Water Infiltration of Soil Affected by Earthworms
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摘要:目的 探究蚯蚓不同生态类型和密度对水浇地土壤水分入渗特征的影响。方法 选取表栖型赤子爱胜蚓（Eisenia fetida）和深栖型参状远盲蚓（Amynthas aspergillum）为研究对象，以无蚯蚓土壤处理为对照，采用一维定水头土柱模拟试验，探究蚯蚓不同生态类型和密度（低密度4 g·kg−1，高密度8 g·kg−1）对土壤湿润锋、累积入渗量、入渗速率、含水率的影响及其与土壤性状的关系，并利用Philip模型和Kostiakov模型拟合分析土壤水分入渗规律。结果 ①在相同时间内，蚯蚓明显降低湿润锋推进距离、推进速率、累积入渗量及入渗速率，尤其是低密度参状远盲蚓影响最为显著（P＜0.01），且低密度蚯蚓的入渗性能较高密度蚯蚓处理差。②各处理入渗结束后，土壤含水率存在差异，参状远盲蚓极显著提高土壤含水率（P＜0.01），且低密度处理最佳。③蚯蚓通过改变土壤的理化性质来降低土壤水分的入渗性能，其中电导率（Electricity conductivity，EC）值、有效磷（Available phosphorus, AP）值和砂粒为土壤水分入渗的主要驱动因素。④与Philip模型拟合结果相比，采用Kostiakov模型拟合效果更适用，对参状远盲蚓处理土壤入渗过程的拟合精度（RMSE≤4.80 mm）更高，且参状远盲蚓极显著降低了累积入渗量衰减程度（P＜0.01）。结论 经赤子爱胜蚓和参状远盲蚓改良后的水浇地土壤（壤砂质地），水分入渗性能降低，但对水分的蓄持能力增加。在改良水浇地土壤时，添加低密度的参状远盲蚓有利于土壤持水。Abstract:Objective Effects of earthworms of different ecological classifications on water infiltration of the soil in which they inhabited were studied.Method Epigeic Eisenia fetida and endo-anecic Amynthas aspergillum were separately placed in soil containers to compare with one without earthworms. In a vertical one-dimensional stable water potential infiltration experimentation, the wetting front movement, accumulated infiltration, infiltration rate, and moisture content of the soil in the containers were monitored to analyze the correlation between soil properties and presence of the different types of earthworms in low-density at 4 g·kg−1 or high-density at 8 g·kg−1. The Philip and Kostiakov models were applied to mathematically describe the water infiltration function.Result ① The existence of earthworms simultaneously reduced the advancing distance, advancing rate, cumulative infiltration amount, and infiltration rate of the water wetting front in the soil, especially in the case of low-density A. aspergillum (P＜0.01). The effect was more significant under low-density than high-density of the earthworms. ② Water retention of soil changed with the earthworm-induced water infiltration pattern which increased significantly by the low-density A. aspergillum treatment (P＜0.01). ③ The major driving factors on soil that affected water infiltration attributed by the earthworms were electricity conductivity, available phosphorus, and sand. ④ Kostiakov model fitted the correlation between the soil water infiltration and the earthworm treatments more than Philip model did. A high fitting accuracy on RMSE≤4.80 mm was observed on the treatment by A. aspergillum. Moreover, A. aspergillum also significantly decreased the attenuation of cumulative water infiltration (P＜0.01).Conclusion The water infiltration could be significantly lowered and moisture retention raised in a loamy sandy soil by the presence of E. fetida or A. aspergillum. It was conceivable that, at the density of 4 g·kg−1 of A. aspergillum, land of similar kind of soil could benefit from the improved water holding capacity as a result.
