收稿日期：2023-07-07

基金項(xiàng)目：江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（BK20200552）

作者簡(jiǎn)介：裴詩(shī)宇（1998-），男，河南新鄉(xiāng)人，碩士研究生，主要從事土壤動(dòng)物對(duì)土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)影響的相關(guān)研究。（E-mail）2021803157@stu.njau.edu.cn

通訊作者：葉成龍，（E-mail）chenglongye@njau.edu.cn

摘要： 為了探究接種蚯蚓和腐解菌對(duì)秸稈分解及土壤礦物結(jié)合有機(jī)碳形成的影響，本研究以商品腐解菌和赤子愛(ài)勝蚓為接種物，分別設(shè)置僅添加秸稈（CK）、添加秸稈并接種腐解菌（SM）、添加秸稈并接種赤子愛(ài)勝蚓（SE）和添加秸稈并同時(shí)接種腐解菌和赤子愛(ài)勝蚓（SME）的試驗(yàn)處理，探討腐解菌和蚯蚓的交互作用對(duì)土壤溫室氣體排放、細(xì)菌和真菌豐度、團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)、金屬離子含量、顆粒有機(jī)碳含量及礦物結(jié)合有機(jī)碳含量的影響及潛在機(jī)制。結(jié)果表明：（1）與CK相比，SE和SME處理顯著增加了秸稈的腐解率；（2）與CK相比，SE和SME處理顯著促進(jìn)了土壤CO2和N2O的排放；SE和SM處理顯著增加了土壤細(xì)菌的豐度，但是各處理間土壤真菌豐度無(wú)顯著差異；（3）與CK相比，SE和SME處理顯著增加了土壤中可提取鈣鎂含量，但是各處理間的非晶型鐵鋁含量和團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)無(wú)顯著差異；（4）與CK相比，SE和SME處理顯著增加了土壤礦物結(jié)合有機(jī)碳和鈣鎂結(jié)合碳的含量，但是各處理間顆粒有機(jī)碳、鐵鋁結(jié)合碳的含量無(wú)顯著差異；（5）線(xiàn)性回歸分析結(jié)果表明，土壤鈣鎂結(jié)合碳含量與土壤可提取鈣鎂含量顯著正相關(guān)，土壤礦物結(jié)合有機(jī)碳含量與細(xì)菌基因拷貝數(shù)呈正相關(guān)。綜上所述，蚯蚓主導(dǎo)了秸稈的腐解和礦物結(jié)合有機(jī)碳的形成，蚯蚓和腐解菌的交互作用沒(méi)有進(jìn)一步促進(jìn)秸稈腐解轉(zhuǎn)化為土壤礦物結(jié)合有機(jī)碳。

關(guān)鍵詞： 土壤有機(jī)碳；土壤活性礦物；秸稈還田；腐解菌；蚯蚓

中圖分類(lèi)號(hào)： Q148；S152 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1000-4440（2024）08-1424-10

Effects of earthworms and straw-decomposing microbial inoculants on straw decomposition and soil mineral-associated organic carbon formation

PEI Shiyu1， YANG Jiawei1， WU Bin1， ZHAO Yexin1， YE Chenglong1， HU Shuijin1，2

（1.College of Resources and Environmental Sciences， Nanjing Agricultural University， Nanjing 210095， China;2.Department of Entomology and Plant Pathology， North Carolina State University， Raleigh 27695， USA）

Abstract： To explore the impact of earthworms and straw-decomposing microbial inoculants on straw decomposition and the formation of soil mineral-associated organic carbon， we conducted an incubation experiment with four treatments， i.e.， soil + straw （CK）， soil + straw + straw-decomposing microbial inoculant （SM）， soil + straw + earthworms （SE） and soil + straw + straw-decomposing microbial inoculant + earthworms （SME）， to investigate interactive effects of straw-decomposing microbial inoculants and earthworms on soil greenhouse gas emission， bacterial and fungal abundance， soil aggregate structure， metal ion content， particulate organic carbon content and mineral-associated organic carbon content. The results indicated that compared with CK， SE and SME treatments significantly increased the straw decomposition rate and promoted the emission of CO2 and N2O in soil. In addition， SE and SM treatments significantly increased bacterial abundance compared with CK， while there was no significant difference in soil fungal abundance among treatments. Compared with CK， SE and SME treatments significantly increased the contents of extractable calcium and magnesium in soil， and significantly facilitated the formation of mineral-associated organic carbon and Ca/Mg-associated carbon. But there were no significant differences in aggregate structure and the contents of non-crystalline Fe and Al， particulate organic carbon and Fe/Al-associated carbon among treatments. Linear correlation analysis showed that mineral-associated organic carbon formation and Ca/Mg-associated carbon were positively related with bacterial gene copy number and content of soil extractable Ca and Mg， respectively. In conclusion， earthworms dominated straw decomposition and mineral-associated organic carbon formation， and the interactions between earthworms and straw-decomposing microbial inoculants did not further promote the decomposition of straw into mineral-bound organic carbon.

