接種蚯蚓與添加凋落物對楊樹人工林土壤理化性質和微生物生物量的影響

徐 曉, 徐 瑾, 曹國華, 王國兵

(1.南京林業大學南方現代林業協同創新中心，江蘇 南京 210037；2.江蘇省東臺市林場，江蘇 東臺 224200)

蚯蚓，作為“土壤生態系統工程師”，通過取食、掘穴等一系列活動，加速凋落物分解，改善土壤理化性質及生物學特性，從而在有機質分解及養分循環中發揮著重要的作用[1].研究表明，蚯蚓活動會提高多種土壤活性有機碳組分的含量[2]，還可以提高土壤無機氮的含量[3]及微生物生物量碳(soil microbial biomass carbon, SMBC)、微生物生物量氮(soil microbial biomass nitrogen, SMBN)的含量[4]；胡鋒等[5]研究表明，通過蚯蚓腸道消化后的土壤含有更多的微生物，不僅種類增多，數量和活性也激增，因此SMBC和SMBN含量增多；但Mclean et al[6]認為,雖然新鮮蚓糞中含有豐富的微生物生物量，但隨著時間的推移，蚓糞逐漸風化，微生物量減少[7].凋落物是土壤有機質的重要來源，其分解過程是森林土壤生態系統的物質循環與能量流動的重要環節[8].添加凋落物會增加土壤有機碳、SMBC含量，且會改變土壤微生物的群落結構，提高土壤微生物生物量[9].楊樹是我國人工林栽培的主要樹種之一，目前面臨生產力下降、地力衰退等風險，將嚴重影響楊樹人工林持續經營以及生態系統的良性循環[10-11].有關楊樹人工林土壤養分及微生物生物量的研究多以不同施肥處理與施加生物炭為基礎[12-13]，而以接種蚯蚓為處理的研究較少，且以室內短期培養試驗為主[14-16]，缺乏野外長期調查.因此，本研究以江蘇省東臺市楊樹人工林為研究對象，測定林地接種蚯蚓和添加凋落物后，土壤理化性質、SMBC、SMBN含量的變化，以期為了解蚯蚓、凋落物在楊樹人工林土壤生態系統循環中的作用和制定土壤的生態修復措施提供依據.

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于江蘇省鹽城市南部的東臺林場三區(120°49′E、32°52′N)，靠近黃海之濱，具有明顯的海洋性和季風性氣候，夏暖冬涼；雨量主要集中在夏、秋兩季，年均相對濕度88.4%，年均降雨量1 055.0 mm；光照充足，年均日照數達2 171 h，年平均氣溫為14.8 ℃；土壤為脫鹽草甸土，土壤質地為偏堿性砂質壤土，土壤pH值一般為8.0以上.東臺林場為江蘇省沿海重點防護林，占地面積約2 800 hm2，其中，林地面積2 187 hm2，活立木蓄積148 000 m3，森林覆蓋率78.1%.主要植被為人工營造的35楊(Populusdeltoidscv. I-35)和72楊(P.euramericanacv. I-72)，還有一定面積的水杉林(Metasequoiaglyptostrodoides)、竹林(Phyllostachysviridis).

1.2 試驗設計

選擇立地條件及經營措施一致的20 a生楊樹人工林35楊為樣地，林分面積約200 m×50 m，株行距6 m×5 m，樣地林分特征及部分土壤理化性質見表1.林分年平均葉凋落量約400 g·m-2，常見蚯蚓種為威廉腔環蚓(Metaphireguillelmi)，分類上屬于表棲類(epigeic)蚯蚓[17]，約2～5條·m-2.于2017年12月采用隨機區組法布置樣地，共設置6個處理：空白對照(CK)，楊樹凋落物表施(楊樹葉平鋪于樣方表面，T1)，楊樹凋落物混施(凋落物與土壤混合均勻，T2)，接種蚯蚓(T3)，楊樹凋落物表施+接種蚯蚓(T4)，楊樹凋落物混施+接種蚯蚓(T5).每個處理設4個重復，隨機排列，每個小樣方標準面積為1 m×1 m(各樣地之間用PVC板隔離，PVC板深入土壤0.5 m，在地表留出0.15 m的高度，防止蚯蚓逃逸).凋落物基質為烘干楊樹葉，用量為1 kg·m-2·a-1，其中，總碳含量429.37 g·kg-1，總氮含量17.37 g·kg-1；接種蚯蚓為威廉腔環蚓，用量為50～60 g·m-2，接種時注意觀察蚯蚓的入土情況，及時換掉活性差的蚯蚓.為了保證接種蚯蚓成功，每次采樣時需要觀察蚯蚓的存活狀況并及時補充接種.

