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土壤动物及土壤微生物的活动能够改善土壤的通气状况、养分有效性, 在土壤形成、发育、演化及土壤肥力形成演变中发挥着重要的作用。土壤动物数量繁多, 通过参与一系列生命活动, 直接或间接改变土壤的性质[1], 对土壤形成、发育及生态系统物质循环都具有重要意义。稻草还田是一种有效的农田培肥措施[3], 在避免稻草焚烧造成环境污染的同时, 也为农业生产提供有机肥源。作为重要肥料来源和潜在的碳库能源[2], 还田的稻草在增加土壤养分[4], 培肥地力, 改善土壤理化性状[5], 优化农田生态环境, 提高作物产量与品质[6-9]等方面意义重大。本研究以未进行稻草还田的处理为对照, 设置不同质量稻草还田处理, 并调查不同处理下农田土壤动物群落特征, 分析不同稻草还田量对土壤动物群落结构的影响, 旨在为农田耕地环境的保护及可持续农业发展提供理论依据。
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研究区四川省都江堰市浦阳镇金凤村(31°0′23″N, 103°37′18″E)属四川盆地亚热带湿润气候, 年平均气温为15.2 ℃, 年降水量为1 243.8 mm, 空间分布不均, 呈东南向西北减少, 无霜期269.0 d, 年蒸发量为930.1 mm。土壤类型为山地黄壤。样地为水稻Oryza sativa-油菜Brassica campestris轮作模式, 水稻品种为‘川优6203’‘Chuanyou 6203’, 油菜品种为‘绵油88’‘Mianyou 88’。
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2016年4月, 在耕地内按照具有代表性的原则设置2个面积均为10 m × 30 m的样地; 各样地内设置面积为5 m × 5 m样方各4个, 保持各样方间间距大于2 m, 其中4个为重复样地。随机编号, 按照单位面积稻草的平均产生量, 选取最新收获的水稻稻草, 切成3~5段后按0(ck)、0.2(T5)、0.4(T10)、0.8 kg·m-2(T20)的稻草均匀铺撒在样方上进行还田。
分别在还田2个月和5个月时, 在各样方内按"品"字形布点, 随机设置3个大小为50 cm × 50 cm的小样方, 采集0~5、5~10、10~15 cm深度土层。手捡法分层收集土壤中的大型动物, 并用体积分数为75%的乙醇将动物杀死, 带回实验室。环刀法(r=5 cm, V=100 cm3)自上而下依次取土样, 每层各取2个, 用尼龙网包好贴上标签迅速放入黑布袋带回实验室; 用Tullgren[10]干漏斗和Baermann[11]湿漏斗分离土壤中的中小型土壤动物, 分离时间为48 h, 其中湿生土壤动物每4 h观察1次。干生分离出的土壤动物用盛有体积分数为75%乙醇的器皿收集, 湿生土壤动物用清水收集, 解剖镜下进行分类鉴定和数量统计。
所得土壤动物用双目解剖镜(Leica, EZ4HD)进行观察, 参照《中国土壤动物检索图鉴》[12]、《昆虫分类检索》[13]、《幼虫分类学》[14]进行分类鉴定, 一般鉴定到科, 同时统计个体数量。
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土壤动物多样性分析:采用Shannon-Wiener多样性指数(H′)、Margalef丰富度指数(D)[15]、Pielou均匀度指数(J)[16]、Simpson优势度指数(C)[17]。计算公式如下:Shannon-Wiener多样性指数${H^\prime } = - \sum\limits_{i = 1}^s {{P_i}} \ln {P_i}$。式中:Pi=ni/N, ni为第i个类群的个体数; N为所有类群的个体数。Margalef丰富度指数D=(S-1)/lnN。式中:S为类群数, N为所有类群的个体数。Pielou均匀度指数J=H′/lnS。式中:H′为Shannon-Wiener多样性指数, S为类群数。Simpson优势度指数$C = \sum\limits_{i = 1}^s {P_i^2} $。其中:ni为第i个类群的个体数; N为所有类群的个体数。
类群数量等级划分:个体数量大于捕获总量的10.0%者为优势类群(+++), 大于等于1.0%小于等于10.0%者为常见类群(++), 小于1.0%者为稀有类群(+)。
采用Excel 2010和SPSS 22.0完成数据处理和分析。用单因素方差分析(one-way ANOVA)对不同样方间土壤动物群落组成进行检验; 用LSD(方差齐性)法进行多重比较, 显著性水平设定为P=0.05[18]。
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本研究共捕获土壤动物1 194只, 隶属于3门11纲19目44个类群, 类群数排序为T20>T10>T5>对照。优势类群为线虫纲Nematoda和懒甲螨科Nothridae, 分别占总捕获量的72.16%和11.09%;常见类群为蚁科Formicidae、线蚓科Enchytraeidae、绥螨科Sejidae、丽甲螨科Liacaridae、双翅目Diptera幼虫, 分别占总量的4.33%、4.00%、2.41%、1.95%和1.59%;棘科Onychiuridae、跳虫科Poduridae、露尾甲科Nitidulidae等构成稀有类群, 占总量的2.47%。
由表 1可见:还田2个月后各样地的优势类群都为线虫纲和懒甲螨科, 其中:T20样地2次捕获的土壤动物包含30个类群, 平均密度4.13×104只·m-2; T10样地2次捕获的土壤动物隶属于20科, 平均密度为4.83×104只·m-2; T5样地2次捕获的土壤动物隶属于21科, 平均密度4.73×104只·m-2; 对照样地2次捕获的土壤动物隶属于11科, 平均密度3.70×104只·m-2。还田5个月后T20、T10、T5样地的优势类群都为线虫纲, 对照样地优势类群为线虫纲和蚁科, 其中:T20样地2次捕获的土壤动物包含22科, 优势类群为线虫纲, 平均密度9.32×104只·m-2; T10样地2次捕获的土壤动物隶属于20科, 平均密度8.48×104只·m-2; T5样地2次捕获的土壤动物隶属于19科, 平均密度4.75×104只·m-2; 对照样地2次捕获的土壤动物隶属于11科, 平均密度4.60×104只·m-2。
表 1 不同样地土壤动物群落密度统计
Table 1. Compositions of soil fauna community in the different plots