Key words： soil organic carbon;soil reactive metals;straw returning;straw-decomposing microbial inoculant;earthworm

土壤有機(jī)碳不僅在調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)碳平衡過(guò)程中起到至關(guān)重要的作用[1]，而且還是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)[2-3]，提升農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量是提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的關(guān)鍵所在。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)農(nóng)作物秸稈年均產(chǎn)量多達(dá)8.65×108 t[4]，農(nóng)作物秸稈是農(nóng)田土壤有機(jī)碳的重要來(lái)源，且含有植物生長(zhǎng)所必須的氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素[5]，因此秸稈還田是提升土壤有機(jī)碳含量及農(nóng)作物產(chǎn)量經(jīng)濟(jì)且有效的手段。然而秸稈直接還田腐解緩慢，秸稈中的養(yǎng)分難以釋放到土壤中，還會(huì)造成耕作困難和病蟲(chóng)害蔓延等問(wèn)題[6-7]。腐解菌劑是一種由黑曲霉、酵母菌及芽孢桿菌等微生物組成的復(fù)合制劑[8]，能夠加速秸稈中纖維素、半纖維素及木質(zhì)素等有機(jī)物質(zhì)的分解，目前已被廣泛應(yīng)用于加速還田秸稈的分解[8-10]。此外，作為土壤生態(tài)系統(tǒng)中常見(jiàn)的大型無(wú)脊椎動(dòng)物，蚯蚓的活動(dòng)能夠提高土壤中微生物的活性，促使秸稈與土壤混合，進(jìn)而能夠加快秸稈向土壤有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化[11-12]。

目前根據(jù)穩(wěn)定性的差異通常將土壤有機(jī)碳劃分為顆粒有機(jī)碳和礦物結(jié)合有機(jī)碳2種形式[13-15]。其中顆粒有機(jī)碳主要由植物凋落物和其他有機(jī)殘余物組成，直接存在于土壤中或受團(tuán)聚體保護(hù)，易被土壤微生物利用[16]。而礦物結(jié)合有機(jī)碳主要來(lái)源于微生物衰亡后形成的微生物殘?bào)w碳，是土壤中的有機(jī)碳與礦物相互作用形成的有機(jī)礦物復(fù)合體，具有較高的穩(wěn)定性，能夠在土壤中保留幾百甚至上千年[14]。土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性會(huì)影響其在土壤中的周轉(zhuǎn)和儲(chǔ)量，因此促進(jìn)秸稈分解轉(zhuǎn)化為礦物結(jié)合有機(jī)碳對(duì)于緩解全球氣候變化、提升農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量及穩(wěn)定性都具有重要意義。

越來(lái)越多的研究結(jié)果表明土壤中微生物的死亡殘?bào)w碳是土壤礦物結(jié)合有機(jī)碳的主要來(lái)源[17-18]，秸稈分解過(guò)程中產(chǎn)生的小分子水溶性有機(jī)碳也容易被土壤礦物吸附形成礦物結(jié)合有機(jī)碳，并且這些小分子有機(jī)碳很容易被微生物利用，促進(jìn)土壤微生物的生長(zhǎng)[19-20]。腐解菌劑的施用能夠加速秸稈中有機(jī)碳的釋放并能夠直接增加土壤微生物生物量[9， 21]，因此施用腐解菌劑能夠直接或間接地促進(jìn)礦物結(jié)合有機(jī)碳的形成。目前有大量研究結(jié)果表明，蚯蚓能夠促進(jìn)土壤微生物生物量的積累和微生物殘?bào)w的周轉(zhuǎn)，進(jìn)而促進(jìn)礦物結(jié)合有機(jī)碳的形成[11，22-24]。此外，土壤中金屬氧化物和黏土礦物也是影響礦物結(jié)合有機(jī)碳形成的重要因素，其中非晶形鐵鋁氧化物具有較大的比表面積，能夠通過(guò)吸附和共沉淀等方式與土壤有機(jī)碳相互作用形成礦物結(jié)合有機(jī)碳[25-26]，交換性鈣鎂離子能夠通過(guò)多價(jià)陽(yáng)離子橋鍵與土壤有機(jī)碳結(jié)合形成礦物結(jié)合有機(jī)碳[27]，目前已有研究發(fā)現(xiàn)，蚯蚓能夠提升土壤可提取鈣鎂含量[28-30]，這有益于礦物結(jié)合有機(jī)碳的形成，但還需要試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。目前還不清楚腐解菌與蚯蚓之間是否存在協(xié)同作用共同促進(jìn)秸稈的分解及其向土壤礦物結(jié)合有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化。因此，本研究擬通過(guò)室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)，向土壤中接種腐解菌和蚯蚓，探究腐解菌和蚯蚓的交互作用對(duì)土壤理化性質(zhì)、溫室氣體排放量以及土壤有機(jī)碳含量的影響，以期為研究腐解菌和蚯蚓調(diào)控農(nóng)田秸稈腐解及土壤有機(jī)碳形成的機(jī)制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤和材料

土壤采自江蘇省常熟市古里鎮(zhèn)康博村（31°30′N(xiāo)，120°33′E），該地區(qū)位于太湖平原中部，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫為16 ℃，年均降雨量為1 100～1 200 mm。種植制度為水稻-冬小麥輪作，土壤類(lèi)型為湖積物母質(zhì)發(fā)育而成的水稻土，試驗(yàn)前土壤基本理化性質(zhì)如下：pH值為7.0，有機(jī)碳含量為19.2 g/kg，全氮含量為1.6 g/kg，速效磷含量為12.3 mg/kg，速效鉀含量為93.4 mg/kg，交換性鈣含量為3.4 g/kg，交換性鎂含量為0.5 g/kg，土壤砂粒、粉粒和黏粒的含量分別為33.8%、38.6%、27.6%。

土壤樣品采集于2021年3月，在稻田中隨機(jī)采集表層0～20 cm的土壤10鉆，均勻混合后過(guò)8 mm篩去除肉眼可見(jiàn)的植物殘?bào)w及砂石等雜質(zhì)，保存于4 ℃冰箱備用。本研究中采用的秸稈為玉米秸稈，蚯蚓為正蚓科愛(ài)勝蚓屬的赤子愛(ài)勝蚓（Eisenia foetida），腐解菌劑由河南沃寶生物科技有限公司生產(chǎn)，腐解菌的主要菌屬為芽孢桿菌、木霉菌、酵母菌等。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

