不同土壤生境斑茅根系下土壤動物多樣性

黃紅英 ，徐 劍 ，黃志宏 ，白 音，張偉群 ，安超華 ，王曉維 ，李 婷

不同土壤生境斑茅根系下土壤動物多樣性

黃紅英1，徐 劍1，黃志宏2，白 音1，張偉群3，安超華1，王曉維1，李 婷1

(1.韶關(guān)學(xué)院 英東生命科學(xué)學(xué)院，廣東 韶關(guān)512005；2. 中南林業(yè)科技大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙，410004；3韶關(guān)市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，廣東 韶關(guān)512029)

為評價斑茅對重金屬污染土壤的復(fù)墾潛力，2011年6月分別對韶關(guān)礦區(qū)新溫屋村和簡屋村（分別對應(yīng)于正在生產(chǎn)中的銅鐵礦和鉛鋅礦附近）、下塘村（位于停產(chǎn)25年的鎢礦附近）和無礦場污染的桐子坪村這4個樣地的斑茅Saccharum arundinaceum進行土壤pH、土壤重金屬、斑茅重金屬及根系下土壤動物群落結(jié)構(gòu)調(diào)查分析。研究結(jié)果如下：土壤pH從小到大的排序是：新溫屋村（3.84）＜下塘村（5.74～6.07）＜桐子坪村（7.23）＜簡屋村（7.24）；綜合污染指數(shù)結(jié)果是：簡屋村（31.54）＞下塘村（25.01～27.01）＞新溫屋村（7.33）＞桐子坪村（1.12）；斑茅對Cu富集系數(shù)結(jié)果是：新溫屋村（6.16）＞桐子坪村（4.71）＞下塘村（0.77～2.50）＞簡屋村（0.29）；土壤動物群落多樣性結(jié)果是：Shannon-Wiener多樣性指數(shù)（H）和Simpson優(yōu)勢度指數(shù)（C）：桐子坪村＞下塘村＞簡屋村＞新溫屋村；Pielou均勻性指數(shù)（E）：桐子坪村＞新溫屋村＞簡屋村＞下塘村；Jaccard相似性指數(shù)結(jié)果：地處污染源附近的銅鐵礦污染的新溫屋村與鉛鋅尾礦污染的簡屋村的相似數(shù)指數(shù)為71.43%，而停產(chǎn)鎢礦的下塘村和無礦場的桐子坪村相似數(shù)指數(shù)為60%，且二類樣地間兩兩相似性指數(shù)均達到中等程度不相似，其值在25%和30%之間。本研究表明，斑茅根系下土壤動物的群落結(jié)構(gòu)及多樣性受礦區(qū)污染的影響明顯，多樣性指數(shù)隨污染程度加重而遞減；土壤綜合污染嚴重、土壤強酸性和灌溉水的持續(xù)污染是造成土壤動物多樣性下降的主要因素；斑茅對重金屬的富集能力的大小與其根系下土壤動物群落結(jié)構(gòu)多樣性關(guān)系不大。