类群 还田2个月/(只·m-2) 还田5个月/(只·m-2) 总计/(只·m-2) 多度 T20 T10 T5 ck T20 T10 T5 ck 线虫纲Nematoda 60.13 52.13 38.43 82.41 77.79 88.00 87.51 73.90 72.16 +++ 懒甲螺科Nothridae 26.03 27.45 49.36 5.40 0.09 0 0 0 11.09 +++ 蚁科Formicidae 0.84 0.01 6.35 0.46 9.03 0 0.35 15.58 4.33 ++ 线蚓科Enchytraeidae 0 0 0 1.80 6.08 8.45 6.31 2.90 4.00 ++ 绥螨科Sejidae 4.24 3.62 3.00 4.50 1.07 1.57 1.40 2.54 2.41 ++ 丽甲螨科Liacaridae 0.61 0 0 0 5.28 0.69 2.28 3.98 1.95 ++ 双翅目幼虫Diptera larvae 0.20 13.12 0 1.80 0 0 0 0 1.59 ++ 棘䖴科Onychiuridae 0.81 0.35 1.23 2.25 0.27 0.10 0.70 0.36 0.62 + 跳虫科Poduridae 1.21 0.17 0.53 0 0 0.10 0.35 0.72 0.32 + 露尾甲科Nitidulidae 1.21 0 0 0 0 0.79 0 0 0.26 + 白蚁科Termitidae 2.42 0 0 0 0 0 0 0 0.22 + 蝴蛛目Araneae 0.01 1.04 0.18 0 0 0.20 0 0 0.17 + 叶蝉科Cicadellidae 0 0.69 0.18 0.90 0 0 0 0 0.17 + 蚁甲亚科Pselaphidae 0 0 0.18 0.45 0 0 0.53 0 0.11 + 叶甲科Chrysomelidae 0.20 0.52 0.18 0 0 0 0 0 0.10 + 幺蚰科Scutigerellidae 0 0.17 0 0 0.27 0.10 0 0 0.09 + 长角长䖴科Orchesellidae 0.81 0 0 0 0 0 0 0 0.07 + 蜈蚣目Scolopendromorpha 0.21 0.17 0 0 0 0 0.18 0 0.06 + 圆䖴科Sminthuridae 0.20 0.35 0 0 0 0 0 0 0.06 + 蜚蠊科Blattidae 0.01 0 0 0 0 0 0.35 0 0.04 + 拟步甲科Tenebrionidae 0.41 0 0.01 0 0 0 0 0 0.04 + 派盾螨科Parholaspididae 0.20 0 0.18 0 0 0 0 0 0.04 + 木螱科Kalotermitidae 0.20 0.17 0 0 0 0 0 0 0.04 + 等节䖴科Isotomidae 0 0 0 0 0.09 0 0 0 0.02 + 蟋蟀科Gryllidae 0 0 0.18 0 0 0 0 0 0.02 + 小蚓类Microdrile oligochaetes 0.02 0.03 0.02 0.01 0 0 0 0 0.01 + 蠼螋科Labiduridae 0 0 0 0 0.01 0 0 0 0 + 鼠妇科Porcellionidae 0.01 0 0 0 0 0 0.01 0 0 + 蝼蛄科Gryllotalpidae 0 0 0 0 0 0 0.01 0 0 + 步甲科Carabidae 0 0 0 0 0 0 0.01 0 0 + 姬马陆科Julidae 0.01 0 0 0 0 0 0 0 0 + 金龟甲科幼虫Scarabaeidae larvae 0 0 0 0 0 0 0 0 0 + 石蜈蚣目Lithobiomorpha 0 0 0 0 0 0 0 0 0 + 猎蝽科Reduviidae 0 0 0 0 0 0 0 0 0 + 隐翅虫科Staphylinidae 0 0 0 0 0 0 0 0 0 + 蛭纲Hirudinea 0 0 0 0 0 0 0 0 0 + 叩甲科Elateridae 0 0 0 0 0 0 0 0 0 + 天牛科Cerambycidae 0 0 0 0 0 0 0 0 0 + 瓢甲科Coccinellidae 0 0 0 0 0 0 0 0 0 + 蝗科Acrididae 0 0 0 0 0 0 0 0 0 + 角板盲蛛科Ceratolasmatidae 0 0 0 0 0 0 0 0 0 + 缘蝽科Coreidae 0 0 0 0 0 0 0 0 0 + 夜蛾科Noctuidae 0 0 0 0 0 0 0 0 0 + 锹甲科Lucanidae 0 0 0 0 0 0 0 0 0 + 合计 41 302.01 48 277.34 47 269.99 37 009.33 93 197.35 84 846.68 47 524.66 46 007.99 445 435.35 总类群数 30 20 21 11 22 20 19 11 44 -
由图 1A可知:还田5个月后各样地的土壤动物密度均高于还田2个月后的土壤密度。还田2个月后, 各样地的平均密度排序为T10>T5>T20>对照, 各样地间差异不显著(F=0.105, P=0.956)。还田5个月后, 各样地的平均密度排序为T20>T10>T5>对照, 样地间差异极显著(F=6.702, P=0.003);其中, T20样地与对照、T5样地的平均密度均呈极显著差异(P＜0.01), T10与T5样地的平均密度均呈极显著差异(P＜0.01), 与对照样地呈显著差异(P＜0.05)。
图 1 各生境土壤动物水平分布变化
Figure 1. Each horizontal distribution of soil fauna habitat change
T20土壤动物的类群数均高于T10、T5和对照样地的土壤动物。统计分析显示(图 1B):还田2个月后样地间土壤动物类群数差异性极显著(F=9.312, P=0.001), 其中, T20样地和T10、T5、对照样地分别呈极显著差异(P＜0.01);还田5个月后T10和T20样地的土壤动物类群数呈显著差异(F=1.299, P=0.011)。
