蚯蚓生態(tài)類型和密度對(duì)水澆地土壤綜合質(zhì)量的影響

陳靜，陳金潔，楊倩楠，Cevin Tibihenda，李祥東，張曉龍，王超，張池，劉科學(xué)*

（1廣州新華學(xué)院資源與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，廣東廣州510520；2廣東華南空間規(guī)劃研究院，廣東廣州510642；3華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，廣東廣州510642；4廣東省科學(xué)院生態(tài)環(huán)境與土壤研究所，廣東廣州510650）

0 引言

【研究意義】水澆地是指有水源保證和灌溉設(shè)施，在一般年景能正常灌溉，種植旱生農(nóng)作物（含蔬菜）的耕地。水澆地糧食單產(chǎn)是旱地的2倍以上，生產(chǎn)世界1/3的糧食，是維護(hù)世界糧食安全的重要保障（董婷婷等，2010）。根據(jù)廣東、廣西、海南第三次國(guó)土調(diào)查主要數(shù)據(jù)公報(bào)，我國(guó)華南地區(qū)水澆地總面積超過(guò)17.59萬(wàn)ha，約占耕地面積的3.09%。優(yōu)越的水熱條件，使水澆地成為華南地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要土地類型之一（喻欣等，2021）。然而，長(zhǎng)期種植后水澆地土壤物理結(jié)構(gòu)變差、有機(jī)質(zhì)含量降低、養(yǎng)分貧瘠和質(zhì)量下降（官利蘭等，2014）。蚯蚓是陸地生態(tài)系統(tǒng)生物量最大的土壤動(dòng)物，被稱為生態(tài)系統(tǒng)工程師（Lavelle et al.，2006），常作為土壤自組織系統(tǒng)的重要因子引入土壤用以加速有機(jī)物質(zhì)分解和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，從而提高土壤質(zhì)量（Lavelle et al.，2016；袁向華等，2017）。水澆地作為人類活動(dòng)對(duì)土壤環(huán)境擾動(dòng)程度較大的土地利用方式之一，蚯蚓數(shù)量和種類均低于少耕或免耕的園地和林地土壤（Kherbouche et al.，2012；肖艷蘭，2020）。因此，如何利用蚯蚓提升華南地區(qū)水澆地土壤質(zhì)量，對(duì)保障水澆地的糧食生產(chǎn)具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】根據(jù)取食和生態(tài)特征的不同，可將蚯蚓分為表?xiàng)?、?nèi)棲型和深棲型，其中表?xiàng)秃蜕顥万球揪钥葜β淙~凋落物為食，這2種生態(tài)類型的蚯蚓能有效分解有機(jī)物質(zhì)，提高土壤養(yǎng)分含量，對(duì)田間凋落物的分解和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化尤為重要（Lavelle and Spain，2001）。表?xiàng)万球旧钤谕寥辣韺?，極少吞食土壤；深棲型蚯蚓生活在土壤內(nèi)部，同時(shí)取食凋落物和土壤。在表?xiàng)万球狙芯糠矫?，龐軍柱等?009）將表?xiàng)统嘧訍?ài)勝蚓接種到混有麥秸的土壤中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)蚯蚓加速了秸稈的分解和土壤氮礦化；齊邊斌等（2018）將果樹(shù)枝條還田并接種表?xiàng)统嘧訍?ài)勝蚓，發(fā)現(xiàn)蚯蚓更有利于果樹(shù)枝條的分解和土壤養(yǎng)分改善；張孟豪等（2022）將赤子愛(ài)勝蚓接種至含有辦公廢紙屑的土壤中，結(jié)果顯示蚯蚓可加速?gòu)U紙屑的分解，顯著提高土壤養(yǎng)分、微生物活性和土壤質(zhì)量。在深棲型蚯蚓研究方面，崔瑩瑩等（2020）接種參狀遠(yuǎn)盲蚓到紅壤中，培養(yǎng)結(jié)束后土壤大團(tuán)聚體含量顯著提高；Wu等（2020）接種參狀遠(yuǎn)盲蚓到華南地區(qū)酸化土壤中，發(fā)現(xiàn)該種蚯蚓能適度緩解土壤酸化，促進(jìn)鹽基離子釋放。此外，更多關(guān)于深棲型蚯蚓的研究則是其對(duì)土壤環(huán)境因子變化的響應(yīng)（喻良文等，2009）?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前，對(duì)深棲型蚯蚓與土壤的機(jī)械組成、養(yǎng)分遷移轉(zhuǎn)化和陽(yáng)離子交換性能關(guān)系的研究鮮有報(bào)道，且接種不同密度的蚯蚓對(duì)土壤質(zhì)量影響的相關(guān)研究仍有所欠缺。何種類型的蚯蚓更適宜提升水澆地土壤綜合質(zhì)量及在何種密度下更能提升土壤綜合質(zhì)量仍需要進(jìn)一步論證?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】通過(guò)接種表?xiàng)秃蜕顥万球居谒疂驳赝寥乐?，研究不同生態(tài)類型蚯蚓及接種密度對(duì)土壤機(jī)械組成、pH、養(yǎng)分和陽(yáng)離子交換性能的影響，闡明蚯蚓對(duì)土壤質(zhì)量的提升機(jī)制，以期為提高華南地區(qū)水澆地土壤綜合質(zhì)量提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況及試驗(yàn)材料

