陈静，陈金洁，杨倩楠，Cevin Tibihenda，李祥东，张晓龙，王超，张池，刘科学*

（1广州新华学院资源与城乡规划学院，广东广州510520；2广东华南空间规划研究院，广东广州510642；3华南农业大学资源环境学院，广东广州510642；4广东省科学院生态环境与土壤研究所，广东广州510650）

0 引言

【研究意义】水浇地是指有水源保证和灌溉设施，在一般年景能正常灌溉，种植旱生农作物（含蔬菜）的耕地。水浇地粮食单产是旱地的2倍以上，生产世界1/3的粮食，是维护世界粮食安全的重要保障（董婷婷等，2010）。根据广东、广西、海南第三次国土调查主要数据公报，我国华南地区水浇地总面积超过17.59万ha，约占耕地面积的3.09%。优越的水热条件，使水浇地成为华南地区农业生产的重要土地类型之一（喻欣等，2021）。然而，长期种植后水浇地土壤物理结构变差、有机质含量降低、养分贫瘠和质量下降（官利兰等，2014）。蚯蚓是陆地生态系统生物量最大的土壤动物，被称为生态系统工程师（Lavelle et al.，2006），常作为土壤自组织系统的重要因子引入土壤用以加速有机物质分解和养分转化，从而提高土壤质量（Lavelle et al.，2016；袁向华等，2017）。水浇地作为人类活动对土壤环境扰动程度较大的土地利用方式之一，蚯蚓数量和种类均低于少耕或免耕的园地和林地土壤（Kherbouche et al.，2012；肖艳兰，2020）。因此，如何利用蚯蚓提升华南地区水浇地土壤质量，对保障水浇地的粮食生产具有重要意义。【前人研究进展】根据取食和生态特征的不同，可将蚯蚓分为表栖型、内栖型和深栖型，其中表栖型和深栖型蚯蚓均以枯枝落叶凋落物为食，这2种生态类型的蚯蚓能有效分解有机物质，提高土壤养分含量，对田间凋落物的分解和养分转化尤为重要（Lavelle and Spain，2001）。表栖型蚯蚓生活在土壤表层，极少吞食土壤；深栖型蚯蚓生活在土壤内部，同时取食凋落物和土壤。在表栖型蚯蚓研究方面，庞军柱等（2009）将表栖型赤子爱胜蚓接种到混有麦秸的土壤中，结果发现蚯蚓加速了秸秆的分解和土壤氮矿化；齐边斌等（2018）将果树枝条还田并接种表栖型赤子爱胜蚓，发现蚯蚓更有利于果树枝条的分解和土壤养分改善；张孟豪等（2022）将赤子爱胜蚓接种至含有办公废纸屑的土壤中，结果显示蚯蚓可加速废纸屑的分解，显著提高土壤养分、微生物活性和土壤质量。在深栖型蚯蚓研究方面，崔莹莹等（2020）接种参状远盲蚓到红壤中，培养结束后土壤大团聚体含量显著提高；Wu等（2020）接种参状远盲蚓到华南地区酸化土壤中，发现该种蚯蚓能适度缓解土壤酸化，促进盐基离子释放。此外，更多关于深栖型蚯蚓的研究则是其对土壤环境因子变化的响应（喻良文等，2009）。【本研究切入点】目前，对深栖型蚯蚓与土壤的机械组成、养分迁移转化和阳离子交换性能关系的研究鲜有报道，且接种不同密度的蚯蚓对土壤质量影响的相关研究仍有所欠缺。何种类型的蚯蚓更适宜提升水浇地土壤综合质量及在何种密度下更能提升土壤综合质量仍需要进一步论证。【拟解决的关键问题】通过接种表栖型和深栖型蚯蚓于水浇地土壤中，研究不同生态类型蚯蚓及接种密度对土壤机械组成、pH、养分和阳离子交换性能的影响，阐明蚯蚓对土壤质量的提升机制，以期为提高华南地区水浇地土壤综合质量提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况及试验材料

供试土壤采自华南农业大学农场，基本理化性质：pH 6.93±0.01、有机碳18.60±0.97 g/kg、全氮2.04±0.01 g/kg、全磷0.28±0.01 g/kg、全钾24.38±0.53 g/kg、砂粒含量（83.36±1.01）%、粉粒含量（9.21±0.17）%、黏粒含量（8.44±0.60）%。将采集的土壤风干，去除石砾等杂物后过2 mm筛，备用。

