不同有機物料接種蚯蚓對設施菜地土壤培肥及作物生長的影響①

吳 迪，劉滿強，焦加國，薛利紅，李輝信，胡 鋒，楊林章*

不同有機物料接種蚯蚓對設施菜地土壤培肥及作物生長的影響①

吳 迪1，劉滿強2，焦加國2，薛利紅1，李輝信2，胡 鋒2，楊林章1*

(1江蘇省農業科學院農業資源與環境研究所，南京 210014；2南京農業大學資源與環境科學學院，南京 210095)

設施蔬菜栽培長期施用過量化肥，往往導致土壤質量退化及作物產量降低等問題。因此，采用生態友好的農業生產方式已成為農業可持續發展的趨勢。本研究在野外調控試驗的第3年采集作物和土壤，研究了施用不同有機物料條件下，接種赤子愛勝蚓()對設施菜地土壤性質和作物生長的影響。結果表明，在不同有機物料施用下接種赤子愛勝蚓均顯著地提高了黃瓜和菠菜的產量，其中在施用腐熟牛糞+食用菌渣條件下接種赤子愛勝蚓效果最顯著。此外，在腐熟牛糞和腐熟牛糞+食用菌渣施用條件下，接種赤子愛勝蚓顯著地提高土壤的硝態氮(NO3–-N)、團聚體平均重量直徑(MWD)、微生物生物量碳(MBC)、微生物生物量氮(MBN)和代謝熵(CO2)，而在施用商品有機肥的處理中，接種赤子愛勝蚓僅顯著地提高了土壤NO3–-N和CO2。本研究促進了對蚯蚓在設施農業生態系統中服務功能的理解，并為設施農業生產提供了理論基礎。

赤子愛勝蚓；有機物料施用；黃瓜-菠菜輪作；土壤性質

近年來，我國溫室栽培蔬菜覆蓋面積將近330 萬hm2[1]。與此同時，大量施用化肥雖然有利于農業增產創收，但也造成了一系列環境問題，例如：土壤結構退化、土壤肥力下降、土壤微生物多樣性降低及作物產量降低等[2]。環境友好的可持續農業管理措施越來越受青睞，采用有機肥替代化肥的使用已經成為農業可持續發展的一種趨勢[3]。

我國農業廢棄物資源極為豐富，有機廢棄物既是重要的有機肥源，又是嚴重的環境污染源，充分利用有機廢棄物資源是變廢為寶的有效措施。農業廢棄物制成的有機肥在提高土壤生態服務功能的各個方面都表現出巨大的潛力，大量研究發現，長期施用有機肥可以有效改善土壤的孔隙結構狀況，提高水穩性團聚體的數量和土壤微生物活性[4-5]。但是，有機肥也存在速效養分低、在作物生長關鍵期不能提供足夠需求養分等缺陷[6]，而土壤動物蚯蚓正好可以彌補這一缺陷。

蚯蚓被認為是土壤生態系統中最重要的工程師，它可以通過挖穴、取食和排泄活動影響土壤生態功能[7]。有研究報道，蚯蚓的活性對提高植物生長以及養分循環起著至關重要的作用[8]。相比連續高強度化肥輸入降低蚯蚓的活性和數量而言[9]，有機肥的輸入可以為蚯蚓提供食物來源，有利于增強其活性并充分發揮其在農田生態系統中的生態服務功能，如促進有機物的降解、改善土壤的養分循環及提高生態系統的生產力[10]。然而，Leroy等[11]認為農田蚯蚓的生物量及其活性受添加不同有機物料種類影響。因此，研究在不同有機物料施用下蚯蚓在農田生態系統中的生態功能有著極其重要的意義。

本研究利用野外設施菜地，通過施用不同有機物料(商品有機肥、腐熟的牛糞、腐熟的牛糞+食用菌渣)，結合接種赤子愛勝蚓()，探究土壤肥力及作物產量的變化，并從中選取最佳的有機物料配施方式，為農田生產應用及管理提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

