不同生态类型蚯蚓对土壤团聚体有机碳质量分数的影响1)

张雪莲 王国兵 徐晓

(南京林业大学，南京，210037)

由于土壤微生物对土壤腐殖化和碳氮分解具有重要作用，使得我们经常忽略土壤动物在土壤有机质转化方面的作用[1]。蚯蚓作为陆地生态系统中典型的大型土壤动物[2]，被称作“生态系统工程师”[3]。其通过在土壤中穿梭、掘穴、取食、分解有机物质、分泌粘液、排泄蚓粪等活动改善土壤结构，并在此过程中实现对有机质再分配，蚯蚓的这些活动对土壤碳的固存产生极大影响[1，4-5]。

蚯蚓属于环节动物门(Annelida)寡毛纲(Oligochaeta)的陆栖无脊椎动物[6]，根据其功能和习性主要划分成三种生态类型：表栖型(Epigeic)、内栖型(Endogeic)和深栖型(Anecic)[7]。表栖型蚯蚓只在土壤浅层活动，以地表新鲜的植物残渣或微生物为食；内栖型蚯蚓是食土类动物，栖息在土壤的上层永久性的垂直洞穴中，也以新鲜的地表植物残渣为食，但通常会将食物并入深的垂直洞穴中；深栖型蚯蚓，体型较大，它们生活在土层，取食在凋落物层。不同蚯蚓之间由于种间和种内的相互作用[8]，会对土壤结构产生不同影响，崔莹莹等[9]研究表明不同生态类型蚯蚓对土壤团聚体的分布和稳定性的影响不同。不同生态型蚯蚓会对土壤团聚体粒级分布产生影响，而且不同种类蚯蚓取食土壤后通常会产生具有不同的化学和物理性质的蚓粪[10]，这对土壤团聚体中有机碳质量分数也会产生不同的影响。Wu et al.[11]研究表明不同生态型蚯蚓会对不同存在形式的碳产生影响，进而影响土壤碳固存。但是事实上，有机质、氮元素的质量分数等主要取决于相应的土壤特性[10]，所以不同土壤条件下，蚯蚓对其的影响也大不相同，过去许多研究只关注于某一种蚯蚓对一种土壤结构的影响，对于不同种类蚯蚓以及多种类蚯蚓共同作用下的多种土壤类型土壤团聚体C质量分数影响的差异研究过少。

本研究采用室内控制培养试验，探讨不同生态类型蚯蚓对不同利用类型土壤团聚体C质量分数的影响，以期为土壤肥力保持和改良农业生态系统中林地以及农田土壤提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验设计为室内培养试验，采用2×2即蚯蚓2水平、接种2种蚯蚓即深栖型的威廉环毛蚓(Pheretimaguillemi)与表栖型的赤子爱胜蚓(Eiseniafoetida)；试验的2种土壤，分别为取自林龄为50 a的人工起源次生林(早期树木园)的0～60 cm的森林土(pH为6.73，土壤密度1.41 g·cm-3，有机碳质量分数18.7 g·kg-1，全氮质量分数1.80 g·kg-1)和取自蔬菜地0～60 cm的农田土(pH为5.96，土壤密度1.34 g·cm-3，有机碳质量分数25.4 g·kg-1，全氮质量分数1.93 g·kg-1)。试验共设置5个不同处理，即土壤对照处理(CK)；土壤+凋落物(T1)；土壤+接种赤子爱胜蚓+凋落物(T2)；土壤+接种威廉环毛蚓+凋落物(T3)；土壤+接种赤子爱胜蚓+接种威廉环毛蚓+凋落物(T4)。凋落物为烘干并粉碎的杨树叶。每个试验处理设置4个重复，随机排列。

称取580 g新鲜土壤(约含干土500 g)与10 g杨树叶(60 ℃下干燥2 d，切碎至直径小于1 mm)，混合均匀后放入1 L玻璃瓶中，于培养室内25 ℃平衡1周后接种蚯蚓。接种蚯蚓选择大小较为一致的成年个体，接种前饥饿处理2 d。T2处理接种赤子爱胜蚓10条(约0.5 g/条)，T3处理接种威廉环毛蚓2条(2～3 g/条)，T4处理接种5条赤子爱胜蚓和1条威廉环毛蚓。接种初期注意观察蚯蚓的入土情况，将活性差的个体及时替换掉，并观察蚯蚓活动情况以及是否存在逃逸现象。用聚乙烯白色网布(孔径1.5 mm)围住瓶口，用橡皮筋固定网布防止逃逸，每2天加入无菌蒸馏水保持土壤含水量，在室温黑暗环境下培养180 d。培养结束后分离蚯蚓与土壤，土壤风干破碎，过5 mm筛。