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按照尹文英[12]对土壤动物体型的划分, 土壤动物可分为大型和中小型2类。由图 2可以看出:与对照相比, T20、T10、T5样地大型、中小型土壤动物的平均密度均较高。还田2个月后, 各处理大型土壤动物平均密度排序为T20>T10>T5>对照, 其中T20样地和对照差异显著(P＜0.05), 其他样地间差异不显著; 中小型土壤动物以T10样地平均密度最高, 对照样地最低, 差异均不显著。还田5个月后, T20样地大型土壤动物密度最高, 占总密度的41.44%, 其余依次为T5(35.14%)、T10(18.02%)、对照(5.40%)。统计分析显示:还田5个月后, 各样地中小型土壤动物平均密度差异极显著(F=6.759, P=0.003), 对照分别与T10、T20呈显著差异(P＜0.05), T5分别与T10、T20呈显著差异(P＜0.05)。
图 2 各生境不同体型土壤动物分布变化
Figure 2. Each horizontal size distribution of soil fauna in the different levels of change
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对不同稻草还田量下0~5、5~10和10~15 cm层的土壤动物密度进行比较, 结果显示: 0~5 cm层土壤动物平均密度最高, 随着土层加深土壤动物密度降低, 具有明显的表聚性(图 3A)。
图 3 各生境土壤动物垂直分布变化
Figure 3. Each vertical distribution of soil fauna habitat change
方差分析显示(图 3B):还田2个月后各样地所有土层土壤动物平均密度差异均不显著(P>0.05);还田5个月后各样地10~15 cm土层土壤动物平均密度差异不显著(F=1.556, P=0.237), 0~5 cm层(F=6.099, P=0.005)、5~10 cm层(F=5.942, P=0.006)差异显著。0~5 cm土层中, 对照与T20样地土壤动物密度差异显著(P＜0.05), T5与T10、T20样地差异显著(P＜0.05)。
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稻草还田提高了土壤动物的多样性指数。还田2个月后各处理下土壤动物多样性指数(H′)、丰富度指数(D)均高于对照, 优势度指数(C)均低于对照, 均匀度指数T20和T5高于对照, 但T10低于对照。还田5个月后对照土壤动物多样性指数和均匀度指数最高, T10处理下土壤动物优势度指数最高, T20处理下土壤动物丰富度指数最高(表 2)。
表 2 稻草不同还田量下土壤动物群落的多样性特征
Table 2. Diversity characteristics of soil fauna in each habitat
处理 还田2个月 还田5个月 H' J C D H' J C D T20 1.15±0.12 a 0.47±0.05 a 0.44±0.12 a 1.06±0.10 a 0.68±0.15 a 0.29±0.05 ab 0.68±0.08 a 0.78±0.20 a T10 0.79±0.13 a 0.39±0.06 a 0.60±0.07 a 0.60±0.29 b 0.37±0.13 a 0.19±0.06 b 0.83±0.07 a 0.47±0.17 b T5 0.87±0.10 a 0.42±0.04 a 0.54±0.06 a 0.67±0.06 b 0.50±0.80 a 0.25±0.03 ab 0.78±0.04 a 0.66±0.10 ab ck 0.69±0.24 a 0.41±0.16 a 0.68±0.13 a 0.47±0.14 b 0.74±0.08 a 0.39±0.06 a 0.64±0.07 a 0.53±0.09 ab 说明：数据为平均值±标准误。同列不同小写字母表示处理间差异显著(P＜0.05) 方差分析结果显示:还田2个月后, 各样地中土壤动物优势度指数(F=1.810, P=0.184)、多样性指数(F=2.049, P=0.145)、均匀性指数(F=0.270, P=0.846)的差异均不显著, 丰富度指数(F=9.764, P=0.001)T20样地与T10、T5、对照呈极显著差异(P＜0.01)。还田5个月后, 各样地中土壤动物优势度指数(F=1.436, P=0.267)、多样性指数(F=1.795, P=0.186)差异均不显著, T20与T10样地的丰富度指数差异显著(P＜0.05), 对照与T10样地的均匀度指数差异显著(P＜0.05)。
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目前, 稻草还田已经作为农业上培肥地力的一项技术而普遍利用。本研究发现:还田2个月和5个月后, 土壤动物类群数排序均为T20>T10>T5>对照, 土壤动物密度排序为T10>T5>T20>对照。整体来看, 土壤动物平均密度和类群数差异不显著, 原因可能有以下几点。首先, 实验在夏季进行, 土壤温度高、湿度大, 微生物活动旺盛, 分解快, 还田5个月后(9月)未发现明显稻草的分解物, 说明腐熟高峰已过, 土壤营养处于下降状态, 因此土壤动物个体数量和类群数降低。其次, 稻草覆盖的还田方式增加了农田表层腐殖质的土壤水分和有机质, 提高了土壤保水保墒能力, 喜湿土壤动物幼虫数量明显增加, 土壤动物类群数量也随之增加, 其中, 稻草还田处理的土壤线虫数量最高达到ck处理的2.5倍; 再次, 单位面积上稻草还田较多, 则分解后养分较多, 有利于创造适宜土壤动物生存繁衍的环境[19-21]。相比于稻草还田处理, 对照土壤贫瘠, 土壤肥力较差, 因此土壤动物类群数和土壤动物密度都最低[22]。这与在楠木人工林凋落物和草本层对土壤动物群落的影响中得到相似的结论[23]。
各样地土壤动物密度剖面及类群分布具明显的表聚性特征, 2次采样所采集到的大型、中小型土壤动物的数量有一定的差异, 随着季节的不同土壤动物的多样性也各不相同。还田2个月和还田5个月, 不同量稻草还田对土壤动物多样性的影响不同, 具体来说, 土壤动物数量与类群在不同还田量稻草处理下差异明显, 稻草还田量大的样地土壤动物数量与类群明显多于稻草还田量少的样地。稻草还田2个月后各样地上土壤动物多样性指数、均匀度指数和丰富度指数均高于还田5个月的样地, 以线虫纲密度增加最为明显, 可能是因为稻草还田后线虫等中小型土壤动物对土壤环境敏感性强、响应明显; 优势度指数则低于还田5个月后, 与此同时对照组不同月份各指数差异变化不大, 说明稻草还田后, 样地的土壤动物种群更加丰富, 土壤的生态环境相对稳定良好, 一段时间后优势种群开始突出。
