接种蚯蚓对红壤氮素矿化特征的影响刘宾,李辉信,朱玲,刘满强,胡锋

生态环境2006,15(5):[e-mail]基金项目：国家自然科学基金项目（30370286）作者简介：刘宾（1981－），女，硕士研究生，主要从事土壤生态学研究。Tel:[phone]；E-mail:[e-mail]*通讯作者收稿日期：2006-03-10接种蚯蚓对红壤氮素矿化特征的影响刘宾，李辉信，朱玲，刘满强，胡锋*南京农业大学资源与环境科学学院，江苏南京210095摘要：在室内恒温培养、间歇破坏性采样的条件下，研究了蚯蚓活动对红壤氮素矿化以及土壤氮素肥力的影响。试验共设置以下四个处理：（1）不接种蚯蚓不施用秸秆的对照处理（S）；（2）单接种蚯蚓处理（E）；（3）单施秸秆处理（O）；（4）蚯蚓+秸秆处理（OE）。分别于培养后的第6，12，18，24，30d进行5次破坏性采样。试验结果显示：在整个培养时期中，无论是否施用秸秆，接种蚯蚓处理（E，OE）的土壤铵态氮含量均较同期相应对照处理（S，O）有显著性提高（p0.05），到培养结束时，铵态氮含量分别是相应对照处理（S，O）的9.27倍和6.76倍。通过计算不同培养期土壤氮素的矿化速率和累积矿化速率发现，无论有无施用秸秆，接种蚯蚓后（E，OE），土壤氮素矿化速率和累积矿化速率均显著高于（p0.01）同期相应的无蚯蚓对照处理（S，O），并且在单接种蚯蚓（E）的条件下最高。在整个培养时期中，单接种蚯蚓处理（E）的土壤全氮含量较同期对照处理（S）显著提高了6.7%~32.7%，蚯蚓+秸秆处理（OE）的全氮含量除了在培养第6d外，其它培养时期均较同期单施秸秆处理（O）显著提高（p0.05）了7.4%~25.4%。关键词：红壤；蚯蚓；矿质氮；矿化速率；全氮中图分类号：S154.1文献标识码：A文章编号：1672-2175（2006）05-1056-06红壤主要分布于长江以南的低山丘陵区，其范围大致在北纬24o～32o之间，总面积约5690.2×104hm2，约占全国土壤面积的6.5%，是我国很重要的农业土壤资源[1]。由于强烈的地球化学风化和淋溶作用，红壤本身继承性肥力较低，具有瘠、酸、粘、板等严重障碍，其生产潜力难以发挥，加之侵蚀、季节性干旱以及不合理的农业管理措施等因素的影响，红壤退化较为严重，而氮素肥力退化是其中的关键因素之一[1-3]。氮素不仅是植物生长最需要的大量营养元素之一，还是植物从土壤中吸收量最大的矿质元素，因此如何促进红壤中氮素的矿化，使已有的氮素资源发挥更大的作用，提高氮素有效性，已成为红壤地区农业生产的重要问题[4-6]。由于土壤中氮素矿化过程受土壤温度、湿度、pH值、通透性、凋落物的易分解状况、土壤动物及微生物的种类和数量等多种因素的影响，而土壤动物和微生物是直接的决定因素，其生物量也是重要的氮库[7-8]。蚯蚓作为一种很重要的大型土壤动物，在农业生态系统中的作用已经成为许多研究者关注的焦点[9]。蚯蚓活动可以改善土壤的物理、化学、生物学性质[10]，它可以将难以被分解利用的有机态氮转变为容易被植物吸收利用的形态，对氮素形态的转化与循环有着不可低估的作用[11-13]。到目前为止，国内外有关蚯蚓对土壤氮素转化、矿化的影响已有较多的研究[12-16]，但是针对红壤这种特殊性质的土壤还鲜有报道。本文在室内恒温条件下研究了蚯蚓活动对红壤氮素矿化和全氮含量的影响，并试图明确蚯蚓活动对红壤氮素矿化的影响程度，从而为揭示蚯蚓对红壤氮素矿化的影响机理提供基础理论依据。1材料与方法1.1土壤、秸秆和蚯蚓供试土壤采自江西红壤研究所(110°20′24〞N，28°15′30〞S)的红壤旱地（前茬作物为花生），取样深度为0～20cm，鲜土采集后风干过筛（2mm）备用。供试土壤母质为第四纪红粘土，其基本理化性质为：pH4.59，有机C含量4.53g·kg-1，全N含量0.525g·kg-1，全P含量0.18g·kg-1，速效N12.34mg·kg-1，速效P6.13mg·kg-1，速效K80.76mg·kg-1。