氮沉降增加对原始阔叶红松林蚯蚓种类和数量的影响

吴娜娜，钱虹，郑璐，李亚峰

1. 沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168；2. 中国科学院沈阳应用生态研究所，辽宁 沈阳 110164

氮沉降增加对原始阔叶红松林蚯蚓种类和数量的影响

吴娜娜1,2*，钱虹1，郑璐1，李亚峰1

1. 沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168；2. 中国科学院沈阳应用生态研究所，辽宁 沈阳 110164

氮沉降是影响陆地生源要素生物地球化学循环的主要环境因子之一。以往对凋落物和土壤有机碳降解过程中分解者的作用研究主要集中在微生物方面，而对土壤动物蚯蚓的研究较少。对中国长白山阔叶红松林林地施氮处理6年，施氮量为背景条件下增加N 50 kg·hm-2·a-1，运用手捡法和方形土壤采样器对森林覆盖层和土壤矿质层中蚯蚓种类和数量进行了调查，并采用元素分析仪测定了凋落物和土壤层中的有机碳氮含量。结果显示，在对照和施氮样地，蚯蚓的种类和密度分布模式相似，共观察到4种类型的蚯蚓，分别是表栖类的赤子爱胜蚓（Eiseniafoetida）和环毛蚓（Pheretima sp.）、内栖类和深土栖类的长白山杜拉蚓（Drawidachangbaiensis）及蚯蚓的幼虫线蚓（Enchytraeidae spp.）。其中，Eiseniafoetida种类的密度最大，可以达到25 individuals·m-2，其次为Drawidachangbaiensis种类，其密度可达到6 individuals·m-2，Pheretima sp.的密度最小，甚至在本次调查的施氮样地并未发现该类蚯蚓。3种功能群在两个处理中总的密度分别为对照样地23 individuals·m-2、施氮样地为31 individuals·m-2，长白山阔叶红松林对照和施氮土壤中蚯蚓的种类和密度没有明显差异（P=0.238）。在调查的4个层位中，总碳并未受到氮添加的影响，同时，总氮也并未呈现出显著的变化，这与蚯蚓的研究结果一致。该研究可为氮沉降对森林生态系统的影响的进一步研究提供参考。

土壤动物；蚯蚓；有机碳；氮沉降；长白山阔叶红松林

WU Nana, QIAN Hong, ZHENG Lu, LI Yafeng. Effects of Elevated Nitrogen Deposition on Earthworm Species and Density in Mixed Broad-leaf Korean Pine Forest in Changbai Mountain [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(11): 1814-1817.

自 19世纪以来，由于矿物燃料燃烧、含氮化肥的生产和使用、人口增长以及畜牧业发展等原因，人类向大气中排放的含氮化合物越来越多，大气氮沉降不断增加（Vitousek et al.，1997）。据估计，全球人类活动生成的活性氮在 1990年约 140 Tg·a-1，而在1890年只有15 Tg·a-1。人类活动产生的活性氮进入大气层后通过大气转化与大气环流60%～80%的氮素又沉降到广阔的陆地与海洋生态系统（Moffat，1998）。在1950—1980年期间，欧洲大部分国家的大气氮沉降量增加了1倍，已经远远超过了自然界天然固氮的量。据估计，至 2050年，温带氮沉降量将高达50 kg·hm-2·a-1（Galloway et al.，2004；Liu et al.，2013）。目前而言，东亚（主要是指中国）、西欧和北美已成为全球氮沉降的三大热点地区（Holland et al.，1999）。

氮沉降已引起陆地生态系统生物地球化学循环的诸多变化，目前氮沉降的增加已造成河口、海口和江湖等水域富营养化一系列严重的生态问题；另外，土壤酸化进程加快，影响树木生长以及生态系统的功能和生物多样性，甚至对生态系统的结构和功能造成威胁。氮沉降增加通过改变初级生产力、植物和微生物群落组成以及酶活性影响陆地碳循环，从而具有改变陆地生态系统碳存储量的潜力（Knorr et al.，2005）3252-3255。因此，氮沉降增加引起了科学家和公众的普遍关注。