综上所述, 与未进行稻草还田处理的普通样地相比, 稻草还田显著增加了土壤动物密度和类群数, 影响了区域内土壤动物群落结构; 稻草还田通过改变土壤理化性质, 促进了土壤动物的多样性和生态系统的稳定性, 提高了作物质量和产量[22, 24]。基于对生态系统稳定性及生产效率等因素的考虑, 建议农业生产上稻草切碎后覆盖还田选择0.8 kg·m-2还田量。本次研究历时较短, 仅研究了稻草覆盖还田对土壤动物群落的影响, 今后应继续对稻草还田腐烂程度等影响因素的土壤动物动态变化特征进行监测研究, 为农业生产提供更加科学的依据。
Effects of different rice straw returning quantities on soil fauna community structure
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摘要:
目的 研究稻草不同还田量下土壤动物群落结构特征。 方法 在5 m×5 m的样方内，以未进行稻草还田的处理为对照（ck），采用手拣法和干、湿漏斗分离法，调查稻草还田后2个月和稻草还田后5个月，不同还田量[0.8（T20）、0.4（T10）、0.2（T5）和0 kg·m-2（ck）]处理下耕地土壤动物群落特征。 结果 试验共捕获土壤动物1 194只，隶属于3门11纲19目44科，平均密度4.45×105只·m-2；稻草还田处理后的样地土壤动物密度和类群数明显增加（P < 0.05），土壤动物类群数排序为T20（37）> T10（30）> T5（28）> ck（17）。土壤动物群落垂直分布明显，土壤动物密度随着土层加深而降低，具有明显的表聚性特征。稻草还田2个月后T20处理的土壤动物多样性指数、均匀度指数、丰富度指数均最高，稻草还田后5个月T10处理优势度指数最高。 结论 农业生产上稻草切碎后覆盖还田宜选择0.8 kg·m-2还田量。 Abstract:Objective The aim is to reveal the effects of different straw returning quantities on cropland soil fauna community. Method An experiment with four types of straw returning quantities[0.8(T20), 0.4(T10), 0.2(T5) kg·m-2 and no straw returning(ck)], were carried out in 5 m×5 m quadrats. Hand-picking method and dry and wet funnel separation method were used in the experiment. Result The total soil animals 1 194 were captured in this survey, belonging to 3 phyla, 11 classes, 19 orders and 44 families. The average density of soil animals was 4.45×105 ind·m-2. The density and variety of soil animals in the sample land increased significantly after straw returning(P < 0.05). The varieties were ranked as follows:T20(37) > T10(30) > T5(28) > ck(17). The vertical distribution of soil fauna community was obvious, and the density of soil fauna decreased with the deepening of soil layer, which had obvious surface aggregation. Two months after straw returning, T20 had the highest diversity index, evenness index and species richness. Five months after straw returning, T10 had the highest predominant index. Conclusion 0.8 kg·m-2 straw returning quantity is suggested. -
Key words:
- soil zoology /
- straw returning /
- soil fauna /
- community structure /
- diversity
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过量施用无机肥导致地表水体富营养化和土壤退化，从而使土壤生产力下降[1−4]。因此，优化养分管理措施，减少土壤氮磷的流失和提高肥料利用效率迫在眉睫。有机肥和炭基肥替代化肥是减少环境污染和维持作物产量的有效选择[5-7]，两者均是通过调整土壤养分供应与作物养分需求，以达到增加肥料利用效率和减少氮磷流失的目的。有机肥养分供应速率取决于有机物质的矿化[8]，炭基肥则取决于生物质炭和包覆材料的溶解与扩散[6]。有机肥替代化肥能减少稻田氮素淋溶和径流损失8.7%~25.6%[9-10] 并提高水稻Oryza sativa产量21%~24%[11]，水稻氮素利用效率随有机肥比例的增高而增高，但有机肥比例超过 75%则氮素利用效率降低[10]。炭基肥能减少烟草Nicotiana tabacum地氮素淋溶损失的6.45%~8.36%，但减少氮素淋溶效应量随炭基肥添加量的增加而降低[12]。有机肥及炭基肥替代化肥对氮素利用效率和产量的影响效应量大小受肥料类型、施用量、替代率、栽培类型和作物种类影响。如相比尿素，炭基肥能分别提高茶Camellia sinensis 、肉桂Cinnamomum cassia和甜瓜Cucumis mel 产量43%、166%和 176%[13]。坡耕地土壤有着更高侵蚀风险，且即使同为坡耕地，种植甘薯Ipomoea batatas比荒草和谷子的侵蚀风险更高[14]。由于氮磷流失方式的间歇性、流失时间的随机性、流失机制的复杂性、流失途径和流失量的不确定性[15]，坡地强化径流的条件下，甘薯坡耕地采用有机肥和炭基肥替代化肥的措施对氮磷养分径流损失的影响难以预测。本研究旨在探讨有机肥和炭基肥替代化肥对甘薯坡耕地土壤径流氮磷流失质量浓度、径流氮磷流失量及其形态的影响，同时分析了径流养分流失量和土壤化学性质之间的关系，以期为甘薯坡耕地径流流失情况和施肥管理措施提供理论依据。
