施加生物質炭對風沙土土壤線蟲群落結構的影響

賈遠彬，陳康怡，叢孟菲，胡洋，唐光木，徐萬里，朱新萍，賈宏濤,4

（1.新疆農業大學資源與環境學院，烏魯木齊 830052；2.新疆農業科學院土壤肥料與農業節水研究所，烏魯木齊 830091；3.北京農學院生物與資源環境學院/農業農村部華北都市農業重點實驗室，北京 102206；4.新疆土壤與植物生態過程重點實驗室，烏魯木齊 830052）

線蟲是地球低等無脊椎生物中最為豐富的一類，是土壤動物中主要的功能類群之一[1]，可作為指示土壤生態系統恢復力以及土壤環境健康的指標[2]，例如：施加有機肥以及秸稈還田能夠有效抑制麥田中植食類線蟲的豐度，并提升捕食/雜食類線蟲的豐度，進而提高線蟲成熟度指數（MI），有利于土壤食物網的穩定[3]；秸稈還田對食細菌線蟲的繁殖具有促進作用，可抑制植食類線蟲的繁殖，優化線蟲群落結構，從而改善土壤狀況[4]。因此，土壤線蟲在指示土壤環境健康、促進物質循環及能量流動方面具有重要意義[5]。

生物質炭是動植物殘體在完全或部分缺氧的情況下經過高溫裂解碳化產生的一類芳香化且難熔的固態物質[6]。生物質炭所具有的孔隙結構會影響土壤的通氣性和保水性，并為微生物、土壤動物的生長發育提供繁殖空間和良好的棲息環境[7]。目前關于生物質炭對土壤改良效應的研究多為短期施入或者連續施加研究，且主要集中在生物質炭對土壤物理和化學性狀方面的影響[8]，生物質炭施加于土壤后，在環境因素的作用下，發生凍融交替、干濕交替以及氧化作用等，導致生物質炭發生老化，隨著時間的延長生物質炭也會改變土壤物理化學性質，例如土壤pH、含水量、土壤養分以及微生物群落等，這些都是影響線蟲群落生長的因素[9-11]。研究表明紅壤中加入生物質炭會對線蟲不同營養類群豐度產生影響[12]，低量生物質炭的施加對土壤動物群落起促進作用，但若施炭量過高則可能對土壤動物群落產生負面影響[13-14],Liu等[15]研究發現，紅壤中連續施入生物質炭2 年后，60 t·hm-2施加量抑制了線蟲的多個營養類群的生長。也有研究發現水稻土中5 t·hm-2的施炭量促進了捕食/雜食類線蟲的生長，而40 t·hm-2則對其產生了抑制作用[16]。在黃褐土上施炭5 年后，線蟲群落的總豐度和捕食/雜食類線蟲的豐度增加[9]。綜上可知，由于施加量和土壤類型不同，生物質炭施加一定年限后對土壤線蟲群落不同營養類群作用并不一致，促進或抑制作用均有表現，目前關于風沙土生物質炭施加年限及生物質炭老化對土壤線蟲群落結構影響的研究還少有報道。風沙土是新疆主要的障礙性土壤之一，也是重要的后備耕地之一，主要分布在塔克拉瑪干沙漠和古爾班通古特沙漠邊緣地區，占新疆土地面積的22.5%，風沙土結構松散、保水保肥能力差，肥力低下，土壤生產力較低[17]。生物質炭技術的應用為風沙土改良和地力提升提供了新前景，但針對風沙土改良的研究中，尚缺少用土壤線蟲相關指標來反映生物質炭施加時間對土壤健康的影響研究。因此，本研究以風沙土為供試土壤，探究生物質炭施加7 年與1 年后對風沙土土壤線蟲群落結構特征的影響，試圖從土壤生物角度揭示生物質炭一次施加后隨時間延長對土壤健康的影響，為確定生物質炭科學施加量以及間隔時間提供科學的參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

