黑土區農田及防護林氮肥處理對中型土壤動物群落結構影響

周利軍 張淑花 賈鳳梅 佟 良 任紅梅 賈 森

（1.綏化學院農業與水利工程學院 黑龍江綏化 152061；2.黑龍江科技大學建筑工程學院 黑龍江哈爾濱 150022）

氮肥是農業生產所需要的重要肥料，我國農業生產氮肥施用量在世界上處于最高水平，近年來受政策調控影響，我國氮肥施用量有一定減少，但每年向農田中施加的氮肥量仍然接近2000 萬噸[1，2]。氮肥施加在提高農作物產量的同時，也對生態環境造成一定影響。土壤動物是土壤生態系統中重要的生命組成部分，土壤生態環境的變化對土壤動物群落會產生直接的影響，因此土壤動物是土壤生態系統環境質量評價的重要指標[3，4]。施加氮肥對土壤動物群落結影響也引起很多研究者的關注，有研究表明氮肥添加對沿海防護林土壤動物密度有顯著影響，但對土壤動物類群數量影響不大[5]，榮海等對溫郁金農田生態系統進行模擬氮沉降實驗表明，低濃度氮處理可以促進大型土壤動物群落多樣性提高，高濃度氮處理則對其有抑制作用[6]；徐國良等研究表明，在森林生態系統中隨著氮濃度增高，土壤動物個體數和類群數具有一定閾值現象，即在中等濃度處理條件下個體數和類群數較高[7]；馬尚飛等對草甸草原區研究也顯示氮沉降對中小型土壤節肢動物個體數和類群數具有一定促進作用，且表現出閾值現象[8]；沙玉寶等研究高寒草甸土壤線蟲群落結構和多樣性對增氮的響應，結果表明增氮顯著改變了高寒草甸土壤線蟲的群落組成狀況，并且降低了線蟲多樣性和均勻度[9]。農田防護林作為東北黑土區農林復合生態系統的組成部分，是保障農業生產安全的重要屏障，防護林帶在改良土壤、防風固沙、提升作物產量等方面發揮重要作用，此外，農田防護林帶在維持農田生物多樣性方面也具有重要價值，起到物種資源庫的作用。對施加氮肥對土壤動物群落結構影響的研究多是針對農田、森林或草地等一種類型的生態系統[6-11]，施加氮肥對農田和防護林土壤動物群落結構進行對比研究還比較少見，通過分析施加氮肥對農田和防護林土壤動物群落結構響應的差異，對研究防護林在氮沉降中的作用及農田生態系統管理方面具有一定意義。

一、材料與方法

（一）試驗區域概況。研究試驗區域位于黑龍江省哈爾濱市松北區，地理位置為45°51'N，126°33'E。樣地設置在一處農田及相鄰的防護林內，農田種植作為類型為玉米，防護林樹種類型為楊樹（Popolus.L），樹高約10m，胸徑為10cm；林下草本植物蓋度約為60%，主要植物類型有香蒿（Artemisia Annua L.）、龍牙草（Agrimonia polosa Ledeb.）、龍葵（Solanum nigrum L.）及狗尾草（Setaria viridis Beauv.）等；林下凋落物層厚約1-2cm。

（二）試驗樣地處理。實驗選用的氮肥為尿素[CO(NH?)?，具體為大慶石化總廠生產的大慶牌尿素，總N含量≥46.5%]，實驗設計的處理濃度在結合農民耕作一般施肥量的基礎上設置三個不同濃度等級，分別為濃度1：12.5g/m2，濃度2：25g/m2和濃度3：50g/m2，分別對農田和防護林樣地進行施肥處理，同時設置不施肥的樣地作為對照，樣地編號分別為：TN0（農田對照）、TN1（農田濃度1）、TN2（農田濃度2）、TN3（農田濃度3）、LN0（防護林對照）、LN1（防護林濃度1）、LN2（防護林濃度2）、LN3（防護林濃度3），每個樣地面積為4m×2.5m，相鄰樣地之間留0.5m不做任何處理的緩沖隔離區域。在4月份農田未播種時，將氮肥一次性均勻施加到樣地中，施肥方法農田采用土埋法，即在樣地內等間距密集地勾出深約5cm的壟溝，將氮肥均勻撒入壟溝內，再用土將壟溝填平；防護林內采取的是土壤表層施肥法，即先將地表枯落葉移走，將氮肥均勻揚撒在樣地內，再將移走的枯落葉平鋪于樣地表面。處理過的農田樣地正常進行玉米種植，防護林樣地沒有進行種植。

