养殖蚯蚓对黄泛沙质平原杨树人工林土壤及生长的影响

赵 杰，樊莉丽，吴明作，樊 巍

（1.河南农业大学 林学院，河南 郑州 450002；2.河南省林业科学研究院，河南 郑州 450008）

黄泛平原是由黄河泛滥形成的，该地区主要的环境问题是风沙危害和水土流失[1]。近些年来，该地区开展了以防治风沙为目的的人工防护林、速生丰产林及农林复合经营等林业生态建设工程[2-5]。杨树尤其是欧美杨107 杨Populus×euramericanacv.74/76（以下简称107 杨）和欧美杨中林46 杨Populus×euramericanacv.‘Zhonglin 46’由于适应性强、生长快、轮伐周期短等特点，成为其营林主要树种[6-7]。近些年，随着养殖业的兴起，堆积的粪污等畜禽废弃物成为地下水环境污染的一大隐患[8]，且随着蚯蚓Eisenia被作为原材料广泛用于生产有机肥料、促生长剂、药品等，掀起了以畜禽粪便为饲料的蚯蚓养殖热潮，使畜禽养殖废物实现资源化的利用。韩桂鸥等[9]研究了在林下养殖蚯蚓可提高土壤有效养分含量、降低碱性土壤pH 值，有利于白蜡和国槐的生长。Xiang 等[10-11]研究了在木瓜果园养殖蚯蚓可提高土壤有机质、全氮和全磷含量，提高酸性土壤的pH 值，有利于木瓜苗木生长。目前，有关蚯蚓消解牛粪过程中对黄泛沙质平原土壤改良的研究还很少，因此探索在杨树人工林地养殖蚯蚓对表层土壤肥力及杨树生长的影响意义重大，同时也可为畜禽养殖粪污的资源化生态处理提供参考。

本研究以商丘市民权林场未养殖蚯蚓的两处杨树人工纯林及林地养殖蚯蚓1 a 和5 a 的两处杨树人工纯林为研究对象，通过测定土壤容重、pH值、含水率，土壤中有机质、全氮、全磷、全钾、有效磷、速效钾含量，杨树生长因子平均胸径、树高和树冠投影面积，计算土壤肥力综合评价指标，分析各土壤质量因子及土壤肥力综合评价指标与杨树生长因子的相关性，探索以改善黄泛沙质平原土壤肥力为目的的杨树高效栽培技术，明确林地养殖蚯蚓对土壤及杨树生长的影响。

1 研究区概况

研究区位于河南省商丘市民权国营林场，该林场位于豫东平原黄河故道腹地民权县境内，地理坐标为114°06′12″～115°28′05″E，34°18′36″～34°31′12″N，海拔60.90 m[3]，林场地形平坦，土壤主要由冲积物“填平补齐”的堆积作用所形成，土层深厚，土壤为黄河冲击而形成的潮土类细沙土，质地以沙质、沙壤质、壤质为主，pH 值为7.5～9.0，土壤中的碳酸钙及可溶盐含量偏高，呈中性至碱性，地下水位为1.5～4.0 m[5]。该地区属于暖温带大陆性季风气候区，平均气温14.0℃，绝对最低气温-16.0℃，大于10℃积温4 700℃，无霜期213 d，年均降水量679 mm[4]。

2 研究方法

2.1 样地设置

在2017年8月中旬选定杨树林地蚯蚓养殖年限为1、5 a 的样地及其对照区，各样地设在研究区中央地带约667 m2范围，以消除边际效应，样地内所栽植杨树均为南北行向。所养殖的蚯蚓为赤子爱胜蚓Eisenia foetida，生态类群为表栖类；饲料为腐熟的牛粪拌入适量的森林土壤。各样地基本概况见表1。