供試土壤采自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)場(chǎng)，基本理化性質(zhì)：pH 6.93±0.01、有機(jī)碳18.60±0.97 g/kg、全氮2.04±0.01 g/kg、全磷0.28±0.01 g/kg、全鉀24.38±0.53 g/kg、砂粒含量（83.36±1.01）%、粉粒含量（9.21±0.17）%、黏粒含量（8.44±0.60）%。將采集的土壤風(fēng)干，去除石礫等雜物后過(guò)2 mm篩，備用。

供試白菜葉采自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)場(chǎng)，基本理化性質(zhì)：pH 8.07±0.01，有機(jī)碳301±3.46 g/kg，全氮26.67±0.58 g/kg，全磷3.11±0.09 g/kg，全鉀40.03±0.06 g/kg。白菜葉風(fēng)干后切碎為2 cm的塊狀，備用。

供試蚯蚓為表?xiàng)统嘧訍?ài)勝蚓（）和深棲型參狀遠(yuǎn)盲蚓（），赤子愛(ài)勝蚓來(lái)自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)蚯蚓養(yǎng)殖基地，參狀遠(yuǎn)盲蚓采集自水澆地旁的農(nóng)田。將蚯蚓在適宜環(huán)境下培養(yǎng)一周后，挑選大小一致、具有成熟環(huán)的健壯蚯蚓進(jìn)行接種。赤子愛(ài)勝蚓重量約0.5 g/條，參狀遠(yuǎn)盲蚓重量約5 g/條。

1.2 試驗(yàn)方法

在相同土重條件下，接種不同重量的蚯蚓作為低密度和高密度的蚯蚓處理。根據(jù)常規(guī)試驗(yàn)中蚯蚓投入密度（每千克土壤接種約5 g蚯蚓）設(shè)定低密度赤子愛(ài)勝蚓添加量為20條/盆，高密度赤子愛(ài)勝蚓添加量為40條/盆（Chan，2001；Wu et al.，2020）；參狀遠(yuǎn)盲蚓的高、低密度參照赤子愛(ài)勝蚓生物量設(shè)定為2條和4條。即試驗(yàn)共5個(gè)處理，分別為無(wú)蚯蚓對(duì)照土壤（CK），低密度赤子愛(ài)勝蚓處理（E1：20條，約10 g）、高密度赤子愛(ài)勝蚓處理（E2：40條，約20 g）、低密度參狀遠(yuǎn)盲蚓處理（A1：2條，約10 g）和高密度參狀遠(yuǎn)盲蚓處理（A2：4條，約20 g），每處理3次重復(fù)。

