氮沉降增加對原始闊葉紅松林蚯蚓種類和數量的影響

吳娜娜，錢虹，鄭璐，李亞峰

1. 沈陽建筑大學市政與環境工程學院，遼寧 沈陽 110168；2. 中國科學院沈陽應用生態研究所，遼寧 沈陽 110164

氮沉降增加對原始闊葉紅松林蚯蚓種類和數量的影響

吳娜娜1,2*，錢虹1，鄭璐1，李亞峰1

1. 沈陽建筑大學市政與環境工程學院，遼寧 沈陽 110168；2. 中國科學院沈陽應用生態研究所，遼寧 沈陽 110164

氮沉降是影響陸地生源要素生物地球化學循環的主要環境因子之一。以往對凋落物和土壤有機碳降解過程中分解者的作用研究主要集中在微生物方面，而對土壤動物蚯蚓的研究較少。對中國長白山闊葉紅松林林地施氮處理6年，施氮量為背景條件下增加N 50 kg·hm-2·a-1，運用手撿法和方形土壤采樣器對森林覆蓋層和土壤礦質層中蚯蚓種類和數量進行了調查，并采用元素分析儀測定了凋落物和土壤層中的有機碳氮含量。結果顯示，在對照和施氮樣地，蚯蚓的種類和密度分布模式相似，共觀察到4種類型的蚯蚓，分別是表棲類的赤子愛勝蚓（Eiseniafoetida）和環毛蚓（Pheretima sp.）、內棲類和深土棲類的長白山杜拉蚓（Drawidachangbaiensis）及蚯蚓的幼蟲線蚓（Enchytraeidae spp.）。其中，Eiseniafoetida種類的密度最大，可以達到25 individuals·m-2，其次為Drawidachangbaiensis種類，其密度可達到6 individuals·m-2，Pheretima sp.的密度最小，甚至在本次調查的施氮樣地并未發現該類蚯蚓。3種功能群在兩個處理中總的密度分別為對照樣地23 individuals·m-2、施氮樣地為31 individuals·m-2，長白山闊葉紅松林對照和施氮土壤中蚯蚓的種類和密度沒有明顯差異（P=0.238）。在調查的4個層位中，總碳并未受到氮添加的影響，同時，總氮也并未呈現出顯著的變化，這與蚯蚓的研究結果一致。該研究可為氮沉降對森林生態系統的影響的進一步研究提供參考。

土壤動物；蚯蚓；有機碳；氮沉降；長白山闊葉紅松林

WU Nana, QIAN Hong, ZHENG Lu, LI Yafeng. Effects of Elevated Nitrogen Deposition on Earthworm Species and Density in Mixed Broad-leaf Korean Pine Forest in Changbai Mountain [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(11): 1814-1817.

自 19世紀以來，由于礦物燃料燃燒、含氮化肥的生產和使用、人口增長以及畜牧業發展等原因，人類向大氣中排放的含氮化合物越來越多，大氣氮沉降不斷增加（Vitousek et al.，1997）。據估計，全球人類活動生成的活性氮在 1990年約 140 Tg·a-1，而在1890年只有15 Tg·a-1。人類活動產生的活性氮進入大氣層后通過大氣轉化與大氣環流60%～80%的氮素又沉降到廣闊的陸地與海洋生態系統（Moffat，1998）。在1950—1980年期間，歐洲大部分國家的大氣氮沉降量增加了1倍，已經遠遠超過了自然界天然固氮的量。據估計，至 2050年，溫帶氮沉降量將高達50 kg·hm-2·a-1（Galloway et al.，2004；Liu et al.，2013）。目前而言，東亞（主要是指中國）、西歐和北美已成為全球氮沉降的三大熱點地區（Holland et al.，1999）。

氮沉降已引起陸地生態系統生物地球化學循環的諸多變化，目前氮沉降的增加已造成河口、海口和江湖等水域富營養化一系列嚴重的生態問題；另外，土壤酸化進程加快，影響樹木生長以及生態系統的功能和生物多樣性，甚至對生態系統的結構和功能造成威脅。氮沉降增加通過改變初級生產力、植物和微生物群落組成以及酶活性影響陸地碳循環，從而具有改變陸地生態系統碳存儲量的潛力（Knorr et al.，2005）3252-3255。因此，氮沉降增加引起了科學家和公眾的普遍關注。

