蚯蚓對(duì)N2O排放的影響及途徑研究進(jìn)展

羅天相 盧以鑫

摘要：土壤生態(tài)系統(tǒng)與溫室氣體排放關(guān)系密切。蚯蚓參與調(diào)控土壤的能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)過(guò)程，對(duì)土壤溫室氣體如N2O的產(chǎn)生與排放產(chǎn)生重要影響。蚯蚓影響N2O排放的關(guān)鍵酶基因，特別是反硝化過(guò)程中的Nir與Nos基因比，調(diào)控土壤硝化和反硝化作用進(jìn)程，影響土壤N2O排放。蚯蚓促進(jìn)土壤氮素分解礦化過(guò)程，與氮素可利用性密切相關(guān)，顯著影響了N2O的產(chǎn)生和排放。秸稈殘?bào)w還田處理是一種常見(jiàn)的農(nóng)田管理方式，有助于培肥土壤。但不同C/N的秸稈、秸稈施加方式（混施、表施）在接種不同生態(tài)型蚯蚓后，對(duì)土壤N2O排放量的影響差異很大。蚯蚓在取食、活動(dòng)包括死亡后，都可能直接釋放出N2O，盡管直接排放的N2O量在田間的比例相對(duì)較低，但這在微系統(tǒng)中仍然不容忽視。

關(guān)鍵詞：蚯蚓;N2O;排放途徑;關(guān)鍵酶基因;秸稈殘?bào)w還田;源匯;研究進(jìn)展

中圖分類號(hào)：S154.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2019）18-0050-04

收稿日期：2018-05-27

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：31460150）;宜春學(xué)院地方發(fā)展中心研究項(xiàng)目（編號(hào)：2015DF031）。

作者簡(jiǎn)介：羅天相（1973—），男，江西南昌人，博士，教授，主要從事土壤生態(tài)學(xué)與環(huán)境生態(tài)學(xué)研究。E-mail：ltxls@139.com。

蚯蚓是一種大型的土壤動(dòng)物，分布廣泛，是生態(tài)系統(tǒng)中重要的功能類群。作為N2O生成與排放的生態(tài)系統(tǒng)活動(dòng)式“熱點(diǎn)”[1]，蚯蚓是陸地溫室氣體（特別是N2O）排放的重要生物源。據(jù)估計(jì)，蚯蚓源所排放的N2O約為3×108 kg/年[2]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，蚯蚓的種群密度會(huì)隨著農(nóng)田管理措施的改善而顯著增加，所以蚯蚓對(duì)土壤N2O排放的增量效應(yīng)在未來(lái)可能持續(xù)增長(zhǎng)[3]。Borken等的研究表明，蚯蚓促進(jìn)了土壤N2O的排放[4-5]，但由于蚯蚓生態(tài)型各異及農(nóng)田秸稈施加方式不同等諸多原因，相關(guān)觀點(diǎn)尚未達(dá)成一致。表施植物殘?bào)w土壤的蚯蚓促進(jìn)土壤N2O排放量增加，但是秸稈混施后接種蚯蚓卻未增加N2O排放[6]。

一般認(rèn)為，蚯蚓腸道、穴際土壤及其排泄物構(gòu)成的蚓觸圈是蚯蚓成為N2O排放源的重要原因。在蚯蚓排泄物中，可溶性有機(jī)氮和銨態(tài)氮（NH4+-N）具有較高的含量;蚓觸圈內(nèi)的土壤硝化和反硝化菌數(shù)量多、酶活性高，蚯蚓在土壤含氮物質(zhì)的破碎、礦化過(guò)程中有促進(jìn)效應(yīng)。蚯蚓腸道是一個(gè)特殊的微環(huán)境，具有豐富的微生物組成和群落，好氧與兼性微生物種類豐富，蚯蚓的混合活動(dòng)和腸道厭氧的微域環(huán)境，使新鮮蚓糞和穴際土壤的反硝化作用加強(qiáng)[4]，促進(jìn)土壤N2O排放。蚯蚓還能吞食由氮分子形成的細(xì)菌排放出N2O[1]。蚯蚓的取食和掘穴活動(dòng)使土壤表層疏松，土壤孔隙度增加，反硝化過(guò)程的中間產(chǎn)物在土壤孔隙間傳導(dǎo)，避免反硝化作用產(chǎn)生的N2O還原為N2[7]。隨著全球氮沉降及農(nóng)田氮肥施用量的增加，蚯蚓對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)反硝化作用產(chǎn)生影響，硝化和反硝化過(guò)程的中間產(chǎn)物增多，氣態(tài)氮的逸失亦會(huì)增加。

