張孟豪，吳家龍，張 池，崔瑩瑩，戴 軍

(1 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院/農(nóng)業(yè)部耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/國土資源部建設(shè)用地再開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣東省土地利用與整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510642；2 廣東省土地開發(fā)整治中心，廣東 廣州 510635)

土壤酸化已成為全球性的生態(tài)和環(huán)境問題，直接影響人類的生存基礎(chǔ)和環(huán)境[1]。我國南方地區(qū)土壤多呈酸性，由于酸沉降等人為因素，更加速了土壤酸化的過程[2-3]。土壤酸化會(huì)導(dǎo)致土壤鋁毒的發(fā)生，且兩者關(guān)系密切，pH低于5時(shí)，土壤鋁毒尤為嚴(yán)重[4]。土壤鋁毒對土壤生物及植物有明顯的毒害作用。Zhang等[5]研究表明，土壤鋁對赤子愛勝蚓Eisenia fetida產(chǎn)生毒害的臨界值是 100 mg·kg?1。土壤鋁毒性的發(fā)揮不僅在于總量，更在于形態(tài)[6-7]，且土壤鋁形態(tài)與pH密切相關(guān)[8]。土壤交換性鋁是鋁毒發(fā)生的主要形態(tài)[9]，其中Al3+的毒性最強(qiáng)[10]。pH≤5 時(shí)，土壤交換性鋁主要以 Al3+、AlOH2+、Al(OH)2+、Al(OH)3和Al(OH)4的形態(tài)存在[10]。鋁形態(tài)的劃分還不規(guī)范，沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，不同研究者基于不同的研究目的，通常將鋁形態(tài)分為以下幾種：交換態(tài)(AlEx)、弱有機(jī)結(jié)合態(tài) (AlOrw)、有機(jī)結(jié)合態(tài) (AlOr)、非晶態(tài)(AlAmo)、氧化鐵結(jié)合態(tài)(AlOxi)、非晶態(tài)鋁硅酸鹽和三水鋁石態(tài)(AlAag)[11]。

有研究結(jié)果表明，有機(jī)質(zhì)對土壤鋁形態(tài)產(chǎn)生極大影響[12]。土壤的鋁形態(tài)會(huì)隨著季節(jié)的改變產(chǎn)生有規(guī)律的變化[13]。但是目前有關(guān)土壤動(dòng)物的活動(dòng)對土壤鋁形態(tài)的影響報(bào)道較少。蚯蚓是土壤中生物量最大的無脊椎動(dòng)物[14]，被稱為生態(tài)系統(tǒng)工程師[15]，蚯蚓通過取食土壤，能夠直接或者間接地對土壤的物理、化學(xué)以及生物學(xué)特性進(jìn)行改善，進(jìn)而對整個(gè)土壤生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響。前人研究表明，蚯蚓對Cd、Cu、Pb和Zn等金屬元素在土壤中的遷移和轉(zhuǎn)化有著十分重要的影響[16-17]。蚯蚓可以通過改變土壤pH以及有機(jī)質(zhì)的分解和再分配，進(jìn)而影響土壤重金屬的形態(tài)和活性[18-20]。然而，蚯蚓活動(dòng)對土壤中Al的形態(tài)和毒性的影響很少有人研究。赤子愛勝蚓Eisenia fetida是經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(Organisation for Economic Cooperation and Development, OECD)認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)蚓[21-22]。華南地區(qū)大面積分布的赤紅壤具有酸性強(qiáng)、有機(jī)質(zhì)貧乏、陽離子交換量較低以及鋁毒嚴(yán)重等特性。本試驗(yàn)通過探究赤子愛勝蚓對土壤pH、鋁形態(tài)和交換性鹽基離子釋放的影響，揭示蚯蚓活動(dòng)對改變土壤鋁形態(tài)、減輕土壤鋁毒方面的意義，以期為土壤鋁毒的治理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 供試土壤 供試土壤為華南地區(qū)有代表性的赤紅壤，采自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)樹木園，為未受污染的自然土壤 (23° 9′ 33″ N，113° 21′ 22″ E)，取樣深度為0～20 cm。供試土壤的基本理化性質(zhì)如下：pH 4.25±0.02，有機(jī)碳 (SOC)(27.0±0.69) g·kg?1，全氮(TN)(1.85±0.05) g·kg?1，碳氮質(zhì)量比 (C/N)14.6±0.20，黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)(22.0±0.50)%，陽離子交換量(CEC)(12.3±1.80) cmol·kg?1，交換性酸 (5.52±1.03)cmol·kg?1，交換性氫 (0.77±0.12) cmol·kg?1，交換性鋁 (4.75±0.82) cmol·kg?1，總鋁 (68.20±5.52) g·kg?1。將采集的土壤自然風(fēng)干，過2 mm篩，備用。將500 g未添加有機(jī)物料的上述土壤裝入1.5 L的圓柱形塑料盆缽中，盆缽的底部直徑、盆口直徑和盆體高度分別為 9、12 和 13 cm。

