張夢亭，劉萍，黃丹丹，賈淑霞，張曉珂，張士秀，梁文舉，陳學文，張延，梁愛珍

東北黑土線蟲群落對長期免耕后土壤擾動的響應

張夢亭1,3，劉萍1，黃丹丹1，賈淑霞1，張曉珂2，張士秀1，梁文舉2，陳學文1，張延1，梁愛珍1

1中國科學院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)重點實驗室，長春 130102；2中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所森林生態(tài)與管理重點實驗室，沈陽 110016；3中國科學院大學，北京 100049

【目的】目前對長期免耕土壤實施擾動后土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的響應情況尚不了解。本研究選擇土壤線蟲作為指示生物，研究土壤線蟲群落結構對長期免耕擾動前和擾動后的響應情況，為東北黑土區(qū)合理選擇耕作措施提供科學依據(jù)和參考。【方法】以吉林省德惠市中國科學院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所黑土長期保護性耕作實驗站為依托平臺，分別設置長期免耕（NT）及長期免耕后擾動（DNT）兩種不同免耕耕作方式；在作物播種前，采集耕層（0—15 cm）土壤，進行線蟲的分離鑒定。使用效應值（ln），以常規(guī)耕作（CT）為對照，度量不同輪作方式下（玉米-大豆輪作，CS；玉米連作，CC）長期免耕及長期免耕后擾動對土壤線蟲的屬數(shù)、多度和生態(tài)指數(shù)的影響效應。利用主成分分析（PCA）和冗余分析（RDA）進行土壤線蟲群落組成及其驅動因子的分析。【結果】與CT相比，NT處理促進了各輪作方式下雜食/捕食線蟲的多度，DNT處理顯著（<0.05）促進了玉米-大豆輪作下食細菌線蟲的屬數(shù)及多度、食真菌線蟲和總線蟲的多度，而對玉米連作下所有線蟲營養(yǎng)類群的屬數(shù)及多度具有抑制效應。NT、DNT處理的線蟲群落組成與CT處理截然不同，其主要的土壤驅動因子分別是全氮含量和容重，可以解釋線蟲群落組成差異的10.5%和11.4%。此外，與CT相比，NT處理顯著（<0.05）促進了各輪作方式下的結構代謝足跡（），而DNT處理顯著（<0.05）抑制了幾乎所有生態(tài)指數(shù)（除自由生活線蟲與植物寄生線蟲成熟度指數(shù)比率（）之外）。DNT處理對土壤線蟲生態(tài)指數(shù)的抑制程度因輪作方式而異，與玉米連作相比，玉米-大豆輪作仍能維持對的促進效應?！窘Y論】長期免耕能夠在各輪作方式下形成較為穩(wěn)定的土壤線蟲群落結構；深翻和移除秸稈等土壤擾動會破壞長期免耕下土壤線蟲群落結構的穩(wěn)定性，但破壞程度因輪作方式而異。