蚯蚓在环境生态中的作用主要包括，（1）促进微生物与其它土壤动物的活动，对微生物的数量、分布和活性具有重要的调节作用；（2）对有机残落物的机械破碎及消化分解作用，为微生物进一步分解打下良好的基础（Mackay et al.，1985）；（3）提高土壤肥力；（4）蚯蚓还具有环境指示的作用，是良好的土壤环境指示生物。

以往对分解过程中分解者的作用研究主要集中在微生物对凋落物和土壤的降解作用（Clevelandet al.，2014；Kim et al.，2014），而对大型动物蚯蚓的研究较少。探究氮添加条件下蚯蚓种类和数量的变化，揭示氮沉降增加对长白山阔叶红松林土壤动物蚯蚓的影响，为进一步研究氮沉降对森林生态系统的影响提供依据。

1 研究区域和方法

1.1研究区域

研究样地位于中科院长白山森林生态系统定位研究站设立的原始阔叶红松林，是温带地带性顶级植被的代表。阔叶红松林在长白山多分布于海拔500～1100 m间（平均海拔738 m）。该带气候冬长、夏凉、潮湿，1月份平均气温为-17 ℃，7月份平均气温为 17.5 ℃，年平均气温为 3.8 ℃，年平均降雨量为700 mm，多集中在夏季。秋天风凉多雾，冬日漫长、明朗而严寒，属季风影响的温带大陆性山地气候。土壤类型是以火山灰为母质的暗棕壤。阔叶红松林是亚洲北温带典型植被，分布最广、植物种类最为丰富，林分结构为复层混交异龄林。阔叶树种在数量上超过针叶树（Dai et al.，2013）。

1.2氮添加实验设计

氮添加的实验依托 2006年在长白山建立的技术平台，施氮形态为无机氮硝酸铵（NH4NO3），分两个处理组，对照和施氮50 kg·hm-2·a-1，每个处理4个重复，样方面积均为25 m×25 m。施氮与对照样方四周用 PVC板镶嵌至土壤矿质层，样方间的距离大于30 m，不同施氮量的样方处在相同坡位，以避免地表径流或土壤中流造成样方间的氮连通。根据施氮水平，自2006年开始，在生长季5月至10月，每月月初将每个样方所施的硝酸铵溶解于自来水中，以背式喷雾器人工均匀喷洒在林地上，对照处理则喷洒同样多的自来水以避免林地水分人为的差异。

1.3蚯蚓的种类和数量

于2012年6月，在对照和氮添加样地，结合手捡法和方形土壤采样器采集蚯蚓，以确定其种类和数量。每块试验地设置4个重复样地，样地面积为25 m×25 m，采样深度为30 cm；采集的蚯蚓用75%的酒精进行保存，带回实验室鉴种。

1.4碳氮含量分析

在对照和施氮处理样地，分别采集土壤剖面（共分为4层）新鲜凋落物（L）、半分解枯枝落叶层（LD）、O层有机质层（O）、0～15 cm矿质土壤层（MS）。

每块样地分别采集4个重复样品，并将其混合为一个代表样。矿质土壤0～15 cm利用内径为5 cm的土钻采集。所有的样品在两天内运回实验室，新鲜凋落物（L）、半分解枯枝落叶层（LD）在50 ℃的通风烘箱内烘干，之后用研磨仪磨制成粉末状。O层有机质层和0～15 cm矿质土壤层（MS）首先过2 mm土筛，去除植物根部、岩石和其他粗糙的碎屑物，之后于 50 ℃的通风烘箱内烘干，再用研磨仪磨制成粉末状。

联用Sercon GSL元素分析仪（EA）与Sercon Hydra 20/22同位素比值质谱仪（IRMS），运用连续流动模式对植物和土壤样品进行碳氮元素及其稳定同位素含量测定，每个样品两个重复。

1.5统计分析

样地重复为4个，采用one way ANOVA统计方法对氮添加的作用进行评估，统计分析在SPSS16.0进行。当P≤0.050，认为存在显著性差异；当P值介于0.050和0.100，认为存在显著性趋势；当P>0.100，认为没有显著性差异。