秸秆采用过2mm筛的腐熟的玉米秸秆（N含量14.63g·kg-1，C含量464.33g·kg-1，P含量2.85g·kg-1，w(C)/w(N)为31.74）。供试蚯蚓为威廉环毛蚓（Pheretimaguillelmi）。1.2试验处理本试验在室内恒温培养箱中进行。共设4个处理：(1)不接种蚯蚓不添加秸秆－对照处理（S）；(2)单接种蚯蚓处理（E）；(3)单施用秸秆处理（O）；(4)蚯蚓+秸秆处理（OE）。每个处理每次采样期设置5个重复。具体培养方法为：将200g风干土样，放入容积为500cm3的容器中，并用带有小孔的塑料薄膜封口（以防止蚯蚓逃逸）；在施用秸秆的处理刘宾等：接种蚯蚓对红壤氮素矿化特征的影响1057中，另加入4g风干秸秆与土壤混匀，即风干土与秸秆的质量比为50∶1。调节土壤含水量至田间持水量的80%，然后放于20℃的恒温培养箱中24h黑暗培养。需接种蚯蚓的处理中，每钵接种蚯蚓2条[(3.8±0.2)g]，接种蚯蚓前先将蚯蚓的肠内物清除掉。具体方法是：将蚯蚓洗净，放入底部铺有湿润吸水纸的周转箱内黑暗培养24h，次日取出洗净擦干进行接种。每隔6d采用质量法调节含水量，以补偿培养过程中水分的损失，分别于培养后的第6d、12d、18d、24d、30d进行五次破坏性采样。1.3样品采集每次采样从各处理所培养盆钵中随机抽取5盆，未接种蚯蚓的处理直接将土壤混匀，一部分进行风干测定干样项目，一部分装于封口袋中保存于4℃冰箱中用于鲜样测定；对于接种蚯蚓的处理，先将蚯蚓挑出，洗净，按上述方法清除肠内物后洗净称质量。1.4测定方法采样后立即进行鲜样测定。铵态氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3--N)用MgO—代氏合金蒸馏法，土壤矿质氮为铵态氮与硝态氮之和（NH4+-N+NO3--N）；土壤全氮用过100目筛的风干土，采用半微量开氏定氮法进行测定[17]。2结果与讨论2.1蚯蚓对红壤铵态氮、硝态氮、矿质氮含量的影响图1列出了蚯蚓对红壤氮矿化的影响。从图1-A中可看出，在整个培养期内，无论是否施用秸秆，接种蚯蚓处理（E，OE）的土壤铵态氮含量均较相应未接种对照处理（S，O）有显著提高（p0.05），其含量随培养时间的延长而迅速递增，到培养30d时，单接种蚯蚓处理（E）和蚯蚓+秸秆处理（OE）的铵态氮含量分别是同期相应对照处理（S，O）的9.27倍和6.76倍，在我们以前利用潮土进行的试验中也得到了相似的结果，这表明蚯蚓活动可显著提高土壤铵态氮含量，其原因可能有以下几点：一是蚯蚓活动可以调节土壤pH、影响微生物的活性、活化包括微生物养分在内的土壤养分[14-15,18]，加速了微生物体内氮的循环转化与矿化[16,19]；二是蚯蚓破碎粗有机物，使有机氮更容易被微生物分解，这不仅增加了微生物和植物可利用的氮，而且提高了土壤氮素的循环速度[14,18]；三是蚯蚓活动形成的孔道、蚓粪等独特的土壤结构改善了土壤的通气保水性能，从而可以促进土壤有机氮素的矿化[10,20]。从图1-A中还可看出，单施秸秆处理（O），在培养前期（0~12d）土壤中铵态氮含量都显著高于（p0.05）对照处理（S），而后呈降低趋势，到培养结束时（30d），单施秸秆处理（O）的铵态氮含量显著低于(p0.05)对照处理（S）。