耕作方式；輪作方式；土壤擾動；線蟲群落；生態(tài)指數(shù)；黑土

0 引言

【研究意義】免耕是指在作物春播時不擾動土壤，并且在作物收獲后用殘茬覆蓋至少30%土壤表面的耕作方式[1-2]。與傳統(tǒng)耕作相比，免耕不僅減少了耕作頻率而且增加了有機物料還田，因此免耕在防止土壤侵蝕、提高土壤生產(chǎn)力及維持土壤健康等方面具有重要的積極作用。然而這些積極效應的實現(xiàn)，尤其是提高或穩(wěn)定作物產(chǎn)量，需要長期連續(xù)地實施免耕耕作方式。一般來說，當連續(xù)實施免耕大于5年后，土壤環(huán)境會達到一個新的平衡點，此時土壤的物理、化學和生物學特性都達到相對穩(wěn)定的狀態(tài)[3-4]。最近有些研究指出[5-6]在長期連續(xù)實施免耕后會造成耕層土壤板結的現(xiàn)象，并提出進行適當?shù)耐寥罃_動，如翻耕土壤，可以打破土壤板結，有效改善土壤環(huán)境水、肥、氣、熱的狀況。然而，目前對長期免耕土壤實施擾動后，土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的響應情況還尚不了解。與土壤物理、化學特性相比，土壤生物學特性更能對外界的擾動做出靈敏迅速的響應。在種類繁多的土壤生物中，土壤線蟲是地球上最為豐富的后生動物，也是土壤生物群落中的優(yōu)勢組分，約占陸地所有動物數(shù)量的80%[7]。土壤線蟲占據(jù)了土壤食物網(wǎng)中的多個營養(yǎng)級，在維持土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、促進物質循環(huán)和能量流動等方面發(fā)揮了重要的生態(tài)功能，因而土壤線蟲常被廣泛地用作土壤生物活性的重要指示者來評估土壤的健康狀況及生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[8-9]。因此，本研究選擇土壤線蟲作為指示生物，研究土壤線蟲群落結構對長期免耕擾動前和擾動后的響應情況，以為東北黑土區(qū)合理選擇耕作措施提供科學依據(jù)和參考。【前人研究進展】耕作方式作為最常見的農(nóng)田管理措施，會對土壤線蟲群落產(chǎn)生重要影響。大量研究發(fā)現(xiàn)[10-13]，與常規(guī)耕作相比，免耕不僅會促進線蟲總多度的增加，還會提高食微線蟲（包括食細菌線蟲和食真菌線蟲）及雜食/捕食線蟲的多度。此外，免耕系統(tǒng)中的線蟲生態(tài)指數(shù)，如多樣性指數(shù)、成熟度、結構指數(shù)、通道指數(shù)和功能代謝足跡等，通常高于常規(guī)耕作系統(tǒng)，表明相較于常規(guī)耕作，土壤擾動相對較少的免耕系統(tǒng)中線蟲的多樣性程度和豐富程度更高，使土壤線蟲微食物網(wǎng)的結構趨于穩(wěn)定[14-15]。這主要是由于免耕有利于c-p值較高的線蟲類群的生存發(fā)展。BONGERS[16]于1990年依據(jù)生活史對策將各科線蟲劃分為r-對策者向k-對策者過渡的5個不同的c-p（colonizer-persister）類群，c-p值越高，世代時間越長，對環(huán)境壓力越敏感，可有效反映土壤生態(tài)系統(tǒng)受外界干擾的程度。為了獲得作物的最優(yōu)產(chǎn)量并維持農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，免耕與作物輪作常常配套實施[17]。與單一作物連作相比，作物輪作通過影響輸入土壤中有機物料的質量，調節(jié)食物資源自下而上調控土壤線蟲群落結構[18]。已有的研究表明，免耕玉米-大豆輪作下線蟲多度及結構指數(shù)顯著高于免耕玉米連作，說明免耕玉米-大豆輪作下土壤線蟲微食物網(wǎng)更為復雜，且其結構更為穩(wěn)定[19-20]。【本研究切入點】綜上所述，可見關于土壤線蟲群落結構對免耕及免耕輪作配施的響應情況已開展了大量研究，并得出了較為一致的結論，即：實施免耕有利于形成穩(wěn)定的土壤線蟲群落結構。然而，目前關于長期免耕擾動后對土壤線蟲群落結構的影響還鮮有報道，這限制了我們對長期免耕擾動后土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的認識。【擬解決的關鍵問題】依托中國科學院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所黑土農(nóng)業(yè)試驗示范平臺，對長期（≥10年）實施免耕不同輪作方式下的土壤進行深翻和秸稈移除，探究土壤線蟲群落結構對長期免耕擾動前和擾動后的響應情況。我們假設深翻和移除秸稈能夠破壞長期免耕下線蟲群落結構及其穩(wěn)定性，但破壞程度因輪作方式而異。研究結果將為黑土可持續(xù)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地點位于吉林省德惠市米沙子鄉(xiāng)（44°12′N，125°33′E）中國科學院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所黑土農(nóng)業(yè)試驗示范基地，海拔約為177 m。試驗地屬于溫帶大陸性季風氣候，冬季寒冷漫長（11月至次年3月）且干旱，積雪覆蓋一般低于0.25 m，季節(jié)性積雪覆蓋通常始于11月，次年4月初融化。年平均氣溫4.4℃，年平均降水量520 mm，其中6、7、8月份降水量占70 %以上。土壤類型為中層典型黑土（Typic Hapludoll，美國農(nóng)業(yè)部土壤分類法）[21]，由36.0%的黏粒、24.5%的粉粒和39.5%的砂粒組成的黏質壤土。在試驗建立之前，一直采用傳統(tǒng)耕作方式種植玉米（>30年）[22]。

