蚯蚓對赤紅壤草被恢復影響的試驗研究

毛 娜, 劉 通, 江 恒, 李祥東,, 程 炯, 魏孝榮, 邵明安

(1.中國科學院 教育部水土保持與生態環境研究中心 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室,陜西 楊凌 712100; 2.廣東省科學院生態環境與土壤研究所, 華南土壤污染控制與修復國家地方聯合工程研究中心/廣東省農業環境綜合治理重點實驗室, 廣州 510650; 3.中國科學院大學, 北京 100049)

南方紅壤丘陵區是中國僅次于黃土高原的水土流失區，其地形起伏大、母巖抗侵蝕能力弱，再加上南方地區暴雨頻次高、風化作用強烈，使得該區土壤質量偏低[1]。以花崗巖風化殼為母巖的赤紅壤是南亞熱帶區域的代表性土壤，分布范圍廣，占廣東省總面積的44.7%，這類土壤酸化嚴重、有機質含量低、養分貧瘠，加之不合理的開墾利用，土壤退化極為嚴重[2]。植被修復可以迅速提高植物生物量和土壤碳儲量，是退化土地修復和改良的重要手段之一。關于造林或生態修復對土壤有機碳、理化性質的影響已開展大量研究[3-4]，但從土壤動物角度探究退化土地生態系統植被生產力和土壤理化性質變異的相對較少。

蚯蚓是最典型的大型土壤動物之一，能夠通過取食、消化、排泄、分泌和掘穴等活動改善土壤結構，影響土壤物質循環和能量流動，被稱為“生態系統工程師”[5-6]。研究表明生態修復后蚯蚓可從鄰近土地遷移至退化土地，蚯蚓群落種類和豐富度顯著提高，土地修復22 a后，蚯蚓群落密度和生物量可達208條/m2，71 g/m2[7]。蚯蚓群落的存在和演變勢必會影響土壤生態系統功能，如養分循環和植被生產力，但蚯蚓如何影響土壤植被修復過程尚不明確。

近年來，全球氣候變暖，極端氣候頻發[8]。1951—2008年間，我國54.6%的陸地和40%的月份都經歷了不同程度的干旱[9]。在正常生態系統，干旱可能導致土壤水分虧缺、植被死亡和作物減產等[10]，那么退化生態系統對干旱脅迫的響應可能更加敏感。因此研究干旱脅迫對生態修復效應的影響很有必要。本研究以典型赤紅壤為研究對象，基于盆栽模擬試驗，探究蚯蚓活動對退化土壤修復前(裸土培養)和修復后(黑麥草種植)土壤理化性質的影響，探討蚯蚓活動對植被生產力的影響機制，明確蚯蚓對赤紅壤恢復草地生態系統養分循環的調控作用。為科學評估蚯蚓活動在生態修復過程中的作用提供數據支撐，也為生態修復經營管理提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤為花崗巖風化發育的典型赤紅壤，取自廣東省廣州市增城區桉樹林區地表侵蝕裸露區域。該區屬于南亞熱帶季風氣候，年平均氣溫21.6℃，日照時數1 710 h，年平均降雨量1 968 mm，干濕季節明顯，雨量集中于4—9月，占全年的80%以上。供試土壤帶回實驗室風干，去除根系、礫石等雜質后過8 mm篩用于后續培養試驗。該土壤為黏壤土，黏粒、粉粒和砂粒含量分別為38.3%，20.7%和41.0%，pH為4.5，有機碳含量2.7 g/kg，土壤總氮和總磷含量分別為0.16，0.13 g/kg。

供試植物為多年生黑麥草(Loliumperenne)，挑選顆粒完整，大小一致的種子用于試驗。

供試蚯蚓為華南地區廣泛分布的參狀遠盲蚓(Amynthasaspergillum)，收集于廣東省廣州市增城試驗基地農田，挑選生長健壯，大小均一的蚯蚓用于試驗，蚯蚓重約(3.0±0.2) g。

1.2 試驗設計

試驗通過裸土和黑麥草培養分別模擬退化土地生態修復前和修復后，探討蚯蚓活動對植被生產力和土壤理化性質的影響，以及生態恢復草地生態系統對干旱脅迫的響應。試驗設置8個處理：包括2種模擬生態系統(裸土vs. 黑麥草)，2種水分條件(濕潤vs. 干旱)和2種蚯蚓處理(有蚯蚓vs. 無蚯蚓)，每個處理設置5個重復，共40個盆栽。盆栽試驗在廣東省科學院生態環境與土壤研究所院內溫室大棚中進行。盆栽試驗主要時間節點如下：2020年12月底盆栽裝土，種植黑麥草，室內培養60 d后接種蚯蚓，蚯蚓接種后繼續培養50 d，然后進行40 d的干旱脅迫處理，盆栽試驗總計150 d，詳細試驗步驟如下。

