重金屬鉛對(duì)土壤動(dòng)物群落的影響

周煥新

（太原科技大學(xué)環(huán)境與安全學(xué)院，山西太原030024）

土壤重金屬污染是土壤污染中最嚴(yán)重的問題。我國重金屬的污染源主要來自礦山冶煉、污水灌溉、污泥施肥和未經(jīng)處理的污水直接流入地表徑流形成的滲透等[1]。由于重金屬污染具有累積性、不可逆性、長期性、吸附性等，這一領(lǐng)域一直是國內(nèi)外環(huán)境科學(xué)和生態(tài)學(xué)等研究的熱點(diǎn)[2-3]。在土壤生態(tài)系統(tǒng)中，土壤動(dòng)物和微生物一直是改善土壤質(zhì)量的主力軍，尤其是土壤動(dòng)物對(duì)改善土壤結(jié)構(gòu)和土壤質(zhì)地類型有著不可估量的功績。土壤動(dòng)物雖然數(shù)量大、種類多，但其活動(dòng)范圍小、對(duì)重金屬污染敏感等制約著其對(duì)土壤質(zhì)地的改造。國外已有一些關(guān)于土壤動(dòng)物作為土壤生態(tài)指標(biāo)方面的報(bào)道，而我國主要研究的是污染區(qū)內(nèi)重金屬離子對(duì)作物的影響，很少見對(duì)單一污染物的研究。

本研究以盆栽試驗(yàn)，采取不同鉛濃度對(duì)土壤動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)及其生態(tài)指標(biāo)進(jìn)行干預(yù)，以分離土壤動(dòng)物個(gè)體在不同鉛濃度下的土壤動(dòng)物群落的數(shù)量并加以分析。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)土壤取自太原市杏花嶺區(qū)國營苗圃地10 cm處表土層，土壤動(dòng)物豐富，土壤pH為7.54，有機(jī)質(zhì)含量1.35%。土壤顆粒結(jié)構(gòu)組成：中粒8.55%，粉粒82.46%，黏粒8.99%。土壤為壤土，質(zhì)地肥沃，腐殖質(zhì)含量高，有利于試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)。土壤采集后，捏碎過5 mm篩，除去石塊和植物殘?bào)w等雜質(zhì)，混合均勻備用。稱取30 kg新鮮土樣進(jìn)行處理：對(duì)照（不加硫酸鉛溶液），設(shè)污染指數(shù)為 Pi＜1，Pi=2，Pi=5，Pi=9，Pi=13 的加硫酸鉛溶液的5個(gè)鉛處理。污染指數(shù)計(jì)算公式為：

式中，Pi為單項(xiàng)污染指數(shù)，Ci為實(shí)測污染元素值與環(huán)境背景值之差；X為環(huán)境背景值的平均值；S為標(biāo)準(zhǔn)離差，Xa為環(huán)境背景值的平均值加雙倍標(biāo)準(zhǔn)離差。山西省鉛污染的環(huán)境背景值為14.7 mg/kg。

土樣處理完后，分裝在30 mm×50 mm的營養(yǎng)缽中，播植三葉草，并定時(shí)澆蒸餾水，保持營養(yǎng)缽中三葉草生長量基本相同。

1.2 土壤動(dòng)物分離提取

用6聯(lián)鋁制土壤動(dòng)物分離漏斗將土壤動(dòng)物從樣品中分離出來。將土壤從營養(yǎng)缽中取出后，立即帶回實(shí)驗(yàn)室，裝入孔徑為2 mm的烘蟲篩中，下接裝有75%乙醇溶液的燒杯，根據(jù)溫度梯度，再在烘蟲箱中烘驅(qū)48 h后進(jìn)行收集，使土壤中動(dòng)物全部分離到乙醇燒杯中，在實(shí)驗(yàn)室用奧林巴斯解剖鏡進(jìn)行分類整理[5]。

1.3 土壤重金屬鉛含量的測定

每次取土壤動(dòng)物樣品時(shí)，同時(shí)取土壤農(nóng)化分析樣品，經(jīng)干燥箱風(fēng)干，研磨后過0.149 mm尼龍篩。然后分別稱取土樣5.00 g置于6個(gè)100 mL的塑料杯中，加蒸餾水50 mL，恒溫（25℃）振蕩2h，在恒溫培養(yǎng)箱靜置24h后取出，以4500 r/min離心15 min。用石墨爐原子吸收法（GF-AAS）測定各溶液中鉛的濃度C1[6-7]。