1.2 試驗設計

本試驗具有兩個階段，均依托于同一試驗區(qū)。階段一：確定長期免耕對線蟲群落結構的影響情況，以常規(guī)耕作樣地為對照；階段二：對長期免耕土壤進行一次擾動，包括土壤翻動整地及秸稈移除等措施，以評估長期免耕擾動后線蟲群落結構的變化情況。因此，本研究具有兩種長期免耕耕作模式，但需要注意的是階段一的采樣時間是在連續(xù)實施免耕10年后，階段二的采樣時間是在連續(xù)實施免耕15年進行一次土壤擾動。兩次采樣具有時間間隔，但本文關注重點不是相同耕作方式下時間序列上的比較，而是相同采樣時間下不同耕作方式之間的比較。此外，在長期連續(xù)（>5年）實施免耕后土壤會達到新的平衡狀態(tài)[3-4,23]，形成相對穩(wěn)定的土壤環(huán)境，因此免耕實施10年或15年都屬于長期免耕階段，可用來評估長期免耕擾動前或擾動后線蟲群落結構相對常規(guī)耕作的變化情況。

試驗區(qū)于2001年秋采用單因素裂區(qū)、隨機區(qū)組設計，4次重復。耕作方式作為主因素，輪作方式作為副因素。每個小區(qū)的面積是5.2 m×20 m。農(nóng)作物于每年5月播種，10月收獲。每次收獲后都有一個休耕期（大約7個月）。耕作方式包括常規(guī)耕作（conventional tillage，CT）、壟作（ridge tillage，RT）和免耕（no tillage，NT），在此研究中只考慮CT和NT處理。輪作方式包括為玉米-大豆輪作（CS）和玉米連作（CC）。2017年春，即第15年作物收獲后，對NT處理小區(qū)采取傳統(tǒng)耕作方式進行深翻（約20 cm）整地，并將所有地上秸稈移除。擾動后的NT命名為DNT（disturbed no-tillage）。

各耕作方式的管理如下：CT，秋收后進行耕翻（深度約為20 cm），春季進行整地（深度約為7.5—10 cm）、播種、中耕和起壟作業(yè)；NT，除用播種機（KINZE- 3000，美國）直接播種外，全年不再擾動土壤；DNT，使用拖拉機和三角鏵犁對長期免耕土壤進行翻耕，深度約為20 cm，春季按CT處理方式進行整地（深度約為7.5—10 cm）、播種、中耕和起壟等一次作業(yè)。作物收獲后，CT處理下的所有秸稈全部移除；NT處理下，玉米留茬35 cm，并將長約30 cm的秸稈直接返還于土壤表面，大豆地上部秸稈直接覆蓋于土壤表面；DNT處理下的所有秸稈用打捆機打捆后全部移除。

施肥措施在所有耕作處理中一致，播種時用播種機施入。玉米施底肥和追肥，氮肥、磷肥和鉀肥的施入量分別為135 kg N·hm-2、51 kg P2O5·hm-2和51 kg K2O·hm-2。大豆只施底肥，氮肥、磷肥和鉀肥的施用量分別為40 kg N·hm-2、49 kg P2O5·hm-2和53 kgK2O·hm-2。

1.3 土樣采集

土樣于2012年及2018年的4月下旬（播種前）進行采集。使用土鉆（直徑2.64 cm）在每個小區(qū)隨機選取5點進行采樣，采樣深度為0—15 cm。5點采集的土壤匯合在一起作為一個重復，共24份（2種耕作方式×2種輪作方式×3次重復×2次采樣時間）土壤樣品。同時，用環(huán)刀法測定土壤容重（BD）。新鮮土樣置于自封袋中，用采樣箱運回實驗室，保存在4 ℃下。

1.4 基本理化性質的測定

風干土壤過2 mm篩后，采用水土比5﹕1測定土壤pH；過100目篩后，用元素分析儀測定土壤有機碳（SOC）和全氮（TN），測定的土壤理化性質見表1。

表1 土壤基本理化性質（均值±標準誤）

CC：玉米連作；CS：玉米-大豆輪作；NT：免耕；DNT：免耕后擾動；BD：容重；SOC：土壤有機碳；TN：全氮。數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示同一采樣時間下不同處理方式之間差異達到顯著水平（P＜0.05）

CC: Corn continuous cropping; CS: Corn-soybean rotation; NT: No-till; DNT: Disturbed no-tillage; BD: Bulk density; SOC: Soil organic carbon; TN: Total nitrogen. Different lowercase letters indicate that the difference between different processing methods under the same sampling time has reached a significant level (P＜0.05)