(1) 土柱填裝：試驗所用盆栽容器為直徑15 cm、高15 cm的塑料桶，裝填所用土壤為上述供試土壤，干容重為1.2 g/cm3，每個塑料桶填裝供試干土2 160 g，裝填至盆內高度約10 cm。蒸餾水調節土壤水分含量至田間持水量(27.6%)。

(2) 黑麥草種植：隨機選取20個盆栽種植黑麥草。在種植前，浸泡黑麥草種子4 h，翻松盆栽表層1.5 cm土壤，等間距穴植黑麥草，共9穴，每穴黑麥草3顆種子，種植后盆栽土壤澆水至田間持水量。對于裸土生態系統，也按照相同方式放上等量的、經高溫處理失活的黑麥草種子。在接種蚯蚓和土壤干旱處理之前，所有盆栽的土壤水分維持在田間持水量。為減少溫室大棚對陽光的遮擋影響，采用LED全光譜植物生長燈對盆栽進行日間補光，補光時間為每天12 h，培養60 d。培養過程中，每天給盆栽稱重記錄，以監測其土壤含水量在控制范圍以內。

(3) 蚯蚓接種：裸土和黑麥草處理組隨機挑選一半的盆栽(10盆)接種蚯蚓，每盆4條，接種前用蒸餾水將蚯蚓清洗干凈，再放在濕潤的濾紙上任其自由排泄24～48 h清空蚯蚓腸道，隨后放入土壤表面。盆栽塑料桶上沿用透明膠帶圍起，防止蚯蚓逃逸。定期查看盆栽蚯蚓生存狀況，若蚯蚓死亡則用鑷子小心去除蚯蚓尸體，并重新接種蚯蚓。繼續培養50 d。

(4) 模擬干旱處理：各個處理隨機挑選一半的盆栽(5盆)進行干旱脅迫處理，其他盆栽為濕潤對照組。濕潤對照組定期稱重控水維持田間持水量。干旱處理組盆栽土壤水分隨蒸散發過程逐漸損失(注：自然蒸發過程中，土壤水分從田間持水量降至萎蔫含水量需要15 d)，以此來模擬土壤干旱，土壤干旱脅迫20 d后將土壤含水量調至田間持水量，隨后繼續模擬干旱20 d。試驗結束后，進行樣品采集與測定。

1.3 樣品采集與測定

(1) 黑麥草采集與測定：試驗結束后，所有盆栽都進行破壞性取樣。對于種植有黑麥草的盆栽，貼近土壤表面刈割黑麥草，收集全部地上生物量，放入信封袋中，80℃殺青30 min，隨后60℃烘干至恒重，稱重獲得黑麥草生物量。

(2) 土樣采集與測定：采集土壤樣品前，用鑷子挑出黑麥草根系和蚯蚓。由于黑麥草根系較為細少，烘干后與黑麥草地上部分一起稱重計算生物量，蚯蚓收集后放歸農田。盆栽土壤混合均勻后風干過1 mm和0.25 mm網篩，參考《土壤農化分析》[11]測定土壤理化性質。土壤pH值采用PHS-3C儀測定，水土比(v:m)為2.5∶1；土壤有機碳采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法測定；土壤全氮采用凱氏定氮法測定；土壤全磷采用硫酸—高氯酸消解—鉬銻抗比色法測定；土壤硝態氮和銨態氮采用2 mol/L氯化鉀浸提，AA3型連續流動分析儀測定；土壤Olsen速效磷采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測定。

1.4 數據處理與分析

數據經異常值檢驗、正態性檢驗和方差齊性檢驗后進行后續分析。采用雙因素方差分析研究蚯蚓活動和干旱脅迫對黑麥草生物量和土壤理化性質的影響，采用Duncan多重比較法分析黑麥草生物量和土壤理化性質在不同處理間的差異顯著性，采用皮爾遜相關分析探究土壤理化性質間的關系，通過主成分分析研究蚯蚓和干旱處理對土壤理化性質的影響，并經多元方差分析檢驗(Adonis檢驗)，采用偏最小二乘路徑分析法研究不同水分條件下蚯蚓對黑麥草生態系統的影響機制。以上數據分析顯著性檢驗水平均為p= 0.05。數據處理和做圖采用R4.1.0平臺agricolae，vegan，plspm和ggplot2包以及Excel 2016完成。

