2020, Vol. 57
长期施用化肥导致土壤结构退化、有机质含量下降、土壤生物多样性降低[1]，不利于农业可持续发展。有机物料（如畜禽粪便、作物残茬、堆肥等）不仅能够回收利用废弃资源，还能够在保证作物产量和品质的同时改善土壤理化性质、优化土壤生物群落和活性，从而培肥土壤地力[2]。线虫作为土壤生物区系的重要组成部分之一，因其易鉴别、世代周期短、结构与功能对应关系好等特点，常被作为指示生物用于指示土壤生态系统受干扰的程度[3]，对土壤微生物的调节、土壤理化性质的改变发挥重要作用[4]。
过去关于有机肥影响土壤线虫群落结构方面的研究多集中在温带地区，在热带地区的研究较少。海南省气候湿热、砂壤土居多，适宜土壤线虫繁殖[5]，因此线虫在热带地区土壤生态系统中占据重要地位。线虫群落结构的变化与土壤养分含量变化密切相关[6]。大量研究表明有机肥的施用能够增加土壤线虫总数，提高土壤食微线虫和杂食/捕食性线虫的数量，降低植食性线虫的数量[7-9]。Sothearen等[10]对菠萝蜜的施肥研究表明，施用蝙蝠粪肥显著增加了菠萝蜜的生长量，但仅概述了有机肥对菠萝蜜生长的作用，并未深入研究增施有机肥如何改变土壤养分和微生态系统从而促进菠萝蜜生长。因此，探究有机肥与化肥配施对菠萝蜜种植土壤的线虫群落结构及养分变化的影响具有重要指导作用。
菠萝蜜（Artocarpus heterophyllus Lam.）是我国热带及亚热带地区广泛种植的特色果树[11]。而关于菠萝蜜园土壤养分方面的研究相当匮乏，很多果园疏于管理，主要依靠经验施肥[12]，导致土壤养分有效性普遍较差、有机质含量低，种植的菠萝蜜极易表现树体长势弱，产量和品质受限。田间实践发现施用牛粪肥的菠萝蜜园树体长势良好，但牛粪肥对菠萝蜜生长的调控机制尚不明确。本研究在盆栽条件下，研究有机肥部分替代化肥对土壤线虫群落结构的影响，比较不同施肥方式对菠萝蜜幼苗生物量积累及土壤肥力的调控差异，旨在为菠萝蜜种植土壤生态系统健康管理、地力提升以及作物增产提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 供试材料供试土壤采自中国热带农业科学院香料饮料研究所（18°44′8″N，110°11′34″E）幼龄菠萝蜜种植基地，该地区属典型的热带季风气候。年均气温24.6℃，年降雨量1 990~2 400 mm，年日照时数1 800~2 300 h。土壤类型为花岗岩发育的砖红壤，质地为砂壤土，pH 5.04，土壤有机质17.3 g·kg-1，碱解氮91.79 mg·kg-1，有效磷73.67 mg·kg-1，速效钾37.88 mg·kg-1。
供试牛粪有机肥（有机质，50.8%；N，15.6 g·kg-1；P2O5，47.2 g·kg-1；K2O，12.9 g·kg-1），购自江苏禾喜生物科技有限公司。氮肥为尿素（N含量46%），磷肥为过磷酸钙（P2O5含量为12%），钾肥为硫酸钾（K2O含量为45%）。供试菠萝蜜苗为马来西亚1号嫁接苗，由中国热带农业科学院香料饮料研究所提供。
1.2 试验设计盆栽试验于2018年9月至2018年12月在中国热带农业科学院香料饮料研究所温室进行。试验用土经过筛（2 mm）后装入塑料盆（直径18 cm，高30 cm）中，每盆装土8 kg，试验共设置6个施肥处理：CK（不施肥）、100CF（100%化肥）、30OM（30%有机肥+70%化肥）、50OM（50%有机肥+50%化肥）、70OM（70%有机肥+30%化肥）、100OM（100%有机肥）。100%有机肥施用量参考覃杰凤等[12]给出的幼龄树施肥量范围测算而得（4个月用量：N 5 g·株-1，P2O5 2.5 g·株-1，K2O 5 g·株-1）。减少的有机肥用化肥等养分补齐（每月肥料用量见表 1），磷肥和有机肥作基肥一次性施入，氮、钾肥分4次等量作追肥施用。移栽一株三叶一心的供试菠萝蜜苗，常规管理。采用完全随机设计，每个处理设置3个重复，每个重复6株，总计108株。整个试验培养120 d后测定相关指标。
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表 1 不同处理的肥料用量 Table 1 Fertilizer and organic manure application rate relative to treatment |