1.5 線蟲提取與鑒定

在樣品采集后的2周內完成線蟲的提取，以確保線蟲具有較強的生命活動。采用改良的淺盤法將50 g鮮土進行線蟲的分離提取，60℃溫熱殺死后，用4%福爾馬林固定，線蟲總數(shù)通過解剖鏡直接確定，然后按測得的土壤水分，折算成100 g干土中土壤線蟲的數(shù)量。從每個樣品中隨機抽100條線蟲（不足100條的全部鑒定），在光學顯微鏡下進行科屬鑒定[16,25-26]，依據(jù)取食習性和食道特征劃分為4個營養(yǎng)類群：食細菌線蟲（bacterivores，Ba）、食真菌線蟲（fungivores，F(xiàn)u）、植物寄生線蟲（plant-parasites，PP）和雜食/捕食線蟲（omnivores-predators，OP）。本試驗鑒定出的線蟲屬已列入電子附表1中。

1.6 線蟲生態(tài)指數(shù)計算

根據(jù)土壤線蟲的分類結果計算生態(tài)指數(shù)[25-28]：

香農(nóng)多樣性指數(shù)（）：=-∑(ln)

式中，是第個分類單元中個體所占的比例。

均勻度指數(shù)（）：=/ln

式中，是香農(nóng)多樣性指數(shù)；為鑒定分類單元的數(shù)目。

豐富度指數(shù)（）：=(-1/ln)

式中，為鑒定分類單元的數(shù)目，為鑒定的線蟲個體總數(shù)。

線蟲通道指數(shù)（）：=/(+)

式中，和分別為食細菌線蟲和食真菌線蟲數(shù)量占線蟲總數(shù)的相對豐度。

線蟲成熟度指數(shù)：包括自由生活線蟲成熟度指數(shù)（）和植物寄生線蟲成熟度指數(shù)（）：

或=-∑()()

式中，()為第種自由生活線蟲或植物寄生線蟲的c-p值，()為第種自由生活線蟲或植物寄生線蟲的個體數(shù)占總個體數(shù)的比例。

線蟲代謝足跡（nematode metabolic footprint,）：

=∑{N[0.1W/m+0.273(0.75)]}

式中，W代表第個屬線蟲的個體鮮重；m代表第個屬線蟲的c-p值[29]；個體線蟲鮮重及c-p值可登陸http://nemaplex.ucdavis.edu/Uppermnus/topmnu.htm#進行查詢；N代表樣本中第個屬線蟲的多度。依據(jù)FERRIS[29]對線蟲代謝足跡的劃分，分別計算了富集代謝足跡（enrichment footprint，：c-p值為1—2、對資源富集反應迅速的一類線蟲的代謝足跡）、結構代謝足跡（structure footprint，：c-p值為3—5、對食物網(wǎng)有調節(jié)功能的一類線蟲的代謝足跡）和功能代謝足跡（functional footprint，：是富集代謝足跡和結構代謝足跡圈定區(qū)域的總和，用于評估進入土壤食物網(wǎng)的碳流大?。?。

1.7 數(shù)據(jù)分析

使用效應值（ln）來度量相對于常規(guī)耕作（即對照組），長期免耕及長期免耕后擾動對土壤線蟲屬數(shù)、多度和生態(tài)指數(shù)的影響效應大小[30-31]：

ln= ln(n/c) （1）

式中，n與c分別表示不同免耕條件下及其對應的采樣當年常規(guī)耕作處理下線蟲屬數(shù)或多度、生態(tài)指數(shù)。

效應值（ln）的變異系數(shù)，通過公式（2）計算：

lnR= [c2/ (cc2) ] + [n2/ (nn2) ] （2）

式中，lnR為效應值ln的變異系數(shù)，c與n分別為常規(guī)耕作和不同免耕條件下的標準差，c和n分別為常規(guī)耕作和不同免耕條件處理的樣本數(shù)。

該指標是Hedges在1999年提出的一個綜合衡量指標，常用于評估生態(tài)因子的效應大小[32]。ln數(shù)值越大，表明不同免耕條件對土壤線蟲屬數(shù)、多度或生態(tài)指數(shù)影響越大；ln＞0表示NT或DNT處理對土壤線蟲屬數(shù)、多度和生態(tài)指數(shù)有促進效應；ln＜0則表示NT或DNT處理對土壤線蟲屬數(shù)、多度和生態(tài)指數(shù)有抑制效應[33]。

采用Excel 2010進行數(shù)據(jù)的整理和計算；利用Origin 2021完成長期免耕或長期免耕擾動對土壤線蟲屬數(shù)、多度和生態(tài)指數(shù)影響的作圖。對數(shù)據(jù)進行正態(tài)分布和方差齊性檢驗，對不滿足正態(tài)分布和方差齊性的數(shù)據(jù)進行l(wèi)g轉換；運用T檢驗檢驗長期免耕或長期免耕后擾動對線蟲群落結構的影響，以常規(guī)耕作作為對照組，<0.05時免耕與常規(guī)耕作之間差異達到顯著水平。選擇至少在一個處理中相對多度大于1%且在所有處理中總多度大于5%的線蟲屬，利用Canoco 5.0的主成分分析（PCR）進行各處理中土壤線蟲的群落組成分析，冗余分析（RDA）分析進行土壤線蟲群落組成與土壤因子之間的相關性分析。

