有機栽培模式下棉田節肢動物多樣性分析

楊亞珍，鐘肖，夏鵬亮，馮佩，馬琪琪，張建民，王香萍，朱建強

1.長江大學農學院，湖北 荊州 434025 2.湖北省煙草公司恩施州公司，湖北 恩施 445000

土壤動物是指其生活中有一段時間定期在土壤中度過、 對土壤有一定影響的動物，包括原生動物、扁形動物、線形動物、軟體動物、緩步動物、環節動物和節肢動物等[1]。其中，節肢動物在土壤中數量最大、分布較最廣、適應性最強[2]。在農田生態系統中，土壤節肢動物是土壤中不可缺少的重要組成部分，對土壤的形成發育及土壤能量的遷移轉化發揮重要作用[3]。同時，土壤節肢動物亦在改善土壤理化性質、促進物質循環等方面扮演著關鍵角色[4,5]。一般來說，土壤節肢動物能粉碎植物殘體，其取食和土壤中的上下移動能獲得耕耘效果[6，7]，而土壤節肢動物群落組成和多樣性受制于土壤孔隙、顆粒、水分、溫度以及有機質等理化性質和地表微生境空間資源變異等[8,9]。農事操作，特別是農業肥料以及農藥的噴施，會造成農業土壤環境的變化，這些外界干擾均會在不同程度上影響土壤節肢動物群落的多樣性變化[10-13]。無機農藥和肥料的噴施可能削弱土壤生態功能，也可能影響與其相關聯的生態系統功能[14-16]，造成生物鏈的破壞甚至引起害蟲大爆發而導致作物減產。

棉花是我國重要的經濟作物，是關系著國計民生的重要戰略物資。在棉花耕地面積不斷縮減卻要保證棉花產量和品質的背景下，積極開展棉花安全生產研究顯得尤為重要[17]。棉田環境是以棉花為中心，且受人為活動干擾的多種害蟲、天敵共存的一個復雜網絡生態系統[18]。棉田中土壤節肢動物的活動關系著棉田土壤有機質的形成和植物殘留物分解及土壤養分的轉化[19]，其類群數、個體密度、多樣性指數等群落結構特征可作為反映棉田土壤環境質量狀況和棉田生態系統變化的量化指標[20,21]。在不同栽培模式下，棉田土壤節肢動物多樣性越高，則代表其群落穩定性越高，對外部環境影響的抵抗能力相應越強，相反則越弱[22]。有機農業是采用一系列可持續發展的農業技術以維持持續穩定的農業生產體系的一種農業生產方式，注重環境保護和安全，禁止施用化學農藥[23]。因此，對有機栽培模式棉田與常規栽培模式棉田土壤節肢動物多樣性進行調查，對于了解棉田土壤節肢動物在不同農業栽培模式下的群落演替與組成結構的變化規律以及害蟲防治具有重要意義[24]。目前，有機栽培模式棉田土壤節肢動物多樣性及發生動態研究相對較少[25]。因此，積極開展有機栽培模式棉田土壤節肢動物多樣性研究可為棉田中害蟲防治和益蟲利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

研究于2017年在武漢博茂有機農業生態示范基地試驗點和孝感安陸市有機種植示范點進行。

武漢博茂試驗點位于武漢蔡甸區侏儒山街軍山外垸，地處沉湖集水區。該試驗區屬北、中亞熱帶過渡性季風氣候，具有熱豐、水富、光足的氣候特征。年降水量1100～1450mm。無霜期 253d，區內日照較充足，日照時數2111.8h/a，光能輻射470.5kJ/cm2，均集中于春、夏、秋三季，具有明顯的溫光同季的特點。年平均氣溫為 16.5℃，其中春季月平均為16℃，夏季27.6℃，秋季 7.5℃，冬季4.8℃。該地區土壤類型為潮土，成土母質為湖積土。

孝感安陸試驗點位于安陸市王義貞鎮朱橋村，試驗區地處桐柏山、大洪山余脈的丘陵與江漢平原北部交匯地帶，地勢北高南低，地貌類型為丘陵崗地。氣候特征為春秋短、冬夏長，四季分明，夏季炎熱多雨。年平均降水量1100mm，年平均氣溫為16.0℃，一月份平均氣溫為2.8℃，七月份平均氣溫為26.1℃，無霜期250多天。該地區耕地為頁巖母質上發育的紫色粉砂質土壤。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤節肢動物調查方法

棉花出苗(2017年4月20)至吐絮結鈴期在武漢博茂和孝感安陸2個試驗點進行調查，每個試驗地點分別作2個處理：常規栽培棉田(當地常規栽培種植方式)和有機栽培棉田(嚴格按照有機栽培模式種植)，分別簡稱為武漢有機棉田、武漢常規棉田、孝感有機棉田、孝感常規棉田。每月調查1次，共取樣6次。

