凋落物与蚯蚓对杨树人工林土壤有机碳组成的影响

王 瑞,徐 瑾,徐 晓,王国兵

(南京林业大学南方现代林业协同创新中心/南京林业大学生物与环境学院，江苏 南京 210037)

人工林土壤有机碳含量和组成是考察人工林土壤有机质含量的重要指标，也是影响人工林土壤肥力和木材产量的重要因素，在人工林碳汇和林业可持续发展方面有着重要作用.蚯蚓在世界各地的生态系统中都有着广泛的分布[1].1881年，达尔文在《植物壤土与蚯蚓》中详细阐述了蚯蚓的生理、生态过程以及蚯蚓对形成植物土壤所起的作用.此后，蚯蚓作为主要土壤动物逐渐得到生物学家、生态学者的重视.近年来，各地生态学者不断围绕蚯蚓种类、地域分布、生态过程等方面开展相关研究并取得了丰硕的成果.

杨树叶是杨树人工林主要的地面凋落物，在地表和土壤中均能被有效地分解，大型土壤动物(如蚯蚓)和细菌、真菌、放线菌等土壤微生物对其分解有着重要的作用.土壤的养分、温度及其理化性质等会对杨树叶凋落物在土壤中的分解产生影响，土壤的类型以及土壤与凋落物的接触程度也会影响这个过程[2].

蚯蚓对土壤有机碳的作用与影响受植被、气候、土壤质地、肥力水平、蚯蚓类型等因素的制约.目前对蚯蚓影响土壤有机碳组成的相关研究较多，但在施加杨树凋落物条件下同时接种蚯蚓对土壤多种不同活性有机碳影响的研究还鲜见报道，本研究通过探讨杨树凋落物不同施用方式及接种蚯蚓对土壤有机碳及不同活性有机碳的影响，初步揭示凋落物与蚯蚓对杨树人工林土壤有机碳的影响机制，以期为杨树人工林的土壤有机碳库管理提供理论依据.

1 试验地概况

试验样地位于江苏省盐城市境内的江苏省东台市林场(120°49′E，32°52′N)，以杨树中龄林为试验林分，采用随机区组法进行野外固定样地设置.试验地年平均气温14.5 ℃，年平均降雨量1 051.0 mm.土壤类型为沙质壤土，坡度小于10°，坡向为西.土壤pH值为8.05，土壤有机碳和全氮含量分别为13.45和0.92 g·kg-1，容重为1.18 g·cm-3，土壤含水率为25.65%.

2 研究方法

2.1 样地设置及样品采集

试验设置6个处理：对照处理(CK)、杨树叶凋落物表施处理(T1)、杨树叶凋落物混施处理(T2)、仅接种蚯蚓处理(T3)、杨树叶凋落物表施+接种蚯蚓处理(T4)、杨树叶凋落物混施+接种蚯蚓处理(T5).每个处理设置4个重复样地，样地面积1 m×1 m.样地边界处以PVC扣板进行隔离，隔离深度50 cm，地表留出10～15 cm的高度，并在样地表层覆盖一层化纤织物(保持样地湿润).PVC板的宽度为20 cm，拼接时会有较小的缝隙，保证土壤水分与周围一致，同时能够防止蚯蚓逃逸.以林木基部为中心设置面积较大的固定样地(面积每组约300 m2，每组设置6块1 m×1 m样地，样地间隔约8 m，共4组)，可以有效排除样地边界PVC隔板对杨树根系生长和自然分布的干扰.同时采用蚯蚓电击诱捕仪(神龙八号)进行蚯蚓去除处理.

先将凋落物基质(杨树叶)烘干粉碎(粉碎细度在10 mm左右)，再将1 kg粉碎后的凋落物基质均匀覆盖在样地表面(即凋落物表施处理)；将粉碎后的凋落物基质与样地内的表层土壤进行混合作为凋落物混施处理；再向相应的样地中各接种蚯蚓50～60 g，作为接种蚯蚓处理.为保证野外样地条件下接种蚯蚓成功，在每次采样时对蚯蚓的存活状况进行观察和补充接种.所用蚯蚓为威廉腔环蚓(Metaphireguillelmi)，在分类上该蚯蚓属于表栖类(epigeic)的蚓种[3]，该蚓种在生态对策上介于r对策与k对策之间[4].