2 結果

2.1 線蟲屬

從鑒定出的土壤線蟲屬數(shù)來看（圖1），NTCC（免耕玉米連作）促進了雜食/捕食線蟲（ln=0.1335）和植物寄生線蟲（ln=0.2877）屬數(shù)量的增加，顯著抑制了食真菌線蟲（ln=-0.0953）屬數(shù)量的增加（＜0.05）。然而，DNTCC（免耕后擾動玉米連作）顯著（＜0.05）抑制雜食/捕食線蟲屬數(shù)（ln=-0.2877），對植物寄生線蟲屬數(shù)（ln=0）既不促進也不抑制。

NTCS（免耕玉米-大豆輪作）對所有營養(yǎng)類群的屬數(shù)均無促進效應；而DNTCS（免耕后擾動玉米-大豆輪作）促進了食細菌線蟲（ln=0.3185）屬數(shù)量的增加，對線蟲屬總數(shù)（ln=-0.0780）和植物寄生線蟲（ln=-0.2683）屬數(shù)量抑制效應顯著（＜0.05）（圖1）。

Total：總線蟲；Ba：食細菌線蟲；Fu：食真菌線蟲；OP：雜食/捕食線蟲；PP：植物寄生線蟲；CC：玉米連作；CS：玉米-大豆輪作。**和*分別表示顯著性水平為P<0.01和P<0.05，CC顯著性標在左側，CS顯著性標在右側。圖2同

2.2 線蟲多度

從線蟲多度來看（圖2），NTCC除對雜食/捕食線蟲的多度有促進效應之外，對其他營養(yǎng)類群的多度均無促進效應；DNTCC對所有營養(yǎng)類群多度都有較強的抑制效應，其中顯著（＜0.05）抑制食真菌線蟲多度（ln=-1.0901）。

NTCS對雜食/捕食線蟲多度（ln=0.7237）促進效應顯著（＜0.05），而對食真菌線蟲多度（ln=-1.3606）抑制效應顯著（＜0.05）。DNTCS對所有營養(yǎng)類群的多度都有一定程度的促進效應，尤其對食細菌線蟲（ln=0.7276）、食真菌線蟲（ln=0.4651）和線蟲總多度（ln=0.4749）有顯著（＜0.05）的促進效應（圖2）。

圖2 長期免耕或長期免耕后擾動對線蟲營養(yǎng)類群多度的效應大小

2.3 線蟲群落組成

主成分（PCA）分析發(fā)現(xiàn)，長期免耕階段（圖3-A），前兩個軸共解釋了線蟲群落組成47.26%的變化，并且可顯著區(qū)分不同耕作方式下土壤線蟲群落組成，而無法區(qū)分不同輪作方式下線蟲群落組成。NT優(yōu)先促進了狹咽屬（Discolaimium，OP5）、叉針屬（Boleodorus，PP2）的分布。在長期免耕擾動后（圖3-B），PCA分析發(fā)現(xiàn)前兩個軸共解釋了線蟲群落組成58.99%的變化，并且可顯著區(qū)分不同耕作方式下土壤線蟲群落組成。DNT優(yōu)先促進了威爾斯屬（Wilsonema，Ba2）和新薩達屬（Neothada，PP2）的分布，抑制了狹咽屬（Discolaimium，OP5）、矮化屬（Amplimerlinius，PP3）、絲尾墊刃屬（Filenchus，F(xiàn)u2）和表矛線屬（Epidorylaimus，OP4）等屬的分布。

冗余分析（RDA）發(fā)現(xiàn)，長期免耕階段（圖4-A），第一個典型軸和所有典型軸的特征值分別為0.1266和0.3231，所有環(huán)境變量可以解釋線蟲群落組成32.3%的變異，其中10.5%的變異由全氮含量解釋。全氮含量與真滑刃屬（Aphelenchus，F(xiàn)u2）、滑刃屬（Aphelenchoides，F(xiàn)u2）、偽墊刃屬（Nothotylenchus，F(xiàn)u2）、連胃屬（Chronogaster，Ba2）、頭葉屬（Cephalobus，Ba2）具有正相關關系。

