落的多樣性下降，物種數量分配不均衡，這與以往研究［19］并不相符。分析其原因可能是等節跳科（Isotomidae）個體數量占絕對優勢，對群落結構形成起到了控制作用，搶占了其他彈尾目物種的生存空間，造成物種間競爭加劇，物種多樣性減少［32］。OM、NPK 處理彈尾目的多樣性指數和豐富度指數都低于CK 處理，這可能與作物根際效應有關。作物根際效應是控制彈尾目群落多樣性發展和群落組成的主要因素［33］。大豆根系的生長發育依賴土壤肥力，大豆根系越發達，其釋放的分泌物如2，4-二叔丁基苯酚和香草酸濃度越高，對微生物生長發育的化感作用也就越強［34］，可抑制微生物繁衍，減少了彈尾目食物來源。

基于彈尾目主要類群的通徑分析，3 種施肥處理中，優勢類群等節跳科對多樣性指數的直接、間接和綜合效應比其他彈尾目物種都要高，其間接效應最大為0.648 6。這表明等節跳科與其他彈尾目物種共生更加有益于彈尾目群落多樣性水平的提升，等節跳科可能是彈尾目群落多樣性向好發展的關鍵物種，這還需進一步驗證。此外，疣跳科、長角跳科、山跳科、球角跳科、駝跳科和圓跳科通過彈尾目其他物種對多樣性指數的間接效應均大于直接效應，可見彈尾目物種在共存環境中協同互補更有益于物種多樣性的提高［35］。

β 多樣性主要反映群落間環境異質性大小和不同群落間物種組成的差異［36］。土壤動物生存環境不同，群落分布格局也會存在差異。本研究相似性分析中，3 種施肥處理下土壤彈尾目群落組間差異顯著，說明不同施肥處理彈尾目群落組成具有很高的異質性，反映出各樣地彈尾目共有種較少，物種更替速度較快。不同肥料的投入作物長勢各不相同，作物長勢不同可回饋給土壤的植物殘體也不同。由此，不同處理中彈尾目食物資源產生差異，導致彈尾目群落間產生差異。

3.3 不同施肥方式下黑土農田彈尾目群落對土壤環境的響應

本研究中，土壤有機質和全鉀對彈尾目群落的影響較大，且均達到顯著水平。李淑梅等［37］研究指出，有機質含量的增加對土壤動物數量有直接的積極作用。棘跳科、等節跳科分別在OM 和OM+NPK處理中密度有所提高，可能與OM 和OM+NPK 處理中有機質含量增加有關。土壤有機質一般是由植物殘體和腐爛物質組成，有機質含量的增加為腐食性的等節跳科提供了食物資源，而有機質又是碳源的主要來源，為微生物生長提供了所需的碳源，進而引起菌食性棘跳科的增加。陳歡等［38］研究發現肥料中含鉀能夠促進植物根莖葉快速生長，增加收獲期的凋落物，凋落物的增多不僅能抵擋紫外線對彈尾目群落的直接照射［39］，還可提高土壤保濕能力，為喜濕的彈尾目提供了良好的棲息環境［40］，良好的土壤環境和充足的食物資源是彈尾目生存的重要條件［41］。這也是全鉀能夠促進等節跳科相對密度增加的原因，這也表明彈尾目作為農田生態系統中的重要組成部分，對農田土壤環境變化極為敏感［12，14］，可作為衡量土壤健康的指示生物。本研究對3 種施肥方式中彈尾目物種進行分析發現駝跳科、等節跳科、疣跳科、圓跳科和長角跳科5 個物種對土壤肥力的變化最為敏感，可作為黑土農田肥力的指示物種。

4 小結

在黑土農田中施入有機肥、半有機肥和無機肥可對土壤彈尾目群落產生不同影響。施用有機肥和半有機肥使土壤彈尾目群落數量和類群數顯著提高，尤其對等節跳科的個體數量影響最大，有益于彈尾目優勢種的發展，但顯著降低了彈尾目群落的多樣性水平。而施用無機肥引起了一系列土壤健康問題，對彈尾目群落造成負面影響，阻礙了彈尾目群落的生存與繁衍。這表明不同肥料對農田生態系統各有利弊，保護性耕作才是黑土農田生態系統恢復中的重要舉措。同時施肥還改變了黑土農田的土壤理化性質，使土壤中有機質含量和全鉀含量增加，進而提高了彈尾目的個體數量。彈尾目群落發揮著重要的指示作用，其中駝跳科、等節跳科、疣跳科、圓跳科和長角跳科有作為黑土農田土壤質量評估指示物種的潛力，對黑土農田生態系統恢復和糧食安全具有重要意義。