每个处理随机选取9株长势一致的菠萝蜜苗进行样品采集，每株菠萝蜜苗及其根围土壤作为一个测试样品，每个处理和对照采集9个测试样。植物样品收获后，用去离子水将植株冲洗3次，分成地上部和地下部，采用烘干称重法测定干物质量。根冠比=根干重/地上部干重。将所有根围土壤样品带回实验室混匀分为两份，一份用于线虫群落分析，一份用于测定土壤理化性质[13]。土壤pH采用复合电极法测定，土水比为1:5（w/v）。有机质采用重铬酸钾外加热法测定；碱解氮采用碱解扩散法测定；土壤有效磷采用NaHCO3溶液浸提—钼锑抗比色法测定；土壤速效钾采用NH4OAc浸提—火焰光度法测定。
1.4 线虫收集与形态鉴定称取100 g土壤通过浅盘法进行土壤线虫的分离收集[14]，线虫总数通过体视显微镜直接计数，根据土壤含水量换算为每100 g干土中的数量。计数后，随机挑取100条以上线虫置于载玻片，用透明指甲油密封盖玻片的四周避免水分蒸发影响线虫的鉴定，于Olympus BX51光学显微镜100×和400×下观察线虫形态，根据其形态和食性进行分类鉴定[15-18]。根据线虫的口针、食道及尾部形态等特征，将线虫分为四个营养类群：食细菌线虫（Bacterivores）、食真菌线虫（Fungivores）、植食性线虫（Plant-parasites）和杂食/捕食性线虫（Omnivores/predators）[19]。
在分析营养类群比例的基础上进一步计算土壤线虫群落指数：
自由生活线虫成熟度指数（MI）：
| $ {\rm{MI = }}\sum {{\rm{c - }}{{\rm{p}}_{\rm{i}}}{\rm{ \times }}{p_{\rm{i}}}} $ |
式中，c-pi为分类单元i被赋予的cp值，pi为第i个分类单元中个体占线虫总个体数量的比例。
香农多样性指数（H′）：
| $ H'{\rm{ = }} - \sum {{p_{\rm{i}}} \times \ln {p_{\rm{i}}}} $ |
均匀度指数
| $ \left( {J\prime } \right) = H\prime /\ln S, $ |
式中，S为线虫分类单元数。
线虫通道指数
| $ \left( {{\rm{NCR}}} \right){\rm{ = BF/}}\left( {{\rm{BF + FF}}} \right) $ |
式中，BF和FF分别代表食细菌和食真菌的线虫数量。
富集指数（EI）=100×（e/（e+b）），结构指数（SI）=100×（s/（s+b））。式中，b（basal）代表食物网中的基础成分，通常指Ba2和Fu2两个类群；e（enrichment）代表食物网中的富集成分，指Ba1和Fu2两个类群；s（structure）代表食物网中的结构成分，包括Ba3-Ba5、Fu3-Fu5、Om3-Om5和Ca2-Ca5类群。b、e和s值的计算方式分别为Σkbnb、Σkene和Σksns，其中kb、ke和ks为各类群所对应的加权值（其值在0.8到5.0之间），nb、ne和ns则为各类群的丰度。
1.5 数据处理在SPSS 19.0中，使用Kolmogorov-Smirnov检验和Levene’s检验对所有数据进行正态分析和方差齐性检验。采用单因素方法分析（ANOVA）进行数据比较，利用Duncan新复极差法检验处理间差异的显著性水平（P < 0.05）。使用R软件（3.3.2）里的Vegan程序包进行β多样性分析，使用corrplot程序包进行相关性分析。
2 结果 2.1 施肥方式对菠萝蜜幼苗生物量的影响从表 2可以看出，100OM处理菠萝蜜幼苗的地上部干重、地下部干重和总干重显著高于对照，增加的比例分别为46.00%、31.25%和42.54%，根冠比与对照差异不显著。50OM处理地上部干重、地下部干重、总干重和根冠比均显著高于对照，增长的比例分别为23.99%、56.80%，31.68%和30.00%；与100CF处理相比，菠萝蜜幼苗的地上部干重、地下部干重和总干重显著增加，增加的比例分别为14.81%，37.80%和20.37%。
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表 2 不同施肥方式菠萝蜜幼苗生物量变化 Table 2 Biomass of jackfruit saplings relative to treatment |
