蚯蚓生態類型和密度對水澆地土壤綜合質量的影響

陳靜，陳金潔，楊倩楠，Cevin Tibihenda，李祥東，張曉龍，王超，張池，劉科學*

（1廣州新華學院資源與城鄉規劃學院，廣東廣州510520；2廣東華南空間規劃研究院，廣東廣州510642；3華南農業大學資源環境學院，廣東廣州510642；4廣東省科學院生態環境與土壤研究所，廣東廣州510650）

0 引言

【研究意義】水澆地是指有水源保證和灌溉設施，在一般年景能正常灌溉，種植旱生農作物（含蔬菜）的耕地。水澆地糧食單產是旱地的2倍以上，生產世界1/3的糧食，是維護世界糧食安全的重要保障（董婷婷等，2010）。根據廣東、廣西、海南第三次國土調查主要數據公報，我國華南地區水澆地總面積超過17.59萬ha，約占耕地面積的3.09%。優越的水熱條件，使水澆地成為華南地區農業生產的重要土地類型之一（喻欣等，2021）。然而，長期種植后水澆地土壤物理結構變差、有機質含量降低、養分貧瘠和質量下降（官利蘭等，2014）。蚯蚓是陸地生態系統生物量最大的土壤動物，被稱為生態系統工程師（Lavelle et al.，2006），常作為土壤自組織系統的重要因子引入土壤用以加速有機物質分解和養分轉化，從而提高土壤質量（Lavelle et al.，2016；袁向華等，2017）。水澆地作為人類活動對土壤環境擾動程度較大的土地利用方式之一，蚯蚓數量和種類均低于少耕或免耕的園地和林地土壤（Kherbouche et al.，2012；肖艷蘭，2020）。因此，如何利用蚯蚓提升華南地區水澆地土壤質量，對保障水澆地的糧食生產具有重要意義。【前人研究進展】根據取食和生態特征的不同，可將蚯蚓分為表棲型、內棲型和深棲型，其中表棲型和深棲型蚯蚓均以枯枝落葉凋落物為食，這2種生態類型的蚯蚓能有效分解有機物質，提高土壤養分含量，對田間凋落物的分解和養分轉化尤為重要（Lavelle and Spain，2001）。表棲型蚯蚓生活在土壤表層，極少吞食土壤；深棲型蚯蚓生活在土壤內部，同時取食凋落物和土壤。在表棲型蚯蚓研究方面，龐軍柱等（2009）將表棲型赤子愛勝蚓接種到混有麥秸的土壤中，結果發現蚯蚓加速了秸稈的分解和土壤氮礦化；齊邊斌等（2018）將果樹枝條還田并接種表棲型赤子愛勝蚓，發現蚯蚓更有利于果樹枝條的分解和土壤養分改善；張孟豪等（2022）將赤子愛勝蚓接種至含有辦公廢紙屑的土壤中，結果顯示蚯蚓可加速廢紙屑的分解，顯著提高土壤養分、微生物活性和土壤質量。在深棲型蚯蚓研究方面，崔瑩瑩等（2020）接種參狀遠盲蚓到紅壤中，培養結束后土壤大團聚體含量顯著提高；Wu等（2020）接種參狀遠盲蚓到華南地區酸化土壤中，發現該種蚯蚓能適度緩解土壤酸化，促進鹽基離子釋放。此外，更多關于深棲型蚯蚓的研究則是其對土壤環境因子變化的響應（喻良文等，2009）。【本研究切入點】目前，對深棲型蚯蚓與土壤的機械組成、養分遷移轉化和陽離子交換性能關系的研究鮮有報道，且接種不同密度的蚯蚓對土壤質量影響的相關研究仍有所欠缺。何種類型的蚯蚓更適宜提升水澆地土壤綜合質量及在何種密度下更能提升土壤綜合質量仍需要進一步論證。【擬解決的關鍵問題】通過接種表棲型和深棲型蚯蚓于水澆地土壤中，研究不同生態類型蚯蚓及接種密度對土壤機械組成、pH、養分和陽離子交換性能的影響，闡明蚯蚓對土壤質量的提升機制，以期為提高華南地區水澆地土壤綜合質量提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況及試驗材料

供試土壤采自華南農業大學農場，基本理化性質：pH 6.93±0.01、有機碳18.60±0.97 g/kg、全氮2.04±0.01 g/kg、全磷0.28±0.01 g/kg、全鉀24.38±0.53 g/kg、砂粒含量（83.36±1.01）%、粉粒含量（9.21±0.17）%、黏粒含量（8.44±0.60）%。將采集的土壤風干，去除石礫等雜物后過2 mm篩，備用。