長期免耕后擾動階段（圖4-B），冗余分析（RDA）發(fā)現(xiàn)，第一個典型軸和所有典型軸的特征值分別為0.1456和0.3171，所有環(huán)境變量可以解釋線蟲群落組成31.7%的變異，其中11.4%的變異由容重解釋。容重與大矛屬（Enchodelus，OP4）、螯屬（Pungentus，OP4）、狹咽屬（Discolaimium，OP5）、無孔小咽屬（Alaimus，Ba4）、真頭葉屬（Eucephalobus，Ba2）滑刃屬（Aphelenchoides，F(xiàn)u2）等都具有正相關關系。

2.4 線蟲生態(tài)指數(shù)

從線蟲生態(tài)指數(shù)來看（圖5），NTCC顯著（<0.05）促進（ln=0.5141），而顯著（＜0.05）抑制（ln=-0.6637）。DNTCC對所有生態(tài)指數(shù)都具有抑制效應，且顯著（＜0.05）抑制、、、和。其中，對和抑制效應最大，效應值分別為ln=-1.3089、ln=-1.5628。

A：長期免耕階段；B：長期免耕擾動后階段；線蟲屬名用全名的前4個字母代替，若前4個字母相同，則按在電子附表1中順序標上編號，全名見電子附表1。圖4同。

CTCC：常規(guī)耕作玉米連作；CTCS：常規(guī)耕作玉米-大豆輪作；NTCC：免耕玉米連作；NTCS：免耕玉米-大豆輪作；DNTCC：免耕后擾動玉米連作；DNTCS：免耕后擾動玉米-大豆輪作

A: Long-term no-tillage stage; B: Long-term no-tillage stage after disturbance. The name of the nematode genus is replaced by the first four letters of the full name. If the first four letters are the same, they are numbered in the order of Attached Table 1.The full name of nematode genus can be seen in Attached Table 1. The same as Fig. 4.

CTCC: Conventional tillage with corn continuous cropping; CTCS: Conventional tillage with corn-soybean rotation; NTCC: No-till with corn continuous cropping; NTCS: No-till with corn-soybean rotation; DNTCC: Disturbed no-tillage with corn continuous cropping; DNTCS: Disturbed no-tillage with corn-soybean rotation

圖3 土壤線蟲屬與樣方之間相關性的主成分分析(PCA)排序圖

Fig. 3 Principal component analysis (PCA) of the relationship between nematode genera and samples

BD：容重；SOC：土壤有機碳；TN：全氮 BD: Bulk density; SOC: Soil organic carbon; TN: Total nitrogen

NTCS顯著（<0.05）促進（ln=0.4346），而顯著（＜0.05）抑制（ln=-0.2157）。DNTCS除對（ln=0.1056）有顯著（＜0.05）促進效應之外，對其他生態(tài)指數(shù)都有抑制效應，其中對、、、和抑制效應顯著（＜0.05）（圖5）。

CC：玉米連作；CS：玉米-大豆輪作。**和*分別表示顯著性水平為P<0.01和P<0.05。CC顯著性標在左側，CS顯著性標在右側

3 討論

3.1 線蟲群落結構對土壤擾動的響應

本研究發(fā)現(xiàn)同一輪作方式下，土壤線蟲各營養(yǎng)類群對NT及DNT處理的響應程度并不一致。在CC下，雜食/捕食線蟲比其他營養(yǎng)類群對長期免耕擾動前/后的響應更加明顯。雜食/捕食線蟲屬的數(shù)量及其多度的變化趨勢均由長期免耕擾動前的促進效應轉變?yōu)閿_動后的抑制效應（圖1，圖2）。這主要是因為雜食/捕食線蟲對土壤擾動響應極為敏感，在遭到深翻整地的土壤擾動后其多度會迅速下降甚至一些屬會消失[25]，如PCA結果發(fā)現(xiàn)，c-p值為5的狹咽屬（Discolaimium，OP），其多度與NT高度正相關（圖3-A）；但在遭到深翻和移除秸稈等土壤擾動后其多度迅速降低（圖3-B）。雜食/捕食線蟲是線蟲微食物網(wǎng)的頂級捕食者，可以通過捕食作用“自上而下”的調控其他線蟲營養(yǎng)類群（植物寄生線蟲和食微線蟲）。研究發(fā)現(xiàn)在CS下，NT處理對雜食/捕食線蟲多度的促進效應由擾動前的ln=0.7237下降到擾動后的ln=0.3158（降幅為0.4079），食細菌線蟲的屬數(shù)及其多度、食真菌線蟲的多度均由長期免耕擾動前的抑制效應轉變?yōu)閿_動后的促進效應。這些研究結果表明，在長期免耕土壤上實施土壤擾動后會通過削弱雜食/捕食線蟲“自上而下”的級聯(lián)效應[34]，促進線蟲微食物網(wǎng)中營養(yǎng)級較低的食微線蟲多樣性的增加。

