高臺黑河濕地土壤纖毛蟲多樣性及對環(huán)境質(zhì)量指示相關(guān)性的調(diào)查研究

羅福海 陳能訓(xùn) 向冠華 王思源 莊紫穎 程克凡

（高臺縣第一中學(xué) 甘肅高臺 734300）

STEM教育是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)綜合素養(yǎng)的教育，旨在培養(yǎng)綜合性人才。STEM教育通過對問題的生成、探究、解決、運(yùn)用，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。本調(diào)查研究的開展就是結(jié)合現(xiàn)有的生物學(xué)課程，開發(fā)綜合性的STEM 實(shí)踐活動，提升學(xué)生STEM 素養(yǎng)。

隨著社會的發(fā)展和國家生態(tài)文明建設(shè)的提出，人們逐漸意識到保護(hù)環(huán)境的重要性，特別是濕地、森林、海域都是大自然饋贈給人類的寶藏，需要人們保護(hù)和及時監(jiān)測污染的發(fā)生。甘肅省張掖市高臺縣位于河西走廊中部，黑河中游下段。高臺縣黑河濕地國家級自然保護(hù)區(qū)以黑河為主體，沿岸有大小水庫14 座，水域、沼澤、灘涂星羅棋布，濕地類型多樣，濕地資源豐富。

土壤中的生物類群很多，其中原生動物——纖毛蟲具有豐富的種類多樣性和巨大的生物量，在土壤生態(tài)系統(tǒng)中具有十分重要的地位。對環(huán)境變化的反映，纖毛蟲的靈敏性比其他生物更高，環(huán)境條件的變化會導(dǎo)致纖毛蟲群落的組成和結(jié)構(gòu)迅速發(fā)生變化，這些特征使其更利于成為土壤環(huán)境的指示生物。因此，研究土壤生物種群的變化，并由此探討土壤污染的生物監(jiān)測技術(shù)及土壤環(huán)境質(zhì)量的生物評價和預(yù)報系統(tǒng)，纖毛蟲是最理想的研究 對象［1］。

以往研究多集中在研究水體中的纖毛蟲，在水質(zhì)監(jiān)測中已有一些應(yīng)用，但與在水體環(huán)境監(jiān)測中獲得廣泛應(yīng)用的水生纖毛蟲相比，土壤纖毛蟲用于環(huán)境監(jiān)測才剛起步［2］。本文通過研究高臺縣濕地保護(hù)區(qū)土壤纖毛蟲的物種組成、群落結(jié)構(gòu)，探討濕地對土壤纖毛蟲群落的影響及與環(huán)境質(zhì)量的生物評價和預(yù)報系統(tǒng)。用生物監(jiān)測的方法評價該地區(qū)土壤的環(huán)境，為該地區(qū)制定有效的土壤環(huán)境改善措施，提高濕地生態(tài)品質(zhì)，發(fā)展綠色產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)提供基礎(chǔ)和資料。

1 材料和方法

1.1 采樣設(shè)置和采樣 在高臺縣的濕地土壤區(qū)設(shè)置采樣點(diǎn)，另在附近選擇自然環(huán)境條件與濕地樣點(diǎn)類似的土壤區(qū)設(shè)置對照樣點(diǎn)。采樣點(diǎn)海拔1 260～3 140 m，土壤溫度1～5℃，濕度60%～70%，pH=7.2～7.8。

在濕地河岸區(qū)內(nèi)選取3 個采樣點(diǎn)，在每個采樣點(diǎn)的周邊面積約20 m2的范圍內(nèi)，用1.5 m 圓筒形采樣器依五點(diǎn)取樣法和等距取樣法采集15個0～15 cm 土壤層土樣，同時在自然環(huán)境條件與濕地樣點(diǎn)類似的土壤對照樣點(diǎn)采集5 個0～15 cm土壤層土樣。將40 份（表層和深層各20 份）土樣充分混勻，帶回實(shí)驗(yàn)室倒入白瓷盤，自然風(fēng)干。

1.2 室內(nèi)工作方法

1）定性研究方法：采用“非淹沒培養(yǎng)皿法”在約25℃的溫度下，對土壤中的纖毛蟲進(jìn)行培養(yǎng)。稱取3 g 土壤均勻置于Ⅰ號培養(yǎng)基和Ⅱ號培養(yǎng)基的平板，加蒸餾水至剛要淹沒土壤，在25℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)1 個月。在培養(yǎng)過程中，定期補(bǔ)充蒸餾水，至半淹沒狀態(tài)，并保持較高的培養(yǎng)箱內(nèi)空氣濕度。培養(yǎng)后第4 天、第7 天、第11 天、第20 天和第28 天鏡 檢［3］。