盡管當(dāng)前蚯蚓與N2O的排放是研究熱點(diǎn)，但對(duì)于蚯蚓影響N2O排放的影響結(jié)論并不一致，相關(guān)機(jī)制分析上亦未達(dá)成一致意見(jiàn)。為充分了解蚯蚓在土壤生態(tài)系統(tǒng)中的功能地位，明確蚯蚓影響N2O排放的可能途徑，本文根據(jù)文獻(xiàn)綜述了蚯蚓影響土壤溫室氣體排放的途徑及相關(guān)機(jī)制。

1?對(duì)硝化、反硝化微生物基因的影響

微生物數(shù)量及活性受蚯蚓不同生態(tài)型、土壤理化性質(zhì)和土壤有機(jī)質(zhì)分異多種因素影響[8]。蚯蚓可通過(guò)2種機(jī)制影響土壤中的微生物：分解、礦化及掘穴過(guò)程中改變土壤生境，從而間接刺激蚓觸圈內(nèi)微生物活性，改變微生物群落位置;直接取食活體微生物，經(jīng)由蚯蚓腸道的微環(huán)境，使排泄物及蚓糞中的微生物群落較原土發(fā)生改變。

1.1?影響N2O排放的關(guān)鍵酶基因

在自然環(huán)境中的氮元素循環(huán)過(guò)程中，微生物的硝化作用和反硝化作用是土壤N2O的主要來(lái)源，在低氧或兼氣的生態(tài)系統(tǒng)中，反硝化作用是主要過(guò)程。反硝化過(guò)程中的催化酶包括亞硝酸鹽還原酶（Nir）、硝酸鹽還原酶（Nar）、氧化亞氮還原酶（Nos）及NO還原酶（Nor）。這些酶又由特異的功能基因編碼。Nir又分為細(xì)胞色素酶及可溶性含銅酶，由nir S及nir K基因分別進(jìn)行編碼，nir能催化反硝化過(guò)程中最關(guān)鍵的一步反應(yīng)，限制反硝化作用中的反應(yīng)速度[9]，將亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為N2O的前體——NO，所以成為反硝化過(guò)程中最重要的功能基因[10]。Nos基因豐度在土壤氮素代謝及N2O排放中亦具有重要功能，它降低了土壤N2O/N2轉(zhuǎn)化率，與反硝化過(guò)程形成的最終產(chǎn)物關(guān)系密切，不過(guò)Nos編碼基因缺乏并不會(huì)明顯影響N2O的產(chǎn)生量[11]。

