不同生態類群蚯蚓對凋落物源碳在土壤團聚體中的分配的影響

張雪蓮，顧宇晨，王國兵

(南京林業大學生物與環境學院，江蘇 南京 210037)

土壤碳庫作為陸地生態系統中最大的碳庫，是陸地植物及土壤動物和微生物生存的養分庫，而土壤對有機碳的礦物保護和團聚體保護，使得有機碳固存在土壤中，這對于減緩大氣CO2濃度上升有重要意義[1]。而土壤有機碳的含量取決于其積累與分解的速率[2]。凋落物作為植物生長發育過程中的產物，其分解后殘留在土壤中的有機碳是土壤碳庫重要的來源之一[3]。研究者對凋落物分解做了很多研究，包括凋落物的分解及養分釋放，主要有分解的過程、分解過程中狀態的變化[4-8]，還有不同類型、不同性狀的凋落物或植物殘體的分解[9-12]，以及影響凋落物分解的因素研究[13-14]。影響凋落物分解的因素主要分為內在因素、氣候因素、土壤因素等[15]，而研究發現凋落物的分解還依賴于土壤動物[16]、土壤微生物多樣性[17]等。蚯蚓作為典型的大型土壤動物，其生存所需來自土壤，但是又通過攝入土壤和凋落物或再分配等活動直接或間接影響土壤[18]，對土壤的肥力和理化性質等的變化發揮不可小覷的作用。研究表明，蚯蚓對凋落物和有機質腐爛的影響強烈依賴于蚯蚓生態型和多樣性，且蚯蚓生態型的高度多樣性加速了凋落物的質量損失和有機質的腐爛[19]。

目前可以明確的信息是蚯蚓通過影響凋落物的分解為土壤碳庫做出了巨大貢獻，但是對于不同蚯蚓類群對土壤碳庫的影響的研究過于單一，且研究大多集中于對土壤碳庫總體的變化的闡明，缺少關于不同生態類型蚯蚓及其交互作用對凋落物源碳在土壤不同組分的分配規律的影響的研究。穩定碳同位素技術是研究土壤碳循環，探究土壤碳轉化、分配的高效又科學的方法之一[20]，用其標記植物后，可用來示蹤植物殘體有機碳在土壤中的轉化與分配。因此，本研究采用穩定碳同位素技術，以不同生態類群蚯蚓和楊樹葉凋落物為研究對象，結合室內培養實驗，研究凋落物源碳在蚯蚓作用下在土壤中的轉化與分配規律，揭示凋落物源碳在蚯蚓作用下在土壤中的去向，為深入研究不同生態型蚯蚓對楊樹人工林土壤固碳增匯潛力的影響提供理論依據和數據支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

1.1.1 供試蚯蚓 選擇南京本地3 種生態類型不同的蚯蚓種：表棲型赤子愛勝蚓（Eisenia foetida）、表-內棲型皮質遠盲蚓（Amynthas corticis）、和深棲型威廉環毛蚓（Pheretima guillelmi），進行室內培養實驗。另將一批同類型蚯蚓分類型養殖在高有機質濕潤土壤中備用，以及時替換培養過程中活性較差或死亡的蚯蚓個體。

1.1.2 供試土壤 采集南京市八卦洲楊樹人工林0～25 cm 層土壤，揀出肉眼可見的植物殘體、根系、石塊等雜物，粉碎其中較大的土塊并過5 mm 篩，混合均勻后作為室內培養使用。

1.1.313C 同位素標記植物材料制備 在楊樹幼苗生長季，采用重復脈沖標記法[21]，試驗采用BaCO3與充足稀鹽酸反應產生13CO2。每隔7 d 標記1 次，標記7 次，時間為2021 年3 月20 日至4 月30 日，之后在密封箱中繼續培養30 d。標定完成后，采集植株上所有葉片供培養使用。

1.1.4 實驗設計 將混合后的供試土壤裝入長度為30 cm 的PVC 管中（內徑7.1 cm，外徑7.5 cm），裝入過程中不斷上下震動促進輕微壓實（PVC 管底部用0.1 mm 孔徑尼龍網扎緊封口，防止土壤漏出），最終土壤裝入量控制在25 cm 高左右（預留5 cm 空間用于接種蚯蚓和添加凋落物，不同PVC 管中土壤裝入質量保持一致），將PVC 管中土壤含水量調節至田間持水量的60%并稱量質量。裝好后將土壤于培養室靜置平衡一周接種蚯蚓。凋落物放入前需剪碎并高壓滅菌30 min[22]。