；斑茅；根系；重金屬污染；土壤動物群落結(jié)構(gòu)；土壤動物多樣性

廣東韶關(guān)蘊含豐富的礦產(chǎn)資源，是我國重要的礦產(chǎn)基地。采礦、選礦和冶煉產(chǎn)生的富含硫（S）、鎘(Cd)、銅(Cu)、鋅(Zn)、鉛(Pb)等多種重金屬的礦山廢水是導(dǎo)致附近農(nóng)田和水體嚴重污染的主要原因[1]，迫使很多農(nóng)田被棄耕，生產(chǎn)的糧食作物重金屬含量嚴重超標，給周圍居民身體健康帶來威脅。韶關(guān)地區(qū)由于礦廠污染導(dǎo)致環(huán)境惡化引起了許多學(xué)者的關(guān)注，主要對大寶山礦[2-4]和鉛鋅礦[5-7]土地污染發(fā)生機制[8-10]、污染評價體系[11-13]、綜合治理修復(fù)[14-16]鉛鋅尾礦恢復(fù)植物調(diào)查[17-19]、大寶山礦污染土壤超富集植物篩選[20]和污染土壤動物群落結(jié)構(gòu)[21-22]等方面開展了研究。斑茅是韶關(guān)地區(qū)撂荒地及污染棄耕農(nóng)田常見的優(yōu)勢植物，斑茅在強酸性重金屬符合污染土壤中對Cd、Pb和Zn有富集優(yōu)勢外還是Cu的超富集植物[20]。本次研究對銅鐵礦、鎢礦、鉛鋅礦和無礦場污染不同土壤生境下的斑茅進行根系下的土壤動物群落結(jié)構(gòu)及多樣性的調(diào)查，旨在為了評價斑茅修復(fù)潛力提供土壤生態(tài)的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣地選擇

2011年6月選取銅鐵礦（新溫屋村）、鎢礦（下塘村）、鉛鋅尾礦（簡屋村）及無采礦場（桐子坪村）不同土壤背景下的斑茅，所選斑茅的生境有棄耕農(nóng)田（污染和未污染）、同一污染源不同耕作（棄耕和撂荒）河灘及尾礦庫岸邊土壤；土壤類型有水稻壤、沙質(zhì)土和紅壤3種。

1.2 取樣與理化分析方法

每個樣地采用對角線法挖取6株斑茅，計數(shù)每株斑茅的分蘗株數(shù)、測量株高和根系長度，采用50 cm×50 cm土壤環(huán)刀四分法取6份斑茅根系土壤樣品。

1.2.1 土壤處理與植物處理

取自不同樣地的土壤樣品進行室溫風(fēng)干，四分法取部分樣品用研缽搗碎，過100目篩后保存在干燥器皿中備用。所用容器使用前均用20%的HNO3浸泡24 h以上做凈化處理，以避免樣品遭受各種可能性污染。

不同樣地采集的斑茅分地上部分和地下部分進行漂洗、殺青、干燥和研磨。漂洗用自來水充分沖洗后，經(jīng)蒸餾水洗凈，再用去離子水沖洗；殺青采用恒溫干燥箱在105 ℃條件下烘30 min，干燥采用恒溫干燥箱在70 ℃下烘至恒重，研磨并經(jīng)100目篩后保存在干燥器皿中備用。

1.2.2 土壤及植物分析方法

土壤重金屬含量采用鹽酸∶硝酸∶高氯酸的體積比為5∶5∶2的消解方法；植物樣品的重金屬含量采用硝酸∶高氯酸的體積比為4∶1的消解方法；消解后土壤和植物樣品用火焰原子吸收分光光度計(日立Z-2300，±0.001 mg·kg-1)行測定，Cd、Pb、Cu和Zn的波長分別為22 818、28 313、32 418 和21 318 nm，每樣測定重復(fù)3次。土壤和水pH采用PHS-3C型pH計測定，土液質(zhì)量比1:2.5。以中華人民共和國國家土壤環(huán)境質(zhì)量標準（GB15618-1995）(土壤pH＜6.5, 土壤環(huán)境質(zhì)理標準值（ mg·kg-1）是： Cd≤0.3，Cu≤50，Pb≤ 250，Zn≤ 200； 土 壤 pH 在 6.5～ 7.5的標 準 值 是： Cd≤ 0.6，Cu≤ 100，Pb≤ 300，Zn≤250)和農(nóng)田灌溉水質(zhì)標準（GB5084-92）（旱作pH5.5～8.5）進行對比分析。

1.2.3 土壤動物分離和鑒定

土壤動物分離——采樣時，手揀收集大型土壤動物（體長2～20 mm），固定保存在75%的酒精中；采用干漏斗法（Tullgren法）[16]分離中（體長0.2～2.0 mm），小（體長0.2 mm以下）型土壤動物。

