张 衡, 朱永恒, 韩 斐

(1.安徽师范大学 国土资源与旅游学院, 安徽 芜湖241003; 2.安徽自然灾害过程与防控研究省级实验室, 安徽 芜湖241003)

蚯蚓活动对铜尾矿废弃地土壤养分的影响

张 衡1,2, 朱永恒1,2, 韩 斐1,2

(1.安徽师范大学 国土资源与旅游学院, 安徽 芜湖241003; 2.安徽自然灾害过程与防控研究省级实验室, 安徽 芜湖241003)

摘要：[目的] 研究蚯蚓活动对铜尾矿废弃地土壤养分的影响,以期为利用土壤动物进行铜尾矿生态恢复提供参考。 [方法] 在室内恒温(20 ℃)条件下培养1个月，共设置8种处理进行试验。 [结果] (1) 接种蚯蚓对土壤养分的影响强弱顺序依次为：有效磷>有机质>速效钾>碱解氮，且随着蚯蚓密度的增加土壤养分的含量呈上升趋势； (2) 添加秸秆后接种蚯蚓对铜尾矿废弃地土壤养分的影响强弱顺序依次为：有效磷>碱解氮>速效钾>有机质，且随着蚯蚓密度的增加土壤养分的含量呈上升趋势； (3) 接种蚯蚓且添加秸秆比仅接种蚯蚓对土壤养分的影响大，且影响速度表现为：有效磷>速效钾>碱解氮>有机质。 [结论] 蚯蚓对铜尾矿废弃地土壤养分的恢复具有促进作用,蚯蚓密度越大影响作用越强。

关键词：蚯蚓; 铜尾矿废弃地; 土壤养分

随着人类利用各种矿产资源规模的不断扩大，矿业废弃地随之产生，它是一种人为的裸地和特殊的退化生态系统。持续增加的尾矿废弃地和极其紧张的土地资源形成一对尖锐的矛盾，急需对闲置的尾矿废弃地进行生态恢复与利用。治理和利用这些土地是当今比较热门的生态问题。土壤养分是土壤提供给植物生长所必需的营养元素，是土壤中能直接或经转化后被植物根系吸收的矿质营养。由于大部分矿山废弃地缺乏N，P，K和有机质等营养物质，如果将修复后的土地用于农业生产，首先要恢复土壤肥力，提高土壤生产力[1]。蚯蚓具有改善土壤理化性质，促进土壤养分的作用。有研究[2-4]表明，蚯蚓活动能提高土壤肥力，能增加土壤有效养分，有利于作物根系生长发育和对养分的吸收。基于此，本研究通过实验室控制试验，研究蚯蚓活动对铜尾矿废弃地土壤养分的影响。以期为土壤动物对铜尾矿生态恢复研究提供参考。

1研究区概况与研究方法

1.1　研究区概况

林冲尾矿地位于安徽省铜陵市凤凰山境内，位于117°43′28″E，30°56′42″N，属亚热带季风气候区，年平均气温16.2 ℃，年平均降水量1 390 mm，年平均无霜期为230 d，年平均湿度75%～80%[5]。林冲尾矿地是三面环山，一面修建石坝(长200 m，高40 m)，面积约31 hm2，海拔高度105 m，总库容为1.20×106m3。于1979年废弃不用，当地农民覆土并种植药用植物丹皮(Paeoniasuffruticosa)，并且辅种大豆(Glycinemax)等豆科植物，在2009年铲除丹皮，因人为干扰较少,自然生长杂草，其中优势种为荩草(Arthraxonhispidus)，也有少量狗尾草(Setairaviridis)、芒(Miscanthussinensis)和小飞蓬(Conyzacanadensis)等[6]。

研究区土壤为黄棕壤，铜尾矿废弃地的基本理化性质详见表1。

表1　供试土壤基本理化性质

1.2　材料设置

在铜陵市凤凰山林冲铜尾矿地，于2014年4月20日运用五点采样法(先确定对角线的中点作为中心抽样点，再在对角线上选择4个与中心样点距离相等的点作为样点)，挖取20 cm深的土壤，捡出草根，装袋带回。然后把采集的大部分土壤风干，过10目的筛备用。将从市场买回的赤子爱胜蚓(Eiseniafoetida)放入带回的小部分混合土壤中培养12 d，使它适应铜尾矿地土壤环境，然后选取大小一致的蚯蚓洗净，采用饥饿法，放置12 h,使其清空肠胃,挑选活性较好的备用；把割下的荩草带回洗净剪成3 cm长晒干，然后放入清水中浸泡，当水变成浅酱色后，取出并抖干其中的水分，然后放入一个黑塑料袋密封放置，在材料开始腐烂时取出待用。

