兩種代表性蚯蚓對設(shè)施菜地土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)的影響

王 笑,王 帥,滕明姣,林小芬,吳 迪,孫 靜,焦加國,劉滿強,*,胡 鋒

1 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院土壤生態(tài)實驗室, 南京 210095 2 江蘇省有機固體廢棄物資源化協(xié)同創(chuàng)新中心, 南京 210014

兩種代表性蚯蚓對設(shè)施菜地土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)的影響

王 笑1,2,王 帥1,2,滕明姣1,2,林小芬1,2,吳 迪1,2,孫 靜1,2,焦加國1,2,劉滿強1,2,*,胡 鋒1,2

1 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院土壤生態(tài)實驗室, 南京 210095 2 江蘇省有機固體廢棄物資源化協(xié)同創(chuàng)新中心, 南京 210014

不同生態(tài)型蚯蚓的取食偏好和生境有所差異,因此蚯蚓的生態(tài)型差異可能關(guān)乎其對土壤性質(zhì)的不同影響；有關(guān)不同生態(tài)型蚯蚓對土壤性質(zhì)尤其是微生物學(xué)性質(zhì)影響的研究有助于了解蚯蚓生態(tài)功能的作用機制。在野外調(diào)控試驗的第4年采集土壤,研究了牛糞混施和表施處理下內(nèi)層種威廉腔環(huán)蚓(Metaphireguillelmi)和表層種赤子愛勝蚓(Eiseniafoetida)對設(shè)施菜地土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和主要理化性質(zhì)的影響。結(jié)果表明,土壤微生物群落結(jié)構(gòu)同時受到蚯蚓種類和牛糞施用方式的影響。牛糞表施時,兩種蚯蚓均顯著降低了菌根真菌、真菌生物量和原生動物生物量(P< 0.05)；牛糞混施時,不同蚯蚓的影響有所差異,威廉腔環(huán)蚓明顯增加了菌根真菌、真菌生物量和放線菌生物量,而赤子愛勝蚓的作用不明顯。此外,兩種蚯蚓均提高了土壤孔隙度、團聚體穩(wěn)定性和土壤pH、礦質(zhì)氮以及微生物生物量碳氮水平,但提高幅度取決于蚯蚓種類和牛糞施用方式。冗余分析表明蚯蚓影響下土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的變化與團聚體穩(wěn)定性、pH、速效磷、礦質(zhì)氮呈正相關(guān),而與土壤容重呈負(fù)相關(guān)。

微生物群落；赤子愛勝蚓；威廉腔環(huán)蚓；有機物施用；土壤性質(zhì)；土壤動物

我國農(nóng)業(yè)中化肥過量施用已經(jīng)引發(fā)了公眾對食品安全和環(huán)境污染等問題的擔(dān)憂,這在集約化的設(shè)施蔬菜栽培中尤為突出[1-2]。例如,大量研究結(jié)果表明長期施用化肥會降低土壤生物活性,導(dǎo)致土壤質(zhì)量退化[3-4]。相比之下,有機物料如畜禽糞便廄肥的施用不僅能夠提高土壤有機質(zhì)和養(yǎng)分水平,而且能夠促進土壤生物群落的發(fā)展和生態(tài)功能的增強[5- 7]。因此,合理施用和評估畜禽糞便對土壤生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的影響對于今后減少其本身的環(huán)境問題及資源化利用都具有重要價值。以往有機廢棄物對土壤質(zhì)量改良的研究多集中在土壤理化性質(zhì)和微生物學(xué)性質(zhì)上,但針對土壤動物這一土壤碎屑食物網(wǎng)內(nèi)的重要組分卻關(guān)注甚少[8]。

大型土壤動物蚯蚓作為“生態(tài)系統(tǒng)工程師”,在維持土壤生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能方面占有重要地位,加強蚯蚓生態(tài)服務(wù)功能、提高土壤過程的自調(diào)節(jié)能力正是當(dāng)前發(fā)展生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)所亟需的[9]。在蚯蚓調(diào)節(jié)土壤功能過程的背后,實質(zhì)上主要是蚯蚓與土壤微生物的密切聯(lián)系和共同作用[10- 12],但有關(guān)聯(lián)系特別是蚯蚓對微生物群落的影響格局及機制尚缺乏深入了解。涵蓋各種生態(tài)系統(tǒng)、土壤類型及蚯蚓種類的研究基本得出的一致結(jié)論是：蚯蚓不僅通過直接取食微生物來影響微生物群落,還通過改變土壤理化性質(zhì),包括土壤孔隙度、團聚體穩(wěn)定性、持水特征、土壤酸堿度、有機碳組成和礦質(zhì)養(yǎng)分元素的有效性等間接影響土壤微生物群落。特別值得注意的是,以往的研究證實了蚯蚓影響微生物群落結(jié)構(gòu)與多種因素有關(guān),其中蚯蚓的生態(tài)(類)型差異是關(guān)鍵因子,但是仍關(guān)注較少[11]。實際上,不同生態(tài)型的蚯蚓與其生境(生活的土壤層次)和食物資源偏好密切相關(guān),并進而影響其對土壤微生物群落及生態(tài)功能的作用。例如,表層種蚯蚓的生物擾動能力低,主要生活在土壤表層,取食有機質(zhì),對氮素礦化有顯著促進作用,是廣泛應(yīng)用的堆肥種[13]；相比之下,內(nèi)層種蚯蚓主要生活在土壤內(nèi),生物擾動能力高,偏好取食富含有機質(zhì)的土壤,能夠很好地將有機物和土壤混合[14],對土壤物理結(jié)構(gòu)及養(yǎng)分循環(huán)都有顯著的促進作用[9]。有機物料表施時,接種表層種蚯蚓和深層種蚯蚓后土壤pH值、碳水化合物、氨基酸含量顯著增加[15]；當(dāng)有機物料混施入土壤時,內(nèi)層種蚯蚓能促進土壤物理結(jié)構(gòu)改善,提高礦質(zhì)氮含量,但表層種蚯蚓作用不明顯[16]。因此,這兩種蚯蚓在不同牛糞施用方式下對微生物群落結(jié)構(gòu)的影響也可能會不同。雖然兩類蚯蚓在國內(nèi)外廣泛分布,特別是對生態(tài)系統(tǒng)功能的影響可能不同,但是有關(guān)二者功能機制差異的研究仍較為缺乏。