样地于2017年11月布置完毕，2018年12月，采集各处理小区0～20 cm土层土样，其中部分鲜样置于冰箱，用于测定微生物生物量碳(microbial biomass carbon,MBC)和可溶性有机碳(dissolved organic carbon,DOC)，其余土样风干，用于测定土壤有机碳(soil organic carbon,SOC)、热水提取态碳(hot water extractable carbon,HWEC)、酸提取态碳(acid extractable carbon,AEC)、颗粒有机碳(particulate organic carbon,POC)、易氧化有机碳(readily oxidation carbon,ROC)和轻组有机碳(light fraction organic carbon,LFOC).

2.2 测定方法

SOC测定:使用Vario EL元素分析仪测定.MBC测定[5-6]:使用氯仿熏蒸K2SO4浸提-TOC仪器分析法测定，转换系数取0.45[7].DOC测定：土壤鲜样过2 mm筛，称取5.0 g土壤,加去离子水使水土比为5∶1，振荡4 h后以3 500 r·min-1速率离心20 min,过0.45 μm滤膜后利用TOC分析仪来测定上清液中有机碳含量[8].HWEC测定:称取过2 mm筛的风干土4 g，加入蒸馏水20 mL，在80 ℃水浴振荡器中振荡16 h，在10 000 r·min-1的速率下离心5min得到悬浮液，再用TOC分析仪测定上清液中的有机碳含量[9].AEC测定：称取过2 mm筛的风干土2 g，加入20 mL浓度为1.5 mol·L-1硫酸溶液，密封离心管并放置20 h，在4 000 r·min-1的速率下离心5 min，再用TOC分析仪测定其上清液的有机碳含量[10].POC参考Elliott和Cambardella的方法测定[10]：称取风干土10 g，加入六偏磷酸钠溶液，振荡冲洗，将留在筛子上的物质进行收集烘干，加入1 mol·L-1的HCl溶液去除无机碳，有机碳含量的测量使用元素分析仪.ROC测定[11-12]：称取含碳15 mg的风干土，添加333 mmol·L-1高锰酸钾溶液25 mL，然后振荡1 h，离心5 min，吸取0.4 mL上清液定容至100 mL(稀释250倍)，然后用分光光度计进行比色(565 nm波长处).同时配制标准系列浓度的高锰酸钾溶液，在同样波长处进行比色，利用高锰酸钾的变化量计算土壤样品中的ROC含量.LFOC测定[13-14]：称取风干土5.0 g，加入1.80 g·mL-1的碘化钠溶液，然后振荡离心过滤烘干，烘干后称量测得轻组部分的质量，利用元素分析仪测定LFOC含量.

土壤活性有机碳分配比例：某一土壤有机碳在该土壤中的活性一般用土壤活性有机碳分配比例来评价，土壤活性有机碳分配比例即土壤活性有机碳含量与该土壤总有机碳含量的比值.

活性有机碳的分配比例相对值：Rij=fij/fckj.

式中，Rij为第i种处理第j种活性有机碳的分配比例相对值，fij为第i种处理第j种活性有机碳分配比例，fckj为CK空白处理第j种活性有机碳分配比例.

式中，Li为第i种处理的土壤有机碳活性，n为活性有机碳种类，n=7.

2.3 数据处理

试验所得所有数据均使用Excel和SPSS 25软件进行分析处理.

3 结果与分析

3.1 杨树叶凋落物及蚯蚓对SOC含量的影响

不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05).CK:对照处理；T1：杨树叶凋落物表施处理；T2：杨树叶凋落物混施处理；T3:仅接种蚯蚓处理；T4:杨树叶凋落物表施+接种蚯蚓处理；T5:杨树叶凋落物混施+接种蚯蚓处理.图1 不同处理对SOC含量的影响Fig.1 Effects of different treatments on SOC content