試驗(yàn)過(guò)程分土壤預(yù)培養(yǎng)和接種蚯蚓2個(gè)階段。土壤預(yù)培養(yǎng)階段：將土壤混合均勻后按2.5 kg/盆分別裝入自制的透明塑料盆（直徑15 cm、高度20 cm）中，裝土高度約13 cm。每盆土壤表面加入白菜葉100 g，網(wǎng)室培養(yǎng)，控制溫度25℃左右，稱重法保持60%～80%的田間持水量，培養(yǎng)30 d。接種蚯蚓階段：土壤預(yù)培養(yǎng)結(jié)束后，按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)分別加入赤子愛(ài)勝蚓和參狀遠(yuǎn)盲蚓，再培養(yǎng)60 d。培養(yǎng)結(jié)束后進(jìn)行拍照和土壤樣品采集，將樣品風(fēng)干后去除未完全分解的白菜葉廢棄物，過(guò)2 mm篩，備用待測(cè)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

供試白菜葉pH采用無(wú)CO水以土水比1∶10提取，pH計(jì)測(cè)定（Ravindran and Mnkeni，2016）；有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法測(cè)定；全氮含量采用硫酸—過(guò)氧化氫消煮，半微量開(kāi)氏法測(cè)定；全磷含量采用硫酸—過(guò)氧化氫消煮，礬鉬黃法測(cè)定；全鉀含量采用硫酸—過(guò)氧化氫消煮，原子吸收法測(cè)定。

土壤機(jī)械組成采用吸管法進(jìn)行測(cè)定，以土壤粉粒與黏粒之和與砂粒的比值表征土壤機(jī)械組成的變化；土壤pH、電導(dǎo)率均采用無(wú)CO水以土水比1∶2.5浸提，分別以pH計(jì)和電導(dǎo)率儀測(cè)定；土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定；全氮含量采用凱氏定氮法測(cè)定；全磷含量采用氫氧化鈉熔融—鉬銻抗比色法測(cè)定；全鉀含量采用氫氧化鈉熔融—火焰原子吸收法測(cè)定；堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；有效磷含量采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測(cè)定；速效鉀含量采用乙酸銨浸提—火焰原子吸收法測(cè)定；土壤陽(yáng)離子交換量采用乙酸銨交換—原子吸收分光光度法測(cè)定（鮑士旦，2000）。

通過(guò)以上基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，根據(jù)土壤綜合質(zhì)量指數(shù)評(píng)價(jià)方法獲得每個(gè)樣點(diǎn)的亞指標(biāo)綜合指數(shù)（Velasquez et al.，2007）：

式中，和為主成分分析中各處理樣點(diǎn)在第一和第二主成分中的權(quán)重，和為各主成分方差累積貢獻(xiàn)率。

將亞指標(biāo)綜合指數(shù)轉(zhuǎn)化為0.1～1.0的相同范圍內(nèi)，最終得出每個(gè)樣點(diǎn)的土壤綜合質(zhì)量指數(shù)（）：

式中，是各亞指標(biāo)原數(shù)值，為樣點(diǎn)亞指標(biāo)原數(shù)值中最大值，為樣點(diǎn)亞指標(biāo)原數(shù)值中最小值。

以土壤綜合質(zhì)量指數(shù)判斷在不同生態(tài)類型蚯蚓影響下水澆地土壤機(jī)械組成、pH、養(yǎng)分和陽(yáng)離子交換性能的綜合差異變化特征，土壤綜合質(zhì)量指數(shù)越大代表土壤質(zhì)量越高。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

使用Excel 2020進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，運(yùn)用SPSS 23.0進(jìn)行不同處理間差異顯著性分析，采用Origin 2019繪圖。在R語(yǔ)言中導(dǎo)入ADE-4軟件包對(duì)不同土壤樣本的pH、養(yǎng)分和陽(yáng)離子交換性能進(jìn)行主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生態(tài)類型蚯蚓對(duì)土壤孔道及機(jī)械組成的影響