了解蚯蚓對土壤微生物群落的影響將為揭示土壤生態(tài)功能機制提供重要依據(jù)。值得一提的是,現(xiàn)有的研究主要是室內(nèi)較小時空尺度的控制實驗,而土壤生物的作用受到環(huán)境條件的巨大的影響,田間較大時空尺度上的研究可以更好的反映實際自然條件下蚯蚓的真實作用,因此具備更廣泛的研究意義。本研究利用野外設(shè)施蔬菜地,通過接入內(nèi)層種(威廉腔環(huán)蚓Metaphireguillelmi)和表層種蚯蚓(赤子愛勝蚓Eiseniafoetida),結(jié)合不同牛糞施用方式,探究土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的變化,為揭示蚯蚓調(diào)控土壤生態(tài)過程的機制奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究地點及實驗設(shè)計

定位試驗位于江蘇省蘇州相城區(qū)有機蔬菜種植基地,土壤質(zhì)地為粘壤土,初始土壤基本性質(zhì)如下：pH 5.96,有機碳21.9 g/kg,總氮2.65 g/kg,堿解氮148 mg/kg和有效磷4.70 mg/kg。從2009年開始,采用番茄-菠菜輪作方式,番茄種植期為4月到7月,菠菜種植期為10月到12月。試驗采用3×2雙因素交互設(shè)計,即蚯蚓3水平(未接蚯蚓、接內(nèi)層種威廉腔環(huán)蚓Metaphireguillelmi和接表層種赤子愛勝蚓Eiseniafoetida)和牛糞堆肥(常規(guī)堆制,下文簡稱為牛糞)施用方式2水平(表施和混施),并根據(jù)當(dāng)?shù)厥┓仕皆O(shè)置了單施化肥的對照處理[9]。因此,本試驗的所有處理為：①牛糞表施；②牛糞表施+赤子愛勝蚓；③牛糞表施+威廉腔環(huán)蚓；④牛糞混施；⑤牛糞混施+赤子愛勝蚓；⑥牛糞混施+威廉腔環(huán)蚓；⑦單施化肥。其中,威廉腔環(huán)蚓是在當(dāng)?shù)剞r(nóng)田中調(diào)查所得優(yōu)勢土著種,赤子愛勝蚓是常見堆肥種。每個處理3個重復(fù),隨機區(qū)組排列。小區(qū)面積為1.2 m×2.4 m,每個小區(qū)與小區(qū)之間采用硅酸鈣水泥板隔開,間隔0.5 m,硅酸鈣水泥板深入土壤0.6 m,高出地面0.2 m,防止蚯蚓逃逸及小區(qū)地表肥料的徑流。根據(jù)當(dāng)?shù)氐氖┓仕?化肥的用量為：N 300 kg/hm2,P2O5360 kg/hm2,K2O 260 kg/hm2,牛糞的施用量為30 t/hm2,其基本性質(zhì)：N 22.15 g/kg、P 12.10 g/kg、K 2.10 g/kg、含水量76%。此為多年種植蔬菜的設(shè)施大棚,在該定位實驗之前,由于連續(xù)施用化肥和每年夏天都進行大棚封閉的悶棚處理(大棚內(nèi)溫度都在60℃以上),因此大棚內(nèi)沒有蚯蚓。此外,在實驗開始后每年都調(diào)查蚯蚓,并用手撿法除去未接蚯蚓處理中的極少數(shù)蚯蚓。根據(jù)當(dāng)?shù)卣{(diào)查所得,威廉腔環(huán)蚓是優(yōu)勢土著種,未能發(fā)現(xiàn)表層種赤子愛勝蚓,為比較兩種生態(tài)型蚯蚓作用的差異性,設(shè)定兩種生態(tài)型蚯蚓的接種密度均為60 g/m2,且于每年第一季作物播種前一周調(diào)查各小區(qū)內(nèi)蚯蚓數(shù)量,如接種蚯蚓小區(qū)蚯蚓數(shù)量少于初始接種量,則補充蚯蚓數(shù)量到60 g/m2的密度(近4年每小區(qū)每年的補充量不超過初始量的20%),不接蚯蚓的處理中手撿去除小區(qū)內(nèi)全部蚯蚓。蚯蚓接種前,用米湯進行清腸處理24 h,接入時將蚯蚓按一定的間距均勻擺放到田面上,觀察蚯蚓入土情況,必要時替換活性較差的蚯蚓。田間各處理采用相同的管理措施,如滴灌和人工除草等。為保證蚯蚓的正?；顒?在實驗過程中不使用農(nóng)藥。