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Keywords:
- Eisenia fetida /
- Amynthas aspergillum /
- loamy soil /
- water infiltration of soil
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0. 引言
【研究意义】水浇地是指有水源保证和灌溉设施的耕地农田，是农业生产的重要土地类型之一。我国水浇地总面积3211.48万hm2，约占耕地面积的25.12%[1]，灌溉用水量巨大。据水利部2021年《中国水资源公报》统计，我国耕地实际灌溉用水量约为5325.00 m3·hm−2，农田灌溉水有效利用系数仅为0.568[2]。因此，选择适宜的土壤改良方式，提高有限水资源蓄持和利用潜力，对保障我国粮食生产和水资源节约利用具有重要意义。【前人研究进展】土壤入渗过程作为降水和灌溉水参与水分循环的关键环节，不仅限制土壤水分库容和植物对水分的可利用程度，也影响农业水资源的利用效率[3-4]。研究土壤入渗过程可检验水浇地土壤结构均衡性、土壤孔隙度和连通性以及土壤保水能力[5]。土壤入渗性能受土壤结构、质地、化学性质等因素的影响[6-8]。其中，土壤结构、质地直接影响土壤水分入渗特性，而土壤化学性质间接影响土壤水分入渗特性。例如，交换性钠离子通过诱导土壤黏粒膨胀和团聚体的崩解，影响土壤水分入渗性能[9]。Mg2+通常被认为是土壤颗粒的胶结剂，而磷素添加对土壤团聚体结构的改变也有显著影响[10]。这些元素均可通过改变土壤结构，进而对土壤入渗特性产生影响。蚯蚓在维持土壤生态系统结构和功能方面具有重要作用，通过掘穴、取食、排泄等活动影响土壤质地、团聚体稳定性、持水特征、土壤酸碱度、有机碳含量及矿质养分有效性，进而影响土壤入渗规律[11-12]。Capowiez等[13]发现土壤水分入渗是由土壤理化性质、蚯蚓种类以及密度共同决定的。由于蚯蚓对地表残留物的觅食行为，其种类和密度可能影响径流量和土壤损失，使得土壤水分入渗规律发生变化[14]。蚯蚓能有效聚集土壤颗粒，改善土壤结构。研究表明，不同大小团聚体的数量和空间排列决定了土壤孔隙的分布，进而影响土壤的水力特性、通气性和水盐运动[15]。此外，蚓粪作为蚯蚓的排泄物，养分含量高，团聚体结构稳定，可有效改善土壤结构和性质。将蚓粪添加至土壤后改变了土壤含水量和毛管水向上运动，能显著增强土壤的保水能力[16]。在热带地区，蚓粪可以通过减少地表径流来降低土壤侵蚀的风险[17]。蚓粪增加了土壤表面的粗糙度，此时的蚓粪相当于吸水材料，减缓了水分入渗速率[18]。【本研究切入点】蚯蚓活动在不同土壤中对水文过程的作用一直备受关注。目前多数研究集中于蚯蚓在自然条件下对土壤水分运移的影响[19-20]，而对于利用蚯蚓改良水浇地土壤后，土壤水分入渗过程的变化，尤其是蚯蚓不同生态类型和密度对水浇地土壤改良后的入渗特征的影响尚不清楚。【拟解决的关键问题】本文选取常见的模式蚓——表栖型赤子爱胜蚓（Eisenia fetida）和华南地区广泛分布的深栖型参状远盲蚓（Amynthas aspergillum）为研究对象，采用一维定水头土柱模拟试验，探究蚯蚓改良水浇地土壤水分入渗性能及其影响因素，以期为蚯蚓改良水浇地土壤水分运移研究提供理论依据。
1. 材料与方法
1.1 供试材料
供试土壤和有机物料均采自华南农业大学农场（23° 16′ N，113° 35′ E）。将采集的土壤风干，去除石砾等杂物后过2 mm筛，其基本理化性质如下：pH 6.93，土壤有机碳（Soil organic carbon, SOC）18.60 g·kg−1，全氮（Total nitrogen, TN）2.04 g·kg−1，全磷（Total phosphorus, ，TP）0.28 g·kg−1，全钾（Total potassium, TK）24.38 g·kg−1，砂粒83.4%，粉粒9.2%，黏粒8.4%，据美国制土壤分级标准确定为壤砂土。将采集的有机物料风干后切碎为2 cm的块状，其基本理化性质如下：pH 8.07，有机碳301.00 g·kg−1，TN 26.67 g·kg−1，TP 3.11 g·kg−1，TK 40.03 g·kg−1。
供试蚯蚓为表栖型赤子爱胜蚓和深栖型参状远盲蚓，分别来自华南农业大学蚯蚓养殖基地及农场。在适宜环境下培养一周后，挑选大小一致、具有成熟环的蚯蚓进行接种。每条赤子爱胜蚓重量约0.5 g，每条参状远盲蚓约5.0 g。
1.2 试验方法
根据蚯蚓的种类和密度共设置5个处理：空白土壤对照（CK），低密度赤子爱胜蚓处理（E1）、高密度赤子爱胜蚓处理（E2）、低密度参状远盲蚓处理（A1）和高密度参状远盲蚓处理（A2），其中低密度蚯蚓4 g·kg−1、高密度蚯蚓8 g·kg−1。每组试验重复3次。
试验于2021年10月至2022年2月在华南农业大学蚯蚓试验基地进行。土壤预培养阶段：分别装2.5 kg土壤于直径15 cm、高度20 cm的塑料盆中。每盆加入上述有机物料100 g，控制温度在25 ℃左右，称重法保持60%～80%的田间持水量，黑色大棚中培养30 d；接种蚯蚓阶段：土壤预培养阶段结束后，分别加入赤子爱胜蚓和参状远盲蚓，再培养60 d。培养结束后土柱破坏性取样，人工挑出蚯蚓，风干土壤，风干后取一小部分测定各处理土壤的理化性质，剩余的土壤用于填装土柱测定土壤入渗特性。
