土壤重金属污染与土壤动物群落结构的关系研究

　　土壤是生态环境系统中物质交换与能量流通的重要枢纽，其中土壤动物在土壤物质能量迁移转化过程中具有特殊的作用。但随着人类活动对环境影响的日益加剧，大量原生植被遭到破坏，污染物质在土壤中不断富集，土壤动物的生存繁殖受到严重的威胁[1].其中，重金属污染尤为严重。土壤动物是土壤生态系统中极其重要的组成成分，在分解动植物残体、土壤的形成与发育、改变土壤理化性质、土壤物质迁移与能量转化等方面有着十分重要的作用；另外，土壤动物对周围环境的变化比较敏感，且其活动性差，易获得标本，是监测土壤污染的理想指示生物，因此，成为土壤污染评价的替代指标或者间接指标[2-3].目前，关于土壤重金属污染与土壤动物群落结构的关系研究报道较少[4-5].鉴于此，本研究对淮南几个煤矿和发电厂、灰场等样地进行调查，探讨了土壤重金属污染对土壤动物群落结构的影响，以期为治理重金属污染与恢复污染区的生态系统提供相关的科学依据。

　　1材料和方法

　　1.1研究区概况

　　研究区位于淮南市境内（116°21'05″~117°12'30″E、32°23'20″~33°00'26″N），淮南是中国能源之都、华东工业粮仓、安徽省重要的工业城市，境内有多家煤矿和发电厂。

　　1.2样品采集

　　于2014年6月在淮南市境内选取8个样地，A:洛河电厂，B:洛河电厂的灰场边，C:顾桥煤矿，D:顾北煤矿，E:舜耕山，F:淮化集团，G:潘一矿，H:田集电厂。在各样地取4个中小样点和1个手拣大样。

　　在选定地点设置30cm×30cm的样方，用取土环刀（容积为100cm3）在4个角和2条对角线交点（中心）处设点取样，采4层（0~5cm、5~10cm、10~15cm、15~20cm）取中小样。并在该区域随机选取一个10cm×10cm的大样采集点，先去掉枯枝落叶层后，同样采集4层，以供手拣。将取土环刀内的土挖进预先贴好标签的小布袋内。小样采用Tullgren干漏斗法收集动物，大样当场进行手拣，将所有看到的土壤动物放入贴好标签的瓶子中，并随中小样一起在体视镜下分拣。然后，进行采样点土壤动物的分类与计数[6].随后，对采集完土壤动物的土壤样品进行重金属元素含量的测定。

　　1.3测定项目及方法

　　对8个采样点采集的土样，进行风化、研磨并过0.15mm尼龙筛，再把土样采用硝酸-盐酸-双氧水湿式消化法处理，Cd、Cu含量采用石墨炉原子吸收分光光度法测定，Cr、Pb含量采用火焰原子吸收分光光度法测定，Hg、As含量采用原子荧光光谱法测定。

　　1.4土壤重金属污染评价

　　采用内梅罗综合污染指数法进行土壤重金属综合污染评价，具体计算公式[7]如下：

　　式中，Pi是重金属i的污染指数，Ci是重金属i的实际测量值，Si是重金属i的背景值，P综为内梅罗综合污染指数，Pimax为单因子污染指数中的最大值，Piave为土壤所有单因子污染指数的平均值。Pi≤1,说明土壤未受污染，处于清洁水平；1<Pi≤2,说明土壤受轻度污染；2<Pi≤3,说明土壤受中度污染；Pi>3,说明土壤受重度污染[8-9].

　　P综≤0.7,说明土壤清洁；0.7<P综≤1.0,说明土壤污染程度到达警戒线；1.0<P综≤2.0,说明土壤污染程度为轻度污染；2.0<P综≤3.0,说明土壤污染程度为中度污染；P综>3.0,说明土壤污染程度为重度污染[8-9].

　　1.5土壤动物群落的多样性指数、均匀性指数和优势性指数评价

　　土壤动物群落多样性指数（H）采用Shannon-Wiener多样性指数法计算[10],公式如下：

　　土壤动物群落的均匀性指数（E）采用Pielou均匀性指数法计算[11],公式如下：

　　土壤动物群落的优势性指数（C）采用Simpson优势性指数法计算[12]，公式如下：

　　式中，N是样品中所有物种的总个体数，ni是第i种物种的个体数，S是样品中物种种类总数。动物多样性指数相关性分析采用简单相关系数法计算。

　　2结果与分析

　　2.1土壤重金属含量状况

　　由表1可知，各样地都不同程度地受到了重金属污染，但6种重金属元素的污染程度不同。对于As来说，仅B、E、H样地未受污染，D样地受到重度污染，其他样地受到轻度污染；对于Cd来说，仅E、H样地未受污染，F样地受到重度污染，其他样地受到轻度污染；所有样地均受到Cu污染，F、G样地分别受到重度、中度污染，其他样地均受到轻度污染；所有样地均受到Cr污染，E样地受到轻度污染，其他样地均受到重度污染；对于Pb来说，仅A、B样地未受到污染，C、H样地受到轻度污染，D、G样地受到中度污染，F样地受到重度污染；对于Hg来说，仅A、B样地受到轻度污染，其他样地均未受到污染。