1.2?反硝化作用酶類基因與N2O排放

蚯蚓腸道產(chǎn)生的N2O與腸道內(nèi)的反硝化細(xì)菌密切相關(guān)[12]，反硝化菌在厭氧的腸道環(huán)境中具有較高活性[13]，Nir基因促進(jìn)N2O排放，可稱為“源”，Nos基因減少了環(huán)境中N2O向大氣的排放，成為N2O的“匯”。正是因?yàn)轵球灸c道及蚓觸圈內(nèi)具有的這些功能性酶類基因，能實(shí)現(xiàn)N2O產(chǎn)生與抑制的動(dòng)態(tài)平衡。蚯蚓的接種能使土壤nir K基因拷貝數(shù)[14]、nir S基因含量[15]以及nar G基因拷貝數(shù)[16]得以提高，在原地條件下，蚯蚓是N2O的主要排放源[17]。同時(shí)，蚯蚓腸道內(nèi)存在的氧化亞氮還原酶包括非典型的NosZ Ⅱ型及典型的NosZ Ⅰ型[12]，這也是抑制N2O排放的重要原因，蚓觸圈內(nèi)的nos Z基因豐度與N2O排放量負(fù)相關(guān)。nir與nos基因比與N2O排放密切相關(guān)[12]，接種內(nèi)層種黃頸透鈣蚓（Pontoscolex corethrurus）后，蚯蚓排泄的蚓糞nir K和nos Z基因的相對(duì)豐度較對(duì)照土壤均顯著增加，但或許是由于nir與nos基因比未發(fā)生大的改變，中觀尺度下，蚯蚓并沒(méi)有顯著促進(jìn)氣態(tài)產(chǎn)物的生成[18]。

1.3?硝化作用微生物基因

雖然硝化作用并非N2O排放的最主要來(lái)源，但是在氨氧化過(guò)程中，其中間產(chǎn)物會(huì)發(fā)生化學(xué)分解而釋放出N2O[19]。氨氧化古菌（AOA）具有很強(qiáng)的硝化能力，無(wú)論在好氧條件下還是在厭氧條件下的豐度均較高，在生態(tài)系統(tǒng)氮素轉(zhuǎn)化和調(diào)控氨氧化反應(yīng)的過(guò)程中具有重要作用。AOA基因組序列中amo A即氨單加氧酶基是調(diào)控反應(yīng)的關(guān)鍵酶，保守性強(qiáng)，在研究AOA或AOB的分子標(biāo)記時(shí)常被使用[20]。研究表明，接種蚯蚓能提高土壤中amo A基因拷貝數(shù)。蚯蚓能促進(jìn)土壤微生物量的增加，蚓觸圈中的土壤及含有充足養(yǎng)分的蚓糞均有利于細(xì)菌繁殖擴(kuò)散。接種蚯蚓使土壤生態(tài)系統(tǒng)中amo A基因豐度逐漸增加并趨于穩(wěn)定，nir基因豐度則可能逐漸降低[14]。蚯蚓取食及活動(dòng)使農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)微生物的硝化和反硝化作用加強(qiáng)，土壤N2O的排放量增加[21]。

2?對(duì)氮分解礦化過(guò)程的影響

土壤氮素來(lái)源包括施用外源氮肥、施加秸稈殘?bào)w和大氣氮素的沉降等多種途徑。土壤氮素轉(zhuǎn)化過(guò)程包括有機(jī)態(tài)氮和無(wú)機(jī)態(tài)氮在生態(tài)系統(tǒng)中的硝化和反硝化、分解礦化等過(guò)程，高達(dá)53%的大氣N2O來(lái)源在氮素轉(zhuǎn)化過(guò)程中產(chǎn)生并排放到大氣中[22]。氮素的分解礦化過(guò)程與可利用性氮及N2O排放關(guān)系密切。蚯蚓通過(guò)生理代謝及體壁分泌特殊黏液、直接排泄有效態(tài)氮豐富的蚓糞、蚓體死亡分解作用[12]影響土壤氮素礦化過(guò)程;同時(shí)，蚓觸圈中豐富的營(yíng)養(yǎng)元素加快了土壤微生物的擴(kuò)散并提高了它們的活性，微生物使土壤氮素的周轉(zhuǎn)和分解速率得以加快。

