蚯蚓活動(dòng)對(duì)銅尾礦廢棄地土壤養(yǎng)分的影響

張 衡, 朱永恒, 韓 斐

(1.安徽師范大學(xué) 國(guó)土資源與旅游學(xué)院, 安徽 蕪湖241003; 2.安徽自然災(zāi)害過(guò)程與防控研究省級(jí)實(shí)驗(yàn)室, 安徽 蕪湖241003)

蚯蚓活動(dòng)對(duì)銅尾礦廢棄地土壤養(yǎng)分的影響

張 衡1,2, 朱永恒1,2, 韓 斐1,2

(1.安徽師范大學(xué) 國(guó)土資源與旅游學(xué)院, 安徽 蕪湖241003; 2.安徽自然災(zāi)害過(guò)程與防控研究省級(jí)實(shí)驗(yàn)室, 安徽 蕪湖241003)

摘要：[目的] 研究蚯蚓活動(dòng)對(duì)銅尾礦廢棄地土壤養(yǎng)分的影響,以期為利用土壤動(dòng)物進(jìn)行銅尾礦生態(tài)恢復(fù)提供參考。 [方法] 在室內(nèi)恒溫(20 ℃)條件下培養(yǎng)1個(gè)月，共設(shè)置8種處理進(jìn)行試驗(yàn)。 [結(jié)果] (1) 接種蚯蚓對(duì)土壤養(yǎng)分的影響強(qiáng)弱順序依次為：有效磷>有機(jī)質(zhì)>速效鉀>堿解氮，且隨著蚯蚓密度的增加土壤養(yǎng)分的含量呈上升趨勢(shì)； (2) 添加秸稈后接種蚯蚓對(duì)銅尾礦廢棄地土壤養(yǎng)分的影響強(qiáng)弱順序依次為：有效磷>堿解氮>速效鉀>有機(jī)質(zhì)，且隨著蚯蚓密度的增加土壤養(yǎng)分的含量呈上升趨勢(shì)； (3) 接種蚯蚓且添加秸稈比僅接種蚯蚓對(duì)土壤養(yǎng)分的影響大，且影響速度表現(xiàn)為：有效磷>速效鉀>堿解氮>有機(jī)質(zhì)。 [結(jié)論] 蚯蚓對(duì)銅尾礦廢棄地土壤養(yǎng)分的恢復(fù)具有促進(jìn)作用,蚯蚓密度越大影響作用越強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：蚯蚓; 銅尾礦廢棄地; 土壤養(yǎng)分

隨著人類利用各種礦產(chǎn)資源規(guī)模的不斷擴(kuò)大，礦業(yè)廢棄地隨之產(chǎn)生，它是一種人為的裸地和特殊的退化生態(tài)系統(tǒng)。持續(xù)增加的尾礦廢棄地和極其緊張的土地資源形成一對(duì)尖銳的矛盾，急需對(duì)閑置的尾礦廢棄地進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)與利用。治理和利用這些土地是當(dāng)今比較熱門(mén)的生態(tài)問(wèn)題。土壤養(yǎng)分是土壤提供給植物生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)元素，是土壤中能直接或經(jīng)轉(zhuǎn)化后被植物根系吸收的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)。由于大部分礦山廢棄地缺乏N，P，K和有機(jī)質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，如果將修復(fù)后的土地用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，首先要恢復(fù)土壤肥力，提高土壤生產(chǎn)力[1]。蚯蚓具有改善土壤理化性質(zhì)，促進(jìn)土壤養(yǎng)分的作用。有研究[2-4]表明，蚯蚓活動(dòng)能提高土壤肥力，能增加土壤有效養(yǎng)分，有利于作物根系生長(zhǎng)發(fā)育和對(duì)養(yǎng)分的吸收?；诖耍狙芯客ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)室控制試驗(yàn)，研究蚯蚓活動(dòng)對(duì)銅尾礦廢棄地土壤養(yǎng)分的影響。以期為土壤動(dòng)物對(duì)銅尾礦生態(tài)恢復(fù)研究提供參考。