增施有机肥较对照显著增加土壤pH、有机质、碱解氮和速效钾含量，其中100OM处理增加的比例分别为34.75%、48.86%、46.71%和431.66%（表 3）。增施有机肥较100CF处理显著增加土壤pH和有机质含量，减少有效磷和速效钾含量。随着有机肥施用比例增加，土壤pH、有机质、碱解氮含量呈增长趋势，土壤有效磷和速效钾含量呈降低趋势。
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表 3 不同施肥方式菠萝蜜种植土壤化学性质 Table 3 Chemical properties of the soil relative to treatment |
各处理土壤中共鉴定出线虫13个属（表 4）。将个体数占群落个体总数10%以上的属划定为土壤线虫优势属，由表 3可以看出肾形属Rotylenchulus在所有处理中均为优势属；CK处理的优势属主要集中在植食性线虫，分别为根结属Meloidogyne、螺旋属Helicotylenchus和矮化属Tylenchorhynchus；随着有机肥施用比例的增加，优势属主要为食微线虫，有些属如地单宫属Geomonhystera和头叶属Cephalobus仅在100OM处理中存在。
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表 4 不同施肥处理土壤线虫属的相对丰度 Table 4 Mean relative abundance of nematodes relative to genus and treatment/% |
不同施肥方式下土壤线虫营养结构存在一定差异（图 1）。对照和100CF处理中植食性线虫的数量最多，分别占个体总数的83.18%和81.83%。随着有机肥施用比例增加，植食性线虫的占比逐渐减少。食细菌线虫在对照和100CF处理中分别占比4.12%和10.40%。随着有机肥施用比例增加，食细菌线虫的占比逐渐增加。食真菌线虫占个体总数的比例变化趋势与食细菌线虫相似。杂食/捕食性线虫在对照中占比最大，为8.14%，其次为70OM和100OM处理，在其他处理中占比均小于0.5%。
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图 1 土壤线虫营养类群的相对丰度 Fig. 1 Relative abundance of soil nematode relative to trophic groups |
表 5结果显示，100OM处理的自由生活线虫成熟度指数MI值最高，较对照增加的比例为112.7%（P < 0.05），其次是70OM处理，与对照无显著性差异，两处理的MI值均显著高于100CF处理。100CF处理的MI值与对照差异不显著。70OM处理的富集指数EI值显著高于100CF处理，增加的比例为50.92%（P < 0.05），与对照和100OM处理无显著性差异。结构指数SI和多样性指数H′值在对照、70OM和100OM之间无显著性差异。100CF和50OM处理的H′值显著低于对照，减少的比例均为25.54%（P < 0.05）。对照的均匀度指数J′值最高，与30OM、70OM、100OM处理无显著性差异。50OM处理中的通道指数NCR值最高，与30OM、50OM处理无显著性差异，对照的NCR值最低。
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表 5 不同施肥方式对土壤线虫生态指数的影响 Table 5 Soil nematode community ecological indices relative to treatment |
采用非度量多维尺度（NMDS）指数对线虫属水平相对丰度作β多样性分析。克鲁斯卡尔应力值（stress value）为0.113（图 2），表明模型拟合效果较好。NMDS指数显示CK、30OM、70OM和100OM处理和其他处理线虫群落区分开。ANOSIM分析结果显示处理间的群落结构差异达显著水平（R=0.787 6，P=0.001）。
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图 2 基于土壤线虫相对丰度的NMDS双序图 Fig. 2 The NMDS biplot based on the relative abundance of soil nematodes |