長期免耕擾動前或擾動后土壤線蟲群落組成相對常規(guī)耕作的差異取決于其居住的土壤微環(huán)境變化。冗余分析發(fā)現(xiàn)，長期免耕階段中土壤全氮含量對線蟲群落組成影響最大，可解釋其10.5%的變化；并且全氮含量越高越有利于c-p值為2的食細菌和食真菌線蟲相對多度的增加（圖4-A）。張愛林等[35]的研究結果也顯示線蟲類群中c-p值為2的機會主義者會隨著施氮水平的增加而顯著增加。在所有輪作方式下，NT土壤中全氮含量均高于CT（表1），表明NT有利于土壤養(yǎng)分富集，可以通過促進機會主義者“自下而上”地維持營養(yǎng)級較高的雜食/捕食線蟲的活性和生存。在長期免耕后擾動階段中，土壤容重對線蟲群落種屬組成影響最大，可解釋其11.4%的變化。c-p值為4的食細菌線蟲及c-p值為4、5的雜食/捕食線蟲的相對多度與土壤容重具有正相關關系，表明土壤容重是限制較高c-p值線蟲營養(yǎng)類群生存的重要因子（圖4-B）。ZHANG等[15]也發(fā)現(xiàn)土壤容重與狹咽屬（Discolaimium，OP）等c-p值較高的線蟲屬具有正相關關系。土壤容重是一個集成指標，可以有效反映土壤孔隙大小及土壤水分的狀況[36-37]。線蟲生活在土壤顆粒周圍和顆粒之間的水膜中，充水孔隙的增加會促進線蟲的運動和存活[38]。因此，土壤容重的適當增加有利于較高c-p值線蟲營養(yǎng)類群的生存發(fā)展。然而，在對長期免耕土壤進行深翻和秸稈移除等土壤擾動后，其容重比擾動前呈明顯減少趨勢（表1），所以長期免耕土壤受到擾動后會顯著降低c-p值>3線蟲營養(yǎng)類群的多度。

3.2 線蟲生態(tài)指數(shù)對土壤擾動的響應

線蟲生態(tài)指數(shù)可以全面、深入地反映土壤線蟲群落結構在不同田間管理下的差異[39]。研究發(fā)現(xiàn)，在兩種輪作方式下，線蟲生態(tài)指數(shù)的效應值在長期免耕階段呈現(xiàn)正、負效應值交互模式；然而在長期免耕后擾動階段，幾乎所有生態(tài)指數(shù)（除之外）的效應值都呈負響應趨勢（圖5）。其中變化趨勢最大的是，其效應值由長期免耕擾動前的促進效應轉變?yōu)閿_動后的抑制效應，在CC和CS下分別降低到-1.3089和-0.2006。是結構代謝足跡，反映了c-p值為3—5的營養(yǎng)級較高的土壤線蟲對資源的代謝活性[20]，對食物網(wǎng)的穩(wěn)定性具有重要的調節(jié)功能[40]。NT對的促進效應已在長期實施保護性耕作技術的歐洲地區(qū)所證實[13]，并指出NT通過減少耕作及增加有機物料為土壤線蟲提供了干擾較少且食物資源豐富的生存環(huán)境。我們的結果表明，在長期免耕土壤實施土壤擾動，如深翻和移除秸稈等措施，會破壞土壤線蟲群落結構的穩(wěn)定性。但值得注意的是，在長期免耕擾動階段中，CS對具有顯著的促進效應。是自由生活線蟲成熟度與植物寄生線蟲成熟度比值，常用于表征外界條件的改變對土壤環(huán)境穩(wěn)定性的影響[41]；其值越高，說明土壤環(huán)境越穩(wěn)定。對長期免耕土壤實施土壤擾動后，CS仍能維持對的促進效應，表明CS能在一定程度上抵抗土壤擾動帶來的對線蟲群落結構穩(wěn)定性的破壞。這可能是由于與玉米連作相比，玉米-大豆輪作會增加土壤氮素及其他高質量作物殘體的輸入量，可以通過維持微生物的活性從食物資源上影響線蟲群落結構，從而使土壤線蟲群落結構具有一定的抗干擾能力[42]?？傊?，我們的研究結果表明，長期免耕后實施土壤擾動，如深翻和移除秸稈等措施，會破壞土壤線蟲群落結構的穩(wěn)定性，但破壞程度取決于輪作方式。與CC相比，CS能夠削弱深翻和移除秸稈對土壤線蟲群落結構的破壞作用。

