1. 研究目的与意义、国内外研究现状（文献综述）
1.设施栽培发展概况及研究进展 随着我国南方地区蔬菜设施栽培业的集约化、规模化生产的快速发展，为提高产量而盲目过量施肥，同时因缺少相应的技术支持，农业废弃物尤其是畜禽粪便得不到有效处置，不仅增加种植者的经济负担,而且也造成严重的环境污染[1]，更加剧了人们普遍关心的食品安全问题[2]。同时，设施蔬菜生产具有高度集约化、复种指数高和作物种类单一等特点，随着种植年限的增加，容易引起连作障碍，且导致一系列严重后果，如土壤某些物理性质变劣[3]、土壤次生盐渍化现象严重导致蔬菜产量和品质下降[4]、土壤养分不平衡，某些养分有亏缺现象、土壤 连作障碍明显[5]、土壤微生物区系失衡，有害微生物增加，土传病害严重[6]等。 土壤作为土壤生物栖息地，具有维持其生活力、繁殖力以及生物多样性的功能。而土壤微生物本身在土壤反应过程中（如有机质的腐殖化、再循环和矿化等）也是一个不可替代的重要角色。国际上的主流观点认为:利用可更新资源、综合运用传统农业和生态学知识、依赖土壤生物自调节生态过程的农业生态管理措施，是满足农业生态服务增益控害需求的最佳途径[7,8]。土壤生物退化，将导致土壤功能的缺失，土壤养分不平衡，有害微生物增加、有益微生物减少，土壤物理性质变劣，土传病害加重，蔬菜产量降低、品质变劣。大量研究表明，有机肥在提高土壤生态服务功能的各个方面都表现出巨大的潜力，如促进土壤生物活性、改善土壤肥力、减少水土流失、修复土壤污染、增强植物抗病能力、提高作物产量和品质等[9-14]。农业有机废弃物的堆肥化生产和施用为减少废弃物污染、协调土壤养分供应和作物吸收、促进农业发展提供了经济可行的途径。但是，养分含量低、释放慢、当年利用率低，施用数量大等问题都严重制约了它的实际利用价值，尤其是不能及时满足生长期较短、需肥较多的蔬菜生长的需求[15,16]。相关研究表明，土壤动物特别是土壤动物中的优势种群对土壤中有机物的分解和腐殖质的形成等养分循环过程具有重要的推动作用。不仅如此，土壤动物还对保证土壤生命活动所必须的机构，维持和提高肥力有不可估量的作用[17]。而蚯蚓则是土壤动物的主体，起着至关重要的作用。 蚯蚓能够对许多决定土壤肥力的过程产生重要影响，被称为生态系统工程师。它具有很强的分解有机物质的能力，通过取食、消化、排泄和掘穴等活动可以加速土壤结构的形成，促进土肥相融，加速有机物质的分解转化，提高植物营养，改善土壤通透性，提高蓄水、保肥能力[18]。利用蚯蚓来处理畜禽粪便，不仅可以达到处理目的，而且可以产生多种副产品。国内外在这方面进行了相关的研究[19-23]。 2.研究蚯蚓和有机废弃物对土壤微生物群落和功能联合作用的意义 |
矿化释放、土壤稳定性团聚体与空隙结构的营造与维持，对植物生长的影响显著[24,25]。另外，蚯蚓在与微生物作用的方面，大量研究表明，通过蚯蚓肠道后，只有一些细菌可能被蚯蚓消化，而另一些类群却能存活下来，并且活性和数量大大提高。例如，Winding等发现接种蚯蚓使土壤可培养细菌数量增多，原生动物活性加强。由于蚯蚓不断地挖掘和取食活动，通过蚯蚓体表和体内的携带，加速了微生物在土壤中的传播和分散。而且蚓粪和蚯蚓通道又为微生物、微型土壤动物的生长提供了非常适宜的微生态环境。同时，蚯蚓作用过的有机物颗粒小、C / N比低，易于微生物同化利用。因此，蚯蚓活动促进了微生物数量的增加和活性的提高。因此，研究蚯蚓-微生物交互作用下土壤微生物类群数量的变化，不仅可以分析蚯蚓活动对土壤理化及微生物学特性的影响，而且也能为土壤养分的改善、土壤生态环境的修复等提供一定的参考。 有研究表明，蚯蚓的施加能显著提高土壤微生物量碳、氮，并且提高的幅度与蚯蚓的取食习性密切相关。蚯蚓对土壤微生物量的提高可能有以下几个原因。（1）蚯蚓提高了土壤矿质氮质量分数，有利于作物的吸收，从而促进了作物的生长；作物又相应地产生大量脱落物（包括落叶和根系）或者根系分泌物回还土壤，为微生物的大量增殖提供了有利环境。（2）蚯蚓在取食有机物料和土壤时也可能排出更有活性的微生物或带有激素的物质（如蚓粪[26]），能促进微生物的生长繁殖，加速土壤氮素的循环和转化。因此蚯蚓和微生物相互之间有一种正激发效应。Bohlen和Edwards[27]在室内的微区实验以及Blair等[28]的田间研究结论也认为蚯蚓提高了矿质氮质量分数，同时他们认为蚯蚓活动改变了土壤中真菌和细菌的比例，该比例的升高造成了微生物量氮的降低[29]，也可能由于蚯蚓对土壤微生物的取食作用，造成了微生物群体数量的减少。