杨盼盼，黄菁华，张欣玥，陈 静，赵世伟,3

(1.中国科学院水利部水土保持研究所，陕西 杨凌 712100；2.中国科学院大学，北京 100049；3.西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西 杨凌 712100；4.西北农林科技大学林学院，陕西 杨凌 712100)

线虫是土壤中数量最多、种类最为丰富的后生动物[1-2]。它们广泛存在于各种生境，占据土壤食物网多个营养级的关键位置，对植物生长和土壤有机质分解、养分循环等生态过程起着重要的调控作用[3]。同时，由于线虫的生活史和营养类群多样，对环境变化响应迅速，而且其世代周期短，提取和分类鉴定相对简单，其群落特征有助于指示土壤食物网结构与功能的变化[4]，提供有关土壤生态过程的独特信息，因此被广泛作为评价土壤生态系统健康和受干扰状况的重要生物学指标[5-7]。

作为农业生产中提高作物产量的重要措施，施肥对农田土壤生态系统的影响一直备受关注。长期单施化肥会导致土壤团聚体稳定性下降，土壤物理结构遭到破坏、易板结，土壤养分和水分供应能力变差[8-9]等问题，而有机肥与化肥配施能在一定程度上改良土壤结构并且提高肥力[10]。对于土壤线虫群落已有报道指出[11-12]，长期施用化肥引起地下植食性线虫的大量爆发，并导致线虫群落结构单一，多样性降低，抑制了作物生长和土壤生态功能的发挥。有机肥的施用能有效控制根系植食线虫的增加[13]，并提高杂食/捕食线虫的丰度[14]，改善土壤食物网的结构和功能。与土壤理化性质相比，线虫的数量、群落结构和生态功能指数能够有效反映施肥措施对土壤物理、化学、生物学性质的综合影响[7]，指示农田土壤质量和生态系统健康状况[2]。

黄土高原是我国传统旱作农业区，渭北旱塬是黄土高原地区重要的小麦生产基地，该地区土壤贫瘠、肥力低下、作物产量低。长期以来，大量施用化肥显著提高了该地区粮食产量，但对农田生态系统的可持续发展也造成了一系列不利影响[15]。在过去几十年间，大量研究聚焦于不同施肥措施对渭北旱塬农田土壤生态环境的影响[16]，但土壤线虫群落对长期定位施肥的响应及其生态指示作用却较少受到关注。本研究依托长武黄土高原农业生态试验站长期定位施肥试验平台，调查和分析长期施用不同肥料的小麦田土壤线虫群落特征及其与土壤理化性质的关系，评价不同施肥措施对土壤质量和生态系统可持续发展潜力的影响，以期为渭北旱塬农田施肥管理和土地可持续利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究依托中国科学院水利部水土保持研究所长武黄土高原农业生态试验站进行。该站位于陕西省长武县(35°12′N，107°40′E)，属于黄土高原渭北旱塬区，海拔1 200 m，气候为半干旱湿润性季风气候，1985—2016年多年平均降水量560 mm ，其中最高年份为954 mm，最低年份为296 mm。年均温9.2℃，大于10℃积温为3 029℃，无霜期171 d。土壤为粘壤质黑垆土。该试验站的长期定位施肥试验开始于1984年，布设试验时耕层(0～20 cm)土壤有机碳(SOC)含量为7.73 g·kg-1，全氮(TN)0.976 g·kg-1，pH值8.40[17]。

1.2 试验设计

长期定位施肥试验于1984年设置，种植模式为小麦连作，本研究选择5种不同施肥处理的农田作为研究对象：(1)裸地(L)，每年定期移除杂草；(2)未施肥小麦田(CK)；(3)施氮磷肥小麦田(NP)；(4)施有机肥的小麦田(M)；(5)氮磷肥配施有机肥的小麦田(MNP)(表1)。每个处理设置3个重复小区，共15个试验小区，采用随机区组排列，小区长10.26 m，宽6.5 m，小区间距0.5 m，区组间距1 m。所有肥料于作物播种前全部一次性撒施于地表，翻入土中。田间管理采用当地常规农业管理措施。不同处理的具体施肥种类和施肥量见表1。