供试白菜叶采自华南农业大学农场，基本理化性质：pH 8.07±0.01，有机碳301±3.46 g/kg，全氮26.67±0.58 g/kg，全磷3.11±0.09 g/kg，全钾40.03±0.06 g/kg。白菜叶风干后切碎为2 cm的块状，备用。

供试蚯蚓为表栖型赤子爱胜蚓（）和深栖型参状远盲蚓（），赤子爱胜蚓来自华南农业大学蚯蚓养殖基地，参状远盲蚓采集自水浇地旁的农田。将蚯蚓在适宜环境下培养一周后，挑选大小一致、具有成熟环的健壮蚯蚓进行接种。赤子爱胜蚓重量约0.5 g/条，参状远盲蚓重量约5 g/条。

1.2 试验方法

在相同土重条件下，接种不同重量的蚯蚓作为低密度和高密度的蚯蚓处理。根据常规试验中蚯蚓投入密度（每千克土壤接种约5 g蚯蚓）设定低密度赤子爱胜蚓添加量为20条/盆，高密度赤子爱胜蚓添加量为40条/盆（Chan，2001；Wu et al.，2020）；参状远盲蚓的高、低密度参照赤子爱胜蚓生物量设定为2条和4条。即试验共5个处理，分别为无蚯蚓对照土壤（CK），低密度赤子爱胜蚓处理（E1：20条，约10 g）、高密度赤子爱胜蚓处理（E2：40条，约20 g）、低密度参状远盲蚓处理（A1：2条，约10 g）和高密度参状远盲蚓处理（A2：4条，约20 g），每处理3次重复。

试验过程分土壤预培养和接种蚯蚓2个阶段。土壤预培养阶段：将土壤混合均匀后按2.5 kg/盆分别装入自制的透明塑料盆（直径15 cm、高度20 cm）中，装土高度约13 cm。每盆土壤表面加入白菜叶100 g，网室培养，控制温度25℃左右，称重法保持60%～80%的田间持水量，培养30 d。接种蚯蚓阶段：土壤预培养结束后，按照试验设计分别加入赤子爱胜蚓和参状远盲蚓，再培养60 d。培养结束后进行拍照和土壤样品采集，将样品风干后去除未完全分解的白菜叶废弃物，过2 mm筛，备用待测。

1.3 测定项目及方法

供试白菜叶pH采用无CO水以土水比1∶10提取，pH计测定（Ravindran and Mnkeni，2016）；有机碳含量采用重铬酸钾氧化—外加热法测定；全氮含量采用硫酸—过氧化氢消煮，半微量开氏法测定；全磷含量采用硫酸—过氧化氢消煮，矾钼黄法测定；全钾含量采用硫酸—过氧化氢消煮，原子吸收法测定。

土壤机械组成采用吸管法进行测定，以土壤粉粒与黏粒之和与砂粒的比值表征土壤机械组成的变化；土壤pH、电导率均采用无CO水以土水比1∶2.5浸提，分别以pH计和电导率仪测定；土壤有机碳含量采用重铬酸钾外加热法测定；全氮含量采用凯氏定氮法测定；全磷含量采用氢氧化钠熔融—钼锑抗比色法测定；全钾含量采用氢氧化钠熔融—火焰原子吸收法测定；碱解氮含量采用碱解扩散法测定；有效磷含量采用碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法测定；速效钾含量采用乙酸铵浸提—火焰原子吸收法测定；土壤阳离子交换量采用乙酸铵交换—原子吸收分光光度法测定（鲍士旦，2000）。

通过以上基础数据，根据土壤综合质量指数评价方法获得每个样点的亚指标综合指数（Velasquez et al.，2007）：

式中，和为主成分分析中各处理样点在第一和第二主成分中的权重，和为各主成分方差累积贡献率。

将亚指标综合指数转化为0.1～1.0的相同范围内，最终得出每个样点的土壤综合质量指数（）：

式中，是各亚指标原数值，为样点亚指标原数值中最大值，为样点亚指标原数值中最小值。

以土壤综合质量指数判断在不同生态类型蚯蚓影响下水浇地土壤机械组成、pH、养分和阳离子交换性能的综合差异变化特征，土壤综合质量指数越大代表土壤质量越高。

1.4 统计分析

使用Excel 2020进行数据整理，运用SPSS 23.0进行不同处理间差异显著性分析，采用Origin 2019绘图。在R语言中导入ADE-4软件包对不同土壤样本的pH、养分和阳离子交换性能进行主成分分析。