田間試驗地點設在江蘇省蘇州市相城區望亭鎮新埂村虞河蔬菜基地(120°28.732′E，31°26.798′N)。屬于北亞熱帶季風氣候，常年平均氣溫16.6 ℃，最高氣溫38.1 ℃，最低氣溫-6.1 ℃，≥10 ℃的有效積溫4 933.7 ℃，年均無霜期231 d，年平均降雨量1 312 mm，年日照1 745 h，年平均太陽總輻射量4.94×105J/cm2。試驗地0 ~ 20 cm耕作層土壤基本性質見表1。

表1 供試土壤基本理化性質

1.2 供試材料

試驗選用種植的黃瓜品種為津雜二號(L.)，菠菜品種為內蒙古圓葉大菠菜(L.)。供試有機物料：①腐熟的牛糞，選自蘇州市相城區望亭鎮新埂村奶牛場，黃瓜季施用牛糞的基本性質為：含水量76%，有機碳含量263.76 g/kg，全氮22.15 g/kg，全磷12.10 g/kg，全鉀2.10 g/kg。菠菜季施用牛糞的基本性質為含水量80%，有機碳含量232.53 g/kg，全氮21.05 g/kg，全磷11.30 g/kg，全鉀3.25 g/kg；②商品有機肥，選自沃豐有限公司生產的商品有機肥，其基本性質為：含水量18%，全氮11.90 g/kg，全磷9.56 g/kg，全鉀9.50 g/kg；③食用菌渣，選自蘇州市相城區望亭鎮新埂村食用菌廠生產完蘑菇剩下的下腳料，其主要成分為棉籽殼、麩皮和石灰。其基本性質為含水量75%，全氮6.70 g/kg，全磷2.03 g/kg，全鉀2.31 g/kg。試驗選用的蚯蚓品種為赤子愛勝蚓()。

1.3 試驗設計

本試驗的小區始建于2010年，試驗小區由硅酸鈣板圍成大小為2.4 m × 1.2 m，埋入地下0.6 m深，高出地表0.2 m深，以防止蚯蚓逃逸。小區與小區之間間隔0.5 m。本試驗共設計6個處理，每個處理3個重復(表2)。定位試驗從2010年開始，前期研究結果表明經過3年“黃瓜-菠菜”輪作方式后，生態系統已逐步趨于穩定。因此，本研究的所有結果都基于2012年的田間試驗數據。每季作物種植時，不同有機物料作為基肥一次性施用，在整個作物生產期內無任何化肥或追施肥料添加。赤子愛勝蚓經過清腸處理后，接種量按60 g/m2(相當于100條 ± 5條赤子愛勝蚓)接種[12]。蚯蚓的接種量在每季蔬菜種植前進行田間操作控制，盡量將蚯蚓均勻散放到田面，接種后觀察蚯蚓的入土情況，需要時替換掉活性差的蚯蚓。每季作物收獲后進行蚯蚓的存活率及生物量調查，每季作物種植前補充蚯蚓數量或用手撿去除到60 g/m2密度。黃瓜生長季為每年4月初到6月底，菠菜生長季為每年10月初到12月初。在蔬菜生長期間，其種植管理按照當地的生產標準進行管理種植。

表2 試驗設計

1.4 樣品采集與分析

1.4.1 蚯蚓存活率的調查 在每季作物收獲后，對所有試驗小區(接種蚯蚓和沒接種蚯蚓)進行0.3 m × 0.3 m × 0.3 m樣方取樣調查，計算蚯蚓的條數和生物量。

1.4.2 植株樣品的采集及分析 在黃瓜結果期，累積采收一個月的黃瓜重量作為其產量。在菠菜成熟期，采收每個小區地上部菠菜的生物量作為菠菜的產量。

1.4.3 土壤樣品的采集及分析 分別在黃瓜和菠菜成熟期，用土鉆在各小區內采集耕作層(20 cm)土壤樣品，土樣分兩部分收集，一部分采取盒子盛放土壤原狀土，防止運輸過程中受擠壓，從而破壞團聚體結構。取回的土壤過8 mm篩后裝入硬質塑料瓶中用于團聚體的分離。另一部分土壤采集于4 ℃保鮮盒里，帶回實驗室進行測定。

