秸秆是农田生态系统物质循环的重要物质基础^[1], 是农业生产中重要的生物质资源, 秸秆分解后, 能有效增加土壤有机质含量, 改变土壤物理结构, 进而影响土壤肥力和土壤质量^[2-4]。中小型土壤动物是农田生态系统物质循环的重要组成部分^[5], 蜱螨目和弹尾目是分布广、种类和数量极为丰富的中小型土壤动物, 是土壤动物和土壤生态系统的重要组成成分, 在改善土壤理化性质、提高土壤肥力、促进植物对养分的吸收等方面发挥关键的作用^[6-9], 并且能够对环境的变化迅速做出反应^[10-11]。近年来, 随着对秸秆在农田生态系统的重要性认知的不断提高, 秸秆对土壤动物群落的影响日益受到关注, 但国内外的研究主要关注生长季秸秆对土壤动物群落结构、多样性、分布格局等方面的影响^[12-19], 有关冬季秸秆对土壤动物影响的研究鲜见报道。而冬季的气温变化是东北地区气温变化中最为明显的季节^[20-21]。因而, 对东北黑土区冬季蜱螨目和弹尾目群落的研究, 有利于进一步揭示中高纬度生物多样性对全球变化的响应。东北黑土农田玉米秸秆处理方式主要为机收秸秆还田、人工收获秸秆移出和人工收获秸秆未移出, 不同的玉米秸秆处理方式可能会对农田土壤动物群落结构和多样性产生影响, 继而对其生态系统功能产生潜在影响。本研究在典型的东北黑土农田分布区, 通过调查3种不同的玉米秸秆处理样地的蜱螨目和弹尾目, 来揭示冬季玉米秸秆对土壤动物群落的影响。

本研究基于黑龙江省哈尔滨市呼兰区黑土农田生态系统, 以土壤中的蜱螨目和弹尾目为研究对象, 阐明以下科学问题：冬季黑土农田3种不同的玉米秸秆处理方式(1)对蜱螨目和弹尾目群落个体数和物种数的影响；(2)对蜱螨目和弹尾目的群落结构组成特征的影响；(3)对蜱螨目和弹尾目群落多样性的影响；并说明冬季土壤因子对蜱螨目和弹尾目群落的影响。旨在揭示冬季3种不同的玉米秸秆处理方式对蜱螨目和弹尾目群落的影响, 促进黑土农田土壤动物群落生态学的进展。

1 研究区概况

研究区位于黑龙江省哈尔滨市呼兰区石人镇石人村的黑土农田(46°17′N, 126°51′E), 属北温带大陆性季风气候, 年平均气温3.3℃, 降水多集中在7—9月, 历年平均降雨量500.4 mm, 平均年无霜期142.7 d。研究区属松嫩平原, 海拔115—150 m。截至2016年, 呼兰区共有土地资源总面积21.4万hm², 已开垦耕地15.5万hm², 占总面积72.4%, 可耕地中土质养分含量高, 宜耕性良好的黑土、黑钙土居多, 占耕地面积的70%以上, 呼兰境内以玉米为主要作物, 是重要商品粮基地。

2 研究方法 2.1 实验设计

实验样地设置在具有30年以上开发历史的黑土农田, 且连续10年种植作物均为玉米, 实验当年种植品种为正泰1号。将实验样地设置在农田的核心区域, 与边缘的田间小路、林带、沟渠至少保持50 m以上的距离, 与村庄保持500 m以上的距离。2018年黑龙江省人民政府办公厅禁止秸秆露天焚烧政策出台后, 当地绝大多数农民对秸秆的处理方式主要有3种, 分别为机收秸秆还田(MH, machine-harvested corn stalks returning to the field), 人工收获秸秆移出(AH, artificially harvested corn stalks removing)和人工收获秸秆未移出(NR, artificially harvested corn stalks not removing)。MH是秋收时使用玉米联合收割机将秸秆粉碎后直接覆盖地表；AH是秋收时使用镰刀在秸秆距离地面约15厘米处收割, 并将秸秆移出田间, 留茬过冬；NR的收割方式同AH, 但秸秆不移出田间也不粉碎, 直接做成秸秆垛覆盖在地表, 每垛玉米秸秆之间至少间隔50 cm。本实验选择这3种不同的玉米秸秆处理方式的农田作为样地(图 1), 3种不同的玉米秸秆处理时间为2018年10月1日到8日之间, 每种玉米秸秆处理方式设置3个重复样地, 每个样地的面积至少为6.5 m×200 m。9个样地随机排列, 同种玉米秸秆处理方式之间不相邻, 且至少间隔10 m以上。

