蚯蚓對植煙黃壤長期種植施肥模式和土壤肥力變化的響應(yīng)

陳 浩，肖慶亮，李治模，袁 玲，劉 京*

(1.西南大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400715；2.貴州省煙草公司 遵義市公司，貴州 遵義 563000)

作物種植和施肥影響耕層有機(jī)殘體的種類和數(shù)量，間接地驅(qū)動土壤動物的變化。蚯蚓是土壤動物最具代表性的物種之一，捕食土壤中的中、小型動物和微生物，參與植物殘體的分解，增加土壤空隙，改善土壤結(jié)構(gòu)等，其密度和生物量常被視為土壤生態(tài)健康的標(biāo)志，也是土壤肥力重要的生物學(xué)指標(biāo)[1-2]。蚯蚓極為敏感，土壤污染、過量施肥、植物群落的變化等都會對其產(chǎn)生影響[3-5]?？緹熓侵袊髂系貐^(qū)主要的經(jīng)濟(jì)作物之一，尤其在云貴貧困地區(qū)，烤煙一直以來都是煙農(nóng)的主要經(jīng)濟(jì)來源，但由于土地資源緊缺以及農(nóng)民盲目追求經(jīng)濟(jì)效益等因素，造成當(dāng)?shù)乜緹熯B作現(xiàn)象普遍?？緹熼L期連作使土壤自毒物質(zhì)積累和養(yǎng)分失衡，產(chǎn)生連作障礙、生產(chǎn)力下降、土壤微生物群落多樣性降低等[6]。大量研究表明，烤煙輪作有益于改善理化生物性質(zhì)，是一種可持續(xù)發(fā)展的健康耕作方式[7-10]。此外，課題組長期定位試驗發(fā)現(xiàn)，烤煙//玉米輪作有益于改善連作帶來的不利影響，冬季種植黑麥草可提高土地生產(chǎn)力。目前，關(guān)于不同的種植施肥方式對植煙土壤動物影響的研究相對較少，研究不同種植施肥方式對典型、具有代表性的土壤動物——蚯蚓的影響，可以了解蚯蚓對這些技術(shù)措施的響應(yīng)情況，認(rèn)識土壤生態(tài)環(huán)境變化與土壤理化尤其是生物學(xué)性質(zhì)之間的相互關(guān)系，評價不同植物對土壤生態(tài)的利弊及影響程度。

本研究依托貴州省遵義市烤煙長期定位試驗，探究在長期不同的種植和施肥模式下，植煙土壤蚯蚓生長和繁殖的變化，揭示蚯蚓生長繁殖與土壤理化和生物學(xué)性質(zhì)變化的關(guān)系，為植煙土壤的可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于貴州省遵義市播州區(qū)原煙草中心科技園(東經(jīng)106°56′，北緯27°32′)，海拔900 m，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，年平均氣溫14.9 ℃，年均降水量1035 mm。長期田間定位試驗始建于2004年，土壤類型為灰?guī)r黃壤，pH6.65，有機(jī)質(zhì)21.45 g/kg，全氮0.78 g/kg，全磷0.61 g/kg，全鉀18.35 g/kg，堿解氮69.96 mg/kg，有效磷18.72 mg/kg，速效鉀286.4 mg/kg。

本研究選擇了長期田間定位試驗的5個處理：(1)自然裸地(CK)；(2)烤煙連作-單施化肥(C-CF)；(3)烤煙連作-有機(jī)肥化肥配施(C-CFM)；(4)烤煙//玉米輪作-單施化肥(R-CF)；(5)烤煙//玉米輪作-有機(jī)肥化肥配施(R-CFM)。各處理重復(fù)3次，隨機(jī)排列。奇數(shù)年夏季輪作和連作均種植烤煙，偶數(shù)年輪作種植玉米，冬季種植黑麥草(始于2016年冬)，來年3月翻壓做烤煙或玉米的底肥。