1研究區(qū)概況與研究方法

1.1　研究區(qū)概況

林沖尾礦地位于安徽省銅陵市鳳凰山境內(nèi)，位于117°43′28″E，30°56′42″N，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫16.2 ℃，年平均降水量1 390 mm，年平均無(wú)霜期為230 d，年平均濕度75%～80%[5]。林沖尾礦地是三面環(huán)山，一面修建石壩(長(zhǎng)200 m，高40 m)，面積約31 hm2，海拔高度105 m，總庫(kù)容為1.20×106m3。于1979年廢棄不用，當(dāng)?shù)剞r(nóng)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(zhǎng)雜草，其中優(yōu)勢(shì)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(qū)土壤為黃棕壤，銅尾礦廢棄地的基本理化性質(zhì)詳見(jiàn)表1。

表1　供試土壤基本理化性質(zhì)

1.2　材料設(shè)置

在銅陵市鳳凰山林沖銅尾礦地，于2014年4月20日運(yùn)用五點(diǎn)采樣法(先確定對(duì)角線的中點(diǎn)作為中心抽樣點(diǎn)，再在對(duì)角線上選擇4個(gè)與中心樣點(diǎn)距離相等的點(diǎn)作為樣點(diǎn))，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(fēng)干，過(guò)10目的篩備用。將從市場(chǎng)買(mǎi)回的赤子愛(ài)勝蚓(Eiseniafoetida)放入帶回的小部分混合土壤中培養(yǎng)12 d，使它適應(yīng)銅尾礦地土壤環(huán)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(zhǎng)曬干，然后放入清水中浸泡，當(dāng)水變成淺醬色后，取出并抖干其中的水分，然后放入一個(gè)黑塑料袋密封放置，在材料開(kāi)始腐爛時(shí)取出待用。

1.3　試驗(yàn)設(shè)置

試驗(yàn)設(shè)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(fù)3次。具體為：取24個(gè)直徑20 cm、高15 cm的盆，放入過(guò)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(yàn)土與秸稈的質(zhì)量比為50∶1，在室內(nèi)恒溫(20 ℃)避光培養(yǎng)。培養(yǎng)1個(gè)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(fēng)干土樣以供測(cè)試。

1.4　測(cè)定項(xiàng)目與方法

項(xiàng)目測(cè)定按魯如坤《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》一書(shū)描述的方法進(jìn)行[7]。土壤酸堿度：尾礦∶水質(zhì)量比=1∶2.5，采用pH計(jì)測(cè)定；有機(jī)質(zhì)含量采用高溫外加熱重絡(luò)酸鉀氧化—容量法測(cè)定；有效氮含量采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；有效磷含量采用碳酸氫鈉法測(cè)定；全銅含量采用HF-HNO3-HCLO4消煮—原子吸收分光光度法測(cè)定。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理采用Excel和SPSS 17軟件進(jìn)行分析。

2結(jié)果與討論

2.1　接種蚯蚓對(duì)銅尾礦廢棄地土壤養(yǎng)分的影響

從表2可以看出，培養(yǎng)一個(gè)月后各處理有機(jī)質(zhì)含量隨著蚯蚓密度的增加呈下降趨勢(shì)，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(wú)蚯蚓有機(jī)質(zhì)差異達(dá)極顯著性。說(shuō)明蚯蚓能夠顯著的分解有機(jī)質(zhì)，并且蚯蚓越多越有利于有機(jī)質(zhì)的分解。培養(yǎng)1個(gè)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(shì)，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(shuō)明接種蚯蚓能夠促進(jìn)土壤中堿解氮、有效磷和速效鉀。根據(jù)F值顯著性差異可以看出，接種蚯蚓對(duì)銅尾礦廢棄地土壤養(yǎng)分的影響強(qiáng)弱順序?yàn)椋河行Я?有機(jī)質(zhì)>速效鉀>堿解氮。