土壤pH、电导率（Electricity conductivity, EC）均采用无CO2水以土水质量比1∶2.5浸提，分别以pH计和电导率仪测定；SOC采用重铬酸钾外加热法测定；TN采用凯氏定氮法测定；有效磷（Available phosphorusm, AP）含量采用碳酸氢钠浸提——钼锑抗比色法测定；速效钾（Available potassium, AK）含量采用乙酸铵浸提——火焰原子吸收法测定；土壤机械组成采用吸管法进行测定，以土壤粉粒、黏粒、砂粒共同表征土壤机械组成的变化[21]。
采用一维定水头垂直积水入渗法[22]测定土壤入渗特性，入渗装置由马氏瓶（高60 cm，直径6 cm）和土柱（半径5 cm，高25 cm）两部分组成。土柱和马氏瓶是由透明有机玻璃（5 mm厚）制作而成，土柱底部是3 mm均匀分布的排气孔板。装土前，为消除壁面优势流的影响，在土柱的内壁上均匀涂抹凡士林；为防止细土粒进入排气孔，在底部放入直径为10 cm的滤纸。按照土壤容重1.35 g·cm−3填装土柱，每次装土厚度为2 cm，用夯土器夯实后，为避免土层间分离，再用打毛器将土壤表面打毛。装土深度为20 cm，每2 cm装土质量平均为212.1 g。马氏瓶控制供水恒定为5 cm，积水高度为3 cm。在遮阴无风的室内进行入渗试验，以减弱表土水分的大气蒸发。入渗开始时，按照前密后梳原则观测湿润锋运移，0～10 min观测间隔为1 min，10～20 min间隔为2 min，20～40 min间隔为5 min，40 min后间隔为10 min。湿润锋推进距离至20 cm时停止，持续供水直至土柱下方有水滴出现结束入渗。用取土器垂直于土柱取20 cm深度土壤，充分混匀后，采用干燥法测定土壤含水率。
本研究采用幂函数拟合湿润锋运移随时间变化的数据[23]。
（1）湿润锋运移与入渗时间t呈幂函数关系
F=atb (1) 式中：F为湿润锋运移，mm；a为第1个计时单位后的湿润锋推进距离，mm；t为入渗历时，min；b为湿润锋进程的衰减程度。
为了进一步研究不同蚯蚓对土壤入渗过程的影响，本研究采用Philip和Kostiakov入渗模型拟合土壤累积入渗量随时间变化的数据。
（2）Philip入渗模型[24]
I(t)=St0.5+A (2) 式中：I为单位时间内累积入渗量，mm；S为吸渗率，mm·min−0.5；t为入渗历时，min；A为稳定入渗率，mm·min−1。土壤吸渗率S是土壤依靠毛管力吸收液体能力的量度，反映土壤前期的入渗能力，S值越大代表土壤入渗能力越强；稳定入渗率A反映土壤达到饱和时的入渗率。
（3）Kostiakov入渗模型[25]
I(t)=Ktn (3) 式中：K、n为经验系数，其中K反映初始入渗能力，n反映累积入渗量的衰减程度；t 为入渗历时，min。
1.3 数据处理
采用Excel 2010和SPSS 19.0软件对数据进行统计分析。采用单因素（One-way ANOVA）方差分析和Duncan’s法进行多重比较，用Pearson’s法对入渗性能和土壤性状进行相关性分析，利用Origin 8.5进行绘图和函数拟合。图表中数据为平均值±标准差。
2. 结果与分析
2.1 蚯蚓对湿润锋推进距离及速率的影响
土壤水分入渗过程中，湿润锋为湿润区最前方与干土层形成的明显交界面。由图1可知，随着时间推移，各处理湿润锋持续推进，但推进速率在逐渐减小，在入渗初期湿润锋推进速率较快，然后逐渐放慢速率至相对稳定阶段。在相同时间内，蚯蚓的添加明显降低了湿润锋推进距离和速率，且参状远盲蚓处理的变化最为明显。无论是赤子爱胜蚓还是参状远盲蚓，高密度蚯蚓处理的湿润锋推进距离均大于低密度蚯蚓处理。另外，对湿润锋与入渗时间的关系进行幂函数拟合。图1（a）拟合结果显示：不同蚯蚓条件下湿润锋推进距离与入渗时间拟合的决定系数R2均大于0.97，说明此幂函数能较好地模拟添加蚯蚓后土壤湿润锋推进距离的规律，湿润锋推进距离与入渗时间之间呈幂函数关系。
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图 1 各处理对湿润锋推进距离及速率的影响a：不同处理的湿润锋推进距离；b：不同处理的湿润锋推进速率。Figure 1. Effects of earthworm treatments on distance and rate of wetting front advance in soila: Advance distance of wetting front of different treatments; b: Rate of advance distance of wetting front.由表1可知，在试验进行至5 min时，CK与各处理湿润锋推进距离最大差值为8.3 mm，说明在入渗初期，蚯蚓对湿润锋推进影响较小。随着时间的推移，在10、20 min时，CK与各处理湿润锋推进距离最大差值分别为27.7、69.0 mm，差异逐渐变大，差异极显著（P＜0.01，下同）；在试验结束（25 min）时，CK与各处理湿润锋推进距离差异显著（P＜0.05，下同），与A1的差值最大为74.3 mm，呈极显著差异。
表 1 各处理不同时段湿润锋推进距离Table 1. Distance of wetting front advance in soil under earthworm treatments at different times处理
Treatment湿润锋推进距离