（三）樣品采集與鑒定。分別于施肥后的1 個月、3 個月、5個月，對樣地內中型土壤動物進行調查取樣，每個處理樣地設置4個取樣樣方，每個樣方面積為10cm×10cm，即每個樣地取樣面積為400cm2，農田樣地分0～5cm、5～10cm、10～15cm 層進行取樣，防護林樣地分凋落物層、0～5cm、5～10cm、10～15cm層進行取樣，將取回的土壤樣品裝入樣品袋中帶回室內，每次取回分離樣品112份，三次共取回樣品336分，采用Tullgren法（干漏斗法）對中型土壤動物進行分離。將分離出的土壤動物用75%的酒精固定，在體視顯微鏡下進行分類鑒定和數量統計，土壤動物分類鑒定主要參考《中國土壤動物檢索圖鑒》[12]，多數鑒定到科的等級，部分鑒定到目或亞目。同時對每個樣地的土壤樣品進行土壤理化性質分析，其中pH值采用酸度計（PB-10型）測定，有機質含量（SOM）采用重鉻酸鉀-硫酸氧化法測定，全氮（TN）采用凱氏定氮法測定，全磷（TP）采用硫酸-高氯酸消煮法測定，全鉀（TK）采用NaOH堿熔-火焰光度法測定，速效磷（AP）采取雙酸浸提、鉬銻抗比色法測定，速效鉀（AK）采用乙酸銨浸提、原子吸收法測定[13]。各樣地土壤性質見表1，方差分析顯示土壤有機質、全氮、全磷、速效磷在不同樣地間差異顯著（P＜0.01），其他土壤因子在不同樣地間差異不明顯（P＞0.05）。

表1 各樣地土壤性質

SOM：有機質；TN：全氮；C/N：碳氮比；TP：總磷；AP：速效磷；TK：全鉀；AK：速效鉀；每列相同字母表示差異不顯著（P＞0.05）

（四）數據處理與分析。對中型土壤動物個體數量統計采用調查獲得的數量進行統計，對群落特征指數的計算包括Shannon-Wiener 多樣性指數（H’）,Pielou 均勻度指數（J）,Simpson 優勢度指數（C）,Maglalef 豐富度指數（M）,具體的計算公式為:

其中N為群落中所有類群的個體總數，ni為第i類群的個體數量，Pi=ni/N，s為群落的類群數量。

數據運算采用SPSS21.0統計分析軟件和Excel 2003軟件進行處理，多重比較利用最小顯著差異法（Least-Significant Difference，LSD），P＜0.05為具有顯著差異，P＜0.01為差異極顯著。

二、結果與分析

（一）施氮肥對農田及防護林中型土壤動物個體數和類群數的影響。對氮肥處理的農田和防護林中型土壤動物進行調查，共獲得中型土壤動物14672頭，隸屬于環節動物和節肢動物2門5綱16目，共50個類群（表2），其中農田樣地中捕獲中型土壤動物為34類，4301頭，防護林樣地捕獲中型土壤動物為44類10371頭。對農田和防護林中型土壤動物種類組成進行分析可以看出，甲螨亞目（Oribatida）和中氣門亞目（Mesostigmta）都是優勢類群，這兩個類群在農田和防護林樣地中所占的比重均達75%以上，是絕對的優勢類群；農田和防護林的常見類群也有很大的一致性，棘跳蟲科(Onychiuridae）、蟻科（Formicidae）、前氣門亞目（Prostigmata）等節跳蟲科（Isotomidae）、長角跳蟲科（Paronellidae）在農田和防護林中均是常見類群，此外在農田中的常見類群還有隱翅甲科（Staphylinidae），防護林樣地中的搖蚊科（Chironomidae）是常見類群，農田中常見類群的6個類群個體數量占總個體數量的17.19%，防護林常見的6個類群個體數量占總個體數量的11.64%。

表2 農田和防護林各樣地中型土壤動物個體數量和類群數

對比農田及防護林樣地中型土壤動物個體數能夠看出，防護林總個體數量遠高于農田樣地，農田樣地總個體數為4031，而防護林為10371，是農田樣地個體數量的2倍多，分析不同處理樣地也表現出防護林遠高于農田的特征，對農田和防護林樣地個體數量進行差異性分析顯示差異性顯著（F=17.849，P=0.006）；對比農田和防護林中型土壤動物類群數量得出，不論是總類群數，還是各處理樣地都表現出防護林高于農田的特點，對農田和防護林樣地類群數進行差異分析顯示二者差異性顯著（F=9.306，P=0.022）。

