凋落物與蚯蚓對楊樹人工林土壤團(tuán)聚體分布及其碳氮含量的影響

王 瑞，王國兵，徐 瑾，徐 曉

(南京林業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院，南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210037)

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)最基本的單元，由土壤中膠結(jié)物質(zhì)的作用下形成，是土壤的重要組成部分[1]。Tisdall等[2]研究發(fā)現(xiàn)大團(tuán)聚體的水穩(wěn)定性很大程度上取決于根系和菌絲，而無機(jī)膠體或者多糖在陽離子橋的作用下膠結(jié)形成小團(tuán)聚體。對團(tuán)聚體以粒徑大小進(jìn)行區(qū)組分離分析是土壤團(tuán)聚體研究的常用方法[3]，趙長巍[4]研究發(fā)現(xiàn)，接種蚯蚓顯著增加了土壤中水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，改善了土壤的理化性狀，保持了土壤肥力；Brown等[5]研究發(fā)現(xiàn)蚯蚓通過對凋落物的取食，使其有利于與土壤混合，促進(jìn)了凋落物的分解；于建光[6]研究發(fā)現(xiàn)蚯蚓活動加快了土壤有機(jī)碳的更新，使紅壤微團(tuán)聚體分散性降低，且水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的比例增加，更多的土壤有機(jī)碳分布于大團(tuán)聚體中。筆者采用野外定位實(shí)驗(yàn)，研究了楊樹凋落葉和蚯蚓對林地土壤團(tuán)聚體的分布及有機(jī)碳和全氮含量的影響，以期為改善楊樹人工林土壤質(zhì)量提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)地位于江蘇省鹽城市東臺林場(120°07′～120°53′E，32°33′～32°57′N)，屬于季風(fēng)性氣候，年均氣溫14.8 ℃，年均降雨量1 055 mm。土壤類型為沙質(zhì)壤土，pH為8.05，容重1.18 g/cm3，土壤含水率為25.65%。選擇其中的中齡林為試驗(yàn)林分，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計進(jìn)行野外樣地布置。野外樣地在2017年11月布置完畢，并于12個月后，開始系統(tǒng)采集各樣地0～20 cm土層的土樣，新鮮土樣保存在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的4 ℃冰箱中，其余土樣進(jìn)行自然風(fēng)干處理。采用蚯蚓為華東地區(qū)比較常見的威廉腔環(huán)蚓(Metaphireguillelmi)，分類上該蚯蚓屬于(Anecic)，是介于表?xiàng)?epigeic)和內(nèi)棲類(endogeic)之間的蚓種[7]，在生態(tài)對策上該蚓種則介于r對策與k對策之間[8]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計及指標(biāo)測定

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計

設(shè)計6種不同處理：對照(編號CK)、楊樹凋落葉表施(編號T1)、楊樹凋落葉混施(編號T2)、接種蚯蚓(編號T3)、楊樹凋落葉表施+接種蚯蚓(編號T4)、楊樹凋落葉混施+接種蚯蚓(編號T5)。每種處理設(shè)4個重復(fù)樣地，每塊樣地設(shè)置為1 m×1 m的小樣方，在其四周使用寬為20 cm的PVC扣板對蚯蚓進(jìn)行隔離，隔離深度50 cm，并在地表留出15 cm的高度，以防止樣地內(nèi)的蚯蚓逃逸。PVC板拼接時留有較小的縫隙，以確保小樣方內(nèi)外的水分保持一致。PVC隔板設(shè)置好后，在各實(shí)驗(yàn)小方內(nèi)使用蚯蚓電擊誘捕儀(神龍八號，自制)對其內(nèi)的蚯蚓進(jìn)行去除。在各處理設(shè)置中，先將楊樹凋落葉進(jìn)行烘干粉碎，稱取1 kg的凋落葉基質(zhì)均勻覆蓋在樣地的地表，即表施處理；與樣地內(nèi)的土壤混合均勻的，為混施處理；在處理為接種蚯蚓的樣地內(nèi)接種蚯蚓50～60 g。樣地布置完畢后再在每個樣地覆蓋一層化纖織物，保持樣地的濕潤且可讓表施處理的凋落葉固著在樣地內(nèi)，之后需要定期對樣地內(nèi)的蚯蚓存活狀況進(jìn)行觀察及補(bǔ)充。