蚯蚓的排泄物中可溶性有機(jī)氮和NH4+-N含量較高，硝化及反硝化作用加強(qiáng)，從而提高了土壤中有效氮的組成，同時(shí)加快了有機(jī)質(zhì)的分解速率。新鮮的蚓糞含有較高量的微生物，其中存在的氮多以NH4+-N的形式存在，硝態(tài)氮（NO3--N）含量相對(duì)較少，隨著蚓糞在蚓觸圈中微生物的協(xié)同作用下，蚓糞中的氮組分發(fā)生改變，NH4+-N的含量下降，而NO3--N的含量上升。蚓糞增強(qiáng)了土壤氮的硝化作用，促進(jìn)NH4+-N向NO3--N的轉(zhuǎn)化[23]，NO3--N含量提高會(huì)增加N2O/N2的值[6]，土壤中更多的氮素轉(zhuǎn)化成N2O并逸失。蚯蚓通過(guò)取食、掘穴等形成蚯蚓穴道，這些土壤中的蚓道構(gòu)造復(fù)雜，增大了蚓觸圈范圍，可能影響到土壤氮素的礦化。蚓穴便于氣體交換和水分流動(dòng)，蚯蚓穴壁土壤中富含NO3--N 和活性炭，蚯蚓1～2 mm的穴際土壤中含有較高的硝化和反硝化菌基因豐度，接種蚯蚓加快了土壤含氮有機(jī)物的分解和礦化，增加了土壤生態(tài)系統(tǒng)中N2O的排放量[4]。

配施秸稈的情況下，蚯蚓取食和生活并不會(huì)過(guò)度消耗土壤中的碳、氮元素，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的碳、氮總體保持平衡[5]。研究普遍認(rèn)為，接種蚯蚓提高了農(nóng)田土壤礦質(zhì)氮和NO3--N的含量[24]。秸稈混施或表施時(shí)，接種蚯蚓均能顯著改變土壤NO3--N和NH4+-N的含量，并促進(jìn)土壤氮的礦化。蚯蚓還可以促進(jìn)家畜排泄物中氮素的礦化，引入蚯蚓等糞食性動(dòng)物后氮礦化速度可以提高約38%，蚯蚓是起主導(dǎo)作用的動(dòng)物類群[25]。接種蚯蚓使土壤生態(tài)系統(tǒng)微生物量氮庫(kù)擴(kuò)大，加速了有機(jī)氮的礦化。

田間調(diào)查發(fā)現(xiàn)，庭院菜地耕作層中蚯蚓種群的平均密度為272條/m2，蚯蚓的生物量約為68.04 g/m2[26]，低于草地生態(tài)系統(tǒng)161 g/m2鮮質(zhì)量蚯蚓生物量[27]。蚯蚓體內(nèi)的水分含量約為84%，蚯蚓干組織中N含量約為11%。據(jù)估算，田間蚯蚓死亡后約可以貢獻(xiàn)氮0.7 g/m2[12]，盡管這遠(yuǎn)低于田間氮肥施用或植物殘?bào)w氮源輸入量，但微系統(tǒng)中這是一個(gè)不容忽視的氮源。

蚯蚓可以保持土壤生態(tài)系統(tǒng)中氮素的平衡。當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)中氮素含量較高時(shí)，蚯蚓使土壤反硝化作用加強(qiáng)，含氮?dú)怏w（如N2、NOx等）在這個(gè)過(guò)程中從生態(tài)系統(tǒng)中逸散[28]。蚯蚓與農(nóng)田土壤碳氮循環(huán)關(guān)系密切，但在氮素礦化過(guò)程中，蚯蚓影響N2O排放的相關(guān)途徑、作用機(jī)制仍不確定[6]。

3?蚯蚓與施加秸稈的交互作用

秸稈還田是一種重要的農(nóng)田管理措施，有助于土壤肥力的提升。由于易被分解和礦化成土壤可利用態(tài)氮源，秸稈殘?bào)w的施用會(huì)增加土壤生態(tài)系統(tǒng)N2O的排放量。全球農(nóng)業(yè)活動(dòng)每年約可以提供40億t的植物殘?bào)w，由這些秸稈導(dǎo)致的N2O排放量估計(jì)每年可達(dá)0.4 TgN，聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）估計(jì)農(nóng)田秸稈施用后的氮釋放量約為植物殘?bào)wN的1.25%。通過(guò)增加土壤有益微生物活性和營(yíng)養(yǎng)元素的可利用性，秸稈還田使土壤肥力提升，穩(wěn)定了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的有機(jī)質(zhì)含量。農(nóng)田秸稈在土壤中的分解、破碎及礦化過(guò)程復(fù)雜，可能與作物秸稈種類、表施或混施方式、土壤含氮量及相關(guān)理化性狀有關(guān)。施加秸稈對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)N2O代謝的影響結(jié)論不一，但普遍認(rèn)為作物殘?bào)w可礦化氮量及其C/N的值是關(guān)鍵性要素[29]。反硝化過(guò)程是施用作物殘?bào)w后土壤N2O排放的主要來(lái)源[12，30]。