蚯蚓及土壤樣品的采集均于2013年7月(第4年)蔬菜收獲期進行。每個小區(qū)隨機挖0.4 m × 0.6 m × 0.6 m大小的樣方3個,手撿法調(diào)查蚯蚓的生長狀況和數(shù)量,再根據(jù)面積比例求得整個小區(qū)的蚯蚓數(shù)量,用米湯將蚯蚓進行清腸24 h后稱重,記錄蚯蚓生物量。土壤樣品采用S型取樣法,每個小區(qū)選取5個采樣點用土鉆采集表層土(0—20 cm),用于土壤化學(xué)性質(zhì)(4 ℃保存)的測定；此外,每個小區(qū)選取5個點用環(huán)刀采集田間原狀土,用于土壤容重的測定。

1.2 土壤理化性質(zhì)分析

采集的土壤樣品分別用于測定土壤水穩(wěn)性團聚體組成、pH、速效養(yǎng)分(氮磷)、微生物生物量碳氮和土壤微生物群落結(jié)構(gòu)。

土壤容重采用環(huán)刀法測定。環(huán)刀內(nèi)的土壤體積為100 cm3,通過測定含水量求得土壤容重及孔隙度：

式中，M為環(huán)刀及濕土重(g),G為環(huán)刀重(g),V為環(huán)刀容積(cm3),W為土壤含水量(%)。

水穩(wěn)性團聚體測定,稱取50.0g風(fēng)干土用濕篩法分成> 2 mm、2—0.25 mm、0.25—0.053 mm和< 0.053 mm共4個級別,用平均重量直徑(MWD)來描述團聚結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[17]：

式中,Ri是第i個篩子的孔徑,R0=R1,R4=R3,n為篩子的數(shù)量,mi是第i個篩子上顆粒百分比。

土壤pH使用無CO2水浸提(土水比1∶2.5,W∶V)電位法測定；礦質(zhì)氮(銨態(tài)氮和硝態(tài)氮)采用2 mol/L KCl溶液浸提(土液比1∶5,W∶V),連續(xù)流動分析儀(Auto Analyer AA3,德國)測定；速效磷測定使用鉬藍比色法；土壤微生物生物量碳氮(MBC,MBN)測定采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法,熏蒸與未熏蒸提取液中的有機碳、氮差值分別除以系數(shù)(KC=0.38,KN=0.54)計算MBC和MBN含量。浸提液中的有機碳和氮分別采用有機碳分析儀(Elementar Vario EL III,德國)和凱氏定氮法測定[17]。

1.3 土壤微生物磷脂脂肪酸(PLFA)分析

稱取2.00 g冷凍干燥的土樣,采用修正的Bligh-Dyer方法提取,將提取液中包含磷脂的部分用堿性甲醇分解成脂肪酸甲基酯,然后用氣相色譜儀上機測定,識別和量化的磷脂脂肪酸用MIDI軟件中的微生物校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)來確定。用19:0的脂肪酸甲酯作為內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)將代表PLFAs的其他峰面積轉(zhuǎn)換為濃度含量。某些PLFAs被用來確定特定的微生物群體的存在及它們的豐富度,細(xì)菌用i14:0, i15:0, a15:0, 15:0, i16:0, 16:lω9, 16:lω7t, i17:0, a17:0, 17:0, 17:1ω8, cy17:0, 18:lω7, cy19:0來表征,其中i14:0, i15:0, ai15:0, i16:0, i17:0, a17:0屬于革蘭氏陽性菌,16:1ω9, 16:1ω7t, cy17:0, 18:1ω5, 18:1ω7, cy19:0屬于革蘭氏陰性菌；真菌用18:2ω6c來表征；菌根真菌用16:1w5c來表征；放線菌用10Me16:0, 10Me17:0,10Me18:0來表征；原生動物用20:2ω6c, 20:3ω6c, 20:4ω6c來表征[18-19]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示,文中顯著水平均指P<0.05,利用SPSS進行雙因素方差分析、冗余分析(RDA)及主成分分析(PCA)等。將PLFA的特征脂肪酸含量的數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)換成百分?jǐn)?shù)之后,用PCA評估蚯蚓和牛糞施入方式下微生物群落結(jié)構(gòu)的整體變化。收獲期蚯蚓的生物量與初始接種的蚯蚓生物量比較及化肥處理與其他處理之間的比較均采用獨立樣本t檢驗方法分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 蚯蚓生物量

