蚯蚓活動對銅尾礦廢棄地土壤養分的影響

張 衡, 朱永恒, 韓 斐

(1.安徽師范大學 國土資源與旅游學院, 安徽 蕪湖241003; 2.安徽自然災害過程與防控研究省級實驗室, 安徽 蕪湖241003)

蚯蚓活動對銅尾礦廢棄地土壤養分的影響

張 衡1,2, 朱永恒1,2, 韓 斐1,2

(1.安徽師范大學 國土資源與旅游學院, 安徽 蕪湖241003; 2.安徽自然災害過程與防控研究省級實驗室, 安徽 蕪湖241003)

摘要：[目的] 研究蚯蚓活動對銅尾礦廢棄地土壤養分的影響,以期為利用土壤動物進行銅尾礦生態恢復提供參考。 [方法] 在室內恒溫(20 ℃)條件下培養1個月，共設置8種處理進行試驗。 [結果] (1) 接種蚯蚓對土壤養分的影響強弱順序依次為：有效磷>有機質>速效鉀>堿解氮，且隨著蚯蚓密度的增加土壤養分的含量呈上升趨勢； (2) 添加秸稈后接種蚯蚓對銅尾礦廢棄地土壤養分的影響強弱順序依次為：有效磷>堿解氮>速效鉀>有機質，且隨著蚯蚓密度的增加土壤養分的含量呈上升趨勢； (3) 接種蚯蚓且添加秸稈比僅接種蚯蚓對土壤養分的影響大，且影響速度表現為：有效磷>速效鉀>堿解氮>有機質。 [結論] 蚯蚓對銅尾礦廢棄地土壤養分的恢復具有促進作用,蚯蚓密度越大影響作用越強。

關鍵詞：蚯蚓; 銅尾礦廢棄地; 土壤養分

隨著人類利用各種礦產資源規模的不斷擴大，礦業廢棄地隨之產生，它是一種人為的裸地和特殊的退化生態系統。持續增加的尾礦廢棄地和極其緊張的土地資源形成一對尖銳的矛盾，急需對閑置的尾礦廢棄地進行生態恢復與利用。治理和利用這些土地是當今比較熱門的生態問題。土壤養分是土壤提供給植物生長所必需的營養元素，是土壤中能直接或經轉化后被植物根系吸收的礦質營養。由于大部分礦山廢棄地缺乏N，P，K和有機質等營養物質，如果將修復后的土地用于農業生產，首先要恢復土壤肥力，提高土壤生產力[1]。蚯蚓具有改善土壤理化性質，促進土壤養分的作用。有研究[2-4]表明，蚯蚓活動能提高土壤肥力，能增加土壤有效養分，有利于作物根系生長發育和對養分的吸收。基于此，本研究通過實驗室控制試驗，研究蚯蚓活動對銅尾礦廢棄地土壤養分的影響。以期為土壤動物對銅尾礦生態恢復研究提供參考。

1研究區概況與研究方法

1.1　研究區概況

林沖尾礦地位于安徽省銅陵市鳳凰山境內，位于117°43′28″E，30°56′42″N，屬亞熱帶季風氣候區，年平均氣溫16.2 ℃，年平均降水量1 390 mm，年平均無霜期為230 d，年平均濕度75%～80%[5]。林沖尾礦地是三面環山，一面修建石壩(長200 m，高40 m)，面積約31 hm2，海拔高度105 m，總庫容為1.20×106m3。于1979年廢棄不用，當地農民覆土并種植藥用植物丹皮(Paeoniasuffruticosa)，并且輔種大豆(Glycinemax)等豆科植物，在2009年鏟除丹皮，因人為干擾較少,自然生長雜草，其中優勢種為藎草(Arthraxonhispidus)，也有少量狗尾草(Setairaviridis)、芒(Miscanthussinensis)和小飛蓬(Conyzacanadensis)等[6]。

