不同生態(tài)類型蚯蚓對土壤團聚體有機碳質(zhì)量分數(shù)的影響1)

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)常忽略土壤動物在土壤有機質(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、分解有機物質(zhì)、分泌粘液、排泄蚓糞等活動改善土壤結(jié)構(gòu)，并在此過程中實現(xiàn)對有機質(zhì)再分配，蚯蚓的這些活動對土壤碳的固存產(chǎn)生極大影響[1，4-5]。

蚯蚓屬于環(huán)節(jié)動物門(Annelida)寡毛綱(Oligochaeta)的陸棲無脊椎動物[6]，根據(jù)其功能和習(xí)性主要劃分成三種生態(tài)類型：表棲型(Epigeic)、內(nèi)棲型(Endogeic)和深棲型(Anecic)[7]。表棲型蚯蚓只在土壤淺層活動，以地表新鮮的植物殘渣或微生物為食；內(nèi)棲型蚯蚓是食土類動物，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渣為食，但通常會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]，會對土壤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同影響，崔瑩瑩等[9]研究表明不同生態(tài)類型蚯蚓對土壤團聚體的分布和穩(wěn)定性的影響不同。不同生態(tài)型蚯蚓會對土壤團聚體粒級分布產(chǎn)生影響，而且不同種類蚯蚓取食土壤后通常會產(chǎn)生具有不同的化學(xué)和物理性質(zhì)的蚓糞[10]，這對土壤團聚體中有機碳質(zhì)量分數(shù)也會產(chǎn)生不同的影響。Wu et al.[11]研究表明不同生態(tài)型蚯蚓會對不同存在形式的碳產(chǎn)生影響，進而影響土壤碳固存。但是事實上，有機質(zhì)、氮元素的質(zhì)量分數(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)注于某一種蚯蚓對一種土壤結(jié)構(gòu)的影響，對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聚體C質(zhì)量分數(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，探討不同生態(tài)類型蚯蚓對不同利用類型土壤團聚體C質(zhì)量分數(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 試驗設(shè)計

試驗設(shè)計為室內(nèi)培養(yǎng)試驗，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)與表棲型的赤子愛勝蚓(Eiseniafoetida)；試驗的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，有機碳質(zhì)量分數(shù)18.7 g·kg-1，全氮質(zhì)量分數(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，有機碳質(zhì)量分數(shù)25.4 g·kg-1，全氮質(zhì)量分數(shù)1.93 g·kg-1)。試驗共設(shè)置5個不同處理，即土壤對照處理(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。每個試驗處理設(shè)置4個重復(fù)，隨機排列。

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，將活性差的個體及時替換掉，并觀察蚯蚓活動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

采用干篩法分離機械穩(wěn)定性團聚體，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)上稍加改動進行試驗，將濕篩后的土壤團聚體分成粗大團聚體(d>2.000 mm)、細大團聚體(0.250 mm

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)用Excel整理計算，使用SPSS 20.0軟件進行統(tǒng)計分析。運用單因素方差分析(One-way ANOVA)檢驗各處理對土壤團聚體、有機碳質(zhì)量分數(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，對所有的計算結(jié)果進行正態(tài)檢驗和方差齊性檢驗，保證數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的合理性。

2 結(jié)果與分析

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

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

表1 不同處理時森林土各粒級水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量分數(shù)

表2為不同處理下農(nóng)田土壤各粒級水穩(wěn)性團聚體的質(zhì)量分數(shù)。相比于CK，除T3處理，T1、T2和T4處理均增加了粗大團聚體質(zhì)量分數(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聚體質(zhì)量分數(shù)，各處理之間差異不顯著。接種蚯蚓可以顯著降低農(nóng)田土壤細大團聚體的質(zhì)量分數(shù)(P<0.05)，T3處理降低的最多。土壤微團聚體的質(zhì)量分數(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-黏團聚體的質(zhì)量分數(shù)在T3處理時增加，T2、T4處理時降低，T4處理降低效果顯著(P<0.05)。

表2 不同處理時農(nóng)田土各粒級水穩(wěn)性團聚體質(zhì)量分數(shù)

2.2 接種不同生態(tài)類型蚯蚓對土壤有機碳(SOC)質(zhì)量分數(shù)的影響

表3反映了接種不同生態(tài)類型蚯蚓對2種土壤有機碳質(zhì)量分數(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)量分數(shù)，且接種蚯蚓對2種土壤SOC質(zhì)量分數(shù)的降低作用均達到顯著水平(P<0.05)。2種蚯蚓共同作用下對森林土壤SOC的降低作用顯著高于單獨接種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SOC質(zhì)量分數(shù)的降低作用顯著高于單獨接種赤子愛勝蚓(P<0.05)。

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

接種蚯蚓對2種土壤各粒級團聚體有機碳質(zhì)量分數(shù)的影響如表4、表5所示，每種處理時，各級團聚體有機碳質(zhì)量分數(shù)由高到低依次為細大團聚體、粗大團聚體、微團聚體、粉-黏團聚體。