作物秸稈氮素轉(zhuǎn)化為含氮?dú)怏w（特別是N2O）的比例關(guān)系較難確定。接種蚯蚓破碎、分解作物秸稈，加快秸稈混入土壤的速度。蚯蚓取食、代謝導(dǎo)致植物殘?bào)w中的氮加速轉(zhuǎn)化，并形成易被植物和土壤微生物利用的礦質(zhì)氮。蚯蚓腸道特殊環(huán)境下纖維素酶等微生物活性較高，難分解的纖維素等物質(zhì)在蚯蚓腸道內(nèi)被消化、分解并轉(zhuǎn)化為易吸收利用的有機(jī)物，最終以蚓糞的形式排出，微生物能較好地利用蚓糞中的代謝產(chǎn)物[31]，高木質(zhì)素、高C/N和多酚含量的作物秸稈腐解速度得以加快[29]。蚯蚓接種后，低C/N植物殘?bào)w（如菜餅）的N2O排放系數(shù)提高，而高C/N植物殘?bào)w（如玉米稈和水稻秸稈）的N2O排放系數(shù)隨之降低[32]。

通過(guò)礦化作用，植物殘?bào)w約可以釋放氮 150 kg/hm2，不同耕作系統(tǒng)下，植物殘?bào)w的管理措施差異如表施或混施、全量或半量等都可能影響到土壤N2O排放。植物殘?bào)w不同的施加方式可能使蚯蚓的生態(tài)功能發(fā)生改變，在殘?bào)w表施時(shí)蚯蚓增加了N2O的排放，殘?bào)w混施蚯蚓的促排效應(yīng)減弱。蚯蚓通過(guò)取食和掘穴等生理活動(dòng)，能夠使植物殘?bào)w在土壤耕作層中得以混勻，殘?bào)w中的氮素等營(yíng)養(yǎng)元素能得到更好地利用。而植物殘?bào)w混施類似于農(nóng)田管理中的耕耘活動(dòng)，使蚯蚓上食下居生態(tài)功能減弱，植物殘?bào)w混施對(duì)N2O排放的影響在試驗(yàn)后期具有局限性[5-6]。蚯蚓接入的土壤NH4+-N含量基本保持不變，NO3--N含量顯著增多。且表施秸稈接入蚯蚓的處理組比混施秸稈接入蚯蚓處理組NO3--N含量增加更顯著。通過(guò)分析試驗(yàn)得出，N2O的排放量與土壤NO3--N含量具有相關(guān)性，蚯蚓加速了秸稈的分解，使反硝化作用加強(qiáng)并增加土壤N2O的排放量。

蚯蚓有3種生態(tài)型，取食習(xí)性各異，蚯蚓的種類組成、秸稈自身的性質(zhì)和組成成分相互作用并影響秸稈的分解、礦化過(guò)程，但秸稈及蚯蚓相互作用下對(duì)N2O排放的影響及途徑仍不明確[6]。

4?蚯蚓直接生成N2O

深棲型蚯蚓長(zhǎng)流蚓（Aporrectodea longa）通過(guò)間接影響土壤結(jié)構(gòu)、排泄蚓糞等，顯著影響土壤N2O排放的范圍和動(dòng)態(tài)變化[6]。同時(shí)，蚯蚓腸道厭氧的微域環(huán)境在消化降解有機(jī)物和硝酸根離子后，也可以直接排放N2O[2]?；谠囼?yàn)?zāi)M及檢索蚯蚓腸道和非根際土壤中的系統(tǒng)樹(shù)功能基因[13，33]，其豐富的反硝化功能菌可能顯著促進(jìn)了N2O排放。