土壤水穩性團聚體測定，用濕篩分離的方法[13]將土樣分離成：>2、2 ~ 0.25、0.25 ~ 0.053、<0.053 mm 4個級別的團聚體，最后用平均重量直徑(MWD)來描述團聚體的穩定性[14]；土壤pH使用無CO2水浸提(1:2.5的土水比)電位法測定；銨態氮(NH4+-N)和硝態氮(NO3–-N)采用 2 mol/L KCl 浸提，流動分析儀(Skalar, Breda, Holland)測定；土壤微生物生物量碳(MBC)和微生物生物量氮(MBN)采用氯仿熏蒸提取法測定[15-16]；土壤代謝熵(CO2)：采用土壤基礎呼吸與MBC的比值來表示[17]，其中土壤基礎呼吸通過氣相色譜Agilent GC 7890A 測定CO2值[18]。

1.5 數據分析

采用SPSS軟件對數據進行統計分析，分析前用Kolomogorov-Smirnov和Levene方法檢驗數據的正態分布及方差齊性，并在必要時用對數對數據進行轉換。以獨立樣本檢驗分析有無蚯蚓的差異，均值的比較檢驗采用Duncan法(顯著性水平設為0.05)。利用Origin 8.5作圖。

2 結果與分析

2.1 蚯蚓生物量

在黃瓜和菠菜收獲后，通過調查蚯蚓的數量及生物量發現，施用3種不同有機物料條件下接種的蚯蚓數量及生物量大小順序依次為：CME > CE > OE(表3)。與初始接種量相比，施用腐熟牛糞+食用菌渣條件下蚯蚓生物量增加幅度最大，達到33% ~ 58% (表3)。

2.2 土壤性質

施用不同有機物料下接種蚯蚓對土壤性質的影響不同。無論在黃瓜季還是在菠菜季，施用腐熟牛糞或腐熟牛糞+食用菌渣，在蚯蚓的作用下，土壤的硝態氮(NO3–-N)、團聚體平均重量直徑(MWD)、微生物生物量碳(MBC)、微生物生物量氮(MBN)和代謝熵(CO2)均顯著升高(表4)。其中在腐熟牛糞處理中接種蚯蚓提高土壤MWD 主要是由于蚯蚓提高了土壤2 ~ 0.25 mm 團聚體含量，降低了土壤0.25 ~ 0.053 mm 以及＜0.053 mm 的團聚體含量；而在腐熟牛糞+菌渣處理中接種蚯蚓提高土壤MWD 則是由于蚯蚓提高了土壤2 ~ 0.25 mm 團聚體含量，降低了土壤<0.053 mm 的團聚體含量(圖1)。相比較之下，在施用商品有機肥條件下接種蚯蚓，僅提高了土壤的NO3–-N 和CO2含量(表4)。

表3 2012年黃瓜-菠菜輪作體系中蚯蚓數量及生物量

注：表中同列數據小寫字母不同表示處理間差異顯著(<0.05)，下表同。

表4 不同有機物料和蚯蚓在黃瓜季和菠菜季對土壤性質的影響

注：表中小寫字母不同表示同一有機物料處理接種蚯蚓和不接種蚯蚓處理間差異顯著(<0.05)。

2.3 蔬菜產量

無論在黃瓜季還是在菠菜季，3種不同有機物料施用下接種蚯蚓均顯著地提高黃瓜和菠菜的產量(圖2)。在黃瓜季，不同有機物料接種蚯蚓與未接種蚯蚓相比，黃瓜產量增幅達到28.8% ~ 32.3%(圖2)。在菠菜季，不同有機物料接種蚯蚓與未接種蚯蚓相比，菠菜產量增幅達到29.0% ~ 37.4%(圖2)。無論在黃瓜季還是在菠菜季，腐熟牛糞+食用菌渣施用下接種蚯蚓的處理蔬菜產量最高。

