不同耕作系统中蚯蚓(Lumbricus terrestris)增强对土壤肥力及玉米小麦产量的贡献研究

《Soil and Tillage Research》：Contribution of Lumbricus terrestris enhancement to soil fertility and maize and wheat yields in soil tillage systems

本研究针对农业生态系统中蚯蚓生态服务功能量化不足的问题，通过大田围隔实验探究了Lumbricus terrestris接种对三种耕作方式（传统耕作CON、减耕RED、免耕NT）下土壤物理参数和作物生长的调控机制。结果表明在CON和RED系统中，蚯蚓增强使玉米花期表层土壤湿度提升17-18%，土壤团聚体稳定性提高2.7-2.9倍，籽粒产量和氮收获量分别增加10-13%和17-23%。研究为气候变化背景下通过生物调控实现保护性农业转型提供了实证依据。

　　

在气候变化加剧和粮食安全挑战日益严峻的背景下，如何通过生态友好型农业管理提升土壤健康成为关键科学问题。蚯蚓作为土壤生态系统工程师，其通过构筑孔道、形成团聚体等活动显著改善土壤结构和肥力，然而在真实田间条件下其生态服务功能的量化研究仍显不足。既往研究多局限于温室微宇宙实验，且蚯蚓添加密度往往偏离实际农田状况，难以准确评估其在大尺度农业生产中的实际效益。尤其在不同耕作制度（如传统犁耕、减耕和免耕）与蚯蚓互作对作物生产的影响机制方面，尚缺乏系统性的田间验证。

为填补这一研究空白，奥地利自然资源与生命科学大学的研究团队在《Soil and Tillage Research》发表了题为"Contribution of Lumbricus terrestris enhancement to soil fertility and maize and wheat yields in soil tillage systems"的论文。该研究通过两年期田间试验，首次在奥地利潘诺尼亚盆地半干旱农业区系统探究了L. terrestris接种对玉米-小麦轮作体系下土壤物理性质和作物生长的调控效应。

研究采用7.5 m²大型围隔装置，设置蚯蚓增强（14只/m²）与自然种群对照，结合三种耕作方式（传统耕作CON-30 cm深翻、减耕RED-15 cm浅耕、免耕NT-0 cm）的裂区设计。通过定期监测蚯蚓定居成功率、粪丘数量、土壤团聚体稳定性（MOULDER应用测定最大崩解α系数）、表层土壤湿度（WET传感器）、作物产量构成及氮同位素（δ¹⁵N）等指标，解析蚯蚓-耕作-作物的互作机制。

3.1 环境条件

试验期间玉米生长季（5-10月）平均温度17.7°C，小麦季（11-次年7月）9.6°C。站点2玉米季降水较站点1多119 mm，而小麦季两地降水均低于长期平均值（38 mm和33 mm）。蚯蚓有效活动日数（5-25°C）在玉米季达180-182天，小麦季仅148-166天。

3.2 Lumbricus terrestris监测

蚯蚓接种成功率为33.7-44.3%，免耕系统粪丘数量显著高于CON和RED。成虫定居率站点1（47%）高于站点2，而幼体比例呈现相反趋势。免耕系统幼体生物量最低（1.14-1.18 g/只），RED系统成虫生物量最大（4.07-4.20 g/只）。

3.3 作物、蚯蚓与耕作的互作

3.3.1 蚯蚓增强效应

在CON和RED系统中，蚯蚓增强使玉米籽粒产量提升10-13%，千粒重增加8-9%，氮籽粒产量提高17-23%。土壤团聚体稳定性在CON和RED系统分别增强2.7倍和2.9倍，花期表层土壤湿度提高17-18%。而小麦因生长季降水不足，未显现蚯蚓增强效应。

3.3.2 耕作制度效应

免耕系统土壤团聚体稳定性显著优于CON和RED（玉米季2-2.5倍，小麦季1.7-2.9倍）。小麦季免耕表层土壤湿度较CON和RED高28%，但干旱条件下未能转化为产量优势。

3.4 主成分分析

PCA显示土壤湿度、粪丘数量与免耕系统正相关，而δ¹³C与弱团聚体稳定性在CON和RED系统中聚集。玉米季各处理间蚯蚓增强与对照区分明显，小麦季则存在重叠。

研究结论证实L. terrestris可通过改善土壤结构（尤其CON和RED系统）在短期内提升农业生态系统功能。在降水充足的玉米季，蚯蚓增强使土壤持水能力和氮利用效率同步提升，而干旱的小麦季则凸显水分对蚯蚓生态功能表达的制约作用。该研究创新性地揭示蚯蚓在耕作制度转型中的生物桥梁作用：通过快速改善CON/RED系统的土壤物理性状，可为向免耕农业的平稳过渡提供生态缓冲。研究为气候智慧型农业提供了理论依据，指出在降水波动加剧背景下，应重点优化蚯蚓活动关键期（如玉米季）的生物调控策略，而非简单追求种群数量增长。

讨论部分进一步阐释了机制成因：蚯蚓增强效应在CON/RED系统更显著，源于这些系统初始土壤结构较差，蚯蚓通过孔道形成和团聚体稳定作用可产生更大边际效益。而免耕系统本身具备良好结构基础，蚯蚓增益相对有限。氮循环方面，尽管蚯蚓死亡贡献的氮量（约0.5 g/m²）不足以解释产量差异，但蚯蚓活动促进的微生物矿化过程及粪丘周边内栖蚯蚓（如Aporrectodea caliginosa）种群增长，可能协同提升了氮有效性。研究强调未来应关注蚯蚓-微生物-土壤水分的三维互作网络，特别是在干旱胁迫下的调控阈值。

该研究的实践意义在于证实了保护性农业转型中"生物助推"策略的可行性——通过短期蚯蚓种群管理加速土壤健康恢复，降低耕作制度转换期的产量风险。这对于实现联合国可持续发展目标中的零饥饿、气候行动和陆地生态保护具有重要参考价值。