2.2 野外样品采集与室内实验分析

本研究于2018年12月8日进行土壤动物取样, 当日为研究区入冬以来最寒冷的一天, 日平均气温-18.5℃, 低于当月均温-13.5℃。在每个样地内随机选取不相邻的3垄, 在每垄的垄台上随机选取1个采样点, 每个样地设置3个采样点, 每个采样点之间至少间隔50 m。MH、AH样地分别在每个采样点挖取1个20 cm×20 cm×20 cm的土柱；在NR样地将覆盖垄台的秸秆垛拨开, 然后在每个采样点挖取1个20 cm×20 cm×20 cm的土柱。将每个采集的样品放在面积约9 m²的台布上, 弄碎并充分混匀后称取1 kg土样作为一个样品。本实验分别采集土壤动物和土壤分析样品27个, 即3种玉米秸秆处理样地×3重复样地×3采样点。回到室内采用烘干法进行土壤含水量的测定；采用Tullgren漏斗法进行蜱螨目和弹尾目分离, 将样品置于室内10d自然风干。分离得到的蜱螨目和弹尾目于95%酒精中保存。在显微镜下观察、分离和鉴定, 并统计个体数量和物种数量, 蜱螨目和弹尾目分别鉴定到种^[22-25], 成虫和若虫分开计数, 仅将成体用于后续分析^[26-27]。土壤有机质、全氮、全磷由中国科学院东北地理与农业生态研究所公共技术服务中心测定(http://service.iga.cas.cn/)。

2.3 数据处理与分析 2.3.1 土壤动物群落基本特征

以每个采样点获取的数据作为一个样本, 3种不同的玉米秸秆处理方式的数据分别作为3个群落, 计算蜱螨目和弹尾目群落(蜱螨目和弹尾目群落的总和, 后统称为中小型土壤动物群落)、蜱螨目群落和弹尾目群落的个体数、物种数和划分多度等级。按照个体数占总捕获量的百分比来划分多度等级, 个体数占总捕获量10%以上为优势种(+++)、个体数占总捕获量1%—10%为常见种(++)、个体数占总捕获量1%以下为稀有种(+)。

本研究使用Shapiro-Wilk检验方法对土壤动物的个体数和物种数进行正态分布检验, 对不符合正态分布的数据进行ln(x+1)转换, 使其符合或近似符合正态分布。3种不同的玉米秸秆处理方式下土壤动物群落个体数和物种数等数据间的差异显著性, 利用单因素方差分析(Oneway-ANOVA)和多重比较(Tukey HSD方法)来进行检验。

2.3.2 群落多样性

采用以下方法^[28-29]计算土壤动物群落的多样性：

(1) Shannon-Wiener多样性指数：

(2) Pielou均匀性指数：

(3) Simpson优势度指数：

(4) Margalef丰富度指数：

式中, P_i为群落第i个物种的个体数占总个体数的比例；S为群落所有物种数；n_i为该群落内第i个物种的个体数；N为全部物种的总个体数。

2.3.3 典范对应分析

典范对应分析(canonical correspondence analysis, CCA)是基于对应分析发展而来的一种排序方法, 将对应分析与多元回归分析相结合, 每一步计算均与环境因子进行回归, 又称多元直接梯度分析^[20]。在典范对应分析中, 稀有种(＜1%)的存在会影响结果, 使最终解释与实际有所偏差。因此在进行典范对应分析时, 先将稀有种(＜1%)剔除再对其他物种与土壤因子进行相关性分析, 分析每个土壤环境因子对物种分布的解释量是否具有显著性。

