鎢尾礦重金屬污染對茶園土壤動物群落結(jié)構(gòu)及多樣性的影響

邢樹文，許佳敏，黃彬，高錦婷，韓麗

韓山師范學(xué)院食品工程與生物科技學(xué)院，廣東 潮州 521041

礦山開發(fā)不僅直接造成大面積山體與植被的破壞，危害人類和其他生物生存（Jiao et al.，2016），而且尾礦重金屬對其下游林地和茶園土壤環(huán)境造成污染，導(dǎo)致土壤肥力退化、甚至生產(chǎn)功能喪失（Delgado-Baquerizo et al.，2016；Caravaca et al.，2017）。土壤動物是土壤生態(tài)系統(tǒng)中不可或缺的組成部分，對土壤環(huán)境變化敏感，其群落結(jié)構(gòu)變化能夠直接或間接地反映出土壤質(zhì)量和健康狀況（邢樹文等，2018）。在紅壤旱地添加Cd、As和Pb造成土壤污染后，小節(jié)肢類土壤動物類群的個體數(shù)量減少、生物多樣性降低（李孝剛等，2014），鋼鐵廠廢水的排放加劇了重金屬污染的危害程度，導(dǎo)致外周茶園土壤動物的類群和數(shù)量的減少（牛曉倩等，2013）。采煤地區(qū)重金屬使區(qū)域土壤污染程度加重，土壤動物的個體數(shù)量和類群總數(shù)減少，群落的均勻性、多樣性和密度-類群指數(shù)降低（孫賢斌等，2014）。Pb和Cd污染土壤中細(xì)菌的豐度、Shannon指數(shù)等呈下降趨勢（李大樂等，2021）。

土壤污染對土壤動物群落結(jié)構(gòu)及多樣性變化的影響性質(zhì)與程度，存在一定的差異。如鋅冶煉廠外圍因耐受性土壤動物類群（甲蟲和蜘蛛）的遷入與定居致使某些污染區(qū)物種豐富度增加（李榮華等，2015）；銅尾礦污染降低了土壤動物的豐富度，復(fù)墾地生境蟻科和鞘翅目成蟲個體數(shù)量隨Cu含量增加而增加，彈尾目和蜱螨目動物類群的個體數(shù)量隨 Cu含量增加而減少（朱永恒等，2013）。與其他動物類群相比，土壤中彈尾類、螨蟲類對重金屬污染更為敏感，受污染源影響較大的區(qū)域，個體數(shù)量較低，豐富度隨著污染的加重而降低（Steiner，1995；Filser et al.，2000），但也有不同的研究結(jié)果，如廢棄多年且污染較重的鐵礦尾礦傾倒區(qū)土壤中的彈尾類的種類與個體數(shù)量高于對照組樣地，可能與一些彈尾類對重金屬污染產(chǎn)生耐受性相關(guān)（Fountain et al.，2004）。重金屬污染導(dǎo)致土壤動物物種數(shù)和個體數(shù)量呈下降趨勢，多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)與重金屬綜合污染指數(shù)呈現(xiàn)一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系（邢樹文等，2019；許洪揚(yáng)等，2021）。因此，重金屬污染是促進(jìn)還是抑制土壤動物數(shù)量增長存在一定的不確定性，取決于重金屬污染程度、土壤環(huán)境變化及動物類群特征。

蓮花山鎢尾礦地處澄海、饒平交界處，主礦區(qū)位于汕頭市澄海區(qū)鹽鴻鎮(zhèn)，已閉礦 20年，部分采礦區(qū)已種植桉樹進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)，但仍有裸露廢棄地在自然力的作用下，雨水沖刷廢棄礦區(qū)形成重金屬酸性廢水流，礦區(qū)下游茶園受到嚴(yán)重污染，致使土壤養(yǎng)分下降，進(jìn)而影響土壤動物群落結(jié)構(gòu)及多樣性。本研究探討了鎢尾礦重金屬遷移、沉降對下游茶園土壤環(huán)境的影響，比較分析重金屬對污染茶園土壤營養(yǎng)因子的影響，分析土壤動物群落結(jié)構(gòu)及多樣性對重金屬污染與土壤營養(yǎng)因子變化的響應(yīng)，以及土壤環(huán)境因子變化與土壤動物群落之間的關(guān)系，探討土壤動物群落對茶園生態(tài)系統(tǒng)重金屬污染的指示作用，為鎢尾礦廢棄地外圍耕地重金屬污染的綜合治理提供基礎(chǔ)資料和參考依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

