接种蚯蚓与添加凋落物对杨树人工林土壤理化性质和微生物生物量的影响

徐 晓, 徐 瑾, 曹国华, 王国兵

(1.南京林业大学南方现代林业协同创新中心，江苏 南京 210037；2.江苏省东台市林场，江苏 东台 224200)

蚯蚓，作为“土壤生态系统工程师”，通过取食、掘穴等一系列活动，加速凋落物分解，改善土壤理化性质及生物学特性，从而在有机质分解及养分循环中发挥着重要的作用[1].研究表明，蚯蚓活动会提高多种土壤活性有机碳组分的含量[2]，还可以提高土壤无机氮的含量[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]；胡锋等[5]研究表明，通过蚯蚓肠道消化后的土壤含有更多的微生物，不仅种类增多，数量和活性也激增，因此SMBC和SMBN含量增多；但Mclean et al[6]认为,虽然新鲜蚓粪中含有丰富的微生物生物量，但随着时间的推移，蚓粪逐渐风化，微生物量减少[7].凋落物是土壤有机质的重要来源，其分解过程是森林土壤生态系统的物质循环与能量流动的重要环节[8].添加凋落物会增加土壤有机碳、SMBC含量，且会改变土壤微生物的群落结构，提高土壤微生物生物量[9].杨树是我国人工林栽培的主要树种之一，目前面临生产力下降、地力衰退等风险，将严重影响杨树人工林持续经营以及生态系统的良性循环[10-11].有关杨树人工林土壤养分及微生物生物量的研究多以不同施肥处理与施加生物炭为基础[12-13]，而以接种蚯蚓为处理的研究较少，且以室内短期培养试验为主[14-16]，缺乏野外长期调查.因此，本研究以江苏省东台市杨树人工林为研究对象，测定林地接种蚯蚓和添加凋落物后，土壤理化性质、SMBC、SMBN含量的变化，以期为了解蚯蚓、凋落物在杨树人工林土壤生态系统循环中的作用和制定土壤的生态修复措施提供依据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于江苏省盐城市南部的东台林场三区(120°49′E、32°52′N)，靠近黄海之滨，具有明显的海洋性和季风性气候，夏暖冬凉；雨量主要集中在夏、秋两季，年均相对湿度88.4%，年均降雨量1 055.0 mm；光照充足，年均日照数达2 171 h，年平均气温为14.8 ℃；土壤为脱盐草甸土，土壤质地为偏碱性砂质壤土，土壤pH值一般为8.0以上.东台林场为江苏省沿海重点防护林，占地面积约2 800 hm2，其中，林地面积2 187 hm2，活立木蓄积148 000 m3，森林覆盖率78.1%.主要植被为人工营造的35杨(Populusdeltoidscv. I-35)和72杨(P.euramericanacv. I-72)，还有一定面积的水杉林(Metasequoiaglyptostrodoides)、竹林(Phyllostachysviridis).

1.2 试验设计

选择立地条件及经营措施一致的20 a生杨树人工林35杨为样地，林分面积约200 m×50 m，株行距6 m×5 m，样地林分特征及部分土壤理化性质见表1.林分年平均叶凋落量约400 g·m-2，常见蚯蚓种为威廉腔环蚓(Metaphireguillelmi)，分类上属于表栖类(epigeic)蚯蚓[17]，约2～5条·m-2.于2017年12月采用随机区组法布置样地，共设置6个处理：空白对照(CK)，杨树凋落物表施(杨树叶平铺于样方表面，T1)，杨树凋落物混施(凋落物与土壤混合均匀，T2)，接种蚯蚓(T3)，杨树凋落物表施+接种蚯蚓(T4)，杨树凋落物混施+接种蚯蚓(T5).每个处理设4个重复，随机排列，每个小样方标准面积为1 m×1 m(各样地之间用PVC板隔离，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).凋落物基质为烘干杨树叶，用量为1 kg·m-2·a-1，其中，总碳含量429.37 g·kg-1，总氮含量17.37 g·kg-1；接种蚯蚓为威廉腔环蚓，用量为50～60 g·m-2，接种时注意观察蚯蚓的入土情况，及时换掉活性差的蚯蚓.为了保证接种蚯蚓成功，每次采样时需要观察蚯蚓的存活状况并及时补充接种.