表1 试验区作物种植和肥料施用情况表

1.3 土壤样品采集

于2018年6月在小麦收获后，采用“S”型多点采样法，在每个小区沿“S”形路线均匀设置12个取样点，用直径5 cm土钻对0～20 cm土壤进行采集并充分混合，作为1个重复的土样。采集的土壤样品去掉杂质，装入自封袋带回实验室，将其分为两份，一份过5 mm筛后置于冰箱(4 ℃)内，于7 d内提取线虫并测定土壤活性碳、氮指标，另一份室内自然风干后用于测定土壤理化性质。

1.4 土壤理化性质测定

土壤理化性质测定采用常规土壤农化分析方法[18]。土壤pH值采用电位法(水土比为2.5∶1)，含水量采用烘干法，有机碳采用重铬酸钾-外加热法，全氮采用半微量凯氏定氮法，铵态氮和硝态氮以KCL浸提后用流动分析仪测定(Bran Luebbe, 德国)，微生物生物量碳和氮采用氯仿熏蒸-硫酸钾溶液浸提法进行浸提，浸提液中有机碳和氮的含量分别采用总有机碳自动分析仪(TOC,TOC-V MP, 日本)和紫外分光光度计(UV2310Ⅱ, 上海天美科技公司)测定。可溶性有机碳和氮采用蒸馏水浸提，浸提液中碳氮含量的测定同微生物生物量碳和氮的测定方法。

1.5 土壤线虫分离和鉴定

采用浅盘提取-蔗糖离心法[19]，分离提取100 g新鲜土壤样品中的线虫。在解剖镜下进行线虫计数，并折算成每100 g烘干土的线虫数量。根据线虫的形态学特征，参照Bongers[5]的《De Nematoden van Nederland》和尹文英[20]的《中国土壤动物检索图鉴》，在生物显微镜下对线虫进行分类鉴定到属，并根据线虫食性划分为4个营养类群：食细菌类(Bacterial feeders, BF)、食真菌类(Fungal feeders, FF)、植物寄生类(Plant-parasites, PP)、杂食/捕食类(Omnivores-predators, OP)，同时根据各线虫属的生活史策略赋予相应的c-p值(从c-p值为1的r-对策者到c-p值为5的K-对策者)[21]。

1.6 数据分析

1.6.2 统计分析 数据统计分析采用SPSS 22.0和CANOCO for windows 5.0软件。采用单因素方差分析法(One-way ANOVA)评价不同施肥处理间土壤理化性质和线虫群落特征的差异显著性(P<0.05)，平均值多重比较采用最小显著极差法( LSD)。采用主成分分析方法(PCA)揭示不同处理间土壤线虫群落组成差异。采用Pearson相关分析和冗余分析法(RDA)，研究线虫群落特征与土壤理化性质的相关关系。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理下土壤的理化性质

由表2可知，裸地(L)土壤含水量显著高于所有种植小麦的处理(P<0.05)，但不同施肥处理的小麦田土壤含水量无显著差异(P>0.05)。与裸地(L)和未施肥小麦田(CK)相比，施用有机肥(M)和化肥(NP)，以及二者配施(MNP)均显著促进了土壤有机碳、全氮、可溶性碳和氮、微生物生物量碳和氮含量的增加(P<0.05)，并且除了可溶性氮之外，其余指标均表现出MNP>M>NP的变化趋势。可溶性氮含量同样在MNP处理中最高，但在NP处理下显著高于M处理。铵态氮含量在NP处理中最高，但与M和MNP处理无显著差异(P>0.05)。硝态氮含量在MNP处理中显著高于其他处理，其变化趋势为NP>L>M>NP>CK。

