蚯蚓活动对农田土壤生物种群数量和群落结构的影响

摘要

蚯蚓作为陆地生态系统最重要的大型土壤动物，通过影响土壤物理、化学和生物学等性质在物质循环及能量流动过程中起着极其重要的作用。蚯蚓在土壤中穿行和取食形成蚓穴以及排泄土内和土表的蚓粪等活动将不可避免的影响到土壤栖息者-土壤生物（微生物和微动物）的种群数量和群落结构。当前，国际上有关蚯蚓影响土壤微生物和微动物以及土壤酶活性的研究也很多，但大部分的研究是通过短期培养或室内模拟试验而获得，且关于蚯蚓活动对土壤生物在土壤中空间分布的影响研究也很少。尤其在自然的稻、麦轮作土壤生态系统中蚯蚓活动对土壤生物影响的报道就更为少见。据此，选取在农田中常见的威廉腔环蚓（Metaphire gui1le;mi），以长期小区和室内培养试验相结合的方式来研究蚯蚓与其它土壤生物之间的关系。
　　 主要研究目标如下：(1)小区试验条件下蚯蚓活动对农田土壤微生物数量和活性的影响；(2)小区试验条件下蚯蚓活动对农田土壤微生物群落和功能群以及它们的空间分布的影响；(3)小区试验条件下蚯蚓活动对农田土壤线虫、原生动物种群数量和群落结构以及它们土层空间上分布的影响；(4)培养试验条件下研究蚯蚓活动对土壤线虫、原生动物和线蚓的种群数量的影响及机制。结果表明：
　　 1玉米秸秆表施和混施促进了土壤细菌、真菌、放线菌、氨化细菌、固氮菌、纤维素分解菌、无机磷分解菌数量和微生物生物量碳的增加。在秸秆表施方式下，接种蚯蚓使得细菌、放线菌和真菌数量减少，而氨化细菌、固氮菌、纤维素分解菌、无机磷分解菌4种细菌生理菌群的数量增加；秸秆混施方式下，接种蚯蚓增加细菌、放线菌、氨化细菌和无机磷分解菌数量。不论秸秆以何种方式施用，接种蚯蚓使得微生物量碳增大，但均未达到显著性差异。另外，蚓粪中三大菌和4种细菌生理菌群的数量均高于其周围土壤，且蚓粪中微生物量碳显著高于其周围土壤。
　　 2在秸秆表施条件下，接种蚯蚓提高了5-10cm层土壤微生物群落碳源的总利用活性（用平均颜色变化AWCD值表示）；而在秸秆混施条件下，接种蚯蚓提高了0-5cm和10-20cm层土壤微生物群落碳源的总利用活性；与秸秆混施且接种蚯蚓处理相比，秸秆表施且接种蚯蚓处理在0-5cm和10-20cm两层土壤有较高的微生物群落碳源总利用活性.通过对不同碳源类群利用的主成分分析，结果表明，秸秆两种施用方式下接种蚯蚓改变了0-20cm层土壤微生物群落对不同碳源的利用。Shannon多样性指数结果表明：秸秆两种施用方式下，接种蚯蚓使0-20cm各层土壤微生物碳源利用多样指数升高，但差异显著性仅表现在秸秆表施处理的5-10cm层土壤中。蚓粪相比其周围0-5cm层土壤的微生物群落碳源利用活性和多样性均降低；但与10-20cm层土壤相比，微生物群落碳源利用活性和多样性均升高。
　　 3在稻麦两季收获后，与对照处理相比，玉米秸秆两种施用方式均显著地增加土壤蛋白酶、脲酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶和脱氢酶活性；不论秸秆以何种方式施用，接种蚯蚓进一步增加了稻、麦两季土壤的蛋白酶活性；在稻季的秸秆混施处理下，接种蚯蚓显著地增加土壤碱性磷酸酶的活性；在稻、麦两季的秸秆混施处理下，接种蚯蚓显著地增加土壤蔗糖酶的活性；不论秸秆以何种方式施用，接种蚯蚓没有改变两季土壤的脱氢酶活性。另外，本试验通过收集土壤表面新鲜蚓粪，测得蚓粪的五种酶活性显著地高于其周围土壤，特别是蔗糖酶和脱氢酶的活性。除了土壤脱氢酶活性外，麦季收获后各处理的土壤和蚓粪的酶活性都高于稻季。
　　 4玉米秸秆的施用强烈地影响土壤线虫和原生动物的数量和群落结构；与对照比较，玉米秸秆两种施用方式增加了土壤总线虫和各营养功能群的数量，但显著性仅仅表现在秸秆混施处理上。玉米秸秆混施方式下，接种蚯蚓显著地减少了各土层(0-5cm、5-10cm和10-20cm)土壤的总线虫数量；而玉米秸秆表施方式下，接种蚯蚓降低了表土层（0-5cm和5-10cm）土壤的线虫总数量，但差异不显著。线虫总数的减少以食细菌性线虫数量的减少为主。同时接种蚯蚓也强烈影响到总线虫及食细菌性和植食性线虫两营养功能群数量在土壤深度上的分布。在玉米秸秆两种施用方式下，接种蚯蚓显著地增加了所有土层土壤的总原始动物和鞭毛虫数量，而土壤变形虫数量仅在玉米秸秆表施且接种蚯蚓的处理中增加。另外，在土壤表面的新鲜蚓粪中总线虫数量显著地高于其周围0-5cm层土壤，且以食细菌性和食真菌性线虫的增加为主；而蚓粪中总原始动物的数量显著地低于其周围0-5cm层土壤，且以鞭毛虫和变形虫减少为主。
　　 5利用土壤线虫和线蚓能自由穿过1mm孔径网而不能穿过5μm孔径网的特点，在1mm、5μm孔径的网内接种蚯蚓，研究蚯蚓活动对网内、外土壤线虫、线蚓和原生动物的种群数量变化，以期揭示蚯蚓活动影响土壤微动物种群数量的机制。研究结果表明：在整个试验培养期，玉米秸秆施用使土壤原生动物、线虫和线蚓的数量随着培养时间而增加，且高于对照（未添加玉米秸秆和蚯蚓）处理。在整个培养期，1mm、5μm孔径的内圈土壤的线虫和线蚓总数均显著低于对应孔径外圈土壤；尽管1mm、5μm孔径的内圈土壤微生物量碳在整个培养期均低于1mm、5μm孔径的外圈土壤，但它们在第1、3周时显著地高于单独玉米秸秆处理。1mm的内圈土壤原生动物总数在第7周时显著地高于1mm孔径的外圈土壤；而1mm、5μm孔径的内圈土壤原生动物总数在第3、7培养期显著地高于单独玉米秸秆处理土壤；无论与单独玉米秸秆处理或5μm孔径的外圈土壤比较，1mm孔径的外圈土壤有较低的土壤线虫和线蚓数量.
　　 总之，农田土壤中蚯蚓活动改变土壤微生物数量和酶活性，造成土壤微生物群落碳源利用的差异；同时蚯蚓活动也改变了土壤线虫和原生动物的种群数量和群落结构，这种影响还取决于有机物物料的施用方式。蚯蚓排泄的产物-蚓粪显著地增加了微生物和微动物的种群数量，改变了它们的群落结构组成.

