蚯蚓长期影响下农田土壤生态功能演变及作用机制研究

发展可持续农业依赖于充分发挥生物自调节过程在农业生态系统服务功能中的作用。虽然蚯蚓在调控土壤生态功能的潜力已得到公认，但迄今缺乏在自然条件下集成多种土壤生态功能的系统研究，以至于难以权衡蚯蚓对农田生态系统服务功能影响的"净（net）"作用；此外，有关蚯蚓作用机制的阐释也进展缓慢，进一步限制了蚯蚓作为有益生物资源改善土壤生态功能的应用。本项目利用10年以上蚯蚓接种长期定位试验，借助分析有机物分解、氮素循环、温室气体排放、水分调节、植物生产、土壤结构的维持及土壤生态功能的稳定性，系统评估蚯蚓对农业生态系统服务功能的长期影响；在此基础上，以土壤结构、生物群落及资源三者的关系为主线，着重研究蚯蚓调控农田土壤生态功能的影响机制。本项目的预期结果不仅有助于阐明农田土壤生态系统中蚯蚓的综合作用及调控机制，而且为今后将蚯蚓资源纳入可持续农业管理技术体系提供理论依据。

本项目利用蚯蚓长期定位试验，借助分析分解、氮循环、温室气体排放、植物生产及土壤结构，系统评估蚯蚓对农业生态系统服务功能的影响；并研究蚯蚓调控农田土壤生态功能的影响机制。结果表明：（1）有机物施用方式、土壤深度和蚯蚓之间存在强烈的交互作用。有机物混施条件下蚯蚓提高土壤有机质水平，而有机物表施下反之。蚯蚓对土壤微生物生物量、活性及可矿化碳的影响也依赖于有机物施用方式和土壤层次。（2）蚯蚓的影响还强烈依赖于采样时间。值得注意的是，不论秸秆表施或混施，所有采样时间下蚯蚓对微型土壤动物和参与土壤碳氮磷循环的土壤酶活性的影响趋势相对一致。例如，蚯蚓显著增加了土壤原生动物的数量，能够显著降低了土壤线虫总数，特别是显著降低了食真菌线虫的比例。蚯蚓均促进了参与土壤碳氮磷循环的土壤酶活性。（3）蚯蚓增加CO2和N2O的排放，蚯蚓的作用与蚯蚓促进活性有机碳和矿质氮水平可能是重要原因。蚯蚓对小麦和水稻产量的影响未达到统计上的显著差异。蚯蚓能增加小麦或水稻茎叶全氮、全磷和全钾含量。（4）蚯蚓促进土壤大团聚体的形成，其中有机物混施下趋势更加明显；团聚体上的微生物群落同样受到蚯蚓和团聚体大小交互作用的影响，尤其对真菌群落结构的影响更大。原核和真核生物群落高通量分析表明，蚯蚓活动可以显著增加变形菌门的相对数量。参与生态过程的基因的相对丰度在蚯蚓影响下均降低。（5）在番茄-菠菜轮作体系中，蚯蚓显著地提高了累积的生态系统呼吸和N2O的排放量，分别为46% ~ 87%和19% ~ 25%。其中，蚯蚓提高土壤N2O的原因主要是通过促进土壤碳氮的有效性，与蚯蚓生态型关系不大。在作物生长季节尺度上，蚯蚓显著地提高了净综合温室效应和碳排放当量，对净温室气体强度和碳的效益比无显著影响。（6）基于蚯蚓堆肥与根际促生菌（PGPR）的交互试验发现，不施蚯蚓堆肥的情况下，PGPR对土壤和作物生长几乎没有任何作用。蚯蚓堆肥能够强化PGPR对土壤养分（NO3--N, 速效磷和速效钾）蔬菜产量、品质（维生素C和可溶性蛋白）的促进作用。蚯蚓与整个地下部（碎屑食物网）、地上部（植物）和土壤环境因素存在复杂、强烈的相互作用，这些相互作用导致的生态功能结果是非常难以预测的。本项目的预期结果不仅有助于阐明农田土壤生态系统中蚯蚓的综合作用及调控机制，而且为今后将蚯蚓资源纳入可持续农业管理技术体系提供理论依据。