这两者的分歧，可能与土壤类型、管理方式以及蚯蚓生态型有关系。 蚯蚓的生态类型依据蚯蚓的生活习性及其在生态系统中的功能，一般将蚯蚓分为三类 [30]：(1) 表层种 (epigeic)：也称表居型，是指居住和取食都在土壤表层，以有机质和腐烂中的植物残体为食，常常要经受恶劣气候条件考验、易被动物捕食的一类蚯蚓。 (2) 内层种 (endogeic)：也称土居型，是指居住和取食均在土壤内，以混入土壤中的土壤有机质为食的蚯蚓类群，其繁殖力和种群数量较低。(3) 深层种 (anecic)：也称上食下居型，一般生活在深入土体的永久或半永久穴道里，主要取食土壤腐殖质和微生物的蚯蚓类群[31-33]。本试验用到的赤子爱胜蚓属于表层种，而威廉腔环毛蚓介于表层中和内层种之间[34,35]。正是由于蚯蚓自身个体大小及生活习性、取食偏好上存在的差异性，导致不同生态型蚯蚓对土壤微生物数量和活性的影响能力有明显的区别，生态功能自然有所差异，因此研究两种蚯蚓的功能差就很有必要。 |
3.研究目和意义
土壤生物群落结构和生态功能关系的研究已经成为当代土壤生态学领域的迫切任务，从生态学理论角度，结合实际生产问题探讨有关机制问题在应用和理论研究上均具有重要意义。本课题基于苏州长期定位大棚实验，结合实验室研究的特色以及已有的良好基础，旨在通过研究有机肥不同施用方式和接种不同生态型蚯蚓后，土壤生物群落（微生物和微型土壤动物）和功能的变化，以期为揭示蚯蚓作用下土壤生物群落和功能的关系及影响机制，建立良好可持续的土壤生态系统。 参考文献： [1] Matson, P.A., Parton, W.J.,Power, A.G., et al., 1997.Agricultural intensification and ecosystem properties. Science 277, 504-509. [2] Pretty, J., 2008. Agriculturalsustainability: concepts, principles and evidence. Philosophical Transactionsof the Royal Society B: Biological Sciences 363, 447-465. [3] 李文庆, 贾继文, 李贻学, 等. 大棚种植蔬菜对土壤理化及生物性状的影响[J]. 菜园土壤肥力与蔬菜合理施肥. 南京: 河海大学出版社, 1997:76-79. [4] 吴凤芝, 刘德. 大棚蔬菜连作年限对土壤主要理化性状的影响[J]. 中国蔬菜, 1998(4): 5-8. [5] 余海英, 李廷轩, 周健民. 设施土壤次生盐渍化及其对土壤性质的影响 ①[J]. 土壤 (Soils), 2005,37(6): 581-586. [6] 王绪奎, 陈光亚. 设施农业中的土壤问题及对策[J]. 江苏农业科学, 2001(6): 39-42. [7] Brussaard, L., de Ruiter,P.C., Brown, G.G., 2007. Soil biodiversity for agricultural sustainability.Agriculture Ecosystems Environment 121, 233-244. [8] Powell, J.R., 2007. Linking soilorganisms within food webs to ecosystem functioning and environmental change.Advances in Agronomy 96, 307350. [9] 杨苞梅, 李国良, 姚丽贤, 等. 2011. 有机肥施用模式对蔬菜产量、品质及土壤酶活性的影响. 土壤通报 42, 70-76. [10] 凌宁, 王秋君, 杨兴明, 等. 2009. 根际施用微生物有机肥防治连作西瓜枯萎病研究. 