由图1可知，不同处理中SOC含量差异较为明显.与对照处理(CK)相比，杨树叶凋落物表施处理(T1和T4)和接种蚯蚓处理(T3、T4和T5)使SOC含量增加1.86%～17.12%；而凋落物混施处理(T2)则使SOC含量增加16.37%.凋落物施加方式对人工林SOC含量的影响不同，凋落物混施处理(T2和T5)的SOC含量显著高于表施处理(T1和T4)，其中T2比T1增加约14.24%，T5比T4增加约14.10%.在对照处理(CK)与仅接种蚯蚓处理(T3)、凋落物表施处理(T1和T4)和混施处理(T2和T5)中，接种蚯蚓处理(T3、T4和T5)均增加了SOC含量，增幅分别为4.38%、0.77%和0.65%.相比仅接种蚯蚓处理(T3)，凋落物表施处理(T4)使SOC含量降低，而凋落物混施处理(T5)则增加了SOC含量(12.21%).

3.2 杨树叶凋落物及蚯蚓对不同活性有机碳含量的影响

与对照处理(CK)相比，各处理不同活性有机碳含量均有一定程度的增加，其中LFOC含量增加较为显著，最多增加了109.36%，DOC最多增加了32.65%，HWEC最多增加了27.78%.凋落物不同施加方式对有机碳的影响有显著的差异，相比于凋落物表施处理(T1和T4)，混施处理(T2和T5)的DOC、HWEC、MBC、POC和LFOC含量均有一定的增加，其中HWEC增加最多(12.43%)；而对于AEC和ROC来说，表施处理要比混施处理有利于有机碳的增加.在接种蚯蚓的情况下(T3、T4和T5)，除AEC外，其余活性有机碳指标均有不同程度的增加，且凋落物的施加方式也改变了活性有机碳的含量水平，除AEC和ROC外，其余指标均表明凋落物的混施比表施更能增加有机碳的含量(表1).

与对照处理(CK)相比，施加杨树叶凋落物处理DOC、HWEC、POC含量均显著增加(P<0.05)；施加凋落物+接种蚯蚓的处理(T4和T5)的MBC含量显著高于对照处理(CK)(P<0.05)；混施凋落物处理(T2和T5)的POC和LFOC含量显著高于对照处理(CK)(P<0.05).在接种蚯蚓时，T5处理的DOC、HWEC、MBC含量显著高于T4，而两处理间的LFOC、AEC、ROC以及POC含量无显著差异.接种蚯蚓处理(T3、T4和T5)和未接种蚯蚓处理(CK、T1和T2)的DOC、LFOC含量均有显著的增加，但AEC含量有显著的减少.在凋落物表施的条件下，与未接种蚯蚓处理(T1)相比，接种了蚯蚓的处理(T4)的DOC、MBC、LFOC含量均显著增加(P<0.05)，AEC含量显著减少(P<0.05)；两个处理间的HWEC、ROC、POC含量无显著差异.在凋落物混施的处理中，与未接种蚯蚓处理(T2)相比，接种蚯蚓的处理(T5)的DOC、HWEC、ROC、LFOC显著增加(P<0.05)，AEC含量显著减少(P<0.05)，MBC、POC含量无显著差异(表1).

表1 杨树叶凋落物施用及接种蚯蚓对土壤中不同活性有机碳含量的影响1)Table 1 Effects of poplar leaf litter application and earthworm inoculation on different active organic components in soil

3.3 杨树叶凋落物及蚯蚓对不同活性有机碳分配比例的影响

本研究采用活性有机碳分配比例的相对值来进行综合考虑，该相对值是以对照处理(CK)的活性有机碳分配比例为基值1，将其他处理的活性有机碳分配比例与其相比(即归一化处理)来求得相对值，最后用各活性有机碳分配比例的相对值的平均值来作为土壤有机碳活性的指标.由表2可以看出，不同处理中7种不同形态的活性有机碳的分配比例排列顺序有着相似的规律，大体顺序为DOC

在凋落物表施处理中，与 T1 处理相比，T4 处理的DOC、POC、LFOC 的分配比例增高，HWEC 、AEC 的分配比例则降低，而两个处理间的 MBC、ROC 的分配比例无差异。在凋落物混施处理中，与不接种蚯蚓的处理相比较，接种蚯蚓的 T5 处理的DOC、 ROC、POC、LFOC 的分配比例增高，AEC 的分配比例降低，两个处理间的 MBC、HWEC 的分配比例无显著差异(表2).