比較農田不同濃度樣地個體數和類群數看出，個體數表現為TN1＞TN0＞TN2＞TN3，類群數為TN2＞TN1＞TN0＞TN3，說明在農田中等濃度氮肥（TN1、TN2）施加樣地中型土壤動物個體數量和類群數量較多，高濃度氮肥（TN3）施加使個體數和類群數降低，對不同施肥濃度樣地中型土壤動物個體數和類群數進行差異分析顯示在不同濃度條件下，農田土壤動物群落個體數和類群數差異性不明顯（F=0.270，P=0.845；F=1.293，P=0.341）；分析防護林中型土壤動物個體數表現為LN3＞LN0＞LN1＞LN2，類群數表現為LN0＞LN3＞LN2＞LN1，說明在防護林中較高濃度氮肥干擾和不施加氮肥情況下中型土壤動物個體數和類群數較高，中低濃度氮肥施加（LN1，LN2）個體數和類群數偏少，對不同施氮濃度防護林土壤動物個體數和類群數進行差異性分析顯示二者的差異性不明顯（F=1.459，P=0.297；P=2.223，P=0.163）。

（二）施氮肥對農田及防護林中型土壤動物群落特征指數的影響。依據1.4 中公式，對農田及防護林各樣地中型土壤動物群落的多樣性、均勻度、優勢度、豐富度等特征指數進行計算，結果見表3。比較相同濃度處理下農田和防護林中型土壤動物群落特征指數可以看出，個體數、類群數和豐富度指數表現為防護林高于農田，多樣性指數和均勻度指數表現為農田高于防護林，優勢度指數在未施氮肥處理下表現為農田高于防護林，在氮肥處理的樣地表現為防護林高于農田。說明不論是否施肥，農田中型土壤動物個體數、類群數和豐富度均低于防護林樣地，而多樣性和均勻性指數則高于防護林樣地。

表3 農田與防護林不同處理樣地中型土壤動物群落特征指數

各行相同字母表示差異不顯著（P＞0.05）

對農田和防護林不同施氮肥濃度樣地中型土壤動物群落特征指數進行比較分析，農田樣地多樣性和均勻度指數均表現為TN2最高，TN0最低，優勢度表現為TN0最高，TN1最低，豐富度指數表現為TN1 最高，TN2 最低；防護林樣地多樣性最高為LN3，最低為LN2，均勻度指數最高為LN0，最低為LN2，優勢度指數最高為LN0，最低為LN2，豐富度指數最高為LN3，最低為LN0。整體看不同濃度氮肥處理的農田和防護林樣地表現出的規律性不明顯，但分別對農田和防護林分析可以看出，農田樣地的多樣性指數、均勻度指數在中等濃度施氮肥（TN2）為最高，在不施氮肥（TN0）情況下最低；防護林則于此與此相反，說明氮肥處理對中型土壤動物群落結構變化與原有群落環境有很大關系。

差異性分析可以看出，只有均勻度指數在農田和防護林表現出顯著差異性（F=23.886，P=0.03），多樣性指數、優勢度指數和豐富度指數在農田和防護林的差異性均不顯著（P＞0.05）；對不同濃度處理樣地群落特征指數進行差異性分析，除個體數量和均勻度指數在不同濃度處理樣地間存在顯著差異外，群落類群數、多樣性指數、均勻度指數、豐富度指數在各樣地均沒有顯著差異性。

（三）施氮肥對農田及防護林中型土壤動物群落垂直結構的影響。對農田和防護林各樣地中型土壤動物個體數和類群數量分層進行統計結果見表4，可以看出農田中型土壤動物個體數量除高濃度氮肥（TN3）表層較低外，其它都具有明顯的表聚性特征；類群數在TN0 和TN3 表層較小，TN2，TN3 表層顯著高于下層。對農田中型土壤動物個體數和類群數在不同土層之間差異性進行分析顯示二者在各土層之間均不具有顯著差異性（F=1.644，P=0.246；F=0.148，P=0.856）；防護林各樣地的個體數量均表現出由表層向下減少的表聚性特征，類群數在LN0 和LN3 表層低于下層，LN1，LN2 表層高于下層，差異性分析顯示防護林中型土壤動物個體數和類群數在不同土層之間均具有顯著差異性（F=11.121，P=0.001；F=4.644，P=0.023）。

表4 農田和防護林不同處理樣地中型土壤動物個體密度和類群數量的垂直結構

對農田和防護林各土層（凋落物層除外）中型土壤動物個體數和類群數進行差異性分析，結果顯示在0-5cm、5-10cm層，個體數和類群數均不具有顯著差異（P＞0.05）；在10-15cm層類群數差異顯著（F=11.308，P=0.015），個體數差異不明顯（F=0.187，P=0.680）。