蚯蚓在環境生態中的作用主要包括，（1）促進微生物與其它土壤動物的活動，對微生物的數量、分布和活性具有重要的調節作用；（2）對有機殘落物的機械破碎及消化分解作用，為微生物進一步分解打下良好的基礎（Mackay et al.，1985）；（3）提高土壤肥力；（4）蚯蚓還具有環境指示的作用，是良好的土壤環境指示生物。

以往對分解過程中分解者的作用研究主要集中在微生物對凋落物和土壤的降解作用（Clevelandet al.，2014；Kim et al.，2014），而對大型動物蚯蚓的研究較少。探究氮添加條件下蚯蚓種類和數量的變化，揭示氮沉降增加對長白山闊葉紅松林土壤動物蚯蚓的影響，為進一步研究氮沉降對森林生態系統的影響提供依據。

1 研究區域和方法

1.1研究區域

研究樣地位于中科院長白山森林生態系統定位研究站設立的原始闊葉紅松林，是溫帶地帶性頂級植被的代表。闊葉紅松林在長白山多分布于海拔500～1100 m間（平均海拔738 m）。該帶氣候冬長、夏涼、潮濕，1月份平均氣溫為-17 ℃，7月份平均氣溫為 17.5 ℃，年平均氣溫為 3.8 ℃，年平均降雨量為700 mm，多集中在夏季。秋天風涼多霧，冬日漫長、明朗而嚴寒，屬季風影響的溫帶大陸性山地氣候。土壤類型是以火山灰為母質的暗棕壤。闊葉紅松林是亞洲北溫帶典型植被，分布最廣、植物種類最為豐富，林分結構為復層混交異齡林。闊葉樹種在數量上超過針葉樹（Dai et al.，2013）。

1.2氮添加實驗設計

氮添加的實驗依托 2006年在長白山建立的技術平臺，施氮形態為無機氮硝酸銨（NH4NO3），分兩個處理組，對照和施氮50 kg·hm-2·a-1，每個處理4個重復，樣方面積均為25 m×25 m。施氮與對照樣方四周用 PVC板鑲嵌至土壤礦質層，樣方間的距離大于30 m，不同施氮量的樣方處在相同坡位，以避免地表徑流或土壤中流造成樣方間的氮連通。根據施氮水平，自2006年開始，在生長季5月至10月，每月月初將每個樣方所施的硝酸銨溶解于自來水中，以背式噴霧器人工均勻噴灑在林地上，對照處理則噴灑同樣多的自來水以避免林地水分人為的差異。

1.3蚯蚓的種類和數量

于2012年6月，在對照和氮添加樣地，結合手撿法和方形土壤采樣器采集蚯蚓，以確定其種類和數量。每塊試驗地設置4個重復樣地，樣地面積為25 m×25 m，采樣深度為30 cm；采集的蚯蚓用75%的酒精進行保存，帶回實驗室鑒種。

1.4碳氮含量分析

在對照和施氮處理樣地，分別采集土壤剖面（共分為4層）新鮮凋落物（L）、半分解枯枝落葉層（LD）、O層有機質層（O）、0～15 cm礦質土壤層（MS）。

每塊樣地分別采集4個重復樣品，并將其混合為一個代表樣。礦質土壤0～15 cm利用內徑為5 cm的土鉆采集。所有的樣品在兩天內運回實驗室，新鮮凋落物（L）、半分解枯枝落葉層（LD）在50 ℃的通風烘箱內烘干，之后用研磨儀磨制成粉末狀。O層有機質層和0～15 cm礦質土壤層（MS）首先過2 mm土篩，去除植物根部、巖石和其他粗糙的碎屑物，之后于 50 ℃的通風烘箱內烘干，再用研磨儀磨制成粉末狀。

聯用Sercon GSL元素分析儀（EA）與Sercon Hydra 20/22同位素比值質譜儀（IRMS），運用連續流動模式對植物和土壤樣品進行碳氮元素及其穩定同位素含量測定，每個樣品兩個重復。

1.5統計分析

樣地重復為4個，采用one way ANOVA統計方法對氮添加的作用進行評估，統計分析在SPSS16.0進行。當P≤0.050，認為存在顯著性差異；當P值介于0.050和0.100，認為存在顯著性趨勢；當P>0.100，認為沒有顯著性差異。