2.2　添加秸稈后接種蚯蚓對(duì)銅尾礦廢棄地土壤養(yǎng)分的影響

從表3可以看出，培養(yǎng)1個(gè)月后各處理有機(jī)質(zhì)含量隨著蚯蚓密度的增加呈下降趨勢(shì)，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(wú)蚯蚓有機(jī)質(zhì)呈極顯著性差異。說(shuō)明添加秸稈后蚯蚓能夠顯著的分解有機(jī)質(zhì)，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(yǎng)1個(gè)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(shì)，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(wú)蚯蚓達(dá)極顯著性差異。說(shuō)明添加秸稈后接種蚯蚓能夠促進(jìn)土壤中堿解氮、有效磷和速效鉀。其中接種蚯蚓對(duì)有效磷的影響與劉德輝[8]研究的一致。在劉德輝的培養(yǎng)試驗(yàn)中，以花生秸中添加秉氏環(huán)毛蚓,在培養(yǎng)25，50，100，150 d時(shí)的有效磷含量分別比培養(yǎng)之初增加了28.5%，48.5%，63.0%和75.2%。根據(jù)F值顯著性差異可以看出，添加秸稈后接種蚯蚓對(duì)銅尾礦廢棄地土壤養(yǎng)分的影響強(qiáng)弱順序?yàn)椋河行Я?有機(jī)質(zhì)>堿解氮>速效鉀。

表2　不同蚯蚓密度對(duì)銅尾礦廢棄地不同土壤養(yǎng)分的影響

注：同一行小寫(xiě)和大寫(xiě)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(chǔ)上不同蚯蚓密度對(duì)銅尾礦廢棄地不同土壤養(yǎng)分的影響

2.3　接種蚯蚓與接種蚯蚓且添加秸稈對(duì)銅尾礦廢棄地土壤養(yǎng)分的影響

從表4可以看出，在接種0蚯蚓時(shí)，顯然只有有效磷達(dá)極顯著性差異，從F值可以看出僅添加秸稈對(duì)土壤養(yǎng)分的影響強(qiáng)弱順序?yàn)椋河行Я?速效鉀>堿解氮>有機(jī)質(zhì)。在接種2條蚯蚓時(shí)，接種蚯蚓且添加秸稈比僅接種蚯蚓對(duì)土壤養(yǎng)分影響更大，其中有效磷和速效鉀達(dá)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(duì)土壤養(yǎng)分的影響強(qiáng)弱順序?yàn)椋核傩р?有效磷>堿解氮>有機(jī)質(zhì)。在接種4條蚯蚓時(shí)，接種蚯蚓且添加秸稈比僅接種蚯蚓對(duì)土壤養(yǎng)分影響的大，其中有效磷和速效鉀達(dá)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(duì)土壤養(yǎng)分的影響強(qiáng)弱順序?yàn)椋河行Я?速效鉀>堿解氮>有機(jī)質(zhì)。在接種8條蚯蚓時(shí)，接種蚯蚓且添加秸稈比僅接種蚯蚓對(duì)土壤養(yǎng)分影響的大，其中有效磷達(dá)極顯著性差異，為2.81 mg/kg，從F值可以看出添加秸稈對(duì)土壤養(yǎng)分的影響強(qiáng)弱順序?yàn)椋河行Я?速效鉀>堿解氮>有機(jī)質(zhì)?？傊?，可以看出接種蚯蚓且添加秸稈比僅接種蚯蚓對(duì)土壤養(yǎng)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(duì)土壤養(yǎng)分的影響為速效鉀>有效磷，其余均表現(xiàn)為：有效磷>速效鉀，說(shuō)明接種蚯蚓且添加秸稈比僅接種蚯蚓對(duì)土壤養(yǎng)分的影響強(qiáng)弱順序?yàn)椋河行Я?速效鉀>堿解氮>有機(jī)質(zhì)。