表2 杨树叶凋落物施用及接种蚯蚓对不同活性有机碳分配比例的影响1)Table 2 Effects of poplar leaf litter application and earthworm inoculation on the fraction of soil labile organic carbon

由表3可以看出，各处理的土壤有机碳活性大小为T4>T5>T1>T2>T3>CK.与对照处理(CK)相比，施加杨树叶凋落物处理(T1、T2、T4和T5)的土壤有机碳活性有所增加；凋落物表施处理相较于混施处理更能提高土壤有机碳活性.在不同杨树叶凋落物施用方式的情况下，接种蚯蚓均能提高土壤有机碳活性.

表3 各处理不同活性有机碳分配比例相对值1)Table 3 Relative values of different soil labile organic carbon fraction under different treatments

3.4 不同活性有机碳的相关性分析

由表4可以看出，SOC与土壤不同活性有机碳之间具有相关性.SOC和HWEC(P<0.05)、MBC(P<0.01)具有相关性；DOC和HWEC、POC在0.05水平上相关；HWEC和MBC、LFOC在0.05水平上相关，而和POC在0.01水平上显著相关(P<0.01)；POC和LFOC显著相关(P<0.01).

表4 不同活性有机碳的相关系数1)Table 4 Correlations between different soil labile organic carbon (r,n=24)

3.5 杨树叶凋落物和蚯蚓对不同活性有机碳含量影响的显著性分析

由表5可以看出，接种蚯蚓对SOC、HWEC、POC、ROC均无显著影响，而对DOC、MBC、AEC、LFOC均有显著影响(P<0.05).杨树叶凋落物与蚯蚓的共同作用对DOC产生了极显著的影响(P<0.01).杨树叶凋落物对LFOC具有极显著影响(P<0.01)，而对SOC、MBC、HWEC、AEC、POC和ROC均无显著影响.

表5 杨树叶凋落物与蚯蚓对土壤有机碳和不同活性有机碳含量影响的显著性分析1)Table 5 Significance analysis of poplar leaves litter and earthworm on soil organic carbon and labile organic carbon

4 讨论

4.1 杨树叶凋落物及蚯蚓对SOC含量的影响

本研究表明，除了凋落物混施+接种蚯蚓处理(T5)外，接种蚯蚓之后并没有显著改变SOC含量水平，这一结果与陈平等[15]和于建光等[16]的研究结果相同.这是因为蚯蚓的同化效率较低，它们在取食过程中吞食的绝大部分有机物质和土壤会以蚯蚓粪的形式归还到土壤中，同时蚯蚓粪又有着比较强的抗分解能力[16]；另一方面则可能是因为蚯蚓的活动在一定程度上促进了地表植物的生长，而这个过程增加了有机物的归还，从而补偿一部分消耗的有机质，所以蚯蚓不会使得人工林SOC含量产生较大的变化.而对于T5处理的结果与上述相反，则是因为在土壤中添加了杨树叶凋落物，而本研究的结果表明，凋落物的不同施加方式对SOC含量的影响有很大的差异，凋落物表施并没有使SOC含量产生明显增加，而凋落物混施则明显改变了SOC含量水平.这与陈平等[15]和袁新田等[17]的研究结果相一致，这是因为凋落物与土壤的混合施加形成了“激发效应”，改变了土壤中碳的周转速率，促进了土壤中碳的富集[16]，而另一个可能的原因则是杨树叶凋落物的混合施加可以促进土壤中大于2 mm团聚体的形成，从而增加SOC含量.

4.2 杨树叶凋落物及蚯蚓对不同活性有机碳含量的影响

土壤中的微生物与有机残体的接触程度影响了土壤中有机残体的分解过程[18].杨树叶凋落物被施加到土壤中，为土壤带来了大量的有机物料，土壤中的微生物和大型土壤动物以杨树叶凋落物为食物来源，通过它们的取食，这些有机物料被破碎分解，经过一定时间的转化，以土壤有机质的形式储存在土壤中，这显然会对土壤中不同活性有机碳的含量产生影响，本研究也表明了将杨树叶凋落物施加到土壤中，不管是表施还是混施处理，都能增加土壤中的活性有机碳，同时在施加凋落物且接种蚯蚓后，土壤和杨树叶凋落物之间的接触变得更加紧密，这增强了微生物的繁殖能力，所以也使得MBC的含量增加[19].

