凋落物与蚯蚓对杨树人工林土壤团聚体分布及其碳氮含量的影响

王 瑞，王国兵，徐 瑾，徐 晓

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

土壤团聚体是土壤结构最基本的单元，由土壤中胶结物质的作用下形成，是土壤的重要组成部分[1]。Tisdall等[2]研究发现大团聚体的水稳定性很大程度上取决于根系和菌丝，而无机胶体或者多糖在阳离子桥的作用下胶结形成小团聚体。对团聚体以粒径大小进行区组分离分析是土壤团聚体研究的常用方法[3]，赵长巍[4]研究发现，接种蚯蚓显著增加了土壤中水稳性团聚体含量，改善了土壤的理化性状，保持了土壤肥力；Brown等[5]研究发现蚯蚓通过对凋落物的取食，使其有利于与土壤混合，促进了凋落物的分解；于建光[6]研究发现蚯蚓活动加快了土壤有机碳的更新，使红壤微团聚体分散性降低，且水稳性大团聚体的比例增加，更多的土壤有机碳分布于大团聚体中。笔者采用野外定位实验，研究了杨树凋落叶和蚯蚓对林地土壤团聚体的分布及有机碳和全氮含量的影响，以期为改善杨树人工林土壤质量提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验地位于江苏省盐城市东台林场(120°07′～120°53′E，32°33′～32°57′N)，属于季风性气候，年均气温14.8 ℃，年均降雨量1 055 mm。土壤类型为沙质壤土，pH为8.05，容重1.18 g/cm3，土壤含水率为25.65%。选择其中的中龄林为试验林分，采用随机区组设计进行野外样地布置。野外样地在2017年11月布置完毕，并于12个月后，开始系统采集各样地0～20 cm土层的土样，新鲜土样保存在实验室内的4 ℃冰箱中，其余土样进行自然风干处理。采用蚯蚓为华东地区比较常见的威廉腔环蚓(Metaphireguillelmi)，分类上该蚯蚓属于(Anecic)，是介于表栖类(epigeic)和内栖类(endogeic)之间的蚓种[7]，在生态对策上该蚓种则介于r对策与k对策之间[8]。

1.2 试验设计及指标测定

1.2.1 试验设计

设计6种不同处理：对照(编号CK)、杨树凋落叶表施(编号T1)、杨树凋落叶混施(编号T2)、接种蚯蚓(编号T3)、杨树凋落叶表施+接种蚯蚓(编号T4)、杨树凋落叶混施+接种蚯蚓(编号T5)。每种处理设4个重复样地，每块样地设置为1 m×1 m的小样方，在其四周使用宽为20 cm的PVC扣板对蚯蚓进行隔离，隔离深度50 cm，并在地表留出15 cm的高度，以防止样地内的蚯蚓逃逸。PVC板拼接时留有较小的缝隙，以确保小样方内外的水分保持一致。PVC隔板设置好后，在各实验小方内使用蚯蚓电击诱捕仪(神龙八号，自制)对其内的蚯蚓进行去除。在各处理设置中，先将杨树凋落叶进行烘干粉碎，称取1 kg的凋落叶基质均匀覆盖在样地的地表，即表施处理；与样地内的土壤混合均匀的，为混施处理；在处理为接种蚯蚓的样地内接种蚯蚓50～60 g。样地布置完毕后再在每个样地覆盖一层化纤织物，保持样地的湿润且可让表施处理的凋落叶固着在样地内，之后需要定期对样地内的蚯蚓存活状况进行观察及补充。

1.2.2 土壤团聚体分离

依据Six等[9]对土壤团聚体物理分组的流程进行改进，利用湿筛法将土壤团聚体分成粉-黏团聚体(<0.053 mm)、微团聚体(≥0.053 mm～0.250 mm)、细大团聚体(≥0.250 mm～2.000 mm)和粗大团聚体(>2.000 mm)等4类粒径的团聚体[10-11]。

1.2.3 土壤有机碳和全氮含量的测定

土壤原土以及不同粒径团聚体在烘干后磨细。由于土壤样品为碱性土壤，故从每种粒径中取适量的土样，加入适量浓度为1 mol/L的HCl溶液以去除无机碳[10]，然后在50 ℃温度下进行烘干，再将其磨碎取样，利用元素分析仪(Elementar Vario EL,德国)测定其有机碳和全氮的含量。