供試白菜葉采自華南農業大學農場，基本理化性質：pH 8.07±0.01，有機碳301±3.46 g/kg，全氮26.67±0.58 g/kg，全磷3.11±0.09 g/kg，全鉀40.03±0.06 g/kg。白菜葉風干后切碎為2 cm的塊狀，備用。

供試蚯蚓為表棲型赤子愛勝蚓（）和深棲型參狀遠盲蚓（），赤子愛勝蚓來自華南農業大學蚯蚓養殖基地，參狀遠盲蚓采集自水澆地旁的農田。將蚯蚓在適宜環境下培養一周后，挑選大小一致、具有成熟環的健壯蚯蚓進行接種。赤子愛勝蚓重量約0.5 g/條，參狀遠盲蚓重量約5 g/條。

1.2 試驗方法

在相同土重條件下，接種不同重量的蚯蚓作為低密度和高密度的蚯蚓處理。根據常規試驗中蚯蚓投入密度（每千克土壤接種約5 g蚯蚓）設定低密度赤子愛勝蚓添加量為20條/盆，高密度赤子愛勝蚓添加量為40條/盆（Chan，2001；Wu et al.，2020）；參狀遠盲蚓的高、低密度參照赤子愛勝蚓生物量設定為2條和4條。即試驗共5個處理，分別為無蚯蚓對照土壤（CK），低密度赤子愛勝蚓處理（E1：20條，約10 g）、高密度赤子愛勝蚓處理（E2：40條，約20 g）、低密度參狀遠盲蚓處理（A1：2條，約10 g）和高密度參狀遠盲蚓處理（A2：4條，約20 g），每處理3次重復。

試驗過程分土壤預培養和接種蚯蚓2個階段。土壤預培養階段：將土壤混合均勻后按2.5 kg/盆分別裝入自制的透明塑料盆（直徑15 cm、高度20 cm）中，裝土高度約13 cm。每盆土壤表面加入白菜葉100 g，網室培養，控制溫度25℃左右，稱重法保持60%～80%的田間持水量，培養30 d。接種蚯蚓階段：土壤預培養結束后，按照試驗設計分別加入赤子愛勝蚓和參狀遠盲蚓，再培養60 d。培養結束后進行拍照和土壤樣品采集，將樣品風干后去除未完全分解的白菜葉廢棄物，過2 mm篩，備用待測。

1.3 測定項目及方法

供試白菜葉pH采用無CO水以土水比1∶10提取，pH計測定（Ravindran and Mnkeni，2016）；有機碳含量采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法測定；全氮含量采用硫酸—過氧化氫消煮，半微量開氏法測定；全磷含量采用硫酸—過氧化氫消煮，礬鉬黃法測定；全鉀含量采用硫酸—過氧化氫消煮，原子吸收法測定。

土壤機械組成采用吸管法進行測定，以土壤粉粒與黏粒之和與砂粒的比值表征土壤機械組成的變化；土壤pH、電導率均采用無CO水以土水比1∶2.5浸提，分別以pH計和電導率儀測定；土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定；全氮含量采用凱氏定氮法測定；全磷含量采用氫氧化鈉熔融—鉬銻抗比色法測定；全鉀含量采用氫氧化鈉熔融—火焰原子吸收法測定；堿解氮含量采用堿解擴散法測定；有效磷含量采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測定；速效鉀含量采用乙酸銨浸提—火焰原子吸收法測定；土壤陽離子交換量采用乙酸銨交換—原子吸收分光光度法測定（鮑士旦，2000）。

通過以上基礎數據，根據土壤綜合質量指數評價方法獲得每個樣點的亞指標綜合指數（Velasquez et al.，2007）：

式中，和為主成分分析中各處理樣點在第一和第二主成分中的權重，和為各主成分方差累積貢獻率。

將亞指標綜合指數轉化為0.1～1.0的相同范圍內，最終得出每個樣點的土壤綜合質量指數（）：

式中，是各亞指標原數值，為樣點亞指標原數值中最大值，為樣點亞指標原數值中最小值。

以土壤綜合質量指數判斷在不同生態類型蚯蚓影響下水澆地土壤機械組成、pH、養分和陽離子交換性能的綜合差異變化特征，土壤綜合質量指數越大代表土壤質量越高。

1.4 統計分析

使用Excel 2020進行數據整理，運用SPSS 23.0進行不同處理間差異顯著性分析，采用Origin 2019繪圖。在R語言中導入ADE-4軟件包對不同土壤樣本的pH、養分和陽離子交換性能進行主成分分析。