表2 不同施肥处理下土壤的理化性质

2.2 土壤线虫的数量和群落组成

本研究对长期施肥试验小区进行土壤线虫群落调查，共鉴定线虫1 575条，个体密度平均427条·100g-1干土，隶属于2纲6目17科33属，包括食细菌线虫8属，食真菌线虫3属，植食性线虫10属以及杂食/捕食类线虫12属(表3)。

长期施用不同肥料对土壤线虫数量有极显著的影响(P<0.01)(图 1)，土壤线虫数量变化顺序为M>MNP>CK>NP>L，其中裸地(L)土壤线虫数量低于其他处理，而单施氮磷肥(NP)相较于加入有机肥的处理(M和MNP)和不施肥对照(CK)线虫总数明显降低，而施入有机肥的M和MNP处理线虫数量最高(图1)。

土壤线虫群落组成也在不同施肥处理间具有显著差异(表3，图1)。裸地(L)中土壤线虫数量最低，但共检测到29个线虫属，明显高于其他处理(21～23个属)，其中食细菌线虫头叶属(Cephalobus)，食真菌线虫真滑刃属(Aphelenchus)，植食线虫短体属(Pratylenchus)和茎属(Ditylenchus)为优势属(相对丰度>10%)(表3)。裸地(L)中头叶属(Cephalobus)和真滑刃属(Aphelenchus)相对丰度显著高于其他处理(P<0.01)(表3)，其中CK处理的头叶属(Cephalobus)相对丰度降幅大于M、NP和MNP。同时，短体属(Pratylenchus)在其他4个种植小麦的处理中也均为优势属，相对丰度为28.57%～49.84%，显著高于裸地(相对丰度为13.02%)(P<0.01)(表3)，单施有机肥(M)处理的短体属(Pratylenchus)相对丰度分别比CK、NP和MNP降低了12.7%、9.84%和21.27%，表明了单施有机肥(M)处理对短体属(Pratylenchus)线虫的控制作用。值得注意的是，施用有机肥的M和MNP处理孔咽属(Aporcelaimellus)相对丰度显著高于其他处理，单施有机肥的M处理索努斯属(Thonus)相对丰度也显著高于其他处理，表明了有机肥对杂食/捕食线虫的促进作用。

注：图中不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)，误差线表示标准误差。Note：Different lowercase letters indicate significant differences among treatments (P<0.05). Error bars represent standard errors.

表3 不同施肥处理下土壤线虫群落各属的相对丰度/%

主成分分析(PCA)结果表明，长期施肥的3个处理(M，NP和MNP)的土壤线虫群落组成(属水平上)较为相似，与L和CK处理均存在较大差异。PCA前两轴分别解释了53.57%和20.58%的变异信息(图2)。

注：图中斜体字母为线虫属名缩写，具体含义见表3；加粗黑色字体L、CK、M、NP和MNP代表不同施肥处理；BF、FF、PP和OP代表线虫不同营养类群。下同。Note：The italics represent the abbreviations of nematode genera, as shown in Table 3. The capital letters in bold black front, namely L, CK, M, NP, and MNP, represent different fertilization treatments. BF, FF, PP, and OP represent different trophic groups of soil nematodes. The same as below.

2.3 土壤线虫群落的营养类群结构

不同施肥处理的土壤线虫群落营养类群结构存在较大差异(图3)。在所有施肥处理下，植食线虫均占据最大比例(相对丰度34.29%～62.22%)，但在不同处理间其相对丰度具有显著差异(P<0.05)，具体排列顺序为CK> MNP>NP >M>L；食细菌线虫相对丰度具体排序为L(29.20%)>NP(23.49%)>M(19.37%)>MNP(16.19%)>CK(10.48%)；食真菌线虫同样在裸地(L)中相对丰度最高(23.17%)，其次为CK处理(12.38%)，在M、NP和MNP中较低(3.81%～7.62%)；施有机肥的2个处理杂食/捕食线虫的相对丰度(M：33.33%；MNP：23.17%)明显高于其他处理(13.33%～15.86%)(P<0.05)(图3)。

注：不同小写字母表示相同营养类群下处理间差异显著(P<0.05)。Note: Different lowercase letters indicate significant differences among treatments under the same trophic group (P<0.05).