稱(chēng)取過(guò)8 mm篩的250 g土壤（干重）置于密封良好的500 ml棕色培養(yǎng)瓶中，將土壤水分調(diào)節(jié)到田間最大持水量的60%，在20 ℃條件下預(yù)培養(yǎng)3 d后向每個(gè)培養(yǎng)瓶中加入秸稈1 g（干重），用剪刀剪成2 cm長(zhǎng)的小段，使秸稈平鋪于土壤表面，模擬秸稈破碎后直接還田。試驗(yàn)共設(shè)置4個(gè)處理，包括：僅添加秸稈的對(duì)照（CK）；添加秸稈并接種赤子愛(ài)勝蚓（SE）；添加秸稈并接種腐解菌（SM）；添加秸稈并同時(shí)接種赤子愛(ài)勝蚓和腐解菌（SME）。在接種蚯蚓的處理中，向每個(gè)培養(yǎng)瓶中接種重量和活力相似的蚯蚓4條；在接種腐解菌的處理中，稱(chēng)取0.1 g腐解菌劑（有效活菌數(shù)約為1.0 g 1×109）溶于無(wú)菌水后均勻撒在秸稈表面。每個(gè)處理設(shè)置4個(gè)重復(fù)，于20 ℃恒溫培養(yǎng)室中培養(yǎng)46 d，培養(yǎng)期間定期補(bǔ)充去離子水保持含水量恒定。在培養(yǎng)的前21 d內(nèi)每天進(jìn)行土壤CO2和N2O排放速率的測(cè)定，之后每隔1 d進(jìn)行測(cè)定。培養(yǎng)結(jié)束后，對(duì)培養(yǎng)瓶中的土壤進(jìn)行破壞性采樣，將土壤中的秸稈用鑷子取出，烘干后稱(chēng)重量，計(jì)算秸稈的腐解率，計(jì)算公式為：

R=（m1-m0）/m0（1）

R為秸稈腐解率，m1為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)秸稈的干重（g），m0為試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)加入的秸稈干重（g）。每個(gè)培養(yǎng)瓶中的土壤混合均勻后，分成兩部分。一部分鮮土用于土壤微生物豐度和群落結(jié)構(gòu)的測(cè)定，另一部分土壤自然風(fēng)干后用于土壤基本理化性質(zhì)、顆粒有機(jī)碳及礦物結(jié)合有機(jī)碳含量等指標(biāo)的測(cè)定。

1.3 土壤基本理化性質(zhì)指標(biāo)及微生物指標(biāo)的測(cè)定

土壤pH采用奧豪斯pH計(jì)（Ohaus公司產(chǎn)品）測(cè)定（水土質(zhì)量比2.5∶1.0）；土壤可溶性有機(jī)碳用0.5 mol/L的硫酸鉀（K2SO4）溶液浸提后（水土質(zhì)量比4∶1），采用TOC分析儀（Analytik Jena公司產(chǎn)品）測(cè)定含量；土壤非晶形鐵鋁采用0.2 mol/L草酸銨溶液提?。ㄋ临|(zhì)量比50∶1），并在25 ℃避光條件下振蕩2 h，分離出上清液，采用ICP-OES電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（Agilent Technologies公司產(chǎn)品）測(cè)定含量。土壤可提取鈣鎂采用0.11 mol/L乙酸溶液提取（水土質(zhì)量比20∶1），在22 ℃條件下振蕩16 h，分離出上清液，采用ICP-OES電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測(cè)定含量。

土壤真菌和細(xì)菌的豐度采用熒光定量PCR法測(cè)定。稱(chēng)取0.25 g鮮土，使用MoBio Power SoilTM DNA提取試劑盒提取DNA，然后使用QuantStudioTM 3熒光定量PCR儀（Applied Biosystems公司產(chǎn)品）和 SYBRPremix Ex TaqTM試劑盒（TaKaRa公司產(chǎn)品）對(duì)提取的土壤DNA進(jìn)行擴(kuò)增和測(cè)定。qPCR反應(yīng)體系為25.0 μL，包括12.5 μL SYBRPremix Ex TaqTM、0.5 μL正向引物、0.5 μL反向引物、0.5 μL ROX Reference Dye II（50×）、1.0 μL DNA模板以及10.0 μL ddH2O。用含有環(huán)境DNA克隆靶基因產(chǎn)物的 pMD-19質(zhì)粒構(gòu)建基因拷貝數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)。細(xì)菌定量擴(kuò)增引物為Eub338和Eub518（表1），擴(kuò)增程序?yàn)椋?5 ℃ 3 min；95 ℃ 15 s，65 ℃ 30 s，72 ℃ 30 s，進(jìn)行40個(gè)循環(huán)；95 ℃ 15 s，60 ℃ 1 min，95 ℃ 15 s。真菌定量擴(kuò)增引物為ITS3和ITS4（表1），反應(yīng)條件為95 ℃ 3 min；95 ℃ 30 s，53 ℃ 30 s，72 ℃ 30 s，40個(gè)循環(huán)；95 ℃ 15 s，60 ℃ 1 min，95 ℃ 15 s。

選取細(xì)菌16S rRNA基因的V4區(qū)和真菌的ITS3和ITS4區(qū)，并通過(guò)上海派森諾生物科技股份有限公司在Illumina MiSeq測(cè)序平臺(tái)對(duì)擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行高通量測(cè)序。然后，采用QIIME1.9.1去除低質(zhì)量序列并用核糖體數(shù)據(jù)庫(kù)（RDP）去除嵌合體，將得到的高質(zhì)量序列采用UPARSE軟件以97%的相似度進(jìn)行操作分類(lèi)單元（Operational taxonomic units， OTUs）的劃分。最后，利用細(xì)菌和真菌群落的OTUs計(jì)算豐富度指數(shù)Chao1和Shannon多樣性指數(shù)。

1.4 土壤CO2和N2O排放速率的測(cè)定

土壤CO2和N2O排放速率采用氣相色譜法測(cè)定。測(cè)定前用高純空氣（70% 氮?dú)猓?0% 氧氣）排除培養(yǎng)瓶中的CO2和N2O氣體，在25 ℃黑暗條件下培養(yǎng)1 h后，用注射器從培養(yǎng)瓶中抽取10 mL左右的氣體，再將氣體樣品注入氣相色譜（Agilent Technologies公司產(chǎn)品）中測(cè)定CO2和N2O濃度，氣體排放速率的計(jì)算公式為[31]：