1.2.2 土壤團(tuán)聚體分離

依據(jù)Six等[9]對土壤團(tuán)聚體物理分組的流程進(jìn)行改進(jìn)，利用濕篩法將土壤團(tuán)聚體分成粉-黏團(tuán)聚體(<0.053 mm)、微團(tuán)聚體(≥0.053 mm～0.250 mm)、細(xì)大團(tuán)聚體(≥0.250 mm～2.000 mm)和粗大團(tuán)聚體(>2.000 mm)等4類粒徑的團(tuán)聚體[10-11]。

1.2.3 土壤有機(jī)碳和全氮含量的測定

土壤原土以及不同粒徑團(tuán)聚體在烘干后磨細(xì)。由于土壤樣品為堿性土壤，故從每種粒徑中取適量的土樣，加入適量濃度為1 mol/L的HCl溶液以去除無機(jī)碳[10]，然后在50 ℃溫度下進(jìn)行烘干，再將其磨碎取樣，利用元素分析儀(Elementar Vario EL,德國)測定其有機(jī)碳和全氮的含量。

1.2.4 團(tuán)聚體穩(wěn)定性測定

采用平均質(zhì)量直徑(MWD，公式中表示為MMWD)[11-13]描述團(tuán)聚體的穩(wěn)定性：

式中：ri為第i個篩子的孔徑，mm；r0=r1，rn=rn+1，n為篩子的數(shù)量；mi為第i個篩子土壤團(tuán)聚體質(zhì)量百分比。在土壤團(tuán)聚體中，MMWD值越低表示團(tuán)聚體穩(wěn)定性越小。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

利用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，使用SigmaPlot 14.0軟件進(jìn)行繪圖。利用SPSS 25.0軟件進(jìn)行不同處理間的方差分析，采用LSD檢驗(yàn)對平均值進(jìn)行多重比較，顯著性水平設(shè)置為α=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 凋落物和蚯蚓對楊樹林地不同粒徑土壤團(tuán)聚體的分布及其穩(wěn)定性的影響

分現(xiàn)發(fā)現(xiàn)(圖1)，不同的處理對楊樹人工林土壤團(tuán)聚體的分布有著重要的影響。除了對照(CK)外，其余處理粒徑>2.000 mm的大團(tuán)聚體在土壤中所占比例最高，達(dá)37.43%～49.18%；各個處理中，粒徑≥0.053～0.250 mm的微團(tuán)聚體在土壤中所占比例最低，為5.39%～9.43%。

CK.對照control check；T1.凋落葉表施litter of poplar leaves mulched on soil surface；T2.凋落葉混施litter of poplar leaves incorporated with soil；T3.接種蚯蚓soil with earthworm only；T4.凋落葉表施+接種蚯蚓mulched litter of poplar leaves and with earthworm；T5.凋落葉混施+接種蚯蚓incorporated litter of poplar leaves and with earthworm. 不同大寫字母表示同一粒徑不同處理之間差異顯著(P<0.05)，不同小寫字母表示同一處理不同粒徑之間差異顯著(P <0.05)。下同。Different capital letters indicate that there are significant differences among different treatments of the same particle size(P <0.05)，different lowercase letters indicate that there are significant differences among different particle sizes in the same treatment (P < 0.05). The same below.圖1 凋落物和蚯蚓對楊樹林地不同粒徑土壤團(tuán)聚體 分布的影響Fig.1 Effects of litterfalls and earthworms on distribution of soil aggregates with different particle size in poplar plantations