表1 研究样地基本概况†Table 1 Basic characteristics of the four sampling plots

2.2 研究方法

2.2.1 土壤各项指标的测定

李盼盼[12]研究报道称对杨树生长作用较大的细根均集中在0～20 cm 的土层，且随土层深度的增加逐渐减少。蚯蚓养殖为地上式蚓床，本次研究取0～20 cm 土样进行监测，各样地采用“Z”形10 点取样法取土样。监测指标包括土壤容重、土壤含水量、pH 值、有机质、全氮、全磷、全钾、有效磷、速效钾。土壤容重和含水率分别采用环刀法、烘干法测定[13]。土壤pH 值参照NY/T 1121.2—2006《土壤检测土壤pH 的测定》。土壤有机质含量参照NY/T 1121.6—2006《土壤检测土壤有机质的测定》。土壤全氮含量参照NY/T 53—1987《土壤全氮测定法（半微量开氏法）》。土壤全磷含量参照NY/T 88—1988《土壤全磷测定法》。土壤全钾含量参照NY/T 87—1988《土壤全钾测定法》。土壤有效磷含量参照LY/T 1232—2015《森林土壤磷的测定》。土壤速效钾含量参照LY/T 1234—2015《森林土壤钾的测定》。

2.2.2 杨树生长指标的测定

在样地内进行每木检尺，用围尺、测高仪、卷尺分别测量样地内每棵杨树的胸径、树高、南北和东西冠幅，并通过式（1）计算树冠投影面积[14]。

式（1）中：S为树冠投影面积（m2）；a、b分别为南北和东西树冠长的一半（m）。

2.2.3 土壤肥力综合评价

由于土壤肥力的形成机制复杂，不同学者对土壤肥力的内涵和外延的理解不同，评价指标也不尽相同[15-17]。考虑到林地养殖蚯蚓的实际情况，本研究选用土壤容重、有机质、全氮、全磷、全钾、有效磷、速效钾作为指示土壤肥力的因子。

由于土壤肥力因子变化的连续性，故各评价指标采用连续性质的隶属度函数，并从主成分因子负荷量值的正负性，确定隶属度函数分布的升降性。考虑到土壤容重增大土壤结构变差，故采用降型分布函数，其他土壤肥力因子均采用升型分布函数，升型分布函数和降型分布函数的计算公式如下：

式（2）～（3）中：F(xi)表示各土壤肥力因子的隶属度值；xi为第i项土壤肥力因子值；ximax和ximin分别为第i项土壤肥力因子的最大值和最小值。

由于土壤肥力各因子的状况与重要性不同，所以常用权重系数来表示各个因子的重要性程度。本研究利用SPSS 23.0 统计软件计算各因子主成分的贡献率和累计贡献率，利用特征值和主成分分析因子负荷量计算各因子作用的大小，确定它们的权重，计算公式如下：

不同样地的土壤肥力综合指标(FI)的计算参考刘世梁等[18]的土壤质量综合指标公式，对各个土壤肥力指标值采用乘法进行合成，各样地土壤肥力综合指标值的计算公式如下：

式（5）中：Wi表示各肥力因子的权重向量；F(xi)表示各土壤肥力因子的隶属度值。FI 值越大，土壤肥力越高；相反，土壤肥力越低。

2.2.4 数据处理与分析

本研究采用Excel 2016 软件进行数据计算，通过SPSS 23.0 软件对土壤质量因子和杨树的生长因子进行单因素方差分析，利用LSD 多重比较法进行检验（P=0.05）。研究结果以“平均值±标准差”的形式表示，不同小写字母表示同一土壤质量因子或杨树生长因子在不同样地的差异达到显著水平（P＜0.05）。

3 结果与分析

3.1 土壤理化性状的比较

对不同样地土壤理化性状的分析结果（表2）表明，养殖蚯蚓1 a 的样地土壤容重、pH 值、有机质含量较对照区差异均不显著，但土壤含水率较对照区提高63.15%，显著高于对照区（P＜0.05）；养殖蚯蚓5 a 的样地土壤容重、pH 值分别较对照区低9.64%、1.58%，含水率、有机质含量分别较对照区提高85.18%、197.48%，均显著高于对照区（P＜0.05）。