分析不同處理時森林土壤各團聚體有機碳質(zhì)量分數(shù)(如表4所示)發(fā)現(xiàn)，接種蚯蚓可顯著降低粗大團聚體和細大團聚體中有機碳的質(zhì)量分數(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各粒級團聚體有機碳質(zhì)量分數(shù)影響差異顯著，其中2種蚯蚓混接對各級團聚體有機碳降低作用最為顯著(P<0.05)。

表4 不同處理時森林土各級土壤團聚體有機碳質(zhì)量分數(shù)

接種蚯蚓對農(nóng)田土壤各級團聚體有機碳質(zhì)量分數(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)田土壤各粒級團聚體有機碳質(zhì)量分數(shù)；除粉-黏團聚體外，接種赤子愛勝蚓對各粒級土壤團聚體有機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 不同處理時農(nóng)田土各級土壤團聚體有機碳質(zhì)量分數(shù)

3 結(jié)論與討論

蚯蚓通過掘穴活動直接影響土壤的團聚結(jié)構(gòu)，或通過對土壤微生物取食(主要是真菌)[13]以及排泄出的蚓糞提高土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)，從而間接影響土壤團聚體[14],對土壤結(jié)構(gòu)的形成和穩(wěn)定具有重要作用。本試驗研究發(fā)現(xiàn)，T2、T3處理時，森林土壤微團聚體質(zhì)量分數(shù)增加，T4處理時降低，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，微團聚體質(zhì)量分數(shù)均增加，這與Leon et al.[15]的研究結(jié)果并不一致，他認為不同生態(tài)型蚯蚓對土壤團聚體結(jié)構(gòu)影響存在顯著差異，相比于表棲型，深棲型蚯蚓能增加土壤粗大團聚體質(zhì)量分數(shù)，而對于微團聚體質(zhì)量分數(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聚體的質(zhì)量分數(shù)，甚至是降低粗大團聚體質(zhì)量分數(shù)[16]，本試驗的研究結(jié)果與此存在一致性，本試驗研究結(jié)果表明，接種蚯蚓降低了農(nóng)田土壤的粗大團聚體質(zhì)量分數(shù)，但對于森林土壤，接種赤子愛勝蚓后粗大團聚體質(zhì)量分數(shù)增加。此外，王笑等通過室內(nèi)微縮試驗，對接種了3種不同生態(tài)型蚯蚓的土壤進行濕篩，分離出不同粒徑水穩(wěn)性團聚體，得出了蚯蚓降低土壤細大團聚體質(zhì)量分數(shù)的結(jié)論，本試驗研究結(jié)果與此一致，本試驗結(jié)果表明蚯蚓降低森林土壤細大團聚體質(zhì)量分數(shù)，顯著降低農(nóng)田土壤細大團聚體質(zhì)量分數(shù)，不同生態(tài)型蚯蚓之間差異不顯著。至于赤子愛勝蚓對土壤團聚體分布和水穩(wěn)性團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，對土壤團聚體影響小，作用時間短，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，強烈影響土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)和土壤肥力[17]。國內(nèi)外對于蚯蚓對土壤有機碳影響的研究已有不少，但是結(jié)果仍有很大爭議。Coq et al.[18]通過5個月的田間試驗研究表明，蚯蚓活動對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碳質(zhì)量分數(shù)顯著降低。不同粒徑土壤團聚體中碳質(zhì)量分數(shù)是土壤礦化速率與有機質(zhì)平衡的微觀表現(xiàn)，其微小變化可以反映土壤總有機碳變化趨勢。本試驗結(jié)果顯示，2種土壤在不同處理時，各粒級團聚體有機碳質(zhì)量分數(shù)由高到低均為土壤細大團聚體、粗大團聚體、微團聚體、粉-黏團聚體，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。本試驗結(jié)果顯示，接種蚯蚓降低土壤各粒級團聚體有機碳質(zhì)量分數(shù)，對森林土壤各粒級團聚體有機碳質(zhì)量分數(shù)的影響表現(xiàn)為顯著降低粗大團聚體和細大團聚體有機碳質(zhì)量分數(shù)，2種生態(tài)型共同作用對各粒級有機碳質(zhì)量分數(shù)降低效果更為顯著；農(nóng)田土壤中蚯蚓均顯著降低4個粒級土壤團聚體中土壤有機碳質(zhì)量分數(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)類型蚯蚓對土壤團聚體有機碳質(zhì)量分數(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土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)的影響較為顯著。另外不同生態(tài)型蚯蚓對土壤水穩(wěn)性團聚體的粒徑分布結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，并且影響土壤各粒級團聚體有機碳質(zhì)量分數(shù)。蚯蚓主要通過影響土壤細大團聚體和粗大團聚體有機碳質(zhì)量分數(shù)來影響全土有機碳質(zhì)量分數(shù)。然而蚯蚓對于有機碳在各粒級團聚體中的轉(zhuǎn)化機制的影響尚不清楚，仍待進一步驗證。