在本項目研究期間，烤煙品種為K326，株行距1.1 m×0.6 m。各施肥處理的施肥量相同，分別是N 101.25 kg/hm2、P2O567.5 kg/hm2、K2O 255 kg/hm2，氮素的基追比2∶1。在單施化肥的處理中，基肥施用烤煙專用基肥(9-9-25)，在烤煙移栽后第10天和第35天左右施用烤煙專用追肥(15-0-30)；在化肥有機(jī)肥配施的處理中，基肥的有機(jī)氮∶無機(jī)氮=1∶1，分別由烤煙專用基肥(9-9-25)和商品有機(jī)肥(遵義市桐梓縣大興有機(jī)肥廠生產(chǎn)，下同)提供，追肥與單施化肥處理相同。

玉米品種為‘筑黃3號’，株行距0.5 m×0.4 m，玉米施肥量為N 180 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2，所有的磷肥、鉀肥和有機(jī)肥均做基肥，氮素的基追比2∶1。在單施化肥處理中，基肥分別由尿素、過磷酸鈣和硫酸鉀提供，追肥在玉米拔節(jié)期和大喇叭口期追施尿素；在化肥有機(jī)肥配施處理中，基肥的有機(jī)氮∶無機(jī)氮=1∶1，分別由尿素、過磷酸鈣和硫酸鉀和商品有機(jī)肥提供，追肥與單施化肥處理相同。

黑麥草品種為‘冬牧70’，不施肥?？緹?、玉米和黑麥草的田間管理均與當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)優(yōu)質(zhì)技術(shù)規(guī)范相同。

1.2 樣品的采集和土壤理化生物指標(biāo)測定

為了擴(kuò)大不同年際蚯蚓取樣的代表性，分別在2018年9月烤煙或玉米收獲后(連作為烤煙，輪作為玉米)，2019年3月黑麥草翻壓前和2019年9月烤煙(均種植烤煙)收獲后7 d內(nèi)，進(jìn)行3次蚯蚓調(diào)查取樣。蚯蚓密度調(diào)查方法采用徒手分離法，即每個小區(qū)隨機(jī)選取5個樣點(diǎn)，每個樣點(diǎn)按長×寬×深=40 cm×40 cm×20 cm挖出土壤，置于平整的塑料布上，徒手撿取蚯蚓，計數(shù)，并除去泥土后稱鮮重，蚯蚓個體生物量(鮮重)=單位面積的蚯蚓鮮重/單位面積的蚯蚓密度。

在蚯蚓調(diào)查時，同步取土樣，帶回實驗室，揀去雜物，風(fēng)干，常規(guī)分析土壤容重、水分含量、孔隙度、土壤pH值、有機(jī)質(zhì)和有效氮磷鉀含量[11]；用靛酚藍(lán)比色法、3,5-二硝基水楊酸比色法、磷酸苯二鈉比色法和高錳酸鉀滴定法分別測定土壤脲酶、蔗糖酶、磷酸酶和過氧化氫酶活性[12]。

1.3 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計分析方法

用Excel 2016對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計整理和作圖，采用SPSS 18.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，用LSD法比較處理間差異顯著性，顯著性水平為0.05，相關(guān)分析采用Pearson法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植施肥模式對植煙土壤蚯蚓密度和生物量的影響

由表1可見，2018年9月(輪作處理為玉米，連作處理為烤煙)，各處理差異顯著，以輪作土壤的蚯蚓密度最高，連作次之，CK(裸地)最低。輪作極顯著高于連作，增加幅度為58.8%～60.1%；從施肥模式來看，以化肥配施有機(jī)肥處理(CFM)顯著高于單施化肥的處理(CF)，增加幅度為8.6%～10.8%；種植與施肥無交互作用。2019年3月(種植黑麥草均不施肥)，各處理的蚯蚓密度均比秋季(2018年9月和2019年9月)對應(yīng)處理的低，但各處理的差異明顯存在，其變化趨勢與2018年9月的結(jié)果相似，即R-CFM(a)≈R-CF(a)>C-CFM(b)≈C-CF(b)≈CK(b)；種植模式以輪作顯著大于連作，增加幅度為54.6%～59.7%，但施肥模式的差異不顯著，無交互作用。在2019年9月(除CK外均種植烤煙)，各處理差異顯著，趨勢同前；輪作土壤的蚯蚓密度顯著高于連作土壤，增加幅度為35.9%～44.4%，但施肥模式之間無差異，無交互作用。此外，在輪作模式中，種植玉米季的土壤蚯蚓密度(兩個輪作處理的平均值為13.26條/m2，2018年9月)高于種植烤煙季(平均值為11.86條/m2，2019年9月)。