盆栽所用土壤采集于新疆石河子墾區兵團農八師121 團炮臺土壤改良試驗站，土壤類型為風沙土。試驗站年平均氣溫7.5 ℃，日照2 525 h，無霜期169 d，年降雨量225 mm，年蒸發量1 250 mm。試驗所用生物質炭為河南三利新能源有限公司提供的小麥秸稈炭，在450 ℃限氧條件下炭化5 h，粉碎后過2 mm 篩。玉米品種為“新玉53號”。

1.2 試驗設計

盆栽試驗花盆直徑25 cm、高25 cm，每盆裝15 kg土壤。盆栽試驗分為兩組：A 組風沙土來自2014 年布置的施加不同量生物質炭的原位長期定位試驗田，玉米連作7年，施加生物質炭處理見表1，每個處理設置3 個重復；C 組為2021 年未施加生物質炭且未種植玉米的原位田間風沙土，依據原位長期定位試驗生物質炭施加量，計算出每盆生物質炭施加量，使施炭量與長期定位試驗田施加量保持一致，同時以田間未施生物質炭風沙土為對照。試驗所用化肥施加量及農藝措施與土壤改良試驗站常規大田一致。玉米收獲后采集各處理盆栽內土壤，挑除植物根莖后分成兩份帶回實驗室，一份鮮土樣置于4 ℃冰箱內保存，用于線蟲分離；另一份風干后過篩用于土壤理化性質測定。

表1 各處理組生物質炭施加量（t·hm-2）Table 1 Biochar application amount of treatments（t·hm-2）

1.3 土壤化學性質測定

土壤pH、電導率分別采用pH 儀、電導率儀測定;有機質測定采用濃硫酸-重鉻酸鉀外加熱法；全磷測定采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法；全鉀測定采用氫氧化鈉熔融-火焰光度法；全氮測定采用凱氏定氮法；速效磷測定采用碳酸氫鈉-硫酸鉬銻抗比色法；速效鉀測定采用乙酸銨浸提-火焰光度計法；堿解氮測定采用堿解擴散法[18]。

1.4 土壤線蟲的提取、鑒定及生態指數計算

稱取不同處理下的鮮土樣50 g，采用淺盤分離-蔗糖離心浮選的連續提取法提取土壤線蟲，提取出的線蟲通過解剖鏡進行計數，在光學顯微鏡下鑒定到屬[19]，并換算為每100 g 干土的線蟲數量，線蟲鑒定參照The Nematodes of the Netherlands[20]和《中國土壤動物檢索圖鑒》[21]，并依據線蟲的食性將其分為食細菌類（Ba，Bacterivores）、食真菌類（Fu,Fungivores）、植物寄生類（Pp，Plant-parasites）、捕食/雜食類（P/O,Predators/Omnivores）四個營養類群[22]。

研究中涉及的線蟲生態指數包括多樣性指數（H）、自由生活線蟲成熟指數（MI）、豐富度指數（SR）、線蟲通路比值（NCR）、富集指數（EI）和結構指數（SI）[23-24]，計算方法如下:

式中：i為分類單元；Pi為第i個分類單元中個體占總體的比例；Vi為根據線蟲在生活策略中所屬類群賦予的c-p值；S為鑒定分類單元的數目[25]；BF為食細菌線蟲的豐度；FF為食真菌線蟲的豐度；b指的是c-p 值為2的Ba和Fu類群；e指的是c-p值為1的Ba和Fu類群；s指的是c-p 值為3、4、5 的Ba、Fu、Om（雜食）類群和c-p值為2、3、4、5的捕食類群（Predators）[26-27]。

1.5 數據處理與統計分析

使用Excel收集整理數據，使用SPSS 26.0 對土壤物理化學性質以及線蟲總數和生態學指數進行單因素方差分析，采用LSD 進行多重比較檢驗，顯著水平為P＜0.05，用Origin 2021 制圖，并使用R 3.6.2 中的RDA（Redundancy analysis）對土壤線蟲群落和土壤因子進行排序。