(圖柱上方小寫字母不同表示同一有機物料處理接種蚯蚓和不接種蚯蚓處理間差異顯著(P < 0. 05)，下圖同)

圖2 不同有機物料和蚯蚓對黃瓜產量(A)和菠菜產量(B)的影響

3 討論

3.1 蚯蚓對土壤性質的影響

蚯蚓活動對土壤性質的影響與蚯蚓品種、土壤類型以及施用有機物料的性質都有著極大的聯系[19]。本研究中取用的赤子愛勝蚓屬于典型的表層種，主要取食有機物并居住在有機物內。通過施用3種不同的有機物料對比，發現蚯蚓的生物量在腐熟牛糞+食用菌渣中最多，腐熟牛糞中次之，商品有機肥中最少。先前的一些研究也表明，發酵后的牛糞、蘑菇底料、食用菌渣與牛糞、豬糞等按不同比例混合都能促進蚯蚓的生長[20]。Schon等[21]曾報道蚯蚓的生態功能與其生物量呈正相關。本研究發現施用腐熟牛糞和腐熟牛糞+食用菌渣條件下，蚯蚓顯著地提高土壤結構的穩定性、土壤養分的有效性及土壤微生物的活性。土壤結構方面，本研究中蚯蚓提高了土壤2 ~ 0.25 mm團聚體數量。也有研究資料表明，農田接種蚯蚓可以改善土壤結構，如Lavelle等[22]通過接種種植6茬作物后，發現土壤大團聚體含量從25.4% 增加到了31.2%。土壤養分方面，3種不同的有機物料接種蚯蚓都提高了土壤NO3–-N含量。一方面，蚯蚓通過分解有機物料能增加土壤的速效養分，并且每年蚯蚓在農田生態系統中通過其死亡后的組織可向周邊土壤中釋放N 10 ~ 74 kg/(hm2·a)[23]；另一方面，研究報道蚯蚓黏液和蚯蚓糞中富含大量的NO3–-N[24]。土壤微生物活性方面，本研究通過連續3 a的田間試驗，發現在施用腐熟牛糞和腐熟牛糞+食用菌渣條件下，蚯蚓都顯著地提高土壤MBC、MBN及CO2。大多數研究結果表明：蚓糞和蚓穴壁內的微生物量顯著高于對照土壤，且過腹的土壤及有機物料更利于微生物侵染和繁殖[25]。Wu等[26]研究發現，在施用牛糞的條件下，接種威廉腔環毛蚓顯著提高土壤MBC、MBN及CO2。綜上所述，通過施用3種不同的有機物料接種蚯蚓后對土壤肥力提高程度的綜合比較，發現在施用腐熟牛糞+食用菌渣條件下接種蚯蚓效果最好，單施腐熟牛糞并接種蚯蚓效果次之，施用商品有機肥接種蚯蚓的效果并不理想。可能是由于腐熟牛糞經過蚯蚓消化系統，在多種酶的作用下能迅速分解、轉化成為自身或其他生物易于利用的營養物質[27]，這些營養物質為食用菌渣中大量的有益微生物生長提供良好的環境。同時，食用菌渣比較疏松，還能改善土壤結構。然而，商品有機肥是已經過加工成顆粒狀的有機肥，并不很匹配赤子愛勝蚓的生境(取食性)，從而影響到蚯蚓活性及土壤生態功能的表達。