2 結果與分析

2.1 蚯蚓和干旱對黑麥草生物量的影響

蚯蚓活動和干旱脅迫對黑麥草生物量的影響見表1和圖1。蚯蚓活動和干旱脅迫顯著影響黑麥草生物量(p< 0.05)，其交互作用影響不顯著(p=0.176)。濕潤條件下，相比無蚯蚓組〔(0.33±0.05) g)〕，蚯蚓活動顯著提高了黑麥草生物量〔(0.60±0.15) g，p<0.05)〕。干旱脅迫限制黑麥草生長，干旱處理的黑麥草生物量最小〔(0.28±0.02) g〕，蚯蚓-干旱處理時黑麥草生物量較低〔(0.43±0.12) g〕，但仍然高于不接種蚯蚓的處理。

2.2 蚯蚓和干旱對土壤理化性質的影響

蚯蚓活動和干旱脅迫對裸地和黑麥草生態系統土壤pH值、全量和速效養分含量影響見表1和圖2。蚯蚓活動和干旱脅迫對兩種生態系統pH值影響顯著，但其交互作用不顯著。對于裸地生態系統，相比不添加蚯蚓組，蚯蚓接種顯著改善了土壤pH值(p<0.05)，干旱條件下土壤pH值增加，蚯蚓-干旱處理具有最高的pH值(4.94±0.07)。黑麥草系統除蚯蚓-濕潤與不接種蚯蚓組土壤pH值沒有顯著差異外，其余土壤pH值與裸地生態系統具有相同的變化趨勢(圖2A)。蚯蚓活動和干旱脅迫對土壤有機碳無顯著影響(p>0.05)，各處理組間差異不顯著(圖2B)。

裸土培養時蚯蚓活動顯著影響土壤總氮、硝態氮和銨態氮含量(p< 0.001)，干旱脅迫以及蚯蚓和干旱脅迫交互作用對土壤總氮、硝態氮和銨態氮含量無顯著影響(p>0.05，表1)。裸土培養的濕潤和干旱組總氮和硝態氮含量分別為0.16～0.17 g/kg和6.48～7.8 mg/kg，顯著低于蚯蚓-濕潤和蚯蚓-干旱組(圖2C和2E)。蚯蚓接種提高了土壤銨態氮含量，蚯蚓-干旱組最高為(43.95±32.09) mg/kg，蚯蚓-濕潤組銨態氮含量與其余處理差異不顯著(p>0.05，圖2F)。對于黑麥草生態系統，蚯蚓活動、干旱脅迫及其交互作用對土壤總氮影響不顯著(表1)，各處理組間差異不顯著(圖2C)。蚯蚓活動提高土壤硝態氮含量，干旱脅迫降低硝態氮含量，因此僅干旱處理具有最低的硝態氮含量，顯著低于蚯蚓-濕潤組(p< 0.05)。蚯蚓活動顯著影響黑麥草生態系統土壤銨態氮含量，干旱脅迫以及蚯蚓和干旱脅迫交互作用影響不顯著。干旱脅迫條件下土壤銨態氮含量最低〔(7.42±2.29) mg/kg〕，接種蚯蚓后具有最高的銨態氮含量〔(27.5±11.91) mg/kg〕。

表1 蚯蚓和干旱對植被生物量和土壤理化性質影響的雙因素方差分析

注：不同小寫字母代表處理組間在0.05水平上具有顯著差異。

雙因素方差分析表明蚯蚓僅對黑麥草生態系統土壤總磷含量影響顯著(p=0.015)，干旱僅對裸土生態系統土壤總磷含量影響顯著，蚯蚓活動和干旱脅迫交互作用影響不顯著(表1)。干旱脅迫提高裸土中總磷含量，蚯蚓-干旱組總磷含量最高，顯著高于濕潤組(圖2D)。黑麥草系統蚯蚓-濕潤組具有最高的全磷含量，高于不接種蚯蚓組。蚯蚓活動和干旱脅迫顯著影響土壤速效磷含量(p<0.05)，但蚯蚓活動對土壤速效磷影響趨勢在裸土和黑麥草生態系統之間不同(圖2G)。蚯蚓活動降低裸土土壤速效磷含量，但提高黑麥草系統土壤速效磷含量，干旱脅迫則對兩種生態系統的速效磷含量均具有促進作用。其中裸土蚯蚓-濕潤組具有最低的速效磷水平，顯著低于其他處理(p<0.05)。黑麥草組蚯蚓-干旱組速效磷含量最高〔(4.38±0.38) mg/kg〕，顯著高于其余處理(p<0.05)。