2.3.4 通径分析

通径分析是由Sewall Wright在1921年提出的分析变量间因果关系的一种多元统计分析方法, 可研究自变量对因变量的直接重要性和间接重要性^[30]。本文采用通径分析方法确定在种的分类阶元上, 土壤动物优势种和常见种对土壤动物群落多样性指数的直接和间接影响及综合效应。

在Microsoft Excel 2010中对原始数据进行基本的分析和预处理。使用R 3.5.1软件中的vegan软件包中的shaprio.test函数进行正态分布检验；aov函数进行单因素方差分析；diversity函数计算物种多样性指数；cca函数进行典范对应分析；permutest函数进行蒙特卡罗置换检验；使用Multcomp软件包中的glht函数进行多重比较分析。通径分析采用SPSS 23.0软件完成。

3 结果与分析 3.1 3种不同的玉米秸秆处理方式下中小型土壤动物群落组成特征

共采集中小型土壤动物1713只22种(表 1), 捕获蜱螨目的个体数(P < 0.001)和物种数(P < 0.001)均显著的多于弹尾目。其中, 优势种为Ramusella sengbuschi和Polyaspinus sp., 优势种共占捕获总个体数的75.72%；常见种为Epilohmannia ovata、Pachylaelaps sp.、Scheloribates laevigatus、Mesostigmata sp.、Thalassaphorura encarpata和Isotomiella minor, 常见种占捕获总个体数的19.74%；其余14种为稀有物种, 占捕获总个体数的4.56%。3种不同的玉米秸秆处理方式间, AH的个体数最少, 仅有401只, 占总个体数的23.41%, MH的个体数最多, 有739只, 占总个体数的43.14%；物种数以AH最多, 为17种, MH和NR最少, 均为16种(表 1)。

3.1.1 3种不同的玉米秸秆处理方式下蜱螨目群落组成特征

共捕获蜱螨目1624只12种。蜱螨目个体数表现为MH＞NR＞AH；物种数表现为AH=NR＞MH。MH的优势种为Ramusella sengbuschi和Polyaspinus sp., 常见种为Epilohmannia ovata、Pachylaelaps sp.、Scheloribates laevigatus和Mesostigmata sp., 其余3种为稀有种。AH的优势种为Ramusella sengbuschi、Polyaspinus sp.和Scheloribates laevigatus, 常见种为Epilohmannia ovata、Haplozetes sp.、Scheloribates laevigatus、Tectocepheus velatus和Mesostigmata sp., 其余2种为稀有种。NR优势种为Ramusella sengbuschi、Polyaspinus sp.和Mesostigmata sp., 常见种为Epilohmannia ovata和Scheloribates laevigatus, 其余5种为稀有种。Ramusella sengbuschi和Polyaspinus sp.在3种不同的玉米秸秆处理方式下, 均为优势种, 占捕获蜱螨目个体数的79.87%。单因素方差分析显示, 3种不同的玉米秸秆处理方式下, 蜱螨目的个体数、物种数差异不显著(表 2)。

3.1.2 3种不同的玉米秸秆处理方式下弹尾目群落组成特征

共捕获弹尾目89只10种。MH、AH和NR分别捕获38、15和36只, 分别隶属于7、7和6种。MH的优势种为Thalassaphorura encarpata、Isotomiella minor、Desoria sp.和Parisotoma cf ekmani, 占MH个体数的86.84%, 其余3种为常见种, 占个体数13.16%。AH的优势种为Orchesellides sinensis、Isotomiella minor、Folsomides parvulus、Desoria sp.和弹尾目未定种2, 占AH个体数的86.66%, 其余2种为常见种, 占个体数13.34%。NR的优势种为Orchesellides sinensis、Thalassaphorura encarpata、Isotomiella minor和弹尾目未定种2, 占NR个体数的86.52%, 其余2种为常见种占个体数13.48%。MH、AH和NR均无稀有种, Isotomiella minor在MH、AH和NR均为优势种。3种不同的玉米秸秆处理方式下, 弹尾目的个体数和物种数存在一定的差异, 但单因素方差结果表明差异不显著(表 3)。

