蚯蚓对植烟黄壤长期种植施肥模式和土壤肥力变化的响应

陈 浩，肖庆亮，李治模，袁 玲，刘 京*

(1.西南大学 资源环境学院，重庆 400715；2.贵州省烟草公司 遵义市公司，贵州 遵义 563000)

作物种植和施肥影响耕层有机残体的种类和数量，间接地驱动土壤动物的变化。蚯蚓是土壤动物最具代表性的物种之一，捕食土壤中的中、小型动物和微生物，参与植物残体的分解，增加土壤空隙，改善土壤结构等，其密度和生物量常被视为土壤生态健康的标志，也是土壤肥力重要的生物学指标[1-2]。蚯蚓极为敏感，土壤污染、过量施肥、植物群落的变化等都会对其产生影响[3-5]。烤烟是中国西南地区主要的经济作物之一，尤其在云贵贫困地区，烤烟一直以来都是烟农的主要经济来源，但由于土地资源紧缺以及农民盲目追求经济效益等因素，造成当地烤烟连作现象普遍。烤烟长期连作使土壤自毒物质积累和养分失衡，产生连作障碍、生产力下降、土壤微生物群落多样性降低等[6]。大量研究表明，烤烟轮作有益于改善理化生物性质，是一种可持续发展的健康耕作方式[7-10]。此外，课题组长期定位试验发现，烤烟//玉米轮作有益于改善连作带来的不利影响，冬季种植黑麦草可提高土地生产力。目前，关于不同的种植施肥方式对植烟土壤动物影响的研究相对较少，研究不同种植施肥方式对典型、具有代表性的土壤动物——蚯蚓的影响，可以了解蚯蚓对这些技术措施的响应情况，认识土壤生态环境变化与土壤理化尤其是生物学性质之间的相互关系，评价不同植物对土壤生态的利弊及影响程度。

本研究依托贵州省遵义市烤烟长期定位试验，探究在长期不同的种植和施肥模式下，植烟土壤蚯蚓生长和繁殖的变化，揭示蚯蚓生长繁殖与土壤理化和生物学性质变化的关系，为植烟土壤的可持续利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于贵州省遵义市播州区原烟草中心科技园(东经106°56′，北纬27°32′)，海拔900 m，属亚热带季风性湿润气候，年平均气温14.9 ℃，年均降水量1035 mm。长期田间定位试验始建于2004年，土壤类型为灰岩黄壤，pH6.65，有机质21.45 g/kg，全氮0.78 g/kg，全磷0.61 g/kg，全钾18.35 g/kg，碱解氮69.96 mg/kg，有效磷18.72 mg/kg，速效钾286.4 mg/kg。

本研究选择了长期田间定位试验的5个处理：(1)自然裸地(CK)；(2)烤烟连作-单施化肥(C-CF)；(3)烤烟连作-有机肥化肥配施(C-CFM)；(4)烤烟//玉米轮作-单施化肥(R-CF)；(5)烤烟//玉米轮作-有机肥化肥配施(R-CFM)。各处理重复3次，随机排列。奇数年夏季轮作和连作均种植烤烟，偶数年轮作种植玉米，冬季种植黑麦草(始于2016年冬)，来年3月翻压做烤烟或玉米的底肥。

在本项目研究期间，烤烟品种为K326，株行距1.1 m×0.6 m。各施肥处理的施肥量相同，分别是N 101.25 kg/hm2、P2O567.5 kg/hm2、K2O 255 kg/hm2，氮素的基追比2∶1。在单施化肥的处理中，基肥施用烤烟专用基肥(9-9-25)，在烤烟移栽后第10天和第35天左右施用烤烟专用追肥(15-0-30)；在化肥有机肥配施的处理中，基肥的有机氮∶无机氮=1∶1，分别由烤烟专用基肥(9-9-25)和商品有机肥(遵义市桐梓县大兴有机肥厂生产，下同)提供，追肥与单施化肥处理相同。

玉米品种为‘筑黄3号’，株行距0.5 m×0.4 m，玉米施肥量为N 180 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2，所有的磷肥、钾肥和有机肥均做基肥，氮素的基追比2∶1。在单施化肥处理中，基肥分别由尿素、过磷酸钙和硫酸钾提供，追肥在玉米拔节期和大喇叭口期追施尿素；在化肥有机肥配施处理中，基肥的有机氮∶无机氮=1∶1，分别由尿素、过磷酸钙和硫酸钾和商品有机肥提供，追肥与单施化肥处理相同。