1.1.2 供試蚯蚓 供試蚯蚓為赤子愛勝蚓，購自廣州市某養(yǎng)殖場，將購得的蚯蚓在水分、溫度適宜的環(huán)境中培養(yǎng)1周，同時(shí)添加有機(jī)物料供其生長繁殖。1個(gè)月后挑選單條質(zhì)量約0.5 g的大小一致、具有成熟環(huán)的健壯蚯蚓進(jìn)行土壤接種。

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)共設(shè)置2個(gè)處理(ESC和ESN)：500 g土壤中添加 (12.0±0.1) g 赤子愛勝蚓，培養(yǎng) 40 d 后，人工收集蚓糞即為ESC處理，人工收集的未吞食土壤即為ESN處理。以500 g不添加蚯蚓的土壤為對照(CK)。

每個(gè)處理設(shè)置5次重復(fù)。試驗(yàn)期間溫度保持在25 ℃，土壤水分保持田間持水量的40%～60%，并且每2天通過稱質(zhì)量法保持土壤的含水量。為避免添加有機(jī)物料對土壤酸性和鋁的影響[23]，本試驗(yàn)無任何有機(jī)物料的添加。前人往往通過添加相對較多的蚯蚓以在短時(shí)間內(nèi)獲得大量的團(tuán)聚體。因此，在參照前人蚯蚓添加量的基礎(chǔ)上，本試驗(yàn)選擇接種(12.0±0.1) g 蚯蚓 (約 23 條)到土壤中[17,24]。培養(yǎng)結(jié)束時(shí)(40 d后)，蚯蚓成活率達(dá)到75%以上，對接種蚯蚓處理的蚓糞(ESC)和未吞食土壤(ESN)進(jìn)行手工分離，自然風(fēng)干后，過2 mm篩，備用。

1.3 測定方法

土壤pH采用無CO2水以土液質(zhì)量比1.0∶2.5提取，pH計(jì)(雷磁PHS-3C)測定；土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)含量通過重鉻酸鉀氧化-外加熱法進(jìn)行測定；土壤全氮(TN)含量通過凱氏定氮法測定；CEC通過乙酸銨 (1 mol·L?1的 CH3COONH4，pH 7.0)交換-原子吸收分光光度法測定；土壤交換性K+、Na+、Ca2+、Mg2+含量采用 1 mol·L?1的 CH3COONH4(pH 7.0)浸提，原子吸收分光光度法測定[25]。