土壤動物鑒定——中小型土壤動物分離收集后，在體式顯微鏡（MOTICst-39）下觀察計數(shù)，并根據(jù)土壤動物分類方法進行分類鑒定，一般土壤動物鑒定到類群（綱、目）水平[24-25]。土壤動物中幼體個體較多，且幼體與成體的生態(tài)位不同，因而將幼體和成體分開單列[16]。本調(diào)查不包括線蟲。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

1.3.1 土壤重金屬污染指標

土壤綜合污染指數(shù)（PI）用公式（1）。

式（1）中：(Ci/Si)2max為土壤污染物中污染指數(shù)最大值；(Ci/Si)2ave為土壤污染中污染指數(shù)的平均值。其中，PI≤0.7，污染等級為1級（安全）；0.7＜PI≤1，污染等級為2級（警戒線）；1＜PI≤2，污染等級為3級（輕污染，土壤輕污染、作物開始受到污染）；2＜PI≤3，污染等級為4級（中污染，土壤作物均受到中等污染）；PI＞3，污染等級為4級（重污染，土壤作物均受污染已相當(dāng)嚴重）[23]。

植物富集重金屬的評價方法用公式（2）。

1.3.2 土壤動物群落多度分析

土壤動物的多度按以下標準劃分：個體數(shù)量占總捕獲量10.00%以上者為優(yōu)勢類群； 1.00%～10.00%者為常見類群；不足1.00%者為稀有類群[26-27]。

土壤動物群落多樣性分析[26-27]采用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)（H）、Simpson優(yōu)勢度指數(shù)（C）和Pielou均勻性指數(shù)（E），具體采用公式（3）～（5）。

式中：H為多樣性指數(shù)，Pi為物種i占動物總個體數(shù)N的比例，即Pi=ni/N。

式中：S為動物種數(shù)。

土壤動物群落相似度分析 Jaccard相似性指數(shù)采用公式（6）。

式中：c為2個群落共有類群數(shù)；a和b分別為2個群落中的其中某一個群落樣地A和樣地B的類群數(shù)。75%～100%極相似；50%～74%中等相似；25%～49%中等不相似；0%～24%極不相似[16]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同樣地斑茅根系下土壤pH、土壤重金屬含量及斑茅中重金屬富集系數(shù)分析

不同樣地斑茅根系下土壤pH、土壤重金屬含量及斑茅富集系數(shù)見表1. 按照斑茅根系土壤酸堿度排序：簡屋村＞桐子坪村＞下塘村＞新溫屋村，按多重金屬綜合污染指數(shù)大小排序：簡屋村＞下塘村＞新溫屋村＞桐子坪村，按斑茅富集系數(shù)超過1重金屬種類多少排序：新溫屋村＞桐子坪村＞下塘村＞簡屋村。

2.2 同一植物不同土壤生境下土壤動物的群落結(jié)構(gòu)特點

2.2.1 斑茅根系下土壤動物的群落結(jié)構(gòu)特點

5個樣地分離360份土壤樣品共鑒定697只動物，分屬2門（節(jié)肢動物門、環(huán)節(jié)動物門）9綱（蛛形綱Arachnida、彈尾綱Parainsecta、昆蟲綱Nsecta、倍足綱Diplopoda、軟甲綱Malacostraca、雙尾綱Diplura、綜合綱Symphyla、唇足綱Chilopoda、寡毛綱Oligochaeta）16目（蜱螨目Acarina、蜘蛛目Araneida、等足目Isopoda、雙尾目Diplura、彈尾目Collembola、膜翅目Coleoptera、盲蛛目Opiliones、偽蝎目Pseudoscorpionida、 雙 翅 目Diptera、 鞘 翅目Coleoptera、石蛃目Archaeognatha、半翅目Hempitera、同翅目Homoptera、原尾目Protura、纓翅目Thysanoptera和等翅目Isoptera）和3種昆蟲幼體（鞘翅目幼蟲Coleoptera larvae、雙翅目幼蟲Diptera larvae、鱗翅目幼蟲Lepidoptera larvae）。