3.2 3种不同的玉米秸秆处理方式下中小型土壤动物群落多样性变化特征

从表 4可以得知, NR的Shannon-Wiener多样性指数高于MH和AH, 说明NR促进了冬季黑土农田中小型土壤动物群落的多样性。Pielou均匀性指数和Simpson优势度指数依次是NR>AH>MH, 说明NR具有最高的均匀性, 此样地中各物种分配的最均匀, NR的Simpson优势度指数高于MH和AH, 说明NR中某个物种的个体数占该生境总个体数的比例较高, 这是蜱螨目物种Polyaspinus sp., 其个体数占NR总个体数的37.00%。Margalef丰富度指数为AH> NR> MH, 说明AH样地中小型土壤动物群落的丰富程度最高, 生物种类最多。

3种不同的玉米秸秆处理方式下, 优势种和常见种对中小型土壤动物群落多样性指数的通径分析表明, Thalassaphorura encarpata对群落多样性指数的总效应最大, 其次是Mesostigmata sp.和Scheloribates laevigatus；与蜱螨目物种相比弹尾目的两个物种对群落多样性指数的直接效应较小, 但总效应却相对提高；弹尾目Thalassaphorura encarpata与其他物种共生环境中有助于提升群落的多样性水平, 并且弹尾目Thalassaphorura encarpata通过蜱螨目对提高群落多样性的间接贡献率要大于其直接贡献率(表 5)。

3.2.1 3种不同的玉米秸秆处理方式下蜱螨目群落多样性变化特征

蜱螨目Shannon-Wiener多样性指数、Pielou均匀性指数和Simpson优势度指数均为NR＞AH＞MH；而Margalef丰富度指数为AH＞NR＞MH。蜱螨目群落多样性指数变化趋势和中小型土壤动物群落多样性指数的变化趋势一致, 即Shannon-Wiener多样性指数、Pielou均匀性指数和Simpson优势度指数最大值均出现在NR, 其次是AH, 最小值出现在MH；Margalef丰富度指数的最大值出现在AH, 其次是NR, 最小值出现在MH(表 4)。

3.2.2 3种不同的玉米秸秆处理方式下弹尾目群落多样性变化特征

3种不同的玉米秸秆处理方式下, 弹尾目的Shannon-Wiener多样性指数、Simpson优势度指数和Margalef丰富度指数均为AH＞MH＞NR, 而Pielou均匀性指数为AH＞NR＞MH。弹尾目群落各多样性指数和中小型土壤动物群落多样性指数的变化趋势不同, 中小型土壤动物群落Shannon-Wiener多样性指数和Simpson优势度指数最大值出现在NR, 而弹尾目群落的Shannon-Wiener多样性指数和Simpson优势度指数的最小值出现在NR(表 4)。

3.3 3种不同的玉米秸秆处理方式下中小型土壤动物群落与土壤因子间的关系

通过CCA分析(图 2)可以看出：在MH处理方式下, 对中小型土壤动物物种分布影响最大的是全磷, 4个土壤因子的解释量为62.80%, Polyaspinus sp.与全磷存在显著正相关关系；Ramusella sengbuschi与全磷存在显著负相关关系；Mesostigmata sp.和Thalassaphorura encarpata与含水量存在正相关关系；Pachylaelaps sp.和Isotomiella minor与全氮、有机质存在正相关关系。在AH处理方式下, 对中小型土壤动物物种分布影响最大的是全氮, 4个土壤因子的解释量为64.03%, Ramusella sengbuschi与含水量存在显著正相关关系；Scheloribates laevigatus与全氮存在正相关关系；Haplozetes sp.、Polyaspinus sp.和Mesostigmata sp.与全氮存在负相关关系；Ramusella sengbuschi和Tectocepheus velatus与有机质、全磷存在负相关关系。在NR处理方式下, 对中小型土壤动物物种分布影响最大的是全磷, 4个土壤因子的解释量为53.70%, Epilohmannia ovata、Ramusella sengbuschi和弹尾目未定种2与有机质存在正相关关系；Polyaspinus sp.、Orchesellides sinensis和Thalassaphorura encarpata和Mesostigmata sp.与全氮存在显著正相关关系；Isotomiella minor与有机质存在负相关关系；Isotomiella minor与含水量、全磷存在正相关关系。