2 結果與討論

2.1氮添加對蚯蚓種類和數量的影響

蚯蚓是土壤中大型的無脊椎動物，食碎屑者，分解枯枝落葉和有機質（Alban et al.，1994）。依據它們的棲息地和攝食行為，蚯蚓可以被分為3種主要的功能群：表棲類（epigeics）、內棲類（endogeics）和深土棲類（anecics）。表棲類主要居住于土壤表面，取食土表凋落物和有機物，少量或不取食土壤；內棲類在土壤中水平挖洞，主要取食礦質土壤以及有機碎片，能夠起到混合礦質層和有機質層的作用；深土棲類在土壤礦質層中垂直挖洞，于土表分解凋落物，以及將礦質土運輸至表面的作用，對于土壤氣體交換和水系統具有重要的作用（Bouche，1977）。由此可見，蚯蚓在土壤物質循環中占有重要的作用。

表1 長白山樣地蚯蚓種類和數量分布Table 1 The distribution of earthworm species composition and density (individuals·m-2) in Changbai Mountain

目前為止，對長白山地區蚯蚓的研究較少，可以說至今還沒有系統的研究（吳紀華等，1996；張榮祖等，1981）。本次調查研究共觀察到 4種類型的蚯蚓（表1），分別為：赤子愛勝蚓（Eiseniafoetida）、長白山杜拉蚓（Drawidachangbaiensis）、環毛蚓（Pheretima sp.）和線蚓（Enchytraeidae spp.）。其中，Eiseniafoetida屬 于 表 棲 類 （ epigeics）；Drawidachangbaiensis屬于內棲類（endogeics）和深土棲類（anecics）；Pheretima sp.屬于表棲類（epigeics）；Enchytraeidae spp.屬于蚯蚓的幼蟲，因此暫時無法對其進行生物功能群歸類。

調查顯示，在對照和施氮樣地，蚯蚓種類的密度分布模式相似，Eiseniafoetida的密度最大，可以達到25 individuals·m-2，其次為Drawidachangbaiensis，其密度可達到 6 individuals·m-2，Pheretima sp.的密度最小，甚至在施氮樣地本次調查并未觀察到該種類的蚯蚓。3種功能群在兩個處理中總的密度分別為對照樣地 23 individuals·m-2、施氮樣地為31 individuals·m-2。統計結果顯示，蚯蚓的密度并未受到施氮的影響（P=0.238），即對照和施氮兩者的蚯蚓密度沒有顯著性差異。

以往研究表明，蚯蚓生態分布明顯受到水分因子的制約，適合蚯蚓生存的土壤含水量范圍大致為40%～65%（黃初龍等，2005）。同時，蚯蚓的生態分布還受到季節變化的影響（Crow et al.，2009）72-82。本研究只對蚯蚓的種類和密度進行了1次調查，對于本地區氮添加對蚯蚓的影響還需進一步的研究。

2.2氮添加對碳氮含量的影響

在對照和施氮樣地，碳質量分數隨著土壤深度的增加而降低：新鮮凋落物（L）>半分解枯枝落葉層（LD）>O層有機質層（O）>0～15 cm礦質土壤層（MS），各層次差異性均不顯著。同樣，施氮處理下氮質量分數與C/N比值在不同層次間均無顯著性差異（圖1）。

圖1 對照和施氮樣地新鮮凋落物（L）、半分解枯枝落葉層（LD）、O層有機質層（O），0～15 cm礦質土壤層（MS）中碳和氮比值分布圖Fig. 1Carbon (C) and Nitrogen (N) ratio in litter (L), decomposed litter (LD), O horizon (O) and mineral soil (MS) under control and N addition

大量的生態系統和野外處理實驗研究表明，蚯蚓可以通過物理破壞作用而顯著影響凋落物分解速率，并將凋落物遷移至地下的穩定結構中，此作用高于微生物在凋落物分解過程中的作用（Heneghan et al.，2007）549-551。相對而言，在有蚯蚓存在的狀況下，森林土壤中的碳存儲量明顯下降（Brown et al.，2004；Crow et al.，200965-77）。并且在有蚯蚓存在的 O層，碳氮比值（w(C)/w(N)）明顯升高，達 34，碳穩定同位素值（δ13C）下降至-28.6‰，由此推測，該層有機物主要是木質類；然而，在礦質土壤中，蚯蚓的影響遠遠小于O層，未出現顯著變化（Bohlen et al.，2004）22-25。