盡管蚯蚓直接生成排放的N2O量并不高[3-4]，但蚯蚓腸道特殊的微域中需氧微生物和兼性微生物種群豐富，粉正蚓（Lumbricus rubellus）及Octolasium lacteum腸道厭氧環(huán)境下添加NO3-后，顯著促進(jìn)土壤生態(tài)系統(tǒng)中N2O排放[34]。草地中觀生態(tài)系統(tǒng)中，蚯蚓直接排放的溫室氣體如N2O和CO2并沒(méi)有顯著增加土壤溫室氣體的總排放量[6]，盡管單個(gè)新鮮蚯蚓長(zhǎng)流蚓和粉正蚓的N2O排放量在2.5～25.0 ng/（h·g）之間[1-6]，蚯蚓在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中直接排放的溫室氣體仍顯著低于其間接排放的N2O通量，所占比例在全球生態(tài)系統(tǒng)中很低，直接排放并非主要途徑。蚯蚓通過(guò)取食土壤微生物、作物秸稈等合成為自身有機(jī)體，分解、排泄的代謝產(chǎn)物含氮量高，有助于農(nóng)田土壤物質(zhì)循環(huán)，其代謝產(chǎn)物的形式包括如蚓糞、排泄物、體壁分泌的黏液蛋白，甚至是死亡蚯蚓有機(jī)體等。微系統(tǒng)中，蚯蚓的生物量相對(duì)較高，死亡有機(jī)體腐解過(guò)程中除未分解部分外，其釋放的N約有25%是NO-3-N、45%是NH4+-N及少量可溶性有機(jī)氮[25]，所以蚯蚓的繁殖及死亡分解過(guò)程中可能貢獻(xiàn)部分氮源，并以氣態(tài)的形式逸失。微系統(tǒng)試驗(yàn)中，蚯蚓對(duì)N2O排放的影響不容忽視。

5?結(jié)論與討論

蚯蚓影響N2O排放的微生物和關(guān)鍵酶，特別是反硝化過(guò)程中的Nir與Nos基因比，調(diào)控土壤硝化和反硝化作用進(jìn)程，影響土壤N2O排放。蚯蚓促進(jìn)土壤氮素分解礦化過(guò)程，與氮素可利用性密切相關(guān)，顯著影響了N2O產(chǎn)生和排放。植物殘?bào)w的還田有助于土壤肥力的恢復(fù)，是常見(jiàn)的農(nóng)田管理措施。但考慮到蚯蚓具有3種不同的生態(tài)型，其取食特點(diǎn)和生活習(xí)性各異，配施不同C/N的植物殘?bào)w、改變殘?bào)w的施加方式，都可能使蚯蚓對(duì)土壤N2O排放造成不同的影響。

盡管研究證實(shí)了接種蚯蚓對(duì)土壤N2O排放的影響，但有關(guān)蚯蚓影響的途徑及機(jī)制分析的文章仍較欠缺。蚯蚓可能是土壤N2O排放的活動(dòng)式排放“熱點(diǎn)”，在機(jī)制研究中，應(yīng)充分利用分子生物學(xué)手段，明確接種蚯蚓后土壤硝化、反硝化過(guò)程中的關(guān)鍵功能菌和酶類的基因多樣性變化;充分利用同位素技術(shù)，進(jìn)行13C和15N示蹤研究，明確在農(nóng)田中施肥、配施秸稈的管理措施應(yīng)用后，蚯蚓對(duì)不同C/N植物殘?bào)w分解及氮素礦化作用與N2O排放量之間的關(guān)系，為深入理解蚯蚓在生態(tài)系統(tǒng)中的功能和地位提供技術(shù)支持。

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