腐熟秸秆替代化肥对冬小麦田节肢动物群落结构与小麦产量的影响

　　摘 要：通过开展等氮条件下腐熟秸秆替代化肥定位试验，研究不同施肥处理对冬小麦田节肢动物群落结构与小麦产量的影响，以期为化肥减量施用和秸秆资源化利用提供理论依据。试验共设置 5 个处理：单施化肥、腐熟秸秆替代 20%、50%、80%和 100%化肥。结果显示：随着腐熟秸秆替代化肥量的增多，害虫数量呈现减少趋势，天敌数量呈现先增后减的趋势。以腐熟秸秆替代 50%化肥为节点，除了害虫优势集中性指数，节肢动物群落各主要特征值均随着替代量的增多呈现先增后减的趋势。当腐熟秸秆替代化肥达 50%及以上时，小麦各产量指标均显著低于单施化肥。结论表明腐熟秸秆替代化肥比例宜控制在 50%以下。

　　关键词：冬小麦;腐熟秸秆;节肢动物群落;天敌;害虫;产量

　　张默焓; 薛中俊; 吕得林; 周春晓; 巫厚长， 安徽农业大学学报 发表时间：2021-11-08

　　化肥长期过量施用会导致农田生态环境失衡[1]，因此，有机肥以合理比例替代化肥配施成为时下国内外研究的热点。秸秆资源作为构建农业循环经济系统种植业与养殖业间的重要纽带，对于实现农业资源循环利用和可持续发展有重要意义[2] 。田间农作物秸秆采用好氧堆肥工艺腐熟后含有大量腐殖质和营养物质，且不带致病微生物，可以作为有机肥替代化肥还田[3] 。

　　节肢动物在农田生态环境中具有影响生态系统的初级生产、养分循环等多种重要功能，可以指示各种环境变化[4]，农作物产量则直接反应氮素在其体内的积累程度[5]。通过观察田间节肢动物群落结构和农作物产量的变化可以评价腐熟秸秆替代化肥后产生的影响。有报道指出，基施腐熟秸秆有助于提高天敌个体数，从而可持续地控制害虫个体数，用腐熟秸秆部分或全部替代化肥可以抑制害虫数量[6-7];施用有机肥能提高蜘蛛、捕食性天敌和寄生性天敌物种的多样性与均匀度指数，且能显著降低害虫种群的危害[8]。有调查结果显示有机种植较常规种植能够维持更高的生物多样性、多度甚至丰度[9]，且不同种植模式的多样化镶嵌有可能构建更加复杂和完善的节肢动物群落结构[10]。此外，诸多研究证明，有机肥以合理比例替代化肥可以保证农作物的稳产甚至增产[11-15]。

　　有机肥按科学比例替代化肥不仅减少化肥施用，而且能维持原本的氮素基础，这对农业生产有重要意义。因此，本研究基于田间小区定位试验第 3 年的背景，探讨等氮条件下腐熟秸秆按不同比例替代化肥对冬小麦(Triticum aestivum)田节肢动物群落结构与小麦产量的影响，以期为腐熟秸秆科学替代化肥还田提供合理依据。

　　1 材料与方法

　　1.1 试验地基本概况

　　试验小区位于安徽省合肥市安徽农业大学实验农场夏玉米(Zea mays)-冬小麦轮作田(117°14′E，31°52′N)，地处长江中下游地区安徽中部，属于亚热带季风性湿润气候，年平均降水量 940～1 000 mm，年平均气温15.7 ℃，土壤类型黄褐土。土壤0～20 cm 基本理化性质为有机质 12.5 g·kg-1 、全氮 1.03 g·kg-1 、碱解氮 70.17 mg·kg-1 、有效磷 23.46 mg·kg-1 、速效钾 213.26 mg·kg-1 、pH 7.5。前茬作物为玉米，小区面积大约 90 m2 ，本次为定位试验第 3 年。