表1 樣地林分特征及部分土壤理化性質Table 1 Stand characteristics and main soil chemical and physical properties

1.3 樣品采集與指標測定

于2019年3、6、9和12月采樣：土壤容重(ρb)的測定采用環刀法原位采樣，隨即稱重、記錄并計算；土壤pH值及溶解性有機碳(dissolved organic carbon, DOC)、溶解性總氮(dissolved total nitrogen, DTN)、SMBC、SMBN含量的測定需要采集新鮮土樣帶回實驗室.用直徑3 cm的土鉆分別在不同處理樣方內各隨機鉆取0～10 cm層土壤約500 g，裝入自封袋中并及時帶回實驗室，剔除其中的石塊、根系等雜物后，過2 mm土篩.將土樣分為兩部分：一部分儲存在4 ℃冰箱內，用于測定SMBC和SMBN含量；另一部分置于通風陰涼處，自然風干后過篩保存，用于測定pH值及DOC和DTN含量.

各指標測定方法：土壤pH值采用pH計電位法測定(水土質量比為1∶2.5)；SMBC和SMBN含量采用氯仿薰蒸K2SO4浸提-總有機碳(TOC)分析儀(日本島津)測定；DOC和DTN含量采用TOC-VCPH分析儀(日本島津)測定[18-19].

1.4 數據統計與分析

運用Excel 2010軟件整理數據，用SPSS 16.0軟件統計分析，用Origin 9.0軟件繪圖.采用單因素方差分析(one-way ANOVA)檢驗時間和處理方法對土壤基本理化性質和微生物生物量的影響，采用Duncan′s法和最小顯著法(least significant difference, LSD)比較不同處理間的差異顯著性(顯著性水平P<0.05)，用Pearson分析土壤微生物生物量與土壤理化性質之間的相關性.

2 結果與分析

2.1 接種蚯蚓與添加凋落物對土壤理化性質的影響

相對于CK，T3、T4、T5土壤pH值和ρb均顯著降低(P<0.05)，且T5的降幅最大，分別達2.59%和16.74%，可見，接種蚯蚓顯著降低了堿性土壤pH值和ρb(表2).T1、T2、T3、T4、T5均可以增加土壤DTN和DOC含量，且T5的增幅最明顯，分別為43.02%和19.29%(表2).這說明接種蚯蚓與添加凋落物可以改善土壤理化性質.

表2 接種蚯蚓與添加凋落物對土壤理化性質的影響1)Table 2 Effects of earthworm inoculation and litter addition on physical and chemical properties of soil

2.2 接種蚯蚓與添加凋落物對SMBC和SMBN含量的影響

由圖1可見，除了CK、T1，其他4種處理的SMBC含量都在12月達到最大值.T1、T2、T3、T4、T5均能提高SMBC含量，其中T5增幅最為明顯(P<0.05)，達36.58%.在3和6月時，T3的SMBC含量高于T2；隨著時間的延長，9和12月時T2的SMBC含量明顯提升，并超過T3.雖然凋落物施用方式不同，但T4與T5間不存在顯著差異(P>0.05).