4 讨论 4.1 3种不同的玉米秸秆处理方式对中小型土壤动物群落组成的影响

不同的玉米秸秆处理方式对土壤环境具有不同的影响, 进而会引起中小型土壤动物群落结构和组成发生变化。农田土壤动物群落结构主要受到土壤有机质含量、土壤含水量和土壤温度等因子的影响^[31]。3种不同的玉米秸秆处理方式下, 土壤动物的物种数没有达到显著差异。刘鹏飞^[1]等研究秸秆还田对黑土区西部农田中小型土壤动物群落的影响时发现, 秸秆还田后土壤动物的物种数高于对照组, 但没有达到显著差异。在本研究中, 有秸秆覆盖的MH和NR土壤动物的个体数与没有秸秆覆盖的AH土壤动物相比个体数较多, 原因可能是玉米秸秆覆盖在地表, 能有效的减少土壤水分的散失, 减缓土壤温度的变化, 为土壤动物提供了更优良的栖息环境^[32]。而AH样地农田地表裸露, 没有秸秆覆盖, 含水量^[33]会相对降低, 地表温度变化大。Eaton等^[34]指出地表凋落物被移走将减少生境中弹尾目的个体数量, 李泽兴^[15]等指出随玉米秸秆覆盖量增加农田土壤动物数量增加, 裸露的农田土壤动物的个体数逐渐减少, 但没有显著变化。虽然二者的研究季节与本研究的季节不同, 但这一发现与本研究结果具有一致性, 即裸露的农田地表较有覆盖物的农田地表相比, 土壤动物的个体数较少, 且变化差异不显著。

土壤动物对温度响应敏感, 在温度较低或土壤冻结状体下表现出较低的活性甚至进入休眠状态^[35-36]。冬季气温寒冷致使土壤冻结极大地限制了土壤动物的存活, 因此土壤动物在冬季维持着较低的个体数和物种数。在本次调查取样过程中, 除了用来分析的蜱螨目和弹尾目的成虫以外, 还捕获到14550只幼体, 远远高于本实验捕获的1713只成体, 其中以若螨占优势, 其个体达到12866只, 占全部幼体的88.43%。这可能是本实验在室内分离样品的过程中, 温暖的室内环境使土壤解冻, 大量蜱螨目和弹尾目苏醒或孵化, 从而导致收集较多的幼体。这种现象在其他研究中也有发现, 对极地地区的土壤动物研究表明, 蜱螨目和弹尾目可以在冻结的土壤中存活, 当将自然条件下冻结的土壤放在10℃温度下7d后, 土壤解冻后大量的土壤动物即可苏醒(recover activity), 并成功的被分离提取出来^[37]。根据邵元虎^[38]和Lavelle P^[39]的研究结果表明, 蜱螨目和弹尾目耐极端温度的特性使它们适应各种类型的土壤, 包括南极寒冷沙漠到热带沙漠, 寒冷苔原到温暖草地都有蜱螨目和弹尾目的分布。部分蜱螨目和弹尾目甚至可以在-22℃冻结的土壤中存活四年^[40]。但是从本次调查结果来看, 在3种不同的玉米秸秆处理方式下, 无论是成体还是幼体, 蜱螨目的个体数和物种数均大于弹尾目, 说明在蜱螨目是研究区冬季占优势的中小型土壤动物。