　　1.2 试验材料与试验设计

　　供试小麦品种为“镇麦 8 号”。供试腐熟秸秆含 N 2%，P2O5 1.6%，K2O 1.4%，有机质含量≥45%， pH 7.45(好氧堆肥腐熟的小麦秸秆)。供试化肥：尿素含 N46%(中盐安徽红四方股份有限公司)，复合肥含 N 15%，P2O5 15%，K2O 15%(中盐安徽红四方股份有限公司)。

　　采用单因素试验，共设置 5 个处理：单施化肥、等氮条件下腐熟秸秆替代 20%化肥、等氮条件下腐熟秸秆替代 50%化肥、等氮条件下腐熟秸秆替代 80%化肥和等氮条件下腐熟秸秆替代 100%化肥，每个处理 6 次重复，试验采用随机区组设计，共计 30 个小区，每个小区 3 m2 (3 m×1 m)，共 90 m2 。小麦施肥按 N 225 kg·hm-2 ，P2O5 105 kg·hm-2 ，K2O 105 kg·hm-2施肥，各处理具体施肥量见表1。小麦于2017 年 11 月 10 日播种，播种量为 120 kg·hm-2 ，采用行播，行距 20 cm，每个处理 2 行。所有处理的有机肥以及化肥均于冬小麦播种前一次性基施，作物生长期内不施用除草剂与杀虫剂。小区间用水泥梗隔离，防止串水串肥。田间管理按常规，于 2018 年 5 月 25 日收获时测产。

　　1.3 取样与调查方法

　　节肢动物群落调查于 2018 年 4—5 月进行(小麦抽穗期至灌浆期)，每 7 d 调查 1 次，共调查 5 次，每个小区采取平行跳跃法抽取 5 株小麦，采用目测法系统调查每株小麦及其周围 0.25 m2 地表所有节肢动物种类和个体数量。将麦田节肢动物划分为 3 个功能团(天敌类、害虫类和中性昆虫类[16])，分析各功能团优势度。5 月底小麦成熟，收割后脱粒风干，经过室内考种测得不同处理穗数、穗粒数、千粒重以及产量。

　　1.4 数据分析

　　采用群落相对丰度(Pi)、Simpson 多样性指数(D')、Shannon-Wiener 多样性指数(H')、Pielou 均匀度指数(J)和 Simpson 优势集中性指数(C)测定节肢动物群落特征。计算公式如下[17-21]： Pi=Ni/N D'=1-∑Pi 2 H'=-∑(PilnPi) J= H'/lnS C=∑Pi 2 式中，Ni 为群落中第 i 个物种的个体数;N 为群落中所有物种的个体总数;Pi 为第 i 个物种的个体数与群落内各物种个体总数的比例;S 为群落中物种总数;i为1→S。试验所得的数据结果采用Excel 2007 和 SPSS 22.0 进行统计分析，差异显著性测验采用 Duncan 法。

　　利用物种数(Ss)和个体数(Si)之比以及天敌物种数(Sn)和害虫物种数(Sp)之比来表示群落相对稳定程度。Ss/Si 值主要反映种类间数量上的制约作用，Sn/Sp值主要反映群落内部食物网络关系的复杂程度和相互制约程度[22-23]。

　　2 结果与分析

　　2.1 冬小麦田节肢动物群落种类和数量

　　调查发现冬小麦田共有 30 种节肢动物，3 457 头，分属 13 目 26 科。其中天敌 7 目 13 科，常见的有黑带食蚜蝇(Epistrophe balteata)、七星瓢虫(Coccinella septempunctata)、龟纹瓢虫(Propylaea japonica)、异色瓢虫(Leis axyridis)、拟环纹狼蛛(Lycosa pseudoannulata)和姬蜂(Ichneumonidae);害虫 6 目 10 科，常见的有麦二叉蚜(Schizaphis graminum)、稻棘缘蝽(Cletus punctiger Dallas)、油葫芦(Gryllus testaceus);中性昆虫 3 目 3 科，常见的有中国蜜蜂(Apis cerana)和露螽(Phaneroptera fulcata)(表 2)。

