張雪蓮 王國兵 徐曉

(南京林業(yè)大學(xué)，南京，210037)

由于土壤微生物對(duì)土壤腐殖化和碳氮分解具有重要作用，使得我們經(jīng)常忽略土壤動(dòng)物在土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化方面的作用[1]。蚯蚓作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中典型的大型土壤動(dòng)物[2]，被稱作“生態(tài)系統(tǒng)工程師”[3]。其通過在土壤中穿梭、掘穴、取食、分解有機(jī)物質(zhì)、分泌粘液、排泄蚓糞等活動(dòng)改善土壤結(jié)構(gòu)，并在此過程中實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)質(zhì)再分配，蚯蚓的這些活動(dòng)對(duì)土壤碳的固存產(chǎn)生極大影響[1，4-5]。

蚯蚓屬于環(huán)節(jié)動(dòng)物門(Annelida)寡毛綱(Oligochaeta)的陸棲無脊椎動(dòng)物[6]，根據(jù)其功能和習(xí)性主要?jiǎng)澐殖扇N生態(tài)類型：表?xiàng)?Epigeic)、內(nèi)棲型(Endogeic)和深棲型(Anecic)[7]。表?xiàng)万球局辉谕寥罍\層活動(dòng)，以地表新鮮的植物殘?jiān)蛭⑸餅槭常粌?nèi)棲型蚯蚓是食土類動(dòng)物，棲息在土壤的上層永久性的垂直洞穴中，也以新鮮的地表植物殘?jiān)鼮槭?，但通常?huì)將食物并入深的垂直洞穴中；深棲型蚯蚓，體型較大，它們生活在土層，取食在凋落物層。不同蚯蚓之間由于種間和種內(nèi)的相互作用[8]，會(huì)對(duì)土壤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同影響，崔瑩瑩等[9]研究表明不同生態(tài)類型蚯蚓對(duì)土壤團(tuán)聚體的分布和穩(wěn)定性的影響不同。不同生態(tài)型蚯蚓會(huì)對(duì)土壤團(tuán)聚體粒級(jí)分布產(chǎn)生影響，而且不同種類蚯蚓取食土壤后通常會(huì)產(chǎn)生具有不同的化學(xué)和物理性質(zhì)的蚓糞[10]，這對(duì)土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)也會(huì)產(chǎn)生不同的影響。Wu et al.[11]研究表明不同生態(tài)型蚯蚓會(huì)對(duì)不同存在形式的碳產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響土壤碳固存。但是事實(shí)上，有機(jī)質(zhì)、氮元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)等主要取決于相應(yīng)的土壤特性[10]，所以不同土壤條件下，蚯蚓對(duì)其的影響也大不相同，過去許多研究只關(guān)注于某一種蚯蚓對(duì)一種土壤結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)于不同種類蚯蚓以及多種類蚯蚓共同作用下的多種土壤類型土壤團(tuán)聚體C質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響的差異研究過少。

本研究采用室內(nèi)控制培養(yǎng)試驗(yàn)，探討不同生態(tài)類型蚯蚓對(duì)不同利用類型土壤團(tuán)聚體C質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，以期為土壤肥力保持和改良農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中林地以及農(nóng)田土壤提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)為室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)，采用2×2即蚯蚓2水平、接種2種蚯蚓即深棲型的威廉環(huán)毛蚓(Pheretimaguillemi)與表?xiàng)偷某嘧訍蹌衮?Eiseniafoetida)；試驗(yàn)的2種土壤，分別為取自林齡為50 a的人工起源次生林(早期樹木園)的0～60 cm的森林土(pH為6.73，土壤密度1.41 g·cm-3，有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)18.7 g·kg-1，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.80 g·kg-1)和取自蔬菜地0～60 cm的農(nóng)田土(pH為5.96，土壤密度1.34 g·cm-3，有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)25.4 g·kg-1，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.93 g·kg-1)。試驗(yàn)共設(shè)置5個(gè)不同處理，即土壤對(duì)照處理(CK)；土壤+凋落物(T1)；土壤+接種赤子愛勝蚓+凋落物(T2)；土壤+接種威廉環(huán)毛蚓+凋落物(T3)；土壤+接種赤子愛勝蚓+接種威廉環(huán)毛蚓+凋落物(T4)。凋落物為烘干并粉碎的楊樹葉。每個(gè)試驗(yàn)處理設(shè)置4個(gè)重復(fù)，隨機(jī)排列。