研究區土壤為黃棕壤，銅尾礦廢棄地的基本理化性質詳見表1。

表1　供試土壤基本理化性質

1.2　材料設置

在銅陵市鳳凰山林沖銅尾礦地，于2014年4月20日運用五點采樣法(先確定對角線的中點作為中心抽樣點，再在對角線上選擇4個與中心樣點距離相等的點作為樣點)，挖取20 cm深的土壤，撿出草根，裝袋帶回。然后把采集的大部分土壤風干，過10目的篩備用。將從市場買回的赤子愛勝蚓(Eiseniafoetida)放入帶回的小部分混合土壤中培養12 d，使它適應銅尾礦地土壤環境，然后選取大小一致的蚯蚓洗凈，采用饑餓法，放置12 h,使其清空腸胃,挑選活性較好的備用；把割下的藎草帶回洗凈剪成3 cm長曬干，然后放入清水中浸泡，當水變成淺醬色后，取出并抖干其中的水分，然后放入一個黑塑料袋密封放置，在材料開始腐爛時取出待用。

1.3　試驗設置

試驗設置8種處理： (1) 不接種蚯蚓、不添加秸稈(CK)； (2) 僅添加秸稈(O)； (3) 僅接種2條蚯蚓(2 E)； (4) 僅接種4條蚯蚓(4 E)； (5) 僅接種8條蚯蚓(8 E)； (6) 接種2條蚯蚓且添加秸稈(2 EO)； (7) 接種4條蚯蚓且添加秸稈(4 EO)； (8) 接種8條蚯蚓且添加秸稈(8 EO)。各處理重復3次。具體為：取24個直徑20 cm、高15 cm的盆，放入過10目篩800 g土，盆缽底部出水孔上和盆口蓋一層尼龍窗紗以防蚯蚓逃逸，水分控制在田間持水量的70%左右，添加秸稈的放入5 g秸稈，使試驗土與秸稈的質量比為50∶1，在室內恒溫(20 ℃)避光培養。培養1個月后，把盆中的土壤倒入干凈的薄膜上撿出蚯蚓并稱重，自然風干土樣以供測試。

1.4　測定項目與方法

項目測定按魯如坤《土壤農業化學分析方法》一書描述的方法進行[7]。土壤酸堿度：尾礦∶水質量比=1∶2.5，采用pH計測定；有機質含量采用高溫外加熱重絡酸鉀氧化—容量法測定；有效氮含量采用堿解擴散法測定；有效磷含量采用碳酸氫鈉法測定；全銅含量采用HF-HNO3-HCLO4消煮—原子吸收分光光度法測定。

試驗數據處理采用Excel和SPSS 17軟件進行分析。

2結果與討論

2.1　接種蚯蚓對銅尾礦廢棄地土壤養分的影響

從表2可以看出，培養一個月后各處理有機質含量隨著蚯蚓密度的增加呈下降趨勢，各處理與初始值(CK0)比較減少了0.51～2.54 g/kg,其中接種蚯蚓比無蚯蚓有機質差異達極顯著性。說明蚯蚓能夠顯著的分解有機質，并且蚯蚓越多越有利于有機質的分解。培養1個月后各處理堿解氮、有效磷和速效鉀含量隨著蚯蚓密度的增加呈上升趨勢，各處理與初始值(CK0)比較分別增加了0.23～1.68，0.53～3.81和1.33～18.00 mg/kg。說明接種蚯蚓能夠促進土壤中堿解氮、有效磷和速效鉀。根據F值顯著性差異可以看出，接種蚯蚓對銅尾礦廢棄地土壤養分的影響強弱順序為：有效磷>有機質>速效鉀>堿解氮。

2.2　添加秸稈后接種蚯蚓對銅尾礦廢棄地土壤養分的影響

從表3可以看出，培養1個月后各處理有機質含量隨著蚯蚓密度的增加呈下降趨勢，各處理與初始值(CK0)比較減少了0.63～2.22 g/kg,其中接種蚯蚓比無蚯蚓有機質呈極顯著性差異。說明添加秸稈后蚯蚓能夠顯著的分解有機質，并且蚯蚓越多分解的量就越大。除了堿解氮僅添加秸稈(O)與初始值(CK0)下降了0.24 mg/kg，培養1個月后各處理堿解氮、有效磷和速效鉀含量隨著蚯蚓密度的增加呈上升趨勢，各處理與初始值(CK0)比較分別增加了2.10～3.03 mg/kg，1.96～6.62 mg/kg和3.67～23.00 mg/kg。并且接種蚯蚓比無蚯蚓達極顯著性差異。說明添加秸稈后接種蚯蚓能夠促進土壤中堿解氮、有效磷和速效鉀。其中接種蚯蚓對有效磷的影響與劉德輝[8]研究的一致。在劉德輝的培養試驗中，以花生秸中添加秉氏環毛蚓,在培養25，50，100，150 d時的有效磷含量分別比培養之初增加了28.5%，48.5%，63.0%和75.2%。根據F值顯著性差異可以看出，添加秸稈后接種蚯蚓對銅尾礦廢棄地土壤養分的影響強弱順序為：有效磷>有機質>堿解氮>速效鉀。