3.2 蚯蚓對作物產量的影響

當前，在全球人口不斷增加、可利用耕地資源日漸減少、極端氣候日趨頻繁的背景下，全球食物生產正面臨著前所未有的挑戰，人們把更多的目光集中于傳統農業發展與可持續農業的發展[28]。蚯蚓在可持續農業發展生態系統中作用是不可忽略的，尤其是對作物生長的影響在農業生產上備受重視。Van Groenigen等[29]通過收集58 篇論文462 個數據進行整合分析，發現蚯蚓能顯著地增加作物的產量25%，地上部生物量23%，地下部生物量20% 以及總的生物量21%。Wu等[26]研究發現，在施用牛糞的條件下，接種威廉腔環毛蚓可增加作物產量18% ~ 47%。蚯蚓促進植物生長可能的5條途徑[24]：①改善土壤結構；②產生植物生長調節物質；③刺激與植物共生的微生物；④抑制害蟲和作物疾病；⑤增加養分的利用率。在本研究中，特別是在施用腐熟牛糞和腐熟牛糞+食用菌渣條件下，蚯蚓增加了土壤2 ~ 0.25 mm 團聚體含量、土壤速效氮含量及微生物活性，為增加作物產量奠定了基礎。值得注意的是，本研究發現作物的最大產量是在施用牛糞+食用菌渣接種蚯蚓的處理中。可能存在以下兩方面原因：①作物生長初期較為緩慢，對養分的需求也相對較少，隨著植株的生長，食用菌渣可在生產中作為有機肥的有效補充[30]；②本研究在施用牛糞+食用菌渣接種蚯蚓的處理中土壤肥力最好，同時該處理中蚯蚓的生物量和數量也最多，這與Schon等[21]報道植物的產量和其生物量呈正相關相吻合。

4 結論

蚯蚓的土壤生態服務功能與蚯蚓品種及施用有機物料的性質密切相關。在施腐熟牛糞及腐熟牛糞+食用菌渣條件下，接種赤子愛勝蚓提高了土壤NO3–-N、平均重量直徑、微生物生物量碳、微生物生物量氮和代謝熵。同時，在3種不同有機物料中接種赤子愛勝蚓分別提高黃瓜產量28.8% ~ 32.3% 和菠菜產量29.0% ~ 37.4%。從綜合效果來看，在施用腐熟牛糞搭配食用菌渣條件下，接種赤子愛勝蚓改善土壤質量及促進作物生長的效果最佳，可推薦為農田施肥管理措施。目前，有關有機物料與土壤動物在農田生態系統中的聯合作用往往被人們忽略[31]。現有的研究主要是室內小尺度盆栽控制試驗，而蚯蚓作為土壤生物多樣性及可持續農業發展的重要組成成分，希望將來能有更多的田間試驗報道來了解其發揮土壤生態服務功能的機制。

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Effects of Inoculating Earthworm to Vegetable Field on Soil Fertility and Plant Growth Following Different Organic Amendments

WU Di1, LIU Manqiang2, JIAO Jiaguo2, XUE Lihong1, LI Huixin2, HU Feng2, YANG Linzhang1*

(1Institute of Agricultural Resource and Environment, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China; 2 College of Resources and Environmental Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China)

High inputs of chemical fertilizers could result in a series of problems such as soil degradation and crop low-production of protected vegetable cultivation. Ecological agricultural production style has been considered as one of the most feasible ways to the sustainability of agriculture. Based on the crop and soil samples collected in the third year of a field experiment, this paper aims to explore the effects of inoculating with earthworms () following organic amendment on improving crop yield and soil quality. The results showed thatsignificantly increased the yields of cucumber and spinach among all the organic amendments, and the maximum crop yield appeared in the treatment of cattle manure combining edible mushroom dregs inoculated with. Both the treatment of cattle manure and the treatment of cattle manure combining with edible mushroom dregs inoculated withsignificantly increased soil NO3–-N, MWD, MBC, MBN andCO2. However, the treatment of commercial organic fertilizerinoculated withonly significantly increased soil NO3–-N andCO2. Therefore, this study not only promoted the understanding of ecosystem service function of earthworm, but also provided a theoretical basis for facility agriculture.

; Organic amendment; Cucumber-spinach rotation; Soil properties

國家自然科學基金項目(41601323，41771287)、土壤與農業可持續發展國家重點實驗室開放基金項目(Y20160033)、國家重點研發計劃課題項目(2016YFD0801101)和中國博士后基金項目(2015M581753)資助。

(lzyang@issas.ac.cn)

吳迪(1987—)，男，福建福安人，博士，助理研究員，主要研究方向為農業固體廢棄物的資源化利用。E-mail: wudinjau@163.com

S154.1

A

10.13758/j.cnki.tr.2019.03.008