土壤鋁形態(tài)的連續(xù)浸提采用改進(jìn)的連續(xù)分級方法，區(qū)分土壤樣本之間鋁形態(tài)分布差異。準(zhǔn)確稱取 1 g 過 0.25 mm 篩土壤樣品，裝入 100 mL硬質(zhì)塑料離心管中進(jìn)行分步提取操作：1)交換態(tài)鋁(AlEx)：加入 0.1 mol·L?1的 BaCl2溶液 (土液質(zhì)量比1∶10)，室溫下振蕩 30 min，離心 5 min(3 500 r/min，下同)，過濾上層清液至白塑料瓶中作為原液待用，提取2次，用去離子水洗滌殘余物，離心棄去上層清液；2)弱有機(jī)結(jié)合態(tài)鋁(AlOrw)：向上一步殘?jiān)尤?0.5 mol·L?1的 CuCl2溶液 (土液質(zhì)量比 1∶10)，室溫下振蕩2 h，離心，過濾上層清液至白塑料瓶中作為原液待用，提取2次，用去離子水洗滌殘余物，離心棄去上層清液；3)有機(jī)結(jié)合態(tài)鋁(AlOr)：向上一步殘?jiān)尤?0.1 mol·L?1的 Na4P2O7(pH 10)溶液 (土液質(zhì)量比 1∶40)，室溫下振蕩 2 h，離心，過濾上層清液至白塑料瓶中作為原液待用，提取2次，用1 mol·L?1的 Na2SO4溶液洗滌殘余物，離心棄去上層清液；4)無定形態(tài)鋁(AlAmo)：向上一步殘?jiān)尤?.2 mol·L?1的草酸銨 (pH 3.0)溶液 (土液質(zhì)量比 1∶40)，黑暗條件下振蕩4 h，離心，過濾，用去離子水洗滌殘余物，離心棄去上層清液；5)氧化鐵結(jié)合態(tài)鋁 (AlOxi)：向上一步殘?jiān)尤?0.3 mol·L?1的Na3C6H5O7溶液 20 mL、1 mol·L?1的 NaHCO3溶液2.5 mL 和固體 Na2S2O4溶液 0.5 g，80 ℃ 水浴條件下攪拌 15 min，離心分離，過濾，用 1 mol·L?1的NaCl溶液洗滌殘余物，離心棄去上層清液；6)非晶態(tài)鋁硅酸鹽和三水鋁石(AlAag)：將上一步殘?jiān)D(zhuǎn)移至鎳坩堝中，加入0.1 mol·L?1的 NaOH 溶液，煮沸2.5 min，冷卻后過濾[6,11,26]；7)礦物態(tài)鋁 (AlMin)：將土壤的全鋁含量減去前6種鋁形態(tài)含量之和作為AlMin含量。土壤全鋁及各形態(tài)鋁含量采用HF?HNO3?HClO4?H2O2消解[27]，最后用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測定 (ICP?OES，Varian 710?ES，工作參數(shù)：波長 237.312 nm，霧化氣壓量 230 kPa，儀器的檢測限度范圍為：0～10 mol·L?1)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用 Microsoft Excel 2003 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，使用SPSS 23.0對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，不同處理間的差異采用單因素方差分析(One-way ANOVA)和Duncan’s 多重比較進(jìn)行分析，通過在R中導(dǎo)入ADE-4 軟件包對不同土壤樣本的酸化和鋁形態(tài)分布特征進(jìn)行主成分分析(Principal component analysis, PCA)[28]。

2 結(jié)果與分析

2.1 蚯蚓添加對土壤pH和碳、氮含量的影響

圖1 不同處理土壤的理化性質(zhì)Fig. 1 Soil physicochemical properties in different treatments

從圖1 中可以看出，與CK相比，ESC和ESN處理的pH均有顯著提升(P＜0.05)，分別提高了1.27和0.55，且ESC處理顯著高于ESN處理(P＜0.05)；ESC處理的土壤有機(jī)碳含量顯著高于ESN處理和CK(P＜0.05)；相比CK，ESC處理的全氮含量提高了62.16%，ESC和ESN處理的全氮含量顯著高于CK(P＜0.05)，且ESC處理顯著高于ESN處理(P＜0.05)；ESC和ESN處理的碳氮質(zhì)量比顯著低于CK(P＜0.05)，且ESC處理顯著低于ESN處理(P＜0.05)。

2.2 蚯蚓添加對土壤鋁形態(tài)分布的影響

從表1 可以看出，與CK相比，ESC和ESN處理的AlEx含量分別下降了50.95%和53.14%，且差異顯著(P＜0.05)；ESC處理的AlOr含量提升了355.70%，差異顯著(P＜0.05)；ESC處理的AlAmo和AlOxi含量顯著高于CK和ESN處理(P＜0.05)；ESC、ESN處理和CK的AlOrw、AlAag和AlMin含量無顯著差異。