3.2 土壤养分含量的比较

对不同样地土壤养分含量的分析结果（表3）表明，养殖蚯蚓1 a 的样地土壤全氮、全钾、有效磷、速效钾较对照区均无显著差异，土壤全磷较对照区低12.31%，差异均显著（P＜0.05）；养殖蚯蚓5 a 的样地土壤全钾较对照区无明显差异，土壤全氮、全磷、有效磷、速效钾分别较对照区提高187.88%、36.54%、1 257.06%、232.62%，差异均显著（P＜0.05）。

表2 不同样地土壤理化性状的比较（均值±标准差）†Table 2 Comparison of soil physical and chemical properties in different plots（Mean ± SD）

表3 不同样地土壤养分含量的比较（均值±标准差）Table 3 Comparison of soil nutrient content in different plots（Mean ± SD）

3.3 土壤肥力综合评价指标

选用7 个土壤指标作为指示土壤肥力的指示因子（表4）。一些土壤特性如pH 值在指示土壤肥力中有不确定性，所以没有列入公式。土壤含水率过高或过低都会对植被造成不利的影响，对土壤质量的影响同样具有不确定性，因此未作为土壤肥力因子。

表4 土壤肥力因子的隶属度值Table 4 Membership function value of soil fertility factors

为定量化研究林地养殖蚯蚓对土壤肥力的影响，采用主成分分析法对土壤肥力进行综合评价。土壤综合肥力指标反映了不同样地的土壤肥力的相对值。根据式（2）～（3）计算土壤肥力因子的隶属度值（表4）。

土壤肥力因子主成分分析结果见表5。从因子主成分的贡献率来看，前两个主成分的贡献率（92.68%＞80%）基本可以代表原变量的信息，所以采用第一和第二主成分的值计算权重系数，通过公式（5）求出土壤肥力综合指标FI。

图1显示不同样地的FI 值，养殖蚯蚓1 a 的样地（D1）及其对照区（CK1）、养殖蚯蚓5 a的样地（D5）及其对照区（CK5）的土壤肥力综合指标分别为0.538、0.462、1 和0。养殖蚯蚓1 a 的样地（D1）土壤肥力因子较对照区（CK1）高16.45%；养殖蚯蚓5 a 的样地（D5）土壤肥力因子则明显高于对照区（CK5）。

表5 土壤肥力因子主成分分析Table 5 Analysis of principal components of soil fertility factor

图1 不同样地的FI 值Fig.1 The FI value of soil in different plots

3.4 杨树不同样地生长因子的差异

图2显示不同样地杨树平均胸径和树高的差异，养殖蚯蚓1 a 的样地杨树平均树高较对照区无显著差异，胸径较对照区提高14.81%，显著高于对照区（P＜0.05）。养殖蚯蚓5 a 的样地杨树平均胸径、树高分别较对照区提高17.14%、19.93%，差异均显著（P＜0.05）。

图2 不同样地杨树平均胸径和树高的差异Fig.2 The average DBH and height of poplars in different plots

图3显示不同样地杨树树冠投影面积在坐标中的分布，养殖蚯蚓1 a 和5 a 的样地平均树冠投影面积分别较对照区显著提高31.28%、32.94%（P＜0.05）。

3.5 杨树生长因子与土壤肥力因子相关性分析

图3 不同样地杨树树冠投影面积Fig.3 The tree crown projection area of poplars in different plots

采用SPSS 23.0 软件分析土壤肥力因子与杨树生长因子间的相关性。由表6可知，土壤容重、土壤有机质和速效钾含量与杨树胸径之间均存在极显著正相关（P＜0.01）；土壤容重、有效磷和速效钾含量与杨树树高间均存在显著正相关（P＜0.05），其中土壤容重为极显著相关（P＜0.01）；土壤容重、土壤有机质、全氮、全磷、有效磷、速效钾含量与杨树树冠投影面积之间存在显著正相关（P＜0.05），其中土壤容重同样为极显著相关（P＜0.01）。由于长期（5 a）的蚯蚓养殖均可显著提高对杨树生长有利的土壤肥力因子，可认为长期（5 a）的林地蚯蚓养殖活动对杨树生长有利。