The advance distance of wetting front/mm5 min 10 min 20 min 25 min CK 67.3±3.8Aa 106.7±6.8Aa 174.0±3.1Aa 191.3±1.9Aa E1 62.7±5.6Aa 90.0±6.1ABbc 133.7±5.2Cc 154.3±3.5Cc E2 65.0±2.7Aa 101.7±1.9Aab 152.7±1.7Bb 173.0±2.1Bb A1 59.0±1.5Aa 79.0±2.0Bc 105.0±3.2Dd 117.0±2.7De A2 68.3±1.2Aa 94.7±1.8ABab 126.67±3.5Cc 141.7±3.8Cd 表中不同大、小写字母表示各处理间差异极显著（P＜0.01）或显著（P＜0.05）。下同。
Data with different lowercase letters on same column indicate significant difference at 0.05 level; those with different capital letters, significant difference at 0.01 level. Same for below.2.2 蚯蚓对土壤累积入渗量及入渗速率的影响
由图2（a）可知，累积入渗量随时间不断增大，但各蚯蚓处理对累积入渗量的影响存在差异，且变化趋势与湿润锋推进距离相似。入渗开始后9 min，各处理的累积入渗量的大小顺序均为CK＞E2＞E1＞A2＞A1。试验土壤为壤砂土，砂粒含量高，粒间空隙大，水分易渗入且排水快，难以蓄持水分。然而，经过蚯蚓处理后，无论是生态种类不同还是密度不同，都在一定程度上提高了入渗结束时的累积入渗量。表2显示在5 min时各处理间的差异较小（6.6、11.0、19.6、22.3 mm），在入渗10、20、25 min时，A1处理的累积入渗量最大，与CK差异极显著，分别为68.7、87.6、80.7 mm，呈现先增大后相对稳定的趋势。
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图 2 各处理对累积入渗量及入渗速率的影响Figure 2. Effects of earthworm treatments on accumulated water infiltration and infiltration rate of soil表 2 各处理不同时间段的累积入渗量Table 2. Accumulated water infiltration in soil under earthworm treatments at different times处理
Treatment累积入渗量 Accumulative infiltration/mm 5 min 10 min 20 min 25 min CK 118.3±8.7Aa 198.7±8.3Aa 266.3±9.2Aa 284.7±8.1Aa E1 96.0±4.9Ab 151.7±0.7BCbc 231.3±1.2BCb 251.3±0.9Bb E2 107.3±7.3Aab 167.7±3.6Bbc 250.0±3.2ABab 271.7±6.0ABa A1 98.7±4.8Aab 130.0±3.8Cd 178.7±9.2Dd 204.0±9.9Cc A2 111.7±1.8Aab 145.7±6.2BCcd 205.7±2.6CDc 221.7±1.8Cc 由图2（b）可知，在入渗开始阶段，各处理的入渗速率急速下降一段时间后，呈现缓慢下降趋势，而在入渗即将结束时又表现出相对稳定的状态。从入渗开始后5 min至入渗结束，蚯蚓处理均小于CK，其差异逐渐增大后又呈减小趋势。表3为各处理特定时间内的入渗速率。结果显示，蚯蚓处理初始（1 min）入渗速率普遍高于CK，与其最大差值为13.0 mm·min−1，说明蚯蚓处理提高了土壤表层对水分的吸收能力，此时水分运动是土壤基质势和重力势的共同作用。试验至25 min时，各处理入渗速率基本稳定，其中E1、A1、A2处理的稳定（25 min）入渗速率均极显著低于CK，与其最大差值为3.2 mm·min−1，说明蚯蚓减缓了土壤内部对水分的吸收速率，此时蚯蚓处理的水分运动以土壤基质势为主，而CK水分运动以重力势为主。总之，无论是从累积入渗量还是入渗速率来看，均表现出低密度参状远盲蚓的作用更显著。
表 3 各处理入渗速率的动态变化Table 3. Changes on infiltration rate of soil after earthworm treatments （单位：mm·min−1）处理
Treatment初始（1 min）
入渗速率
Initial infiltration rate中期（10 min）
入渗速率
Mid-term infiltration rate稳定（25 min）
入渗速率
Stable infiltration rateCK 39.0±3.5Aab 19.9±0.6Aa 11.4±0.1Aa E1 41.3±4.8Aab 15.2±0.8BCbc 10.1±0.3Bb E2 34.0±1.5Ab 16.8±0.0Bb 10.9±0.0ABa A1 49.3±4.8Aab 13.0±0.4Cd 8.2±0.2Cc A2 52.0±6.4Aa 14.6±0.4BCcd 8.9±0.4Cc 2.3 蚯蚓对土壤含水率的影响