　　根据综合污染指数，样区E为轻度污染区，样区A、B、C、D、F、G、H为重度污染区。

　　2.2土壤动物群落组成及分布特点

　　由表2可知，对淮南市8个样地的土样分离提取土壤动物，共获得大中小型土壤动物1346个，23类，隶属4门8纲。其中，优势类群（个体数占总个体数的10%及以上）为隐翅类、螨类、膜翅类，共3类，占土壤动物全部捕获量的65.01%;常见类群（个体数占总个体数的1%~10%）为弹尾类、双翅类、鞘翅类、半翅类、唇足（蜈蚣）、蚯蚓类、双尾类、鞘翅（幼）共8类，占总捕获量的29.27%;优势类群和常见类群总共11类，占总捕获量的94.28%,是重金属样地土壤动物的主要组成部分，对于改善土壤的功能和结构有着重要的作用；其余的12类为稀有类群（个体数占总个体数1%以下），只占总捕获量的5.72%,是重金属污染样地的敏感性类群。

　　根据表1、表2可知，各样地重金属综合污染指数由小到大为：E<A<B<C<D<F<G<H,土壤动物的个体数由多到少为：E>A>C>H>D>G>F>B,类群数由多到少为：E>A>C>H>B>F>G>D.由此可以看出，随着样地土壤重金属综合污染指数的增大（重金属污染越严重），土壤动物的类群数与个体数总体呈减少的趋势。

　　2.3重金属污染对土壤动物群落多样性指数、均匀性指数和优势性指数的影响

　　生物多样性、均匀性以及优势性指数这3项指标是衡量生物群落结构的常用指数[13].从图1-3可以看出，综合污染指数以样地H最高，样地E最低；Shannon-Wiener多样性指数以样地E最高，样地H最低；Pielou均匀性指数以样地E最高，样地H最低；Simpson优势性指数以样地G最高，样地E最低。样地土壤动物群落的Shannon-Wiener多样性指数、Pielou均匀性指数的变化趋势总体上与土壤重金属综合污染指数相反；土壤动物群落的Simpson优势性指数的变化趋势总体上与土壤重金属综合污染指数一致。

　　2.4动物群落多样性指数、均匀性指数和优势性指数的相关性分析

　　由表3可知，Shannon-Wiener多样性指数与Pielou均匀性指数呈极显着正相关，与Simpson优势性指数呈极显着负相关，Pielou均匀性指数与Simp-son优势性指数呈显着负相关。

　　3结论与讨论
　　
　　在煤炭的生产以及火力发电等工业生产过程中产生的由煤炭衍生的各种废弃物长期堆放和填充对周围土壤环境造成了不同程度的重金属污染。王丽等[14]通过对陕西神木煤矿区土壤重金属污染特征进行研究发现，矿区周围土壤受到了不同程度的重金属累积性污染，土壤中Ni、Cd含量普遍高于陕西土壤背景值。本研究对淮南市煤矿、电厂周围的土壤重金属含量分析发现，所有样地均受到Cr、Pb的污染，分别有5、6个样地受到了Cd、Cu的污染，从综合污染指数来看，E样地受到轻度污染，其他样地均受到重度污染，这表明长期煤炭资源的开发运输和火力发电等活动导致周围土壤受到了不同程度的重金属累积性污染[15].
　　
　　土壤动物群落结构以及多样性的变化可作为土壤环境质量评价和土壤污染监测的指标和依据[16].本研究结果表明，综合污染指数越大（重金属污染越严重），土壤动物的类群数和个体数总体越小。淮南市样点土壤动物优势种为隐翅类、螨类、膜翅类3类，占全部土壤动物捕获量的65.01%,而在孙贤斌等[4]的研究中，土壤动物的优势种为弹尾类、螨类、线虫类3类，占全部土壤动物捕获量的74%.
　　
　　产生这种差异的原因可能与重金属污染元素种类及污染程度、污染时间以及化学农药肥料的使用等因素有关[17].样地土壤动物群落的Shannon-Wiener多样性指数、Pielou均匀性指数的变化趋势总体上与土壤重金属综合污染指数相反；土壤动物群落的Simpson优势性指数的变化趋势总体上与土壤重金属综合污染指数一致。这可能是因为随着土壤重金属污染程度的增加，动物的生存环境遭到严重的破坏，导致土壤中绝大部分动物死亡，少部分耐受重金属的种类存活下来，形成新的优势种群，致使土壤动物的总数、种类数和每种个体数均减少，因此多样性指数与均匀性指数会降低，优势性指数会增加[18-19].总体上，土壤动物群落的多样性指数变化趋势与均匀度指数变化趋势相似，与优势度指数变化趋势相反，这与前人[20]研究结果类似。

　　参考文献：
　　[1]王振中，张友梅，邢协加。土壤环境变化对土壤动物群落影响的研究[J].土壤学报，2002,39（6）：892-897.
　　[2]王雪峰。冶炼厂周围重金属污染土壤生物指示研究[D].大连：辽宁师范大学，2008.
　　[3]孙贤斌，李玉成。淮南煤矿废弃地重金属污染对土壤动物群落的影响[J].生态学杂志，2014,33（2）：408-414.
　　[4]孙贤斌，李玉成，张小平，等。淮南市重金属污染对土壤动物群落和多样性影响研究[J].生态学杂志，2005,24（10）：1163-1166.
　　[5]孙贤斌，刘红玉，李玉成，等。重金属污染对土壤动物群落结构及空间分布的影响[J].应用生态学报，2007,18（9）：2080-2084.