土壤理化性質主成分分析結果見圖3，主成分分析前兩軸能夠解釋裸土和黑麥草系統土壤理化性質變異的76.1%和75.0%。裸土生態系統土壤pH值、總氮、硝態氮和銨態氮含量相互之間呈顯著正相關關系(p<0.01，表2)。土壤pH值與總磷相關系數為0.478(p<0.05)，土壤速效磷和有機碳與其他理化性質之間無顯著相關關系(p>0.05)。多元方差分析表明處理能夠解釋裸土土壤理化性質變異的50.3%(p=0.002)，相比不添加蚯蚓組，蚯蚓-濕潤和蚯蚓-干旱處理具有較高的pH值、總氮、速效氮和總磷水平(圖3A)。黑麥草生態系統土壤pH值與銨態氮和速效磷含量顯著正相關(p<0.05)，土壤總氮與土壤有機碳以及速效養分之間具有顯著正相關關系(p<0.05)，土壤有機碳與土壤總磷以及土壤速效養分之間沒有明顯相關關系(p>0.05，表2)。土壤總磷與土壤總氮和硝態氮含量不相關(p>0.05)，但與土壤銨態氮含量呈顯著正相關關系(p<0.05)。圖3B表明處理能夠解釋黑麥草生態系統土壤理化性質變異的38.7%(p=0.006)，蚯蚓活動對土壤養分具有促進作用，總體而言蚯蚓-干旱組具有較高的養分水平。

注：同一列不同小寫字母代表相同培養系統條件下處理組間在0.05水平上具有顯著差異。

2.3 蚯蚓和干旱對土壤生態系統養分循環的影響

皮爾遜相關分析表明黑麥草生物量與土壤總磷和有效養分具有顯著正相關關系(p<0.05，表2)。圖4呈現了濕潤和干旱脅迫條件下蚯蚓活動對黑麥草生物量的影響機制，其中偏最小二乘路徑模型的擬合優度大于0.6，說明模型可以接受。濕潤條件下(圖4A)，蚯蚓活動顯著提高土壤有機碳和全量養分(總氮和總磷)含量，進而促進了土壤中速效養分的增加，最終促進黑麥草生物量增加(p<0.05)。干旱脅迫條件下(圖4B)，蚯蚓活動顯著提高土壤pH值和全量養分(p<0.05)，土壤全量養分提高顯著促進土壤有效養分含量(p<0.01)，但速效養分的增加對黑麥草生物量沒有促進作用(p>0.05)。圖4C總效應分析表明，濕潤條件下蚯蚓、pH值、全量和速效養分都能促進黑麥草生物量的增加，其中促進作用最強的是能夠直接被植物吸收利用的速效養分。干旱條件下，蚯蚓、pH值和土壤全量養分仍然對黑麥草生物量具有正效應，但速效養分的提高對黑麥草生物量的增加具有負效應，說明干旱阻斷了黑麥草生長的養分吸收利用。

3 討 論

3.1 蚯蚓和干旱對植被生產力和土壤理化性質的影響

與以往研究結果一致[6,12]，蚯蚓存在可以促進植被生長，濕潤條件下蚯蚓可以提高黑麥草生物量81.8%，干旱條件下蚯蚓活動可促進植被生長53.6%。現有研究表明蚯蚓對植被生產力的影響機制主要表現為對土壤結構的改善和養分有效性的提高。例如，接種蚯蚓顯著提高土壤大團聚體含量[13]和土壤孔隙結構[14]，改善土壤通氣透水特性；蚯蚓取食植被殘體和土壤中有機物質，釋放土壤養分供給植物吸收利用[12,15]。