與初始接種量相比,除牛糞混施下赤子愛勝蚓生物量下降12%外,其他處理蚯蚓生物量均顯著增加,尤其是牛糞混施下威廉腔環(huán)蚓生物量增加幅度達47%(表1)。

表1 不同代表性蚯蚓在牛糞表施或混施時的生物量

S：牛糞表施,SM：牛糞表施+威廉腔環(huán)蚓,SE：牛糞表施+赤子愛勝蚓,I：牛糞混施,IM：牛糞混施+威廉腔環(huán)蚓,IE：牛糞混施+赤子愛勝蚓；配對t檢驗顯著水平

2.2 土壤微生物群落

2.2.1 土壤微生物生物量

蚯蚓類型顯著影響土壤MBC(F=50.6,P<0.05)和MBN(F=302.0,P<0.05)；牛糞施用方式也顯著影響土壤MBC(F=9.0,P<0.05)和MBN(F=32.6,P<0.05)；蚯蚓類型與牛糞施用方式的交互作用顯著影響土壤MBN(F=59.0,P<0.05),但對土壤MBC的影響沒有達到顯著水平(F=1.3,P> 0.05)(表3)。牛糞表施或混施,在蚯蚓作用下MBC和MBN含量均升高,并且赤子愛勝蚓對MBC的促進作用要比威廉腔環(huán)蚓的更大；相比之下,威廉腔環(huán)蚓對MBN的影響比赤子愛勝蚓更強,其中牛糞表施時,赤子愛勝蚓對MBN影響沒有達到顯著水平。與單施化肥相比,單施牛糞處理顯著提高MBC和MBN,其中混施條件下對MBC效果更顯著,表施條件下對MBN效果更顯著(圖1)。

圖1 不同種類蚯蚓在牛糞表施或混施時對土壤微生物生物量碳和微生物生物量氮的影響Fig.1 Soil microbial biomass carbon and nitrogen contents as influenced by different types of earthworm and the way of cattle manure application虛線代表單施化肥處理的數(shù)值,*表示單施化肥處理與其他處理相比微生物生物量碳、氮的變化達到顯著水平

2.3.2 土壤微生物群落結(jié)構(gòu)

雙因素方差分析表明,蚯蚓類型、牛糞施用方式及二者的交互作用對各特征脂肪酸含量的影響沒有達到顯著水平(數(shù)據(jù)略)。與施加化肥的處理相比,無論是否接種蚯蚓牛糞表施或混施均顯著提高了土壤中各特征脂肪酸含量；其中在不接種蚯蚓時,牛糞表施處理比牛糞混施處理具有更高細(xì)菌生物量、菌根真菌、真菌生物量(表2)。牛糞表施時,兩種不同生態(tài)型蚯蚓均顯著降低了土壤中菌根真菌、真菌生物量、原生動物生物量,其中威廉腔環(huán)蚓對放線菌生物量也引起顯著降低；牛糞混施時,兩種生態(tài)型蚯蚓均增加了革蘭氏陰性菌生物量,其中威廉腔環(huán)蚓還顯著增加菌根真菌、真菌生物量、放線菌生物量。

蚯蚓改變了土壤微生物群落結(jié)構(gòu),尤其在牛糞表施時兩種類型蚯蚓的影響比牛糞混施時效果更明顯,且赤子愛勝蚓在牛糞表施而威廉腔環(huán)蚓在牛糞混施時影響比較大(圖2)。RDA排序圖的典型軸1和軸2共解釋了微生物群落結(jié)構(gòu)變異的57.44%(圖3),說明土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子之間有很強的關(guān)聯(lián)性。團聚體平均重量直徑、pH、礦質(zhì)氮、速效磷對微生物群落影響較大,且大多土壤微生物類群與團聚體平均重量直徑、pH、速效磷呈顯著正相關(guān),與土壤容重呈顯著負(fù)相關(guān)(圖3)。

表2 牛糞表施或混施時不同種類蚯蚓對各特征磷脂脂肪酸含量的影響

S：牛糞表施,SM：牛糞表施+威廉腔環(huán)蚓,SE：牛糞表施+赤子愛勝蚓,I：牛糞混施,IM：牛糞混施+威廉腔環(huán)蚓,IE：牛糞混施+赤子愛勝蚓；G+：革蘭氏陽性菌,G-：革蘭氏陰性菌,F/B：真菌/細(xì)菌；不同小寫字母代表土壤理化性質(zhì)處理間達到顯著差異；*表示單施化肥處理與其他處理相比達到顯著差異水平P<0.05

圖2 不同種類蚯蚓在牛糞表施或混施時對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)影響的主成分分析圖Fig.2 Principal component analysis bi-plot showing soil microbial community structure influenced by different types of earthworm and the way of cattle manure applicationS：牛糞表施, SM：牛糞表施+威廉腔環(huán)蚓,SE：牛糞表施+赤子愛勝蚓,I：牛糞混施,IM：牛糞混施+威廉腔環(huán)蚓,IE：牛糞混施+赤子愛勝蚓