表1 不同處理的土壤鋁形態(tài)1)Table 1 Soil aluminum fractions in different treatments

2.3 蚯蚓添加對土壤交換性鹽基離子的影響

從圖2可以看出，與對照CK相比，ESC和ESN處理的陽離子交換量、交換性K+、Na+和Ca2+含量均有顯著提升(P＜0.05)，其中，ESC處理分別提升了38.22%、151.38%、65.38%和51.90%。且ESC處理顯著高于ESN處理(P＜0.05)；ESC處理的交換性Mg2+含量顯著高于ESN處理和CK (P＜0.05)。

圖2 不同處理土壤的交換性鹽基離子含量Fig. 2 Soil exchangeable base cation contents in different treatments

2.4 蚯蚓影響下各處理土壤鋁形態(tài)和土壤化學(xué)性質(zhì)的關(guān)系

各處理土壤鋁形態(tài)、理化指標(biāo)和交換性鹽基離子含量的主成分分析如圖3所示，第1主成分(PC1)和第2主成分(PC2)累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到78.7%，可以反映不同土壤參數(shù)的大部分信息。其中PC1方差貢獻(xiàn)率為 65.1%，其主要與 NaEx、KEx、MgEx、CaEx、pH、CEC、AlOr、SOC、TN、AlOxi、C/N 質(zhì)量比和AlEx的變化有關(guān)，PC2方差貢獻(xiàn)率為13.6%，其主要與AlAag和AlMin的變化有關(guān)(圖3a)。圖3b顯示，對照CK、處理ESN和處理ESC之間達(dá)到了顯著差異(P＜0.05)，對照CK明顯偏向C/N質(zhì)量比和AlEx較高的方向，處理ESN明顯偏向AlAag較高而AlMin較低的方向，處理 ESC明顯偏向 NaEx、KEx、MgEx、CaEx、pH、CEC、AlOr、SOC、TN 和 AlOxi較高而C/N質(zhì)量比和AlEx較低的方向。對照CK和處理ESN的理化性質(zhì)差異主要體現(xiàn)在PC2上，而對照CK和處理ESC的差異主要體現(xiàn)在PC1上。圖3a顯示，代表各土壤變量的箭頭間余弦角度顯示了各變量的相互關(guān)系，角度越小，相關(guān)性越高。相關(guān)分析結(jié)果顯示，pH、TN、CEC 和 SOC 與 KEx、MgEx、CaEx和AlOr有顯著的正相關(guān)關(guān)系(P＜0.05)，與C/N質(zhì)量比、AlEx有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。AlAag與AlMin有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系 (P＜0.05)。

圖3 各處理土壤鋁形態(tài)、理化指標(biāo)和交換性鹽基離子的主成分分析Fig. 3 Principal component analyses of aluminum fractions, physicochemical indexes and exchangeable base cation contents in soils of different treatment

3 討論與結(jié)論

蚯蚓提升土壤pH的研究已有大量報(bào)道[27,29-33]。本研究中，赤紅壤接種過赤子愛勝蚓后pH顯著提升0.55～1.27，其中蚓糞的pH提升幅度顯著高于未吞食土壤。蚯蚓提升土壤pH的原因是多方面的，主要有蚯蚓鈣腺的分泌作用、體表黏液與接觸土壤的反應(yīng)和交換性鹽基離子的釋放等[34-35]。本試驗(yàn)中采用的赤子愛勝蚓已被證明存在鈣腺，可能對土壤pH的提升存在較大貢獻(xiàn)[36]，同時(shí)，未吞食土壤pH的顯著提升表明，蚯蚓體表黏液對土壤pH的提升有顯著作用。