1. 材料与方法
1.1 研究区概况
研究区位于浙江省杭州市临安区板桥镇葱坑村( 30°05′27.64″N，119°44′03.44″E)。该区属亚热带湿润季风气候，四季分明，年日照时数为1 946 h，无霜期为239 d，年平均气温为15.8 ℃，年平均降水量为1 629 mm。海拔为150 m，土壤为红壤土类黄红壤亚类。
1.2 试验设计
按照随机区组设计4个施肥处理(表1)：不施肥(对照)、常规化肥、50%质量分数有机肥+50%质量分数化肥(有机肥50%替代)、炭基肥，每个处理重复3次，小区面积为30 m2。为防止发生侧渗和串灌，各小区之间均用水泥浇灌了宽20 cm，深30 cm的水泥墙。每个小区均配有1个单独的排水口和坡地径流池用于采集地表径流水。甘薯 ‘清香’I. batatas ‘Qingxiang’等高起垄栽插薯苗，行距50 cm，株距30 cm，密度为6.8 万株·hm−2。2020年6月8日施基肥，6月9日移栽插秧，7月20日施追肥，肥料均匀撒施后翻耕，肥料施于土层0~5 cm处。于2020年10月24日收获。
表 1 施肥方案Table 1 Fertilizer types and rates处理 施用量/(kg·hm−2) m(氮)︰m(五氧化二磷)︰
m(氧化钾)基肥 追肥 不施肥(对照) 0 0 0︰0︰0 常规化肥 尿素 195.66；钙镁磷肥 500.00；
硫酸钾 577.00尿素 195.66；钙镁磷肥500.00；
硫酸钾 577.0090︰60︰300 50%质量分数有机肥+50%质量
分数化肥 (有机肥50%替代)菜籽饼900.00；尿素 97.67；
钙镁磷肥312.67；硫酸钾 559.67菜籽饼900.00；尿素 97.67；钙
镁磷肥312.67；硫酸钾 559.6790︰60︰300 炭基肥 炭基肥500.00；钙镁磷肥291.67；硫
酸钾480.67炭基肥500.00；钙镁磷肥291.67；
硫酸钾480.6790︰60︰300 说明：尿素中氮质量分数为46%；钙镁磷肥中五氧化二磷质量分数为12%；硫酸钾中氧化钾质量分数为52%；菜籽饼中m(氮)∶m(五氧化二磷)∶m(氧化钾)∶m(碳)=5.0∶2.5∶1.0∶46.0，有机质质量分数为85%；炭基肥由遂昌绿金有机肥有限公司研制，m(氮)∶m(五氧化二磷)∶m(氧化钾)∶m(碳)=18∶5∶10∶25，直径为2~4 mm。其中，生物质炭质量分数为12%，由稻草通过在400~500 ℃缓慢热解，在无氧条件下热解1 h。生物炭质比表面积和孔体积分别为224.2 m2·g−1和0.11 cm3·g−1。 1.3 径流和土壤样品采集及处理
分别在2020年的6月22日、7月1日、7月7日、7月12日、7月17日、7月30日及9月21日收集地表径流，先测量径流池水位高度以计算径流水量，再将池内径流水充分搅匀，最后在池中不同部位、不同深度用采水器进行多点混合采集。水样置于4 ℃保存，并带回实验室即刻处理。
收获甘薯后，每个小区随机选择 5 个位置采集 0~20 cm 土层土样，充分混合后组成一个土样。在土壤样品采集过程中，使用不锈钢容重环刀(直径5.05 cm，高5.00 cm)采集土壤容重样品。将样品分为2份，1份湿土除去可见的根，过 2 mm 筛，用于测定土壤铵态氮和硝态氮。另1份风干，除去可见的根和有机物，然后木盘研磨并过2 mm筛，用于测定土壤pH、速效钾、有效磷。再从过2 mm 筛土壤样品中挑选部分土样用玛瑙研钵研磨并过0.15 mm 筛，用于测定土壤有机碳、总氮、总磷和总钾。
1.4 样品分析
径流水样总氮、可溶性氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(GB 11894—1989)测定。径流水样总磷和可溶性磷采用过硫酸钾消解钼蓝比色法(GB 11893—1989)。径流水样铵态氮和硝态氮采用间断分析仪测定。采用 pH 计法测定径流水样 pH。
土壤样品中的有机碳和总氮采用元素分析仪测定；土壤全磷采用高氯酸-硫酸消煮、钼锑抗比色法测定；土壤全钾采用氢氧化钠熔融、火焰光度法测定；土壤有效磷采用0.030 mol·L−1氟化铵-0.025 mol·L−1盐酸浸提、钼锑抗比色法测定；土壤速效钾采用醋酸铵浸提、火焰光度法测定；土壤硝态氮、氨态氮采用氯化钾浸提—间断分析仪测定。
1.5 计算和统计分析
氮磷流失量(R, kg·hm−2)：
$ R = \displaystyle \sum\limits_{n = 1}^n {{C_i}} {V_i} $ ；氮磷流失系数(Cr)：$ {C}_{\text{r}}=({R}_{\text{m}}-{R}_{0})/{R}_{\text{f}} $ ；颗粒态氮(PN)质量浓度(NP，mg·L−1)：$ {N_{\rm{P}}} = {N_{\rm{T}}} - {N_{\rm{D}}} $ ；颗粒态磷(PP)质量浓度(PP，mg·L−1)：$ {P_{\rm{P}}} = {P_{\rm{T}}} - {P_{\rm{D}}} $ ；可溶性有机氮(DON)质量浓度(NDO，mg·L−1)：$ {N_{{\rm{DO}}}} = {N_{\rm{D}}} - {N_{\rm{N}}} - {N_{\rm{A}}} $ 。其中：Ci为第 i 次径流水中氮、磷的质量浓度(mg·L−1)；Vi为第 i 次径流水的体积(m3)；n为总径流次数；Rm为不同施肥类型氮磷流失量；R0为不施肥氮磷流失量；Rf 为不同施肥类型肥料施用量；NT为总氮(TN)质量浓度(mg·L−1)；ND为可溶性总氮(DN)质量浓度(mg·L−1)；PT为总磷(TP)质量浓度(mg·L−1)；PD为可溶性总磷(DP)质量浓度(mg·L−1)；NN为硝态氮(NN)质量浓度(mg·L−1)；NA为铵态氮(AN)质量浓度(mg·L−1)。利用SPSS 26.0进行数据统计分析，采用单因素方差分析和邓肯法多重比较检验不同处理间的差异显著性(P＜0.05)。利用主成分分析(PCA)确定径流氮磷及其形态之间相互依存的结构。利用冗余分析(RDA)检查土壤特性与土壤径流氮磷及其形态之间的关系。
2. 结果与分析
2.1 不同处理下径流产流时间对不同形态氮磷质量浓度和 pH 的影响
