接種蚯蚓與添加凋落物對楊樹人工林土壤理化性質(zhì)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(yè)大學南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)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(tài)系統(tǒng)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(zhì)及生物學特性，從而在有機質(zhì)分解及養(yǎng)分循環(huán)中發(fā)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(shù)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(zhì)的重要來源，其分解過程是森林土壤生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)與能量流動的重要環(huán)節(jié)[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(jié)構(gòu)，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(chǎn)力下降、地力衰退等風險，將嚴重影響楊樹人工林持續(xù)經(jīng)營以及生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)[10-11].有關(guān)楊樹人工林土壤養(yǎng)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(chǔ)[12-13]，而以接種蚯蚓為處理的研究較少，且以室內(nèi)短期培養(yǎng)試驗為主[14-16]，缺乏野外長期調(diào)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(zhì)、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(tài)系統(tǒng)循環(huán)中的作用和制定土壤的生態(tài)修復(fù)措施提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江蘇省鹽城市南部的東臺林場三區(qū)(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(shù)達2 171 h，年平均氣溫為14.8 ℃；土壤為脫鹽草甸土，土壤質(zhì)地為偏堿性砂質(zhì)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(shè)計

選擇立地條件及經(jīng)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(zhì)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(huán)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(qū)組法布置樣地，共設(shè)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(shè)4個重復(fù)，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(zhì)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(huán)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(zhì)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(huán)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(nèi)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(nèi)，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(zhì)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(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

運用Excel 2010軟件整理數(shù)據(jù)，用SPSS 16.0軟件統(tǒng)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(zhì)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(zhì)之間的相關(guān)性.

2 結(jié)果與分析

2.1 接種蚯蚓與添加凋落物對土壤理化性質(zhì)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(zhì).

表2 接種蚯蚓與添加凋落物對土壤理化性質(zhì)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(tài)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(tài)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(xiàn)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(jié)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(zhì)之間的相關(guān)性

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

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

3 討論與結(jié)論

3.1 蚯蚓與凋落物對土壤理化性質(zhì)的影響

試驗結(jié)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(jié)果不相符：王斌等[20]通過室內(nèi)培養(yǎng)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(diào)控試驗探究兩種生態(tài)型蚯蚓在牛糞不同施用條件下對土壤理化性質(zhì)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(qū)土壤為沿海區(qū)鹽堿地，而其他研究地為酸性土壤.目前，有關(guān)蚯蚓對土壤酸堿度影響的研究結(jié)果并不統(tǒng)一[23]，有研究表明，土壤經(jīng)過蚯蚓活動后會形成水氣協(xié)調(diào)、酸堿中性的團粒結(jié)構(gòu)[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(jié)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(jié)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(fā)現(xiàn)，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(jié)果不相符，可能是因為本試驗接種的威廉腔環(huán)蚓是表居型，對0～10 cm土壤的碳含量表現(xiàn)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(jié)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(jié)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(zhì)的分解、轉(zhuǎn)化，有機碳的周轉(zhuǎn)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(jié)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(fā)現(xiàn)，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(jīng)過蚯蚓腸道消化后的土壤更適合微生物侵染、發(fā)育和繁殖，從而增加了SMBC含量[33].本試驗接種的威廉腔環(huán)蚓通過取食、排泄活動，在不斷產(chǎn)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(jié)果表明，接種蚯蚓在短期內(nèi)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(yǎng)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(jié)構(gòu)，一般來說，不同微生物的SMBC/SMBN值表現(xiàn)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(yǎng)基底，提高了微生物墑.

本研究發(fā)現(xiàn)，SMBC、SMBN含量與土壤ρb和pH值呈極顯著負相關(guān)關(guān)系，而與DTN、DOC含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；SMBC/SMBN值與ρb呈顯著負相關(guān)關(guān)系，而與DTN、DOC含量呈顯著正相關(guān)關(guān)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(yǎng)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(zhì)；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(qū)域土壤微生物生物量碳、氮起促進作用.