2 结果与讨论

2.1氮添加对蚯蚓种类和数量的影响

蚯蚓是土壤中大型的无脊椎动物，食碎屑者，分解枯枝落叶和有机质（Alban et al.，1994）。依据它们的栖息地和摄食行为，蚯蚓可以被分为3种主要的功能群：表栖类（epigeics）、内栖类（endogeics）和深土栖类（anecics）。表栖类主要居住于土壤表面，取食土表凋落物和有机物，少量或不取食土壤；内栖类在土壤中水平挖洞，主要取食矿质土壤以及有机碎片，能够起到混合矿质层和有机质层的作用；深土栖类在土壤矿质层中垂直挖洞，于土表分解凋落物，以及将矿质土运输至表面的作用，对于土壤气体交换和水系统具有重要的作用（Bouche，1977）。由此可见，蚯蚓在土壤物质循环中占有重要的作用。

表1 长白山样地蚯蚓种类和数量分布Table 1 The distribution of earthworm species composition and density (individuals·m-2) in Changbai Mountain

目前为止，对长白山地区蚯蚓的研究较少，可以说至今还没有系统的研究（吴纪华等，1996；张荣祖等，1981）。本次调查研究共观察到 4种类型的蚯蚓（表1），分别为：赤子爱胜蚓（Eiseniafoetida）、长白山杜拉蚓（Drawidachangbaiensis）、环毛蚓（Pheretima sp.）和线蚓（Enchytraeidae spp.）。其中，Eiseniafoetida属 于 表 栖 类 （ epigeics）；Drawidachangbaiensis属于内栖类（endogeics）和深土栖类（anecics）；Pheretima sp.属于表栖类（epigeics）；Enchytraeidae spp.属于蚯蚓的幼虫，因此暂时无法对其进行生物功能群归类。

调查显示，在对照和施氮样地，蚯蚓种类的密度分布模式相似，Eiseniafoetida的密度最大，可以达到25 individuals·m-2，其次为Drawidachangbaiensis，其密度可达到 6 individuals·m-2，Pheretima sp.的密度最小，甚至在施氮样地本次调查并未观察到该种类的蚯蚓。3种功能群在两个处理中总的密度分别为对照样地 23 individuals·m-2、施氮样地为31 individuals·m-2。统计结果显示，蚯蚓的密度并未受到施氮的影响（P=0.238），即对照和施氮两者的蚯蚓密度没有显著性差异。

以往研究表明，蚯蚓生态分布明显受到水分因子的制约，适合蚯蚓生存的土壤含水量范围大致为40%～65%（黄初龙等，2005）。同时，蚯蚓的生态分布还受到季节变化的影响（Crow et al.，2009）72-82。本研究只对蚯蚓的种类和密度进行了1次调查，对于本地区氮添加对蚯蚓的影响还需进一步的研究。

2.2氮添加对碳氮含量的影响

在对照和施氮样地，碳质量分数随着土壤深度的增加而降低：新鲜凋落物（L）>半分解枯枝落叶层（LD）>O层有机质层（O）>0～15 cm矿质土壤层（MS），各层次差异性均不显著。同样，施氮处理下氮质量分数与C/N比值在不同层次间均无显著性差异（图1）。

图1 对照和施氮样地新鲜凋落物（L）、半分解枯枝落叶层（LD）、O层有机质层（O），0～15 cm矿质土壤层（MS）中碳和氮比值分布图Fig. 1Carbon (C) and Nitrogen (N) ratio in litter (L), decomposed litter (LD), O horizon (O) and mineral soil (MS) under control and N addition

大量的生态系统和野外处理实验研究表明，蚯蚓可以通过物理破坏作用而显著影响凋落物分解速率，并将凋落物迁移至地下的稳定结构中，此作用高于微生物在凋落物分解过程中的作用（Heneghan et al.，2007）549-551。相对而言，在有蚯蚓存在的状况下，森林土壤中的碳存储量明显下降（Brown et al.，2004；Crow et al.，200965-77）。并且在有蚯蚓存在的 O层，碳氮比值（w(C)/w(N)）明显升高，达 34，碳稳定同位素值（δ13C）下降至-28.6‰，由此推测，该层有机物主要是木质类；然而，在矿质土壤中，蚯蚓的影响远远小于O层，未出现显著变化（Bohlen et al.，2004）22-25。