實驗設置9 個不同處理，即土壤對照處理(CK)；土壤 + 凋落物(T1)；土壤 + 接種赤子愛勝蚓 + 凋落物(T2)；土壤 + 接種皮質遠盲蚓 + 凋落物(T3)；土壤＋接種威廉環毛蚓＋凋落物(T4)；土壤 + 接種赤子愛勝蚓 + 接種皮質遠盲蚓 + 凋落物(T5)；土壤 + 接種赤子愛勝蚓 + 接種威廉環毛蚓 + 凋落物(T6)；土壤 + 接種皮質遠盲蚓 + 接種威廉環毛蚓 + 凋落物(T7)；土壤 + 接種赤子愛勝蚓 + 接種皮質遠盲蚓 + 接種威廉環毛蚓 + 凋落物(T8)。接種蚯蚓時赤子愛勝蚓 10 條（約0.5 g·條-1），皮質遠盲蚓 5 條(1～2 g·條-1)，威廉環毛蚓 3 條（2～3 g·條-1），兩種蚯蚓交互時接種赤子愛勝蚓5 條，皮質遠盲蚓 3 條(1～2 g·條-1)，威廉環毛蚓2 條，3 種蚯蚓交互時接種赤子愛勝蚓 4 條，皮質遠盲蚓 2 條，威廉環毛蚓 1 條。凋落物添加量為10 g。每個處理設置4 個重復，實驗周期持續120 d。完成所有實驗處理后，將每個處理的PVC 管束為一組，分別置于30 cm × 30 cm × 40 cm 的定制鋼化玻璃缸中，室內溫度調節在25 ℃左右。玻璃缸底部平鋪約10 cm 厚的滅菌粗沙，用于調節透氣透水和固定PVC 管。接種初期注意觀察蚯蚓的入土情況，將活性差和死亡的蚯蚓及時替換掉，并觀察蚯蚓活動情況以及是否存在逃逸現象。培養過程的前一個月每隔3 d 抽樣檢查一次土壤水分損失量，并根據PVC 管的初始質量確定培養周期內的補水頻率及每次補水數量。

培養結束后分離蚯蚓與土壤，土壤風干破碎，過5 mm 篩備用。

1.2 樣品處理與分析

1.2.1 土壤團聚體分級 在Six 濕篩法[23]基礎上稍加改動進行土壤團聚體分級實驗，將濕篩后的土壤團聚體分成粗大團聚體(d＞2 mm)、細大團聚體(2 mm≥d＞0.25 mm)、微團聚體(0.25 mm≥d＞0.053 mm)和粉-黏團聚體(d≤0.053 mm)4 個粒徑級別的水穩性團聚體。

1.2.2 土壤化學分析 土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定；13C 同位素豐度值采用氣相色譜-燃燒-穩定同位素比值質譜儀（GC-C-MS）測定。

1.3 數據分析與統計

實驗數據用Excel 整理計算，使用SPSS 25.0軟件進行單因素方差分析(One-way ANOVA)統計分析和獨立樣本T檢驗，采用Duncan 法對不同處理進行事后多重檢驗，顯著性水平為p＜0.05。數據分析前，對所有的計算結果進行正態檢驗和方差齊性檢驗，保證數據統計分析的合理性。

2 結果與分析

2.1 不同生態類群蚯蚓對土壤有機碳含量的影響

不同生態類群蚯蚓及其交互作用對土壤有機碳(SOC)含量的影響如圖1 所示，相對于T1 只施加了凋落物，接種蚯蚓的處理中，除了T2 和T3，其他接種蚯蚓的處理均使土壤有機碳含量降低，降低的效果從高到低依次為T6＞T8＞T7＞T4＞T5，T2、T3 與T6 差異顯著，T2 和T8 差異顯著。但是總體來說，不同生態類型蚯蚓及其交互作用對土壤總有機碳含量并無顯著影響。