從表1可見，2018年9月，各處理的平均蚯蚓生物量由高到低依次為R-CFM(a)>R-CF(b)>C-CFM(c)≈C-CF(c)>CK(d)，以輪作處理最高，連作次之，裸地(CK)的最低；2019年3月，各處理的平均蚯蚓生物量由高到低依次為R-CFM(a)≈R-CF(a)>C-CFM(b)(C-CF(bc)(CK(c)，春季(3月)蚯蚓生物重量比夏季(9月)顯著降低；2019年9月，各處理的蚯蚓重由高到低依次為R-CFM(a)>R-CF(b)>C-CFM(bc)>C-CF(cd)>CK(d)。

綜上，3次結(jié)果顯示，從種植模式來看，蚯蚓的密度和生物量均以輪作處理顯著或極顯著高于連作處理，分別增加了57.0%和71.4%；從施肥模式來看，與單施化肥相比，配施有機(jī)肥處理使蚯蚓的生物量平均增加23.3%，但蚯蚓密度僅在輪作季(2018年)因配施有機(jī)肥平均增加了9.7%，而黑麥草無施肥影響(未施肥)；R-CFM、R-CF、C-CFM和C-CF等4個處理的蚯蚓密度依次比CK增高1.5、1.3、0.7和0.5倍，蚯蚓生物量依次增加2.4、1.9、1.0和0.6倍。

表1 不同種植施肥模式對植煙土壤蚯蚓密度和生物量的影響Tab.1 Effect of different cropping and fertilization patterns on density and biomass of earthworms in the soils

2.2 不同種植施肥模式對土壤pH和養(yǎng)分的影響

由表2可知，各處理的土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和有效鉀含量存在顯著差異，R-CFM處理的前4個指標(biāo)均最高，C-CF處理的pH、有機(jī)質(zhì)含量和CK的有效NPK含量最低。其中，與連作相比，輪作模式顯著增加pH、有機(jī)質(zhì)、堿解氮和有效磷含量，依次平均提高了4.8%、6.9%、4.2%和4.7%；與單施化肥模式相比，有機(jī)肥化肥配施模式極顯著增加pH、有機(jī)質(zhì)、堿解氮和有效磷含量，增幅分別變化于8.9%～9.9%、18.3%～19.7%、7.5%～13.0%和7.3%～13.7%；但種植與施肥模式之間無交互作用。

表2 不同種植施肥模式對土壤pH、有機(jī)質(zhì)和速效養(yǎng)分的影響Tab.2 Effect of different cropping and fertilization patterns on soil pH,organic matter and available nutrients

2.3 不同種植施肥模式對土壤容重和孔隙度的影響

由表3可見，各處理的土壤含水量、容重和總孔隙度存在顯著差異，R-CFM的土壤含水量和總孔隙度最高，容重最低，而C-CF容重最高、總孔隙度最低；種植模式和施肥模式均顯著影響這3個物理指標(biāo)。與連作相比，輪作增加土壤含水量，降低容重；與單施化肥相比，有機(jī)肥化肥配施顯著增加土壤含水量和總孔隙度，并降低土壤容重；二者無交互效應(yīng)。

表3 不同種植施肥模式對土壤含水量、容重和孔隙度的影響Tab.3 Effect of different cropping and fertilization patterns on soil moisture content,bulk density and porosity

2.4 不同種植施肥模式對土壤酶活性的影響

由表4可見，各處理的4種土壤酶活性均存在顯著差異，其中，R-CFM的土壤酶活性最高，CK最低；與連作相比，輪作模式顯著提高脲酶和磷酸酶活性；與單施化肥相比，有機(jī)肥化肥配施顯著增加脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性；但二者無交互效應(yīng)。

表4 不同種植施肥模式對土壤酶活性的影響Tab.4 Effect of different planting and fertilization patterns on soil enzyme activities