本研究表明蚯蚓活動顯著提高土壤pH值，這與蚯蚓表皮能分泌大量粘液，蚯蚓腸道排泄產物中包含氨基酸、糖類和鈣鎂鉀無機鹽等有關，這些組分使蚯蚓自身具有較強的pH值耐受能力，也能夠調節土壤pH值[16]。但隨著植物對酸堿調節物質的吸收利用(氨基酸、無機鹽等)，對于有植物存在的生態系統，其對pH值的調節作物可能不顯著(圖2A)。由于退化赤紅壤有機質含量低，且沒有外源有機物輸入，蚯蚓活動對土壤有機碳動態影響不顯著(圖2B)。與前人研究一致[12,17]，蚯蚓存在提高土壤氮和磷養分含量及其有效性(圖2C，D，E，F和G)。基于Meta分析，van Groenigen等[18]發現蚯蚓通過“濃縮過程”可以使蚯蚓糞中碳氮磷總量提高40%～48%，使礦質氮和有效磷含量提高241%和84%。王霞等[19]和Le Bayon等[20]研究表明接種蚯蚓能提高土壤中固氮菌的含量，蚯蚓處理后的土壤硝態氮、礦質總氮和有效磷含量明顯增加。此外，蚯蚓分泌物和自身死亡組織易被礦化分解從而向土壤中輸入氮磷等有效養分[21]。但隨著植被的吸收利用，蚯蚓對土壤中養分的提升作用可能會不顯著(圖2E和2F)。

表2 植被生物量和土壤理化性質指標間皮爾遜相關系數

圖3 土壤理化性質主成分分析以及蚯蚓和干旱處理對土壤理化性質影響的多元方差分析

圖4 蚯蚓對植被生物量影響路徑分析

干旱影響土壤結構、養分濃度、限制植被根系吸水和養分利用，影響植被生長和生產[3,10]。本研究亦表明干旱脅迫條件下，黑麥草生物量在無蚯蚓和接種蚯蚓條件下分別降低15.2%和28.3%。這主要是因為干旱脅迫致使植物從土壤中吸水水分和養分困難，影響黑麥草生長和發育。如前文所述，蚯蚓影響土壤酸堿物質構成，提高土壤pH值，土壤干旱限制土壤中酸堿有機物質的礦化和植物吸收利用，進而提高蚯蚓存在土壤的pH值，干旱脅迫對無蚯蚓存在土壤pH值影響不顯著。由于赤紅壤團粒結構差，有機質含量低，土壤貧瘠，本研究結果顯示短期干旱對土壤有機碳、總氮、總磷含量影響并不顯著[3-4]。同等條件下(植物、蚯蚓存在)干旱脅迫對土壤硝態氮和銨態氮無顯著影響，但由于有機質礦化和植物吸收利用的降低，有蚯蚓存在的土壤銨態氮(29.3%～61.9%)出現累積(圖2F)。與以往研究一致[5]，隨著土壤酸度的增加土壤有效磷含量逐漸降低，加上有機質礦化和植物吸收利用的減少，干旱條件下土壤中速效磷含量顯著高于濕潤土壤(21.0%～42.7%)。

3.2 蚯蚓對恢復草地生態系統養分循環的調控作用

本研究結果表明，蚯蚓活動提高了土壤中全量和速效養分含量，促進了養分向植物的正向流動(圖4A)，土壤干旱雖沒有影響蚯蚓對土壤養分的提高作用，但阻斷了植被對速效養分的吸收利用，影響植被生產力(圖4B)。相比蚯蚓-濕潤組土壤，蚯蚓-干旱組雖然降低了黑麥草生產力，但仍顯著高于沒有蚯蚓的組分(圖1)，且會提高土壤速效養分的累積(圖3)。因此蚯蚓存在會緩解土壤干旱造成的不利影響，退化土壤改良和修復過程中應關注蚯蚓對土壤修復的重要作用。與此同時，研究發現由于退化土壤結構不良，養分貧瘠，蚯蚓死亡時有發生，且黑麥草生物量低于其他培養基質試驗，因此在關注土壤動物的同時應合理安排其他調控措施，例如施用有機肥，不僅可以直接改良土壤還可為土壤動物存活提供更好的條件。

4 結 論

(1) 退化土壤修復前，接種蚯蚓的土壤pH值、總氮和礦質氮顯著增加，植被修復后土壤總磷、銨態氮、速效磷和植被生物量顯著增加。蚯蚓活動改善土壤pH值和肥力狀況，進而促進植被生長，有利于土壤生態系統養分循環，提高植被生產力。

(2) 干旱脅迫對退化土壤修復前土壤理化性質影響不顯著，顯著降低植被修復后黑麥草生物量，提高蚯蚓接種土壤的pH值、銨態氮和速效磷含量。

(3) 干旱脅迫阻斷了植被對速效養分的吸收利用，影響植被生產力，但蚯蚓存在生態系統的植被生物量高于無蚯蚓生態系統，蚯蚓活動可緩解干旱造成的不利影響。

研究結果對深入認識蚯蚓對生態系統作用機制和退化土地生態修復管理具有重要意義。