2.2.2 同一植物不同土壤生境下土壤動物的群落結(jié)構(gòu)特點

同一植物不同土壤生境下土壤動物的群落結(jié)構(gòu)特點見表2。

表2 不同樣地斑茅根系下土壤動物群落結(jié)構(gòu)Table 2 Soil animal community structeum u. in different S. arundinaceum plots

同一植物不同土壤生境下構(gòu)成土壤動物群落結(jié)構(gòu)的類群組成及數(shù)量不同，從土壤動物群落結(jié)構(gòu)類群和數(shù)量看，下塘村河灘、下塘村旱地和桐子坪村棄耕農(nóng)田土壤動物豐富結(jié)構(gòu)復(fù)雜。依照土壤動物類群數(shù)：下塘村旱地＞下塘村河灘＞桐子坪村＞簡屋村＞新溫屋村，依照土壤動物個體數(shù)：下塘村河灘＞下塘村旱地＞桐子坪村＞簡屋村＞新溫屋村。從土壤動物群落結(jié)構(gòu)類群和數(shù)量看，下塘村河灘、下塘村旱地和桐子坪村棄耕農(nóng)田土壤動物豐富結(jié)構(gòu)復(fù)雜，簡屋村和新溫屋村結(jié)構(gòu)簡單，常見類群的減少。

不同樣地優(yōu)勢類群、常見類群和稀有類群組成有差別，其中，蜱螨目和膜翅目的螞蟻是5個樣地共有的優(yōu)勢類群；彈尾目在銅鐵礦、鉛鋅礦和無礦場污染的土壤是優(yōu)勢類群，在鎢礦污染土壤是常見類群；蚯蚓是無礦場污染的土壤是優(yōu)勢類群；蜘蛛目和鞘翅目是銅鐵礦、鉛鋅礦、鎢礦污染的土壤的常見類群，在無礦場污染的土壤沒有分布；3種昆蟲幼體、唇足綱、倍足綱、軟甲綱、雙尾綱和寡毛綱構(gòu)成停產(chǎn)的鎢礦和無礦場污染土壤的常見類群，寡毛綱構(gòu)成無礦場污染土壤的優(yōu)勢類群，綜合綱只出現(xiàn)在無礦場污染的壤。

2.3 同一植物不同土壤生境下土壤動物的多樣性特點

應(yīng)用Simpson優(yōu)勢度指數(shù)/Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Pielou均勻性指數(shù)對5個樣地斑茅根系下土壤動物群落多樣性的水平進行測定見表3。結(jié)果顯示:Shannon-Wiener多樣性指數(shù)差別明顯，最高的是下塘村旱地（3.00），依次為桐子坪村（2.86）、下塘村河灘（2.63）、簡屋村（1.93）和新溫屋村（1.69）；Simpson優(yōu)勢度指數(shù)在5個樣地差別不明顯，在最高的是桐子坪村（0.84）、下塘村旱地（0.78）、下塘村河灘（0.74）、簡屋村（0.69）和新溫屋村（0.68）；Pielou均勻度指數(shù)也是差別不明顯最高的是桐子坪村（0.77）、依次為新溫屋村（0.73）、下塘村旱地（0.70）、簡屋村（0.69）、下塘村河灘（0.63）。由于多樣性指數(shù)是反映群落豐富度和均勻度的綜合指標，綜合3個指數(shù)結(jié)果，下塘村和桐子坪村斑茅根系下土壤動物群落結(jié)構(gòu)和多樣性占優(yōu)勢，簡屋村和新溫屋村土壤動物群落結(jié)構(gòu)簡單多樣性指數(shù)低。

表3 不同樣地斑茅根系下土壤動物多樣性指數(shù)Table 3 Soil animal diversity index for S. arundinaceum root system under different plots