由图3可知，蚯蚓对土壤含水率有一定的影响，且与其种类和密度有关。与CK相比，赤子爱胜蚓处理的土壤含水率虽有所提高（0.6%～1.9%），但差异不显著。然而，参状远盲蚓处理的土壤含水率极显著提高3.1%～8.9%，且以A1最佳。
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图 3 蚯蚓处理对入渗后土壤含水率的影响图中不同大、小写字母表示各处理间差异极显著（ P＜0.01）或显著（P＜0.05）。Figure 3. Effect of earthworm treatments on moisture retention of water-infiltrated soilData with different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level; those with different capital letters, significant difference at 0.01 level.2.4 土壤理化性状及其与土壤入渗性能的关系
不同蚯蚓培养后土壤理化性质见表4。土壤pH分析结果显示：E1处理极显著低于其他处理，而A2处理极显著高于其他处理。土壤EC值分析结果显示：E2和A2处理较CK显著降低33.5%和34.4%，A1较CK极显著降低53.8%。SOC、TN、AP、AK分析结果显示：与CK相比，仅A2处理的SOC极显著增加37.5%，参状远盲蚓处理（A1和A2）的AP极显著降低30.8%～33.3%；E2处理的AK较A1虽显著降低，但较其他处理无明显差异。土壤机械组成分析结果显示：与CK相比，蚯蚓处理的砂粒含量均极显著降低，而粉粒和黏粒含量均极显著增加。
表 4 蚯蚓培养后土壤的理化性质Table 4. Properties of soil in presence of earthworms处理
TreatmentspH 电导率
EC/
（μs·cm−1）有机碳
SOC/
（g·kg−1）总氮
TN/
（g·kg−1）有效磷
AP/
（g·kg−1）有效钾
AK/
（g·kg−1）砂粒
Silt/%粉粒
Powder/%黏粒
Clay/%CK 7.65±0.04Bb 786.35±173.10Aa 18.68±0.00Bb 2.27±0.13Aa 0.39±0.01Aa 0.57±0.02Aab 83.4±1.0Aa 9.2±0.3Bb 7.5±1.2Bb E1 7.45±0.04Cc 684.52±109.68ABab 19.49±0.00Bb 2.53±0.26Aa 0.36±0.02Aa 0.56±0.02Aab 72.8±1.0Bb 15.6±0.4Aa 11.7±1.1Aa E2 7.61±0.04Bb 522.57±156.88ABbc 19.34±0.00Bb 2.43±0.04Aa 0.37±0.03Aa 0.44±0.03Ab 72.0±0.7Bb 15.8±0.3Aa 12.2±0.5Aa A1 7.60±0.06Bb 363.32±78.06Bc 19.52±0.00Bb 2.33±0.21Aa 0.27±0.03Bb 0.61±0.04Aa 72.3±0.6Bb 15.7±0.9Aa 12.0±0.9Aa A2 7.79±0.02Aa 516.12±109.52ABbc 25.69±0.00Aa 2.31±0.22Aa 0.26±0.24Bb 0.49±0.20Aab 73.2±1.6Bb 14.2±1.5Aa 12.7±0.1Aa 土壤作为一个复杂的介质，其水分入渗状况必然会受到土壤理化性质的影响。土壤入渗特征与其影响因子的相关性分析见表5。不同蚯蚓处理的中期（10 min）入渗速率、稳定（25 min）入渗速率、25 min累积入渗量均与EC、AP和砂粒呈显著正相关，尤其是与AP达到极显著水平（P＜0.01），表明中期（10 min）入渗速率、稳定（25 min）入渗速率、25 min累积入渗量三者都随EC、AP增加而增强，且土壤砂粒越多，入渗性能越强。此外，初始（1 min）入渗率与AP呈显著负相关，说明AP的增加减弱了土壤初始入渗性能。总的来看，经蚯蚓活动后，EC值、AP和砂粒为土壤水分入渗的主要驱动因素，表明蚯蚓处理可以通过改变土壤的理化性质来降低土壤水分的入渗性能。
表 5 土壤入渗能力与其影响因子的相关性分析Table 5. Correlation between water infiltration of soil and various affecting factors入渗特征
Infiltration characteristicspH 电导率EC 有机碳SOC 总氮TN 有效磷AP 有效钾AK 砂粒
Sand粉粒
Powder黏粒
Clay初始（1 min）入渗率
Initial infiltration rate0.205 −0.418 0.341 0.126 −0.522* 0.422 −0.205 0.127 0.286 中期（10 min）入渗率
Mid-term infiltration rate0.019 0.560* −0.289 0.046 0.788** −0.079 0.794** −0.765** −0.751** 稳定（25 min）入渗率
Stable infiltration rate−0.148 0.664** −0.367 0.115 0.820** −0.267 0.565* −0.522* −0.563* 25 min累积入渗量
