腐熟秸稈替代化肥對冬小麥田節肢動物群落結構與小麥產量的影響

　　摘 要：通過開展等氮條件下腐熟秸稈替代化肥定位試驗，研究不同施肥處理對冬小麥田節肢動物群落結構與小麥產量的影響，以期為化肥減量施用和秸稈資源化利用提供理論依據。試驗共設置 5 個處理：單施化肥、腐熟秸稈替代 20%、50%、80%和 100%化肥。結果顯示：隨著腐熟秸稈替代化肥量的增多，害蟲數量呈現減少趨勢，天敵數量呈現先增后減的趨勢。以腐熟秸稈替代 50%化肥為節點，除了害蟲優勢集中性指數，節肢動物群落各主要特征值均隨著替代量的增多呈現先增后減的趨勢。當腐熟秸稈替代化肥達 50%及以上時，小麥各產量指標均顯著低于單施化肥。結論表明腐熟秸稈替代化肥比例宜控制在 50%以下。

　　關鍵詞：冬小麥;腐熟秸稈;節肢動物群落;天敵;害蟲;產量

　　張默焓; 薛中俊; 呂得林; 周春曉; 巫厚長， 安徽農業大學學報 發表時間：2021-11-08

　　化肥長期過量施用會導致農田生態環境失衡[1]，因此，有機肥以合理比例替代化肥配施成為時下國內外研究的熱點。秸稈資源作為構建農業循環經濟系統種植業與養殖業間的重要紐帶，對于實現農業資源循環利用和可持續發展有重要意義[2] 。田間農作物秸稈采用好氧堆肥工藝腐熟后含有大量腐殖質和營養物質，且不帶致病微生物，可以作為有機肥替代化肥還田[3] 。

　　節肢動物在農田生態環境中具有影響生態系統的初級生產、養分循環等多種重要功能，可以指示各種環境變化[4]，農作物產量則直接反應氮素在其體內的積累程度[5]。通過觀察田間節肢動物群落結構和農作物產量的變化可以評價腐熟秸稈替代化肥后產生的影響。有報道指出，基施腐熟秸稈有助于提高天敵個體數，從而可持續地控制害蟲個體數，用腐熟秸稈部分或全部替代化肥可以抑制害蟲數量[6-7];施用有機肥能提高蜘蛛、捕食性天敵和寄生性天敵物種的多樣性與均勻度指數，且能顯著降低害蟲種群的危害[8]。有調查結果顯示有機種植較常規種植能夠維持更高的生物多樣性、多度甚至豐度[9]，且不同種植模式的多樣化鑲嵌有可能構建更加復雜和完善的節肢動物群落結構[10]。此外，諸多研究證明，有機肥以合理比例替代化肥可以保證農作物的穩產甚至增產[11-15]。

　　有機肥按科學比例替代化肥不僅減少化肥施用，而且能維持原本的氮素基礎，這對農業生產有重要意義。因此，本研究基于田間小區定位試驗第 3 年的背景，探討等氮條件下腐熟秸稈按不同比例替代化肥對冬小麥(Triticum aestivum)田節肢動物群落結構與小麥產量的影響，以期為腐熟秸稈科學替代化肥還田提供合理依據。

　　1 材料與方法

　　1.1 試驗地基本概況

　　試驗小區位于安徽省合肥市安徽農業大學實驗農場夏玉米(Zea mays)-冬小麥輪作田(117°14′E，31°52′N)，地處長江中下游地區安徽中部，屬于亞熱帶季風性濕潤氣候，年平均降水量 940～1 000 mm，年平均氣溫15.7 ℃，土壤類型黃褐土。土壤0～20 cm 基本理化性質為有機質 12.5 g·kg-1 、全氮 1.03 g·kg-1 、堿解氮 70.17 mg·kg-1 、有效磷 23.46 mg·kg-1 、速效鉀 213.26 mg·kg-1 、pH 7.5。前茬作物為玉米，小區面積大約 90 m2 ，本次為定位試驗第 3 年。