蚯蚓通過(guò)自身的挖掘、吞食等生命活動(dòng)使得土壤中產(chǎn)生一定的孔道。由圖1可看出，赤子愛(ài)勝蚓處理（E1和E2）的孔道較細(xì)，其活動(dòng)范圍主要在上層土壤；而參狀遠(yuǎn)盲蚓處理（A1和A2）的孔道較粗且更明顯，其生活范圍涉及整個(gè)土壤空間，尤其是A1處理上層土壤被蚯蚓大量吞食。

不同生態(tài)類型和密度的蚯蚓對(duì)土壤機(jī)械組成的影響如圖2所示。接種蚯蚓后，部分土壤砂粒轉(zhuǎn)化為粉粒和黏粒。2個(gè)密度條件下，與CK相比，接種蚯蚓處理的砂粒含量降低12.24%～13.61%，粉粒含量上升54.51%～71.95%，黏粒含量上升56.25%～69.64%。接種蚯蚓處理的砂粒含量均顯著低于CK（＜0.05，下同），粉粒和黏粒含量及粉黏粒/砂粒比值均顯著高于CK，不同密度處理間無(wú)顯著差異（＞0.05，下同）。

2.2 不同生態(tài)類型蚯蚓對(duì)土壤pH、電導(dǎo)率和養(yǎng)分含量的影響

由圖3可看出，與CK相比，E1處理的土壤pH顯著降低，A2處理的土壤pH顯著升高，而E2和A1處理的土壤pH與CK無(wú)顯著差異；接種蚯蚓處理的土壤電導(dǎo)率降低12.95%～53.80%，且E2、A1和A2處理土壤電導(dǎo)率降低均顯著降低，以A1處理最低；A2處理顯著提高了土壤有機(jī)碳含量及碳氮比；接種蚯蚓后土壤全氮和堿解氮含量分別提高1.77%～11.35%和4.54%～15.98%，但差異未達(dá)顯著水平；A1和A2處理的有效磷含量顯著降低32.03%和32.58%，且參狀遠(yuǎn)盲蚓的有效磷含量均顯著低于赤子愛(ài)勝蚓；不同蚯蚓處理對(duì)土壤速效鉀含量的影響不同，E1和A1處理的速效鉀含量提高，E2和A2處理下降，且A1處理的速效鉀含量顯著高于E2處理。

2.3 不同生態(tài)類型蚯蚓對(duì)土壤陽(yáng)離子交換性能的影響

由表1可知，接種蚯蚓后，土壤陽(yáng)離子交換量較CK提高16.92%～32.77%，交換性鉀含量提高8.76%～20.72%，交換性鈉含量提高5.56%～13.89%，但差異均未達(dá)顯著水平。與CK相比，E1、E2和A2處理的交換性鈣和鎂分別提高2.90%～7.73%和3.03%～16.67%，但僅有E1處理的交換性鎂含量提升顯著。