2 结果与分析

2.1 不同生态类型蚯蚓对土壤孔道及机械组成的影响

蚯蚓通过自身的挖掘、吞食等生命活动使得土壤中产生一定的孔道。由图1可看出，赤子爱胜蚓处理（E1和E2）的孔道较细，其活动范围主要在上层土壤；而参状远盲蚓处理（A1和A2）的孔道较粗且更明显，其生活范围涉及整个土壤空间，尤其是A1处理上层土壤被蚯蚓大量吞食。

不同生态类型和密度的蚯蚓对土壤机械组成的影响如图2所示。接种蚯蚓后，部分土壤砂粒转化为粉粒和黏粒。2个密度条件下，与CK相比，接种蚯蚓处理的砂粒含量降低12.24%～13.61%，粉粒含量上升54.51%～71.95%，黏粒含量上升56.25%～69.64%。接种蚯蚓处理的砂粒含量均显著低于CK（＜0.05，下同），粉粒和黏粒含量及粉黏粒/砂粒比值均显著高于CK，不同密度处理间无显著差异（＞0.05，下同）。

2.2 不同生态类型蚯蚓对土壤pH、电导率和养分含量的影响

由图3可看出，与CK相比，E1处理的土壤pH显著降低，A2处理的土壤pH显著升高，而E2和A1处理的土壤pH与CK无显著差异；接种蚯蚓处理的土壤电导率降低12.95%～53.80%，且E2、A1和A2处理土壤电导率降低均显著降低，以A1处理最低；A2处理显著提高了土壤有机碳含量及碳氮比；接种蚯蚓后土壤全氮和碱解氮含量分别提高1.77%～11.35%和4.54%～15.98%，但差异未达显著水平；A1和A2处理的有效磷含量显著降低32.03%和32.58%，且参状远盲蚓的有效磷含量均显著低于赤子爱胜蚓；不同蚯蚓处理对土壤速效钾含量的影响不同，E1和A1处理的速效钾含量提高，E2和A2处理下降，且A1处理的速效钾含量显著高于E2处理。

2.3 不同生态类型蚯蚓对土壤阳离子交换性能的影响

由表1可知，接种蚯蚓后，土壤阳离子交换量较CK提高16.92%～32.77%，交换性钾含量提高8.76%～20.72%，交换性钠含量提高5.56%～13.89%，但差异均未达显著水平。与CK相比，E1、E2和A2处理的交换性钙和镁分别提高2.90%～7.73%和3.03%～16.67%，但仅有E1处理的交换性镁含量提升显著。

2.4 不同生态类型蚯蚓对土壤综合质量的影响

不同蚯蚓处理对土壤机械组成、pH、养分和阳离子交换性能的主成分分析结果如图4所示。第一主成分（PC1）和第二主成分（PC2）的累积方差贡献率达66.1%。其中PC1方差贡献率为40.2%，主要与交换性钙、交换性镁、全氮、交换性钠、碱解氮、CEC、交换性钾、粉粒、粉黏粒/砂粒、黏粒和砂粒的变化有关；PC2方差贡献率为25.9%，主要与有效磷、电导率、有机碳、pH、碳氮比、粉黏粒/砂粒、黏粒和砂粒的变化有关。图4-A中，代表各土壤变量的箭头间余弦角度显示各变量的相关关系，角度越小相关性越高，结果显示全氮、碱解氮、CEC及交换性钾钠钙镁呈正相关；粉粒、黏粒、CEC和交换性钾呈显著正相关，与砂粒和电导率呈负相关。图4-B中，CK与接种蚯蚓处理间差异显著（=0.002），且主要表现在PC1上；接种蚯蚓处理主要偏向粉粒、粉黏粒/砂粒和黏粒较高而砂粒和电导率较低的方向，CK与之相反；图4-C显示不同接种密度蚯蚓处理间的差异主要表现在PC2（=0.001），即有效磷、电导率、有机碳、pH、碳氮比、粉黏粒/砂粒、黏粒和砂粒的差异；图4-D显示不同生态类型蚯蚓的差异也主要表现在PC2（=0.001），即有效磷、电导率、有机碳、pH、碳氮比、粉黏粒/砂粒、黏粒和砂粒的差异。