　　1.2 試驗材料與試驗設計

　　供試小麥品種為“鎮麥 8 號”。供試腐熟秸稈含 N 2%，P2O5 1.6%，K2O 1.4%，有機質含量≥45%， pH 7.45(好氧堆肥腐熟的小麥秸稈)。供試化肥：尿素含 N46%(中鹽安徽紅四方股份有限公司)，復合肥含 N 15%，P2O5 15%，K2O 15%(中鹽安徽紅四方股份有限公司)。

　　采用單因素試驗，共設置 5 個處理：單施化肥、等氮條件下腐熟秸稈替代 20%化肥、等氮條件下腐熟秸稈替代 50%化肥、等氮條件下腐熟秸稈替代 80%化肥和等氮條件下腐熟秸稈替代 100%化肥，每個處理 6 次重復，試驗采用隨機區組設計，共計 30 個小區，每個小區 3 m2 (3 m×1 m)，共 90 m2 。小麥施肥按 N 225 kg·hm-2 ，P2O5 105 kg·hm-2 ，K2O 105 kg·hm-2施肥，各處理具體施肥量見表1。小麥于2017 年 11 月 10 日播種，播種量為 120 kg·hm-2 ，采用行播，行距 20 cm，每個處理 2 行。所有處理的有機肥以及化肥均于冬小麥播種前一次性基施，作物生長期內不施用除草劑與殺蟲劑。小區間用水泥梗隔離，防止串水串肥。田間管理按常規，于 2018 年 5 月 25 日收獲時測產。

　　1.3 取樣與調查方法

　　節肢動物群落調查于 2018 年 4—5 月進行(小麥抽穗期至灌漿期)，每 7 d 調查 1 次，共調查 5 次，每個小區采取平行跳躍法抽取 5 株小麥，采用目測法系統調查每株小麥及其周圍 0.25 m2 地表所有節肢動物種類和個體數量。將麥田節肢動物劃分為 3 個功能團(天敵類、害蟲類和中性昆蟲類[16])，分析各功能團優勢度。5 月底小麥成熟，收割后脫粒風干，經過室內考種測得不同處理穗數、穗粒數、千粒重以及產量。

　　1.4 數據分析

　　采用群落相對豐度(Pi)、Simpson 多樣性指數(D')、Shannon-Wiener 多樣性指數(H')、Pielou 均勻度指數(J)和 Simpson 優勢集中性指數(C)測定節肢動物群落特征。計算公式如下[17-21]： Pi=Ni/N D'=1-∑Pi 2 H'=-∑(PilnPi) J= H'/lnS C=∑Pi 2 式中，Ni 為群落中第 i 個物種的個體數;N 為群落中所有物種的個體總數;Pi 為第 i 個物種的個體數與群落內各物種個體總數的比例;S 為群落中物種總數;i為1→S。試驗所得的數據結果采用Excel 2007 和 SPSS 22.0 進行統計分析，差異顯著性測驗采用 Duncan 法。

　　利用物種數(Ss)和個體數(Si)之比以及天敵物種數(Sn)和害蟲物種數(Sp)之比來表示群落相對穩定程度。Ss/Si 值主要反映種類間數量上的制約作用，Sn/Sp值主要反映群落內部食物網絡關系的復雜程度和相互制約程度[22-23]。

　　2 結果與分析

　　2.1 冬小麥田節肢動物群落種類和數量

　　調查發現冬小麥田共有 30 種節肢動物，3 457 頭，分屬 13 目 26 科。其中天敵 7 目 13 科，常見的有黑帶食蚜蠅(Epistrophe balteata)、七星瓢蟲(Coccinella septempunctata)、龜紋瓢蟲(Propylaea japonica)、異色瓢蟲(Leis axyridis)、擬環紋狼蛛(Lycosa pseudoannulata)和姬蜂(Ichneumonidae);害蟲 6 目 10 科，常見的有麥二叉蚜(Schizaphis graminum)、稻棘緣蝽(Cletus punctiger Dallas)、油葫蘆(Gryllus testaceus);中性昆蟲 3 目 3 科，常見的有中國蜜蜂(Apis cerana)和露螽(Phaneroptera fulcata)(表 2)。