黑麦草品种为‘冬牧70’，不施肥。烤烟、玉米和黑麦草的田间管理均与当地高产优质技术规范相同。

1.2 样品的采集和土壤理化生物指标测定

为了扩大不同年际蚯蚓取样的代表性，分别在2018年9月烤烟或玉米收获后(连作为烤烟，轮作为玉米)，2019年3月黑麦草翻压前和2019年9月烤烟(均种植烤烟)收获后7 d内，进行3次蚯蚓调查取样。蚯蚓密度调查方法采用徒手分离法，即每个小区随机选取5个样点，每个样点按长×宽×深=40 cm×40 cm×20 cm挖出土壤，置于平整的塑料布上，徒手捡取蚯蚓，计数，并除去泥土后称鲜重，蚯蚓个体生物量(鲜重)=单位面积的蚯蚓鲜重/单位面积的蚯蚓密度。

在蚯蚓调查时，同步取土样，带回实验室，拣去杂物，风干，常规分析土壤容重、水分含量、孔隙度、土壤pH值、有机质和有效氮磷钾含量[11]；用靛酚蓝比色法、3,5-二硝基水杨酸比色法、磷酸苯二钠比色法和高锰酸钾滴定法分别测定土壤脲酶、蔗糖酶、磷酸酶和过氧化氢酶活性[12]。

1.3 数据处理及统计分析方法

用Excel 2016对试验数据进行统计整理和作图，采用SPSS 18.0软件进行统计分析，用LSD法比较处理间差异显著性，显著性水平为0.05，相关分析采用Pearson法。

2 结果与分析

2.1 不同种植施肥模式对植烟土壤蚯蚓密度和生物量的影响

由表1可见，2018年9月(轮作处理为玉米，连作处理为烤烟)，各处理差异显著，以轮作土壤的蚯蚓密度最高，连作次之，CK(裸地)最低。轮作极显著高于连作，增加幅度为58.8%～60.1%；从施肥模式来看，以化肥配施有机肥处理(CFM)显著高于单施化肥的处理(CF)，增加幅度为8.6%～10.8%；种植与施肥无交互作用。2019年3月(种植黑麦草均不施肥)，各处理的蚯蚓密度均比秋季(2018年9月和2019年9月)对应处理的低，但各处理的差异明显存在，其变化趋势与2018年9月的结果相似，即R-CFM(a)≈R-CF(a)>C-CFM(b)≈C-CF(b)≈CK(b)；种植模式以轮作显著大于连作，增加幅度为54.6%～59.7%，但施肥模式的差异不显著，无交互作用。在2019年9月(除CK外均种植烤烟)，各处理差异显著，趋势同前；轮作土壤的蚯蚓密度显著高于连作土壤，增加幅度为35.9%～44.4%，但施肥模式之间无差异，无交互作用。此外，在轮作模式中，种植玉米季的土壤蚯蚓密度(两个轮作处理的平均值为13.26条/m2，2018年9月)高于种植烤烟季(平均值为11.86条/m2，2019年9月)。

从表1可见，2018年9月，各处理的平均蚯蚓生物量由高到低依次为R-CFM(a)>R-CF(b)>C-CFM(c)≈C-CF(c)>CK(d)，以轮作处理最高，连作次之，裸地(CK)的最低；2019年3月，各处理的平均蚯蚓生物量由高到低依次为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)显著降低；2019年9月，各处理的蚯蚓重由高到低依次为R-CFM(a)>R-CF(b)>C-CFM(bc)>C-CF(cd)>CK(d)。

综上，3次结果显示，从种植模式来看，蚯蚓的密度和生物量均以轮作处理显著或极显著高于连作处理，分别增加了57.0%和71.4%；从施肥模式来看，与单施化肥相比，配施有机肥处理使蚯蚓的生物量平均增加23.3%，但蚯蚓密度仅在轮作季(2018年)因配施有机肥平均增加了9.7%，而黑麦草无施肥影响(未施肥)；R-CFM、R-CF、C-CFM和C-CF等4个处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 不同种植施肥模式对植烟土壤蚯蚓密度和生物量的影响Tab.1 Effect of different cropping and fertilization patterns on density and biomass of earthworms in the soils

2.2 不同种植施肥模式对土壤pH和养分的影响

由表2可知，各处理的土壤pH值、有机质、碱解氮、有效磷和有效钾含量存在显著差异，R-CFM处理的前4个指标均最高，C-CF处理的pH、有机质含量和CK的有效NPK含量最低。其中，与连作相比，轮作模式显著增加pH、有机质、碱解氮和有效磷含量，依次平均提高了4.8%、6.9%、4.2%和4.7%；与单施化肥模式相比，有机肥化肥配施模式极显著增加pH、有机质、碱解氮和有效磷含量，增幅分别变化于8.9%～9.9%、18.3%～19.7%、7.5%～13.0%和7.3%～13.7%；但种植与施肥模式之间无交互作用。

