蚯蚓對植煙黃壤長期種植施肥模式和土壤肥力變化的響應

陳 浩，肖慶亮，李治模，袁 玲，劉 京*

(1.西南大學 資源環境學院，重慶 400715；2.貴州省煙草公司 遵義市公司，貴州 遵義 563000)

作物種植和施肥影響耕層有機殘體的種類和數量，間接地驅動土壤動物的變化。蚯蚓是土壤動物最具代表性的物種之一，捕食土壤中的中、小型動物和微生物，參與植物殘體的分解，增加土壤空隙，改善土壤結構等，其密度和生物量常被視為土壤生態健康的標志，也是土壤肥力重要的生物學指標[1-2]。蚯蚓極為敏感，土壤污染、過量施肥、植物群落的變化等都會對其產生影響[3-5]。烤煙是中國西南地區主要的經濟作物之一，尤其在云貴貧困地區，烤煙一直以來都是煙農的主要經濟來源，但由于土地資源緊缺以及農民盲目追求經濟效益等因素，造成當地烤煙連作現象普遍。烤煙長期連作使土壤自毒物質積累和養分失衡，產生連作障礙、生產力下降、土壤微生物群落多樣性降低等[6]。大量研究表明，烤煙輪作有益于改善理化生物性質，是一種可持續發展的健康耕作方式[7-10]。此外，課題組長期定位試驗發現，烤煙//玉米輪作有益于改善連作帶來的不利影響，冬季種植黑麥草可提高土地生產力。目前，關于不同的種植施肥方式對植煙土壤動物影響的研究相對較少，研究不同種植施肥方式對典型、具有代表性的土壤動物——蚯蚓的影響，可以了解蚯蚓對這些技術措施的響應情況，認識土壤生態環境變化與土壤理化尤其是生物學性質之間的相互關系，評價不同植物對土壤生態的利弊及影響程度。

本研究依托貴州省遵義市烤煙長期定位試驗，探究在長期不同的種植和施肥模式下，植煙土壤蚯蚓生長和繁殖的變化，揭示蚯蚓生長繁殖與土壤理化和生物學性質變化的關系，為植煙土壤的可持續利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于貴州省遵義市播州區原煙草中心科技園(東經106°56′，北緯27°32′)，海拔900 m，屬亞熱帶季風性濕潤氣候，年平均氣溫14.9 ℃，年均降水量1035 mm。長期田間定位試驗始建于2004年，土壤類型為灰巖黃壤，pH6.65，有機質21.45 g/kg，全氮0.78 g/kg，全磷0.61 g/kg，全鉀18.35 g/kg，堿解氮69.96 mg/kg，有效磷18.72 mg/kg，速效鉀286.4 mg/kg。

本研究選擇了長期田間定位試驗的5個處理：(1)自然裸地(CK)；(2)烤煙連作-單施化肥(C-CF)；(3)烤煙連作-有機肥化肥配施(C-CFM)；(4)烤煙//玉米輪作-單施化肥(R-CF)；(5)烤煙//玉米輪作-有機肥化肥配施(R-CFM)。各處理重復3次，隨機排列。奇數年夏季輪作和連作均種植烤煙，偶數年輪作種植玉米，冬季種植黑麥草(始于2016年冬)，來年3月翻壓做烤煙或玉米的底肥。

在本項目研究期間，烤煙品種為K326，株行距1.1 m×0.6 m。各施肥處理的施肥量相同，分別是N 101.25 kg/hm2、P2O567.5 kg/hm2、K2O 255 kg/hm2，氮素的基追比2∶1。在單施化肥的處理中，基肥施用烤煙專用基肥(9-9-25)，在烤煙移栽后第10天和第35天左右施用烤煙專用追肥(15-0-30)；在化肥有機肥配施的處理中，基肥的有機氮∶無機氮=1∶1，分別由烤煙專用基肥(9-9-25)和商品有機肥(遵義市桐梓縣大興有機肥廠生產，下同)提供，追肥與單施化肥處理相同。

玉米品種為‘筑黃3號’，株行距0.5 m×0.4 m，玉米施肥量為N 180 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2，所有的磷肥、鉀肥和有機肥均做基肥，氮素的基追比2∶1。在單施化肥處理中，基肥分別由尿素、過磷酸鈣和硫酸鉀提供，追肥在玉米拔節期和大喇叭口期追施尿素；在化肥有機肥配施處理中，基肥的有機氮∶無機氮=1∶1，分別由尿素、過磷酸鈣和硫酸鉀和商品有機肥提供，追肥與單施化肥處理相同。