　　2.2 腐熟秸秆替代化肥对冬小麦田节肢动物组成和数量的影响

　　2.2.1 对节肢动物组成和数量的影响 麦田节肢动物群落中鞘翅目、双翅目、同翅目、半翅目和蜘蛛目发生量较大，构成了群落主要成分。天敌类功能团中双翅目食蚜蝇科和鞘翅目瓢虫科占绝对优势;害虫类功能团中同翅目蚜科和半翅目缘蝽科占绝对优势(表 2)。害虫类功能团的个体数明显高于天敌类，物种数明显少于天敌类。5 个处理中单施化肥害虫发生量大，腐熟秸秆替代 50%化肥天敌发生量大(表 3)。通过分析不同种类天敌害虫的物种数个体数，确定麦田优势种天敌为黑带食蚜蝇和七星瓢虫，目标害虫为麦二叉蚜和稻棘缘蝽。

　　腐熟秸秆替代 50%、80%和 100%化肥害虫功能团的个体数显著低于单施化肥，替代 20%化肥与单施化肥差异不显著;替代 80%和 100%化肥物种数均显著低于单施化肥，替代 20%和 50%化肥未达到显著性差异。替代 50%化肥捕食性天敌功能团的物种数和个体数均显著高于单施化肥，且与替代 20% 化肥相比不显著。替代 50%化肥中性昆虫功能团的个体数显著高于其他处理。5 个施肥处理的麦田节肢动物总群落物种数与个体数差异不显著(表 4)。

　　2.2.2 对目标害虫和优势种天敌组成和数量的影响

　　腐熟秸秆替代 50%、80%和 100%化肥的麦二叉蚜个体数显著低于单施化肥;替代 100%化肥的稻棘缘蝽个体数显著高于其他处理。替代 50%化肥的黑带食蚜蝇个体数显著高于其他处理;替代 20%、80% 和 100%化肥的七星瓢虫个体数显著低于单施化肥，替代 50%化肥与单施化肥间未达到显著效果(表 5)。

　　2.3 腐熟秸秆替代化肥对冬小麦田节肢动物群落特征的影响

　　腐熟秸秆替代50%化肥的Shannon-Wiener多样性指数(H')，Simpson 多样性指数(D')和 Pielou 均匀度指数(J)均显著高于单施化肥，替代 20% 和 80%化肥与单施化肥差异不显著。替代 100%化肥的 Simpson 多样性指数显著高于单施化肥， Shannon-Wiener 多样性指数和 Pielou 均匀度指数与单施化肥差异不显著。

　　腐熟秸秆替代 50%和 100%化肥的害虫类群优势集中性(C)显著低于单施化肥，表明优势种害虫麦二叉蚜的个体数量受到显著控制。替代 50%化肥的天敌类群优势集中性显著高于单施化肥，表明优势种天敌的个体数量得到提高。

　　腐熟秸秆替代 50%化肥的 Ss/Si值显著高于单施化肥、替代 20%和 80%化肥，且与单施化肥差异更显著，替代 20%、80%和 100%化肥之间差异不显著，表明腐熟秸秆替代 50%化肥显著抑制了目标害虫蚜虫和稻棘缘蝽种群数量的增长，一定程度上对节肢动物群落稳定性起促进作用。腐熟秸秆替代 20%和 50%化肥的 Sn/Sp 值显著高于单施化肥与替代 100% 化肥，表明腐熟秸秆替代化肥比例在 50%以内能够提高群落内部食物网络关系的复杂程度和相互制约程度(表 6)。