2）鑒定技術(shù)包括活體觀察和染色制片法，固定染色技術(shù)參照Fernandez-Galiano 的蛋白銀染色法。根據(jù)參考文獻(xiàn)鑒定物種，分類系統(tǒng)采用Levine等［3］的分類系統(tǒng)。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及優(yōu)勢類群的劃分

1）群落相似性。根據(jù)Jaccaed 共同系數(shù)公式q=c／（a+b-c），計(jì)算樣點(diǎn)土壤和對照土壤中纖毛蟲群落相似系數(shù)；其中q為相似性系數(shù)，a為樣點(diǎn)土壤中纖毛蟲的種類數(shù)，b為對照土壤中的纖毛蟲種群數(shù)，c為二者的共同系數(shù)。q值在0.75～1.0范圍為極為相似，在0.50～0.75 范圍為中等相似，在0.25～0.50 范圍為中等不相似，在0～0.25 范圍為極不相似。

2）污生指數(shù)。采用文獻(xiàn)中Pantle 等提出的污生指數(shù)公式Si=∑Sh／∑h。式中Si為各樣點(diǎn)的污生指數(shù)，S為不同種類的污生指數(shù)分值，從寡污種到多污種其分值為1～4，h為出現(xiàn)頻率，其值為1～4［4］。Si值在1.0～1.5 范圍為輕度污染，在1.5～2.5 范圍為中度污染，在2.5～3.5 范圍為重度污染，大于3.5～4.0 范圍為嚴(yán)重污染。

3）優(yōu)勢類群劃分。對鑒定到的各級分類單元及物種進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將物種數(shù)最多的一個目定義為優(yōu)勢類群。

2 結(jié)果

2.1 纖毛蟲種類組成 對高臺黑河濕地保護(hù)區(qū)4 個樣點(diǎn)的原生動物——土壤纖毛蟲進(jìn)行了定性研究，共鑒定到19 種，隸屬于3 綱8 目10 科10屬。各樣點(diǎn)及對照組纖毛蟲分布情況如圖1所示，詳見表1。

圖1 各采樣點(diǎn)土壤纖毛蟲分布

表1 各采樣點(diǎn)纖毛蟲種類及數(shù)目

2.2 群落結(jié)構(gòu)特征

1）群落結(jié)構(gòu)與多樣性。黑河濕地保護(hù)區(qū)土壤纖毛蟲群落結(jié)構(gòu)分布如圖2所示。

圖2 黑河濕地保護(hù)區(qū)土壤纖毛蟲群落結(jié)構(gòu)分布

2）優(yōu)勢類群和優(yōu)勢種。在對照土壤中，第1 優(yōu)勢類群為下毛目，第2 優(yōu)勢類群為前口目、腎形目、側(cè)口目和管口目，第3 優(yōu)勢類群為盾纖目。在樣點(diǎn)土壤中，六壩河橋上游第1 優(yōu)勢類群為下毛目，第2 優(yōu)勢類群為前口目、腎形目和管口目，第3 優(yōu)勢類群為盾纖目；濕地公園優(yōu)勢類群為盾纖目；大湖灣第1 優(yōu)勢類群為腎形目，第2 優(yōu)勢類群為前口目、下毛目和盾纖目。從出現(xiàn)頻次分析，緣毛目、腎形目和盾纖目在各采樣點(diǎn)出現(xiàn)頻次最高，說明這些類型的土壤纖毛蟲食性和分布范圍廣，受地理?xiàng)l件影響小。

與對照樣點(diǎn)土壤相比，六壩河橋上游樣點(diǎn)土壤中的優(yōu)勢種為浮雕刀口蟲、長尾刀口蟲、苔蘚膜袋蟲和小尖毛蟲等，濕地公園樣點(diǎn)土壤中的優(yōu)勢種為銀灰膜袋蟲和苔蘚嗜腐蟲，大湖灣樣點(diǎn)土壤中的優(yōu)勢種為長尾刀口蟲、土壤腎形蟲和近親殖口蟲等。

3）群落相似性。根據(jù)Jaccaed 共同系數(shù)公式計(jì)算得q=0.737，表明3 個土壤樣點(diǎn)和對照土壤中纖毛蟲群落結(jié)構(gòu)中等相似。