2.4 不同生態(tài)類型蚯蚓對(duì)土壤綜合質(zhì)量的影響

不同蚯蚓處理對(duì)土壤機(jī)械組成、pH、養(yǎng)分和陽(yáng)離子交換性能的主成分分析結(jié)果如圖4所示。第一主成分（PC1）和第二主成分（PC2）的累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)66.1%。其中PC1方差貢獻(xiàn)率為40.2%，主要與交換性鈣、交換性鎂、全氮、交換性鈉、堿解氮、CEC、交換性鉀、粉粒、粉黏粒/砂粒、黏粒和砂粒的變化有關(guān)；PC2方差貢獻(xiàn)率為25.9%，主要與有效磷、電導(dǎo)率、有機(jī)碳、pH、碳氮比、粉黏粒/砂粒、黏粒和砂粒的變化有關(guān)。圖4-A中，代表各土壤變量的箭頭間余弦角度顯示各變量的相關(guān)關(guān)系，角度越小相關(guān)性越高，結(jié)果顯示全氮、堿解氮、CEC及交換性鉀鈉鈣鎂呈正相關(guān)；粉粒、黏粒、CEC和交換性鉀呈顯著正相關(guān)，與砂粒和電導(dǎo)率呈負(fù)相關(guān)。圖4-B中，CK與接種蚯蚓處理間差異顯著（=0.002），且主要表現(xiàn)在PC1上；接種蚯蚓處理主要偏向粉粒、粉黏粒/砂粒和黏粒較高而砂粒和電導(dǎo)率較低的方向，CK與之相反；圖4-C顯示不同接種密度蚯蚓處理間的差異主要表現(xiàn)在PC2（=0.001），即有效磷、電導(dǎo)率、有機(jī)碳、pH、碳氮比、粉黏粒/砂粒、黏粒和砂粒的差異；圖4-D顯示不同生態(tài)類型蚯蚓的差異也主要表現(xiàn)在PC2（=0.001），即有效磷、電導(dǎo)率、有機(jī)碳、pH、碳氮比、粉黏粒/砂粒、黏粒和砂粒的差異。

基于主成分分析的土壤綜合質(zhì)量指數(shù)結(jié)果（圖5）顯示，接種蚯蚓后土壤綜合質(zhì)量提高26.48%～171.04%，其中E1處理的土壤綜合質(zhì)量顯著提升。

3 討論

蚯蚓是土壤生態(tài)系統(tǒng)中典型的大型動(dòng)物之一，其活動(dòng)對(duì)改善土壤物理質(zhì)量具有重要作用（Lubbers et al.，2017）。本研究中，土壤砂粒含量較高，土壤質(zhì)地為壤砂土，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的保水保肥能力較差；培養(yǎng)結(jié)束后砂粒含量降低，黏粒和粉粒含量顯著上升，土壤質(zhì)地轉(zhuǎn)變?yōu)樯叭劳粒锢碣|(zhì)量有所提高。這可能是由于蚯蚓在土壤中掘穴和吞食行為對(duì)土壤物理性狀造成的影響。袁新田等（2011）研究發(fā)現(xiàn)，在不同秸稈施用方式條件下接種蚯蚓，與原土相比，在蚯蚓排泄物中含有較多的土壤黏粒。這與本研究中接種蚯蚓顯著提高土壤的粉粒和黏粒含量、降低土壤砂粒含量的結(jié)果相似，蚯蚓吞食土壤后，經(jīng)過(guò)砂囊和腸道的摩擦作用致使土壤顆粒破碎，并與腸道黏液充分接觸形成黏粒含量較高的排泄物進(jìn)入土壤（Lavelle et al.，2000；Mcinerney and Bolger，2000）。

一般來(lái)說(shuō)，土壤pH較高或較低對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)均有不利影響。蚯蚓通過(guò)調(diào)節(jié)pH改變土壤質(zhì)量，不同生態(tài)類型和密度蚯蚓對(duì)pH的影響存在差異。本研究結(jié)果表明，對(duì)照土壤呈弱堿性，而接種低密度赤子愛(ài)勝蚓后，土壤pH顯著下降趨于中性。主要原因可能是土壤和有機(jī)物料通過(guò)赤子愛(ài)勝蚓中性腸道環(huán)境后形成蚓糞排出，進(jìn)而降低了土壤pH（徐坤等，2019；楊佳宜等，2020；張孟豪等，2022）。同時(shí)，本研究結(jié)果還顯示高密度參狀遠(yuǎn)盲蚓使土壤pH顯著上升，原因可能源于該處理土壤碳氮含量提升和交換性鹽基離子的釋放（Kunito et al.，2016；王麗華等，2018）。