蓮花山鎢尾礦地處汕頭市澄海市和饒平縣交界處的蓮花山區(qū)，礦山地理坐標(biāo)為116°48′14″E，23°44′25″N（圖1），屬于典型的亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，雨水充沛，年均降雨量1600 mm，平均氣溫 21 ℃。礦區(qū)面積 2.12 km2。全部采礦廢棄地面積約為100 hm2，廢棄地植被遭到破壞，大量土表裸露，水土流失嚴(yán)重。鎢尾礦周邊土壤質(zhì)地以砂石土質(zhì)為主，質(zhì)地堅(jiān)硬，又受鎢尾礦酸性廢水滲濾的影響，造成周邊耕地環(huán)境嚴(yán)重污染，耕地退化。

圖1 研究區(qū)在廣東省的地理位置及研究樣地分布圖Fig. 1 Location of the study area and distribution of sample plots in Guangdong Province

2 研究方法

2.1 樣地概況

以鎢尾礦下游西北方向兩個茶園為研究對象，茶樹種植年限在 7—8年，茶園管理簡單，不用農(nóng)藥。具體狀況介紹如下：

茶園Ⅰ（Tea gardenⅠ，TⅠ）：位于鎢尾礦下游西北方向，受鎢尾礦區(qū)酸性雨水及重金屬污染較重，自然風(fēng)力導(dǎo)致礦粉堆積區(qū)的鎢粉擴(kuò)散和遷移嚴(yán)重，茶園污染較重，茶樹矮小，茶樹葉片較小，葉色暗淡。該茶園占地面積為0.19 hm2。茶樹種植8年，行距1.5 m，樹冠蓋度39.6%。茶行間有少量植被，枯葉層較厚。茶園邊緣生有少許牛筋草（Eleusine indica）、類蘆（Neyraudia reynaudiana），茶園伴生少量馬唐（Digitaria sanguinalis）、假臭草（Praxelis clematidea）等雜草。

茶園Ⅱ（Tea gardenⅡ，TⅡ）：位于茶園Ⅰ的西北方向，受鎢尾礦區(qū)沖刷的酸性雨水及重金屬殘留污染較輕，受鎢粉擴(kuò)散漂移的影響較小，該茶園茶樹長勢稍好。占地面積約為0.24 hm2，茶樹種植7年，矮小，樹冠分離，蓋度?。▋H有41.73%）。茶園伴生少量小飛蓬（Conyza canadensis）等低矮雜草，有極少枯葉散落茶行間，大部分為裸露地帶。茶園周邊有類蘆和馬纓丹（Lantana camara）等。

對照茶園（Contrast tea garden，CT）：該茶園位于鎢尾礦西北方向的丘陵地帶。該茶園與鎢尾礦區(qū)之間相隔一座山丘，海拔高度約為170 m，山上種植多年生桉樹，屬于無污染茶園。該茶園占地面積約為0.33 hm2，茶樹種植8年，行距1.5 m，茶樹冠蓋度82.6%。茶園與周邊生境臨界伴有類蘆、牛筋草（Eleusine indica）等雜草，茶行間有少量馬唐（Digitaria sanguinalis）、假臭草（Praxelisclematidea）、小飛蓬（Conyza canadensis）等雜草，周邊種植少許木瓜（Chaenomeles sinensis）、荔枝（Litchi chinensisSonn）等。3個茶園土壤重金屬含量及污染指數(shù)狀況，見表1。

表1 不同茶園土壤重金屬含量及污染指數(shù)Table 1 Soil heavy metal content and pollution index in different tea garden

2.2 土壤取樣及理化測定

土壤取樣時間及樣方設(shè)置：土壤取樣調(diào)查于2019年7—8月進(jìn)行。土樣采集方法，（1）地表層面采樣方法：每個樣地設(shè)置9個樣點(diǎn)，每個樣點(diǎn)采用五點(diǎn)采樣法，共設(shè)置 45個小樣方，樣方面積為50 cm×50 cm，直接收集地表大型土壤動物。（2）沿地表土壤垂直剖面≤10 cm土層的采樣方法：在上述每個大型土壤動物取土樣方內(nèi)收集枯葉層在內(nèi)的土樣300 g。