2.4 同一植物不同土壤生境下土壤動物組成的相似數(shù)

以不同植被下土壤動物類群數(shù)為基礎(chǔ)，對不同植被下土壤動物群落類群組成進行相似數(shù)矩陣表（見表4）。新溫屋村與簡屋村相似性指數(shù)高達71.43%，是因為2者土壤動物群落結(jié)構(gòu)簡單，優(yōu)勢類群（蜱螨目、彈尾目和膜翅目）占比例高常見類群和稀有類群少導(dǎo)致，桐子坪村與下塘村河灘（63.16%）、下塘村河灘與下塘村旱地（60.87%）和桐子坪村與下塘村旱地（60%）3組土壤動物群落間的共有度較高，達中等相似（50%～74%），中等相似的是優(yōu)勢類群（蜱螨目、彈尾目和膜翅目）、常見類群（鱗翅目幼蟲、鞘翅目幼蟲、鞘翅目等）在3種不同樣地間出現(xiàn)頻率高，群落間的差別主要是稀有群落的不同所致；新溫屋村與桐子坪村（28.57%）、新溫屋村與下塘村河灘（27.78%）、新溫屋村與下塘村旱地（26.32%）、桐子坪村與簡屋村（25%）、下塘村河灘與簡屋村（31.58%）、下塘村旱地與簡屋村（30%）等10組不同樣地組合中，6組斑茅根系下土壤動物群落間的共有度較低，為中等不相似（25%～49%），中等不相似占60%；不相似合計高達60%的原因在土壤綜合污染指數(shù)及土壤酸堿度不同導(dǎo)致土壤動物常見類群和稀有類群差別比較大，即不同土壤生境生長的斑茅根系下土壤動物的群落組成與結(jié)構(gòu)差別比較大。

表4 不同植物根系下土壤動物組成的相似數(shù)Table 4 Soil animal composition similarity for S. arundinaceum root system ufrom different plots /%

3 討 論

新溫屋村土壤強酸性（pH值3.84）和受到多金屬（Cd、Pb、Cu和Zn）混合重度（P綜7.33）污染，而且灌溉水來自山上的銅鐵礦采礦場，夾帶多種重金屬的礦山廢水源源不斷的流入棄耕農(nóng)田，是新溫屋村斑茅根系下土壤動物群落結(jié)構(gòu)簡單的原因；簡屋村鉛鋅礦尾礦庫土壤斑茅根系下土壤動物群落結(jié)構(gòu)簡單的主要原因是土壤的多金屬混合重度（P綜31.54）污染，簡屋村和新溫屋村斑茅根系下土壤動物群落結(jié)構(gòu)有著相似之處就是動物數(shù)量主要集中蜱螨目、彈尾目和膜翅目的螞蟻。水源來自停產(chǎn)鎢礦的下塘村不論是蜘蛛目和鞘翅目是銅鐵礦、鉛鋅礦、鎢礦污染的土壤的常見類群、在無礦場污染的土壤沒有分布，說明蜱螨目、螞蟻、蜘蛛目和鞘翅目在重金屬污染的耐受性方面就有優(yōu)勢，蚯蚓是桐子坪村棄耕農(nóng)田土壤的優(yōu)勢類群，新溫屋村和簡屋村斑茅根系土壤沒有蚯蚓分布，蚯蚓是土壤污染的生物指標再次得到證明[28]。土壤常見類群和稀有類群類群數(shù)及個體數(shù)稀少，是對污染物敏感的土壤動物種群減少或消失導(dǎo)致的結(jié)果，與施時迪[29-32]等的研究結(jié)果相符合。

4 結(jié) 論

1）不同土壤污染環(huán)境斑茅根系下土壤動物的群落結(jié)構(gòu)有差別，土壤綜合污染嚴重程度、土壤強酸性和灌溉水的持續(xù)污染是抑制土壤動物的主要因素。