經(jīng)測定，各處理T1、T2、T3、T4、T5的團(tuán)聚體MWD值分別為：1.26、1.09、1.28、1.22、1.29 mm，而對照(CK)的為1.01 mm?？梢钥闯觯cCK相比，其余各處理的MWD的值均有所增大，增幅為7.92%～27.72%，表明對楊樹人工林土壤施加處理措施后均使得土壤中的團(tuán)聚體穩(wěn)定性得到提高。

2.2 凋落物和蚯蚓對楊樹林地不同粒徑土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮含量的影響

2.2.1 不同粒徑團(tuán)聚體中有機(jī)碳的分布

土壤中不同粒徑團(tuán)聚體所含的有機(jī)碳含量可以作為土壤有機(jī)質(zhì)平衡與礦化速率的微觀表征[14]。經(jīng)測定發(fā)現(xiàn)(圖2)，不同處理間土壤團(tuán)聚體中的有機(jī)碳含量隨團(tuán)聚體粒徑的不同而差異較大。隨著團(tuán)聚體粒徑的增加，團(tuán)聚體中的有機(jī)碳含量大致表現(xiàn)出遞增的規(guī)律，但是增加的幅度有所不同。同時，粒徑>2.000 mm和≥0.250～2.000 mm團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量明顯高于其他粒徑，而粒徑≥0.250～2.000 mm的團(tuán)聚體有機(jī)碳含量普遍要高于粒徑>2.000 mm的團(tuán)聚體，這與郭菊花等[15]和Mikha等[16]的研究結(jié)果相同。與CK處理相比，接種蚯蚓后，土壤中的較大團(tuán)聚體有機(jī)碳含量有一定的降低，而較小團(tuán)聚體(粒徑≥0.053～0.250 mm和<0.053 mm)的有機(jī)碳含量則升高。

圖2 凋落物和蚯蚓對楊樹林地不同粒徑土壤 團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量的影響Fig.2 Effects of litterfalls and earthworms on content of organic carbon in soil aggregates with different particle size in poplar plantations

2.2.2 不同粒徑團(tuán)聚體中全氮的分布

經(jīng)測定發(fā)現(xiàn)(圖3)，隨團(tuán)聚體粒徑增加，全氮含量也不斷增加。對比同一處理的不同粒徑團(tuán)聚體全氮含量，粒徑≥0.250～2.000 mm的團(tuán)聚體含量普遍要高于其他粒徑，而粒徑<0.053 mm的土壤團(tuán)聚體全氮含量相對最低，不同粒徑土壤團(tuán)聚體全氮含量從大到小依次為≥0.250～2.000 mm、>2.000 mm、≥0.053～0.250 mm、<0.053 mm。與CK相比，接種蚯蚓(T3)與凋落葉混施+接種蚯蚓(T5)兩種處理各粒徑團(tuán)聚體的全氮含量均升高；凋落葉表施且接種蚯蚓(T4)處理中除了粒徑>2.000 mm的團(tuán)聚體的全氮含量與CK處理相比明顯偏低，其余各粒徑團(tuán)聚體的全氮含量均升高。

圖3 凋落物和蚯蚓對楊樹林地不同粒徑土壤 團(tuán)聚體中全氮含量的影響Fig.3 Effects of litterfalls and earthworms on content of total nitrogen in soil aggregates with different particle size in poplar plantations

2.3 不同粒徑土壤團(tuán)聚體與其有機(jī)碳、全氮含量的相關(guān)性分析

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)(表1)，粒徑>2.000 mm的團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量與相應(yīng)粒徑團(tuán)聚體含量之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01，F(xiàn)=92.542，df=5)，粒徑≥0.053～0.250 mm和<0.053 mm的團(tuán)聚體有機(jī)碳含量與該粒徑團(tuán)聚體含量之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這與武均等[17]的研究結(jié)果相一致，而不同的是在本研究中粒徑≥0.250～2.000 mm的團(tuán)聚體有機(jī)碳含量與該粒徑團(tuán)聚體含量之間則呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。粒徑>2.000 mm的團(tuán)聚體中全氮含量與相應(yīng)粒徑團(tuán)聚體含量之間呈正相關(guān)關(guān)系，粒徑≥0.250～2.000 mm的團(tuán)聚體全氮含量與該粒徑團(tuán)聚體含量之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05，F(xiàn)=57.456，df=5)，粒徑≥0.053～0.250 mm和<0.053 mm的團(tuán)聚體全氮含量與該粒徑團(tuán)聚體含量之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表1 不同粒徑土壤團(tuán)聚體含量與有機(jī)碳、全氮含量的相關(guān)性