表1 样地林分特征及部分土壤理化性质Table 1 Stand characteristics and main soil chemical and physical properties

1.3 样品采集与指标测定

于2019年3、6、9和12月采样：土壤容重(ρb)的测定采用环刀法原位采样，随即称重、记录并计算；土壤pH值及溶解性有机碳(dissolved organic carbon, DOC)、溶解性总氮(dissolved total nitrogen, DTN)、SMBC、SMBN含量的测定需要采集新鲜土样带回实验室.用直径3 cm的土钻分别在不同处理样方内各随机钻取0～10 cm层土壤约500 g，装入自封袋中并及时带回实验室，剔除其中的石块、根系等杂物后，过2 mm土筛.将土样分为两部分：一部分储存在4 ℃冰箱内，用于测定SMBC和SMBN含量；另一部分置于通风阴凉处，自然风干后过筛保存，用于测定pH值及DOC和DTN含量.

各指标测定方法：土壤pH值采用pH计电位法测定(水土质量比为1∶2.5)；SMBC和SMBN含量采用氯仿薰蒸K2SO4浸提-总有机碳(TOC)分析仪(日本岛津)测定；DOC和DTN含量采用TOC-VCPH分析仪(日本岛津)测定[18-19].

1.4 数据统计与分析

运用Excel 2010软件整理数据，用SPSS 16.0软件统计分析，用Origin 9.0软件绘图.采用单因素方差分析(one-way ANOVA)检验时间和处理方法对土壤基本理化性质和微生物生物量的影响，采用Duncan′s法和最小显著法(least significant difference, LSD)比较不同处理间的差异显著性(显著性水平P<0.05)，用Pearson分析土壤微生物生物量与土壤理化性质之间的相关性.

2 结果与分析

2.1 接种蚯蚓与添加凋落物对土壤理化性质的影响

相对于CK，T3、T4、T5土壤pH值和ρb均显著降低(P<0.05)，且T5的降幅最大，分别达2.59%和16.74%，可见，接种蚯蚓显著降低了碱性土壤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的增幅最明显，分别为43.02%和19.29%(表2).这说明接种蚯蚓与添加凋落物可以改善土壤理化性质.

表2 接种蚯蚓与添加凋落物对土壤理化性质的影响1)Table 2 Effects of earthworm inoculation and litter addition on physical and chemical properties of soil

2.2 接种蚯蚓与添加凋落物对SMBC和SMBN含量的影响

由图1可见，除了CK、T1，其他4种处理的SMBC含量都在12月达到最大值.T1、T2、T3、T4、T5均能提高SMBC含量，其中T5增幅最为明显(P<0.05)，达36.58%.在3和6月时，T3的SMBC含量高于T2；随着时间的延长，9和12月时T2的SMBC含量明显提升，并超过T3.虽然凋落物施用方式不同，但T4与T5间不存在显著差异(P>0.05).

CK.对照；T1.杨树凋落物表施；T2.杨树凋落物混施；T3.接种蚯蚓；T4.杨树凋落物表施+接种蚯蚓；T5.杨树凋落物混施+接种蚯蚓.柱上不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)，相同小写字母表示差异不显著(P>0.05).图1 不同处理SMBC含量的动态变化Fig.1 Dynamics of SMBC under different treatments

由图2可见，T1、T2、T3、T4、T5均可提高SMBN含量，其中T1与CK间不存在显著差异(P>0.05)，T5的增幅最为明显，达24.98%.T3、T5的SMBN含量在3和6月增长明显，9和12月却降低,但仍高于CK；T4、T5的SMBN含量在3和6月存在显著差异(P<0.05)，而在9和12月没有明显差异(P>0.05).