土壤取樣方法：鎢尾礦的北面相鄰大型采石場，本研究區(qū)域周邊山地為石山，調(diào)查區(qū)域土質(zhì)多為砂石混合而成，質(zhì)地緊密堅(jiān)硬，不適宜沿土壤垂直剖面進(jìn)行分層采集土樣。因此，土壤動物調(diào)查樣點(diǎn)僅限于地表枯葉層及土壤垂直剖面≤10 cm，如上所述。

土壤理化性質(zhì)及重金屬含量調(diào)查樣點(diǎn)設(shè)置：在研究樣地的取樣區(qū)內(nèi)設(shè)置6個取樣點(diǎn)（見圖1），每個土壤取樣點(diǎn)與土壤動物取樣點(diǎn)相鄰，位于同一位置。土壤取樣沿土層垂直剖面≤10 cm取土樣，每個取樣點(diǎn)的土壤樣品單獨(dú)進(jìn)行測定，測定土壤理化性質(zhì)及土壤重金屬含量。然后進(jìn)行差異性分析。

以下土壤環(huán)境因子均參考魯如坤（1999）和鮑士旦（2000）方法測定。

土壤理化性質(zhì)的測定：重鉻酸鉀容量法測定土壤有機(jī)質(zhì)含量，半微量開氏法測定土壤全氮，氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法測定土壤全磷，氟化銨-鹽酸法測定土壤速效磷，烘干法測定土壤含水量，酸度計(jì)（pHS-3C）水浸法測定土壤pH值。

土壤重金屬含量的測定：氫化物-原子熒光光譜法（Hydride generation-atomic fluorescence spectrometry）測定土壤砷（As）含量，HF-HNO3-HCLO4消煮-原子吸收分光光度法測（Ablation-atomic absorption spectrophotometry）定土壤全錳（Mn）、銅（Cu）、鋅（Zn）含量。NaOH熔融-火焰光度法（Meltingflame photometry）測定土壤全鉀，氫化物-原子熒光光譜法（Hydride generation-atomic fluorescence spectrometry）測定土壤鉛（Pb）、鉻（Cd）、鎳（Ni）含量。

2.3 土壤重金屬污染評價方法

采用單因子指數(shù)法與內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對土壤污染程度進(jìn)行評價。土壤污染評價標(biāo)準(zhǔn)以廣東省土壤環(huán)境背景值為參照標(biāo)準(zhǔn)。單因子指數(shù)法是以土壤污染的實(shí)測值與廣東省土壤元素背景值（中國環(huán)境監(jiān)測總站，1990）的比值反映重金屬污染的危害程度。計(jì)算方法如下：

式中：

Pi——土壤中重金屬i的污染指數(shù)；

Ci——土壤重金屬i中的實(shí)測濃度值（mg·kg?1）；

Si——重金屬i的評價標(biāo)準(zhǔn)值（mg·kg?1）。當(dāng)Pi≤1，表示土壤重金屬i的含量未超標(biāo)；Pi>1時，其值越大，表示土壤重金屬i的含量超標(biāo)越嚴(yán)重。

目前研究土壤重金屬污染不僅采用單因子污染指數(shù)進(jìn)行評價，而且還需結(jié)合土壤污染的綜合狀況，即內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法（陳懷滿，2005）進(jìn)行評價，以評價環(huán)境中污染較重的重金屬。計(jì)算方法如下：

式中：

P——重金屬元素i的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)；

Pimax——重金屬元素i的單因子污染指數(shù)最大值；

Piave——重金屬元素i的單因子污染指數(shù)的算術(shù)平均值。依據(jù)單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法將土壤重金屬污染為5個等級，見表2。

表2 土壤重金屬污染指數(shù)評價分級標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Evaluation grading standard of soil heavy metal pollution index

2.4 土壤動物分離方法與鑒定

以干漏斗法（Tullgran apparatus）對中型土壤動物進(jìn)行分離，每個樣方標(biāo)本單獨(dú)保存在80%乙醇中。參照《中國亞熱帶土壤動物》（尹文英，1999）、《中國土壤動物檢索圖鑒》（尹文英等，1998）、《昆蟲分類》（上、下冊）（鄭樂怡等，1999）等，在體視鏡下對土壤動物進(jìn)行鑒定，采用大分類方法分類至科。按采樣點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)土壤動物的類群數(shù)和個體數(shù)量。