表4　對(duì)比接種蚯蚓與接種蚯蚓且添加秸稈對(duì)銅尾礦廢棄地土壤養(yǎng)分的影響

3討 論

3.1　蚯蚓對(duì)有機(jī)質(zhì)的影響

土壤有機(jī)物質(zhì)包括各種動(dòng)植物殘?bào)w以及微生物及其生命活動(dòng)的各種有機(jī)產(chǎn)物。其中相對(duì)穩(wěn)定的是經(jīng)過(guò)復(fù)雜的生物化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程，主要是微生物的生命活動(dòng)形成的土壤腐殖質(zhì)[7]。蚯蚓能分解和混合土壤有機(jī)質(zhì)。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(jī)質(zhì)[9]。從表5可以看出，試驗(yàn)過(guò)程中蚯蚓的體重是增加的，可能是由于蚯蚓吞食有機(jī)質(zhì)形成的，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中有機(jī)質(zhì)的含量是減少的。蚯蚓是有機(jī)質(zhì)降解過(guò)程的重要驅(qū)動(dòng)者[10]。Ndegwa[11]通過(guò)4個(gè)投放密度用污泥和覆紙為底物喂養(yǎng)8周，最后發(fā)現(xiàn)有蚯蚓存在的處理物中有機(jī)質(zhì)含量大幅降低，且密度越大降低的就越多。

表5　試驗(yàn)初末蚯蚓體重變化的情況　g/kg

3.2　蚯蚓對(duì)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(zhǎng)的有效養(yǎng)分，蚯蚓若能促進(jìn)這些營(yíng)養(yǎng)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(nèi)恒溫(20 ℃)的條件下研究蚯蚓活動(dòng)對(duì)潮土中氮素礦化特征的影響。結(jié)果表明無(wú)論是否添加秸稈,接種蚯蚓處理(E,OE)的土壤礦質(zhì)氮水平均相應(yīng)的較對(duì)照處理(S,O)有顯著提高(p<0.05),到培養(yǎng)55 d時(shí),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(jié)果表明蚯蚓對(duì)銅尾礦廢棄地土壤堿解氮、有效磷和速效鉀均有促進(jìn)作用。不但如此，還促進(jìn)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(dú)特的作用。

表6　試驗(yàn)土壤中銅含量變化的情況　mg/kg

4結(jié) 論

(1) 在銅尾礦土壤中接種蚯蚓能夠促進(jìn)土壤養(yǎng)分。培養(yǎng)一個(gè)月后各處理有機(jī)質(zhì)含量隨著蚯蚓密度的增加呈下降趨勢(shì)，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(shì)，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(duì)銅尾礦廢棄地土壤養(yǎng)分的影響強(qiáng)弱順序?yàn)椋河行Я?有機(jī)質(zhì)>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(jìn)土壤養(yǎng)分。培養(yǎng)一個(gè)月后各處理有機(jī)質(zhì)含量隨著蚯蚓密度的增加呈下降趨勢(shì)，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(shì)，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(duì)銅尾礦廢棄地土壤養(yǎng)分的影響強(qiáng)弱順序?yàn)椋河行Я?有機(jī)質(zhì)>堿解氮>速效鉀。

(3) 比較接種蚯蚓與接種蚯蚓且添加秸稈對(duì)銅尾礦廢棄地土壤養(yǎng)分的影響，可以看出接種蚯蚓且添加秸稈比僅接種蚯蚓對(duì)土壤養(yǎng)分的影響大，且影響速度強(qiáng)弱順序?yàn)椋河行Я?速效鉀>堿解氮>有機(jī)質(zhì)。

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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(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-288X(2015)06-0178-04

中圖分類號(hào)：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(dǎo)師,主要從事土壤生態(tài)學(xué)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(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“銅尾礦廢棄地自然演替過(guò)程中土壤動(dòng)物遷居研究”(41001031)

第一作者：張衡(1988—),男(漢族),安徽省渦陽(yáng)縣人，碩士研究生,研究方向?yàn)橥寥郎鷳B(tài)學(xué)。E-mail:szxyzhangheng@163.com。