4.2 3种不同的玉米秸秆处理方式对中小型土壤动物群落多样性的影响

物种多样性是群落生物组成结构的重要指标, 反映群落内物种的多少和生态系统食物网络的复杂程度, 从而比较各群落间的相似性及差异性^[41]。本文采取了4个在多样性研究中常用的指数来分析冬季黑土农田蜱螨目和弹尾目的群落多样性特征。通常Simpson优势度指数能够反映群落中各物种数量的变化情况, Simpson优势度指数越大, 说明群落内物种数量分布不均匀, 优势物种地位越突出^[42]。从中小型土壤动物群落和蜱螨目群落来看, NR的Simpson优势度指数最高, 这主要是蜱螨目物种Polyaspinus sp.的数量较高造成的, 说明相对于MH和AH, NR的环境更适合Polyaspinus sp.存活。在本研究中, NR样地中小型土壤动物Shannon-Wiener多样性指数与Pielou均匀性指数都高于MH和AH。这是由于NR样地中秸秆垛除了为土壤动物提供食源外, 还能够影响土壤动物生存的微环境, 如较厚的秸秆垛能够保持土壤温度、降低近地表风速、改善土壤水分、降低土壤容重、增加土壤透气性、提供多样化的生境, 这些因素可能促进土壤动物的活动、并增加了其多样性^[43]。而同样有秸秆覆盖的MH的Shannon-Wiener多样性指数与Pielou均匀性指数却低于没有秸秆覆盖的AH, 这可能与组成MH群落中一些物种优势现象明显有关。本研究结果显示3种不同的玉米秸秆处理方式对中小型土壤动物群落、蜱螨目群落和弹尾目群落的Shannon-Wiener多样性指数、Pielou均匀性指数、Simpson优势度指数、Margalef丰富度指数没有显著影响(P＞0.1), 徐演鹏等^[44]在生长季研究秸秆还田对黑土农田中小型土壤节肢动物群落的影响时发现, 秸秆处理对中小型土壤节肢动物群落多样性指数没有显著性影响。虽然与本实验的研究季节有所不同, 但结果都显示秸秆处理对中小型土壤动物群落多样性指数没有显著影响。

基于种分类阶元的通径分析进一步表明, 3种不同的玉米秸秆处理方式下, 中小型土壤动物个体数量最多的物种(Ramusella sengbuschi和Polyaspinus sp.)对中小型土壤动物群落多样性指数的直接效应和总效应贡献率最小, 而个体数量较少的物种(Scheloribates laevigatus、Mesostigmata sp.和Thalassaphorura encarpata)对土壤动物群落多样性指数的综合效应贡献率较大。其中, 弹尾目Thalassaphorura encarpata和Isotomiella minor通过其他类群对提高群落多样性的间接贡献率要大于其直接贡献率, 而蜱螨目与弹尾目正好相反, 可见土壤中弹尾目与蜱螨目的共生有助于提升群落的多样性水平^[45]。

4.3 3种不同的玉米秸秆处理方式下土壤因子对中小型土壤动物的影响

土壤动物群落分布与土壤理化性质关系复杂^[46]。杨佩^[16]在生长季节调查秸秆覆盖免耕条件下中小型土壤动物与土壤因子的关系时发现, 土壤因子对中小型土壤动物物种分布变化的影响不显著。但也有研究表明, 在生长季节中小型土壤动物类群密度与土壤因子呈显著相关性^[4]。本实验发现在3种不同的玉米秸秆处理方式下, 不同的土壤因子对中小型土壤动物物种分布变化影响不同, 全磷、含水量和全氮分别在MH、AH和NR样地对中小型土壤动物物种分布有显著影响。但在这样一个低温的寒冷季节, 仍不清楚全磷、含水量和全氮到底如何影响中小型土壤动物的分布, 相关问题还需要深入的研究。另外, 研究表明土壤温度的微弱变化会对土壤动物造成显著影响^[10], 人为增加土壤温度导致苏格兰温带草地、挪威森林和亚北极地区的土壤动物群落结构和多样性发生显著性变化^[47-49]。不同秸秆处理方式下土壤温度的微变化可能对土壤动物有重要影响, 但受到野外实验条件的限制, 本次实验没有调查土壤温度数据, 建议今后冬季研究要注重土壤温度的监测和调查。

5 结论

本研究以土壤中的蜱螨目和弹尾目为研究对象, 对3种不同的玉米秸秆处理方式下冬季蜱螨目和弹尾目群落结构进行研究。结果表明在3种不同的玉米秸秆处理方式下, 蜱螨目和弹尾目群落的个体数、物种数和群落多样性指数均无显著差异, 但蜱螨目的个体数和物种数均显著高于弹尾目, 说明蜱螨目是冬季黑土农田占优势的中小型土壤动物。人工收获秸秆未移出有利于提高蜱螨目和弹尾目群落结构的多样性, 对蜱螨目和弹尾目具有一定的保护作用。土壤全磷、含水量和全氮与蜱螨目和弹尾目的个体数和物种数密切相关, 本研究为农田土壤动物多样性的保护以及冬季黑土区土壤动物多样性研究提供理论依据。