2.5 數(shù)據(jù)處理

2.5.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法

（1）單個樣方統(tǒng)計(jì)獲取 45個樣方土表土壤動物的數(shù)量和物種數(shù)；（2）再合并樣方統(tǒng)計(jì)出 9個采樣點(diǎn)的土壤動物數(shù)量和物種數(shù)，應(yīng)用 EstimateS軟件包對 3個樣地土壤動物類群進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（Colwell，2013）；（3）計(jì)算3個樣地土壤動物群落多樣性指數(shù)，應(yīng)用SPSS 19.0的單因素方差分析（Analysis of Variance，ANOVA）比較各樣地土壤動物個體數(shù)量（N）、類群數(shù)（S）、土壤動物群落Shannon多樣性指數(shù)（H）、Margalef豐富度指數(shù)（R）、Pielou均勻度指數(shù)（E）、Simpson優(yōu)勢度指數(shù)（D）等參數(shù)，并進(jìn)行 Duncan新復(fù)極差多重比較檢驗(yàn)，取α=0.05，比較各樣地土壤動物群落參數(shù)的差異顯著性（寧應(yīng)之等，2020）。

2.5.2 土壤動物相似度分析

應(yīng)用PRIMER 5.0軟件，采用非線性多維標(biāo)度法（Clarke，1993；劉繼亮等，2015）（non-metric multidimensional scaling，NMDS）對3種樣地土壤動物群落進(jìn)行了分類排序。在本文中，NMDS排序所使用的數(shù)據(jù)庫是每個樣方土壤動物個體數(shù)，排序分析過程選用 Sorensen（Bray-Curtis）指數(shù)來比較土壤動物群落結(jié)構(gòu)的差異。排序結(jié)果采用脅強(qiáng)系數(shù)（Stress）衡量 MDS分析結(jié)果的優(yōu)劣，其中stress<0.01，完全可信；0.01

土體的破壞一般都是剪切破壞，因此研究土的抗剪強(qiáng)度對土體的影響也就有著重要的意義。本試驗(yàn)本著研究植物根系對土體的抗剪強(qiáng)度是否有影響，有什么樣的影響，希望試驗(yàn)研究成果可以為重慶地區(qū)的邊坡防護(hù)提供一定的理論支持。

2.5.3 相關(guān)性分析

采用CANOCO 4.5軟件對3種樣地土壤動物群落與土壤環(huán)境因子的關(guān)系進(jìn)行 RDA排序分析，比較不同生境土壤動物群落綜合特征的差異。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同茶園土壤理化性質(zhì)結(jié)果分析

根據(jù)表3數(shù)據(jù)計(jì)算得知，茶園Ⅰ和茶園Ⅱ的土壤有機(jī)質(zhì)含量分別比對照茶園低63.8%和58.5%；全氮含量分別比對照茶園低61.7%和65%；土壤含水量均比對照茶園低27.1%；速效磷含量分別比對照茶園低55.9%和8.8%。污染茶園土壤的pH均顯著低于對照茶園，趨向于酸性化。數(shù)據(jù)分析表明，重金屬污染對土壤的環(huán)境產(chǎn)生較大的影響，很大程度上降低了土壤營養(yǎng)因子的含量，這將嚴(yán)重影響茶園土壤動物群落的結(jié)構(gòu)性和穩(wěn)定性。

表3 不同茶園樣地土壤理化性質(zhì)Table 3 Soil physicochemical properties of different tea gardens

3.2 不同茶園土壤重金屬含量及其污染指數(shù)分析

采用單項(xiàng)污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法（Nemerow multi-factor index method）評價研究區(qū)域的污染狀況。土壤重金屬含量及污染指數(shù)分析結(jié)果，見表2。

茶園Ⅰ和茶園Ⅱ位于尾礦下游，距礦粉堆積區(qū)200 m和400 m處，受尾礦廢水污染，對照茶園遠(yuǎn)離尾礦污染區(qū)，但其土壤環(huán)境因人為干擾（使用化肥和農(nóng)藥等）也會導(dǎo)致輕微重金屬污染。茶園Ⅰ和茶園Ⅱ的所有采樣點(diǎn)的綜合污染指數(shù)均達(dá)到了重污染程度（P>3），其中重金屬Cd的單項(xiàng)污染指數(shù)在茶園Ⅰ和茶園Ⅱ均達(dá)到了重度污染程度（PCd>5）。茶園ⅠCd和 As的單項(xiàng)污染指數(shù)均達(dá)到了重度污染程度（PAs>5）。此外，Ni達(dá)到了輕微污染程度（1