Accumulative infiltration−0.189 0.644** −0.417 0.147 0.858** −0.270 0.601* −0.559* −0.595* 表中“*”表示 P＜0.05;“**”表示 P＜0.01。
"*" indicates significant difference at 0.05 level; "**" indicates significant difference at 0.01 level.2.5 土壤入渗模型拟合效果
为进一步了解蚯蚓对入渗过程的影响，通过Philip和Kostiakov入渗模型进行拟合效果分析。如表6所示，尽管Philip模型的决定系数R2在0.975～0.998，RMSE在3.12～12.61 mm，该模型对入渗过程的拟合较好且对于赤子爱胜蚓处理，Philip模型拟合精度更高，但是CK、E1和E2的土壤稳渗率A为负值，与事实不符，说明Philip模型不适用于以上处理土壤入渗过程的模拟。Kostiakov模型的决定系数R2在0.981～0.999，RMSE在2.36～19.21 mm，说明Kostiakov模型对入渗过程的拟合很好。与Philip模型相比，Kostiakov模型对参状远盲蚓处理的拟合精度更高。E1、E2处理的K值低于CK，表明赤子爱胜蚓处理土壤的初始入渗性能减弱；A1、A2处理高于CK，表明参状远盲蚓处理土壤的初始入渗性能增强；仅E2处理较A1和A2处理差异显著（P＜0.05），其他处理之间作用均不显著。A1、A2处理的n值极显著低于其他处理（P＜0.01），说明参状远盲蚓处理累积入渗量的衰减程度更小。
表 6 不同蚯蚓处理下Philip和Kostiakov入渗模型拟合结果Table 6. Fitting of Philip and Kostiakov models on water infiltration of soil under earthworm treatments处理
TreatmentPhilip模型 Philip model Kostiakov模型 Kostiakov model S A RMSE/mm GMER R2 K n RMSE/mm GMER R2 CK 64.18Aa −20.47Bb 12.61 2.68 0.975 41.38ab 0.64Aa 19.21 2.73 0.981 E1 53.46Bc −18.03Bb 4.97 2.72 0.996 39.52ab 0.57Aa 6.50 2.72 0.996 E2 59.04Ab −23.35Bb 8.66 2.68 0.988 35.45b 0.65Aa 16.87 2.73 0.981 A1 35.04De 19.69Aa 3.12 2.71 0.998 48.83a 0.43Bb 2.36 2.72 0.999 A2 41.38Cd 16.74Aa 5.63 2.71 0.995 52.28a 0.45Bb 4.80 2.72 0.998 3. 讨论
土壤入渗过程是水分在土壤中逐渐移动达到动态平衡的过程，主要受到供水强度和土壤入渗性能的影响。其中，土壤质地、容重、含水量、孔隙结构等是影响土壤入渗能力的内部因子[6-7]。在本研究中，随着入渗时间的推移，各处理湿润锋推进速率和入渗速率均逐渐减小至平缓。与前人研究结果相似[26]，其原因是在水分入渗的初始阶段，土壤干燥程度较高，基质势大，水分入渗的阻力小。因此，初始阶段湿润锋推进进程快，累积入渗量多。但对比不同蚯蚓处理，蚯蚓处理的初始（1 min）入渗速率较高，尤其是参状远盲蚓处理，这是由于经蚯蚓改良后，具有良好孔隙结构的蚓粪及其含有的大量亲水官能团能加速土壤对水分的吸收[27]。然而，随着水分含量增加，土体表层的持水量接近饱和状态，水分入渗主要受重力势的影响，湿润锋推进距离和累积入渗量曲线逐渐平缓，入渗速率急剧减小。经蚯蚓改良后土壤表层前期吸水过多，下层土壤空气排出慢，对土壤孔隙产生封闭作用，水分入渗以基质势为主，因此入渗速率逐渐低于CK。
本研究发现，蚯蚓的添加对湿润锋运移特征和累积入渗量均产生了一定的影响，降低了湿润锋推进速率和入渗速率，从而降低了土壤入渗性能，提高土壤含水率。这是由于蚯蚓通过改变水浇地土壤的理化性质，从而使得入渗性能下降。作为“生态系统工程师”的蚯蚓通过吞食、掘穴、排泄等生命活动不仅能改变土壤机械组成、团聚体结构和容重，还可以提高土壤养分含量和微生物活性[28]。本研究所采用的土壤为水浇地壤砂土，养分贫瘠且结构差，其入渗过程可能受土壤养分含量的影响。杨振奇等[29]运用约束性排序方法分析土壤因子与入渗速率的关系，发现养分贫瘠且结构差的土壤入渗过程受多因素的综合影响，水浇地土壤结构与人为管理措施有关，其入渗过程主要受土壤养分条件的影响。为进一步探明原因，本研究通过相关性分析发现EC、AP、土壤机械组成与入渗性能存在显著相关关系。武敏等[30]通过室内变水头渗透试验也证明了土壤渗透系数随EC值的降低而下降，其原因是盐离子与土壤胶体发生交换吸附作用，导致土壤孔隙特征发生了改变。而作为土壤重要养分之一的磷影响土壤水分入渗，主要原因在于磷通过生成难溶性沉淀、促进微生物释放胶结物质等方式来提高土壤大团聚体的含量，从而增加了土壤大孔隙，改变土壤结构，影响土壤入渗[31-32]。孙娜等[33]通过野外试验和室内检测研究土壤入渗过程及其影响因素，结果表明黏粒含量越高，其土壤孔隙较小，土壤通气透水性能受到限制，从而导致入渗能力下降。事实上，黏粒含量越高、颗粒越细、固体相比表面积越大、表面能越高、吸附能力越大的情况下，对应的土壤吸水和保水能力越好。