表2　不同蚯蚓密度對銅尾礦廢棄地不同土壤養分的影響

注：同一行小寫和大寫字母分別表示5%和1%水平的顯著性差異。下同。

表3　在添加秸稈的基礎上不同蚯蚓密度對銅尾礦廢棄地不同土壤養分的影響

2.3　接種蚯蚓與接種蚯蚓且添加秸稈對銅尾礦廢棄地土壤養分的影響

從表4可以看出，在接種0蚯蚓時，顯然只有有效磷達極顯著性差異，從F值可以看出僅添加秸稈對土壤養分的影響強弱順序為：有效磷>速效鉀>堿解氮>有機質。在接種2條蚯蚓時，接種蚯蚓且添加秸稈比僅接種蚯蚓對土壤養分影響更大，其中有效磷和速效鉀達極顯著性差異，分別為2.38和14.00 mg/kg，從F值可以看出，添加秸稈對土壤養分的影響強弱順序為：速效鉀>有效磷>堿解氮>有機質。在接種4條蚯蚓時，接種蚯蚓且添加秸稈比僅接種蚯蚓對土壤養分影響的大，其中有效磷和速效鉀達極顯著性差異，分別為2.86和14.33 mg/kg，從F值可以看出，添加秸稈對土壤養分的影響強弱順序為：有效磷>速效鉀>堿解氮>有機質。在接種8條蚯蚓時，接種蚯蚓且添加秸稈比僅接種蚯蚓對土壤養分影響的大，其中有效磷達極顯著性差異，為2.81 mg/kg，從F值可以看出添加秸稈對土壤養分的影響強弱順序為：有效磷>速效鉀>堿解氮>有機質?？傊梢钥闯鼋臃N蚯蚓且添加秸稈比僅接種蚯蚓對土壤養分的影響大。

除了接種2蚯蚓外，接種蚯蚓且添加秸稈比僅接種蚯蚓對土壤養分的影響為速效鉀>有效磷，其余均表現為：有效磷>速效鉀，說明接種蚯蚓且添加秸稈比僅接種蚯蚓對土壤養分的影響強弱順序為：有效磷>速效鉀>堿解氮>有機質。

表4　對比接種蚯蚓與接種蚯蚓且添加秸稈對銅尾礦廢棄地土壤養分的影響

3討 論

3.1　蚯蚓對有機質的影響

土壤有機物質包括各種動植物殘體以及微生物及其生命活動的各種有機產物。其中相對穩定的是經過復雜的生物化學轉化過程，主要是微生物的生命活動形成的土壤腐殖質[7]。蚯蚓能分解和混合土壤有機質。如在北美，每年蚯蚓Allolobophoracaliginosa和Octolasioncyaneum能消耗淺層土壤(15 cm)中10%的有機質[9]。從表5可以看出，試驗過程中蚯蚓的體重是增加的，可能是由于蚯蚓吞食有機質形成的，在整個試驗過程中有機質的含量是減少的。蚯蚓是有機質降解過程的重要驅動者[10]。Ndegwa[11]通過4個投放密度用污泥和覆紙為底物喂養8周，最后發現有蚯蚓存在的處理物中有機質含量大幅降低，且密度越大降低的就越多。

表5　試驗初末蚯蚓體重變化的情況　g/kg

3.2　蚯蚓對土壤堿解氮、有效磷和速效鉀的影響

土壤堿解氮、有效磷和速效鉀均為植物生長的有效養分，蚯蚓若能促進這些營養元素含量的增加，將有利于土壤肥力的增加。劉賓等[12]在室內恒溫(20 ℃)的條件下研究蚯蚓活動對潮土中氮素礦化特征的影響。結果表明無論是否添加秸稈,接種蚯蚓處理(E,OE)的土壤礦質氮水平均相應的較對照處理(S,O)有顯著提高(p<0.05),到培養55 d時,分別增加了1.93和2.36倍。本研究利用蚯蚓作用于銅尾礦廢棄地，結果表明蚯蚓對銅尾礦廢棄地土壤堿解氮、有效磷和速效鉀均有促進作用。不但如此，還促進了重金屬銅狀況的改善。從表6可以看出，添加蚯蚓可以明顯減少土壤中銅的含量，有利于改善土壤重金屬污染情況，這也是蚯蚓添加到銅尾礦中獨特的作用。