图 3表明，土壤食细菌线虫丰度与食真菌线虫丰度、杂食/捕食性线虫丰度两两呈显著正相关，与植食性线虫丰度呈显著负相关。地上部干重与食细菌线虫丰度、有机质和pH呈显著正相关，与植食性线虫丰度和有效磷含量呈显著负相关。总干重与食细菌线虫丰度、有机质含量呈显著正相关。有机质与食细菌线虫、食真菌线虫、杂食/捕食性线虫丰度和pH呈显著正相关。碱解氮含量与植食性线虫丰度呈显著负相关。有效钾含量与杂食/捕食性线虫丰度和pH呈显著负相关。土壤pH值与食微线虫、杂食/捕食性线虫丰度呈显著正相关，与植食性线虫丰度呈显著负相关。
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注：TN，土壤总线虫；Ba，食细菌线虫；Fu，食真菌线虫；PP，植食性线虫；OP，杂食/捕食性线虫；DWS，地上部干重；DWR，地下部干重；TDW，总干重；SOM，有机质；AN，碱解氮；AP，有效磷；AK，速效钾。“*”表示不同处理间的差异显著性检验达0.05水平；“**”表示不同处理间的差异显著性检验达0.01水平。蓝色表示正相关，红色表示负相关，圆形的大小说明相关性的大小。Note：TN，total soil nematode；Ba，Bacterivores；Fu，Fungivores；PP，Plant-parasites；OP，Omnivores/predators；DWS，dry weight of shoot；DWR，dry weight of root；TDW，total dry weight；SOM，organic matter；AN，alkalyzablenitrogen；AP，available phosphorus；AK，readily available potassium. “*” indicates significant difference at 0.05 level and “**” significant difference at 0.01 level. Blue indicates positive correlation and red negative correlation. Size of the circle indicates magnitude of the correlation. 图 3 土壤线虫丰度与菠萝蜜幼苗生长及土壤化学性质相关性 Fig. 3 Correlation analysis of nematode abundance, jackfruit sapling growth and soil chemical properties |
施肥可以促进作物的生长，不同施肥方式对作物的促进作用各有不同。本研究结果显示，与不施肥和施用纯化肥相比，施用有机肥显著促进了菠萝蜜苗生物量的积累，这与杜少平等[20]在西瓜上的研究结果类似，但并不遵循有机肥比例越高促生效果越显著的趋势，如100OM处理中地上部干重最高，而地下部干重次于50OM。从根冠比数值可以看出植物的生物量分配策略，本研究中有机肥比例越高，根冠比值越小，可见施用有机肥比例高的菠萝蜜生物量更多地分配到地上部，这可能与有机肥驱动下的光合产物以及根系吸收的养分分配策略有关。
3.2 土壤化学性质对施肥方式的响应增施有机肥较对照能显著增加土壤pH、有机质、碱解氮和速效钾含量，对土壤pH和有机质含量的提升效果也明显优于单施化肥，这对于改善菠萝蜜种植土壤质量，提高地力和产量具有重要作用。研究表明，施用有机物料能显著提高部分土壤养分含量[21-23]。本研究中，增施有机肥能够提供更丰富的微生物生长所需的碳源种类，通过微生物分解转化释放更多的养分，从而提高土壤速效养分含量。
3.3 土壤线虫营养结构对施肥方式的响应土壤线虫作为比较敏感的指示生物，与土壤理化指标相比，对环境变化的反应更加迅速，能更有效地指示环境变化产生的生态效应[24]。土壤动物与土壤肥力/土壤质量的变动之间关系密切[25]。大量研究表明，土壤线虫总数对有机肥有积极响应，施用有机肥能够增加土壤线虫总数[26]，提高土壤食细菌线虫、食真菌线虫[7, 27]和杂食/捕食性线虫的数量，对植食性线虫数量有一定的抑制作用[9, 21]。本研究中，食微线虫数量和种类随着有机肥用量的增加呈增长趋势，在线虫总量中所占的比例有所提高，说明食微线虫更倾向于C/N较高的有机肥处理。