蚯蚓对农田土壤微食物网调控作用机制研究

Earthworms have long been acknowledged for their contributions to all the pathways in soil by their burrowing, feeding and casting activities. Soil micro-food webs, depicting the trophic relationships between resources, microbe and microbivores, are the bases for nutrient cycling in terrestrial ecosystems. However, the understanding of how earthworms affect soil micro-food webs and therefore the ecosystem functions is scarce. To investigate the effects of earthworms on soil micro-food webs, the present study put forward two pathways to explain the earthworm effects, i.e. the top down and bottom up effects. Then, by combining molecular gut content analysis, neutral lipid fatty acids and natural isotopic analysis, we are going to uncover the changes in structure of soil micro-food webs in field and lab; we are trying to unravel the effects of earthworms on carbon flow in different compartments of soil micro-food webs by tracing stable isotope probes. We will also monitor the turnover of spatiotemporal characteristics of soil micro-food webs under earthworm effects in a long-term experiment, revealing the effects of biotic interactions on biodiversity and their effects on plant performance within agricultural systems. Eventually, these results of present study will add to the knowledge of soil food webs, benefit the application of earthworms in sustainable agriculture.

蚯蚓通过掘穴、取食和排泄活动影响了土壤中几乎所有的过程。土壤微食物网描述了资源—微生物—食微动物之间的营养关系，是陆地生态系统养分循环等过程的基础。蚯蚓对土壤微食物网结构和功能的影响尚不明确。为了探究蚯蚓对土壤食物网结构和功能的影响，本研究首先提出蚯蚓通过“自上而下”和“自下而上”两条途径影响土壤微食物网结构；再结合室内培养和野外调查探究，通过肠道内容物的分子生物学分析，动物组织中性脂肪酸分析和自然丰度的稳定同位素分析等手段揭示对土壤微食物网结构特征；通过稳定同位素标记，探讨蚯蚓对碳流在微食物中分配的影响，追踪微食物网功能的变化。围绕长期定位实验揭示蚯蚓影响下土壤微食物网结构演变的时空特征，阐明生物相互作用对农田土壤生态系统生物多样性及作物生长影响的驱动机制。研究结果可以加深对土壤食物网结构和功能的认识，明确生物资源蚯蚓在可持续农业中的应用潜力。

全球变化等各种生物和非生物因素正在威胁着生物多样性，然而这些因素对土壤生物尤其是土壤动物群落结构的影响尚不清楚。本文以中型土壤动物线虫和大型土壤动物蚯蚓为研究对象，通过开展三方面的工作来研究土壤动物群落演变的规律及其对土壤功能的影响。一、在区域尺度上，利用分子生物学方法调查分析了土壤线虫群落的多样性和物种分化速率，通过“系统发育对比分析”模型比较了农田和林地两种生境中线虫群落水平物种分化速率；二、在局域尺度上，调查分析了蚯蚓肠道微生物群落组成与宿主适应洞穴环境的关系；三、利用长期定位实验，探究了蚯蚓的添加对土壤生态系统功能及其微生物组的影响。全文主要结论如下：.1. 亚热带地区林地的土壤线虫多样性显著高于农田，温带地区林地和农田中的土壤线虫多样性没有显著性差异；农田线虫群落水平物种分化速率在两个气候区域均显著高于林地。研究表明，农田中富集了更多的快速生长型线虫。.2. 与地面上的同类物种相比，Aporrectodea rosea在洞穴中的数量明显减少，而Allolobophora chlorotica没有变化。在蚯蚓肠道中功能基因多样性一直高于土壤，但物种丰富度和系统发育多样性较低。此外，与土壤微生物群相比，蚯蚓肠道微生物群的特点是rrn操作子数量较多，网络复杂性较低。.本研究将有助于完善农业活动对土壤生物多样性影响的全面认识；针对大尺度的研究有助于结合气候变化制定全球土壤生物多样性保护的策略；同时强调了在土壤生物研究中综合考虑系统发育理论的重要性。肠道微生物是土壤动物宿主适应环境的重要因素。