蚯蚓与凋落物对杨树人工林土壤酶活性的影响

王国兵，徐 瑾， 徐 晓，阮宏华，曹国华

(1.南京林业大学生物与环境学院，南方现代林业协同创新中心，江苏 南京 210037；2.江苏省东台林场，江苏 东台 224200)

杨树人工林是我国重要的人工林类型之一，目前种植面积超7×106hm2[1]，如何通过合理经营措施长期维持其生产力及提升其生态服务功能，是当前亟须解决的科学及生产实践难题。蚯蚓作为陆地生态系统中土壤无脊椎动物的最重要类群，被称为“生态系统工程师”[2]，通过掘穴、取食、分泌及排泄等活动改善土壤理化性质及生物学特性，在有机质分解及养分循环中发挥着重要作用[3]。凋落物是森林生态系统养分循环过程中的关键环节，在维持森林土壤生产力、养分、微生物生物量和酶活性等方面具有不可替代的作用[4]。研究表明，蚯蚓的生命活动如肠道消化、排泄及分泌等过程，直接影响土壤酶的活性[5-7]；还可通过改变土壤理化性质、养分有效性及加速凋落物分解等，影响土壤微生物群落结构和活性[8-10]，进而间接影响土壤酶活性[9-12]。凋落物输入能够增加土壤微生物的数量和活性，显著提高土壤酶活性[13-15]。然而，目前关于接种蚯蚓及添加凋落物对人工林生态系统土壤酶活性影响的研究报道还相对较少，尤其缺乏接种蚯蚓和添加凋落物交互作用对土壤酶活性影响的长期野外观测。因此，本研究以江苏省东台林场杨树人工林为对象，通过测定分析接种蚯蚓和添加凋落物对滨海区杨树人工林土壤酶活性的影响，为正确评价蚯蚓和凋落物对杨树人工林生态系统土壤养分循环的影响提供理论依据，并为杨树人工林科学经营提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况及样地设置

研究区位于江苏省盐城市东台林场(120°07′～120°53′E，32°33′～32°57′N)，属于亚热带和暖温带过渡区，具有明显的海洋性和季风性气候，年平均降水量约1 055 mm，年平均气温14.8 ℃，年平均日照时间2 171 h。东台林场分布的主要植被为人工营造的‘I-72’杨(Populuseuramericanacv. I-72)，此外还分布有一定面积的水杉(Metasequoiaglyptostrodoides)、刚竹(Phyllostachysviridis)。林下土壤为脱盐草甸土，土壤质地为砂质壤土，pH一般在8.0以上。

试验区选择在立地条件及经营措施一致、大小约200 m×50 m的20年生杨树人工林中，株行距6 m× 5 m，林木平均胸径33.7 cm，平均高度28.1 m，林分郁闭度75%。林分年平均叶凋落量约400 g/m2，常见蚯蚓种为威廉腔环蚓(Metaphireguillelmi)，种群密度2～5条/m2。样地设置采用随机区组法，共设置4个重复区组，不同区组间隔15 m。每个区组内均设置6个不同试验处理，不同样方间距约5 m，样方大小1 m×1 m。6种试验处理分别为：对照(CK)、凋落物表施(T1)、凋落物混施(T2)、接种蚯蚓(T3)、凋落物表施+接种蚯蚓(T4)、凋落物混施+接种蚯蚓(T5)。对照样地保持林地自然状态，不清除原有土壤蚯蚓及地表凋落物，其他处理均在对照样地基础上进行。不同处理中凋落物表施方式均为将凋落物均匀放置在样地表面，混施方式均为用铁锹将凋落物均匀混入0～30 cm土层中，年均凋落物添加量(干质量)均为1 kg/m2。各处理中蚯蚓接种方式为将个体大小基本一致的20条成年威廉腔环蚓均匀放置在样地表面，待其自由进入土中并进行觅食、掘穴等活动。为防止蚯蚓逃逸，所有样方边界均以可拼接PVC板隔离，PVC板插入土壤深度约50 cm，地表留出高度约15 cm。试验用凋落物为每年11月上旬收集的未分解杨树凋落叶。初始设置样地时间为2017年11月下旬，第2次凋落叶添加时间为2018年11月下旬。