F=C×V×ρ/m×24×n（2）

式中：F為土壤氣體排放速率；C為氣相色譜測(cè)得的氣體濃度；V為標(biāo)準(zhǔn)狀況下（0 ℃， 101.3 kPa）的氣體總體積（L）；ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氣體密度（g/L）；m為培養(yǎng)瓶?jī)?nèi)干土重量（g）；24為換算時(shí)間（h），將1 h的氣體排放速率換算為1 d的排氣速率；n為C或N的摩爾分?jǐn)?shù)（C為12/44，N為28/44），由于N2O排放速率較小將計(jì)算結(jié)果擴(kuò)大1 000倍，單位換算為[μg /（kg·d），干土]。

氣體累積排放量的計(jì)算公式[31]為：

G=∑ni=0FiTi（3）

式中，G為培養(yǎng)第n d氣體累積排放量；Fi為連續(xù)2次測(cè)得的氣體排放速率平均值；Ti為連續(xù)2次測(cè)定的時(shí)間間隔（d）。

1.5 土壤團(tuán)聚體分級(jí)

土壤團(tuán)聚體分級(jí)采用濕篩法[32]。稱(chēng)取20 g風(fēng)干土樣置于孔徑為250 μm的篩中，在室溫（20 ℃）條件下浸沒(méi)于去離子水中2 min，使水分充滿(mǎn)土壤孔隙。首先，手動(dòng)上下振蕩篩子5 min，振幅在3 cm左右，頻率為1 min 50次，將滯留于篩上的土壤顆粒用水清洗并轉(zhuǎn)移至離心管中，得到大于250 μm的大團(tuán)聚體組分。其次，將土壤懸濁液倒入孔徑為53 μm的篩子，重復(fù)上述步驟，得到53～250 μm的團(tuán)聚體組分。將余下的土壤懸液進(jìn)行離心，得到小于53 μm的團(tuán)聚體組分。將回收的樣品在65 ℃條件下烘干至恒重后，對(duì)不同粒徑團(tuán)聚體進(jìn)行稱(chēng)重，團(tuán)聚體平均重量直徑（MWD）按公式（4）計(jì)算[33]：

MWD=∑Ri×wi（4）

式中，MWD為平均重量直徑；Ri為相鄰2級(jí)篩孔的平均直徑（mm）；wi為不同粒級(jí)團(tuán)聚體的相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）。

1.6 土壤顆粒有機(jī)碳和礦物結(jié)合有機(jī)碳的測(cè)定

稱(chēng)取10 g風(fēng)干土樣裝入50 mL離心管中，加入30 mL 0.5%的六偏磷酸鈉溶液和玻璃珠若干，180 r/min振蕩18 h，使土壤溶液分散。將振蕩后的溶液過(guò)53 μm篩，大于53 μm的部分即為顆粒有機(jī)碳組分，小于53 μm的部分為礦物結(jié)合有機(jī)碳組分。將各組分在55 ℃下烘干后稱(chēng)重量，磨細(xì)后過(guò)80目篩，采用元素分析儀（Elementar公司產(chǎn)品）測(cè)定顆粒有機(jī)碳和礦物結(jié)合有機(jī)碳含量。

采用連續(xù)提取法測(cè)定土壤鈣鎂和鐵鋁結(jié)合有機(jī)碳的含量[34]。首先，稱(chēng)取0.25 g小于53 μm的礦物結(jié)合有機(jī)碳組分放入50 mL離心管中，加入0.5 mol/L的硫酸鈉（Na2SO4）溶液20 mL，180 r/min振蕩2 h，3 000 r/min離心10 min后，用總有機(jī)碳（TOC）含量分析儀測(cè)定上清液中的有機(jī)碳含量，即可計(jì)算得到鈣鎂結(jié)合有機(jī)碳含量。去除離心管中剩余的Na2SO4溶液后，稱(chēng)取0.40 g連二亞硫酸鈉（Na2S2O4）放入離心管中，加入40 mL去離子水，180 r/min振蕩16 h，3 000 r/min再次離心10 min，用TOC含量分析儀測(cè)定上清液中的有機(jī)碳含量，可計(jì)算得到鐵鋁結(jié)合有機(jī)碳含量。

1.7 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和繪圖均使用R統(tǒng)計(jì)軟件（Version 4.1.1）。采用單因素方差分析（One-way ANOVA）檢驗(yàn)不同處理對(duì)秸稈腐解率、土壤理化性質(zhì)和微生物學(xué)性質(zhì)的影響，并用最小顯著性差異法（LSD）進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。利用基于Bray-Curtis距離的非度量多維尺度（Non-metric multidimensional scaling， NMDS）分析比較不同處理間微生物群落結(jié)構(gòu)的差異。采用線(xiàn)性回歸模型分析影響土壤礦物結(jié)合有機(jī)碳含量與土壤理化性質(zhì)指標(biāo)和微生物學(xué)指標(biāo)之間的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 蚯蚓及腐解菌對(duì)秸稈腐解率的影響

圖1顯示，與CK相比，SE和SME處理均顯著增加了秸稈的腐解率，使得秸稈的腐解率分別顯著提升27.36%和25.38%（P<0.05），而SM處理對(duì)秸稈腐解率無(wú)顯著影響（P>0.05）。