CK.對照；T1.楊樹凋落物表施；T2.楊樹凋落物混施；T3.接種蚯蚓；T4.楊樹凋落物表施+接種蚯蚓；T5.楊樹凋落物混施+接種蚯蚓.柱上不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)，相同小寫字母表示差異不顯著(P>0.05).圖1 不同處理SMBC含量的動態變化Fig.1 Dynamics of SMBC under different treatments

由圖2可見，T1、T2、T3、T4、T5均可提高SMBN含量，其中T1與CK間不存在顯著差異(P>0.05)，T5的增幅最為明顯，達24.98%.T3、T5的SMBN含量在3和6月增長明顯，9和12月卻降低,但仍高于CK；T4、T5的SMBN含量在3和6月存在顯著差異(P<0.05)，而在9和12月沒有明顯差異(P>0.05).

CK.對照；T1.楊樹凋落物表施；T2.楊樹凋落物混施；T3.接種蚯蚓；T4.楊樹凋落物表施+接種蚯蚓；T5.楊樹凋落物混施+接種蚯蚓.柱上不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)，相同小寫字母表示差異不顯著(P>0.05).圖2 不同處理SMBN含量的動態變化Fig.2 Dynamics of SMBN under different treatments

2.3 接種蚯蚓與添加凋落物對SMBC/SMBN值的影響

取4個月所得SMBC/SMBN值的平均值，分析添加凋落物與接種蚯蚓對SMBC/SMBN值的影響.從圖3可以看出，SMBC/SMBN值表現為T4>T5>T2>T3>T1>CK，說明T1、T2、T3、T4、T5均能提高SMBC/SMBN值，其中T2、T4、T5與CK存在顯著差異(P<0.05)，且T4的增幅最大，達10.35%.

CK.對照；T1.楊樹凋落物表施；T2.楊樹凋落物混施；T3.接種蚯蚓；T4.楊樹凋落物表施+接種蚯蚓；T5.楊樹凋落物混施+接種蚯蚓.柱上不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)，相同小寫字母表示差異不顯著(P>0.05).圖3 接種蚯蚓與添加凋落物對SMBC/SMBN值的影響Fig.3 Effects of earthworm inoculation and litter addition on soil SMBC/SMBN ratio

雙因素方差分析結果(表3)顯示，時間顯著影響了SMBC含量和SMBC/SMBN值(P<0.01)，處理方法顯著影響了SMBC和SMBN含量(P<0.01)以及SMBC/SMBN值(P<0.05).

表3 微生物生物量的雙因素方差分析1)Table 3 Bivariate analysis of microbial biomass

2.4 土壤微生物生物量與土壤理化性質之間的相關性

相關性分析結果(表4)表明： SMBC和SMBN含量與土壤ρb、pH值呈極顯著負相關關系(P<0.01)，與DTN、DOC含量呈極顯著正相關關系(P<0.01)；SMBC/SMBN值與土壤ρb呈顯著負相關關系(P<0.05)，與DTN、DOC含量呈顯著正相關關系(P<0.05)，而與pH值無顯著相關性(P>0.05).

表4 土壤微生物生物量與土壤理化性質之間的相關系數1)Table 4 Correlation coefficient between soil microbial biomass and soil physical and chemical properties

3 討論與結論

3.1 蚯蚓與凋落物對土壤理化性質的影響

試驗結果表明，僅添加凋落物對土壤pH值影響不顯著，而接種蚯蚓+添加凋落物可以顯著降低土壤pH值.這與有些研究結果不相符：王斌等[20]通過室內培養試驗表明，接種蚯蚓能顯著提高土壤pH值；王笑等[21]通過野外調控試驗探究兩種生態型蚯蚓在牛糞不同施用條件下對土壤理化性質的影響，也得到蚯蚓會顯著增加土壤pH值；顧訓明等[22]研究表明，蚯蚓能顯著提高芒果園土壤pH值，增加土壤堿性.造成這種差異的原因可能是本研究區土壤為沿海區鹽堿地，而其他研究地為酸性土壤.目前，有關蚯蚓對土壤酸堿度影響的研究結果并不統一[23]，有研究表明，土壤經過蚯蚓活動后會形成水氣協調、酸堿中性的團粒結構[24]，從而促進了土壤酸堿平衡[25].研究還表明，蚯蚓能增加土壤孔隙，降低ρb[26-27].這與本試驗結果一致，且凋落物的不同施用方式對ρb的影響不顯著.