表2 不同种植施肥模式对土壤pH、有机质和速效养分的影响Tab.2 Effect of different cropping and fertilization patterns on soil pH,organic matter and available nutrients

2.3 不同种植施肥模式对土壤容重和孔隙度的影响

由表3可见，各处理的土壤含水量、容重和总孔隙度存在显著差异，R-CFM的土壤含水量和总孔隙度最高，容重最低，而C-CF容重最高、总孔隙度最低；种植模式和施肥模式均显著影响这3个物理指标。与连作相比，轮作增加土壤含水量，降低容重；与单施化肥相比，有机肥化肥配施显著增加土壤含水量和总孔隙度，并降低土壤容重；二者无交互效应。

表3 不同种植施肥模式对土壤含水量、容重和孔隙度的影响Tab.3 Effect of different cropping and fertilization patterns on soil moisture content,bulk density and porosity

2.4 不同种植施肥模式对土壤酶活性的影响

由表4可见，各处理的4种土壤酶活性均存在显著差异，其中，R-CFM的土壤酶活性最高，CK最低；与连作相比，轮作模式显著提高脲酶和磷酸酶活性；与单施化肥相比，有机肥化肥配施显著增加脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性；但二者无交互效应。

表4 不同种植施肥模式对土壤酶活性的影响Tab.4 Effect of different planting and fertilization patterns on soil enzyme activities

2.5 植烟土壤的蚯蚓生长繁殖与土壤肥力的相关性分析

根据上述烟地土壤肥力的分析结果，选择存在显著差异的肥力因子与蚯蚓的生长(生物量)繁殖(密度)指标进行相关分析(表5)。结果表明，各处理的蚯蚓密度和生物量与对应处理的土壤肥力诸因子存在显著或极显著的相关性。其中，蚯蚓密度与土壤有机质，有效氮、磷、钾，脲酶和磷酸酶活性，以及孔隙度呈显著正相关(P<0.05，下同)，与容重呈极显著负相关；蚯蚓生物量与土壤有机质，有效氮、磷、钾，孔隙度，酶活性(脲酶、磷酸酶、蔗糖酶和过氧化氢酶)呈显著正相关，与容重呈极显著负相关。

表5 蚯蚓的生长繁殖与土壤肥力指标之间的相关性分析Tab.5 Correlation analysis between the earthworm growth/ reproduction and soil fertility index

3 结论与讨论

3.1 长期种植施肥对植烟土壤中蚯蚓生长繁殖的影响

农业土壤中的蚯蚓密度常被人们用作表征土壤健康的重要指标[13]。本研究发现，裸地(CK)的蚯蚓密度和生物量均显著低于长期种植烤烟//玉米//黑麦草的土壤，说明种植作物和施肥有利于蚯蚓的生长繁殖。其次，与连续种植烤烟土壤相比，烤烟//玉米的土壤蚯蚓密度和生物量平均增加了57.0%和71.4%，说明轮作促进了蚯蚓的生长繁殖。蚯蚓作为土壤中最大的动物，主要以土壤中的小型动物、作物残渣等为饵料，烤烟长期连作不仅残渣单一，更重要的是烤烟连作土壤易累积阿魏酸、肉桂酸等酚酸类物质，根系残渣和分泌物还含有烟碱等，这类物质具有明显的生物毒性[14]，可能导致蚯蚓中毒，或引起蚯蚓主动趋避。Milcu等[15]发现，在植物根和茎生物量相同的条件下，植物的多样性越高蚯蚓的生物量越大，即植物的多样性可为蚯蚓提供更多营养和更高质量的残渣。Abail等[16]发现，连续种植玉米下蚯蚓的平均数量为59条/m2，玉米-大豆轮作下蚯蚓的平均数量为37条/m2，连续种植大豆下蚯蚓的平均数量为28条/m2。而长期烤烟//玉米轮作使土壤的蚯蚓密度和生物量显著高于长期连作的烟地，源于轮作提高了烟地植物多样性，有利于蚯蚓的生长繁殖；同时，玉米残渣对蚯蚓而言，可能比烤烟残渣更适口。第三，本项研究表明，与单施化肥相比，长期有机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%。在农业生态系统中，土壤生物种群的结构、大小和活动受作物残渣输入的影响[17]，作物残渣较多的农田能支持更大更多的蚯蚓种群[18]。Tuneera等[19]研究发现，谷类作物(小麦)残渣和根系，以及施用的有机肥料，促进蚯蚓增加。说明在烟地增施有机肥有利于蚯蚓的生长繁殖。值得注意的是，在烤烟或玉米收获后种植黑麦草(均不施肥)，来年3月黑麦草收获时的土壤蚯蚓密度和生物量因土温低于秋季，但长期连作的烟地仍显著低于轮作烟地，这是否意味着种植制度改变的土壤性质反过来影响到蚯蚓的生长繁殖？接下来将进一步深入研究。