施氮6年之后，在凋落物覆蓋層和礦質土壤層（0～15 cm）均未觀察到氮添加對碳和氮含量的影響。另外，以往的研究顯示出氮添加使碳含量增加的現象，為大氣氮是陸地生態系統碳累積的控制因子之一的假說提供了支持（Thomas et al.，2013；Zak et al.，2008；Zhang et al.，2013）。

3 結論

森林生態系統對氮添加的響應是一個復雜的過程。研究結果顯示，在施氮條件下，長白山闊葉紅松林土壤中蚯蚓的種類和密度并未受到影響。本研究只在生長季對蚯蚓的種類和密度進行了1次調查，但蚯蚓的活動受到季節溫度、土壤水分等環境因子的共同影響，為了探究氮添加對蚯蚓的影響還需進一步的研究。在整個森林覆蓋層和礦質土壤層，短期的氮沉降模擬并未引起總碳和氮的顯著性變化。

致謝：感謝中國科學院沈陽應用生態研究所白娥研究員和韓士杰研究員，給予了建設性指導意見和提供了本文的長期施氮技術平臺。感謝復旦大學吳紀華教授在測定蚯蚓種類和數量上的鼎力幫助！

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Effects of Elevated Nitrogen Deposition on Earthworm Species and Density in Mixed Broad-leaf Korean Pine Forest in Changbai Mountain

WU Nana1,2*, QIAN Hong1, ZHENG Lu1, LI Yafeng1
1. School of Municipal and Environmental Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China 2. Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110164, China

Nitrogen deposition is one of the major environmental factors affecting the biogeochemical cycles of terrestrial biogenic elements. The increase of nitrogen deposition may increase the carbon storage in the litter and soil. In this study, earthworm species and density were investigated by hand picking method and square soil sampler in a mixed broad-leaf Korean pine forest in Changbai Mountain, China after 6 years of N addition (ambient+N50 kg·hm-2·a-1) treatment. Meanwhile, litter and soil layer of organic carbon and nitrogen content were determined by an element analyzer. The results of the study showed that in control and nitrogen addition plots, earthworm species and density distribution pattern was similar. The 4 species of earthworms were observed. Eiseniafoetida and Pheretima sp. were epigeics. Drawidachangbaiensis was endogeics and anecics. Enchytraeidae spp. was earthwomenchytraeidae larvae. Among them, the density of Eiseniafoetida was the largest, and it could reach 25 individuals·m-2. The density of Drawidachangbaiensis was 6 individuals·m-2, and the density of Pheretima sp. was smallest. The total density of three functional groups was 23 individuals·m-2in the control plots and 31 individuals·m-2in the nitrogen plots, respectively. Thus, there were no significant differences (P=0.238) in the species and density of earthworms in control and nitrogen addition plots in Changbai Mountain. In the four layers of litter and soil, the total carbon was not affected by nitrogen addition, and total nitrogen was not significantly changed. The results improve our ability to estimate carbon sequestration potential of forest soil and build a global carbon cycle model under future climate change especially elevated N deposition.

soil animals; earthworms;organic carbon; nitrogen deposition; mixed broad-leaf Korean pine forest in Changbai Mountain

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.11.009

Q948；X171.5

A

1674-5906（2015）11-1814-04

國家“973”項目子課題（2011CB403200）；遼寧省博士科研啟動基金項目（201501070）；遼寧省教育廳科學研究一般項目（L2015451）；沈陽建筑大學學科涵育項目（XKHY-44）

吳娜娜（1985年生），女，講師，博士，主要從事土壤生物地球化學研究。E-mail: nanawu0816@xmu.edu.cn *通信作者。E-mail: nanawu0816@xmu.edu.cn

2015-08-31

引用格式：吳娜娜, 錢虹, 鄭璐, 李亞峰. 氮沉降增加對原始闊葉紅松林蚯蚓種類和數量的影響[J]. 生態環境學報, 2015, 24(11): 1814-1817.