2.2 蚯蚓及腐解菌對(duì)土壤理化性質(zhì)及微生物學(xué)性質(zhì)的影響

由圖2可知，蚯蚓及腐解菌添加對(duì)土壤可溶性有機(jī)碳、非晶形鐵、非晶形鋁含量均無(wú)顯著影響（P>0.05，圖2A、圖2C、圖2D）。與CK相比，SE和SME處理均顯著增加了土壤可提取鈣鎂含量（P<0.05，圖2B），SM處理對(duì)土壤可提取鈣鎂含量無(wú)顯著影響（P>0.05，圖2B）。與CK相比，SE和SM處理均顯著增加了土壤細(xì)菌基因拷貝數(shù)（P<0.05，圖2E）。不同處理間土壤真菌基因拷貝數(shù)無(wú)顯著差異（P>21337b83fcdf1dd387a13895cbb100280.05，圖2F）。

由NMDS分析可知，與CK相比，SE、SM和SME處理均顯著改變了土壤細(xì)菌和真菌的群落結(jié)構(gòu)（P<0.05，圖3A、圖3B），不同處理間細(xì)菌群落多樣性無(wú)顯著差異（P>0.05，圖3C、圖3E），但與CK相比，SE和SM處理均顯著降低了真菌群落多樣性（P<0.05，圖3D、圖3F）。

2.3 蚯蚓及腐解菌對(duì)土壤CO2和N2O排放的影響

與CK相比，SE與SME處理均顯著增加了土壤CO2及N2O排放速率（P<0.05，圖4A、圖4B），且顯著提高了土壤CO2及N2O的累積排放量（P<0.05，圖4C、圖4D），SM處理對(duì)土壤CO2及N2O排放速率和累積排放量無(wú)顯著影響（P>0.05，圖4）。

2.4 蚯蚓及腐解菌對(duì)土壤團(tuán)聚體和土壤有機(jī)碳含量的影響

不同處理對(duì)土壤團(tuán)聚體平均重量直徑無(wú)顯著影響（P>0.05，圖5A）。與CK相比，SE和SME處理均顯著增加了土壤礦物結(jié)合有機(jī)碳含量和鈣鎂結(jié)合碳含量（P<0.05，圖5B、圖5D），SM處理對(duì)土壤礦物結(jié)合有機(jī)碳和鈣鎂結(jié)合碳含量影響不顯著（P>0.05，圖5B、圖5D），不同處理間土壤顆粒有機(jī)碳和鐵鋁結(jié)合碳含量無(wú)顯著差異（P>0.05，圖5C、圖5E）。線(xiàn)性回歸分析結(jié)果（圖6）表明，土壤中鈣鎂結(jié)合碳含量與可提取鈣鎂含量之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系（R2 = 0.40，P<0.01），土壤礦物結(jié)合有機(jī)碳含量與細(xì)菌基因拷貝數(shù)之間存在正相關(guān)關(guān)系（R2 =0.22，P=0.07）。

3 討論

3.1 蚯蚓及腐解菌對(duì)土壤理化性質(zhì)及溫室氣體排放的影響

本研究發(fā)現(xiàn)接種蚯蚓顯著提高了土壤可提取鈣鎂含量，這與先前一些研究[28-30]的結(jié)果一致，蚯蚓能夠通過(guò)多種途徑增加土壤交換性陽(yáng)離子含量。首先，蚯蚓分泌的黏液以及排泄的蚓糞中有大量的鈣鎂等營(yíng)養(yǎng)元素，能夠直接向土壤釋放鈣鎂離子。其次，蚯蚓取食土壤并通過(guò)腸道的消化作用促進(jìn)土壤交換性鈣鎂的釋放[28]。需要指出的是，本研究所用的赤子愛(ài)勝蚓存在鈣腺，能夠向土壤中分泌碳酸鈣[35-36]，該過(guò)程可以直接增加土壤可提取鈣含量。Dobson等[29]也提出，蚯蚓還能夠通過(guò)加速凋落物分解促進(jìn)凋落物中的可提取陽(yáng)離子如Ca2+、Mg2+、K+等釋放到土壤中。

許多研究結(jié)果表明，蚯蚓在土壤中的活動(dòng)能夠促進(jìn)團(tuán)聚體的形成[37-39]。蚯蚓一方面能夠通過(guò)取食土壤直接影響土壤團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)，另一方面也可以通過(guò)排泄蚓糞、捕食土壤微生物以及促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)形成等途徑來(lái)間接影響土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)[39]。然而由于不同種類(lèi)蚯蚓取食偏好和生境類(lèi)型的差異，其對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響也有所不同[40]。本研究發(fā)現(xiàn)，接種赤子愛(ài)勝蚓對(duì)土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)并無(wú)顯著影響，這與前人的研究結(jié)果[40-41]一致。其主要原因可能是由于接種的赤子愛(ài)勝蚓為表?xiàng)?lèi)蚯蚓，主要在土壤表層或枯枝落葉層活動(dòng)，對(duì)土壤團(tuán)聚體的形成影響較小[37，40-41]。

本研究中，接種蚯蚓顯著增加了土壤CO2排放，而單獨(dú)添加腐解菌對(duì)土壤CO2排放的影響不顯著，以往的許多研究結(jié)果都證實(shí)了接種蚯蚓能夠顯著提升土壤CO2的排放[42-46]，這與本研究結(jié)果一致。蚯蚓能夠通過(guò)自身的呼吸作用直接提升土壤CO2的排放[44]，而蚯蚓促進(jìn)土壤CO2排放的另一重要原因是其在土壤中的活動(dòng)促進(jìn)了微生物對(duì)秸稈的分解。首先，蚯蚓的活動(dòng)能加速秸稈破碎，促進(jìn)秸稈與土壤的混合，從而使秸稈更容易被微生物分解[42]。其次，蚯蚓排泄到土壤中的蚓糞能夠?yàn)槲⑸锾峁┐罅恳子诶玫臓I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和能量，從而促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)繁殖[44-45]。此外，本研究發(fā)現(xiàn)蚯蚓顯著增加了土壤N2O排放，這主要是由于蚯蚓腸道為厭氧環(huán)境，并且富集了大量的礦質(zhì)氮和微生物可利用的碳底物，對(duì)反硝化微生物的活動(dòng)和生長(zhǎng)十分有利[47]。此外，蚯蚓的挖穴活動(dòng)會(huì)促進(jìn)凋落物與土壤混合，改變土壤通氣性和含水率，為硝化微生物提供更適宜生存的環(huán)境[48]，并且蚯蚓體表分泌的黏液以及排出的蚓糞也為硝化微生物和反硝化微生物提供更多易分解的碳源、氮源，促進(jìn)土壤中的反硝化作用，從而增加N2O的排放[49-50]。