接种蚯蚓的处理能显著提高除AEC和POC外的其他各活性有机碳含量，这说明蚯蚓可以提高土壤中主要的活性有机碳含量.接种蚯蚓减少了AEC的含量，这与于建光等[16]的研究一致.蚯蚓活动会取食富含有机颗粒的土壤，Koutika et al[20]的研究表明蚯蚓的取食更容易利用土壤中的有机物颗粒.但与于建光等[16]的研究结果不同的是，本研究中接种蚯蚓处理没有显著改变土壤中POC含量，这可能是因为蚯蚓的同化效率较低所致，蚯蚓虽然取食了土壤中的有机物颗粒，但是又以蚯蚓粪的形式归还到土壤中.凋落物混施处理比表施处理更能提高DOC、HWEC、MBC、POC、LFOC的含量，而混施比表施降低了AEC和ROC的含量.本研究表明，杨树叶凋落物的施用对AEC除外的其他土壤不同活性有机碳含量都有显著影响，其中，对LFOC在0.01水平上具有极显著影响.这说明了杨树叶凋落物是影响杨树人工林土壤不同活性有机碳含量的重要因素.而蚯蚓并没有显著改变所有的土壤活性有机碳的含量，这与于建光等[16]的研究相同.

4.3 杨树叶凋落物及蚯蚓对不同活性有机碳分配比例的影响

某一土壤有机碳在该土壤中的活性一般用土壤活性有机碳分配比例来评价，即土壤活性有机碳含量与其总有机碳含量的比值[21].不同形态的有机碳在土壤碳循环与转换中具有不同的地位、作用和周转期，所以分析不同形态有机碳的分配比例可以探查土壤中的有机碳稳定性及其运转的情况.ROC分配比例可以指示土壤有机碳的活性强度，该比值越大则土壤有机碳被分解矿化的潜力就越大[22].在本研究ROC分配比例中，杨树叶凋落物表施处理(T1)大于凋落物混施处理(T2)；在同时接种蚯蚓的情况下，凋落物表施处理(T4)也大于凋落物混施处理(T5)，这说明杨树叶凋落物表施比混施更能促进土壤有机碳的分解矿化.相比DOC，土壤DOC/TOC比值更能反映土壤碳的活性，比值越大，表明土壤碳活性越强，其土壤中碳的稳定性就越弱[23].本研究中，在仅接种蚯蚓(T3)与对照处理(CK)、凋落物表施+接种蚯蚓(T4)与凋落物表施(T1)、凋落物混施+接种蚯蚓(T5)与凋落物混施(T2)处理中，DOC的分配比例前者均要大于后者，这表明接种蚯蚓提高了土壤中的有机碳活性，也就使得其中的碳稳定性较差，影响了土壤碳的富集.

活性有机碳存在不同的来源，在受环境因素的影响后也会产生不一样的变化.而不同形态活性有机碳的分配比例仅能用来作为某一种活性有机碳所具有的活性的指标，它无法表明土壤中有机碳的总体活性差异如何.本研究中选用了较多的活性有机碳指标，它们的分配比例的变化情况也具有显著的差异.

5 结论

本研究表明，杨树叶凋落物混施处理比凋落物的表施处理更能有效地增加土壤有机碳的含量.蚯蚓则显著改变了土壤活性有机碳的含量水平，土壤中的蚯蚓有利于增加活性有机碳.将杨树叶凋落物施加到土壤中，不管是表施还是混施处理，都能增加土壤中的活性有机碳，同时在施加凋落物且接种蚯蚓后，土壤和杨树叶凋落物之间的接触变得更加紧密.

综合以上研究，建议在清理林地时，应尽量保留地表的凋落物残存，同时采取生物措施如保护和引种蚯蚓等土壤动物改良土壤，增加土壤肥力，以利于人工林的可持续发展.