圖1 不同處理下對土壤有機碳含量的影響Fig. 1 Effects of different treatments on soil organic carbon content

2.2 不同生態類群蚯蚓對凋落物源碳向土壤中并入的影響

如圖2 所示，到培養結束，不同生態類群蚯蚓處理下土壤δ13C 值均有顯著提高（p＜0.05）。其中T5 處理下提高的幅度最大，相比T1 提高了5 倍，T2 處理下提高的幅度最低，但也相比T1 提高了3 倍左右。各接種蚯蚓的處理之間，T2 和T4、T7、T8 差異不顯著，T2 和T3、T5、T6 差異顯著(p＜0.05)，不同生態型蚯蚓單獨作用下，赤子愛勝蚓對凋落物源碳向土壤中并入的促進效果最低，皮質遠盲蚓促進效果更大。蚯蚓交互作用下，赤子愛勝蚓和其他兩種類型蚯蚓中任一種共同作用下會顯著提高土壤δ13C 值，但3 種蚯蚓共同作用下效果并沒有兩種蚯蚓共同作用下顯著。結果表明，蚯蚓在凋落物源碳向土壤中并入的過程中發揮的重大作用，在表棲型和內棲型蚯蚓或深棲型蚯蚓共同作用下，凋落物源碳向土壤中并入的效果更好。

圖2 不同處理下土壤δ13C 值的變化Fig. 2 Changes of soil δ13C values under different treatments

2.3 不同生態類群蚯蚓對凋落物源碳在土壤團聚體中分配的影響

不同生態類群蚯蚓對凋落物源碳在土壤團聚體中的分配的影響如圖3 所示。培養結束后，各粒級土壤團聚體中凋落物源碳含量均提高，接種蚯蚓促進了凋落物源碳向各粒級土壤團聚體中的轉化。不同生態類群蚯蚓及其交互作用使凋落物源碳在團聚體中的分布集中在粗大團聚體和細大團聚體中，不同蚯蚓處理下的4 種團聚體土壤的δ13C 值，都是粉-黏團聚體土壤的δ13C 值最低，而細大團聚體最高（T7 為粗大團聚體δ13C 值最高，細大團聚體次之）。

圖3 不同處理下土壤不同粒級團聚體δ13C 值的變化Fig. 3 Changes of δ13C values of soil aggregates with different sizes under different treatments

針對不同粒徑團聚體，不同的蚯蚓處理所產生的效果也各不相同。粗大團聚體中，與T1 不接種蚯蚓相比，除了單獨接種威廉環毛蚓對該粒級外源有機碳含量提高效果顯著 (p＜0.05)，其他處理雖也提高了，但是影響不顯著；接種蚯蚓的處理之間，T2、T3、T5、T6、T7、T8 之間差異不顯著，T4 和T2、T3、T5、T8 差異顯著(p＜0.05)，T4 和T6、T7 差異不顯著，各處理之間的促進效果從高到低依次為：T4＞T7＞T6＞T8＞T5＞T2＞T3。對于細大團聚體，與T1 相比，接種了蚯蚓的處理均顯著促進了凋落物源碳在其中的分布(p＜0.05)；而不同蚯蚓處理之間，接種威廉環毛蚓對凋落物源碳在細大團聚體中的分布促進作用更顯著(p＜0.05)。對凋落物源碳在微團聚體和粉-黏團聚體中的分布，單獨接種赤子愛勝蚓對凋落物源碳分布的影響與T1 相比差異不顯著，其他6 種接種蚯蚓處理與T1 差異顯著(p＜0.05)，但是6 種處理之間差異不顯著。蚯蚓交互作用下對凋落物源碳向較大團聚體（d＞0.25 mm）中的分布和蚯蚓單獨作用下無顯著差異，對于凋落物源碳向微團聚體中的分布相較于赤子愛勝蚓單獨作用顯著提高了。結果表明，在本研究短期培養條件下，接種蚯蚓促進了凋落物源碳向團聚體中的分配，使較少的凋落物源碳進入更小粒級土壤組分中，而更多分布在較大粒級中。不同生態類型蚯蚓單獨作用下，接種威廉環毛蚓對凋落物源碳向較大團聚體中分配的促進效果更顯著，接種皮質遠盲蚓對凋落物源碳向較小團聚體中的分配增加幅度更大；蚯蚓交互作用下，皮質遠盲蚓和威廉環毛蚓對凋落物源碳向團聚體中的分配發揮主導作用。