1.2.2 土壤節肢動物取樣和分離方法

試驗棉花株距0.26～0.30m,行距0.80m。每個處理隨機選取3個田間調查樣點進行土樣采集，采集土樣時保持每樣方長×寬×深為20cm×20cm×10cm。先對土壤中大型節肢動物進行調查，然后采用自制的高50cm、直徑40cm、底部為圓錐形的漏斗狀裝置在高溫下分離土壤中的小型節肢動物，分離完畢依據文獻[26]進行鏡檢鑒定。

1.2.3 指數計算

采用物種個體總數、Shannon-Wiener多樣性指數、Pielou均勻度指數和優勢集中性指數分析昆蟲群落的多樣性。各指數按照文獻[21]的計算公式進行計算。

采用DPS 9.50 和Excel 2013軟件對試驗數據進行統計分析，圖表制作使用Sigma Plot 10.0。

2 結果與分析

2.1 不同栽培模式對土壤節肢動物類群的影響

2017年4月至9月分別在2個試驗點對有機栽培模式和常規栽培模式棉田進行土壤取樣調查，調查結果顯示：在武漢博茂試驗點有機栽培模式下捕獲土壤節肢動物5699頭，常規栽培模式下捕獲土壤節肢動物3462頭；在孝感安陸試驗點有機栽培模式下捕獲土壤節肢動物2374頭，孝感安陸試驗點常規栽培模式下捕獲土壤節肢動物2298頭。兩地共捕獲土壤節肢動物共計13833頭，隸屬8綱18目26科(見表1)，其中記錄的科不包括蛛形綱寄螨目和真螨目下屬科以及彈尾目下的跳蟲中各個科。

表1 不同栽培模式棉田土壤節肢動物捕獲數量和比例Table 1 Number and proportion of soil arthropods caught in cotton fields under different cultivation modes

注;表中占比數據為每地捕獲該類土壤節肢動物的總量與占當地總捕獲量的比例。

所捕獲的土壤節肢動物中彈尾目、真螨目、寄螨目均為不同栽培模式下的優勢類群，分別占捕獲土壤節肢動物總量的54.17%、27.78%和12.06%。但常見類群在不同的種植模式下種類和數目均不相同。在武漢博茂試驗點有機栽培模式下只有蟻科為常見種類，占該模式總體個數的1.01%；在武漢博茂試驗點常規栽培模式下也僅有1種常見種，為綜合目么蚰科，占該栽培模式下總個體數的1.21%；在孝感安陸試驗點有機栽培模式下的常見種為隱翅甲科、蟻科、蝽幼蟲以及鞘翅目幼蟲(包括金龜子科幼蟲，瓢甲科幼蟲，步甲科幼蟲等)，其在該模式下占總個體數的比例均大于1.0%；在孝感安陸試驗點常規栽培模式下的常見類群為蟻科以及隸屬寡毛綱的蚯蚓科，分別占該樣點總個體數的0.98%和2.22%。蟻科在兩地不同栽培模式下都為常規類群(見表2)。

表2 不同栽培模式棉田的土壤動物類群組成Table 2 Composition of soil invertebrate communities under different cultivation modes

從稀有類群來看，在武漢博茂試驗點有機栽培模式中稀有類群有22科，其中瓢甲科、蟋蟀科、金龜子科、葉蟬科同時也是該模式下獨有類群；在武漢博茂試驗點常規栽培模式中稀有類群有17科，其中姬蜂科同時也是該模式下獨有類群；在孝感安陸試驗點常規栽培模式下的稀有類群有19科，其中石蜈蚣科、潮蟲科同時也為其獨有類群；在孝感安陸試驗點有機栽培模式下的稀有類群有18科，其中埋葬甲科和雙翅目幼蟲同時也為其獨有類群。

從兩地土壤節肢動物的捕獲量來看，孝感安陸試驗點的紫色粉砂質土壤與武漢博茂試驗點的湖積土相比，湖積土土壤節肢動物類群和數量明顯大于紫色粉砂質土壤中的土壤節肢動物的類群和數量，表明湖積土類型土壤與紫色粉砂質土壤相比可能更適宜土壤節肢動物的生存和繁衍。兩地有機栽培模式土壤節肢動物捕獲數大于其常規栽培模式且在類群數上占一定優勢。

2.2 不同栽培模式對棉田土壤節肢動物多樣性影響

武漢博茂試驗點2種栽培模式的土壤節肢動物在Shannon-Wiener多樣性指數、Pielou均勻度指數和優勢集中性指數上均無明顯差異，有機栽培模式對武漢博茂試驗點土壤節肢動物的群落復雜性、分布均勻度和種群優勢種影響不大(見圖1)。孝感安陸試驗點2種栽培模式的Shannon-Wiener多樣性指數、Pielou均勻度指數和優勢集中性指數與武漢博茂試驗點類似(見圖2)，其間并無顯著差異，表明有機栽培棉田和常規栽培棉田中的農事操作對土壤節肢動物的分布及優勢種類群影響不明顯。