1.2.4 团聚体稳定性测定

采用平均质量直径(MWD，公式中表示为MMWD)[11-13]描述团聚体的稳定性：

式中：ri为第i个筛子的孔径，mm；r0=r1，rn=rn+1，n为筛子的数量；mi为第i个筛子土壤团聚体质量百分比。在土壤团聚体中，MMWD值越低表示团聚体稳定性越小。

1.3 数据统计

利用Excel进行数据整理，使用SigmaPlot 14.0软件进行绘图。利用SPSS 25.0软件进行不同处理间的方差分析，采用LSD检验对平均值进行多重比较，显著性水平设置为α=0.05。

2 结果与分析

2.1 凋落物和蚯蚓对杨树林地不同粒径土壤团聚体的分布及其稳定性的影响

分现发现(图1)，不同的处理对杨树人工林土壤团聚体的分布有着重要的影响。除了对照(CK)外，其余处理粒径>2.000 mm的大团聚体在土壤中所占比例最高，达37.43%～49.18%；各个处理中，粒径≥0.053～0.250 mm的微团聚体在土壤中所占比例最低，为5.39%～9.43%。

CK.对照control check；T1.凋落叶表施litter of poplar leaves mulched on soil surface；T2.凋落叶混施litter of poplar leaves incorporated with soil；T3.接种蚯蚓soil with earthworm only；T4.凋落叶表施+接种蚯蚓mulched litter of poplar leaves and with earthworm；T5.凋落叶混施+接种蚯蚓incorporated litter of poplar leaves and with earthworm. 不同大写字母表示同一粒径不同处理之间差异显著(P<0.05)，不同小写字母表示同一处理不同粒径之间差异显著(P <0.05)。下同。Different capital letters indicate that there are significant differences among different treatments of the same particle size(P <0.05)，different lowercase letters indicate that there are significant differences among different particle sizes in the same treatment (P < 0.05). The same below.图1 凋落物和蚯蚓对杨树林地不同粒径土壤团聚体 分布的影响Fig.1 Effects of litterfalls and earthworms on distribution of soil aggregates with different particle size in poplar plantations

经测定，各处理T1、T2、T3、T4、T5的团聚体MWD值分别为：1.26、1.09、1.28、1.22、1.29 mm，而对照(CK)的为1.01 mm。可以看出，与CK相比，其余各处理的MWD的值均有所增大，增幅为7.92%～27.72%，表明对杨树人工林土壤施加处理措施后均使得土壤中的团聚体稳定性得到提高。

2.2 凋落物和蚯蚓对杨树林地不同粒径土壤团聚体有机碳和全氮含量的影响

2.2.1 不同粒径团聚体中有机碳的分布

土壤中不同粒径团聚体所含的有机碳含量可以作为土壤有机质平衡与矿化速率的微观表征[14]。经测定发现(图2)，不同处理间土壤团聚体中的有机碳含量随团聚体粒径的不同而差异较大。随着团聚体粒径的增加，团聚体中的有机碳含量大致表现出递增的规律，但是增加的幅度有所不同。同时，粒径>2.000 mm和≥0.250～2.000 mm团聚体的有机碳含量明显高于其他粒径，而粒径≥0.250～2.000 mm的团聚体有机碳含量普遍要高于粒径>2.000 mm的团聚体，这与郭菊花等[15]和Mikha等[16]的研究结果相同。与CK处理相比，接种蚯蚓后，土壤中的较大团聚体有机碳含量有一定的降低，而较小团聚体(粒径≥0.053～0.250 mm和<0.053 mm)的有机碳含量则升高。

图2 凋落物和蚯蚓对杨树林地不同粒径土壤 团聚体中有机碳含量的影响Fig.2 Effects of litterfalls and earthworms on content of organic carbon in soil aggregates with different particle size in poplar plantations

2.2.2 不同粒径团聚体中全氮的分布

经测定发现(图3)，随团聚体粒径增加，全氮含量也不断增加。对比同一处理的不同粒径团聚体全氮含量，粒径≥0.250～2.000 mm的团聚体含量普遍要高于其他粒径，而粒径<0.053 mm的土壤团聚体全氮含量相对最低，不同粒径土壤团聚体全氮含量从大到小依次为≥0.250～2.000 mm、>2.000 mm、≥0.053～0.250 mm、<0.053 mm。与CK相比，接种蚯蚓(T3)与凋落叶混施+接种蚯蚓(T5)两种处理各粒径团聚体的全氮含量均升高；凋落叶表施且接种蚯蚓(T4)处理中除了粒径>2.000 mm的团聚体的全氮含量与CK处理相比明显偏低，其余各粒径团聚体的全氮含量均升高。