CK.对照；T1.杨树凋落物表施；T2.杨树凋落物混施；T3.接种蚯蚓；T4.杨树凋落物表施+接种蚯蚓；T5.杨树凋落物混施+接种蚯蚓.柱上不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)，相同小写字母表示差异不显著(P>0.05).图2 不同处理SMBN含量的动态变化Fig.2 Dynamics of SMBN under different treatments

2.3 接种蚯蚓与添加凋落物对SMBC/SMBN值的影响

取4个月所得SMBC/SMBN值的平均值，分析添加凋落物与接种蚯蚓对SMBC/SMBN值的影响.从图3可以看出，SMBC/SMBN值表现为T4>T5>T2>T3>T1>CK，说明T1、T2、T3、T4、T5均能提高SMBC/SMBN值，其中T2、T4、T5与CK存在显著差异(P<0.05)，且T4的增幅最大，达10.35%.

CK.对照；T1.杨树凋落物表施；T2.杨树凋落物混施；T3.接种蚯蚓；T4.杨树凋落物表施+接种蚯蚓；T5.杨树凋落物混施+接种蚯蚓.柱上不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)，相同小写字母表示差异不显著(P>0.05).图3 接种蚯蚓与添加凋落物对SMBC/SMBN值的影响Fig.3 Effects of earthworm inoculation and litter addition on soil SMBC/SMBN ratio

双因素方差分析结果(表3)显示，时间显著影响了SMBC含量和SMBC/SMBN值(P<0.01)，处理方法显著影响了SMBC和SMBN含量(P<0.01)以及SMBC/SMBN值(P<0.05).

表3 微生物生物量的双因素方差分析1)Table 3 Bivariate analysis of microbial biomass

2.4 土壤微生物生物量与土壤理化性质之间的相关性

相关性分析结果(表4)表明： SMBC和SMBN含量与土壤ρb、pH值呈极显著负相关关系(P<0.01)，与DTN、DOC含量呈极显著正相关关系(P<0.01)；SMBC/SMBN值与土壤ρb呈显著负相关关系(P<0.05)，与DTN、DOC含量呈显著正相关关系(P<0.05)，而与pH值无显著相关性(P>0.05).

表4 土壤微生物生物量与土壤理化性质之间的相关系数1)Table 4 Correlation coefficient between soil microbial biomass and soil physical and chemical properties

3 讨论与结论

3.1 蚯蚓与凋落物对土壤理化性质的影响

试验结果表明，仅添加凋落物对土壤pH值影响不显著，而接种蚯蚓+添加凋落物可以显著降低土壤pH值.这与有些研究结果不相符：王斌等[20]通过室内培养试验表明，接种蚯蚓能显著提高土壤pH值；王笑等[21]通过野外调控试验探究两种生态型蚯蚓在牛粪不同施用条件下对土壤理化性质的影响，也得到蚯蚓会显著增加土壤pH值；顾训明等[22]研究表明，蚯蚓能显著提高芒果园土壤pH值，增加土壤碱性.造成这种差异的原因可能是本研究区土壤为沿海区盐碱地，而其他研究地为酸性土壤.目前，有关蚯蚓对土壤酸碱度影响的研究结果并不统一[23]，有研究表明，土壤经过蚯蚓活动后会形成水气协调、酸碱中性的团粒结构[24]，从而促进了土壤酸碱平衡[25].研究还表明，蚯蚓能增加土壤孔隙，降低ρb[26-27].这与本试验结果一致，且凋落物的不同施用方式对ρb的影响不显著.