2.4 土壤线虫群落的生态指数

长期施用不同肥料对土壤线虫生态指数有显著影响(P<0.05)(表4)，表明土壤食物网的结构和功能发生显著变化。与裸地(L)相比，所有小麦田中线虫多样性指数(H)均有所降低，但仅与氮磷肥配施有机肥(MNP)处理具有显著差异(P<0.05)，而优势度的趋势与多样性指数(H)相反。然而，在施入有机肥的处理中(M和MNP)土壤线虫成熟度指数(MI)显著高于裸地(L)(P<0.05)，而植物寄生线虫指数(PPI)在不同处理中无显著差异(P>0.05)。瓦斯乐卡指数(WI)与线虫多样性指数(H)呈现相似的变化趋势，即在裸地(L)中最高(1.57)，而在氮磷肥配施有机肥处理(MNP)中最低(0.36)。线虫通路指数(NCR)在未施肥CK处理中较低并小于0.5，表明土壤有机质分解以分解速率较慢的真菌分解途径为主，在裸地(L)中略有上升，而在施入肥料的处理中(M、NP和MNP)均明显升高并大于0.5，表明施肥后分解速率较快的细菌分解途径占据主要地位。线虫结构指数(SI)在所有处理间无显著差异(P>0.05)，但所有小麦田相较于裸地(L)都有所增加，特别是M和MNP。富集指数(EI)均小于50，并在M和MNP处理中较低，显著低于裸地(P<0.05)，说明施用有机肥显著降低了土壤食物网对可利用资源的响应敏感性，但同时促进其结构化程度增加。

表4 不同施肥处理下土壤线虫群落生态指数

2.5 土壤理化性质与土壤线虫群落的关系

冗余分析(RDA)前两轴分别解释了26.71%和10.46%的变异信息，结果表明，土壤全氮、有机碳、微生物生物量碳和氮、可溶性碳是影响线虫群落组成重要因素(P<0.01)(图4)。土壤全氮、有机碳、微生物生物量碳和氮、可溶性有机碳和氮均与优势线虫短体属(Par3)，以及杂食/捕食线虫孔咽属(Apo)和索努斯属(Tho)比例呈正相关关系，与茎属(Dit)和真滑刃属(Aph2)比例呈负相关关系，而土壤含水量则正相反(图4)。相关分析结果表明，土壤理化性质与线虫数量、群落结构及生态指数也有着密切的关系(表5)。线虫数量(TNA)、杂食/捕食线虫比例(OP%)、成熟度指数(MI)、线虫通路指数(NCR)和结构指数(SI)均与土壤全氮、微生物生物量碳和氮，以及可溶性有机碳呈显著正相关关系(P<0.05)，而食真菌线虫比例(FF%)、Shannon多样性指数(H)和富集指数(EI)则相反，与这些土壤性质呈显著负相关关系(P<0.05)。此外，食真菌线虫比例、瓦斯乐卡指数(WI)和富集指数(EI)与土壤含水量呈显著正相关关系(P<0.05)，与土壤有机碳呈显著负相关关系(P<0.05)。

图4 土壤线虫群落与土壤理化性质的冗余分析Fig.4 Redundancy analysis (RDA) for the relationships between nematode communities and soil physicochemical properties