2.5 植煙土壤的蚯蚓生長繁殖與土壤肥力的相關(guān)性分析

根據(jù)上述煙地土壤肥力的分析結(jié)果，選擇存在顯著差異的肥力因子與蚯蚓的生長(生物量)繁殖(密度)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析(表5)。結(jié)果表明，各處理的蚯蚓密度和生物量與對應(yīng)處理的土壤肥力諸因子存在顯著或極顯著的相關(guān)性。其中，蚯蚓密度與土壤有機(jī)質(zhì)，有效氮、磷、鉀，脲酶和磷酸酶活性，以及孔隙度呈顯著正相關(guān)(P<0.05，下同)，與容重呈極顯著負(fù)相關(guān)；蚯蚓生物量與土壤有機(jī)質(zhì)，有效氮、磷、鉀，孔隙度，酶活性(脲酶、磷酸酶、蔗糖酶和過氧化氫酶)呈顯著正相關(guān)，與容重呈極顯著負(fù)相關(guān)。

表5 蚯蚓的生長繁殖與土壤肥力指標(biāo)之間的相關(guān)性分析Tab.5 Correlation analysis between the earthworm growth/ reproduction and soil fertility index

3 結(jié)論與討論

3.1 長期種植施肥對植煙土壤中蚯蚓生長繁殖的影響

農(nóng)業(yè)土壤中的蚯蚓密度常被人們用作表征土壤健康的重要指標(biāo)[13]。本研究發(fā)現(xiàn)，裸地(CK)的蚯蚓密度和生物量均顯著低于長期種植烤煙//玉米//黑麥草的土壤，說明種植作物和施肥有利于蚯蚓的生長繁殖。其次，與連續(xù)種植烤煙土壤相比，烤煙//玉米的土壤蚯蚓密度和生物量平均增加了57.0%和71.4%，說明輪作促進(jìn)了蚯蚓的生長繁殖。蚯蚓作為土壤中最大的動物，主要以土壤中的小型動物、作物殘渣等為餌料，烤煙長期連作不僅殘渣單一，更重要的是烤煙連作土壤易累積阿魏酸、肉桂酸等酚酸類物質(zhì)，根系殘渣和分泌物還含有煙堿等，這類物質(zhì)具有明顯的生物毒性[14]，可能導(dǎo)致蚯蚓中毒，或引起蚯蚓主動趨避。Milcu等[15]發(fā)現(xiàn)，在植物根和莖生物量相同的條件下，植物的多樣性越高蚯蚓的生物量越大，即植物的多樣性可為蚯蚓提供更多營養(yǎng)和更高質(zhì)量的殘渣。Abail等[16]發(fā)現(xiàn)，連續(xù)種植玉米下蚯蚓的平均數(shù)量為59條/m2，玉米-大豆輪作下蚯蚓的平均數(shù)量為37條/m2，連續(xù)種植大豆下蚯蚓的平均數(shù)量為28條/m2。而長期烤煙//玉米輪作使土壤的蚯蚓密度和生物量顯著高于長期連作的煙地，源于輪作提高了煙地植物多樣性，有利于蚯蚓的生長繁殖；同時，玉米殘渣對蚯蚓而言，可能比烤煙殘渣更適口。第三，本項研究表明，與單施化肥相比，長期有機(jī)肥化肥配施使土壤中蚯蚓的密度增加了8.6%～10.8%，生物量提高18.3%～27.3%。在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，土壤生物種群的結(jié)構(gòu)、大小和活動受作物殘渣輸入的影響[17]，作物殘渣較多的農(nóng)田能支持更大更多的蚯蚓種群[18]。Tuneera等[19]研究發(fā)現(xiàn)，谷類作物(小麥)殘渣和根系，以及施用的有機(jī)肥料，促進(jìn)蚯蚓增加。說明在煙地增施有機(jī)肥有利于蚯蚓的生長繁殖。值得注意的是，在烤煙或玉米收獲后種植黑麥草(均不施肥)，來年3月黑麥草收獲時的土壤蚯蚓密度和生物量因土溫低于秋季，但長期連作的煙地仍顯著低于輪作煙地，這是否意味著種植制度改變的土壤性質(zhì)反過來影響到蚯蚓的生長繁殖？接下來將進(jìn)一步深入研究。