图3 凋落物和蚯蚓对杨树林地不同粒径土壤 团聚体中全氮含量的影响Fig.3 Effects of litterfalls and earthworms on content of total nitrogen in soil aggregates with different particle size in poplar plantations

2.3 不同粒径土壤团聚体与其有机碳、全氮含量的相关性分析

经分析发现(表1)，粒径>2.000 mm的团聚体中有机碳含量与相应粒径团聚体含量之间呈极显著正相关关系(P<0.01，F=92.542，df=5)，粒径≥0.053～0.250 mm和<0.053 mm的团聚体有机碳含量与该粒径团聚体含量之间呈负相关关系，这与武均等[17]的研究结果相一致，而不同的是在本研究中粒径≥0.250～2.000 mm的团聚体有机碳含量与该粒径团聚体含量之间则呈负相关关系。粒径>2.000 mm的团聚体中全氮含量与相应粒径团聚体含量之间呈正相关关系，粒径≥0.250～2.000 mm的团聚体全氮含量与该粒径团聚体含量之间呈显著正相关关系(P<0.05，F=57.456，df=5)，粒径≥0.053～0.250 mm和<0.053 mm的团聚体全氮含量与该粒径团聚体含量之间呈负相关关系。

表1 不同粒径土壤团聚体含量与有机碳、全氮含量的相关性

3 讨 论

本研究中，不同处理土壤团聚体百分含量与袁颖红等[18]的研究结果有一定差异，其在对红壤性水稻土微团聚体的研究中，粒径≥0.020～0.050 mm的微团聚体所占的比例最大，这可能是因为水田中土壤长期处在淹水和黏闭的条件下，耕作层中的土壤大多为微团聚体状态。与CK相比，其余各处理的平均质量直径(MWD)的值均有所增大，增幅为7.92%～27.72%，这表明对杨树人工林土壤施加处理措施后均使得土壤中的团聚体稳定性得到提高。Coppens等[13]的研究表明，MWD值的变化主要来自粒径≥0.053～0.250 mm的团聚体含量的减少，而不是粒径≥0.250～2.000 mm的团聚体部分；同时其研究认为与对照处理相比添加残渣的处理增大了土壤团聚体的MWD的值，即提高了土壤团聚体的稳定性；而与残渣混施处理相比，覆盖处理在0～5 cm的土壤层具有更大的MWD值。

随着团聚体粒径的增加，团聚体中的有机碳含量大致表现出递增的规律，但是增加的幅度有所不同，这一结论与Six等[19]的研究结果一致。袁颖红等[18]的研究表明：粒径<0.050 mm的各级微团聚体中，粒径越小，比表面积越大，其与有机碳的结合能力就越强，则该粒级团聚体的有机碳含量就越高；而粒径>0.050 mm的各级微团聚体有机碳含量随着粒径的增加而递增，导致这种结果的原因可能是土壤中含有的较大有机残体，才使得大团聚体中的有机碳含量增高[20-21]。郭菊花等[15]的研究也表明，N主要分配在粒径≥0.250～2.000 mm的大团聚体中，其次则是粒径>2.000 mm的大团聚体。对比不同处理的相应粒径团聚体的全氮含量，杨树凋落叶混施处理普遍要比表施处理更能增加团聚体中的全氮含量，有关城市区域凋落物对土壤的影响也有相似结果[22]；而接种蚯蚓的处理比不接种蚯蚓处理的全氮含量普遍要高得多，这说明了接种蚯蚓能在一定程度上增加土壤中不同粒径团聚体的全氮含量。

在王国兵等[23]研究基础上，此次研究表明，接种蚯蚓可以提高杨树人工林土壤团聚体中的全氮含量，同时杨树凋落叶混施比表施能更有效提高土壤团聚体中的全氮含量。接种蚯蚓加速了杨树人工林土壤有机质的腐殖化过程，使得土壤有机质的分解速率加快。另外不管是否接种蚯蚓，相比杨树凋落叶表施处理，混施处理也会加快土壤有机质的腐殖化速率，加快土壤有机质的分解。