　　2.2 腐熟秸稈替代化肥對冬小麥田節肢動物組成和數量的影響

　　2.2.1 對節肢動物組成和數量的影響 麥田節肢動物群落中鞘翅目、雙翅目、同翅目、半翅目和蜘蛛目發生量較大，構成了群落主要成分。天敵類功能團中雙翅目食蚜蠅科和鞘翅目瓢蟲科占絕對優勢;害蟲類功能團中同翅目蚜科和半翅目緣蝽科占絕對優勢(表 2)。害蟲類功能團的個體數明顯高于天敵類，物種數明顯少于天敵類。5 個處理中單施化肥害蟲發生量大，腐熟秸稈替代 50%化肥天敵發生量大(表 3)。通過分析不同種類天敵害蟲的物種數個體數，確定麥田優勢種天敵為黑帶食蚜蠅和七星瓢蟲，目標害蟲為麥二叉蚜和稻棘緣蝽。

　　腐熟秸稈替代 50%、80%和 100%化肥害蟲功能團的個體數顯著低于單施化肥，替代 20%化肥與單施化肥差異不顯著;替代 80%和 100%化肥物種數均顯著低于單施化肥，替代 20%和 50%化肥未達到顯著性差異。替代 50%化肥捕食性天敵功能團的物種數和個體數均顯著高于單施化肥，且與替代 20% 化肥相比不顯著。替代 50%化肥中性昆蟲功能團的個體數顯著高于其他處理。5 個施肥處理的麥田節肢動物總群落物種數與個體數差異不顯著(表 4)。

　　2.2.2 對目標害蟲和優勢種天敵組成和數量的影響

　　腐熟秸稈替代 50%、80%和 100%化肥的麥二叉蚜個體數顯著低于單施化肥;替代 100%化肥的稻棘緣蝽個體數顯著高于其他處理。替代 50%化肥的黑帶食蚜蠅個體數顯著高于其他處理;替代 20%、80% 和 100%化肥的七星瓢蟲個體數顯著低于單施化肥，替代 50%化肥與單施化肥間未達到顯著效果(表 5)。

　　2.3 腐熟秸稈替代化肥對冬小麥田節肢動物群落特征的影響

　　腐熟秸稈替代50%化肥的Shannon-Wiener多樣性指數(H')，Simpson 多樣性指數(D')和 Pielou 均勻度指數(J)均顯著高于單施化肥，替代 20% 和 80%化肥與單施化肥差異不顯著。替代 100%化肥的 Simpson 多樣性指數顯著高于單施化肥， Shannon-Wiener 多樣性指數和 Pielou 均勻度指數與單施化肥差異不顯著。

　　腐熟秸稈替代 50%和 100%化肥的害蟲類群優勢集中性(C)顯著低于單施化肥，表明優勢種害蟲麥二叉蚜的個體數量受到顯著控制。替代 50%化肥的天敵類群優勢集中性顯著高于單施化肥，表明優勢種天敵的個體數量得到提高。

　　腐熟秸稈替代 50%化肥的 Ss/Si值顯著高于單施化肥、替代 20%和 80%化肥，且與單施化肥差異更顯著，替代 20%、80%和 100%化肥之間差異不顯著，表明腐熟秸稈替代 50%化肥顯著抑制了目標害蟲蚜蟲和稻棘緣蝽種群數量的增長，一定程度上對節肢動物群落穩定性起促進作用。腐熟秸稈替代 20%和 50%化肥的 Sn/Sp 值顯著高于單施化肥與替代 100% 化肥，表明腐熟秸稈替代化肥比例在 50%以內能夠提高群落內部食物網絡關系的復雜程度和相互制約程度(表 6)。