3 討 論

本研究中，不同處理土壤團(tuán)聚體百分含量與袁穎紅等[18]的研究結(jié)果有一定差異，其在對紅壤性水稻土微團(tuán)聚體的研究中，粒徑≥0.020～0.050 mm的微團(tuán)聚體所占的比例最大，這可能是因?yàn)樗镏型寥篱L期處在淹水和黏閉的條件下，耕作層中的土壤大多為微團(tuán)聚體狀態(tài)。與CK相比，其余各處理的平均質(zhì)量直徑(MWD)的值均有所增大，增幅為7.92%～27.72%，這表明對楊樹人工林土壤施加處理措施后均使得土壤中的團(tuán)聚體穩(wěn)定性得到提高。Coppens等[13]的研究表明，MWD值的變化主要來自粒徑≥0.053～0.250 mm的團(tuán)聚體含量的減少，而不是粒徑≥0.250～2.000 mm的團(tuán)聚體部分；同時其研究認(rèn)為與對照處理相比添加殘?jiān)奶幚碓龃罅送寥缊F(tuán)聚體的MWD的值，即提高了土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性；而與殘?jiān)焓┨幚硐啾?，覆蓋處理在0～5 cm的土壤層具有更大的MWD值。

隨著團(tuán)聚體粒徑的增加，團(tuán)聚體中的有機(jī)碳含量大致表現(xiàn)出遞增的規(guī)律，但是增加的幅度有所不同，這一結(jié)論與Six等[19]的研究結(jié)果一致。袁穎紅等[18]的研究表明：粒徑<0.050 mm的各級微團(tuán)聚體中，粒徑越小，比表面積越大，其與有機(jī)碳的結(jié)合能力就越強(qiáng)，則該粒級團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量就越高；而粒徑>0.050 mm的各級微團(tuán)聚體有機(jī)碳含量隨著粒徑的增加而遞增，導(dǎo)致這種結(jié)果的原因可能是土壤中含有的較大有機(jī)殘體，才使得大團(tuán)聚體中的有機(jī)碳含量增高[20-21]。郭菊花等[15]的研究也表明，N主要分配在粒徑≥0.250～2.000 mm的大團(tuán)聚體中，其次則是粒徑>2.000 mm的大團(tuán)聚體。對比不同處理的相應(yīng)粒徑團(tuán)聚體的全氮含量，楊樹凋落葉混施處理普遍要比表施處理更能增加團(tuán)聚體中的全氮含量，有關(guān)城市區(qū)域凋落物對土壤的影響也有相似結(jié)果[22]；而接種蚯蚓的處理比不接種蚯蚓處理的全氮含量普遍要高得多，這說明了接種蚯蚓能在一定程度上增加土壤中不同粒徑團(tuán)聚體的全氮含量。

在王國兵等[23]研究基礎(chǔ)上，此次研究表明，接種蚯蚓可以提高楊樹人工林土壤團(tuán)聚體中的全氮含量，同時楊樹凋落葉混施比表施能更有效提高土壤團(tuán)聚體中的全氮含量。接種蚯蚓加速了楊樹人工林土壤有機(jī)質(zhì)的腐殖化過程，使得土壤有機(jī)質(zhì)的分解速率加快。另外不管是否接種蚯蚓，相比楊樹凋落葉表施處理，混施處理也會加快土壤有機(jī)質(zhì)的腐殖化速率，加快土壤有機(jī)質(zhì)的分解。