许多研究表明蚯蚓的生态类型和密度对土壤物理、化学、生物特性的影响不同[9, 34]，可能对土壤水分入渗的作用也存在差异。本研究发现，不同蚯蚓生态类型对土壤水分入渗性能影响差异明显。在整个入渗过程中，参状远盲蚓的入渗历时更久，湿润锋推进距离速率更缓慢，入渗速率也较慢，总入渗水量更多，这是源于作为深栖种的参状远盲蚓个体大，主要吞食土壤和有机物料的混合物，其排泄物与土壤形成的大团聚体含量较多[35]。研究表明，大团聚体是影响土壤入渗性能的最重要因子之一[36-37]。本研究发现无论是高密度还是低密度蚯蚓，蚯蚓对土壤水分入渗均有一定的阻滞作用，尤其是参状远盲蚓的作用更强。这可能是由于参状远盲蚓及其体内微生物的生命活动利用了土壤中更多的磷，使得土壤中磷与Ca2+生成磷酸二钙、磷酸八钙以及磷灰石等难溶性沉淀的化学反应相对减少，从而改变土壤结构，抑制了土壤入渗性能[31-32]。此外，对于不同蚯蚓密度而言，无论是赤子爱胜蚓还是参状远盲蚓，密度越低，湿润锋推进速率和入渗速率越慢，相同质量土壤所蓄持的水分越多，这说明利用蚯蚓改良水浇地土壤提高水分蓄持，需要关注蚯蚓的投放密度，在本研究中添加低密度蚯蚓更为合适。这也许与本研究土壤本底值较低、蚯蚓密度过高、所消耗的土壤养分更多有关，具体还需要进一步在大田应用研究中验证。
4. 结论
在相同入渗时间内蚯蚓降低了湿润锋推进距离和入渗速率，延缓土壤入渗，尤其是低密度深栖型参状远盲蚓。参状远盲蚓提高土壤水分入渗后的含水率，以低密度较好。赤子爱胜蚓和参状远盲蚓均可通过改变土壤的理化性质来降低土壤水分的入渗性能，EC、AP和砂粒为土壤水分入渗的主要驱动因素。Kostiakov模型对参状远盲蚓处理土壤入渗过程的拟合精度较Philip模型更高。在改良水浇地土壤时，添加低密度（4 g·kg−1）的参状远盲蚓利于土壤持水。
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图 1 各处理对湿润锋推进距离及速率的影响
a：不同处理的湿润锋推进距离；b：不同处理的湿润锋推进速率。
Figure 1. Effects of earthworm treatments on distance and rate of wetting front advance in soil
a: Advance distance of wetting front of different treatments; b: Rate of advance distance of wetting front.
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图 2 各处理对累积入渗量及入渗速率的影响
Figure 2. Effects of earthworm treatments on accumulated water infiltration and infiltration rate of soil
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图 3 蚯蚓处理对入渗后土壤含水率的影响
图中不同大、小写字母表示各处理间差异极显著（ P＜0.01）或显著（P＜0.05）。
Figure 3. Effect of earthworm treatments on moisture retention of water-infiltrated soil
Data with different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level; those with different capital letters, significant difference at 0.01 level.
表 1 各处理不同时段湿润锋推进距离
Table 1 Distance of wetting front advance in soil under earthworm treatments at different times
处理
Treatment湿润锋推进距离
The advance distance of wetting front/mm5 min 10 min 20 min 25 min CK 67.3±3.8Aa 106.7±6.8Aa 174.0±3.1Aa 191.3±1.9Aa E1 62.7±5.6Aa 90.0±6.1ABbc 133.7±5.2Cc 154.3±3.5Cc E2 65.0±2.7Aa 101.7±1.9Aab 152.7±1.7Bb 173.0±2.1Bb A1 59.0±1.5Aa 79.0±2.0Bc 105.0±3.2Dd 117.0±2.7De A2 68.3±1.2Aa 94.7±1.8ABab 126.67±3.5Cc 141.7±3.8Cd 表中不同大、小写字母表示各处理间差异极显著（P＜0.01）或显著（P＜0.05）。下同。
Data with different lowercase letters on same column indicate significant difference at 0.05 level; those with different capital letters, significant difference at 0.01 level. Same for below.