土壤线虫通过取食行为刺激微生物的活性，进而提升土壤微生物量和微生物的生长速度[28]，从而也促进了食微线虫数量的增长，这与本研究结果较为一致。除100OM处理外，其他处理的植食性线虫占比均超过50%，随着有机肥用量的增加，土壤植食性线虫数量呈下降趋势。这可能是缘于土壤生物的间接作用[5]，可见，有机肥对植食性线虫的抑制作用与其施用量有关。然而这些设想仍需后续的控制试验验证。增施有机肥对平衡土壤中不同食性线虫的比例作用明显，如增加食微线虫和杂食/捕食性线虫占线虫总量的比例，减少植食性线虫占比。这与江春[26]和蔡冰杰[29]等不同有机物料对土壤线虫群落组成、结构及多样性均产生一定影响的结论一致。增施有机肥能够提高杂食/捕食性线虫占比，这主要是肥料的添加一方面为杂食/捕食性线虫提供了更多的食物来源[30]，同时杂食/捕食性线虫还以土壤微小型动物为食，较易受到干扰，在成熟稳定的生态系统中数量较多。因此与施化肥相比，增施有机肥其生态系统环境相对受到的干扰较小[24]。
3.4 土壤线虫群落多样性对施肥方式的响应线虫生态指数可以反映不同管理措施条件下土壤线虫多样性和群落结构的差异[31]。成熟度指数（MI）常用于评价土壤受干扰的程度[32]。大量研究结果表明，有机肥能够提高线虫群落的成熟度，降低土壤环境受干扰程度[7, 26]，与本研究结果相似。结构指数SI和富集指数EI两者结合可以更好地反映土壤环境和食物网的变化[33]。不同施肥方式下的线虫群落富集指数和结构指数均大于50，表明各处理在采样时期受到的干扰小，食物网逐渐成熟。而不施肥、70OM和100OM处理的SI和EI值均较高，表明在采样时期受到的干扰最小，养分状况较好，食物网更成熟。其他处理在采样时期土壤养分状况较差（低pH和低有机质），受干扰程度较高，食物网结构有所退化。本研究结果显示，与纯化肥相比，70OM和100OM处理均能提高H′值，这与江春等[26]在玉米的研究结果相似，表明增施有机肥使少数属的线虫快速增加，成为优势属，从而增加了物种的多样性。但其与对照无显著性差异，其他处理的H′值甚至较CK低，这可能是由于肥料的投入影响了部分偏好有机物分解的土壤线虫类群增加，导致种间竞争增强，从而改变了土壤动物群落组成。本研究中，不施肥和增施有机肥的土壤线虫分布比较均匀（J′值高），土壤线虫群落结构比较稳定[34]。NCR值常被用来探测土壤有机质的分解途径[31]。30OM、50OM和70OM处理的NCR值较高，说明这些处理的土壤食物网以细菌主导的分解途径占更大比例，这与叶成龙等[35]在麦地上的研究结果一致。由于食细菌线虫对细菌的捕食的作用，通过调节土壤细菌的数量及活性间接促进了养分转化，以细菌分解为主的分解路径能够加速养分的周转[36]。因此，从线虫通道指数上看，以细菌路径分解占优势的有机肥与化肥配施处理能更好、更持久的供应养分。
3.5 土壤线虫与菠萝蜜生长及土壤化学性质的关系地上部分与地下部分是相互联系的，作物良好的长势，意味着土壤生态环境良好，生物多样性丰富，养分周转速率快，而作物本身根茎叶等返还给土壤的植物残体也较多[37-38]，良好的土壤环境与充足的食物来源使土壤动物个体数量和多样性增加[39]，这可能是解释菠萝蜜幼苗地上部干重与土壤食细菌线虫丰度和土壤有机质呈正相关的主要原因之一。而土壤植食性线虫丰度与食微线虫丰度呈显著负相关，这不仅与土壤生物的间接作用有关，也可能由于植物与根际微生物以及食微线虫之间形成的稳定互作关系，占据有利生态位，进而抑制了植食性线虫的数量。前人的研究报道了食微线虫可通过捕食作用影响微生物对土壤养分的转化[40]，高养分含量的环境条件（如高pH和高有机质）更适合较高cp值的线虫类群[14]，这可能解释土壤有机质含量与食微线虫和杂食/捕食性线虫丰度呈显著正相关关系。
4 结论有机-无机配施显著促进菠萝蜜幼苗生物量积累，提高土壤线虫总量和食微线虫数量，减少植食性线虫数量，对土壤养分（有机质含量和pH）有一定的改善作用。增施有机肥通过控制土壤中不同食性线虫在线虫总量的占比，保持土壤中各营养类群的比例平衡，提高土壤线虫多样性和均匀度。菠萝蜜幼苗生物量积累与土壤化学性质和食微线虫丰度密切相关。因此，研究不同施肥方式对菠萝蜜种植土壤线虫群落和养分有效性的影响可为菠萝蜜根际生态过程和养分利用的科学调控提供理论参考。
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