1.3　试验设置

试验设置8种处理： (1) 不接种蚯蚓、不添加秸秆(CK)； (2) 仅添加秸秆(O)； (3) 仅接种2条蚯蚓(2 E)； (4) 仅接种4条蚯蚓(4 E)； (5) 仅接种8条蚯蚓(8 E)； (6) 接种2条蚯蚓且添加秸秆(2 EO)； (7) 接种4条蚯蚓且添加秸秆(4 EO)； (8) 接种8条蚯蚓且添加秸秆(8 EO)。各处理重复3次。具体为：取24个直径20 cm、高15 cm的盆，放入过10目筛800 g土，盆钵底部出水孔上和盆口盖一层尼龙窗纱以防蚯蚓逃逸，水分控制在田间持水量的70%左右，添加秸秆的放入5 g秸秆，使试验土与秸秆的质量比为50∶1，在室内恒温(20 ℃)避光培养。培养1个月后，把盆中的土壤倒入干净的薄膜上捡出蚯蚓并称重，自然风干土样以供测试。

1.4　测定项目与方法

项目测定按鲁如坤《土壤农业化学分析方法》一书描述的方法进行[7]。土壤酸碱度：尾矿∶水质量比=1∶2.5，采用pH计测定；有机质含量采用高温外加热重络酸钾氧化—容量法测定；有效氮含量采用碱解扩散法测定；有效磷含量采用碳酸氢钠法测定；全铜含量采用HF-HNO3-HCLO4消煮—原子吸收分光光度法测定。

试验数据处理采用Excel和SPSS 17软件进行分析。

2结果与讨论

2.1　接种蚯蚓对铜尾矿废弃地土壤养分的影响

从表2可以看出，培养一个月后各处理有机质含量随着蚯蚓密度的增加呈下降趋势，各处理与初始值(CK0)比较减少了0.51～2.54 g/kg,其中接种蚯蚓比无蚯蚓有机质差异达极显著性。说明蚯蚓能够显著的分解有机质，并且蚯蚓越多越有利于有机质的分解。培养1个月后各处理碱解氮、有效磷和速效钾含量随着蚯蚓密度的增加呈上升趋势，各处理与初始值(CK0)比较分别增加了0.23～1.68，0.53～3.81和1.33～18.00 mg/kg。说明接种蚯蚓能够促进土壤中碱解氮、有效磷和速效钾。根据F值显著性差异可以看出，接种蚯蚓对铜尾矿废弃地土壤养分的影响强弱顺序为：有效磷>有机质>速效钾>碱解氮。

2.2　添加秸秆后接种蚯蚓对铜尾矿废弃地土壤养分的影响

从表3可以看出，培养1个月后各处理有机质含量随着蚯蚓密度的增加呈下降趋势，各处理与初始值(CK0)比较减少了0.63～2.22 g/kg,其中接种蚯蚓比无蚯蚓有机质呈极显著性差异。说明添加秸秆后蚯蚓能够显著的分解有机质，并且蚯蚓越多分解的量就越大。除了碱解氮仅添加秸秆(O)与初始值(CK0)下降了0.24 mg/kg，培养1个月后各处理碱解氮、有效磷和速效钾含量随着蚯蚓密度的增加呈上升趋势，各处理与初始值(CK0)比较分别增加了2.10～3.03 mg/kg，1.96～6.62 mg/kg和3.67～23.00 mg/kg。并且接种蚯蚓比无蚯蚓达极显著性差异。说明添加秸秆后接种蚯蚓能够促进土壤中碱解氮、有效磷和速效钾。其中接种蚯蚓对有效磷的影响与刘德辉[8]研究的一致。在刘德辉的培养试验中，以花生秸中添加秉氏环毛蚓,在培养25，50，100，150 d时的有效磷含量分别比培养之初增加了28.5%，48.5%，63.0%和75.2%。根据F值显著性差异可以看出，添加秸秆后接种蚯蚓对铜尾矿废弃地土壤养分的影响强弱顺序为：有效磷>有机质>碱解氮>速效钾。