圖3 土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與土壤因子之間相關(guān)性的冗余分析排序圖Fig.3 Redundancy analysis bi-plot between soil microbial community structure and soil propertiesMWD,平均重量直徑；Bulk,容重； Min-N,礦質(zhì)氮；AP,速效磷；Total,總微生物量；G+,革蘭氏陽性菌生物量；G-,:革蘭氏陰性菌生物量；bact,細(xì)菌生物量；fung,真菌生物量； F/B,真菌/細(xì)菌；AMF,菌根真菌；Prot,原生動物生物量；Acti,放線菌生物量

2.3 土壤理化性質(zhì)的變化

蚯蚓類型顯著影響土壤團粒結(jié)構(gòu)(F=18.60,P<0.05)、礦質(zhì)氮(F=19.41,P<0.05)和速效磷(F=7.4,P<0.05)；牛糞施用方式也顯著影響土壤團粒結(jié)構(gòu)(F=5.66,P<0.05)、礦質(zhì)氮(F=5.80,P<0.05)和速效磷(F=101.4,P<0.05)及土壤pH(F=5.0,P<0.05)；蚯蚓類型與牛糞施用方式的交互作用對土壤團粒結(jié)構(gòu)(F=8.68,P<0.05)、礦質(zhì)氮(F=8.78,P<0.05)和速效磷(F=31.6,P<0.05)及土壤pH(F=20.5,P<0.05)也有顯著影響(表3)。土壤礦質(zhì)氮和速效磷含量均受到蚯蚓類型的顯著影響,并與牛糞施用方式有顯著的交互作用(表3)。蚯蚓顯著提高了土壤礦質(zhì)氮含量,其中牛糞表施時赤子愛勝蚓較威廉腔環(huán)蚓的促進作用更強(圖4)。蚯蚓對速效磷含量的影響更依賴于其種類和牛糞施用方式,在牛糞表施和混施時分別是赤子愛勝蚓和威廉腔環(huán)蚓的作用更強(圖4)。單施牛糞處理土壤礦質(zhì)氮含量顯著低于單施化肥處理；但牛糞顯著提高了速效磷含量(圖4)。

表3蚯蚓類型和牛糞施用方式對土壤理化性質(zhì)的影響方差分析

Table3Two-wayANOVAresultsshowingtheeffectsofearthworms,manureplacementsandtheirinteractiononsoilphysicochemicalproperties

自由度df團粒結(jié)構(gòu)AggregatestructurepH礦質(zhì)氮Mineralnitrogen速效磷Availablephosphorus微生物生物量碳MicrobialbiomassC微生物生物量氮MicrobialbiomassN蚯蚓類型Earthwormecotype(E)F2，1218．60?1．319．41?7．4?50．6?302．0?牛糞施用方式Manureapplication(M)F1，125．66?5．0?5．80?101．4?9．0?32．6?交互Interaction(M×E)F2，128．68?20．5?8．78?31．6?1．359．0?Error12

團粒結(jié)構(gòu)用平均重量直徑來表示；*P<0.05

圖4 不同類型蚯蚓在牛糞表施或混施時對土壤礦質(zhì)氮和有效磷含量的影響Fig.4 Soil mineral N and available phosphorus contents as influenced by different types of earthworm and the way of cattle manure application虛線代表單施化肥處理,*表示單施化肥處理與其他處理相比達到顯著差異水平 P<0.05

不同種類蚯蚓均能提高土壤pH和團粒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性(表3,表4),對容重和孔隙度的影響不明顯。在牛糞表施時,威廉腔環(huán)蚓顯著提高了團聚體穩(wěn)定性,而赤子愛勝蚓作用不顯著(表4)。在牛糞混施時,兩種生態(tài)型蚯蚓均顯著提高土壤pH。不論蚯蚓的類型和牛糞施用方式,與單施化肥相比,二者均能夠改善土壤性質(zhì),如提高土壤pH、孔隙度、容重和團聚體穩(wěn)定性等(表4)。

表4 不同種類蚯蚓在牛糞表施或混施時對土壤理化性質(zhì)的影響

S：牛糞表施, SM：牛糞表施+威廉腔環(huán)蚓,SE：牛糞表施+赤子愛勝蚓,I：牛糞混施,IM：牛糞混施+威廉腔環(huán)蚓,IE：牛糞混施+赤子愛勝蚓；團粒結(jié)構(gòu)用團聚體平均重量直徑表示；不同小寫字母代表土壤理化性質(zhì)在處理間達到顯著差異；*表示單施化肥處理與其他處理相比達到顯著差異水平P<0.05

3 討論

本研究中的赤子愛勝蚓屬于典型的表層種,主要取食有機物且居住在有機物內(nèi),因此接種到牛糞混施的小區(qū)內(nèi),由于生境上未能完全滿足其需求,因此生物量有所下降。相比之下,牛糞表施情況下更適合赤子愛勝蚓生活；而威廉腔環(huán)蚓是典型的內(nèi)層種,主要取食富含有機物的土壤,因此在牛糞混施時威廉腔環(huán)蚓的生長狀況較赤子愛勝蚓更好。