（四）施氮肥不同時間后中型土壤動物群落結構的變化。對施肥后1個月、3個月、5個月農田和防護林各處理樣地中型土壤動物個體數和類群數進行統計（表5），從表中可以看出農田個體數量除TN2為施肥5個月最高，1個月最低外，其他均表現為施肥后1個月最高，施肥5個月數量最低；農田類群數也表現出大致相同的規律，TN2 為1 個月＞5 個月＞3 個月，其他樣地表現為1個月＞3個月＞5個月的特點；防護林個體數在LN0為3個月＞5 個月＞1 個月，LN3 為5 個月＞3 個月＞1 個月，在LN1 和LN2樣地表現為1個月＞3個月＞5個月，類群數除LN0為5個月＞3個月＞1個月外，其他都是1個月＞3個月＞5個月。說明在農田和防護林均表現出隨著施肥后時間的增長，中型土壤動物個體數和類群數降低的趨勢。

表5 農田和防護林氮肥處理后不同時間中型土壤動物群落結構

對各月農田與防護林間的個體數和類群數進行差異分析，施肥1 個月后農田和防護林中型土壤動物個體數和類群數具有顯著差異性（F=10.069，P=0.019；F=11.368，P=0.015），施肥3 個月后二者間的個體數和類群數差異也很顯著（F=8.226，P=0.028；F=12.115，P=0.013），施肥5 個月后二者之間個體數和類群數差異性不顯著（F=4.325，P=0.083；F=2.305，P=0.180）。

三、結論與討論

對氮肥處理的農田和防護林中型土壤動物進行調查，共獲得中型土壤動物14672 頭，隸屬于環節動物和節肢動物2門5 綱16 目，共50 個類群，其中農田樣地中捕獲中型土壤動物為34 類，4301 頭，防護林樣地捕獲中型土壤動物為44 類10371 頭。

農田和防護林個體數和類群數量相差較大，防護林總個體數量遠高于農田樣地，是農田樣地個體數量的2倍以上，類群數也表現出防護林高于農田的特點，差異性分析顯示農田和防護林個體數和類群數均有顯著差異性，這與農田和防護林不同的環境條件有關，也印證了防護林作為農田區域生物多樣性的物種資源庫的價值所在。

農田中型土壤動物群落表現出中等濃度氮肥施加樣地（TN1、TN2）個體數和類群數較高，而高濃度氮施樣地（TN3）較低的現象，說明N肥對中型土壤動物群落個體數和類群數影響具有一定的閾值現象，這與很多學者的研究結果具有一致性[8,14,15]，也符合中等干擾理論學說的結論[16,17]，但在防護林卻表現出較高濃度氮肥干擾（LN3）和不受氮肥干擾（LN0）樣地中型土壤動物個體數和類群數較高，中等濃度氮肥干擾（LN1，LN2）個體數和類群數偏少的現象，這可能與防護林土壤中氮含量相對較高有關系。農田樣地的多樣性指數和均勻度指數表現出中等濃度氮肥干擾樣地（TN2）較高，不受氮肥干擾樣地（LN0）較低的現象，也顯示出一定閾值現象，防護林則有與農田表現相反的特征；對比農田和防護林中型土壤動物群落特征指數顯示，不論是否有氮肥干擾，農田中型土壤動物多樣性和均勻性指數均顯著高于防護林樣地，而豐富度低于防護林樣地，這也說明氮肥對中型土壤動物群落結構的干擾與原有土壤環境具有很大的關系。

農田和防護林中型土壤動物個體數和類群數表現出表層高于下層的表聚性特點，這與土壤養分由表層向下降低有關[18,19]，但也有樣地表現為下層高于表層的現象，尤其是在農田樣地，由于人為耕作使不同土層之間相互擾動，使不同土層間養分差異不大，各層次間土壤動物個體數和類群數差異也不顯著，而防護林樣地由于人為對不同土層擾動較少，使個體數和類群數在不同土層間差異性顯著。

施肥后不同時間中型土壤動物個體數量和類群數量在農田和防護林有大體相同的變化趨勢，表現出1個月＞3個月＞5個月的規律，即，隨著施肥后時間的增長，農田和防護林個體數和類群數都逐漸降低。這可能與氮肥逐漸消耗減少有關，此外也可能與不同取樣季節水熱狀況的差異有關，由于對土壤樣品理化性質只在施肥一個月后測定了1次，且沒有對實驗年份樣地溫度和降水等氣候因子進行記錄，故隨著施肥后時間增長中型土壤動物群落個體數和類群數減少的變化規律是否具有普遍性還需要后續試驗進一步驗證。