这主要与我们所施用的秸秆有关[21]，研究表明施入土壤中的有机物料的w(C)/w(N)值较高，会造成矿质态氮的生物固定[22]；此外培养18d后，蚯蚓+秸秆处理（OE）的铵态氮含量低于单接种蚯蚓处理（E），这也是与施用有机前期研究结果，录用待刊S：不接种蚯蚓不添加秸秆－对照处理（TreatmentS:soilwithoutearthwormsandstraw—controltreatment）；E：仅接种蚯蚓处理（TreatmentE:soilonlywithearthworms）；O：单施秸秆处理（TreatmentO:soilonlywithstraw）；OE：蚯蚓+秸秆处理（TreatmentOE:soilwithearthwormsandstraw）图1不同培养时期土壤铵态氮（A）、硝态氮（B）、矿质氮（C）的变化Fig.1ChangeincontentofsoilNH4+-N(A),NO3--N(B),Mineral-N(C)insoilsdifferentindurationofincubation060120180240612182430NH4+-N（mg.kg-1）SEOOE035612182430NO3--N(mg.kg-1)060120180240612182430时间t/dMin-N（mg.kg-1）ABCw(Min-N)/(mg∙kg-1)w(NO3--N)/(mg∙kg-1)w(NH4+-N)/(mg∙kg-1)1058生态环境第15卷第5期（2006年9月）物料后矿质氮素的生物固定有关。再从蚯蚓对红壤硝态氮的影响来看（图1-B），单接种蚯蚓处理（E）土壤硝态氮含量仅在培养结束时（30d）显著高于（p0.05）对照处理（S）；单施秸秆处理（O）的硝态氮含量在整个培养时期内都显著低于（p0.05）对照处理（S）；除培养6d外，其它培养时期中蚯蚓+秸秆处理（OE）的硝态氮含量均较单施秸秆处理（O）有显著提高（p0.05），到培养结束时，其土壤硝态氮含量增加了73%。以往我们在潮土中进行的研究结果显示，蚯蚓活动可以显著地提高土壤硝态氮含量*，但由于红壤呈酸性，限制了硝化微生物的活性[6]，从而造成了各处理中硝态氮的含量都普遍较低，在本研究中硝态氮含量只有1.62~3.84mg·kg-1。由图1-C可知，整个培养时期中，红壤矿质氮的变化趋势与铵态氮变化相一致。这是由于红壤中铵态氮含量显著高于土壤硝态氮含量，从而造成红壤中土壤矿质氮含量的变化主要受制于土壤铵态氮的变化。2.2蚯蚓对红壤氮素矿化速率和累积矿化速率的影响为了检验不同采样时期氮素矿化的速率以及土壤氮素矿化－固持的总趋势，我们计算了土壤氮素矿化速率（Nitrogenmineralizationrate）和累积矿化速率（Cumulativenitrogenmineralizationrate）。其计算方法如下[13]：矿化速率(mg·kg-1·d-1)＝[（NH4+-N+NO3--N）t2－（NH4+-N+NO3--N）t1]/(t2-t1)（NH4+-N+NO3--N）t2：培养t2天的矿质氮含量；（NH4+-N+NO3--N）t1：培养t1天的矿质氮含量；（t2-t1）：两次培养时期的间隔天数。累积矿化速率（mg·kg-1·d-1）＝[（NH4+-N+NO3--N）t－（NH4+-N+NO3--N）t0]/t（NH4+-N+NO3--N）t0：初始矿质氮含量；（NH4+-N+NO3--N）t：培养t天的矿质氮含量。土壤氮素矿化速率反映的是在整个培养时期中各个不同的时间段的矿化速率。土壤氮素的累积矿化速率则反映的是在整个培养期中不同的培养时间长度下土壤氮素的矿化速率。从图2-A可以看出，在整个培养时期各个时间段中，对照处理（S）和单施秸秆处理（O）的矿化速率都非常低，各培养时期中变化不大，到培养末期的24~30d，两处理的矿化速率基本上为零，说明在红壤中土壤氮素的矿化速率很低。这可能是由于红壤本身的瘠、酸、粘、板等特点[1-3]，限制了土壤微生物的活性；无论有无施用秸秆，在接种蚯蚓后（E，OE），土壤氮素矿化速率均显著提高（p0.01），分别是同期相应的无蚯蚓对照处理（S，O）的7.09~54.75倍和9.76~23.93倍；在整个培养时期的各时间段中，单接种蚯蚓处理（E）的矿化速率呈现“W”型的变化，在培养24~30d时期中达到最高，蚯蚓+秸秆处理（OE）的矿化速率则是在培养0~6d最高，24~30d最低。在以往研究