稱取580 g新鮮土壤(約含干土500 g)與10 g楊樹葉(60 ℃下干燥2 d，切碎至直徑小于1 mm)，混合均勻后放入1 L玻璃瓶中，于培養(yǎng)室內(nèi)25 ℃平衡1周后接種蚯蚓。接種蚯蚓選擇大小較為一致的成年個(gè)體，接種前饑餓處理2 d。T2處理接種赤子愛勝蚓10條(約0.5 g/條)，T3處理接種威廉環(huán)毛蚓2條(2～3 g/條)，T4處理接種5條赤子愛勝蚓和1條威廉環(huán)毛蚓。接種初期注意觀察蚯蚓的入土情況，將活性差的個(gè)體及時(shí)替換掉，并觀察蚯蚓活動(dòng)情況以及是否存在逃逸現(xiàn)象。用聚乙烯白色網(wǎng)布(孔徑1.5 mm)圍住瓶口，用橡皮筋固定網(wǎng)布防止逃逸，每2天加入無菌蒸餾水保持土壤含水量，在室溫黑暗環(huán)境下培養(yǎng)180 d。培養(yǎng)結(jié)束后分離蚯蚓與土壤，土壤風(fēng)干破碎，過5 mm篩。

1.2 土樣樣品制備

采用干篩法分離機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體，將土樣篩分為粒徑(d)范圍為d>2.000 mm、0.250 mm

在Six濕篩法[12]基礎(chǔ)上稍加改動(dòng)進(jìn)行試驗(yàn)，將濕篩后的土壤團(tuán)聚體分成粗大團(tuán)聚體(d>2.000 mm)、細(xì)大團(tuán)聚體(0.250 mm

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel整理計(jì)算，使用SPSS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。運(yùn)用單因素方差分析(One-way ANOVA)檢驗(yàn)各處理對(duì)土壤團(tuán)聚體、有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，采用Duncan法和最小顯著法(LSD)比較不同處理間的差異顯著性(顯著性水平為0.05)。數(shù)據(jù)整理、分析前，對(duì)所有的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行正態(tài)檢驗(yàn)和方差齊性檢驗(yàn)，保證數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的合理性。

2 結(jié)果與分析

2.1 接種不同生態(tài)類型蚯蚓對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布的影響

不同處理下森林土壤各粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。相比于CK，另外4個(gè)處理均使粗大團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，T2處理最高，但各處理之間差異并不顯著；相比于T1，T3和T4處理下粗大團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，T2處理下增加，但各處理之間差異不顯著。接種蚯蚓降低了細(xì)大團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，但是T1和T2、T3、T4之間差異不顯著，4個(gè)處理和CK之間差異顯著(P<0.05)。T2、T3處理時(shí)微團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，T4處理下降，但各處理之間差異不顯著。接種蚯蚓使粉-黏團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)略微增加，但差異不顯著。不同的蚯蚓處理之間對(duì)森林土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的分布影響差異并不顯著。

表1 不同處理時(shí)森林土各粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)

表2為不同處理下農(nóng)田土壤各粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。相比于CK，除T3處理，T1、T2和T4處理均增加了粗大團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)，但各處理之間差異不顯著；相比于T1，接種蚯蚓均降低粗大團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)，各處理之間差異不顯著。接種蚯蚓可以顯著降低農(nóng)田土壤細(xì)大團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(P<0.05)，T3處理降低的最多。土壤微團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由于接種蚯蚓而增加，T3處理顯著高于T2和T4處理(P<0.05)。粉-黏團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在T3處理時(shí)增加，T2、T4處理時(shí)降低，T4處理降低效果顯著(P<0.05)。

表2 不同處理時(shí)農(nóng)田土各粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2.2 接種不同生態(tài)類型蚯蚓對(duì)土壤有機(jī)碳(SOC)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

表3反映了接種不同生態(tài)類型蚯蚓對(duì)2種土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響。分析發(fā)現(xiàn)，至培養(yǎng)結(jié)束，各處理均降低了SOC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，且接種蚯蚓對(duì)2種土壤SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低作用均達(dá)到顯著水平(P<0.05)。2種蚯蚓共同作用下對(duì)森林土壤SOC的降低作用顯著高于單獨(dú)接種1種蚯蚓(P<0.05)；農(nóng)田土壤條件下，接種威廉環(huán)毛蚓和2種蚯蚓混接對(duì)SOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低作用顯著高于單獨(dú)接種赤子愛勝蚓(P<0.05)。

表3 接種不同生態(tài)類型蚯蚓的2種土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)

接種蚯蚓對(duì)2種土壤各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響如表4、表5所示，每種處理時(shí)，各級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)由高到低依次為細(xì)大團(tuán)聚體、粗大團(tuán)聚體、微團(tuán)聚體、粉-黏團(tuán)聚體。

分析不同處理時(shí)森林土壤各團(tuán)聚體有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(如表4所示)發(fā)現(xiàn)，接種蚯蚓可顯著降低粗大團(tuán)聚體和細(xì)大團(tuán)聚體中有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，降低效果由高到低分別為T4、T3、T2；不同的接種蚯蚓處理之間對(duì)各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響差異顯著，其中2種蚯蚓混接對(duì)各級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳降低作用最為顯著(P<0.05)。

表4 不同處理時(shí)森林土各級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)

接種蚯蚓對(duì)農(nóng)田土壤各級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響規(guī)律與森林土壤基本一致(如表5所示)，接種蚯蚓的處理均顯著降低農(nóng)田土壤各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)；除粉-黏團(tuán)聚體外，接種赤子愛勝蚓對(duì)各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的降低作用顯著低于接種威廉環(huán)毛蚓和2種蚯蚓混接(P<0.05)。