3.2 長期種植施肥對植煙土壤理化生物性質(zhì)的影響

大量研究結(jié)果表明，長期施用有機(jī)肥能提高土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量[20]，改善土壤物理性狀和生物活性[21-22]。此外，輪作改善土壤理化和生物性質(zhì)也有較多報道[23]。但將種植制度和施肥模式結(jié)合起來進(jìn)行長期研究的卻較少。本研究表明，不同種植和施肥模式顯著影響植煙黃壤的pH和養(yǎng)分含量，與長期烤煙連作相比，烤煙//玉米輪作模式的土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮和有效磷含量分別增加了6.9%、4.2%和4.7%；與長期單施化肥模式相比，有機(jī)肥化肥配施模式極顯著增加pH、有機(jī)質(zhì)、堿解氮和有效磷含量，增幅分別為8.9%～9.9%、18.3%～19.7%、7.5%～13.0%和7.3%～13.7%；其二，長期烤煙//玉米輪作增加植煙土壤含水量，降低容重；而長期配施有機(jī)肥顯著增加土壤含水量和總孔隙度，并降低土壤容重；其三，輪作模式顯著提高脲酶和磷酸酶活性；配施有機(jī)肥顯著增加脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性。試驗結(jié)果揭示了長期輪作和配施有機(jī)肥有利于提高土壤肥力。在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，蚯蚓的數(shù)量和生物量是衡量土壤肥沃程度的重要標(biāo)志之一，蚯蚓-土壤-作物組成一個相互作用的有機(jī)-無機(jī)復(fù)合整體[24]。Amador等[25]研究表明，蚯蚓長期生活的土壤一般具有較高的有機(jī)質(zhì)含量，陽離子交換量，交換性鈣、鎂、鉀和有效氮、磷等。本試驗結(jié)果支持了這一結(jié)論：當(dāng)土壤肥力提升蚯蚓的密度和生物量隨之增高。

3.3 植煙土壤的蚯蚓生長繁殖與土壤肥力的關(guān)系

在土壤生態(tài)系統(tǒng)中，蚯蚓發(fā)揮著重要作用，它們能促進(jìn)土壤的養(yǎng)分循環(huán)和轉(zhuǎn)化[26]。本試驗結(jié)果表明，蚯蚓密度和生物量與土壤有機(jī)質(zhì)和有效氮磷鉀含量，以及土壤蔗糖酶、脲酶和磷酸酶的活性呈顯著或極顯著正相關(guān)，說明蚯蚓在土壤有機(jī)物質(zhì)分解、有機(jī)氮磷養(yǎng)分活化起重要作用。其次，它們與土壤總孔隙度呈顯著或極顯著正相關(guān)，與容重呈極顯著負(fù)相關(guān)。朱新玉等[27]發(fā)現(xiàn)，蚯蚓有助于改善土壤質(zhì)量，提高土壤孔隙，降低土壤容重。王邵軍等[28]的研究也表明，在不同利用方式的土壤中，蚯蚓密度和生物量顯著影響土壤的物理性質(zhì)，充足的土壤含水量可能會對蚯蚓的數(shù)量和生物量產(chǎn)生積極影響，蚯蚓密度和生物量的增加會提高土壤總孔隙度。本研究結(jié)果也證實蚯蚓多的處理，土壤的耕性改善；此外，蚯蚓生物量還與土壤過氧化氫酶呈顯著正相關(guān)，表明蚯蚓多的土壤生物活性顯著提高。

以上結(jié)果說明，在植煙黃壤中蚯蚓與土壤肥力諸因子互為作用，即好的種植制度和施肥模式改善了土壤環(huán)境，土壤中的物質(zhì)源豐富，反過來促進(jìn)了蚯蚓的生長繁殖，而蚯蚓增多和生長健壯又進(jìn)一步改善土壤環(huán)境，故好的土壤環(huán)境源于良好的種植施肥模式，蚯蚓與肥沃的土壤互為良性循環(huán)。

在長期種植烤煙的土壤中，不同種植施肥處理的蚯蚓密度和生物量均比不耕作的裸地土壤高，而長期烤煙//玉米輪作并配施有機(jī)肥顯著增加蚯蚓密度和生物量，同時土壤的耕作性改善，土壤養(yǎng)分和生物活性提升；植煙黃壤的蚯蚓密度和生物量與土壤的有機(jī)質(zhì)、有效氮磷鉀含量、總孔隙度和酶活性呈顯著或極顯著正相關(guān)，即蚯蚓與土壤肥力互為良性循環(huán)，植煙黃壤采用輪作并配施有機(jī)肥模式是煙地肥力提升和蚯蚓增加的基礎(chǔ)。