3.1 不同種類蚯蚓對土壤理化性質(zhì)的影響

無論牛糞表施或混施,兩種生態(tài)型蚯蚓均顯著地提高了土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。蚯蚓一方面通過直接作用挖穴來改變土壤團聚體結(jié)構(gòu),另一方面也可以通過間接作用,比如蚯蚓糞、取食微生物、提高土壤有機質(zhì)含量等來影響土壤團聚體結(jié)構(gòu)[20]。Gilot等也得到過類似結(jié)論,接種蚯蚓后,土壤中> 2 mm大團聚體含量顯著增加17.6%,< 0.053 mm粘砂礫含量顯著降低19.7%[21]。Blanchart等的野外實驗表明,蚯蚓M.anomala的活動形成土壤中粒徑大于50 mm的大團聚體,而另外一種細(xì)長的蚯蚓的排泄活動主要形成0—5 mm的小團聚體,這表明蚯蚓種類的差異對土壤物理結(jié)構(gòu)的影響也有明顯不同[22]。還有研究發(fā)現(xiàn),蚯蚓糞的溶脹值和孔隙度均顯著高于對照處理,分別達到50%和20%[23]。

土壤有機氮的礦化主要通過微生物來調(diào)控,蚯蚓對土壤微生物群落及活性的影響間接影響土壤中有機氮的礦化過程。蚯蚓腸道中獨特的厭氧環(huán)境及可利用有機物的增加可極大地刺激反硝化細(xì)菌的生長和活性,從而大大提高土壤中礦質(zhì)氮的含量[24]。菌根真菌菌絲對土壤中磷的親和力較強,可以吸收土壤中活性磷轉(zhuǎn)化成易被植物利用的速效磷,蚯蚓可以通過影響菌根真菌從而間接影響有效磷含量[25]。在牛糞混施時威廉腔環(huán)蚓比赤子愛勝蚓顯著提高了土壤礦質(zhì)氮和速效磷含量,可能是由于威廉腔環(huán)蚓食土和活動能力強,通過掘穴,取食土壤等活動顯著提高土壤團粒結(jié)構(gòu),增加土壤孔隙度及促進有機物和土壤的混合,從而提高微生物生物量及活性,微生物生物量及活性的提高則可能促進了土壤中礦質(zhì)氮和速效磷含量的增加。有研究表明,施加牛糞可顯著提高土壤有機氮含量[26]。在牛糞不同施用方式下,不同種類蚯蚓的作用有所差異。在牛糞表施時,赤子愛勝蚓作用顯著；在牛糞混施時,威廉腔環(huán)蚓作用更為明顯。可能的原因是,赤子愛勝蚓作為傳統(tǒng)的堆肥種,偏好取食上層有機物碎屑,主要在有機物內(nèi)生存,因此在牛糞表施時,更易于牛糞分解,提高土壤微生物生物量及活性,從而影響礦質(zhì)氮和速效磷含量；而威廉腔環(huán)蚓偏好取食富含有機質(zhì)的土壤,對土壤擾動能力較強,生活在下層土壤中,主要通過腸道蠕動和分泌粘液來促進微生物活性,從而促進氮的礦化和植物對磷的吸收[27]。

3.2 不同種類蚯蚓對土壤微生物群落的影響

本研究發(fā)現(xiàn)不同種類蚯蚓對微生物生物量碳、氮的影響不同,一方面威廉腔環(huán)蚓較赤子愛勝蚓更有效地提高微生物生物量氮生物量,說明土壤潛在有效氮的含量有較大程度的提高,這與Tian[28]的研究結(jié)果相一致。由于威廉腔環(huán)蚓的生物擾動能力強,能夠通過強烈的取食、腸道研磨和生物擾動作用破壞真菌菌絲,并刺激細(xì)菌生長,從而導(dǎo)致微生物生物量氮的增加[29]。另一方面,赤子愛勝蚓較威廉腔環(huán)蚓更有效地提高微生物生物量碳生物量。主要原因可能有以下幾個方面：(1)威廉腔環(huán)蚓體型較大,較赤子愛勝蚓取食更多的土壤微生物,從而導(dǎo)致微生物生物量碳含量降低[6]；(2)威廉腔環(huán)蚓活動會分泌大量的膠粘物質(zhì),通過代謝進入土壤中,這些代謝物質(zhì)可能抑制微生物繁殖[30]；(3)作為傳統(tǒng)堆肥種,赤子愛勝蚓更有利于微生物對牛糞的利用和轉(zhuǎn)化,進而提高土壤微生物生物量碳[31]。此外,本研究還發(fā)現(xiàn),相對于不接種蚯蚓的處理,赤子愛勝蚓在牛糞混施條件下更有利于微生物生物量氮的提高,可能是由于在牛糞表施時,赤子愛勝蚓取食有機物,對微生物的消耗占主導(dǎo)作用,而在牛糞混施時,赤子愛勝蚓體表分泌的粘液、排泄蚓糞對微生物的間接刺激作用占主導(dǎo),從而更大程度上提高了微生物生物量氮。牛糞混施條件下,微生物則直接利用牛糞中的養(yǎng)分,從而導(dǎo)致微生物生物量氮高于牛糞表施處理；而表施條件下,土壤活性養(yǎng)分通過水分淋洗釋放到土壤中,刺激細(xì)菌生物量的增加,因此微生物量氮含量較高。由于氯仿熏蒸法測定的微生物生物量包含了休眠的甚至死亡的微生物,因而磷脂脂肪酸方法測得的PLFA總量就更有助于了解不同生態(tài)型蚯蚓對土壤活性微生物的影響[32,33]。除牛糞混施接種威廉腔環(huán)蚓處理PLFA總量明顯增加外,接種蚯蚓并未引起土壤活性微生物量的顯著變化,這與張寶貴等獲得的結(jié)果相近[34]。