表5 不同處理時(shí)農(nóng)田土各級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)

3 結(jié)論與討論

蚯蚓通過掘穴活動(dòng)直接影響土壤的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)，或通過對(duì)土壤微生物取食(主要是真菌)[13]以及排泄出的蚓糞提高土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，從而間接影響土壤團(tuán)聚體[14],對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的形成和穩(wěn)定具有重要作用。本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，T2、T3處理時(shí)，森林土壤微團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，T4處理時(shí)降低，不同生態(tài)型蚯蚓之間差異不顯著；農(nóng)田土壤在蚯蚓的作用下，微團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)均增加，這與Leon et al.[15]的研究結(jié)果并不一致，他認(rèn)為不同生態(tài)型蚯蚓對(duì)土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)影響存在顯著差異，相比于表?xiàng)停顥万球灸茉黾油寥来执髨F(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)，而對(duì)于微團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)起到顯著降低作用。但也有研究表明，土壤被蚯蚓取食后并沒有增加粗大團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，甚至是降低粗大團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)[16]，本試驗(yàn)的研究結(jié)果與此存在一致性，本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，接種蚯蚓降低了農(nóng)田土壤的粗大團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)，但對(duì)于森林土壤，接種赤子愛勝蚓后粗大團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加。此外，王笑等通過室內(nèi)微縮試驗(yàn)，對(duì)接種了3種不同生態(tài)型蚯蚓的土壤進(jìn)行濕篩，分離出不同粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體，得出了蚯蚓降低土壤細(xì)大團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的結(jié)論，本試驗(yàn)研究結(jié)果與此一致，本試驗(yàn)結(jié)果表明蚯蚓降低森林土壤細(xì)大團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)，顯著降低農(nóng)田土壤細(xì)大團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)，不同生態(tài)型蚯蚓之間差異不顯著。至于赤子愛勝蚓對(duì)土壤團(tuán)聚體分布和水穩(wěn)性團(tuán)聚體影響不大的主要原因是由于赤子愛勝蚓體型較威廉環(huán)毛蚓小，對(duì)土壤團(tuán)聚體影響小，作用時(shí)間短，效果不明顯。

蚯蚓是決定土壤是碳源或碳匯的主要參與者[1]，蚯蚓在土壤中來回穿梭，通過取食、排泄與掘穴活動(dòng)，強(qiáng)烈影響土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和土壤肥力[17]。國內(nèi)外對(duì)于蚯蚓對(duì)土壤有機(jī)碳影響的研究已有不少，但是結(jié)果仍有很大爭(zhēng)議。Coq et al.[18]通過5個(gè)月的田間試驗(yàn)研究表明，蚯蚓活動(dòng)對(duì)碳礦化有凈積極影響。Guo et al.[19]的研究發(fā)現(xiàn)，無論是在免耕還是常規(guī)耕作的土壤下，添加蚯蚓和凋落物對(duì)SOC的影響60 d內(nèi)顯著增加，但是180 d內(nèi)顯著降低。本試驗(yàn)結(jié)果表明，接種蚯蚓并培養(yǎng)180 d后，森林土和農(nóng)田土兩種土壤的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著降低。不同粒徑土壤團(tuán)聚體中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)是土壤礦化速率與有機(jī)質(zhì)平衡的微觀表現(xiàn)，其微小變化可以反映土壤總有機(jī)碳變化趨勢(shì)。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，2種土壤在不同處理時(shí)，各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)由高到低均為土壤細(xì)大團(tuán)聚體、粗大團(tuán)聚體、微團(tuán)聚體、粉-黏團(tuán)聚體，這與Mikha et al.[20]的研究結(jié)果一致，但與Wu et al.[21]研究結(jié)果相反。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，接種蚯蚓降低土壤各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，對(duì)森林土壤各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響表現(xiàn)為顯著降低粗大團(tuán)聚體和細(xì)大團(tuán)聚體有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，2種生態(tài)型共同作用對(duì)各粒級(jí)有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低效果更為顯著；農(nóng)田土壤中蚯蚓均顯著降低4個(gè)粒級(jí)土壤團(tuán)聚體中土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，且2種生態(tài)型蚯蚓差異顯著，威廉環(huán)毛蚓與2種生態(tài)型蚯蚓共同作用之間差異不顯著。

綜上，不同生態(tài)類型蚯蚓對(duì)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響不同，威廉環(huán)毛蚓以及威廉環(huán)毛蚓與赤子愛勝蚓共同作用下對(duì)土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響較為顯著。另外不同生態(tài)型蚯蚓對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的粒徑分布結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，并且影響土壤各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。蚯蚓主要通過影響土壤細(xì)大團(tuán)聚體和粗大團(tuán)聚體有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)來影響全土有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。然而蚯蚓對(duì)于有機(jī)碳在各粒級(jí)團(tuán)聚體中的轉(zhuǎn)化機(jī)制的影響尚不清楚，仍待進(jìn)一步驗(yàn)證。