本试验结果表明，接种蚯蚓与添加凋落物可以增加土壤DTN和DOC含量.Shuster et al[28]也发现，田间接种蚯蚓可以显著提高土壤表层有机碳的含量；另有研究也表明，添加凋落物会提高土壤有机碳含量[29].而Alban et al[30]研究表明，蚯蚓入侵会使森林土壤(0～50 cm)有机碳平均每年减少0.6 mg·hm-2.这与本试验结果不相符，可能是因为本试验接种的威廉腔环蚓是表居型，对0～10 cm土壤的碳含量表现出促进作用，对更深层次的土壤碳作用不明.无论是否接种蚯蚓，添加凋落物均可以显著提高土壤DTN含量，而单独接种蚯蚓时，DTN增加不显著，说明蚯蚓对土壤DTN含量的影响小于凋落物的影响，这与陈平等[31]的研究结果一致.添加凋落物本身就是一种碳、氮的输入，会直接促进土壤碳、氮含量升高.本试验结果还显示，凋落物混施处理下的碳、氮含量高于凋落物表施处理，这是由于混施的方式加快了凋落物的腐熟化速率，有益于微生物对有机质的分解、转化，有机碳的周转速度加快.

3.2 蚯蚓与凋落物对SMBC、SMBN及SMBC/SMBN值的影响

试验结果表明，无论添加凋落物还是接种蚯蚓均提高了SMBC、SMBN含量，且杨树凋落物混施+接种蚯蚓的提升效果最为显著.胡锋等[5]研究也发现，蚯蚓对SMBC的积极作用在凋落物混施时更为明显.已有研究表明，蚯蚓穴、新鲜蚓粪的微生物生物量高于对照土壤[32]，且经过蚯蚓肠道消化后的土壤更适合微生物侵染、发育和繁殖，从而增加了SMBC含量[33].本试验接种的威廉腔环蚓通过取食、排泄活动，在不断产生蚓穴和蚓粪的同时更好地将植物残体与土壤混合，为微生物生物量增加提供了必要条件[34].

SMBN含量的变化可以反映微生物对氮的矿化和固持作用.一般情况下，氮的固持作用会增加SMBN含量，而矿化作用会减少SMBN含量[35].本试验结果表明，接种蚯蚓在短期内会增加SMBN含量，主要是因为前期凋落物的施入使得土壤碳的有效性显著增加，蚯蚓能更便利地对氮素进行固持，减少其矿化和淋溶作用；然而，随着蚯蚓作用时间的延长，SMBN含量逐步下降，可能是因为后期蚯蚓对固持氮素的释放作用、对微生物的取食以及植物生长对养分的需求，造成SMBN减少[36].SMBC/SMBN值反映了土壤微生物群落的结构，一般来说，不同微生物的SMBC/SMBN值表现为细菌(5∶1)<放线菌(6∶1)<真菌(10∶1)[37].本试验中，各处理的SMBC/SMBN值均小于5，说明土壤中细菌占比较大.接种蚯蚓与添加凋落物都能提高SMBC/SMBN值，这可能是因为凋落物的覆盖和蚯蚓的活动保证了微生物的营养基底，提高了微生物墒.

本研究发现，SMBC、SMBN含量与土壤ρb和pH值呈极显著负相关关系，而与DTN、DOC含量呈极显著正相关关系；SMBC/SMBN值与ρb呈显著负相关关系，而与DTN、DOC含量呈显著正相关关系.这表明土壤ρb和pH值对SMBC和SMBN有抑制作用，而土壤碳、氮养分对土壤微生物生物量起促进作用.

综上所述，在杨树人工林土壤中，接种蚯蚓和添加凋落物可以降低土壤ρb和碱性土壤的pH值，改善土壤理化性质；同时可以提高土壤DTN和DOC含量，且凋落物混施+接种蚯蚓的效果最显著；还能提高土壤SMBC、SMBN含量以及SMBC/SMBN值.此外，土壤总氮、有机碳对本区域土壤微生物生物量碳、氮起促进作用.