與單施化肥相比,無論牛糞表施還是混施均顯著增加土壤菌根真菌、真菌生物量,但混施條件下增加幅度小于表施條件。牛糞表施條件下,牛糞分解比較緩慢,有利于真菌生長；而牛糞混施條件下,牛糞和土壤接觸比較充分,分解速度比較快,有利于細(xì)菌生長。兩種蚯蚓在牛糞表施時均顯著降低了菌根真菌、真菌生物量,這與Koubová的結(jié)果類似[35]。蚯蚓偏好取食真菌,真菌菌絲通過蚯蚓消化道后被破壞,從而導(dǎo)致其生物量降低；也有研究認(rèn)為蚯蚓在促進牛糞分解的過程中,促進氮素礦化從而更有利于細(xì)菌的繁殖,土壤中形成以細(xì)菌占主導(dǎo)的微生物群落結(jié)構(gòu),并導(dǎo)致真菌在微生物群落中的相對比例降低[36]。本研究結(jié)果還表明,牛糞表施情況下,兩種蚯蚓還顯著降低原生動物生物量,可能的原因是蚯蚓腸道對原生動物產(chǎn)生消極影響[37]。但也有研究表明,蚯蚓通過增加微生物特別是細(xì)菌的生物量和活性,從而有利于提高原生動物的數(shù)量和活性[38],不同研究之間的差異可能是由多方因素造成,如蚯蚓種類及土壤類型的差異等；造成差異的另一個原因可能是由于本研究中在牛糞表施時威廉腔環(huán)蚓對活性革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌并未引起顯著差異,因此并未刺激原生動物數(shù)量和活性的增加。

牛糞混施時,兩種生態(tài)型蚯蚓均顯著增加革蘭氏陰性菌生物量,同時威廉腔環(huán)蚓還顯著增加菌根真菌、真菌生物量,赤子愛勝蚓并未引起顯著差異,Capowiez和Amossé的研究也得出相同結(jié)果[39,40]。早有研究表明,pH增加能夠?qū)е挛⑸锶郝湎蚋锾m氏陰性菌增加,革蘭氏陽性菌減少的方向發(fā)展[41]。因此本研究中在牛糞混施時,兩種種類蚯蚓增加了土壤pH從而對革蘭氏陰性菌生物量有顯著提高。菌根真菌生物量主要受兩個方面的共同影響,一是威廉腔環(huán)蚓的生物擾動能力較強,因而在取食過程中更有利于促進土壤團聚體的形成,從而間接保護了土壤菌根真菌。另外,威廉腔環(huán)蚓體表攜帶或蚓穴周圍有較多菌根繁殖體,且蚓糞中的激素類物質(zhì)均能促進菌根侵染[42],因而威廉腔環(huán)蚓作用下菌根真菌生物量顯著提高。同時,真菌/細(xì)菌可反映土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性,本研究中兩種類型蚯蚓均對真菌/細(xì)菌未引起顯著差異,微生物群落結(jié)構(gòu)中真菌和細(xì)菌相對含量并沒有顯著變化,表明微生物群落的改變可能受土壤食物鏈中養(yǎng)分資源有效性和取食微生物的高營養(yǎng)級土壤生物的共同影響。

冗余分析同樣驗證了土壤微生物群落與土壤理化性質(zhì)因子在不同生態(tài)型蚯蚓結(jié)合不同施用方式牛糞處理下的相互關(guān)系。土壤環(huán)境對土壤微生物群落具有一定的選擇或環(huán)境過濾作用[43],而土壤動物相比微生物群落在短期內(nèi)對土壤生境因子的影響可以更迅速。本研究中土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的改變主要歸因于蚯蚓提高了土壤pH、團聚體穩(wěn)定性及土壤孔隙度等,微生物群落結(jié)構(gòu)的改變也可能進一步影響了土壤速效養(yǎng)分的含量。蚯蚓通過掘穴、排泄等活動影響了土壤團粒結(jié)構(gòu)的形成,團粒結(jié)構(gòu)的形成一定程度上保護了菌根真菌不被取食；蚯蚓腸道具有的較高濕度、穩(wěn)定的pH(趨于中性)、C/N較低等特點被認(rèn)為是最適宜微生物繁殖的生境,同時腸道粘液含有豐富的可溶性有機碳,對細(xì)菌生長和繁殖有刺激作用,從而顯著提高氮的周轉(zhuǎn)過程。蚯蚓一方面通過取食作用消耗真菌,另一方面蚓糞中的激素類物質(zhì)又有助于菌根真菌生物量的增加。微生物生物量及活性的提高進一步加速土壤養(yǎng)分循環(huán),增加土壤中有效養(yǎng)分含量。