2 結果與分析

2.1 不同生態類型蚯蚓對土壤孔道及機械組成的影響

蚯蚓通過自身的挖掘、吞食等生命活動使得土壤中產生一定的孔道。由圖1可看出，赤子愛勝蚓處理（E1和E2）的孔道較細，其活動范圍主要在上層土壤；而參狀遠盲蚓處理（A1和A2）的孔道較粗且更明顯，其生活范圍涉及整個土壤空間，尤其是A1處理上層土壤被蚯蚓大量吞食。

不同生態類型和密度的蚯蚓對土壤機械組成的影響如圖2所示。接種蚯蚓后，部分土壤砂粒轉化為粉粒和黏粒。2個密度條件下，與CK相比，接種蚯蚓處理的砂粒含量降低12.24%～13.61%，粉粒含量上升54.51%～71.95%，黏粒含量上升56.25%～69.64%。接種蚯蚓處理的砂粒含量均顯著低于CK（＜0.05，下同），粉粒和黏粒含量及粉黏粒/砂粒比值均顯著高于CK，不同密度處理間無顯著差異（＞0.05，下同）。

2.2 不同生態類型蚯蚓對土壤pH、電導率和養分含量的影響

由圖3可看出，與CK相比，E1處理的土壤pH顯著降低，A2處理的土壤pH顯著升高，而E2和A1處理的土壤pH與CK無顯著差異；接種蚯蚓處理的土壤電導率降低12.95%～53.80%，且E2、A1和A2處理土壤電導率降低均顯著降低，以A1處理最低；A2處理顯著提高了土壤有機碳含量及碳氮比；接種蚯蚓后土壤全氮和堿解氮含量分別提高1.77%～11.35%和4.54%～15.98%，但差異未達顯著水平；A1和A2處理的有效磷含量顯著降低32.03%和32.58%，且參狀遠盲蚓的有效磷含量均顯著低于赤子愛勝蚓；不同蚯蚓處理對土壤速效鉀含量的影響不同，E1和A1處理的速效鉀含量提高，E2和A2處理下降，且A1處理的速效鉀含量顯著高于E2處理。

2.3 不同生態類型蚯蚓對土壤陽離子交換性能的影響

由表1可知，接種蚯蚓后，土壤陽離子交換量較CK提高16.92%～32.77%，交換性鉀含量提高8.76%～20.72%，交換性鈉含量提高5.56%～13.89%，但差異均未達顯著水平。與CK相比，E1、E2和A2處理的交換性鈣和鎂分別提高2.90%～7.73%和3.03%～16.67%，但僅有E1處理的交換性鎂含量提升顯著。

2.4 不同生態類型蚯蚓對土壤綜合質量的影響

不同蚯蚓處理對土壤機械組成、pH、養分和陽離子交換性能的主成分分析結果如圖4所示。第一主成分（PC1）和第二主成分（PC2）的累積方差貢獻率達66.1%。其中PC1方差貢獻率為40.2%，主要與交換性鈣、交換性鎂、全氮、交換性鈉、堿解氮、CEC、交換性鉀、粉粒、粉黏粒/砂粒、黏粒和砂粒的變化有關；PC2方差貢獻率為25.9%，主要與有效磷、電導率、有機碳、pH、碳氮比、粉黏粒/砂粒、黏粒和砂粒的變化有關。圖4-A中，代表各土壤變量的箭頭間余弦角度顯示各變量的相關關系，角度越小相關性越高，結果顯示全氮、堿解氮、CEC及交換性鉀鈉鈣鎂呈正相關；粉粒、黏粒、CEC和交換性鉀呈顯著正相關，與砂粒和電導率呈負相關。圖4-B中，CK與接種蚯蚓處理間差異顯著（=0.002），且主要表現在PC1上；接種蚯蚓處理主要偏向粉粒、粉黏粒/砂粒和黏粒較高而砂粒和電導率較低的方向，CK與之相反；圖4-C顯示不同接種密度蚯蚓處理間的差異主要表現在PC2（=0.001），即有效磷、電導率、有機碳、pH、碳氮比、粉黏粒/砂粒、黏粒和砂粒的差異；圖4-D顯示不同生態類型蚯蚓的差異也主要表現在PC2（=0.001），即有效磷、電導率、有機碳、pH、碳氮比、粉黏粒/砂粒、黏粒和砂粒的差異。