本試驗結果表明，接種蚯蚓與添加凋落物可以增加土壤DTN和DOC含量.Shuster et al[28]也發現，田間接種蚯蚓可以顯著提高土壤表層有機碳的含量；另有研究也表明，添加凋落物會提高土壤有機碳含量[29].而Alban et al[30]研究表明，蚯蚓入侵會使森林土壤(0～50 cm)有機碳平均每年減少0.6 mg·hm-2.這與本試驗結果不相符，可能是因為本試驗接種的威廉腔環蚓是表居型，對0～10 cm土壤的碳含量表現出促進作用，對更深層次的土壤碳作用不明.無論是否接種蚯蚓，添加凋落物均可以顯著提高土壤DTN含量，而單獨接種蚯蚓時，DTN增加不顯著，說明蚯蚓對土壤DTN含量的影響小于凋落物的影響，這與陳平等[31]的研究結果一致.添加凋落物本身就是一種碳、氮的輸入，會直接促進土壤碳、氮含量升高.本試驗結果還顯示，凋落物混施處理下的碳、氮含量高于凋落物表施處理，這是由于混施的方式加快了凋落物的腐熟化速率，有益于微生物對有機質的分解、轉化，有機碳的周轉速度加快.

3.2 蚯蚓與凋落物對SMBC、SMBN及SMBC/SMBN值的影響

試驗結果表明，無論添加凋落物還是接種蚯蚓均提高了SMBC、SMBN含量，且楊樹凋落物混施+接種蚯蚓的提升效果最為顯著.胡鋒等[5]研究也發現，蚯蚓對SMBC的積極作用在凋落物混施時更為明顯.已有研究表明，蚯蚓穴、新鮮蚓糞的微生物生物量高于對照土壤[32]，且經過蚯蚓腸道消化后的土壤更適合微生物侵染、發育和繁殖，從而增加了SMBC含量[33].本試驗接種的威廉腔環蚓通過取食、排泄活動，在不斷產生蚓穴和蚓糞的同時更好地將植物殘體與土壤混合，為微生物生物量增加提供了必要條件[34].

SMBN含量的變化可以反映微生物對氮的礦化和固持作用.一般情況下，氮的固持作用會增加SMBN含量，而礦化作用會減少SMBN含量[35].本試驗結果表明，接種蚯蚓在短期內會增加SMBN含量，主要是因為前期凋落物的施入使得土壤碳的有效性顯著增加，蚯蚓能更便利地對氮素進行固持，減少其礦化和淋溶作用；然而，隨著蚯蚓作用時間的延長，SMBN含量逐步下降，可能是因為后期蚯蚓對固持氮素的釋放作用、對微生物的取食以及植物生長對養分的需求，造成SMBN減少[36].SMBC/SMBN值反映了土壤微生物群落的結構，一般來說，不同微生物的SMBC/SMBN值表現為細菌(5∶1)<放線菌(6∶1)<真菌(10∶1)[37].本試驗中，各處理的SMBC/SMBN值均小于5，說明土壤中細菌占比較大.接種蚯蚓與添加凋落物都能提高SMBC/SMBN值，這可能是因為凋落物的覆蓋和蚯蚓的活動保證了微生物的營養基底，提高了微生物墑.

本研究發現，SMBC、SMBN含量與土壤ρb和pH值呈極顯著負相關關系，而與DTN、DOC含量呈極顯著正相關關系；SMBC/SMBN值與ρb呈顯著負相關關系，而與DTN、DOC含量呈顯著正相關關系.這表明土壤ρb和pH值對SMBC和SMBN有抑制作用，而土壤碳、氮養分對土壤微生物生物量起促進作用.

綜上所述，在楊樹人工林土壤中，接種蚯蚓和添加凋落物可以降低土壤ρb和堿性土壤的pH值，改善土壤理化性質；同時可以提高土壤DTN和DOC含量，且凋落物混施+接種蚯蚓的效果最顯著；還能提高土壤SMBC、SMBN含量以及SMBC/SMBN值.此外，土壤總氮、有機碳對本區域土壤微生物生物量碳、氮起促進作用.