植物营养与肥料学报 15 , 1136-1141. [11] Liu, M., Hu, F., Chen, X., et al., 2009. Organic amendments withreduced chemical fertilizer promote soil microbial development and nutrientavailability in a subtropical paddy field: The influence of quantity, typeand application time of organic amendments. Applied Soil Ecology 42, 166-175. [12] Pan, G.X., Zhou, P., Li,Z.P., et al., 2009. Combinedinorganic/organic fertilization enhances N efficiency and increases riceproductivity through organic carbon accumulation in a rice paddy from the Tai Lakeregion, China.Agriculture Ecosystems Environment 131, 274-280. [13] Zhong, W., Gu, T., Wang,W., et al., 2009. The effects ofmineral fertilizer and organic manure on soil microbial community and diversity.Plant and Soil 326, 511-522. [14] Li, X., Wu, Y., Lin, X., et al., 2012. Dissipation of polycyclicaromatic hydrocarbons (PAHs) in soil microcosms amended with mushroomcultivation substrate. Soil Biology and Biochemistry 47, 191-197. [15] 赵沛义, 段玉, 妥德宝, 等2008. 施肥对甜菜产量.物质积累和养分吸收规律的影响. 华北农学报 23, 199-202. [16] 薛延丰, 李泓坤, 石志琦. 2011. 复混肥和干预剂对青菜品质及土壤理化性状的影响. 南方农业学报 42, 760-764. [17] 尹文英.中国土壤动物检索图鉴[M].科学出版社,1998. [18]李典友,潘根兴,向昌国,等.土壤中蚯蚓资源的开发应用研究及展望[J].中国农学通报,2005, 21(2010):340-347. |
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2. 研究的基本内容和问题
研究的目标、内容和拟解决的关键问题 （1）研究目标 (1)在大规模开放型管理措施条件下，阐明不同生态型蚯蚓对土壤生物群落结构的不同影响； (2)阐明不同种蚯蚓对土壤生态功能的影响。 （3）通过分析土壤微生物群落结构和功能的关系，揭示蚯蚓对土壤生物群落和功能的影响机制。 （2）研究内容 （1）通过对牛粪的资源化利用，以及向土壤添加蚯蚓等措施，对土壤进行培肥熟化处理，了解培肥前后土壤生物群落的变化，主要是微生物和微动物构成的微食物网的变化； （2）有研究表明威廉腔环毛蚓对土壤微生物量及活性有显著的影响，也有实验表明赤子爱胜蚓接种的奶牛粪对生菜的生长及品质有一定的影响。本课题将结合不同的施肥方式，将两种蚯蚓接种到牛粪，研究其对土壤微生物功能的影响，主要是碳氮转化和植物生产功能的变化。 （3）拟解决的关键问题 （1）阐明不同的施肥方式下，接种不同种蚯蚓对土壤生物群落的影响有哪些不同； （2）阐明不同的施肥方式下，接种不同种蚯蚓对土壤碳氮转化和蔬菜品质和产量的影响。 |
3. 研究的方法与方案
研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析 |
（1）研究方法
本课题拟在苏州相成区望亭镇新埂村蔬菜基地，结合牛粪的不同的施肥方式包括表施和混施，按照最适接种密度60gm2接种不同种蚯蚓包括赤子爱胜蚓和威廉腔环毛蚓，研究其对土壤生物群落和蔬菜品质及产量的影响。
◆土壤理化性质分析
土壤含水量、容重、孔隙度、水稳性团聚体、土壤pH、土壤有效态氮磷、有机碳氮的总量、氨硝、速效P等的测定均采用常规方法
◆土壤生物群落参数
※总体性质：