3 討論

3.1 不同生態類群蚯蚓對土壤有機碳含量的影響

蚯蚓通過自身活動及代謝等直接或間接對土壤的性質、土壤養分含量等產生影響[24]。通過添加楊樹葉凋落物并培養120 d 后，單獨接種了赤子愛勝蚓和單獨接種皮質遠盲蚓的土壤有機碳含量增加，其他蚯蚓處理降低了土壤有機碳含量，但整體來說，接種蚯蚓對土壤總有機碳含量沒有顯著影響。研究表明，培養5 個月后，接種了內生食土性蚯蚓的土壤 C 含量比未接種的更低，蚯蚓活動對碳礦化有凈積極影響[25]，還有研究表明，接種威廉環毛蚓后，土壤 SOC 含量顯著降低[26]，這與本實驗得到的結果一致。但于建光等[27]的研究表明，接種蚯蚓并添加有機質后，土壤有機碳含量顯著增加，這與本實驗結果不相符。Zhu 等[28]研究發現，接種表棲型蚯蚓對土壤中有機碳的積累有顯著的促進作用，這與本實驗研究結果相符。本研究還發現，蚯蚓的交互作用并沒有提高土壤有機碳的固存，反而可能促進了土壤碳礦化，這可能是因為至少兩個生態型蚯蚓的組合意味著蚯蚓的作用既促進了凋落物的破碎，又促進了土壤混合，導致表層植物材料進入礦物土層，這可能觸發對 SOC 礦化的激發效應[29]。其次蚯蚓功能多樣性的增加表明增加了土壤微生物生物量[30]和活動，而 SOC 的分解在很大程度上是由微生物推動的[31]，因此低 SOC 濃度可能與高微生物生物量和高蚯蚓功能多樣性下的活動有關。此外，由于本研究是室內培養試驗，蚯蚓的食物資源有限，隨著有機物料含量的降低，蚯蚓為了尋求食物，活動變得頻繁，使得土壤通透性增加，間接影響土壤中微生物活性及有機碳分解等，可能也對實驗結果造成一定的影響。

3.2 不同生態類群蚯蚓對凋落物向團聚體中并入與分配的影響

蚯蚓對凋落物的分解是土壤中有機質的重要來源之一，其可以通過攝食等直接影響凋落物分解，也可通過改變微生物活性、土壤物理化學性質等間接影響[24,32]。通過影響凋落物分解，將凋落物有機質留存在土壤中，并基于凋落物碳礦化與穩定之間的平衡影響土壤碳固存。本研究表明，不同生態類群蚯蚓及其交互作用顯著促進了凋落物源碳向土壤中的并入，土壤δ13C 值顯著提高；不同蚯蚓處理之間，單獨接種赤子愛勝蚓的效果最小，可能是由于赤子愛勝蚓體型最小，又只在土壤表層活動，對凋落物向土壤中的轉化作用有限，而在皮質遠盲蚓和威廉環毛蚓參與下，由于這兩種蚯蚓取食凋落物和土壤后在土壤較深層次活動，這使得凋落物源碳向土壤中的并入效果更顯著?？傊?，蚯蚓對凋落物源碳向土壤中的并入發揮的重大作用，而且在表棲型和表-內棲型蚯蚓或深棲型蚯蚓的共同作用下，凋落物源碳向土壤中并入的效果更好。

3 種生態類型蚯蚓對各粒徑水穩團聚體的δ13C 值也是提高的，但是提高的效果因處理不同而有差異。凋落物源碳并入到土壤中后的分配，主要集中在粗大團聚體和細大團聚體。有研究表明，蚯蚓促進大團聚體的形成，且土壤大團聚體比微團聚體含有更多新形成的有機物[33]，這與本研究結果相符。一些研究外源有機碳在土壤團聚體內的分布的結果表明，培養結束后團聚體土壤的δ13C 最小值在＞250 μm 的團聚體[34]，也有研究表明外源有機碳培養后＜53 μm 團聚體土壤的δ13C 值最小，但是δ13C 值最大的為53～250 μm 團聚體[35]，這與本研究結果不同；但呂元春等[36]研究外源有機碳在土壤團聚體中的分配規律表明，外源新碳進入到土壤團聚體中的數量由大到小順序依次為250～2 000 μm、50～250 μm 和＜50 μm，這與本實驗研究結果相同。導致這種結果差異較大的原因眾多，可能是由粒徑較大的團聚體由于不夠穩定，更容易受到外源凋落物以及土壤動物的影響。