表5 土壤理化性质与线虫群落特征的相关性系数

3 讨 论

3.1 长期施肥对土壤线虫群落组成和结构的影响

长期施肥对土壤线虫数量有着极为显著的影响。与裸地相比，种植小麦导致输入土壤的资源数量和质量提高[27-28]，改善了土壤资源有效性(表2)，为线虫提供了更丰富的食物资源[29]，因此线虫数量显著增加(P<0.05)。在所有施肥处理中，氮磷肥配施有机肥(MNP)处理对土壤资源有效性的改善作用最为明显，其土壤有机碳、全氮、硝态氮、可溶性碳和氮、微生物生物量碳和氮含量均高于其他处理，这可能与该处理的养分投入量最高有关[30]。与之相应的，MNP处理的土壤线虫数量也较高。此外，单施有机肥(M)以及氮磷肥配施有机肥(MNP)处理中，土壤线虫数量明显高于单施氮磷肥(NP)的处理，可能是由于长期施用有机肥能更为有效地促进土壤有机碳和全氮的增加，改善土壤保肥供肥能力[28-29](表2)。因此，本研究结果初步证实了土壤线虫数量能够有效指示施用不同肥料类型和数量对农田土壤资源有效性的影响[2]。

长期施肥对土壤线虫群落组成和结构有重要的调控作用。与裸地相比，所有小麦田中食细菌线虫头叶属(Cephalobus)和食真菌线虫真滑刃属(Aphelenchus)的比例明显降低，而植食线虫短体属(Pratylenchus)比例显著增加，这导致小麦田中食微线虫比例下降，而植食线虫比例明显上升(除了单施有机肥处理)。植食线虫多为有害类群，一般通过刺破根系表皮，取食植株内养分维持自身生长繁殖[31]。小麦发达的根系为植食线虫提供丰富的食物资源[32]，同时小麦生长对土壤水分的消耗，使生活在土壤颗粒表面水膜中的自由生活线虫也受到抑制从而比例降低，进一步增加了植食线虫危害[33-35]。

相较于未施肥小麦田(CK)，单施有机肥处理(M)显著降低了土壤中短体属(Pratylenchus)和茎属(Ditylenchus)线虫比例(表3)，抑制了植食线虫的增加(图3)。事实上，施用有机肥一直被认为是控制作物根系植食线虫的最为有效途径[13,31,36]。相比化肥，有机肥能够更好地促进土壤养分的缓慢释放和补充微量元素，维持植株内营养均衡，增强其对植食者的抗性和耐受性[37]，同时促进对植食线虫有制约作用的自由生活线虫发展[13,36]。本研究中，单施有机肥(M)显著提高孔咽属(Aporcelaimellus)和索努斯属(Thonous)的比例，增加了线虫群落中杂食/捕食线虫的优势度。杂食/捕食线虫位于土壤食物网较高营养级，对环境干扰响应敏感，通过取食作用对植食和食微线虫产生自上而下的调控作用，是影响土壤食物网构建的关键生物类群[25]。本研究结果表明，长期施用有机肥有利于提高土壤食物网结构复杂性，促使土壤生态系统向更加成熟稳定的方向发展。然而，与未施肥处理(CK)相比，氮磷肥和有机肥配施(MNP)并未显著改变植食线虫和杂食/捕食线虫的比例，这可能与化肥的施用对植食性线虫的促进作用有关[11]；此外，该处理的养分投入量较高，这对杂食/捕食线虫可能产生一定的抑制作用[38]。

线虫生态指数能有效指示土壤食物网的结构和功能，评价生态系统健康状况[25]。与裸地相比，种植小麦后土壤线虫属数、多样性指数(H)和指示土壤健康的瓦斯乐卡指数(WI)均有所下降，并在氮磷肥配施有机肥处理(MNP)中降至最低，而优势度指数(λ)的变化则相反。这是因为种植小麦促进了植食线虫的相对丰度迅速提高，导致线虫丰富度和多样性降低[14]，土壤健康状况受到影响[26]。同时，在MNP处理中，较高的养分投入量可能对部分线虫类群产生胁迫作用[39]，使线虫多样性和WI指数进一步下降[38]。然而，相比裸地，所有小麦田线虫成熟度指数(MI)和结构指数(SI)均有所提高，特别是在M和MNP处理中更为显著。有机肥的施用增加了c-p值较高的线虫类群(特别是杂食/捕食线虫)的相对丰度，有助于控制植食线虫的发展，使土壤食物网维持较为复杂的结构和成熟稳定的状态[22, 26]。长期施肥显著促进了线虫通路指数(NCR)的提高，表明施肥有助于土壤中可利用资源的增加，进而使得土壤食物网中对易分解养分分解速率较快的细菌通道占据更重要的地位[27]，而这种变化在养分投入量最高的MNP处理中尤为显著。