2 結果與分析

2.1 施加生物質炭對土壤環境因子的影響

由表2 可看出，施加生物質炭對土壤電導率影響不顯著。C 組中，與C0 相比，施加生物質炭各處理土壤pH、有機質、堿解氮、速效鉀、速效磷以及土壤全量養分含量顯著增加。A組中，與A0相比，A4處理土壤堿解氮、全量養分含量顯著增加（P＜0.05），A1 和A3土壤速效磷含量顯著增加了61.9% 和39.3%（P＜0.05），施加生物質炭處理（A1除外）土壤pH、速效鉀、有機質含量均顯著增加。A、C兩組對比發現，相同生物質炭施加量下，施加生物質炭1 年后的土壤pH 顯著高于施加生物質炭7 年后的土壤pH，且土壤速效養分、全量養分以及有機質含量均顯著增加，說明生物質炭老化后對土壤養分的提升效應會降低。

表2 生物質炭不同施加水平下土壤理化性質Table 2 Physical and chemical properties of soil under different biochar treatments

2.2 施加生物質炭對土壤線蟲數量的影響

研究共獲得土壤線蟲2 942 條，其中A 組1 879條，C 組1 063 條。如圖1 所示，C 組每100 g 土壤（以干土計，下同）中線蟲數量在12～303 條之間，與C0 處理相比，施炭降低了土壤線蟲數量，且在C1和C4處理降幅顯著（P＜0.05）。A 組每100 g 土壤中線蟲數量在112～374 條之間,與A0 處理相比，A4 處理線蟲數量降幅最大，但未達到顯著水平，A4 處理線蟲數量較A1、A3處理顯著降低。相較于C組，施炭7年后土壤線蟲數量得到恢復，生物質炭施加量為15.75 t·hm-2處理下線蟲數量恢復較好。

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圖1 施加生物質炭不同年限土壤（100 g）的線蟲數量Figure 1 Amount of nematodes in soils（100 g）of different years of applied biochar

2.3 施加生物質炭對土壤線蟲群落組成的影響

經分離鑒定獲得土壤線蟲共26 個屬，包括食細菌類線蟲9個屬、食真菌類線蟲2個屬、植物寄生類線蟲4 個屬和雜食/捕食類線蟲11 個屬。A 組獲得線蟲20 個屬，C 組獲得線蟲21 個屬，食細菌類線蟲是主要的營養類群，擬麗突屬（Acrobeloides）為優勢屬（圖2）。

圖2 施加生物質炭對土壤線蟲群落結構的影響Figure 2 Effects of biochar application on soil nematode community structure

如圖3 所示，隨著生物質炭施加量的增加，A 組和C 組生物質炭對食真菌類線蟲變化規律影響不明顯；C 組捕食/雜食類營養類群線蟲豐度降低，而A 組捕食/雜食類營養類群線蟲豐度增加，主要由真矛線屬（Endorylaimus）、扁腔屬（Sectonema）和盤咽屬（Discolaimus）豐度變化引起，說明生物質炭施加量超過31.50 t·hm-2后，隨年限的增加，捕食/雜食類營養類群線蟲豐度增加。

圖3 施加生物質炭對土壤線蟲營養類群分布特征的影響Figure 3 Effects of biochar application on the distribution characteristics of soil nematode trophic groups

隨著生物質炭施加量的增加，C 組生物質炭引起短體屬（Pratylenchus）豐度升高，植物寄生類線蟲豐度升高。而A 組生物質炭老化引起植物寄生類線蟲中短體屬豐度下降，與A0處理相比，植物寄生類線蟲在A3、A4 處理下降。這說明生物質炭施加后，隨施加年限的增加，植物寄生類線蟲豐度降低。