4 結(jié)論

在不同牛糞施用方式下,兩種類型蚯蚓均改善了土壤理化性質(zhì)并改變了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)。其中,赤子愛勝蚓僅在牛糞表施下顯著促進了土壤團粒結(jié)構(gòu)和速效磷含量,在牛糞混施條件下作用效果不明顯；而無論牛糞表施或混施,威廉腔環(huán)蚓均有利于土壤團粒結(jié)構(gòu)的形成和養(yǎng)分有效性的提高。無論牛糞表施或混施,赤子愛勝蚓對微生物生物量碳的作用更強,而威廉腔環(huán)蚓對微生物生物量氮的作用更顯著。牛糞表施條件下,兩種生態(tài)型蚯蚓均顯著降低了菌根真菌、真菌生物量、原生動物生物量；牛糞混施條件下,兩種生態(tài)型蚯蚓均增加了革蘭氏陰性菌生物量,其中威廉腔環(huán)蚓還顯著增加菌根真菌、真菌生物量和放線菌生物量?？傊?田間條件下不同生態(tài)型蚯蚓的生境和取食偏好不同,在土壤中的功能地位也差異明顯,因此評價蚯蚓的影響特別是其生態(tài)功能作用需要結(jié)合蚯蚓的生態(tài)型信息。

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Impactsoftwotypicalearthwormsonsoilmicrobialcommunitystructureandphysicochemicalpropertiesinagreenhousevegetablefield

WANG Xiao1,2, WANG Shuai1,2, TENG Mingjiao1,2, LIN Xiaofen1,2, WU Di1,2, SUN Jing1,2, JIAO Jiaguo1,2, LIU Manqiang1,2,*, HU Feng1,2

1SoilEcologyLaboratory,CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing210095,China2JiangsuCollaborativeInnovationCenterforSolidOrganicWasteResourceUtilization,Nanjing210014,China

Earthworms are considered one of the most important soil ecosystem engineers. Earthworms play critical roles in soil functioning through their burrowing, feeding, and casting activities. There are distinct ecological strategies (i.e., food selection, ingestion, assimilation, and habitat preference) for different earthworm ecotypes. Consequently, different earthworm ecotypes would have different effects on soil properties. Understanding the impacts of different earthworms on soil microbial communities would increase our mechanistic understanding of the role of earthworms in ecosystem services. Several studies have shown that earthworms facilitate the translocation of fresh residues into soil and create suitable habitat (casts, middens and burrows) for other soil organisms. Moreover, the interaction of earthworm feeding strategies and organic amendment could profoundly modulate soil properties and microbial community structure. However, there is a knowledge gap in this respect. In particular, few studies have been conducted under field conditions. To understand the long-term impact of earthworms and manure on soil microbial community structure, a tomato-spinach rotation experiment was initiated in 2009. Based on the soil collected during the fourth year following the set-up of the field experiment, the effects of two typical earthworms (i.e., endogeicMetaphireguillelmiand epigeicEiseniafoetida) and two manure application treatments (i.e., surface mulch and incorporation into the soil) on soil microbial community were investigated. The native endogeic species,Metaphireguillelmi, lives in the upper soil layers and primarily consumes soil mineral particles rich in organic matter, whereasE.foetida, a well-known epigeic species, resides mainly in the upper organic layers and feeds on litter materials. Our results demonstrated that soil microbial community structure was significantly affected by earthworm species and the method of manure application. With manure application at the soil surface, earthworms could significantly decrease mycorrhizal fungi, fungi biomass and protozoa biomass independent of earthworm type (P< 0.05). When manure was incorporated into the soil,M.guillelmisignificantly increased mycorrhizal fungi, fungi biomass and actinomyces biomass, although the effect ofE.foetidawas not significant. Regardless of type, earthworms significantly increased soil porosity, soil aggregate stability represented by mean weight diameter and pH, soil mineral nitrogen, available phosphorus, as well as microbial biomass carbon and nitrogen content. In addition, the extent of increase depended on earthworm ecotype and the method of manure application. Redundancy analysis showed that earthworm-mediated microbial community structure was positively correlated with soil aggregate stability as expressed by mean weight diameter, pH, and available phosphorus content, whereas it was negatively correlated with soil bulk density.

microbial community;Eiseniafoetida;Metaphireguillelmi; organic amendment; soil properties; soil fauna

國家自然科學(xué)基金項目(41171206)；公益性行業(yè)科研專項(201503121)；江蘇省高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程項目(PAPD)

2016- 05- 05; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 03- 22

10.5846/stxb201605050863

*通訊作者Corresponding author.E-mail: liumq@njau.edu.cn

王笑,王帥,滕明姣,林小芬,吳迪,孫靜,焦加國,劉滿強,胡鋒.兩種代表性蚯蚓對設(shè)施菜地土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)的影響.生態(tài)學(xué)報,2017,37(15):5146- 5156.

Wang X, Wang S, Teng M J, Lin X F, Wu D, Sun J, Jiao J G, Liu M Q, Hu F.Impacts of two typical earthworms on soil microbial community structure and physicochemical properties in a greenhouse vegetable field.Acta Ecologica Sinica,2017,37(15):5146- 5156.