表6 生长因子与土壤肥力因子相关性分析†Table 6 Correlation analysis of growth factors with soil fertility factors

4 讨 论

4.1 林地养殖蚯蚓对土壤理化性状的影响

养殖蚯蚓所用的饲料为腐熟后的牛粪，有机质含量丰富，蚯蚓活动可将矿质土与有机质混合，形成富含有机质的土壤微团，显著改善土壤物理结构，为有机质提供物理保护，减缓土壤有机质分解[19]。随着蚯蚓养殖年限的增加，土壤容重降低，孔隙度提高，土壤涵养水分的能力越强[19-20]。蚯蚓活动在影响生态系统物质循环和能量流动过程中也会影响土壤调节因子，如pH 值等，但其对土壤酸碱度的影响不统一[21]，多个研究表明蚯蚓粪有较大的酸碱缓冲容量，使土壤的pH 值趋于中性[19-22]。本研究中，长期（5 a）的蚯蚓养殖会使碱性土壤容重和pH 值显著降低，有机质含量显著升高，短期（1 a）蚯蚓养殖差异则不显著；短期（1 a）和长期（5 a）蚯蚓养殖的土壤含水率均显著高于对照。

4.2 林地养殖蚯蚓对土壤养分含量的影响

养殖蚯蚓的过程会将大量有机质带入土壤，有机质分解产生的有机酸可通过酸化作用促进矿物的风化和养分的释放，且短期内密集的蚯蚓种群在提高养分矿化的同时，会造成土壤中养分的淋失[19]；从长远来看，蚯蚓活动产生的大量微团聚体对有机质的保护，对养分特别是氮素在土壤中的长期库存有利[19,23]。短期内增加土壤有效养分含量造成的土壤养分淋失、污染地下水等的环境风险在施用化学肥料中也有体现[23-24]；土壤改良不仅要考虑林木生长的直接养分需求，还需考虑土壤长期的养分平衡。本研究中，短期（1 a）蚯蚓养殖土壤中的全磷含量显著低于对照，有效磷、速效钾均高于对照，但不显著；长期（5 a）蚯蚓养殖土壤中全氮、全磷、有效磷、速效钾均显著高于对照。

4.3 土壤肥力的变化对杨树生长的影响

林木胸径、树高等因子的生长量能直观反映土壤的肥力[25]。钾是植物组织中最丰富的无机阳离子，是植物生长必需的常量元素，钾缺乏会影响植物的性能，如离子吸收和碳水化合物的运输等[26]；有研究表明，高钾施肥不仅能降低干旱胁迫对植物的影响，还能改善植物的霜冻损害，降低病虫害的发生率[27]，对植物的生长有利。长期的林地蚯蚓养殖显著提高速效钾含量，与杨树各生长因子均呈显著正相关，这与高钾施肥的效果一致。孙立涛[28]研究表明，过量施肥造成的土壤养分过剩会对杨树的生长产生抑制作用，短期（1 a）和长期（5 a）的林地蚯蚓养殖过程均未对杨树的生长造成明显的不利影响，未来还需持续关注蚯蚓养殖对杨树生长的影响，以便更好进行管理。

5 结 论

长期（5 a）的蚯蚓养殖会显著增加土壤有机质、全氮、全磷、有效磷、速效钾含量，短期（1 a）的蚯蚓养殖无显著效果，且短期内速效养分的增加，还可能造成土壤中磷的流失；土壤肥力综合评价指标的计算结果表明，长期（5 a）较短期（1 a）的蚯蚓养殖更能显著提高土壤肥力；长期（5 a）的蚯蚓养殖均可显著提高对杨树生长因子有显著正相关的土壤肥力因子，可认为长期（5 a）蚯蚓养殖对杨树的生长有利。