1.2 土样样品制备

采用干筛法分离机械稳定性团聚体，将土样筛分为粒径(d)范围为d>2.000 mm、0.250 mm

在Six湿筛法[12]基础上稍加改动进行试验，将湿筛后的土壤团聚体分成粗大团聚体(d>2.000 mm)、细大团聚体(0.250 mm

1.3 数据处理

试验数据用Excel整理计算，使用SPSS 20.0软件进行统计分析。运用单因素方差分析(One-way ANOVA)检验各处理对土壤团聚体、有机碳质量分数的影响，采用Duncan法和最小显著法(LSD)比较不同处理间的差异显著性(显著性水平为0.05)。数据整理、分析前，对所有的计算结果进行正态检验和方差齐性检验，保证数据统计分析的合理性。

2 结果与分析

2.1 接种不同生态类型蚯蚓对土壤水稳性团聚体分布的影响

不同处理下森林土壤各粒级水稳性团聚体的质量分数如表1所示。相比于CK，另外4个处理均使粗大团聚体的质量分数增加，T2处理最高，但各处理之间差异并不显著；相比于T1，T3和T4处理下粗大团聚体质量分数降低，T2处理下增加，但各处理之间差异不显著。接种蚯蚓降低了细大团聚体的质量分数，但是T1和T2、T3、T4之间差异不显著，4个处理和CK之间差异显著(P<0.05)。T2、T3处理时微团聚体质量分数增加，T4处理下降，但各处理之间差异不显著。接种蚯蚓使粉-黏团聚体的质量分数略微增加，但差异不显著。不同的蚯蚓处理之间对森林土壤水稳性团聚体的分布影响差异并不显著。

表1 不同处理时森林土各粒级水稳性团聚体质量分数

表2为不同处理下农田土壤各粒级水稳性团聚体的质量分数。相比于CK，除T3处理，T1、T2和T4处理均增加了粗大团聚体质量分数，但各处理之间差异不显著；相比于T1，接种蚯蚓均降低粗大团聚体质量分数，各处理之间差异不显著。接种蚯蚓可以显著降低农田土壤细大团聚体的质量分数(P<0.05)，T3处理降低的最多。土壤微团聚体的质量分数由于接种蚯蚓而增加，T3处理显著高于T2和T4处理(P<0.05)。粉-黏团聚体的质量分数在T3处理时增加，T2、T4处理时降低，T4处理降低效果显著(P<0.05)。

表2 不同处理时农田土各粒级水稳性团聚体质量分数

2.2 接种不同生态类型蚯蚓对土壤有机碳(SOC)质量分数的影响

表3反映了接种不同生态类型蚯蚓对2种土壤有机碳质量分数的影响。分析发现，至培养结束，各处理均降低了SOC的质量分数，且接种蚯蚓对2种土壤SOC质量分数的降低作用均达到显著水平(P<0.05)。2种蚯蚓共同作用下对森林土壤SOC的降低作用显著高于单独接种1种蚯蚓(P<0.05)；农田土壤条件下，接种威廉环毛蚓和2种蚯蚓混接对SOC质量分数的降低作用显著高于单独接种赤子爱胜蚓(P<0.05)。

表3 接种不同生态类型蚯蚓的2种土壤有机碳质量分数

接种蚯蚓对2种土壤各粒级团聚体有机碳质量分数的影响如表4、表5所示，每种处理时，各级团聚体有机碳质量分数由高到低依次为细大团聚体、粗大团聚体、微团聚体、粉-黏团聚体。

分析不同处理时森林土壤各团聚体有机碳质量分数(如表4所示)发现，接种蚯蚓可显著降低粗大团聚体和细大团聚体中有机碳的质量分数，降低效果由高到低分别为T4、T3、T2；不同的接种蚯蚓处理之间对各粒级团聚体有机碳质量分数影响差异显著，其中2种蚯蚓混接对各级团聚体有机碳降低作用最为显著(P<0.05)。

表4 不同处理时森林土各级土壤团聚体有机碳质量分数

接种蚯蚓对农田土壤各级团聚体有机碳质量分数的影响规律与森林土壤基本一致(如表5所示)，接种蚯蚓的处理均显著降低农田土壤各粒级团聚体有机碳质量分数；除粉-黏团聚体外，接种赤子爱胜蚓对各粒级土壤团聚体有机碳的降低作用显著低于接种威廉环毛蚓和2种蚯蚓混接(P<0.05)。