目录

文摘

英文文摘

第一章 文献综述

1 蚯蚓基本特点及其主要功能类群

2 蚯蚓活动对土壤微生物数量和活性的影响

2.1 蚯蚓活动对土壤细菌和放线菌的影响

2.2 蚯蚓活动对土壤真菌的影响

2.3 蚯蚓活动对土壤微生物量的影响

2.4 蚯蚓活动对土壤酶活性的影响

3 蚯蚓活动对土壤养分的影响

3.1 蚯蚓活动对凋落物分解与转化的影响

3.2 蚓粪中养分的富集

4 蚯蚓活动对土壤微型动物的影响

4.1 蚯蚓活动对土壤线虫的影响

4.2 蚯蚓活动对土壤原生动物的影响

5 蚯蚓活动对其它土壤动物的影响

6 蚯蚓活动对植物生长的影响

7 研究目的与技术路线

第二章 试验材料与方法

1 小区试验

1.1 供试材料

1.2 试验设计

1.3 样品采集及处理

1.4 项目测定

2 室内培养试验

2.1 供试材料

2.2 试验设计

2.3 样品采集及处理

2.4 项目测定

3 测定方法

3.1 土壤微生物数量的计数

3.2 土壤酶活性的测定

3.3 土壤微生物生物量碳的测定

3.4 土壤线虫和线蚓的分离计数

3.5 土壤原生动物的培养计数(MPN)

3.6 土壤微生物群落结构的测定(BIOLOG)

4 数据统计方法

第三章 蚯蚓活动对农田土壤微生物数量和微生物量碳的影响

1 引言

2 材料与方法

2.1 试验设计与方法

2.2 统计方法

3 结果分析

3.1 蚯蚓生物量

3.2 蚯蚓活动对细菌、真菌和放线菌数量的影响

3.3 蚯蚓活动对土壤细菌生理菌群的影响

3.4 蚯蚓活动对土壤微生物量碳的影响

4 讨论

4.1 土壤细菌、真菌和放线菌

4.2 土壤细菌生理菌群

4.3 土壤微生物量碳

5 结论

第四章 蚯蚓活动对农田土壤微生物群落碳源利用的影响

1 引言

2 材料与方法

2.1 试验设计与方法

2.2 统计方法

3 结果与分析

3.1 蚯蚓活动对不同土层的土壤微生物群落总体活性的影响(AWCD)

3.2 蚯蚓活动对不同土层的土壤微生物群落六种碳源利用的影响

3.3 蚓粪中微生物群落的碳源利用

3.4 蚯蚓活动对土壤微生物群落碳源利用多样性的影响

4 讨论

5 结论

第五章 蚯蚓活动对农田土壤酶活性的影响

1 引言

2 材料与方法

2.1 试验材料和方法

2.2 统计方法

3 结果分析

3.1 秸秆对土壤酶活性的影响

3.2 蚯蚓活动对土壤酶活性的影响

4 讨论

4.1 秸秆对土壤酶活性的影响

4.2 蚯蚓活动对土壤酶活性的影响

4.3 蚓粪中酶活性的变化

5 结论

第六章 蚯蚓活动对农田土壤线虫和原生动物的种群数量和群落结构的影响

1 引言

2 材料与方法

2.1 试验设计和方法

2.2 统计方法

3 结果与分析

3.1 蚯蚓活动对土壤总线虫数量及其营养功能群的影响

3.2 蚯蚓活动对土壤总原生动物数量及其群落结构的影响

4 讨论

4.1 土壤线虫种群数量及其营养功能群结构

4.2 土壤原生动物种群数量及其群落结构

4.3 蚓粪中线虫和原生动物的种群数量及其群落结构

5 结论

第七章 蚯蚓活动对土壤微型动物种群数量的影响机制——室内培养试验

1 引言

2 材料与方法

2.1 试验设计与方法

2.2 统计方法

3 结果与分析

4 讨论

4.1 蚯蚓活动对土壤线虫种群数量的影响及机制

4.2 蚯蚓活动对土壤原生动物种群数量的影响及机制

4.3 蚯蚓活动对土壤线蚓种群数量的影响及机制

5 结论

全文结论及研究展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文