4 結論

與常規(guī)耕作（CT）相比，免耕（NT）能夠在各輪作方式下形成較為穩(wěn)定的土壤線蟲群落結構。然而，在長期免耕土壤實施深翻和移除秸稈等擾動措施會破壞土壤線蟲群落結構的穩(wěn)定性，但破壞程度因輪作方式而異。與玉米連作（CC）相比，玉米-大豆輪作（CS）仍能維持對的促進效應，表明CS能在一定程度上抵抗土壤擾動帶來的對線蟲群落結構穩(wěn)定性的破壞。這可能是由于大豆的種植向土壤輸入了高質量的植物殘體，可以維持土壤生物對碳源的需求，進而增強了土壤線蟲群落結構抵抗外界擾動的能力。

附表1 本研究中鑒定出的線蟲屬名

Attached Table 1 Identified nematode genera in this study

+表示鑒定出的屬；++表示相對豐度均大于5%的屬，為優(yōu)勢屬；括號中的數(shù)值為cp值

+: Indicates the identified genus in the samples; ++: Indicates the dominated genus with the relative abundance greater than 5%. The value in brackets is the cp value

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Response of Nematode Community to Soil Disturbance After Long-Term No-Tillage Practice in the Black Soil of Northeast China

ZHANG MengTing1, 3, LIU Ping1, HUANG DanDan1, JIA ShuXia1, ZHANG XiaoKe2, ZHANG ShiXiu1, LIANG WenJu2, CHEN XueWen1, ZHANG Yan1, LIANG AiZhen1

1Key Laboratory of Mollisols Agroecology, Northeast Institute of Geography and Agroecology, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130102;2Key Laboratory of Forest Ecology and Management, Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016;3University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049

【Objective】To date, the responses of the soil ecosystem stability to soil disturbance after long-term no-tillage practice are still unknown. In this study, soil nematodes were served as a model to study the response of soil nematode community structure to before and after disturbance under a long-term no-tillage practice, so as to provide a scientific support for the rational selection of farming measures in the black soil area of Northeast China.【Method】Two different phases of long-term no-tillage practices, including no-tillage (NT) and disturbed no-tillage (DNT), were set up on a black soil experimental station of Northeast Institute of Geography and Agricultural Ecology, Chinese Academy of Sciences, Dehui City, Jilin Province. Before planting the crops, the soil samples collected from the 0-15 cm soil layer were used to isolate and identify the nematodes. Using the conventional tillage (CT) as the control, the effect value (ln) was calculated to measure the effect size of NT and DNT on the number of genus and the abundance and ecological index of nematodes under different rotation systems (corn-soybean rotation, CS; corn continuous cropping, CC). Principal component analysis (PCA) and redundancy analysis (RDA) were used to determine the composition of soil nematode communities and their driving factors among different tillage practices.【Result】Compared with CT, NT had a positive effect on the abundance of omnivores-predators across crop rotation systems, while DNT significantly (<0.05) improved the genus number and abundance of bacterivores, the abundance of fungivores and the total nematodes under CS, and exerted negative effects on the genus number and abundance of all nematode trophic groups under CC. The composition of nematode community of NT and DNT was completely different from that of CT, and the main driving factors were total nitrogen content and bulk density, which could explain 10.5% and 11.4% of the variation in nematode community, respectively. In addition, compared with CT, NT significantly (<0.05) increased the value of structure footprint ()across all crop rotation systems, while DNT significantly (<0.05) decreased almost all ecological indexes (except the maturity ratio of free-living nematodes to plant-parasitic nematodes,). Furthermore, the decrease degree of ecological index varied with crop rotation systems. CS instead of CC exerted a significant positive effect on. 【Conclusion】Long-term no-tillage practice could form a relatively stable soil nematode community structure in all crop rotation systems. This stability was easily gone away with the soil disturbance, including mouldboard ploughing and the removal of residues. However, crop rotation could mitigate the instability caused by soil disturbance.

tillage system;rotation system; soil disturbance; nematode community; ecological indices; black soil

2020-11-25；

2021-05-06

國家自然科學基金（42077046，U20A2083）、吉林省科技發(fā)展計劃項目（20190201116JC）、中國科學院青年創(chuàng)新促進會項目（2021228）

張夢亭，Tel：0431-85542234；E-mail：zhangmengting@iga.ac.cn。通信作者張士秀，Tel：0431-85542234；E-mail：zhangshixiu@iga.ac.cn

（責任編輯 李云霞）