隨著生物質炭施加量的增加，C2、C3 和C4 處理食細菌類線蟲豐度增加，且擬麗突屬、麗突屬（Acrobeles）與板唇屬（Chiloplacus）為優勢屬。A 組食細菌類線蟲在A3 處理下豐度最高，為55.1%，在A4 處理下最低，為28.5%，擬麗突屬為優勢屬。隨施炭年限的增加，A2、A3、A4 處理生物質炭老化后食細菌類線蟲豐度降低。

2.4 施加生物質炭對土壤線蟲群落生態指數的影響

如表3所示，與對照相比，A組和C組各處理土壤線蟲的SR、H和SI無顯著差異。A、C 兩組NCR在0.71～1.00 和0.87～1.00 之間，說明土壤有機質分解以細菌分解為主。隨著生物質炭量的增加，與C0 相比C4 處理MI顯著降低，降幅達35.7%（P＜0.05），而A 組MI增加。A、C 兩組EI均小于50 且SI均大于50，說明A、C兩組生物質炭施加后土壤食物網結構化程度高，受干擾程度較低。

表3 施加生物質炭對土壤線蟲群落生態指數的影響Table 3 Effect of biochar application on ecological index of soil nematode community

2.5 土壤線蟲群落特征與土壤環境因子的關系

圖4 揭示了施加生物炭不同時間后土壤因子變化對土壤線蟲群落結構的影響，A 組兩個維度共解釋了52.25%的總變異。土壤SOC 和速效鉀與真頭葉屬（Eucephalobus）呈正相關關系，全氮和堿解氮與真矛線屬（Eudorylaimus）呈正相關關系，速效磷與盤咽屬（Discolaimus）和麗突屬（Acrobeles）呈正相關關系，短體屬（Pratylenchus）與除速效磷以外的土壤因子呈負相關關系。C 組兩個維度共解釋了49.48%的總變異。麗突屬和板唇屬（Chiloplacus）與土壤因子呈正相關關系，真矛線屬和扁腔屬（Sectonema）與土壤因子呈負相關關系。由表4得出，MI與C組中土壤環境因子具有顯著相關性，且相關系數高于A 組，因而MI指示短期施加生物質炭對風沙土土壤性質干擾性高于長期施用，因而對線蟲群落結構的影響也較大。

圖4 不同年限生物質炭施加土壤線蟲群落與土壤環境因子的冗余分析（RDA）Figure 4 Redundancy analysis（RDA）of soil nematode community and soil environmental factors with biochar application for different years

表4 土壤線蟲群落生態指數與土壤環境因子的相關性Table 4 Correlation between soil nematode community ecological index and soil environmental factors

3 討論

3.1 生物質炭對土壤環境因子和線蟲群落結構的影響

風沙土有機質含量低，養分貧瘠，生物質炭能夠增加土壤中的氮、磷、鉀等有效養分和有機質的含量，從而改善風沙土的理化性質，為風沙土土壤線蟲提供良好的物質基礎，從而促進線蟲的生長發育[28]。本研究發現，與施加生物質炭1年相比，施炭7年后土壤線蟲數量有所升高，推測可能是由于生物質炭在土壤中長時間的破碎、老化以及pH 降低使其對土壤生物類群的干擾降低。在土壤生境中，生物質炭的老化年限對土壤線蟲群落結構的影響可能有所不同，已有研究表明，在黃褐土和堿性農業土壤中施加5～60 t·hm-2生物質炭2～3年后會導致線蟲數量的變化，但影響不顯著[15，29]，這與本研究的部分結果一致。本研究中施加生物質炭1 年后土壤線蟲數量降低，其中126.00 t·hm-2處理土壤線蟲數量降幅最大（57.9%），其原因可能是土壤pH的升高以及過量的生物質炭施加會使一些對土壤線蟲有害的物質增加，從而增大了土壤線蟲的死亡率[30]。