重复测量模型(图1)表明：不同处理、径流产流时间及其相互作用对径流总氮、颗粒氮、硝态氮和铵态氮质量浓度均存在显著影响(P＜0.05)，地表径流总氮、颗粒氮、硝态氮和铵态氮质量浓度存在峰值效应，并且不同径流产流过程中不同处理的影响也不同。施肥初期，与常规化肥相比，有机肥50%替代和炭基肥处理的径流总氮质量浓度分别减少了58.4%和49.0%；颗粒氮质量浓度分别减少了84.5%和78.3%；硝态氮质量浓度分别减少了32.1%和26.4%；铵态氮质量浓度分别减少了66.1%和80.0%。施肥中后期，常规化肥、有机肥50%替代和炭基肥对径流中总氮、颗粒氮、硝态氮和铵态氮质量浓度的影响较小。
图 1 不同处理不同时间径流中不同形态氮磷质量浓度和 pHFigure 1 Effects of fertilizer types and runoff dates on nitrogen, phosphorus contents and pH value in the runoff不同处理和径流产流时间显著影响径流可溶性氮和总磷质量浓度(P＜0.05)，且不同肥料类型的影响趋向一致。无论径流产流时间如何变化，有机肥50%替代处理的径流中可溶性氮和总磷质量浓度分别为5.23 、1.03 mg·L−1，炭基肥处理的径流中分别为2.85、0.91 mg·L−1，均显著低于常规化肥处理(分别为8.59 和1.33 mg·L−1)。
径流产流时间显著影响径流可溶性有机氮和可溶性磷质量浓度(P＜0.05)，但两者并不受不同处理的影响(P＞0.05)。另外，pH并不随径流产流时间变化而变化(P＞0.05)，常规化肥处理中pH值(7.45)低于有机肥50%替代(7.62)和炭基肥(7.79)处理。
2.2 不同处理下径流产流时间对不同形态氮磷流失量的影响
由图2A可见：在7次径流产流中，不同处理的径流流失量均无显著差异(P＞0.05)。对于常规化肥处理，第1次降雨的径流氮素流失量占全年径流流失总量的46.2%，在这个时期，有机肥50%替代和炭基肥处理可分别减少总氮流失量1.78和1.25 kg·hm−2、硝态氮流失量0.29和0.21 kg·hm−2、铵态氮流失量0.27和0.32 kg·hm−2、可溶性有机氮0.64和0.30 kg·hm−2。由图2B可见：第1次降雨时径流中的磷素流失量占全年径流流失总量的53.9%。有机肥50%替代和炭基肥处理可分别减少总磷流失量的35.3%和32.1%、可溶性磷流失量的54.3%和13.5%、颗粒磷流失量的24.9%和42.3%。
图 2 不同处理不同时间径流中不同形态氮磷素流失量Figure 2 Effects of fertilizer types on different fractions of nitrogen and phosphorus loss rate in runoff in different runoff dates2.3 不同处理对径流总氮和总磷流失量及其流失系数的影响
由图3A和图3B可见：不施肥处理每年径流中的总氮和总磷流失量分别为2.27和0.40 kg·hm−2。常规化肥处理每年径流总氮流失量是7.75 kg·hm−2，分别是有机肥50%替代处理(4.02 kg·hm−2)和炭基肥处理(4.68 kg·hm−2)的1.93和1.66倍。有机肥50%替代和炭基肥处理每年径流总磷流失量分别为1.22、1.11 kg·hm−2，是常规化肥处理(1.65 kg·hm−2)的73.9%和67.4%。
图 3 不同处理的径流中总氮(A)和总磷(B)的流失量及径流系数(C)Figure 3 Effects of fertilizer types on total nitrogen (A) and total phosphorus (B) loss rate and runoff coefficients (C) in the runoff由图3C可见：常规化肥、有机肥50%替代和炭基肥处理总氮流失系数分别为6.09%、1.94%和2.67%， 而总磷流失系数分别为6.91%、4.53%和3.94%。相比常规化肥，有机肥50%替代和炭基肥处理的总氮流失系数分别降低了68.09%和56.11%，而总磷流失系数分别降低了34.54%和43.00%。
2.4 不同处理对土壤化学性质的影响
从表2可见：与常规化肥处理相比，有机肥50%替代和炭基肥处理的土壤有机碳、全磷、全钾、有机氮、铵态氮和有效钾质量分数都有所提高，但除了炭基肥处理显著提高了土壤有机碳质量分数(P＜0.05)外，其余处理均未达显著水平。且与常规化肥处理相比，有机肥50%替代和炭基肥处理的硝态氮和有效磷质量分数分别显著降低了18.1%~26.2%和45.0%~65.0% (P＜0.05)。
表 2 不同处理土壤化学性质Table 2 Effects of fertilizer types on soil properties处理 pH 有机碳/
(g·kg−1)全磷/
(g·kg−1)全钾/
(g·kg−1)有机氮/
(g·kg−1)硝态氮/
(mg·g−1)铵态氮/
(mg·kg−1)有效磷/
(mg·kg−1)有效钾/
(mg·kg−1)不施肥 5.62 bc 11.39 b 0.36 a 31.15 a 1.93 a 36.30 b 5.08 a 9.30 b 179.60 b 常规化肥 5.51 c 11.08 b 0.33 a 27.56 a 1.93 a 49.10 a 6.28 a 26.00 a 241.60 ab 有机肥50%替代 5.66 b 13.63 ab 0.41 a 27.73 a 2.10 a 40.28 b 7.72 a 9.10 b 212.10 ab 炭基肥 5.91 a 14.54 a 0.30 a 29.22 a 2.17 a 36.20 b 5.57 a 14.30 b 269.40 a 说明：同列不同小写字母表示差异显著(P＜0.05)。 2.5 不同处理对径流不同形态氮磷组分的影响
与常规化肥处理相比，有机肥50%替代处理使硝态氮和可溶性有机氮的占比分别提高了28%和46%，但使铵态氮和颗粒态氮的占比分别减少了9%和18%；炭基肥处理则使硝态氮和可溶性有机氮的占比分别提高了26%和46%，但使铵态氮和颗粒态氮的占比分别减少了8%和20%(图4A)。常规化肥处理的可溶性磷占比(30%)高于有机肥50%替代处理(25%)，而低于炭基肥处理(40%) (图4B)。
图 4 不同处理径流中不同形态氮磷组分Figure 4 Effects of fertilizer types on proportions of nitrogen and phosphorus fractions in the runoff2.6 径流氮磷组分和土壤化学性质之间的关系