圖1 武漢博茂試驗點棉田土壤節肢動物多樣性 圖2 孝感安陸試驗點棉田土壤節肢動物多樣性Fig.1 Soil arthropod diversity in cotton fields at Wuhan Fig.2 Soil arthropod diversity in cotton fields at Xiaogan Bomao experimental site Anlu experimental site

表3 不同栽培模式棉田土壤中各群落節肢動物科數 Table 3 The number of arthropod families in different communities in cotton field soil under different cultivation modes

2.3 不同栽培模式對棉田土壤節肢動物常見群落的影響

比較分析棉田捕獲節肢動物所屬科數，發現兩地捕獲節肢動物的昆蟲群落、害蟲亞群落和天敵亞群落在科數上并無顯著性差異，但棉田有機栽培模式下，各個群落的科數平均數相對常規栽培模式較高(見表3)。

2.4 不同栽培模式對棉田土壤節肢動物發生動態的影響

圖3 土壤節肢動物不同月份數目動態變化Fig.3 The dynamic change of soil arthropod number in different months

對棉田土壤節肢動物數目進行了整合(見圖3)，土壤節肢動物自4月份開始到6月份呈現明顯上升的趨勢，在7月份開始捕獲土壤節肢動物數目開始減少，可能是因為在天氣溫和的4到6月份土壤節肢動物隨溫度開始向土壤淺層移動，數量逐步增多。而7月份之后高溫天氣增多，土壤節肢動物受到高溫影響又開始向深層土壤移動以躲避高溫。

3 結論與討論

1)土壤節肢動物多樣性調查時間從2017年4月持續到9月上旬。共捕獲土壤節肢動物13833頭，隸屬8綱18目26科(不包括寄螨目、真螨目和彈尾目中的各個科)。其中武漢博茂試驗點和孝感安陸試驗點的有機栽培模式棉田分別捕獲5699頭和2374頭，其常規栽培模式分別捕獲3462頭和2298頭。調查結果表明，在2個試驗點不同栽培模式下均以彈尾目、真螨目和寄螨目為優勢類群，與黃淮平原和吉林黑土區土壤優勢類群研究結果類似[6,27]。

2)武漢博茂試驗點和孝感安陸試驗點兩地的土質分別為湖積土和紫色粉砂質土壤。從獲取的土壤節肢動物的總個體數和總類群數來看，武漢博茂試驗點塊狀的湖積土中捕獲的土壤節肢動物數顯著高于孝感安陸試驗點的捕獲數，可能由于塊狀湖積土有較大的孔隙空間供土壤節肢動物的運動和繁衍，而片層狀的紫色粉砂質土壤間隙較小可能不利于土壤節肢動物的上下遷移，在一定程度上影響了其取食和躲避天敵災害等，因而其土壤節肢動物的生物量相對較少。

3)從不同的栽培模式節肢動物捕獲量來看，有機栽培模式下棉田土壤節肢動物類群數相對于常規栽培模式下棉田土壤節肢動物類群數較多，且其個體密度也較大，表明常規栽培模式的農事操作可能會對土壤節肢動物的種群數和個體密度造成影響，因而使土壤節肢動物類群數和個體數較有機栽培模式少。同時，有機栽培模式下的稀有類群數與獨有類群較常規栽培模式多，可能是由于有機栽培模式較常規栽培模式有更好的小環境，更適合中小型動物生存。但2個試驗點的2種栽培模式的土壤節肢動物在Shannon-Wiener多樣性指數、Pielou均勻度指數和優勢集中性指數上并沒有表現出明顯差異。

4)2個試驗點在所捕獲土壤節肢動物的科數上也無顯著差異。但有機栽培模式在天敵亞群落的科數上都較常規模式高，雖然害蟲亞群落科數也相應升高，但也表明在棉田有機栽培模式下土壤節肢動物相對于棉田常規栽培模式土壤節肢動物可能有更好的營養級聯，這可能是由于棉田常規栽培模式對棉花植株上的節肢動物造成影響較大,導致土壤節肢動物相關的食物網級聯減弱。

5)從不同月份捕獲量動態來看，土壤節肢動物在不同月份捕獲量存在差異，在6月份捕獲量普遍最高，季節變化也可能是影響到土壤節肢動物多樣性的一個重要因素，土壤節肢動物隨著季節的變化而變化，即氣溫變化可能會影響土壤節肢動物在土壤中的上移和下遷。初春時，土壤溫度還未完全回升，土壤節肢動物可能生活在較下層的土壤中；春季及春夏交替的較適宜氣候條件下，土壤節肢動物繁衍迅速并開始向土壤表面遷移；而高溫的盛夏其數量明顯下降，究其原因可能是由于土壤節肢動物躲避高溫而向下遷移所造成的。