1.2 土壤样品采集及指标测定

采样时间分别为代表各季节的2019年3月(春)、6月(夏)、9月(秋)和12月(冬)。采集土壤样品时用土钻(直径3 cm)分别在不同处理试验样方内各随机钻取0～10 cm层土壤约500 g装入自封袋中及时带回实验室进行简单预处理，剔除其中的石块、根系等杂物后，过孔径2 mm筛置于4 ℃冰箱内低温保存。

土壤过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定，土壤纤维素酶活性、蔗糖酶活性采用3, 5-二硝基水杨酸比色法测定，土壤脲酶活性采用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定[16-17]，土壤微生物生物量碳、微生物生物量氮采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提-TOC-VCPH分析仪法测定[18]，土壤总有机碳、全氮利用TOC-VCPH分析仪(日本岛津)测定，土壤pH采用pH计(PHS-2C，上海雷磁)电位法测定，土壤容重采用环刀法测定[18-19]。

1.3 土壤酶指数计算

土壤酶种类繁多，每一种酶在土壤中所起作用不同，有些酶相互之间信息重叠，单一酶类在反映土壤酶活性变化时存在很大的片面性，而土壤酶指数(soil enzymes index，SEI)能够客观、全面地揭示不同处理下土壤酶活性的变化规律。因此，在各酶类基础上，采用加权和法计算出土壤酶指数，其计算过程分为因子的选择、权重的确定和综合指标的获得3个步骤[20]。由于土壤因子变化具有连续性，各酶活性指标采用连续性质的隶属度函数，并从主成分因子负荷量值的正负性确定隶属度函数分布的升降性。对于土壤蔗糖酶、脲酶和纤维素酶采用升型分布函数，而对于土壤过氧化氢酶采用降型分布函数。

土壤酶评价指数(SEI，公式中以SSEI表示)计算公式如下：

式中：SSEI(Xi)表示土壤酶隶属度值，Wi表示土壤酶(i)的权重。

升型分布函数S升，SEI(Xi)和降型分布函数S降，SEI(Xi)的计算公式如下：

S升，SEI(Xi) = (Xij-Ximin)/(Ximax-Ximin)；

S降，SEI(Xi) = (Ximax-Xij)/(Ximax-Ximin)。

式中：Xij表示土壤酶活性值，Ximax和Ximin分别表示土壤酶活性的最大值和最小值。通过以上转换计算出评价指标的隶属度，将评价指标的实测值转换为0～1的数值，实现指标量纲归一化，消除评价指标量纲的差异对因子荷载的影响。

由于土壤质量各个因子的状况与重要性通常不同，所以用权重系数来表示各个因子的重要性程度。本研究中利用主成分分析因子负荷量计算各因子作用的大小，确定它们的权重(Wi)。利用下式来计算：

Wi=Ci/C。

式中：Ci为公因子方差，C为公因子方差之和。

1.4 数据统计分析

采用软件SPSS 16.0进行统计分析，采用软件Origin 9.0绘图。采用单因素方差分析(One-way ANOVA)检验不同处理间4种土壤酶活性的差异显著性，采用单因素重复测量方差分析(One-way repeated measures ANOVA)检验季节、试验处理对4种土壤酶活性的影响，采用Pearson相关分析检验土壤酶活性与土壤环境因子的相关性。

2 结果与分析

2.1 不同处理下杨树人工林4种土壤酶活性的变化

接种蚯蚓和施用凋落物对杨树人工林生态系统4种土壤酶活性的影响见图1。由图1A、1B可知，凋落物表施或混施处理(T1、T2)并未显著改变土壤蔗糖酶活性和土壤脲酶活性，接种蚯蚓处理、凋落物表施+接种蚯蚓处理及凋落物混施+接种蚯蚓处理(T3、T4、T5)则显著提升了土壤蔗糖酶活性和土壤脲酶活性，土壤蔗糖酶活性平均增幅分别为30.85%、34.58%、50.90%，土壤脲酶活性平均增幅分别为27.57%、33.67%、66.64%。由图1C可知，T1、T2处理显著降低了土壤过氧化氢酶活性，平均降幅分别为13.23%、17.56%，而T3、T4、T5处理土壤过氧化氢酶活性与CK无显著性差异。由图1D可知，T1、T2、T3、T4、T5处理均显著提高了土壤纤维素酶活性，平均增幅分别为38.39%、51.79%、79.91%、129.33%、149.52%。