3.2 影响土壤线虫群落的主要环境因素

土壤养分和水分含量是影响线虫群落的重要环境因素[29]。已有研究表明[40]，土壤养分含量的变化通过影响植物生长和微生物群落来改变不同营养类群线虫的食物资源状况，调控线虫数量和群落结构[7]，土壤含水量变化则对生活在土壤颗粒水膜中的线虫(主要是自由生活线虫)有着显著的调控作用[1,25]。本研究中，RDA和相关分析结果也表明，不同施肥措施下土壤线虫数量、组成结构以及生态指数的差异与土壤全氮、有机碳、微生物生物量碳和氮以及可溶性碳的变化密切相关(图4，表5)。

线虫总数量(TNA)与土壤全氮、微生物生物量碳和氮，可溶性有机碳和氮，以及土壤硝态氮含量均呈现显著正相关关系(P<0.05)，表明线虫数量对农田土壤资源有效性具有良好指示作用[41]。相比裸地，作物的种植能够改善土壤碳氮资源[17]，促进土壤线虫数量增加。同时，相比氮磷肥处理，长期施用有机肥(单施和配施)能够更为显著地促进土壤有机碳和全氮含量的增加，线虫数量达到较高水平，还有助于控制植食线虫的危害，构建更为复杂和成熟稳定的线虫群落。因此，土壤有机碳和全氮含量与杂食/捕食类线虫比例、成熟度指数(MI)、线虫通路指数(NCR)和结构指数(SI)也呈显著正相关关系，而与植食线虫比例呈负相关关系。

值得注意的是，土壤水分含量与食真菌线虫比例、瓦斯乐卡指数(WI)和富集指数(EI)显著正相关。在本研究中，土壤水分含量在裸地和小麦田之间差异显著，主要是由于小麦生长过程中对水分的消耗导致土壤含水量显著下降[33]，而这也引起小麦田中自由生活线虫比例和线虫多样性下降，危害土壤食物网养分富集功能和健康状况。我们的研究结果表明，在渭北旱塬区，农田土壤水分含量不仅是制约小麦生长和产量的重要因素[33]，还可能对土壤生物多样性、食物网结构和功能、以及生态系统健康具有重要影响[7]。然而，由于土壤含水量受采样时间的影响较大，在不同年份和季节间有显著差异[33]，而单一时间点对土壤水分含量的测定并不能全面反映不同施肥措施下农田土壤水分的变化。因此，在未来研究中，需进一步探索渭北旱塬小麦田土壤含水量的动态变化及其与线虫群落的关系。

4 结 论

长期施肥能够显著影响渭北旱塬小麦田土壤线虫数量、群落结构和生态指数特征。相比裸地，小麦田土壤线虫数量均有提高，但食细菌和食真菌线虫(特别是头叶属(Cephalobus)和真滑刃属(Aphelenchus))比例下降，而施肥减缓了长期种植小麦导致的头叶属(Cephalobus)线虫相对丰度的下降，此外，种植小麦的处理植食线虫(特别是短体属(Pratylenchus))比例显著增加，导致线虫属数、Shannon多样性指数(H)和指示土壤健康状况的瓦斯乐卡指数(WI)均有所下降。相较于未施肥和施用氮磷肥处理，单独施用有机肥促使小麦田中短体属(Pratylenchus)和茎属(Ditylenchus)线虫比例下降，有效抑制了植食线虫优势度的增加，并促进了杂食/捕食类线虫比例显著增加，线虫成熟度指数(MI)显著提高。这表明长期施用有机肥有利于土壤食物网结构化程度提高，土壤生态系统向更加成熟稳定的方向发展。土壤全氮、有机碳、微生物生物量碳和氮以及可溶性碳是影响不同施肥措施下土壤线虫数量和群落格局的重要环境因素。