生物質炭施加后，隨年限增加，其老化可能是影響其土壤生態效應的因素之一。本研究發現，施加15.75 t·hm-2生物質炭1 年后對捕食/雜食類群線蟲豐度具有促進作用，相比之下，31.50 t·hm-2的施炭量有利于提升食細菌類線蟲豐度，而施炭7 年后食細菌類線蟲和捕食/雜食類線蟲的比例則趨于穩定，推測可能是生物質炭的施加增加了土壤速效養分且提高了養分有效性，為食細菌、食真菌類線蟲提供了良好的食物基礎，也間接促進了捕食/雜食類線蟲的生長[31-33]，同時本研究中施加生物質炭1 年后的冗余分析結果表明，麗突屬和板唇屬（均為食細菌類線蟲）與土壤養分呈正相關關系，因此養分含量的增加可能促進食細菌類線蟲豐度增加的這一推測得到驗證[34]。食細菌類線蟲c-p值為1～2，類群較耐環境脅迫，而捕食/雜食類線蟲c-p 值為4～5，類群對環境脅迫敏感，因此土壤pH 的上升以及126.00 t·hm-2的生物質炭外源施入可能也是導致施炭1年后捕食/雜食類線蟲c-p值為4～5 的類群豐度下降的因素[35-36]。Yan 等[37]的研究結果表明，風沙土中一次性施加生物質炭7 年后，根際土壤細菌群落的多樣性增加，且細菌群落結構改變，同時有學者報道，在風沙土中施加生物質炭7 年后促進了玉米根系的生長，并增加了玉米產量[38]。細菌群落和植物生物量的改變均有可能對線蟲群落產生影響，這也可能是本研究中生物質炭施加7 年后植物寄生類與食細菌類線蟲豐度改變的原因。

3.2 生物質炭對線蟲群落生態指數的影響

土壤線蟲群落生態指數可用于反映土壤線蟲群落的多樣性與穩定性[39]，施加年限導致生物質炭對土壤線蟲MI有一定影響，因此MI可用于反映土壤環境受干擾程度。施加1 年后，隨著施炭量的增加，MI降低，說明施炭量的增加可能導致土壤環境受到的干擾程度增大，而施加7 年后MI增加，說明一次性施加生物質炭7 年后老化的生物質炭依然有利于土壤食物網穩定，并增加了土壤環境的抗干擾能力。結合NCR、EI和SI值說明施加生物質炭后土壤有機質的分解途徑主要為細菌分解或完全為細菌分解，表明土壤食物網結構化程度升高，受干擾程度較低[40-41]。土壤環境因子對土壤線蟲群落生態指數也有不可忽視的影響，張云舒等[42]的研究表明，在一次性施加生物質炭5年后，老化生物質炭對土壤增肥效應逐年減弱，本研究也發現相同效應。研究中MI值受土壤環境因子影響最為顯著，土壤pH、速效磷、速效鉀以及有機質是影響線蟲群落組成的主要因子，這與盧孟召等[43]、范琳娟等[44]的研究結果一致。以上研究說明土壤線蟲群落結構的變化與環境因子具有密切聯系，因而施加生物質炭后隨時間的增加，老化生物質炭對土壤的生態效應有別于新鮮生物質炭。本研究重點關注了向風沙土施加生物質炭對線蟲數量和生態指數的影響，但有關土壤線蟲群落結構以及種群豐度變化對土壤生態功能提升貢獻度的量化研究還需要進一步開展。

4 結論

（1）施加生物質炭使土壤pH 和土壤養分含量提高，但隨時間延長，生物質炭老化會使土壤養分提升效應降低，土壤環境因子與土壤線蟲群落結構具有密切的相關性。

（2）施加生物質炭1年后，土壤線蟲群落結構、營養類群分布和豐度均發生改變，土壤線蟲數量受到顯著抑制，但施加生物質炭7年后土壤線蟲數量會恢復。

（3）一次性施加126.00 t·hm-2生物質炭7 年后土壤線蟲數量顯著降低，而施加15.75 t·hm-2生物質炭對土壤線蟲數量和群落結構的維持具有積極的作用。