图柱上不同小写字母表示同一月份土壤酶活性在不同处理之间差异显著(P<0.05)。Different lowercase letters in the figure indicate that soil enzyme activities in the same month have significant differences among different treatments(P<0.05)。图1 蚯蚓和凋落物对杨树人工林4种土壤酶活性的影响Fig.1 Effects of earthworm inoculation and litterfall addition on four soil enzyme activities of poplar plantation

季节动态分析表明，土壤蔗糖酶活性9月最高，最大值为0.77 mg/(g·d)，3月最低，最小值为0.40 mg/(g·d)(图1A)；土壤脲酶活性夏秋较高，最大值为10.57 mg/(g·d)，冬春较低，最小值为5.61 mg/(g·d)(图1B)；土壤过氧化氢酶活性6月最高，最大值为4.20 mg/(g·h)，其他季节较低，最小值为2.22 mg/(g·h)(图1C)；土壤纤维素酶活性夏秋较高，最大值为6.93 mg/(g·d)，冬春较低，最小值为2.36 mg/(g·d)(图1D)。与对照(CK)相比，接种蚯蚓及添加凋落物处理没有改变4种土壤酶活性的季节性变化规律。重复测量方差分析表明，季节变化和处理均显著影响了土壤蔗糖酶、脲酶、纤维素酶和过氧化氢酶活性。季节变化和处理对土壤过氧化氢酶活性的影响具有显著交互作用，而对土壤蔗糖酶、脲酶和纤维素酶活性的影响没有显著交互作用(表1)。

表1 季节及处理对土壤酶活性影响的重复测量方差分析

2.2 不同处理下杨树人工林土壤酶指数的变化

接种蚯蚓和施用凋落物对杨树人工林生态系统土壤酶指数(SEI)的影响见图2。

图中不同字母表示土壤酶指数在不同处理之间差异显著(P<0.05)。Different letters in the figure indicates that soil enzyme indexes have significant differences among different treatments(P<0.05).图2 蚯蚓和凋落物对杨树人工林土壤酶 指数的影响Fig.2 Effects of earthworm inoculation and litterfall addition on soil enzymes indexes of poplar plantationes

研究表明，CK处理SEI指数为0.160，T1、T2、T3、T4、T5处理SEI分别为0.254、0.333、0.542、0.651、0.851；与CK相比，5种不同处理SEI增幅依次分别为94.62%、108.41%、239.92%、307.66%、432.51%。方差分析表明，T1处理SEI与CK处理无显著性差异，T2处理SEI显著高于CK处理，T3、T4处理SEI均显著高于CK、T1及T2处理，T5处理SEI显著高于其他所有处理(图2)。

2.3 土壤酶活性与土壤环境因子的相关性

不同处理下土壤容重(BD)、pH、土壤总有机碳(TOC)、土壤全氮(TN)、土壤微生物生物量碳(SMBC)、土壤微生物生物量氮(SMBN)含量等重要土壤环境因子与4种土壤酶活性年均值的相关性分析结果见表2，可以看出，土壤蔗糖酶、脲酶及纤维素酶活性与土壤容重(BD)、pH显著负相关，与土壤TN、TOC、SMBC、SMBN含量及微生物生物量碳氮比(SMBC/SMBN)呈显著正相关；土壤过氧化氢酶活性则与上述各土壤环境因子相关性不显著。