主成分分析(图5A)发现：2 个轴解释了径流氮磷形态组成中总变异的 90.1%，其中主成分1 对氮磷径流流失形态的贡献率为78.97%，这意味着横坐标是主要的变异因素。本研究中，径流氮磷组分分为 3 个主要组分，并且在主成分1的因素上，有机肥50%替代和炭基肥处理与不施肥、常规化肥处理均显著分开，这表明甘薯坡耕地土壤在经过不同施肥处理后，其径流中氮磷的组分与对照、常规处理相比发生了显著的变化，而有机肥50%替代和炭基肥处理之间的径流氮磷组分趋于一致。冗余分析中两坐标轴能够解释75.86%的关系信息, 说明该结果可较好地反映土壤的化学性质和径流氮磷及其形态之间的关系。冗余分析(图5B)显示：土壤有效磷质量分数与径流氮磷形态组成呈正相关(F=7.0，P=0.007)，尤其是常规化肥处理土壤中硝态氮、铵态氮、可溶性有机氮、可溶性总氮、总氮、颗粒态磷、可溶性总磷和总磷径流流失量。
图 5 不同处理径流中氮磷组分的主成分分析(A)和冗余分析(B)Figure 5 Principal component analysis (A) and redundancy analysis (B) of nitrogen and phosphorus fractions in different fertilizer types总氮与硝态氮、铵态氮、可溶性有机氮、颗粒态氮和可溶性氮的相关系数分别为0.88、0.71、0.94、0.90和0.98。意味着氮素之间转化是相互依赖和相互转化的。总磷与可溶性磷和颗粒态磷之间的相关系数分别为0.87和0.98，表明各个形态的磷组分间存在显著正相关(P＜0.05)。甚至总氮与总磷的相关系数为0.82，即两者之间也呈显著正相关(图6)，意味着氮和磷流失量之间为协变关系。径流氮磷流失与土壤化学性质息息相关，如土壤硝态氮能解释径流总氮和总磷的 49%和48%的变化。径流总氮(R2=0.60)和总磷(R2=0.41)流失量随土壤有效磷质量分数增大而增大(图7)。
图 7 径流养分流失量和土壤氮磷钾不同形态质量分数及pH之间的相关关系Figure 7 Relationships between runoff nutrient loss and soil nitrogen，phosphorus, potassium contents and pH3. 讨论
本研究表明：有机肥50%替代和炭基肥处理可减少甘薯坡耕地径流总氮质量浓度。在施肥初期，随着施肥时间延长，它们的效应大小甚至方向趋向一致，这可能与作物生长和施肥有关，在施肥初期植株的保水保肥能力较弱，刚施入的肥料未完全与土壤相结合，易于流失。而氮作为植株生长过程中需求量较大的元素，被植株吸收较多，因此土壤径流中各处理氮的质量浓度大幅降低。而孔文杰 [16]研究发现：有机肥和炭基肥对甘薯坡耕地径流总磷质量浓度的影响不随施肥时间推移而变化。然而，有机肥和炭基肥对稻田和蔬菜径流总磷和总氮的质量浓度影响则相反[17]，表明在不同种植模式下有机肥和炭基肥影响径流养分质量浓度的效应是不同的。
不同肥料会影响径流中不同形态氮磷组成，如有机肥50%替代和炭基肥处理均较常规化肥处理可分别提升硝态氮、可溶性有机氮的占比，同时降低铵态氮、颗粒态氮的占比。这是由于有机肥的氮素矿化释放速率慢，以硝态氮和铵态氮形态存在于土壤和径流中相对少，不易发生损失[18]。王静等[19]研究发现：炭基肥对径流中氮磷产生影响的原因可能是增强了土壤持水能力，进而提高可溶性磷和硝态氮含量。肥料类型是影响甘薯氮磷径流流失量的一个重要因素。本研究有机肥50%替代处理较常规化肥处理减少了径流总氮和总磷的流失量，降低了总氮和总磷流失系数，与已有研究结果相同[20-22]。这表明有机肥无论是对菜田、稻田还是坡耕地都能起到减少径流总氮流失量，并能减少坡耕地和菜田径流总磷流失量。然而，有机肥对减少菜地、稻田和坡耕地径流氮磷流失量存在差异[23]。炭基肥处理较常规化肥处理可减少径流氮、磷总量，降低总氮和总磷流失系数，与已有研究结果[24-25]相同。
脱云飞等[26]、陈晓鹏等[27]研究证明：土壤有效磷、硝态氮的质量分数是影响径流氮磷流失量主要因素。本研究表明：径流总磷的流失量与土壤有效磷质量分数呈正相关，磷的移动性很小，径流中有效磷的累积流失量主要取决于径流对地表的冲刷和浸提，有效磷质量分数高的土壤能够有效指示径流携带的含磷量[28]，同时王莺等[29]、刘晓玲等[30]在山核桃Carya cathayensis林和稻田上研究发现：土壤有效磷的质量分数与径流总磷流失量的关系与甘薯田基本一致。而地表径流氮素主要来源于土壤表层氮素的冲刷、溶出和淋溶，土壤硝态氮质量分数与径流总氮的流失量呈正比，王琼等[31]对土壤中硝态氮会直接影响径流中氮的流失进行过研究，而徐爱国等[32]在稻田和菜田中证明土壤硝态氮质量分数与径流液总氮流失量并没有显著相关性，表明土壤硝态氮质量分数预测总氮径流流失量因土地利用方式而异[33]。
4. 结论
本研究结果表明：①有机肥50%替代和炭基肥处理显著影响径流氮磷流失；相比较常规化肥处理，分别降低径流总氮质量浓度的58.4%和49.0%，降低径流总磷质量浓度的22.6%和31.6%；降低总氮流失量的48.1%和39.6%，降低总磷流失量的26.1%和32.7%。②有机肥50%替代和炭基肥处理改变了径流氮磷形态的组成，相比常规化肥处理显著降低了径流氮磷养分流失系数；有机肥50%替代和炭基肥处理的总氮流失系数分别降低了68.09%和56.11%，总磷流失系数分别降低了34.54%和43.00%。③有机肥和炭基肥施用主要是减少施肥前期氮磷养分的流失。随着施肥时间的延长，有机肥和炭基肥在减少氮磷径流流失与常规化肥施肥并无区别，意味着肥效逐渐递减效应和作物吸收的平衡。④土壤化学性质是影响径流氮磷流失量的主要因素。其中土壤硝态氮的质量分数仅可预测甘薯坡耕地土壤养分的流失，土壤有效磷的质量分数可以指示土壤的养分流失。因此，施用有机肥和炭基肥显著影响了径流氮磷流失，但不同肥料之间影响效果存在差别，比较而言，有机肥50%替代化肥处理更适合用于减少甘薯坡耕地径流氮流失，而炭基肥更适用于减少径流磷流失。合理的施肥措施可以有效减少土壤径流氮磷的流失。
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图 2 各生境不同体型土壤动物分布变化
Figure 2 Each horizontal size distribution of soil fauna in the different levels of change
表 1 不同样地土壤动物群落密度统计
Table 1. Compositions of soil fauna community in the different plots