　　2.4 冬小麥產量

　　各腐熟秸稈替代化肥處理的產量均顯著低于單施化肥，產量由高到低依次是：單施化肥>20%秸稈>50%秸稈>80%秸稈>100%秸稈，隨著腐熟秸稈替代化肥量的增加，小麥外觀上表現為植株逐漸變矮，葉片逐漸變小，麥穗逐漸不飽滿。表明腐熟秸稈替代化肥量越多，越不利于小麥穩產。腐熟秸稈替代 50%、80%和 100%化肥的穗數、穗粒數、千粒重均顯著低于單施化肥，產量分別比單施化肥減少 15.58%、17.35%和 21.59%，替代 20%化肥的穗數、穗粒數和千粒重與單施化肥差異性不顯著(表 7)。

　　3 討論與結論

　　綜合定位試驗第 3 年的結果分析，腐熟秸稈替代化肥比例超過 50%顯著影響害蟲物種數和個體數，但同時也顯著影響了冬小麥的產量指標。腐熟秸稈等氮替代化肥能對小麥氮素的吸收和土壤氮素的利用產生影響[24]，由于定位試驗年限尚短，腐熟秸稈養分分解周期長，肥效發揮慢，小麥養分吸收存在滯后。從腐熟秸稈替代化肥對冬小麥的產量影響來看，腐熟秸稈替代化肥比例宜控制在 50%以下，這與上一年定位試驗的研究結論[25]相一致。

　　與單施化肥相比，腐熟秸稈替代 20%化肥對害蟲個體數量影響不顯著，替代 80%和 100%化肥對天敵數量影響不顯著，隨著替代量的增多，害蟲數量呈現減少趨勢，天敵數量呈現先增后減的趨勢。蚜蟲喜食氮素營養充足，葉片寬大且嫩薄的植株，從線性變化看，小麥植株生長狀態隨腐熟秸稈替代化肥量的增多逐漸變差，當替代比例超過 50%以后，化肥氮素比例下降，小麥葉片氮素成分變少，質量下降，間接抑制了蚜蟲的個體數量，天敵食物來源減少，數量相應下降。

　　以腐熟秸稈替代 50%化肥為節點，除了害蟲優勢集中性指數，節肢動物群落各主要特征值均隨著替代量的增多呈現先增后減的趨勢，當麥田生態環境與施肥之間達到平衡點時，田間節肢動物群落結構也會隨之達到一個理想的平衡點。有研究指出，在農田生境中，可以通過調整施肥結構間接增加田間生物多樣性，從而提高生態系統穩定性，達到控制害蟲的目的[26]。生境復雜度的上升，不僅為中性昆蟲提供了良好的生存環境，也為部分天敵提供了替代食料，提高田間天敵優勢集中性[27]，間接抑制了麥田害蟲個體數。與常規施肥相比，腐熟秸稈替代化肥比例在 50%以下時整體效果最佳，既能減少化肥施用，又能保持節肢動物群落穩定，抑制蚜蟲。這種“以蟲治蟲”的生物防治模式避免了農藥的噴灑和害蟲抗藥性的產生，減少了環境污染，對于害蟲防控、土壤養分結構改善以及農田生態系統穩定有重要意義。

　　腐熟秸稈替代化肥達 50%及以上時，小麥各產量指標均顯著低于單施化肥，替代 50%化肥以下時小麥的產量指標已經接近對照，但總體產量仍有差距，與其他因素相比，養分依舊是影響小麥產量的關鍵因素。本試驗作為定位試驗第 3 年，腐熟秸稈替代化肥對土壤的調節和作物提產效果尚不顯著，需連續幾年，甚至更長時間尺度的觀察研究。

　　腐熟秸稈替代 100%化肥的稻棘緣蝽個體數顯著增多，可能是由于有機肥對不同種類害蟲的影響有差異[28]，需針對施肥與物種關系進行專門驗證。此外，優勢種天敵黑帶食蚜蠅和七星瓢蟲個體數量在不同施肥處理下的變化機理需要深入研究。目前，針對等氮條件下腐熟秸稈替代化肥對農田生態系統影響的課題，涉及節肢動物群落的較少，關于施肥對田間節肢動物群落結構的影響值得進一步關注。