土壤交換態(tài)鋁(AlEx)是影響熱帶和亞熱帶地區(qū)土壤潛在產(chǎn)酸能力的重要因素[37]。土壤AlEx也是最具有直接生物有效性的鋁形態(tài)，且過多的土壤AlEx對土壤生物有毒害作用[38]。本研究主成分分析結(jié)果表明：土壤pH與AlEx呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明土壤酸化會(huì)伴隨著土壤AlEx含量的升高[4]。0.5 mol·L-1Na4P2O7溶液 (pH 8.5)提取的有機(jī)結(jié)合態(tài)鋁(AlOr)是一種非晶態(tài)鋁，其形成一方面阻礙了鋁的老化結(jié)晶和污染物的循環(huán)、周轉(zhuǎn)，又使鋁離子和羥基單體鋁等對生物有毒性的形態(tài)轉(zhuǎn)化為無毒或少毒的形態(tài)，從而降低其生物毒性[39]；另一方面，土壤AlOr的增加能提高鋁在土壤中的移動(dòng)性，在某種程度上可降低鋁的毒性[23]。赤子愛勝蚓對土壤鋁形態(tài)影響的主成分分析顯示，蚯蚓活動(dòng)提升了AlOr含量，降低了土壤AlEx的含量，在一定程度上緩解了土壤鋁毒。這一現(xiàn)象可能歸因于接種蚯蚓后土壤pH的提升、交換性鹽基離子的釋放以及有機(jī)質(zhì)含量的提高。前人研究發(fā)現(xiàn)，土壤中的有機(jī)質(zhì)含量與AlOr含量呈顯著正相關(guān)[23,40-41]。草酸銨浸提的無定性態(tài)鋁(AlAmo)被認(rèn)為是活性氧化鋁，氧化鐵結(jié)合態(tài)鋁(AlOxi)主要是指與氧化鐵結(jié)合的游離鋁[23]。本研究中，接種蚯蚓后土壤的AlOr、AlAmo和AlOxi的變化趨勢相同，皆與土壤中的SOC含量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。蚯蚓腸道的消化作用顯著提高了AlOr、AlAmo和AlOxi的含量，可能是因?yàn)轵炯S中的有機(jī)質(zhì)含量較高，而土壤鋁和有機(jī)質(zhì)有很強(qiáng)的親和力有關(guān)[42]。因此，與Cd、Cu、Zn和As等金屬類似，蚯蚓也可以通過影響土壤有機(jī)質(zhì)的降解和再分配來調(diào)節(jié)土壤中的AlOr、AlAmo和AlOxi的含量[18]。非晶態(tài)鋁硅酸鹽和三水鋁石(AlAag)和礦物態(tài)鋁(AlMin)是相對穩(wěn)定的形態(tài)，是否接種蚯蚓對其含量和活性無顯著影響。同時(shí)，從主成分分析結(jié)果可以看出，與未吞食土壤相比，蚓糞中含有較低的AlEx以及較高的AlOrw、AlOr、和AlAmo含量，這從側(cè)面說明了鋁形態(tài)的變化受蚯蚓消化作用的影響更大。而蚯蚓鈣腺、腸道和黏液分泌等組成及生理特征對鋁形態(tài)及其分布的影響有待進(jìn)一步研究。

目前已有大量研究結(jié)果顯示，土壤的pH與交換性Ca2+和Mg2+含量分別有極顯著的正相關(guān)關(guān)系[43]。本研究中，接種過蚯蚓后的土壤交換性Ca2+和Mg2+含量分別提升了15.68%～51.90%和10.10%～40.27%，土壤交換性Ca2+和Mg2+含量的提升推動(dòng)了土壤pH的上升。因此，本研究中土壤pH的升高一方面可能是因?yàn)轵球锯}腺分泌的碳酸鈣對土壤pH的提升[44-45]，另一方面可能是由于交換性鹽基離子的釋放[39]。本研究中還發(fā)現(xiàn)，赤子愛勝蚓蚓糞的pH和交換性Ca2+、Mg2+含量都顯著高于未吞食土壤，這從側(cè)面證明了相比于蚯蚓黏液的接觸，其腸道的消化作用在改善土壤酸化方面的效果可能更加顯著。

本研究得出以下結(jié)論：1)接種赤子愛勝蚓顯著提高土壤pH，其原因可能是蚯蚓腸道的消化作用、黏液的分泌和交換性鹽基離子的釋放；2)蚯蚓腸道的消化作用顯著提高了土壤交換性Ca2+和Mg2+的釋放；3)接種赤子愛勝蚓能改變土壤鋁的形態(tài)，降低鋁的毒性，蚯蚓腸道的消化作用效果優(yōu)于黏液與土壤的接觸反應(yīng)。