土壤中鉛的吸附量計(jì)算：S=W（C0-C1）/m

式中，S為土壤對(duì)重金屬離子的吸附量（mg/kg）；C0為加入土壤中鉛的平衡濃度（mg/L）；C1為土壤溶液中鉛的平衡濃度（mg/L）；W為加入土壤中溶液的質(zhì)量（g）；m為供試土樣的干土質(zhì)量（g）[8]。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤中不同處理重金屬鉛的污染水平

取樣風(fēng)干后處理，分別測定土壤有效鉛濃度（表1）。根據(jù)污染指數(shù)劃分：Pi＜1.0為未污染，1.0～2.5為輕污染，2.5～5.0為中度污染，5.0～7.5為偏重污染，7.5～10為重污染，大于10為嚴(yán)重污染[9-10]。結(jié)合表1可知，對(duì)照未污染，處理1為輕污染，處理2為中污染，處理3為偏重污染，處理4為重污染，處理5為嚴(yán)重污染。

表1 各處理中鉛含量和污染指數(shù)

2.2 不同濃度鉛污染對(duì)土壤動(dòng)物群落的影響

6個(gè)處理取樣共獲取土壤動(dòng)物1 790只，共11類。其中，對(duì)照含10類，處理1含7類，處理2含5類，處理3含8類，處理4含4類，處理5含4類（表2）。

表2 不同鉛濃度對(duì)土壤動(dòng)物群落的影響

由表2統(tǒng)計(jì)可知，隨著污染處理濃度的加 大，各處理所測得的土壤動(dòng)物數(shù)量減少，種類數(shù)減少趨勢加強(qiáng)，處理5只有蜱螨目（Acari）、彈尾目（Collembola）和膜翅目（Hymenoptera）生存，線蟲少量。由此說明，蜱螨目（Acari）、彈尾目（Collembola）和膜翅目（Hymenoptera）在處于高鉛濃度下部分仍能存活，線蟲在高濃度鉛污染環(huán)境中也可能部分成活（因試驗(yàn)設(shè)計(jì)環(huán)境下線蟲分離較少，所以不能直接判斷高濃度鉛污染下線蟲的存活情況）。從表2還可以看出，隨處理濃度的加大，土壤動(dòng)物死亡加劇，由此可判斷土壤動(dòng)物處于嚴(yán)重中毒狀態(tài)下不能生存。蜱螨目（Acari）、彈尾目（Collembola）和膜翅目（Hymenoptera）是優(yōu)勢種，它們分別占捕獲量的47.21%，11.79%和35.36%。同翅目（Homoptera）和線蟲（Nematoda）是常見種，分別占捕獲量的3.02%和1.01%。線蚓（Enchytraeidae）、鞘翅目（Coleoptera）、鱗翅目（Lepidoptera）、隱翅甲科（Staphylinidae）、蚯蚓（Spider）、蜘蛛（Spider）是稀有種[11]。

2.3 不同濃度鉛污染對(duì)土壤動(dòng)物生態(tài)指標(biāo)的影響

在衡量土壤生態(tài)學(xué)指標(biāo)過程中，種類的豐富度、個(gè)體的數(shù)量、均勻度指數(shù)、多樣性指數(shù)4個(gè)群落參數(shù)是人們常用的生物評(píng)價(jià)指標(biāo)[12-14]。其中，種類的豐富度是用所得土壤動(dòng)物種類數(shù)量表示；個(gè)體數(shù)是用每平方米土壤動(dòng)物的個(gè)數(shù)表示；多樣性指數(shù)用求得；均勻度指數(shù)采用Pielou均勻度指數(shù)公式J=H/1nS計(jì)算。其中，Hi是物種i在所有S種的比例，H為多樣性指數(shù)，S為種類數(shù)。

從表2還可以看出，土壤動(dòng)物的數(shù)量受鉛濃度的影響很大，隨著鉛濃度的加大，土壤動(dòng)物的死亡率增加，同時(shí)土壤動(dòng)物的個(gè)體數(shù)降低。滅亡的種類主要是土壤動(dòng)物的稀有種和部分優(yōu)勢種，即這些滅亡種對(duì)重金屬鉛非常敏感。群落指標(biāo)與鉛濃度相關(guān)性分析（表3）表明，種類數(shù)、均勻度指數(shù)都與鉛濃度的指標(biāo)呈顯著負(fù)相關(guān)，說明重金屬污染領(lǐng)域能夠運(yùn)用群落指標(biāo)來進(jìn)行測定，同時(shí)也為其他重金屬污染的測定奠定了相應(yīng)的基礎(chǔ)。