表2 土壤酶活性与土壤环境因子的相关性

3 讨 论

3.1 不同处理对杨树人工林土壤酶活性的影响

目前，有关蚯蚓和凋落物联合作用对土壤酶活性的影响还缺乏较为系统的研究。本研究各处理中，接种蚯蚓(T3)及凋落物表施+接种蚯蚓(T4)和凋落物混施+接种蚯蚓(T5)均能够显著提升土壤蔗糖酶活性和脲酶活性，且凋落物混施(T2)比凋落物表施(T1)更能促进土壤蔗糖酶活性和脲酶活性的提升，这与Tao等[21]的研究结果一致，但与李艺坚等[22]的研究结果相反；T3、T4和T5处理并未显著改变土壤过氧化氢酶活性，这与其他一些学者的研究结果不尽一致[6, 22-24]；凋落物施用和接种蚯蚓均提高了土壤纤维素酶活性，这与王笑[25]的研究结果不尽一致。以上情况说明，施用凋落物和接种蚯蚓在不同生态系统中对土壤单一酶活性的影响具有复杂性和不确定性。土壤酶指数能够全面、客观地反映不同处理对土壤酶活性的总体影响[26]，本研究中T2、T3、T4、T5处理均显著提升了土壤酶指数，说明凋落物混施和接种蚯蚓处理均对土壤酶指数产生了显著影响，而凋落物混施+接种蚯蚓处理进一步提升了土壤酶指数。因此，在农林业生产中可考虑将凋落物混施与接种蚯蚓结合应用。万忠梅等[27]在总结土壤酶活性对生态环境的响应相关研究后认为，土壤水气热状况、酸碱性、有机质以及外源营养物质输入综合影响导致土壤酶活性的时空变异。本研究表明，土壤蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶和纤维素酶活性基本表现为夏秋季活性较高，冬春季活性较低，与王艮梅等[17]的研究结果基本一致。本研究中4种土壤酶活性表现出的季节动态模式，可能与土壤水气热状况的季节变化以及由此导致的土壤微生物生物量及酶活性季节变异密切相关[28]，这有待于进一步深入研究。

3.2 蚯蚓调控杨树人工林土壤酶活性的机制

有研究报道认为，蚯蚓影响土壤酶活性的途径主要有以下3种方式：①在蚯蚓洞穴中富集有机质并改善土壤有机质库的活性；②提高土壤微生物生物量；③通过肠道酶和分泌物刺激土壤微生物[12]。另外一些研究认为，接种蚯蚓后引起土壤酶活性的增加，主要在于蚯蚓的活动及其代谢物质能够促进土壤团聚体形成，进而有利于土壤微生物的活动和繁衍[10, 29]。此外，分布在土壤中的蚯蚓粪也有助于提高土壤酶活性[5, 21, 29]。王兵等[30]研究发现土壤酶活性主要受到土壤养分和微生物生物量的影响。周礼恺等[31]研究也证明了大部分土壤酶活性与土壤有机质或其组分密切相关。刘丽等[32]研究发现添加蚯蚓粪能够显著提升香梨果园的土壤蔗糖酶活性和脲酶活性。王丹丹等[9]研究发现，接种蚯蚓后土壤细菌和放线菌的群落数明显提高，土壤磷酸酶、蔗糖酶、脲酶等酶活性也因接种蚯蚓而显著提高。本研究发现，土壤蔗糖酶、脲酶及纤维素酶活性与土壤容重(BD)、pH呈显著负相关，与土壤TN、TOC、SMBC、SMBN及SMBC/SMBN呈显著正相关，表明土壤微生物生物量和土壤C、N养分对土壤蔗糖酶、脲酶及纤维素酶活性起到了主要调控作用。此外，土壤容重和pH对土壤酶活性提升具有负面抑制作用。土壤过氧化氢酶活性与各土壤环境因子相关不显著，其内在原因还需进一步研究与分析。

结合王瑞等[33]对土壤团聚体的研究，接种蚯蚓能够显著提高杨树人工林土壤蔗糖酶、脲酶和纤维素酶活性，而凋落物混施比表施更有利于进一步促进接种蚯蚓对杨树人工林土壤蔗糖酶、脲酶和纤维素酶活性的影响。凋落物混施和接种蚯蚓处理均显著提升了土壤酶评价指数，而凋落物混施+接种蚯蚓处理进一步提升了土壤酶指数，因此在农林业生产中可考虑将凋落物混施与接种蚯蚓经营措施结合应用。