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表 2 各处理不同时间段的累积入渗量
Table 2 Accumulated water infiltration in soil under earthworm treatments at different times
处理
Treatment累积入渗量 Accumulative infiltration/mm 5 min 10 min 20 min 25 min CK 118.3±8.7Aa 198.7±8.3Aa 266.3±9.2Aa 284.7±8.1Aa E1 96.0±4.9Ab 151.7±0.7BCbc 231.3±1.2BCb 251.3±0.9Bb E2 107.3±7.3Aab 167.7±3.6Bbc 250.0±3.2ABab 271.7±6.0ABa A1 98.7±4.8Aab 130.0±3.8Cd 178.7±9.2Dd 204.0±9.9Cc A2 111.7±1.8Aab 145.7±6.2BCcd 205.7±2.6CDc 221.7±1.8Cc
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表 3 各处理入渗速率的动态变化
Table 3 Changes on infiltration rate of soil after earthworm treatments （单位：mm·min−1）
处理
Treatment初始（1 min）
入渗速率
Initial infiltration rate中期（10 min）
入渗速率
Mid-term infiltration rate稳定（25 min）
入渗速率
Stable infiltration rateCK 39.0±3.5Aab 19.9±0.6Aa 11.4±0.1Aa E1 41.3±4.8Aab 15.2±0.8BCbc 10.1±0.3Bb E2 34.0±1.5Ab 16.8±0.0Bb 10.9±0.0ABa A1 49.3±4.8Aab 13.0±0.4Cd 8.2±0.2Cc A2 52.0±6.4Aa 14.6±0.4BCcd 8.9±0.4Cc
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表 4 蚯蚓培养后土壤的理化性质
Table 4 Properties of soil in presence of earthworms
处理
TreatmentspH 电导率
EC/
（μs·cm−1）有机碳
SOC/
（g·kg−1）总氮
TN/
（g·kg−1）有效磷
AP/
（g·kg−1）有效钾
AK/
（g·kg−1）砂粒
Silt/%粉粒
Powder/%黏粒
Clay/%CK 7.65±0.04Bb 786.35±173.10Aa 18.68±0.00Bb 2.27±0.13Aa 0.39±0.01Aa 0.57±0.02Aab 83.4±1.0Aa 9.2±0.3Bb 7.5±1.2Bb E1 7.45±0.04Cc 684.52±109.68ABab 19.49±0.00Bb 2.53±0.26Aa 0.36±0.02Aa 0.56±0.02Aab 72.8±1.0Bb 15.6±0.4Aa 11.7±1.1Aa E2 7.61±0.04Bb 522.57±156.88ABbc 19.34±0.00Bb 2.43±0.04Aa 0.37±0.03Aa 0.44±0.03Ab 72.0±0.7Bb 15.8±0.3Aa 12.2±0.5Aa A1 7.60±0.06Bb 363.32±78.06Bc 19.52±0.00Bb 2.33±0.21Aa 0.27±0.03Bb 0.61±0.04Aa 72.3±0.6Bb 15.7±0.9Aa 12.0±0.9Aa A2 7.79±0.02Aa 516.12±109.52ABbc 25.69±0.00Aa 2.31±0.22Aa 0.26±0.24Bb 0.49±0.20Aab 73.2±1.6Bb 14.2±1.5Aa 12.7±0.1Aa
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表 5 土壤入渗能力与其影响因子的相关性分析
Table 5 Correlation between water infiltration of soil and various affecting factors
入渗特征
Infiltration characteristicspH 电导率EC 有机碳SOC 总氮TN 有效磷AP 有效钾AK 砂粒
Sand粉粒
Powder黏粒
Clay初始（1 min）入渗率
Initial infiltration rate0.205 −0.418 0.341 0.126 −0.522* 0.422 −0.205 0.127 0.286 中期（10 min）入渗率
Mid-term infiltration rate0.019 0.560* −0.289 0.046 0.788** −0.079 0.794** −0.765** −0.751** 稳定（25 min）入渗率
Stable infiltration rate−0.148 0.664** −0.367 0.115 0.820** −0.267 0.565* −0.522* −0.563* 25 min累积入渗量
Accumulative infiltration−0.189 0.644** −0.417 0.147 0.858** −0.270 0.601* −0.559* −0.595* 表中“*”表示 P＜0.05;“**”表示 P＜0.01。
"*" indicates significant difference at 0.05 level; "**" indicates significant difference at 0.01 level.
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表 6 不同蚯蚓处理下Philip和Kostiakov入渗模型拟合结果
Table 6 Fitting of Philip and Kostiakov models on water infiltration of soil under earthworm treatments
处理
TreatmentPhilip模型 Philip model Kostiakov模型 Kostiakov model S A RMSE/mm GMER R2 K n RMSE/mm GMER R2 CK 64.18Aa −20.47Bb 12.61 2.68 0.975 41.38ab 0.64Aa 19.21 2.73 0.981 E1 53.46Bc −18.03Bb 4.97 2.72 0.996 39.52ab 0.57Aa 6.50 2.72 0.996 E2 59.04Ab −23.35Bb 8.66 2.68 0.988 35.45b 0.65Aa 16.87 2.73 0.981 A1 35.04De 19.69Aa 3.12 2.71 0.998 48.83a 0.43Bb 2.36 2.72 0.999 A2 41.38Cd 16.74Aa 5.63 2.71 0.995 52.28a 0.45Bb 4.80 2.72 0.998
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1. 原志敏, 卓锦德, 董阳, 林德海. 采矿损毁土地土壤重构研究进展. 洁净煤技术. 2025(S1) 
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