在本研究中，添加腐解菌并沒(méi)有顯著促進(jìn)秸稈的腐解，對(duì)土壤溫室氣體排放也無(wú)顯著影響。腐解菌的促腐作用會(huì)受到秸稈類(lèi)型、秸稈初始碳氮比、土壤理化性質(zhì)及土壤有機(jī)碳含量等多種因素的影響[51]。本研究中，腐解菌的促腐效應(yīng)不顯著可能是由于以下2點(diǎn)原因：第一，向中性土壤中添加腐解菌并不能顯著促進(jìn)秸稈的腐解[52]。本研究所用的土壤pH正好為7.0，本研究的結(jié)果也進(jìn)一步證實(shí)上述研究的結(jié)果。第二，腐解菌進(jìn)入土壤后會(huì)與土著微生物群落產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)，而中性土壤中微生物的豐度和活性相比于酸性或堿性土壤更高[53-54]，對(duì)外源腐解菌的競(jìng)爭(zhēng)作用也更大，因此更易導(dǎo)致腐解菌的功能發(fā)揮受阻[55]。

3.2 蚯蚓及腐解菌對(duì)土壤礦物結(jié)合有機(jī)碳形成的影響

越來(lái)越多的研究結(jié)果表明，蚯蚓在土壤有機(jī)碳形成及穩(wěn)定的過(guò)程中起到重要作用[22，24]。Angst等[11]指出，蚯蚓能夠通過(guò)促進(jìn)微生物殘?bào)w的積累，進(jìn)而促進(jìn)礦物結(jié)合有機(jī)碳形成。本研究發(fā)現(xiàn)，蚯蚓顯著增加了土壤中礦物結(jié)合有機(jī)碳含量，并且細(xì)菌豐度與礦物結(jié)合碳含量呈正相關(guān)，該結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了上述觀點(diǎn)。同時(shí)，蚯蚓顯著增加了土壤礦物結(jié)合有機(jī)碳中的鈣鎂結(jié)合有機(jī)碳含量，且鈣鎂結(jié)合有機(jī)碳含量與土壤可提取鈣鎂含量呈顯著正相關(guān)。該結(jié)果表明，蚯蚓活動(dòng)釋放的鈣鎂離子在土壤中可以有效地與有機(jī)碳分子結(jié)合形成鈣鎂結(jié)合碳，這揭示了蚯蚓促進(jìn)土壤礦物結(jié)合有機(jī)碳形成的另一條重要途徑。但我們發(fā)現(xiàn)接種蚯蚓并沒(méi)有促進(jìn)鐵鋁結(jié)合碳的形成，這可能是由于接種蚯蚓并未增加土壤中非晶形鐵鋁氧化物含量。非晶形鐵鋁氧化物具有較大的比表面積，能夠通過(guò)吸附和共沉淀等方式與土壤有機(jī)碳結(jié)合[25，56]。有研究結(jié)果表明土壤中氧化還原條件的波動(dòng)能夠增加鐵的溶解，進(jìn)而促進(jìn)非晶形鐵氧化物的形成[57-58]，雖然蚯蚓在土壤中的活動(dòng)能夠增加土壤的通氣性，但可能由于在本研究中會(huì)定期對(duì)培養(yǎng)瓶進(jìn)行通氣維持培養(yǎng)瓶中氧氣濃度，培養(yǎng)瓶中氧化還原條件波動(dòng)不大，因此非晶形鐵鋁氧化物的含量變化不明顯。

盡管添加腐解菌同樣增加了土壤細(xì)菌豐度，但對(duì)土壤礦物結(jié)合有機(jī)碳的形成沒(méi)有顯著影響，可能是由于以下2點(diǎn)原因：首先，土壤中的非晶形鐵鋁氧化物及可提取鈣鎂含量是影響土壤礦物結(jié)合有機(jī)碳形成的重要因素，添加腐解菌后土壤非晶形鐵鋁氧化物及可提取鈣鎂含量均無(wú)顯著變化。其次，在本研究中腐解菌并沒(méi)有促進(jìn)秸稈的腐解，這表明腐解菌并沒(méi)有顯著促進(jìn)秸稈轉(zhuǎn)化為容易與土壤礦物結(jié)合的小分子有機(jī)碳化合物。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，蚯蚓能夠提升土壤微生物活性，進(jìn)而促進(jìn)秸稈腐解，增加土壤CO2與N2O的排放量，并能夠通過(guò)增加土壤可提取鈣鎂含量促進(jìn)礦物結(jié)合有機(jī)碳的形成，提高土壤的碳固定。然而，腐解菌對(duì)秸稈腐解的促進(jìn)作用不顯著，且蚯蚓和腐解菌的交互作用沒(méi)有進(jìn)一步顯著促進(jìn)秸稈分解轉(zhuǎn)化為土壤礦物結(jié)合有機(jī)碳，其原因還需要進(jìn)一步探究。

參考文獻(xiàn)：

[1] SCHIMEL D S. Terrestrial ecosystems and the carbon cycle[J]. Global Change Biology，1995，1（1）：77-91.

[2] MANLAY R J， FELLER C， SWIFT M J. Historical evolution of soil organic matter concepts and their relationships with the fertility and sustainability of cropping systems[J]. Agriculture， Ecosystems and Environment，2007，119（3/4）：217-233.