基于主成分分析的土壤综合质量指数结果（图5）显示，接种蚯蚓后土壤综合质量提高26.48%～171.04%，其中E1处理的土壤综合质量显著提升。

3 讨论

蚯蚓是土壤生态系统中典型的大型动物之一，其活动对改善土壤物理质量具有重要作用（Lubbers et al.，2017）。本研究中，土壤砂粒含量较高，土壤质地为壤砂土，在农业生产中的保水保肥能力较差；培养结束后砂粒含量降低，黏粒和粉粒含量显著上升，土壤质地转变为砂壤土，物理质量有所提高。这可能是由于蚯蚓在土壤中掘穴和吞食行为对土壤物理性状造成的影响。袁新田等（2011）研究发现，在不同秸秆施用方式条件下接种蚯蚓，与原土相比，在蚯蚓排泄物中含有较多的土壤黏粒。这与本研究中接种蚯蚓显著提高土壤的粉粒和黏粒含量、降低土壤砂粒含量的结果相似，蚯蚓吞食土壤后，经过砂囊和肠道的摩擦作用致使土壤颗粒破碎，并与肠道黏液充分接触形成黏粒含量较高的排泄物进入土壤（Lavelle et al.，2000；Mcinerney and Bolger，2000）。

一般来说，土壤pH较高或较低对农业生产均有不利影响。蚯蚓通过调节pH改变土壤质量，不同生态类型和密度蚯蚓对pH的影响存在差异。本研究结果表明，对照土壤呈弱碱性，而接种低密度赤子爱胜蚓后，土壤pH显著下降趋于中性。主要原因可能是土壤和有机物料通过赤子爱胜蚓中性肠道环境后形成蚓粪排出，进而降低了土壤pH（徐坤等，2019；杨佳宜等，2020；张孟豪等，2022）。同时，本研究结果还显示高密度参状远盲蚓使土壤pH显著上升，原因可能源于该处理土壤碳氮含量提升和交换性盐基离子的释放（Kunito et al.，2016；王丽华等，2018）。

土壤养分含量是衡量土壤肥力质量的重要指标，有机碳、全氮和速效养分含量作为重要的土壤养分，可反映土壤肥力高低。本研究中，蚯蚓通过调节养分状况改变土壤质量，不同生态类型和密度蚯蚓的影响有所不同；主成分分析结果显示接种蚯蚓后土壤全氮、碱解氮和有机碳含量较高，而有效磷含量较低。蚯蚓对有机碳和全氮含量的提升源于其取食分解碳氮含量较高的有机物料排泄蚓粪混入土壤，进而有效提高土壤有机碳和全氮含量（Zhang et al.，2013；邵元虎等，2015），同时又导致碱解氮含量提高。蚯蚓对土壤有效磷的降低作用可能与蚯蚓及其体内微生物利用土壤中有效磷养分有关（Zhang et al.，2000；王皓宇等，2020）。此外，相比低密度蚯蚓和赤子爱胜蚓处理，高密度蚯蚓处理和参状远盲蚓处理明显偏向有机碳较高而有效磷较低的方向，该结果表明高密度蚯蚓和参状远盲蚓有提升有机碳而降低有效磷的趋势，原因可能主要在于两者能快速分解转化有机物料，在此过程中可能繁殖大量微生物，同时消耗更多有效磷。

土壤阳离子交换量是土壤保肥和供肥能力的重要标志，交换量高的土壤能保存更多的磷、钾、钙、镁和铵等营养元素（黄福珍，1982）。本研究结果表明，蚯蚓通过调节阳离子交换性能改变土壤肥力质量；主成分分析结果显示，相比对照，接种蚯蚓处理明显偏向阳离子交换性能较高的方向，而这也表明接种蚯蚓确实有提高土壤阳离子交换性能的趋势，究其原因可能与土壤有机碳含量提高及蚯蚓将土壤中部分砂粒转化为黏粒有关（Sizmur and Hodson，2009）。

综上所述，本研究通过对土壤机械组成、pH、养分含量和交换性能进行主成分分析，并基于此计算土壤综合质量指数，发现接种低密度赤子爱胜蚓可显著提高土壤综合质量。但本研究中的相同密度是在控制等生物量条件下加入不同条数的蚯蚓，参状远盲蚓单体重大、数量少可能是导致其对土壤质量的影响作用与赤子爱胜蚓有差异的原因，更进一步的结论需在田间试验中继续验证。

4 结论

蚯蚓在水浇地土壤中的活动会促进土壤砂粒转化为粉粒和黏粒。低密度的赤子爱胜蚓能有效调节水浇地土壤pH、提高养分含量和阳离子交换性能，进而明显提高水浇地的土壤综合质量，而高密度赤子爱胜蚓和参状远盲蚓的接种并未造成土壤综合质量的显著提升。因此，在华南地区水浇地的生态管理上，选择接种低密度的表栖型赤子爱胜蚓可改变土壤质地并提升土壤综合质量。