类群 还田2个月/(只·m-2) 还田5个月/(只·m-2) 总计/(只·m-2) 多度 T20 T10 T5 ck T20 T10 T5 ck 线虫纲Nematoda 60.13 52.13 38.43 82.41 77.79 88.00 87.51 73.90 72.16 +++ 懒甲螺科Nothridae 26.03 27.45 49.36 5.40 0.09 0 0 0 11.09 +++ 蚁科Formicidae 0.84 0.01 6.35 0.46 9.03 0 0.35 15.58 4.33 ++ 线蚓科Enchytraeidae 0 0 0 1.80 6.08 8.45 6.31 2.90 4.00 ++ 绥螨科Sejidae 4.24 3.62 3.00 4.50 1.07 1.57 1.40 2.54 2.41 ++ 丽甲螨科Liacaridae 0.61 0 0 0 5.28 0.69 2.28 3.98 1.95 ++ 双翅目幼虫Diptera larvae 0.20 13.12 0 1.80 0 0 0 0 1.59 ++ 棘䖴科Onychiuridae 0.81 0.35 1.23 2.25 0.27 0.10 0.70 0.36 0.62 + 跳虫科Poduridae 1.21 0.17 0.53 0 0 0.10 0.35 0.72 0.32 + 露尾甲科Nitidulidae 1.21 0 0 0 0 0.79 0 0 0.26 + 白蚁科Termitidae 2.42 0 0 0 0 0 0 0 0.22 + 蝴蛛目Araneae 0.01 1.04 0.18 0 0 0.20 0 0 0.17 + 叶蝉科Cicadellidae 0 0.69 0.18 0.90 0 0 0 0 0.17 + 蚁甲亚科Pselaphidae 0 0 0.18 0.45 0 0 0.53 0 0.11 + 叶甲科Chrysomelidae 0.20 0.52 0.18 0 0 0 0 0 0.10 + 幺蚰科Scutigerellidae 0 0.17 0 0 0.27 0.10 0 0 0.09 + 长角长䖴科Orchesellidae 0.81 0 0 0 0 0 0 0 0.07 + 蜈蚣目Scolopendromorpha 0.21 0.17 0 0 0 0 0.18 0 0.06 + 圆䖴科Sminthuridae 0.20 0.35 0 0 0 0 0 0 0.06 + 蜚蠊科Blattidae 0.01 0 0 0 0 0 0.35 0 0.04 + 拟步甲科Tenebrionidae 0.41 0 0.01 0 0 0 0 0 0.04 + 派盾螨科Parholaspididae 0.20 0 0.18 0 0 0 0 0 0.04 + 木螱科Kalotermitidae 0.20 0.17 0 0 0 0 0 0 0.04 + 等节䖴科Isotomidae 0 0 0 0 0.09 0 0 0 0.02 + 蟋蟀科Gryllidae 0 0 0.18 0 0 0 0 0 0.02 + 小蚓类Microdrile oligochaetes 0.02 0.03 0.02 0.01 0 0 0 0 0.01 + 蠼螋科Labiduridae 0 0 0 0 0.01 0 0 0 0 + 鼠妇科Porcellionidae 0.01 0 0 0 0 0 0.01 0 0 + 蝼蛄科Gryllotalpidae 0 0 0 0 0 0 0.01 0 0 + 步甲科Carabidae 0 0 0 0 0 0 0.01 0 0 + 姬马陆科Julidae 0.01 0 0 0 0 0 0 0 0 + 金龟甲科幼虫Scarabaeidae larvae 0 0 0 0 0 0 0 0 0 + 石蜈蚣目Lithobiomorpha 0 0 0 0 0 0 0 0 0 + 猎蝽科Reduviidae 0 0 0 0 0 0 0 0 0 + 隐翅虫科Staphylinidae 0 0 0 0 0 0 0 0 0 + 蛭纲Hirudinea 0 0 0 0 0 0 0 0 0 + 叩甲科Elateridae 0 0 0 0 0 0 0 0 0 + 天牛科Cerambycidae 0 0 0 0 0 0 0 0 0 + 瓢甲科Coccinellidae 0 0 0 0 0 0 0 0 0 + 蝗科Acrididae 0 0 0 0 0 0 0 0 0 + 角板盲蛛科Ceratolasmatidae 0 0 0 0 0 0 0 0 0 + 缘蝽科Coreidae 0 0 0 0 0 0 0 0 0 + 夜蛾科Noctuidae 0 0 0 0 0 0 0 0 0 + 锹甲科Lucanidae 0 0 0 0 0 0 0 0 0 + 合计 41 302.01 48 277.34 47 269.99 37 009.33 93 197.35 84 846.68 47 524.66 46 007.99 445 435.35 总类群数 30 20 21 11 22 20 19 11 44 
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表 2 稻草不同还田量下土壤动物群落的多样性特征
Table 2. Diversity characteristics of soil fauna in each habitat
处理 还田2个月 还田5个月 H' J C D H' J C D T20 1.15±0.12 a 0.47±0.05 a 0.44±0.12 a 1.06±0.10 a 0.68±0.15 a 0.29±0.05 ab 0.68±0.08 a 0.78±0.20 a T10 0.79±0.13 a 0.39±0.06 a 0.60±0.07 a 0.60±0.29 b 0.37±0.13 a 0.19±0.06 b 0.83±0.07 a 0.47±0.17 b T5 0.87±0.10 a 0.42±0.04 a 0.54±0.06 a 0.67±0.06 b 0.50±0.80 a 0.25±0.03 ab 0.78±0.04 a 0.66±0.10 ab ck 0.69±0.24 a 0.41±0.16 a 0.68±0.13 a 0.47±0.14 b 0.74±0.08 a 0.39±0.06 a 0.64±0.07 a 0.53±0.09 ab 说明：数据为平均值±标准误。同列不同小写字母表示处理间差异显著(P＜0.05)
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