　　2.4 冬小麦产量

　　各腐熟秸秆替代化肥处理的产量均显著低于单施化肥，产量由高到低依次是：单施化肥>20%秸秆>50%秸秆>80%秸秆>100%秸秆，随着腐熟秸秆替代化肥量的增加，小麦外观上表现为植株逐渐变矮，叶片逐渐变小，麦穗逐渐不饱满。表明腐熟秸秆替代化肥量越多，越不利于小麦稳产。腐熟秸秆替代 50%、80%和 100%化肥的穗数、穗粒数、千粒重均显著低于单施化肥，产量分别比单施化肥减少 15.58%、17.35%和 21.59%，替代 20%化肥的穗数、穗粒数和千粒重与单施化肥差异性不显著(表 7)。

　　3 讨论与结论

　　综合定位试验第 3 年的结果分析，腐熟秸秆替代化肥比例超过 50%显著影响害虫物种数和个体数，但同时也显著影响了冬小麦的产量指标。腐熟秸秆等氮替代化肥能对小麦氮素的吸收和土壤氮素的利用产生影响[24]，由于定位试验年限尚短，腐熟秸秆养分分解周期长，肥效发挥慢，小麦养分吸收存在滞后。从腐熟秸秆替代化肥对冬小麦的产量影响来看，腐熟秸秆替代化肥比例宜控制在 50%以下，这与上一年定位试验的研究结论[25]相一致。

　　与单施化肥相比，腐熟秸秆替代 20%化肥对害虫个体数量影响不显著，替代 80%和 100%化肥对天敌数量影响不显著，随着替代量的增多，害虫数量呈现减少趋势，天敌数量呈现先增后减的趋势。蚜虫喜食氮素营养充足，叶片宽大且嫩薄的植株，从线性变化看，小麦植株生长状态随腐熟秸秆替代化肥量的增多逐渐变差，当替代比例超过 50%以后，化肥氮素比例下降，小麦叶片氮素成分变少，质量下降，间接抑制了蚜虫的个体数量，天敌食物来源减少，数量相应下降。

　　以腐熟秸秆替代 50%化肥为节点，除了害虫优势集中性指数，节肢动物群落各主要特征值均随着替代量的增多呈现先增后减的趋势，当麦田生态环境与施肥之间达到平衡点时，田间节肢动物群落结构也会随之达到一个理想的平衡点。有研究指出，在农田生境中，可以通过调整施肥结构间接增加田间生物多样性，从而提高生态系统稳定性，达到控制害虫的目的[26]。生境复杂度的上升，不仅为中性昆虫提供了良好的生存环境，也为部分天敌提供了替代食料，提高田间天敌优势集中性[27]，间接抑制了麦田害虫个体数。与常规施肥相比，腐熟秸秆替代化肥比例在 50%以下时整体效果最佳，既能减少化肥施用，又能保持节肢动物群落稳定，抑制蚜虫。这种“以虫治虫”的生物防治模式避免了农药的喷洒和害虫抗药性的产生，减少了环境污染，对于害虫防控、土壤养分结构改善以及农田生态系统稳定有重要意义。

　　腐熟秸秆替代化肥达 50%及以上时，小麦各产量指标均显著低于单施化肥，替代 50%化肥以下时小麦的产量指标已经接近对照，但总体产量仍有差距，与其他因素相比，养分依旧是影响小麦产量的关键因素。本试验作为定位试验第 3 年，腐熟秸秆替代化肥对土壤的调节和作物提产效果尚不显著，需连续几年，甚至更长时间尺度的观察研究。

　　腐熟秸秆替代 100%化肥的稻棘缘蝽个体数显著增多，可能是由于有机肥对不同种类害虫的影响有差异[28]，需针对施肥与物种关系进行专门验证。此外，优势种天敌黑带食蚜蝇和七星瓢虫个体数量在不同施肥处理下的变化机理需要深入研究。目前，针对等氮条件下腐熟秸秆替代化肥对农田生态系统影响的课题，涉及节肢动物群落的较少，关于施肥对田间节肢动物群落结构的影响值得进一步关注。