黑麥草品種為‘冬牧70’，不施肥。烤煙、玉米和黑麥草的田間管理均與當地高產優質技術規范相同。

1.2 樣品的采集和土壤理化生物指標測定

為了擴大不同年際蚯蚓取樣的代表性，分別在2018年9月烤煙或玉米收獲后(連作為烤煙，輪作為玉米)，2019年3月黑麥草翻壓前和2019年9月烤煙(均種植烤煙)收獲后7 d內，進行3次蚯蚓調查取樣。蚯蚓密度調查方法采用徒手分離法，即每個小區隨機選取5個樣點，每個樣點按長×寬×深=40 cm×40 cm×20 cm挖出土壤，置于平整的塑料布上，徒手撿取蚯蚓，計數，并除去泥土后稱鮮重，蚯蚓個體生物量(鮮重)=單位面積的蚯蚓鮮重/單位面積的蚯蚓密度。

在蚯蚓調查時，同步取土樣，帶回實驗室，揀去雜物，風干，常規分析土壤容重、水分含量、孔隙度、土壤pH值、有機質和有效氮磷鉀含量[11]；用靛酚藍比色法、3,5-二硝基水楊酸比色法、磷酸苯二鈉比色法和高錳酸鉀滴定法分別測定土壤脲酶、蔗糖酶、磷酸酶和過氧化氫酶活性[12]。

1.3 數據處理及統計分析方法

用Excel 2016對試驗數據進行統計整理和作圖，采用SPSS 18.0軟件進行統計分析，用LSD法比較處理間差異顯著性，顯著性水平為0.05，相關分析采用Pearson法。

2 結果與分析

2.1 不同種植施肥模式對植煙土壤蚯蚓密度和生物量的影響

由表1可見，2018年9月(輪作處理為玉米，連作處理為烤煙)，各處理差異顯著，以輪作土壤的蚯蚓密度最高，連作次之，CK(裸地)最低。輪作極顯著高于連作，增加幅度為58.8%～60.1%；從施肥模式來看，以化肥配施有機肥處理(CFM)顯著高于單施化肥的處理(CF)，增加幅度為8.6%～10.8%；種植與施肥無交互作用。2019年3月(種植黑麥草均不施肥)，各處理的蚯蚓密度均比秋季(2018年9月和2019年9月)對應處理的低，但各處理的差異明顯存在，其變化趨勢與2018年9月的結果相似，即R-CFM(a)≈R-CF(a)>C-CFM(b)≈C-CF(b)≈CK(b)；種植模式以輪作顯著大于連作，增加幅度為54.6%～59.7%，但施肥模式的差異不顯著，無交互作用。在2019年9月(除CK外均種植烤煙)，各處理差異顯著，趨勢同前；輪作土壤的蚯蚓密度顯著高于連作土壤，增加幅度為35.9%～44.4%，但施肥模式之間無差異，無交互作用。此外，在輪作模式中，種植玉米季的土壤蚯蚓密度(兩個輪作處理的平均值為13.26條/m2，2018年9月)高于種植烤煙季(平均值為11.86條/m2，2019年9月)。

從表1可見，2018年9月，各處理的平均蚯蚓生物量由高到低依次為R-CFM(a)>R-CF(b)>C-CFM(c)≈C-CF(c)>CK(d)，以輪作處理最高，連作次之，裸地(CK)的最低；2019年3月，各處理的平均蚯蚓生物量由高到低依次為R-CFM(a)≈R-CF(a)>C-CFM(b)(C-CF(bc)(CK(c)，春季(3月)蚯蚓生物重量比夏季(9月)顯著降低；2019年9月，各處理的蚯蚓重由高到低依次為R-CFM(a)>R-CF(b)>C-CFM(bc)>C-CF(cd)>CK(d)。

綜上，3次結果顯示，從種植模式來看，蚯蚓的密度和生物量均以輪作處理顯著或極顯著高于連作處理，分別增加了57.0%和71.4%；從施肥模式來看，與單施化肥相比，配施有機肥處理使蚯蚓的生物量平均增加23.3%，但蚯蚓密度僅在輪作季(2018年)因配施有機肥平均增加了9.7%，而黑麥草無施肥影響(未施肥)；R-CFM、R-CF、C-CFM和C-CF等4個處理的蚯蚓密度依次比CK增高1.5、1.3、0.7和0.5倍，蚯蚓生物量依次增加2.4、1.9、1.0和0.6倍。

表1 不同種植施肥模式對植煙土壤蚯蚓密度和生物量的影響Tab.1 Effect of different cropping and fertilization patterns on density and biomass of earthworms in the soils