表5 不同处理时农田土各级土壤团聚体有机碳质量分数

3 结论与讨论

蚯蚓通过掘穴活动直接影响土壤的团聚结构，或通过对土壤微生物取食(主要是真菌)[13]以及排泄出的蚓粪提高土壤有机质质量分数，从而间接影响土壤团聚体[14],对土壤结构的形成和稳定具有重要作用。本试验研究发现，T2、T3处理时，森林土壤微团聚体质量分数增加，T4处理时降低，不同生态型蚯蚓之间差异不显著；农田土壤在蚯蚓的作用下，微团聚体质量分数均增加，这与Leon et al.[15]的研究结果并不一致，他认为不同生态型蚯蚓对土壤团聚体结构影响存在显著差异，相比于表栖型，深栖型蚯蚓能增加土壤粗大团聚体质量分数，而对于微团聚体质量分数起到显著降低作用。但也有研究表明，土壤被蚯蚓取食后并没有增加粗大团聚体的质量分数，甚至是降低粗大团聚体质量分数[16]，本试验的研究结果与此存在一致性，本试验研究结果表明，接种蚯蚓降低了农田土壤的粗大团聚体质量分数，但对于森林土壤，接种赤子爱胜蚓后粗大团聚体质量分数增加。此外，王笑等通过室内微缩试验，对接种了3种不同生态型蚯蚓的土壤进行湿筛，分离出不同粒径水稳性团聚体，得出了蚯蚓降低土壤细大团聚体质量分数的结论，本试验研究结果与此一致，本试验结果表明蚯蚓降低森林土壤细大团聚体质量分数，显著降低农田土壤细大团聚体质量分数，不同生态型蚯蚓之间差异不显著。至于赤子爱胜蚓对土壤团聚体分布和水稳性团聚体影响不大的主要原因是由于赤子爱胜蚓体型较威廉环毛蚓小，对土壤团聚体影响小，作用时间短，效果不明显。

蚯蚓是决定土壤是碳源或碳汇的主要参与者[1]，蚯蚓在土壤中来回穿梭，通过取食、排泄与掘穴活动，强烈影响土壤有机质质量分数和土壤肥力[17]。国内外对于蚯蚓对土壤有机碳影响的研究已有不少，但是结果仍有很大争议。Coq et al.[18]通过5个月的田间试验研究表明，蚯蚓活动对碳矿化有净积极影响。Guo et al.[19]的研究发现，无论是在免耕还是常规耕作的土壤下，添加蚯蚓和凋落物对SOC的影响60 d内显著增加，但是180 d内显著降低。本试验结果表明，接种蚯蚓并培养180 d后，森林土和农田土两种土壤的有机碳质量分数显著降低。不同粒径土壤团聚体中碳质量分数是土壤矿化速率与有机质平衡的微观表现，其微小变化可以反映土壤总有机碳变化趋势。本试验结果显示，2种土壤在不同处理时，各粒级团聚体有机碳质量分数由高到低均为土壤细大团聚体、粗大团聚体、微团聚体、粉-黏团聚体，这与Mikha et al.[20]的研究结果一致，但与Wu et al.[21]研究结果相反。本试验结果显示，接种蚯蚓降低土壤各粒级团聚体有机碳质量分数，对森林土壤各粒级团聚体有机碳质量分数的影响表现为显著降低粗大团聚体和细大团聚体有机碳质量分数，2种生态型共同作用对各粒级有机碳质量分数降低效果更为显著；农田土壤中蚯蚓均显著降低4个粒级土壤团聚体中土壤有机碳质量分数，且2种生态型蚯蚓差异显著，威廉环毛蚓与2种生态型蚯蚓共同作用之间差异不显著。

综上，不同生态类型蚯蚓对土壤团聚体有机碳质量分数影响不同，威廉环毛蚓以及威廉环毛蚓与赤子爱胜蚓共同作用下对土壤有机碳质量分数的影响较为显著。另外不同生态型蚯蚓对土壤水稳性团聚体的粒径分布结构产生影响，并且影响土壤各粒级团聚体有机碳质量分数。蚯蚓主要通过影响土壤细大团聚体和粗大团聚体有机碳质量分数来影响全土有机碳质量分数。然而蚯蚓对于有机碳在各粒级团聚体中的转化机制的影响尚不清楚，仍待进一步验证。