本研究通過對不同生態類型蚯蚓單獨作用下土壤團聚體δ13C 值的對比發現，威廉環毛蚓對于凋落物源碳向較大團聚體（d＞0.25 mm）中的分配促進效果更顯著，這與Bossuyt 等[37]研究結果相一致，這可能是由于蚯蚓單獨作用下，深棲型蚯蚓的取食、鉆洞行為更劇烈，會在覓食和排泄期間重新排列和重組土壤團聚結構，產生新的大團聚體，且深棲型蚯蚓傾向于取食高有機質顆粒，這使得凋落物有機碳更多的分配進入較大土壤團聚體。皮質遠盲蚓單獨作用下相比于另外兩種蚯蚓對凋落物源碳向土壤較大團聚體中的分配促進效果最低，但卻對凋落物源碳向較小團聚體中的分配促進效果高于另外兩種蚯蚓，這可能是表-內棲型蚯蚓主要是通過將新鮮植物凋落物主要結合到大團聚體中，但由于時間較短，形成的團粒結構還不穩定。有研究表明，不同生態類型蚯蚓促進凋落物源碳進入土壤的機制不同，表-內棲型蚯蚓主要通過有機殘留物消耗和微生物生物量刺激凋落物分解將凋落物碳結合到土壤中，而深棲型蚯蚓通過形成大的大團聚體和將SOM 組分轉化為更頑強的形式來穩定已經并入土壤中的有機碳[38]。不同生態型蚯蚓交互作用下，有皮質遠盲蚓和威廉環毛蚓參與作用下，更大幅度提高了凋落物源碳在粗大團聚體、微團聚體和粉-黏團聚體中的分配。不同生態類型蚯蚓對于凋落物源碳在較大團聚體中的分配并沒有顯著差異，皮質遠盲蚓和威廉環毛蚓對凋落物源碳在團聚體中的分配發揮主導作用，這可能是由于蚯蚓作用下土壤團聚體雖先形成大團聚體，但不同生態型蚯蚓共同作用下，對資源的競爭，使得內生物種可能會在覓食和排泄活動期間增加對土壤有機質的取食，重構土壤團聚體結構，且表生蚯蚓作為碳輸入部分，將有機質轉化進土壤中后，由內生型蚯蚓來實現有機碳在土壤中的進一步穩定[39-40]，所以凋落物源碳向土壤團聚體中的分配受到內生型蚯蚓的主導。

4 結論

短期培養內，不同生態類型蚯蚓及其交互作用對土壤總有機碳含量并無顯著影響。然而，本研究發現接種蚯蚓促進了凋落物源碳向土壤中的并入與分配，提高了土壤中新碳的含量。相比于表棲型蚯蚓單獨作用，由于表-內棲型蚯蚓和深棲型蚯蚓的活動土層更深，體型更大，使得凋落物源碳向土壤中的并入效果更好。

在蚯蚓的作用下，大部分的凋落物源碳固存在粗大團聚體和細大團聚體中，粗大團聚體和細大團聚體對于新碳的積累貢獻更大。不同生態類型蚯蚓單獨作用下，深棲型蚯蚓對于凋落物源碳向較大團聚體（d＞0.25 mm）中的分配促進效果更顯著，表-內棲型蚯蚓對凋落物源碳向較小團聚體（d≤0.25 mm）中的分配提升幅度更高；蚯蚓交互作用下，表-內棲型和深棲型蚯蚓對凋落物源碳在團聚體中的分配發揮主導作用?？傊?，表-內棲型蚯蚓和深棲型蚯蚓更明顯的加速了外源有機質在土壤中的固持，且凋落物源碳被固定在粒徑較大的團聚體中。