2.2 不同種植施肥模式對土壤pH和養分的影響

由表2可知，各處理的土壤pH值、有機質、堿解氮、有效磷和有效鉀含量存在顯著差異，R-CFM處理的前4個指標均最高，C-CF處理的pH、有機質含量和CK的有效NPK含量最低。其中，與連作相比，輪作模式顯著增加pH、有機質、堿解氮和有效磷含量，依次平均提高了4.8%、6.9%、4.2%和4.7%；與單施化肥模式相比，有機肥化肥配施模式極顯著增加pH、有機質、堿解氮和有效磷含量，增幅分別變化于8.9%～9.9%、18.3%～19.7%、7.5%～13.0%和7.3%～13.7%；但種植與施肥模式之間無交互作用。

表2 不同種植施肥模式對土壤pH、有機質和速效養分的影響Tab.2 Effect of different cropping and fertilization patterns on soil pH,organic matter and available nutrients

2.3 不同種植施肥模式對土壤容重和孔隙度的影響

由表3可見，各處理的土壤含水量、容重和總孔隙度存在顯著差異，R-CFM的土壤含水量和總孔隙度最高，容重最低，而C-CF容重最高、總孔隙度最低；種植模式和施肥模式均顯著影響這3個物理指標。與連作相比，輪作增加土壤含水量，降低容重；與單施化肥相比，有機肥化肥配施顯著增加土壤含水量和總孔隙度，并降低土壤容重；二者無交互效應。

表3 不同種植施肥模式對土壤含水量、容重和孔隙度的影響Tab.3 Effect of different cropping and fertilization patterns on soil moisture content,bulk density and porosity

2.4 不同種植施肥模式對土壤酶活性的影響

由表4可見，各處理的4種土壤酶活性均存在顯著差異，其中，R-CFM的土壤酶活性最高，CK最低；與連作相比，輪作模式顯著提高脲酶和磷酸酶活性；與單施化肥相比，有機肥化肥配施顯著增加脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性；但二者無交互效應。

表4 不同種植施肥模式對土壤酶活性的影響Tab.4 Effect of different planting and fertilization patterns on soil enzyme activities

2.5 植煙土壤的蚯蚓生長繁殖與土壤肥力的相關性分析

根據上述煙地土壤肥力的分析結果，選擇存在顯著差異的肥力因子與蚯蚓的生長(生物量)繁殖(密度)指標進行相關分析(表5)。結果表明，各處理的蚯蚓密度和生物量與對應處理的土壤肥力諸因子存在顯著或極顯著的相關性。其中，蚯蚓密度與土壤有機質，有效氮、磷、鉀，脲酶和磷酸酶活性，以及孔隙度呈顯著正相關(P<0.05，下同)，與容重呈極顯著負相關；蚯蚓生物量與土壤有機質，有效氮、磷、鉀，孔隙度，酶活性(脲酶、磷酸酶、蔗糖酶和過氧化氫酶)呈顯著正相關，與容重呈極顯著負相關。

表5 蚯蚓的生長繁殖與土壤肥力指標之間的相關性分析Tab.5 Correlation analysis between the earthworm growth/ reproduction and soil fertility index

3 結論與討論

3.1 長期種植施肥對植煙土壤中蚯蚓生長繁殖的影響

農業土壤中的蚯蚓密度常被人們用作表征土壤健康的重要指標[13]。本研究發現，裸地(CK)的蚯蚓密度和生物量均顯著低于長期種植烤煙//玉米//黑麥草的土壤，說明種植作物和施肥有利于蚯蚓的生長繁殖。其次，與連續種植烤煙土壤相比，烤煙//玉米的土壤蚯蚓密度和生物量平均增加了57.0%和71.4%，說明輪作促進了蚯蚓的生長繁殖。蚯蚓作為土壤中最大的動物，主要以土壤中的小型動物、作物殘渣等為餌料，烤煙長期連作不僅殘渣單一，更重要的是烤煙連作土壤易累積阿魏酸、肉桂酸等酚酸類物質，根系殘渣和分泌物還含有煙堿等，這類物質具有明顯的生物毒性[14]，可能導致蚯蚓中毒，或引起蚯蚓主動趨避。Milcu等[15]發現，在植物根和莖生物量相同的條件下，植物的多樣性越高蚯蚓的生物量越大，即植物的多樣性可為蚯蚓提供更多營養和更高質量的殘渣。Abail等[16]發現，連續種植玉米下蚯蚓的平均數量為59條/m2，玉米-大豆輪作下蚯蚓的平均數量為37條/m2，連續種植大豆下蚯蚓的平均數量為28條/m2。而長期烤煙//玉米輪作使土壤的蚯蚓密度和生物量顯著高于長期連作的煙地，源于輪作提高了煙地植物多樣性，有利于蚯蚓的生長繁殖；同時，玉米殘渣對蚯蚓而言，可能比烤煙殘渣更適口。第三，本項研究表明，與單施化肥相比，長期有機肥化肥配施使土壤中蚯蚓的密度增加了8.6%～10.8%，生物量提高18.3%～27.3%。在農業生態系統中，土壤生物種群的結構、大小和活動受作物殘渣輸入的影響[17]，作物殘渣較多的農田能支持更大更多的蚯蚓種群[18]。Tuneera等[19]研究發現，谷類作物(小麥)殘渣和根系，以及施用的有機肥料，促進蚯蚓增加。說明在煙地增施有機肥有利于蚯蚓的生長繁殖。值得注意的是，在烤煙或玉米收獲后種植黑麥草(均不施肥)，來年3月黑麥草收獲時的土壤蚯蚓密度和生物量因土溫低于秋季，但長期連作的煙地仍顯著低于輪作煙地，這是否意味著種植制度改變的土壤性質反過來影響到蚯蚓的生長繁殖？接下來將進一步深入研究。