3.2 长期种植施肥对植烟土壤理化生物性质的影响

大量研究结果表明，长期施用有机肥能提高土壤有机质和养分含量[20]，改善土壤物理性状和生物活性[21-22]。此外，轮作改善土壤理化和生物性质也有较多报道[23]。但将种植制度和施肥模式结合起来进行长期研究的却较少。本研究表明，不同种植和施肥模式显著影响植烟黄壤的pH和养分含量，与长期烤烟连作相比，烤烟//玉米轮作模式的土壤有机质、碱解氮和有效磷含量分别增加了6.9%、4.2%和4.7%；与长期单施化肥模式相比，有机肥化肥配施模式极显著增加pH、有机质、碱解氮和有效磷含量，增幅分别为8.9%～9.9%、18.3%～19.7%、7.5%～13.0%和7.3%～13.7%；其二，长期烤烟//玉米轮作增加植烟土壤含水量，降低容重；而长期配施有机肥显著增加土壤含水量和总孔隙度，并降低土壤容重；其三，轮作模式显著提高脲酶和磷酸酶活性；配施有机肥显著增加脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性。试验结果揭示了长期轮作和配施有机肥有利于提高土壤肥力。在农田生态系统中，蚯蚓的数量和生物量是衡量土壤肥沃程度的重要标志之一，蚯蚓-土壤-作物组成一个相互作用的有机-无机复合整体[24]。Amador等[25]研究表明，蚯蚓长期生活的土壤一般具有较高的有机质含量，阳离子交换量，交换性钙、镁、钾和有效氮、磷等。本试验结果支持了这一结论：当土壤肥力提升蚯蚓的密度和生物量随之增高。

3.3 植烟土壤的蚯蚓生长繁殖与土壤肥力的关系

在土壤生态系统中，蚯蚓发挥着重要作用，它们能促进土壤的养分循环和转化[26]。本试验结果表明，蚯蚓密度和生物量与土壤有机质和有效氮磷钾含量，以及土壤蔗糖酶、脲酶和磷酸酶的活性呈显著或极显著正相关，说明蚯蚓在土壤有机物质分解、有机氮磷养分活化起重要作用。其次，它们与土壤总孔隙度呈显著或极显著正相关，与容重呈极显著负相关。朱新玉等[27]发现，蚯蚓有助于改善土壤质量，提高土壤孔隙，降低土壤容重。王邵军等[28]的研究也表明，在不同利用方式的土壤中，蚯蚓密度和生物量显著影响土壤的物理性质，充足的土壤含水量可能会对蚯蚓的数量和生物量产生积极影响，蚯蚓密度和生物量的增加会提高土壤总孔隙度。本研究结果也证实蚯蚓多的处理，土壤的耕性改善；此外，蚯蚓生物量还与土壤过氧化氢酶呈显著正相关，表明蚯蚓多的土壤生物活性显著提高。

以上结果说明，在植烟黄壤中蚯蚓与土壤肥力诸因子互为作用，即好的种植制度和施肥模式改善了土壤环境，土壤中的物质源丰富，反过来促进了蚯蚓的生长繁殖，而蚯蚓增多和生长健壮又进一步改善土壤环境，故好的土壤环境源于良好的种植施肥模式，蚯蚓与肥沃的土壤互为良性循环。

在长期种植烤烟的土壤中，不同种植施肥处理的蚯蚓密度和生物量均比不耕作的裸地土壤高，而长期烤烟//玉米轮作并配施有机肥显著增加蚯蚓密度和生物量，同时土壤的耕作性改善，土壤养分和生物活性提升；植烟黄壤的蚯蚓密度和生物量与土壤的有机质、有效氮磷钾含量、总孔隙度和酶活性呈显著或极显著正相关，即蚯蚓与土壤肥力互为良性循环，植烟黄壤采用轮作并配施有机肥模式是烟地肥力提升和蚯蚓增加的基础。