l土壤呼吸：取15.00g鲜土于呼吸瓶中，加5ml 0.2M NaOH，放在28℃培养箱培养24h。24h后，用胶头滴管吸出NaOH，并用无CO2水洗，加2ml 1M BaCl2，加入2～3滴酚酞指示剂，用0.1M HCl滴定。
l微生物量碳/氮：采用氯仿熏蒸硫酸钾溶液直接浸提法测定。
※生物群落结构：
l 微生物群落组成（细菌/真菌）：细菌数量采用血球计数法，相差显微直接计数；真菌生物量采用正高效液相色谱测定麦角固醇含量法。
l土壤线虫的分离、鉴定和群落分析：采用Baermann 浅盘法分离文献。称取50.0g鲜土置于Baermann 浅盘上的牛奶滤纸（Hygia,芬兰制造）上，加水使之完全润湿，在22℃下培养48h，浅盘中的水过500目（孔径25μm）筛分离线虫。线虫在立体显微镜下计数，在生物显微镜下进行线虫属种鉴定(尹文英 1998)，并划分不同营养类群（包括植食、食细菌、食真菌和捕/杂食线虫）和生活史c-p值(Bongers and Ferris 1999)。此外，根据线虫各属种的数量计算丰富的指数和香农多样性指数，根据自由生活线虫的生活史计算成熟度指数MI，根据线虫功能团分别计算富集指数EI、结构指数SI和营养通道指数CI(Ferris, Bongers et al.2001)。不同处理线虫群落组的总体差异利用多元统计分析方法如主成分分析等进行计算。
◆功能多样性参数
l生物量的测定：分地上部和地下部，分别测鲜重和干重两种状态。
l 植株根系分析：采用根系分析仪。
l可溶性糖的测定：采用蒽酮比色法。
l可溶性蛋白质的测定：采用考马斯亮蓝G-250染色法。
l维生素C的测定：采用2,6-二氯酚靛酚法。
硝酸盐含量：采用水杨酸比色法。
（2）技术路线
见附件 （3）实验方案： 试验小区采用1.2m2.4m0.6m，每个小区与小区之间采用硅酸钙水泥板隔开，间隔0.5m，硅酸钙水泥板深入土壤0.6m，高出地面0.2m，防止蚯蚓逃逸及小区地表肥料的径流。试验共设7个处理，重复三次，完全随机排列。7个处理如下。采样为每茬蔬菜收获结束之后，菠菜（番茄）植株样品与土壤样品同时取回，于室内检测各个指标。蔬菜的种植模式为番茄-菠菜，其中菠菜为内蒙古大叶菠菜，番茄为以色列小番茄。田间杂草人工拨除且放回原小区，灌溉方式为喷灌，其他管理同当地有机蔬菜管理标准。 牛粪（表施）：30t/hm2 牛粪（混施）：30t/hm2 牛粪（表施） 蚯蚓1 牛粪（混施） 蚯蚓1 牛粪（表施） 蚯蚓2 牛粪（混施） 蚯蚓2 对照（CK）1：不施肥 对照（CK）2：施化肥 1）接种蚓种（采用两种）：蚯蚓1（赤子爱胜蚓）、蚯蚓2（威廉腔环毛蚓）。接种密度为60gm2，每季接种蚯蚓时尽量将蚯蚓按一定的间距均匀摆放到田面上， 接种后观察蚯蚓入土情况， 需要时替换活性较差的蚯蚓。 然后浇适量水， 促进蚯蚓尽快适应环境。 2）采用不同的施肥方式：表施和混施； 3）牛粪采用湿重30t/hm2 ； 4）化肥的施用量：当地标准：N：2 9.5kg/亩、P：16.7kg/亩、K：16.7kg/亩。 5）蔬菜品种：春季番茄、秋季波菜 （4）可行性分析： （1）技术保障：由土壤生态实验室指导老师对本项目关键技术，如线虫鉴定、微生物学指标进行指导。其余实验内容和项目测定可利用实验室现有设备开展。 （2）工作积累：土壤生态实验室前期相关预备试验、某些材料的准备及采样地点的联系确认为项目的顺利实施提供了基本条件。 （3）团队配合：来自资环专业的同学对实验操作具有一定的实践基础，成员学习成绩优秀，对科研具有浓厚兴趣，成员之间紧密的合作和刻苦学习精神可以保证在短期内掌握实验需要的操作技术；并且我们组有对生态学及土壤学均颇有研究的老师负责统一指导。
4. 研究创新点
特色或创新之处 |
5. 研究计划与进展
研究计划及预期进展 |
2013.11-2013.12 查阅相关文献资料，完成项目申报书
2014.01-2014.06 布置蚯蚓堆制过程研究的试验，定期采样分析土壤理化/微生物学性质和土壤动物群落的演替，并且每个成员完成一篇相关的专业文献综述。
布置蚯蚓堆肥对设施土壤性质和蔬菜生长影响的试验，同时处理试验一的数据，撰写中英文文章，接受中期检查。蔬菜收获采集土样进行相关指标检测。
完成所有试验测定的指标以及数据的整理工作。
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