表3 生物評(píng)價(jià)指標(biāo)與鉛濃度的相關(guān)性分析

2.4 不同濃度鉛污染對(duì)彈尾目昆蟲的影響

國外許多報(bào)道認(rèn)為，彈尾目昆蟲是土壤污染評(píng)價(jià)的良好指示生物，本試驗(yàn)也從土壤樣本中分離出彈尾目8個(gè)屬。其中，線等跳屬（Isotomurus）、棘跳屬（Onychiuridae）、長跳屬（Entomobrya）分別占捕獲量的42.18%，29.86%，21.80%。圓跳屬（Sminthuridae）、鱗長跳屬（Lepidocyrtus）為常見屬，分別占捕獲量的2.36%和1.90%。土跳屬（Tullbergia）、德跳屬（Desoria）和針圓跳屬（Sphyrotheca）為稀有屬，分別占捕獲量的0.95%，0.47%和0.47%（表4）。

綜合表4得出，線等跳屬（Isotomurus）和棘跳屬（Onychiuridae）對(duì)鉛的污染反應(yīng)敏感，長跳屬（Entomobrya）對(duì)鉛的污染反應(yīng)遲鈍[11]。

表4 彈尾目（Collembola）跳蟲種類及數(shù)量

3 結(jié)論與討論

本試驗(yàn)結(jié)果表明，土壤動(dòng)物以蜱螨目（Acari）、膜翅目（Hymenoptera）和彈尾目（Collembola）為優(yōu)勢種群[11]，分別占捕獲量的47.21%，35.36%和11.79%。隨鉛濃度的增加，土壤動(dòng)物的數(shù)量急劇減少（種類減少是造成個(gè)體減少的前提）。土壤動(dòng)物種類數(shù)與重金屬污染指數(shù)之間呈顯著負(fù)相關(guān)，種類均勻度指數(shù)、多樣性指數(shù)與污染指數(shù)之間呈顯著負(fù)相關(guān)，因此，多樣性指數(shù)、種類數(shù)、均勻度指數(shù)和個(gè)體數(shù)可作為衡量土壤鉛中毒的生態(tài)學(xué)指標(biāo)。

對(duì)彈尾目研究來看，線等跳屬（Isotomurus）和長跳屬（Entomobrya）對(duì)鉛污染極敏感，而棘跳屬（Onychiuridae）對(duì)鉛污染遲鈍，因此，線等跳屬（Isotomurus）和長跳屬（Entomobrya）可以作為鉛污染的指示性生物[11]。

本試驗(yàn)周期短，可能會(huì)造成彈尾目中個(gè)別屬未來得及適應(yīng)鉛濃度而立即死亡，也可能是個(gè)別屬能夠很快地適應(yīng)高鉛濃度下的生境；彈尾目中個(gè)別屬可能對(duì)鉛污染不敏感。這2種情況有待于在以后的試驗(yàn)中深入研究。

［1］Hen H M，Zheng C R，Tu C.Heavy metal pollution in soils in Chian:Status and countermeasure[J].Ambio，1999，28（2）：130-134.

［2］劉俊平.山西省農(nóng)田重金屬污染生物防治研究 [J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36（6）：16-17.

［3］楊良柱，武麗.植物修復(fù)在重金屬污染土壤中的應(yīng)用概述[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36（12）：132-134.

［4］Yin WY.Subtropic Soil Animals ofChina[M].Beijing：Science Press，1992：75-95.

［5］宗良綱，丁園.土壤重金屬（Cu，Zn，Cd）復(fù)合污染的研究現(xiàn)狀[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)，2001，20（2）：126-128.

［6］Eduard Belotti.Assessment of soil quality criterion by means of a field survey[J].Applied Soil Ecology，1998，10：51-63.

［7］史崇文，趙靈芝，郭新波，等.山西省土壤元素背景值分布及其影響因素[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)，1996，15（1）：24-28.

［8］Nu R K.Methods of Soil Agrochemistry Analysis[M].Beijing：China Agriculture and TechnologyPress，1999.

［9］周啟星.復(fù)合污染生態(tài)學(xué) [M].北京：中國環(huán)境出版社，1995：5-6.

［10］Den J F，Wang Z Z，Xing X J.Aresearch on the ecological effect ofthe soil animals communitybythe heavymetal pollution[J].China Environment Science，1996，17（2）：1-5.

［11］尹文英.中國土壤動(dòng)物檢索圖鑒[M].北京：科學(xué)出版社，1998.

［12］Trublayevich Zh N，semenova Ye N.The population of small arthropods as indicator of soil pollution [J].Eurasian soil sience，1994，26（9）：120-125.

［13］Drinkwater L E，Letourneau D K，Workneh F，et al.Fundamental differences between conventional and organic tomato agro ecosystems in California[J].Ecological Applications，1995，5（4）：1098-1112.

［14］Filser J.Effects of previous intense agricultural management on microorganisms and the biodiversity of soil fauna[J].Plant and Soil，1995，170（1）：123-129.