[3] TIESSEN H， CUEVAS E， CHACON P. The role of soil organic matter in sustaining soil fertility[J]. Nature，1994，371（6500）：783-785.

[4] 石祖梁，王 飛，王久臣，等. 我國(guó)農(nóng)作物秸稈資源利用特征、技術(shù)模式及發(fā)展建議[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào)，2019，21（5）：8-16.

[5] 冷明珠，金 月，童喻浩，等. 秸稈還田量對(duì)土壤肥力和小麥產(chǎn)量的影響[J]. 浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2022，63（4）：679-681.

[6] 張 國(guó)，逯 非，趙 紅，等. 我國(guó)農(nóng)作物秸稈資源化利用現(xiàn)狀及農(nóng)戶(hù)對(duì)秸稈還田的認(rèn)知態(tài)度[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2017，36（5）：981-988.

[7] 章力干，石心怡，王玉寶，等. 秸稈還田對(duì)中國(guó)主要糧食作物病害影響的Meta分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2022，38（21）：93-100.

[8] 張建峰，侯紅燕，付志金，等. 速腐菌劑在東北地區(qū)秸稈堆肥中的功能驗(yàn)證及微生物菌群動(dòng)態(tài)研究[J]. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2013，29（26）：112-117.

[9] 董春華，周 旋，孫繼民，等. 腐解菌劑對(duì)紅壤橘園圓葉決明腐解及養(yǎng)分釋放動(dòng)態(tài)的影響[J]. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2022，38（1）：106-113.

[10]徐 杰，王澤懿，劉文越，等. 玉米秸稈田間原位腐解菌劑研制及功能驗(yàn)證[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2021，49（13）：74-79.

[11]ANGST G， FROUZ J， VAN GROENIGEN J W， et al. Earthworms as catalysts in the formation and stabilization of soil microbial necromass[J]. Global Change Biology，2022，28（16）：4775-4782.

[12]LAVELLE P， BLANCHART E， MARTIN A， et al. A hierarchical model for decomposition in terrestrial ecosystems：application to soils of the humid tropics[J]. Biotropica，1993，25（2）：130-150.

[13]COTRUFO M F， RANALLI M G， HADDIX M L， et al. Soil carbon storage informed by particulate and mineral-associated organic matter[J]. Nature Geoscience，2019，12（12）：989-994.

[14]LAVALLEE J M， SOONG J L， COTRUFO M F. Conceptualizing soil organic matter into particulate and mineral-associated forms to address global change in the 21st century[J]. Global Change Biology，2020，26（1）：261-273.

[15]SOKOL N W， WHALEN E D， JILLING A， et al. Global distribution， formation and fate of mineral-associated soil organic matter under a changing climate：a trait-based perspective[J]. Functional Ecology，2022，36（6）：1411-1429.

[16]WITZGALL K， VIDAL A， SCHUBERT D I， et al. Particulate organic matter as a functional soil component for persistent soil organic carbon[J]. Nature Communications，2021，12（1）：4115.

[17]LIANG C， AMELUNG W， LEHMANN J， et al. Quantitative assessment of microbial necromass contribution to soil organic matter[J]. Global Change Biology，2019，25（11）：3578-3590.

[18]MILTNER A， BOMBACH P， SCHMIDT-BRCKEN B， et al. SOM genesis：microbial biomass as a significant source[J]. Biogeochemistry，2012，111（1/2/3）：41-55.

[19]LEHMANN J， KLEBER M. The contentious nature of soil organic matter[J]. Nature，2015，528（7580）：60-68.

[20]COTRUFO M F， SOONG J L， HORTON A J， et al. Formation of soil organic matter via biochemical and physical pathways of litter mass loss[J]. Nature Geoscience，2015，8（10）：776-779.

[21]姚云柯. 促腐菌對(duì)水稻秸稈腐解的影響及其機(jī)理[D]. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院，2021.

[22]ANGST G， MUELLER C W， PRATER I， et al. Earthworms act as biochemical reactors to convert labile plant compounds into stabilized soil microbial necromass[J]. Communications Biology，2019，2：441.

[23]LIU T， CHEN X Y， GONG X， et al. Earthworms coordinate soil biota to improve multiple ecosystem functions[J]. Current Biology，2019，29（20）：3420-3429.

[24]ZHANG W， HENDRIX P F， DAME L E， et al. Earthworms facilitate carbon sequestration through unequal amplification of carbon stabilization compared with mineralization[J]. Nature Communications，2013，4：2576.

[25]MIKUTTA R， LORENZ D， GUGGENBERGER G， et al. Properties and reactivity of Fe-organic matter associations formed by coprecipitation versus adsorption：clues from arsenate batch adsorption[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta，2014，144：258-276.

[26]KEILUWEIT M， BOUGOURE J J， NICO P S， et al. Mineral protection of soil carbon counteracted by root exudates[J]. Nature Climate Change，2015，5（6）：588-595.

[27]趙天鑫，俄勝哲，袁金華，等. 土壤中鈣與有機(jī)碳之間相互作用的研究進(jìn)展與展望[J]. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2022，38（14）：77-81.

[28]張孟豪，吳家龍，張 池，等. 赤子愛(ài)勝蚓對(duì)赤紅壤鋁形態(tài)的影響[J]. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，41（2）：48-54.

[29]DOBSON A M， BLOSSEY B， RICHARDSON J B. Invasive earthworms change nutrient availability and uptake by forest understory plants[J]. Plant and Soil，2017，421（1/2）：175-190.

[30]LAMBKIN D C， GWILLIAM K H， LAYTON C， et al. Production and dissolution rates of earthworm-secreted calcium carbonate[J]. Pedobiologia，2011，54：S119-S129.

[31]YANG X Y， DUAN P P， LI G T， et al. Spatial-heterogeneous granulation of organic amendments and chemical fertilizer stimulated N2O emissions from agricultural soil：an microcosm study[J]. Journal Environmental Management，2021，277：111437.