3.2 長期種植施肥對植煙土壤理化生物性質的影響

大量研究結果表明，長期施用有機肥能提高土壤有機質和養分含量[20]，改善土壤物理性狀和生物活性[21-22]。此外，輪作改善土壤理化和生物性質也有較多報道[23]。但將種植制度和施肥模式結合起來進行長期研究的卻較少。本研究表明，不同種植和施肥模式顯著影響植煙黃壤的pH和養分含量，與長期烤煙連作相比，烤煙//玉米輪作模式的土壤有機質、堿解氮和有效磷含量分別增加了6.9%、4.2%和4.7%；與長期單施化肥模式相比，有機肥化肥配施模式極顯著增加pH、有機質、堿解氮和有效磷含量，增幅分別為8.9%～9.9%、18.3%～19.7%、7.5%～13.0%和7.3%～13.7%；其二，長期烤煙//玉米輪作增加植煙土壤含水量，降低容重；而長期配施有機肥顯著增加土壤含水量和總孔隙度，并降低土壤容重；其三，輪作模式顯著提高脲酶和磷酸酶活性；配施有機肥顯著增加脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性。試驗結果揭示了長期輪作和配施有機肥有利于提高土壤肥力。在農田生態系統中，蚯蚓的數量和生物量是衡量土壤肥沃程度的重要標志之一，蚯蚓-土壤-作物組成一個相互作用的有機-無機復合整體[24]。Amador等[25]研究表明，蚯蚓長期生活的土壤一般具有較高的有機質含量，陽離子交換量，交換性鈣、鎂、鉀和有效氮、磷等。本試驗結果支持了這一結論：當土壤肥力提升蚯蚓的密度和生物量隨之增高。

3.3 植煙土壤的蚯蚓生長繁殖與土壤肥力的關系

在土壤生態系統中，蚯蚓發揮著重要作用，它們能促進土壤的養分循環和轉化[26]。本試驗結果表明，蚯蚓密度和生物量與土壤有機質和有效氮磷鉀含量，以及土壤蔗糖酶、脲酶和磷酸酶的活性呈顯著或極顯著正相關，說明蚯蚓在土壤有機物質分解、有機氮磷養分活化起重要作用。其次，它們與土壤總孔隙度呈顯著或極顯著正相關，與容重呈極顯著負相關。朱新玉等[27]發現，蚯蚓有助于改善土壤質量，提高土壤孔隙，降低土壤容重。王邵軍等[28]的研究也表明，在不同利用方式的土壤中，蚯蚓密度和生物量顯著影響土壤的物理性質，充足的土壤含水量可能會對蚯蚓的數量和生物量產生積極影響，蚯蚓密度和生物量的增加會提高土壤總孔隙度。本研究結果也證實蚯蚓多的處理，土壤的耕性改善；此外，蚯蚓生物量還與土壤過氧化氫酶呈顯著正相關，表明蚯蚓多的土壤生物活性顯著提高。

以上結果說明，在植煙黃壤中蚯蚓與土壤肥力諸因子互為作用，即好的種植制度和施肥模式改善了土壤環境，土壤中的物質源豐富，反過來促進了蚯蚓的生長繁殖，而蚯蚓增多和生長健壯又進一步改善土壤環境，故好的土壤環境源于良好的種植施肥模式，蚯蚓與肥沃的土壤互為良性循環。

在長期種植烤煙的土壤中，不同種植施肥處理的蚯蚓密度和生物量均比不耕作的裸地土壤高，而長期烤煙//玉米輪作并配施有機肥顯著增加蚯蚓密度和生物量，同時土壤的耕作性改善，土壤養分和生物活性提升；植煙黃壤的蚯蚓密度和生物量與土壤的有機質、有效氮磷鉀含量、總孔隙度和酶活性呈顯著或極顯著正相關，即蚯蚓與土壤肥力互為良性循環，植煙黃壤采用輪作并配施有機肥模式是煙地肥力提升和蚯蚓增加的基礎。