施氮6年之后，在凋落物覆盖层和矿质土壤层（0～15 cm）均未观察到氮添加对碳和氮含量的影响。另外，以往的研究显示出氮添加使碳含量增加的现象，为大气氮是陆地生态系统碳累积的控制因子之一的假说提供了支持（Thomas et al.，2013；Zak et al.，2008；Zhang et al.，2013）。

3 结论

森林生态系统对氮添加的响应是一个复杂的过程。研究结果显示，在施氮条件下，长白山阔叶红松林土壤中蚯蚓的种类和密度并未受到影响。本研究只在生长季对蚯蚓的种类和密度进行了1次调查，但蚯蚓的活动受到季节温度、土壤水分等环境因子的共同影响，为了探究氮添加对蚯蚓的影响还需进一步的研究。在整个森林覆盖层和矿质土壤层，短期的氮沉降模拟并未引起总碳和氮的显著性变化。

致谢：感谢中国科学院沈阳应用生态研究所白娥研究员和韩士杰研究员，给予了建设性指导意见和提供了本文的长期施氮技术平台。感谢复旦大学吴纪华教授在测定蚯蚓种类和数量上的鼎力帮助！

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Effects of Elevated Nitrogen Deposition on Earthworm Species and Density in Mixed Broad-leaf Korean Pine Forest in Changbai Mountain

WU Nana1,2*, QIAN Hong1, ZHENG Lu1, LI Yafeng1
1. School of Municipal and Environmental Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China 2. Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110164, China

Nitrogen deposition is one of the major environmental factors affecting the biogeochemical cycles of terrestrial biogenic elements. The increase of nitrogen deposition may increase the carbon storage in the litter and soil. In this study, earthworm species and density were investigated by hand picking method and square soil sampler in a mixed broad-leaf Korean pine forest in Changbai Mountain, China after 6 years of N addition (ambient+N50 kg·hm-2·a-1) treatment. Meanwhile, litter and soil layer of organic carbon and nitrogen content were determined by an element analyzer. The results of the study showed that in control and nitrogen addition plots, earthworm species and density distribution pattern was similar. The 4 species of earthworms were observed. Eiseniafoetida and Pheretima sp. were epigeics. Drawidachangbaiensis was endogeics and anecics. Enchytraeidae spp. was earthwomenchytraeidae larvae. Among them, the density of Eiseniafoetida was the largest, and it could reach 25 individuals·m-2. The density of Drawidachangbaiensis was 6 individuals·m-2, and the density of Pheretima sp. was smallest. The total density of three functional groups was 23 individuals·m-2in the control plots and 31 individuals·m-2in the nitrogen plots, respectively. Thus, there were no significant differences (P=0.238) in the species and density of earthworms in control and nitrogen addition plots in Changbai Mountain. In the four layers of litter and soil, the total carbon was not affected by nitrogen addition, and total nitrogen was not significantly changed. The results improve our ability to estimate carbon sequestration potential of forest soil and build a global carbon cycle model under future climate change especially elevated N deposition.

soil animals; earthworms;organic carbon; nitrogen deposition; mixed broad-leaf Korean pine forest in Changbai Mountain

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.11.009

Q948；X171.5

A

1674-5906（2015）11-1814-04

国家“973”项目子课题（2011CB403200）；辽宁省博士科研启动基金项目（201501070）；辽宁省教育厅科学研究一般项目（L2015451）；沈阳建筑大学学科涵育项目（XKHY-44）

吴娜娜（1985年生），女，讲师，博士，主要从事土壤生物地球化学研究。E-mail: nanawu0816@xmu.edu.cn *通信作者。E-mail: nanawu0816@xmu.edu.cn

2015-08-31

引用格式：吴娜娜, 钱虹, 郑璐, 李亚峰. 氮沉降增加对原始阔叶红松林蚯蚓种类和数量的影响[J]. 生态环境学报, 2015, 24(11): 1814-1817.