2.3 污生指數(shù) 根據(jù)Pantle 等提出的污生指數(shù)公式計(jì)算得到：對照組Si=1.1，濕地公園Si=2.45，六壩河橋上游Si=1.9，大湖灣Si=2.15。數(shù)據(jù)表明六壩河橋上游土壤、大湖灣土壤和濕地公園土壤都受到輕度污染，但六壩河橋上游土壤質(zhì)量優(yōu)于大湖灣土壤質(zhì)量，大湖灣土壤質(zhì)量優(yōu)于濕地公園土壤質(zhì)量。各樣點(diǎn)纖毛蟲種類數(shù)與污生指數(shù)如圖3所示，由圖可知土壤纖毛蟲種類數(shù)相對越多，土壤污生指數(shù)越低，土壤質(zhì)量相對越好。

圖3 各采樣點(diǎn)纖毛蟲種類數(shù)與污生指數(shù)

3 討論

土壤纖毛蟲作為土壤生態(tài)系統(tǒng)微型生物群落的重要組成部分，具有個體微小、現(xiàn)存量大、生活周期短、分布廣、形態(tài)和遺傳分化低、對土壤環(huán)境變化敏感性高等特點(diǎn)。有些適應(yīng)此時的土壤環(huán)境并且形成的優(yōu)勢種，故可利用這些敏感型土壤纖毛蟲對土壤質(zhì)量進(jìn)行初步的評價和預(yù)測［5］。物種數(shù)、出現(xiàn)頻次等結(jié)構(gòu)參數(shù)均能客觀地反映土壤狀況及其變化趨勢。本研究表明，濕地公園樣點(diǎn)纖毛蟲物種數(shù)指數(shù)較低，但大湖灣樣點(diǎn)該指數(shù)又有所回升，土壤環(huán)境綜合狀況有所改善。由此可見，土壤纖毛蟲對土壤環(huán)境的改善發(fā)生響應(yīng)，顯示出對土壤生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)恢復(fù)的指示作用，同時說明濕地可保護(hù)生物多樣性，改善水質(zhì)和土質(zhì)，進(jìn)而改善環(huán)境。

污染導(dǎo)致纖毛蟲群落組成和結(jié)構(gòu)發(fā)生巨大變化。從圖1和圖3中可看出，由于受污染因素的影響，樣點(diǎn)土壤中纖毛蟲群落結(jié)構(gòu)要比對照土壤中的簡單得多。群落相似性分析結(jié)果顯示樣點(diǎn)土壤與對照土壤中纖毛蟲群落結(jié)構(gòu)中等相似。在鑒定到的19 種纖毛蟲中，對照土壤中有16 種，而濕地公園土壤中只有7 種。在各樣點(diǎn)和對照樣點(diǎn)的自然地理?xiàng)l件，例如地理位置、土壤類型、土壤含水量、pH 值等都是相同的，理論上二者的原生動物種類組成應(yīng)該相似或基本相同。推測是由于城市生活污水污染，導(dǎo)致自然群落中不耐污種類消亡，只有少數(shù)能夠耐受污染脅迫的種類得以生存。

綜上所述，本調(diào)查研究結(jié)果表明：

1）本次通過調(diào)查，對高臺黑河濕地保護(hù)區(qū)4個樣點(diǎn)的原生動物——土壤纖毛蟲進(jìn)行了定性研究，共鑒定到19 種，隸屬于3 綱8 目10 科10 屬，對照土壤中16 種。

2）土壤表層和土壤深層纖毛蟲種類存在一定差異，例如長尾刀口蟲只在大湖灣深層土樣存在，而大湖灣表層土樣中不存在；龍骨漫游蟲只在六壩河橋上游深層土樣中存在，而六壩河橋上游表層土樣中不存在；近親殖口蟲在六壩河橋上游表層土樣中存在，深層土樣不存在。這可能是因?yàn)椴煌N類纖毛蟲食性和生存環(huán)境需求不同所致。

3）六壩河橋上游土壤、大湖灣土壤和濕地公園土壤都受一定程度污染（中度污染），但六壩河橋上游土壤質(zhì)量優(yōu)于大湖灣土壤質(zhì)量，大湖灣土壤質(zhì)量優(yōu)于濕地公園土壤質(zhì)量，濕地公園土壤污染相對最重。

4）盾纖目銀灰膜袋蟲和苔蘚嗜腐蟲可作為污染土壤環(huán)境的指示種類。

5）城市生產(chǎn)生活過程中產(chǎn)生的廢棄物污染及污水導(dǎo)致土壤纖毛蟲物種數(shù)、群落組成和結(jié)構(gòu)發(fā)生很大變化。相關(guān)部門因進(jìn)一步加強(qiáng)生活污水的處理和對污水排放的要求。

6）土壤纖毛蟲對土壤環(huán)境的改善發(fā)生響應(yīng)，顯示出對土壤生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)恢復(fù)的指示作用，同時說明濕地可保護(hù)生物多樣性，改善水質(zhì)和土質(zhì)，進(jìn)而改善環(huán)境。