表6　試驗土壤中銅含量變化的情況　mg/kg

4結 論

(1) 在銅尾礦土壤中接種蚯蚓能夠促進土壤養分。培養一個月后各處理有機質含量隨著蚯蚓密度的增加呈下降趨勢，各處理與初始值(CK0)比較減少了0.51～2.54 g/kg,堿解氮、有效磷和速效鉀含量隨著蚯蚓密度的增加呈上升趨勢，各處理與初始值(CK0)比較分別增加了0.23～1.68 mg/kg，0.53～3.81 mg/kg和1.33～18.00 mg/kg。接種蚯蚓對銅尾礦廢棄地土壤養分的影響強弱順序為：有效磷>有機質>速效鉀>堿解氮。

(2) 在銅尾礦土壤中添加秸稈后接種蚯蚓仍能夠促進土壤養分。培養一個月后各處理有機質含量隨著蚯蚓密度的增加呈下降趨勢，各處理與初始值(CK0)比較減少了0.63～2.22 g/kg,堿解氮、有效磷和速效鉀含量隨著蚯蚓密度的增加呈上升趨勢，各處理與初始值(CK0)比較分別增加了2.10～3.03 mg/kg，1.96～6.62 mg/kg和3.67～23.00 mg/kg。添加秸稈后接種蚯蚓對銅尾礦廢棄地土壤養分的影響強弱順序為：有效磷>有機質>堿解氮>速效鉀。

(3) 比較接種蚯蚓與接種蚯蚓且添加秸稈對銅尾礦廢棄地土壤養分的影響，可以看出接種蚯蚓且添加秸稈比僅接種蚯蚓對土壤養分的影響大，且影響速度強弱順序為：有效磷>速效鉀>堿解氮>有機質。

[參考文獻]

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Effects of Earthworm Activity on Soil Nutrient in Copper Tailings

ZHANG Heng1,2, ZHU Yongheng1,2, HAN Fei1,2

(1.CollegeofTerritorialResourcesandTourism,AnhuiNormalUniversity,Wuhu，Anhui241003，China; 2.AnhuiKeyLaboratoryofNaturalDisastersProcessandPrevention,AnhuiNormalUniversity,Wuhu,Anhui241003，China)

Abstract：[Objective] To study the influence of earthworm activities on soil nutrients in copper mine tailings in order to provide references for the ecological restoration by soil animals in copper tailings. [Methods] 8 treatments were designed and lasted for one month in laboratory(20 ℃). [Results] (1) The inoculation of earthworm affected the soil nutrients as following order: phosphorus > organic matter > K > available nitrogen. Soil nutrients content increased with the increase of earthworm density; (2) The inoculation of earthworm with the coverage of straw on copper tailings affected the soil nutrients as phosphorus > available nitrogen>K>organic matter, and soil nutrients content increased with the increase of the earthworm density; (3) Earthworm inoculation with coverage of straw showed higher impact on soil nutrients than earthworm inoculation only, and the affecting speed were as phosphorus>K>available nitrogen> organic matter. [Conclusion] Earthworms do have effect on soil nutrient restoration in copper mine tailings, the greater the earthworm density, the higher the impact.

Keywords:earthworms; copper tailings; soil nutrients

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)06-0178-04

中圖分類號：X53， S158

通信作者：朱永恒(1975—),男(漢族),安徽省含山縣人，博士，教授，碩士生導師,主要從事土壤生態學方面的研究。E-mail:yhzhu876@mail.ahnu.edu.cn。

收稿日期：2014-10-26修回日期：2014-11-20

資助項目：國家自然科學基金項目“銅尾礦廢棄地自然演替過程中土壤動物遷居研究”(41001031)

第一作者：張衡(1988—),男(漢族),安徽省渦陽縣人，碩士研究生,研究方向為土壤生態學。E-mail:szxyzhangheng@163.com。