基于主成分分析的土壤綜合質量指數結果（圖5）顯示，接種蚯蚓后土壤綜合質量提高26.48%～171.04%，其中E1處理的土壤綜合質量顯著提升。

3 討論

蚯蚓是土壤生態系統中典型的大型動物之一，其活動對改善土壤物理質量具有重要作用（Lubbers et al.，2017）。本研究中，土壤砂粒含量較高，土壤質地為壤砂土，在農業生產中的保水保肥能力較差；培養結束后砂粒含量降低，黏粒和粉粒含量顯著上升，土壤質地轉變為砂壤土，物理質量有所提高。這可能是由于蚯蚓在土壤中掘穴和吞食行為對土壤物理性狀造成的影響。袁新田等（2011）研究發現，在不同秸稈施用方式條件下接種蚯蚓，與原土相比，在蚯蚓排泄物中含有較多的土壤黏粒。這與本研究中接種蚯蚓顯著提高土壤的粉粒和黏粒含量、降低土壤砂粒含量的結果相似，蚯蚓吞食土壤后，經過砂囊和腸道的摩擦作用致使土壤顆粒破碎，并與腸道黏液充分接觸形成黏粒含量較高的排泄物進入土壤（Lavelle et al.，2000；Mcinerney and Bolger，2000）。

一般來說，土壤pH較高或較低對農業生產均有不利影響。蚯蚓通過調節pH改變土壤質量，不同生態類型和密度蚯蚓對pH的影響存在差異。本研究結果表明，對照土壤呈弱堿性，而接種低密度赤子愛勝蚓后，土壤pH顯著下降趨于中性。主要原因可能是土壤和有機物料通過赤子愛勝蚓中性腸道環境后形成蚓糞排出，進而降低了土壤pH（徐坤等，2019；楊佳宜等，2020；張孟豪等，2022）。同時，本研究結果還顯示高密度參狀遠盲蚓使土壤pH顯著上升，原因可能源于該處理土壤碳氮含量提升和交換性鹽基離子的釋放（Kunito et al.，2016；王麗華等，2018）。

土壤養分含量是衡量土壤肥力質量的重要指標，有機碳、全氮和速效養分含量作為重要的土壤養分，可反映土壤肥力高低。本研究中，蚯蚓通過調節養分狀況改變土壤質量，不同生態類型和密度蚯蚓的影響有所不同；主成分分析結果顯示接種蚯蚓后土壤全氮、堿解氮和有機碳含量較高，而有效磷含量較低。蚯蚓對有機碳和全氮含量的提升源于其取食分解碳氮含量較高的有機物料排泄蚓糞混入土壤，進而有效提高土壤有機碳和全氮含量（Zhang et al.，2013；邵元虎等，2015），同時又導致堿解氮含量提高。蚯蚓對土壤有效磷的降低作用可能與蚯蚓及其體內微生物利用土壤中有效磷養分有關（Zhang et al.，2000；王皓宇等，2020）。此外，相比低密度蚯蚓和赤子愛勝蚓處理，高密度蚯蚓處理和參狀遠盲蚓處理明顯偏向有機碳較高而有效磷較低的方向，該結果表明高密度蚯蚓和參狀遠盲蚓有提升有機碳而降低有效磷的趨勢，原因可能主要在于兩者能快速分解轉化有機物料，在此過程中可能繁殖大量微生物，同時消耗更多有效磷。

土壤陽離子交換量是土壤保肥和供肥能力的重要標志，交換量高的土壤能保存更多的磷、鉀、鈣、鎂和銨等營養元素（黃福珍，1982）。本研究結果表明，蚯蚓通過調節陽離子交換性能改變土壤肥力質量；主成分分析結果顯示，相比對照，接種蚯蚓處理明顯偏向陽離子交換性能較高的方向，而這也表明接種蚯蚓確實有提高土壤陽離子交換性能的趨勢，究其原因可能與土壤有機碳含量提高及蚯蚓將土壤中部分砂粒轉化為黏粒有關（Sizmur and Hodson，2009）。

綜上所述，本研究通過對土壤機械組成、pH、養分含量和交換性能進行主成分分析，并基于此計算土壤綜合質量指數，發現接種低密度赤子愛勝蚓可顯著提高土壤綜合質量。但本研究中的相同密度是在控制等生物量條件下加入不同條數的蚯蚓，參狀遠盲蚓單體重大、數量少可能是導致其對土壤質量的影響作用與赤子愛勝蚓有差異的原因，更進一步的結論需在田間試驗中繼續驗證。

4 結論

蚯蚓在水澆地土壤中的活動會促進土壤砂粒轉化為粉粒和黏粒。低密度的赤子愛勝蚓能有效調節水澆地土壤pH、提高養分含量和陽離子交換性能，進而明顯提高水澆地的土壤綜合質量，而高密度赤子愛勝蚓和參狀遠盲蚓的接種并未造成土壤綜合質量的顯著提升。因此，在華南地區水澆地的生態管理上，選擇接種低密度的表棲型赤子愛勝蚓可改變土壤質地并提升土壤綜合質量。