3.3 不同茶園土壤動物群落的組成與數(shù)量特征

調(diào)查結(jié)果顯示，對照茶園共捕獲地表土壤動物1056只，隸屬21目59科，占該茶園捕獲量的48.15%；有 3個優(yōu)勢類群，包括蜘蛛目（36.50%）、彈尾目（12.10%）及蜱螨目（10.00%），占總捕獲量58.60%；常見類群12類，占總捕獲量的38.83%，稀有類群6類，占總捕獲量的2.56%，2個物種缺失。

茶園Ⅰ捕獲土壤動物478只，隸屬12目31科，占總捕獲量的22.09%；優(yōu)勢類群為蜘蛛目（49.15%）、直翅目（14.10%），占該茶園捕獲量的 63.25%；常見類群9類，占總捕獲量的26.78%，無稀有類群，10個物種缺失。

茶園Ⅱ捕獲土壤動物669只，隸屬17目43科，占總捕獲量的29.76%；優(yōu)勢類群為蜘蛛目（50.37%）和直翅目（12.11%），占該茶園捕獲量的62.48%；常見類群6類，占總捕獲量的34.83%；6個稀有類群，占總捕獲量的3.61%，6個物種缺失。

表4 不同茶園地表大型土壤動物類群組成與數(shù)量Table 4 Composition and quantity of the surface of large soil fauna in different tea gardens

3.4 不同茶園樣地土壤動物群落相似性

3種茶園土壤動物群落NMDS排序分析計(jì)算出Stress=0.08<0.1，表明兩種茶園大型土壤動物群落的排序結(jié)果是基本可信的。對照茶園與茶園Ⅰ、茶園Ⅱ土壤動物群落存在明顯差別，茶園Ⅰ和茶園Ⅱ部分混在一起，對照茶園明顯與茶園Ⅰ、茶園Ⅱ分開，表明茶園Ⅰ與茶園Ⅱ差異較小，對照茶園明顯與茶園Ⅰ、茶園Ⅱ間存在明顯差異（見圖2）。ANOSIM相似性檢驗(yàn)表明茶園樣地（GlobalR=0.632，P<0.001）對土壤動物分布有顯著影響。進(jìn)一步分析顯示，茶園Ⅰ和茶園Ⅱ土壤動物群落結(jié)構(gòu)（GlobalR=0.356，P<0.002）具有顯著性差異，茶園Ⅰ與對照組茶園土壤動物群落（GlobalR=0.984，P<0.001）、茶園Ⅱ與對照組茶園土壤動物群落（GlobalR=0.774，P<0.001）均存在極顯著差異。

圖2 茶園Ⅰ、茶園Ⅱ和對照組茶園地表大型土壤動物的NMDS排序圖Fig. 2 NMDS plots indicating 2-dimensional distances of large surface soil animals in tea gardenⅠ, tea gardenⅡand control tea garden

3.5 不同茶園樣地土壤動物群落多樣性分析

依據(jù)土壤動物群落特征分析，對照茶園土壤動物類群數(shù)（S=14.11±1.27a）、個體數(shù)（N=117.33±20.14a）高于茶園Ⅱ（S=11.22±1.30b，N=74.44±15.56b），茶園Ⅰ（S=9.89±1.05c，N=53.11±8.34c）最低，且三者之間差異達(dá)到顯著水平（P<0.05）。對照組茶園土壤動物群落的多樣性指數(shù)最高（H=2.04±0.21a），與茶園Ⅰ（H=1.67±0.16b）和茶園Ⅱ（H=1.70±0.14b）間的差異均達(dá)到顯著水平（P<0.05），茶園Ⅰ和茶園Ⅱ差異不顯著；對照茶園豐富度指數(shù)（R=2.76±0.31a）與茶園Ⅱ（R=2.39±0.29b）、茶園Ⅰ（R=2.25±0.28b）二者間的差異均達(dá)到顯著水平（P<0.05），均勻度指數(shù)的差異沒有達(dá)到顯著水平，對照茶園稍高，茶園Ⅰ較低。對照茶園的優(yōu)勢性指數(shù)（D=0.80±0.064a）與茶園Ⅱ（D=0.73±0.06b）、茶園Ⅰ（D=0.70±0.05b）差異達(dá)到顯著水平（P<0.05），見圖3。

圖3 不同茶園土壤動物群落特征指數(shù)Fig. 3 Characteristic index of soil animal community in different tea gardens