[32]CHIVENGE P， VANLAUWE B， GENTILE R， et al. Organic resource quality influences short-term aggregate dynamics and soil organic carbon and nitrogen accumulation[J]. Soil Biology and Biochemistry，2011，43（3）：657-666.

[33]蔣雪洋，張前前，沈浩杰，等. 生物質(zhì)炭對(duì)稻田土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和微生物群落的影響[J]. 土壤學(xué)報(bào)，2021，58（6）：1564-1573.

[34]YE C， CHEN D， HALL S J， et al. Reconciling multiple impacts of nitrogen enrichment on soil carbon：plant，microbial and geochemical controls[J]. Ecology Letters，2018，21（8）：1162-1173.

[35]HUANG J， ZHANG W， LIU M， et al. Different impacts of native and exotic earthworms on rhizodeposit carbon sequestration in a subtropical soil[J]. Soil Biology and Biochemistry，2015，90：152-160.

[36]BRIONES M J I， OSTLE N J， PIEARCE T G. Stable isotopes reveal that the calciferous gland of earthworms is a CO2-fixing organ[J]. Soil Biology and Biochemistry，2008，40（2）：554-557.

[37]黃福珍. 論蚯蚓對(duì)土壤結(jié)構(gòu)形成及性態(tài)的影響[J]. 土壤學(xué)報(bào)，1979，16（3）：211-217.

[38]程思遠(yuǎn)，李 歡，梅慧玲，等. 接種蚯蚓與添加有機(jī)物料對(duì)茶園土壤結(jié)構(gòu)的影響[J]. 土壤學(xué)報(bào)，2021，58（1）：259-268.

[39]BOSSUYT H， SIX J， HENDRIX P F. Protection of soil carbon by microaggregates within earthworm casts[J]. Soil Biology and Biochemistry，2005，37（2）：251-258.

[40]王 笑，王 帥，滕明姣，等. 兩種代表性蚯蚓對(duì)設(shè)施菜地土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2017，37（15）：5146-5156.

[41]崔瑩瑩，吳家龍，張 池，等. 不同生態(tài)類(lèi)型蚯蚓對(duì)赤紅壤和紅壤團(tuán)聚體分布和穩(wěn)定性的影響[J]. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，41（1）：83-90.

[42]JIANG Y B， WANG J， MUHAMMAD S， et al. How do earthworms affect decomposition of residues with different quality apart from fragmentation and incorporation？[J]. Geoderma，2018，326：68-75.

[43]羅天相，李輝信，王 同，等. 線(xiàn)蟲(chóng)和蚯蚓對(duì)土壤微量氣體排放的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2008，28（3）：993-999.

[44]盧明珠，呂憲國(guó)，管 強(qiáng)，等. 蚯蚓對(duì)土壤溫室氣體排放的影響及機(jī)制研究進(jìn)展[J]. 土壤學(xué)報(bào)，2015，52（6）：1209-1225.

[45]LIU Z G， ZOU X M. Exotic earthworms accelerate plant litter decomposition in a Puerto Rican pasture and a wet forest[J]. Ecological Applications，2002，12（5）：1406-1417.

[46]POTTHOFF M， JOERGENSEN R， WOLTERS V. Short-term effects of earthworm activity and straw amendment on the microbial C and N turnover in a remoistened arable soil after summer drought[J]. Soil Biology and Biochemistry，2001，33（4/5）：583-591.

[47]DRAKE H L， HORN M A. Earthworms as a transient heaven for terrestrial denitrifying microbes：a review[J]. Engineering in Life Sciences，2006，6（3）：261-265.

[48]ELLIOTT P W， KNIGHT D， ANDERSON J M. Variables controlling denitrification from earthworm casts and soil in permanent pastures[J]. Biology and Fertility of Soils，1991，11（1）：24-29.

[49]LUBBERS I M， PULLEMAN M M， VAN GROENIGEN J W. Can earthworms simultaneously enhance decomposition and stabilization of plant residue carbon？[J]. Soil Biology and Biochemistry，2017，105：12-24.

[50]KUIPER I， DE DEYN G B， THAKUR M P， et al. Soil invertebrate fauna affect N2O emissions from soil[J]. Global Change Biology，2013，19（9）：2814-2825.

[51]陳 帥，劉峙嶸，曾 凱. 腐稈劑對(duì)水稻秸稈腐解性能的影響[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2016，10（2）：839-844.

[52]楊欣潤(rùn)，許 邶，何治逢，等. 整合分析中國(guó)農(nóng)田腐稈劑施用對(duì)秸稈腐解和作物產(chǎn)量的影響[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2020，53（7）：1359-1367.

[53]PIETRI J A， BROOKES P. Relationships between soil pH and microbial properties in a UK arable soil[J]. Soil Biology and Biochemistry，2008，40（7）：1856-1861.

[54]ROUSK J， BAATH E， BROOKES P， et al. Soil bacterial and fungal communities across a pH gradient in arable soil[J]. The ISME Journal，2010，4：1340-1351.

[55]XIONG W， GUO S， JOUSSET A， et al. Bio-fertilizer application induces soil suppressiveness against Fusarium wilt disease by reshaping the soil microbiome[J]. Soil Biology and Biochemistry，2017，114：238-247.

[56]WISEMAN C L S， PTTMANN W. Interactions between mineral phases in the preservation of soil organic matter[J]. Geoderma，2006，134（1/2）：109-118.

[57]VOGELSANG V， KAISER K， WAGNER F E， et al. Transformation of clay-sized minerals in soils exposed to prolonged regular alternation of redox conditions[J]. Geoderma，2016，278：40-48.

[58]WINKLER P， KAISER K， THOMPSON A， et al. Contrasting evolution of iron phase composition in soils exposed to redox fluctuations[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta，2018，235：89-102.

（責(zé)任編輯：陳海霞）