土壤養(yǎng)分含量是衡量土壤肥力質(zhì)量的重要指標(biāo)，有機(jī)碳、全氮和速效養(yǎng)分含量作為重要的土壤養(yǎng)分，可反映土壤肥力高低。本研究中，蚯蚓通過(guò)調(diào)節(jié)養(yǎng)分狀況改變土壤質(zhì)量，不同生態(tài)類型和密度蚯蚓的影響有所不同；主成分分析結(jié)果顯示接種蚯蚓后土壤全氮、堿解氮和有機(jī)碳含量較高，而有效磷含量較低。蚯蚓對(duì)有機(jī)碳和全氮含量的提升源于其取食分解碳氮含量較高的有機(jī)物料排泄蚓糞混入土壤，進(jìn)而有效提高土壤有機(jī)碳和全氮含量（Zhang et al.，2013；邵元虎等，2015），同時(shí)又導(dǎo)致堿解氮含量提高。蚯蚓對(duì)土壤有效磷的降低作用可能與蚯蚓及其體內(nèi)微生物利用土壤中有效磷養(yǎng)分有關(guān)（Zhang et al.，2000；王皓宇等，2020）。此外，相比低密度蚯蚓和赤子愛(ài)勝蚓處理，高密度蚯蚓處理和參狀遠(yuǎn)盲蚓處理明顯偏向有機(jī)碳較高而有效磷較低的方向，該結(jié)果表明高密度蚯蚓和參狀遠(yuǎn)盲蚓有提升有機(jī)碳而降低有效磷的趨勢(shì)，原因可能主要在于兩者能快速分解轉(zhuǎn)化有機(jī)物料，在此過(guò)程中可能繁殖大量微生物，同時(shí)消耗更多有效磷。

土壤陽(yáng)離子交換量是土壤保肥和供肥能力的重要標(biāo)志，交換量高的土壤能保存更多的磷、鉀、鈣、鎂和銨等營(yíng)養(yǎng)元素（黃福珍，1982）。本研究結(jié)果表明，蚯蚓通過(guò)調(diào)節(jié)陽(yáng)離子交換性能改變土壤肥力質(zhì)量；主成分分析結(jié)果顯示，相比對(duì)照，接種蚯蚓處理明顯偏向陽(yáng)離子交換性能較高的方向，而這也表明接種蚯蚓確實(shí)有提高土壤陽(yáng)離子交換性能的趨勢(shì)，究其原因可能與土壤有機(jī)碳含量提高及蚯蚓將土壤中部分砂粒轉(zhuǎn)化為黏粒有關(guān)（Sizmur and Hodson，2009）。

綜上所述，本研究通過(guò)對(duì)土壤機(jī)械組成、pH、養(yǎng)分含量和交換性能進(jìn)行主成分分析，并基于此計(jì)算土壤綜合質(zhì)量指數(shù)，發(fā)現(xiàn)接種低密度赤子愛(ài)勝蚓可顯著提高土壤綜合質(zhì)量。但本研究中的相同密度是在控制等生物量條件下加入不同條數(shù)的蚯蚓，參狀遠(yuǎn)盲蚓單體重大、數(shù)量少可能是導(dǎo)致其對(duì)土壤質(zhì)量的影響作用與赤子愛(ài)勝蚓有差異的原因，更進(jìn)一步的結(jié)論需在田間試驗(yàn)中繼續(xù)驗(yàn)證。

4 結(jié)論

蚯蚓在水澆地土壤中的活動(dòng)會(huì)促進(jìn)土壤砂粒轉(zhuǎn)化為粉粒和黏粒。低密度的赤子愛(ài)勝蚓能有效調(diào)節(jié)水澆地土壤pH、提高養(yǎng)分含量和陽(yáng)離子交換性能，進(jìn)而明顯提高水澆地的土壤綜合質(zhì)量，而高密度赤子愛(ài)勝蚓和參狀遠(yuǎn)盲蚓的接種并未造成土壤綜合質(zhì)量的顯著提升。因此，在華南地區(qū)水澆地的生態(tài)管理上，選擇接種低密度的表?xiàng)统嘧訍?ài)勝蚓可改變土壤質(zhì)地并提升土壤綜合質(zhì)量。