表2　不同蚯蚓密度对铜尾矿废弃地不同土壤养分的影响

注：同一行小写和大写字母分别表示5%和1%水平的显著性差异。下同。

表3　在添加秸秆的基础上不同蚯蚓密度对铜尾矿废弃地不同土壤养分的影响

2.3　接种蚯蚓与接种蚯蚓且添加秸秆对铜尾矿废弃地土壤养分的影响

从表4可以看出，在接种0蚯蚓时，显然只有有效磷达极显著性差异，从F值可以看出仅添加秸秆对土壤养分的影响强弱顺序为：有效磷>速效钾>碱解氮>有机质。在接种2条蚯蚓时，接种蚯蚓且添加秸秆比仅接种蚯蚓对土壤养分影响更大，其中有效磷和速效钾达极显著性差异，分别为2.38和14.00 mg/kg，从F值可以看出，添加秸秆对土壤养分的影响强弱顺序为：速效钾>有效磷>碱解氮>有机质。在接种4条蚯蚓时，接种蚯蚓且添加秸秆比仅接种蚯蚓对土壤养分影响的大，其中有效磷和速效钾达极显著性差异，分别为2.86和14.33 mg/kg，从F值可以看出，添加秸秆对土壤养分的影响强弱顺序为：有效磷>速效钾>碱解氮>有机质。在接种8条蚯蚓时，接种蚯蚓且添加秸秆比仅接种蚯蚓对土壤养分影响的大，其中有效磷达极显著性差异，为2.81 mg/kg，从F值可以看出添加秸秆对土壤养分的影响强弱顺序为：有效磷>速效钾>碱解氮>有机质。总之，可以看出接种蚯蚓且添加秸秆比仅接种蚯蚓对土壤养分的影响大。

除了接种2蚯蚓外，接种蚯蚓且添加秸秆比仅接种蚯蚓对土壤养分的影响为速效钾>有效磷，其余均表现为：有效磷>速效钾，说明接种蚯蚓且添加秸秆比仅接种蚯蚓对土壤养分的影响强弱顺序为：有效磷>速效钾>碱解氮>有机质。

表4　对比接种蚯蚓与接种蚯蚓且添加秸秆对铜尾矿废弃地土壤养分的影响

3讨 论

3.1　蚯蚓对有机质的影响

土壤有机物质包括各种动植物残体以及微生物及其生命活动的各种有机产物。其中相对稳定的是经过复杂的生物化学转化过程，主要是微生物的生命活动形成的土壤腐殖质[7]。蚯蚓能分解和混合土壤有机质。如在北美，每年蚯蚓Allolobophoracaliginosa和Octolasioncyaneum能消耗浅层土壤(15 cm)中10%的有机质[9]。从表5可以看出，试验过程中蚯蚓的体重是增加的，可能是由于蚯蚓吞食有机质形成的，在整个试验过程中有机质的含量是减少的。蚯蚓是有机质降解过程的重要驱动者[10]。Ndegwa[11]通过4个投放密度用污泥和覆纸为底物喂养8周，最后发现有蚯蚓存在的处理物中有机质含量大幅降低，且密度越大降低的就越多。

表5　试验初末蚯蚓体重变化的情况　g/kg

3.2　蚯蚓对土壤碱解氮、有效磷和速效钾的影响

土壤碱解氮、有效磷和速效钾均为植物生长的有效养分，蚯蚓若能促进这些营养元素含量的增加，将有利于土壤肥力的增加。刘宾等[12]在室内恒温(20 ℃)的条件下研究蚯蚓活动对潮土中氮素矿化特征的影响。结果表明无论是否添加秸秆,接种蚯蚓处理(E,OE)的土壤矿质氮水平均相应的较对照处理(S,O)有显著提高(p<0.05),到培养55 d时,分别增加了1.93和2.36倍。本研究利用蚯蚓作用于铜尾矿废弃地，结果表明蚯蚓对铜尾矿废弃地土壤碱解氮、有效磷和速效钾均有促进作用。不但如此，还促进了重金属铜状况的改善。从表6可以看出，添加蚯蚓可以明显减少土壤中铜的含量，有利于改善土壤重金属污染情况，这也是蚯蚓添加到铜尾矿中独特的作用。

表6　试验土壤中铜含量变化的情况　mg/kg

4结 论

(1) 在铜尾矿土壤中接种蚯蚓能够促进土壤养分。培养一个月后各处理有机质含量随着蚯蚓密度的增加呈下降趋势，各处理与初始值(CK0)比较减少了0.51～2.54 g/kg,碱解氮、有效磷和速效钾含量随着蚯蚓密度的增加呈上升趋势，各处理与初始值(CK0)比较分别增加了0.23～1.68 mg/kg，0.53～3.81 mg/kg和1.33～18.00 mg/kg。接种蚯蚓对铜尾矿废弃地土壤养分的影响强弱顺序为：有效磷>有机质>速效钾>碱解氮。

(2) 在铜尾矿土壤中添加秸秆后接种蚯蚓仍能够促进土壤养分。培养一个月后各处理有机质含量随着蚯蚓密度的增加呈下降趋势，各处理与初始值(CK0)比较减少了0.63～2.22 g/kg,碱解氮、有效磷和速效钾含量随着蚯蚓密度的增加呈上升趋势，各处理与初始值(CK0)比较分别增加了2.10～3.03 mg/kg，1.96～6.62 mg/kg和3.67～23.00 mg/kg。添加秸秆后接种蚯蚓对铜尾矿废弃地土壤养分的影响强弱顺序为：有效磷>有机质>碱解氮>速效钾。