2） 蜘蛛目和鞘翅目在耐多金屬污染有優(yōu)勢，綜合綱和蚯蚓可以作為土壤清潔度的指示動物。

3） 斑茅對重金屬的富集能力的大小與其根系下土壤動物群落結(jié)構(gòu)多樣性聯(lián)系不大。

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Soil animal diversity in Saccharum arundinaceum root system under different soil habitats

HUANG Hong-ying1, XU Jian1, HUANG Zhi-hong2, BAI Yin1, ZHANG Wei-qun3, AN Chao-hua1, WANG Xiao-wei1, LI Ting1
(1.College of Yingdong Life Science, Shaoguan University, Shaoguan 512005, Guangdong, China; 2.School of Life Science and Technology, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China; 3. Shaoguan Institute of Agricultural Science, Shaoguan 512029, Guangdong, China)

For evaluation of reclamation potential of Saccharum arundinaceum Retz. grown under heavy metal contaminated soils，the field investigation was conducted in Shaoguan mine areas in June 2011 with four indicators including heavy metals concentrations in soil and in S. arundinaceum, soil animal community structure, and soil pH. The sampling plots were located at Xinwenwu Village (XwV) and Jianwu Village (JwV) (respectively corresponding to the currently in production of copper ore and lead-zinc mine near), Xiatang Village(XtV) (near to tungsten mine, shutdown 25 years ago), and Tongziping Village (TzV) (with no mine pollution in the vicinity). The results show that a) pH value of sampling plots was ranked as XwV (3.84) ＜ XtV (5.74 to 6.07) ＜ TzV (7.23) ＜ JwV (7.24); b) Integrated Pollution Index (IPI) was ranked as 31.54 (JwV) ＞ 25.01 to 27.01 (XtV) ＞ 7.33 (XwV) ＞ 1.12 (TzV); c) enrichment factor of S.arundinaceum was ranked as 6.16 for XwV ＞ 4.71 for TzV ＞ 0.77 to 2.50 for XtV ＞ 0.29 for JwV; d) soil animal biodiversity index for these plots was ranked as TzV ＞ XtV ＞ JwV ＞ XwV, which was based on Shannon-Wiener Diversity Indices (H) and Simpson Dominance Indices (C), and TzV ＞ XwV ＞ JwV ＞ XtV which was based on Pielou Uniformity Indices (E); and e) Jaccard Similarity Index (JSI) was 71.43% for plots from XwV contaminated with copper iron mine and JwV contaminated with lead-zine waste mine,and 60% for plots from XtV adjacent to tungsten mine cut-off 25 years and TzV without mine pollution in the vicinity, respectively.And these two types of plots were with different degrees of contamination. So JSI of these two types of plots varied from 25% to 30%,to be moderate degree of non-similarity. These results indicate that there was difference in the community structure of soil fauna in the S. arundinaceum community grown at different soil habitats with different degree of contamination, and diversity index was decreasing with increasing degree of pollution. These factors were the dominant factor in the decline of soil animal diversity including ISI, strongsoil acidic, and continued pollution of irrigation water. At the same time, the heavy metal enrichment capacity of S. arundinaceum had little effect on the soil animal community structure diversity.

Saccharum arundinaceum Retz.; root system；heavy metal pollution; community structure of soil animals; soil animal diversity

S718.69；Q958.1

A

1673-923X(2012)11-0079-06

2012-10-10

韶關(guān)市科技計劃項目（韶科2010-67）；韶關(guān)學(xué)院科研項目（韶學(xué)院2010-207）

黃紅英（1967-），女，廣東乳源人，高級實驗師，碩士，主要從事土壤生態(tài)學(xué)研究

黃志宏（1969-），男，湖北天門人，副教授，博士，從事土壤生態(tài)學(xué)方面的研究；E-mail: zhihongmay2004@yahoo.com.cn

[本文編校:吳 毅]