(3) 比较接种蚯蚓与接种蚯蚓且添加秸秆对铜尾矿废弃地土壤养分的影响，可以看出接种蚯蚓且添加秸秆比仅接种蚯蚓对土壤养分的影响大，且影响速度强弱顺序为：有效磷>速效钾>碱解氮>有机质。

[参考文献]

[1]魏远,顾红波,薛亮,等.矿山废弃地土地复垦与生态恢复研究进展[J].中国水土保持科学,2012,10(2):107-114.

[2]方素栎,罗玉柱.不同基料养殖大平3号蚯蚓的试验研究[J].畜牧与饲料科学,2010,31(5):191-192.

[3]Edwards C A, Lofty J R. The influence of arthoropds and earthworms upon the root growth of cereals after five seasons of direct drilling[J]. Journal of Applied Ecology, 1978,15(3):789-795.

[4]Edwards C A. Effect of earthworm inocubation upon the root growth of direct dirlled cereals[J]. Journal of Applied Ecology, 1980,17(3):533-543.

[5]朱永恒,沈非,余健,等.铜尾矿废弃地土壤动物多样性特征[J].生态学报,2013,33(5):1495-1505

[6]李克中, 朱永恒.复垦铜尾矿地不同植被恢复下的土壤养分特征[J].长江流域资源与环境2014,23(6):833-838.

[7]鲁如坤.土壤农业化学分析方法[M].北京：中国农业科技出版社,1999.

[8]刘德辉,胡锋,胡佩,等.蚯蚓活动对红壤磷素有效性的影响及其活化机理研究[J].生态学报,2003,23(11):2299-2306.

[9]Edwards C A, Bohlen P J. Biology and Ecology of Earthworms, [J] 3 ed. London： Chapman and Hall,1996.

[10]Dominguez J, Edwards C A.Vermicomposting organic wastes: A review[C]∥Hanna S H S, Milkhail W Z A. Soil Zoology for Sustainable Development in the 21st Century. Cairo: US Copyright Office Pending, 2004.

[11]Ndegwa P M, Thompson S A, Das K C. Effects of stocking density and feeding rate on vermicomposting of biosolids[J]. Bioresource Technology, 2000, 71(1):5-12.

[12]刘宾,李辉信,朱玲,等.接种蚯蚓对潮土氮素矿化特征的影响[J].土壤学报,2007,44(1):98-105.

Effects of Earthworm Activity on Soil Nutrient in Copper Tailings

ZHANG Heng1,2, ZHU Yongheng1,2, HAN Fei1,2

(1.CollegeofTerritorialResourcesandTourism,AnhuiNormalUniversity,Wuhu，Anhui241003，China; 2.AnhuiKeyLaboratoryofNaturalDisastersProcessandPrevention,AnhuiNormalUniversity,Wuhu,Anhui241003，China)

Abstract：[Objective] To study the influence of earthworm activities on soil nutrients in copper mine tailings in order to provide references for the ecological restoration by soil animals in copper tailings. [Methods] 8 treatments were designed and lasted for one month in laboratory(20 ℃). [Results] (1) The inoculation of earthworm affected the soil nutrients as following order: phosphorus > organic matter > K > available nitrogen. Soil nutrients content increased with the increase of earthworm density; (2) The inoculation of earthworm with the coverage of straw on copper tailings affected the soil nutrients as phosphorus > available nitrogen>K>organic matter, and soil nutrients content increased with the increase of the earthworm density; (3) Earthworm inoculation with coverage of straw showed higher impact on soil nutrients than earthworm inoculation only, and the affecting speed were as phosphorus>K>available nitrogen> organic matter. [Conclusion] Earthworms do have effect on soil nutrient restoration in copper mine tailings, the greater the earthworm density, the higher the impact.

Keywords:earthworms; copper tailings; soil nutrients

文献标识码：A

文章编号：1000-288X(2015)06-0178-04

中图分类号：X53， S158

通信作者：朱永恒(1975—),男(汉族),安徽省含山县人，博士，教授，硕士生导师,主要从事土壤生态学方面的研究。E-mail:yhzhu876@mail.ahnu.edu.cn。

收稿日期：2014-10-26修回日期：2014-11-20

资助项目：国家自然科学基金项目“铜尾矿废弃地自然演替过程中土壤动物迁居研究”(41001031)

第一作者：张衡(1988—),男(汉族),安徽省涡阳县人，硕士研究生,研究方向为土壤生态学。E-mail:szxyzhangheng@163.com。