3.6 不同茶園土壤動物群落多樣性與指示性動物對重金屬污染的響應(yīng)

對3種茶園樣地重金屬污染與土壤動物類群的個體數(shù)量、多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)、優(yōu)勢性指數(shù)和均勻度指數(shù)分析表明，茶園Ⅰ的As和Cd的單項(xiàng)污染指標(biāo)及綜合污染指標(biāo)均達(dá)到5級，屬重度污染，Cu和Ni的污染指數(shù)分別為4級和2級，茶園Ⅰ土壤動物群落多樣性指數(shù)（H）、豐富度指數(shù)（R）和優(yōu)勢性指數(shù)（D）最低（圖4a）；對照茶園土壤動物類群的個體數(shù)量顯著高于茶園Ⅱ和茶園Ⅰ（圖4b）。茶園Ⅰ蜘蛛目、彈尾目和正蚓目動物類群的個體數(shù)量減少（圖4c）。而雙尾目、直翅目、鱗翅目和同翅目昆蟲的分布與其他類群相反，即茶園Ⅰ高，其次是茶園Ⅱ，對照茶園低（圖4b）。茶園Ⅱ的Cd的單項(xiàng)污染指標(biāo)及綜合污染指標(biāo)也達(dá)到5級，As為3級污染，Cu和Ni的污染均為2級污染，污染指標(biāo)低于茶園Ⅰ。茶園Ⅱ土壤動物群落多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)和優(yōu)勢性指數(shù)相對于茶園Ⅰ而言有所提升（圖4a）；對照茶園中的蜘蛛目、彈尾目、蜱螨目和正蚓目動物類群的個體數(shù)量顯著高于茶園Ⅱ和茶園Ⅰ（圖4c）；而對照茶園等翅目、直翅目、鱗翅目和同翅目的動物類群的個體數(shù)量顯著低于茶園Ⅱ和茶園Ⅰ（圖4d）。對照茶園的單項(xiàng)重金屬Cd、Cu的污染指數(shù)及綜合污染指標(biāo)均為2級，重金屬Cd、Cu為輕度污染，綜合污染指數(shù)表明，土壤尚屬清潔狀態(tài)。因此，對照茶園多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)和優(yōu)勢性指數(shù)最高，蜘蛛目、彈尾目、蜱螨目和正蚓目動物類群的個體數(shù)量顯著高于污染茶園，尤其是彈尾目動物類群表現(xiàn)尤為顯著。

圖4 重金屬污染指數(shù)與茶園地表土壤動物個體數(shù)、類群數(shù)、指示動物類群及生態(tài)學(xué)指數(shù)的變化Fig. 4 Change of heavy metal pollution index, individual number, groups, indicating animal groups and the ecological index of surface soil animals community in tea garden

3.7 茶園土壤動物群落分布與環(huán)境因子的相關(guān)性

3.7.1 茶園土壤動物群落分布與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

依據(jù)茶園樣地土壤理化性質(zhì)（表3），對3種茶園樣地土壤動物群落與土壤理化性質(zhì)進(jìn)行 RDA二維排序分析（圖5A）。結(jié)果表明，土壤有機(jī)質(zhì)（r=0.96）、全氮（r=0.93）和pH（r=0.87）與第1排序軸間呈顯著正相關(guān)；與第2軸呈正相關(guān)。土壤含水量和速效磷（r=0.67）與第1軸呈正相關(guān)，全磷（r= ?0.484）、速效磷（r= ?0.046）與第 2 排序軸呈負(fù)相關(guān)。第1典型軸（F=4.17，P=0.001）和所有典型軸（F=1.83，P=0.008）在統(tǒng)計(jì)學(xué)上達(dá)到顯著水平，能夠反映 3種茶園大型土壤動物群落分布與土壤理化因子的關(guān)系，排序說明鎢尾礦外圍茶園與對照茶園大型土壤動物群落存在明顯的分布梯度。第1軸和第2軸總共解釋了41.3%的動物變異，所有典型軸共解釋了56.2.0%的動物變異。RDA排序結(jié)果表明，第2排序軸將茶園Ⅰ與和茶園Ⅱ、對照組茶園分開，茶園Ⅰ位于軸2的左側(cè)，茶園Ⅱ和對照組茶園位于軸 2的右側(cè)，表明受污染茶園Ⅰ和受污染茶園Ⅱ與無污染的對照茶園的高度異質(zhì)性。茶園Ⅱ與對照組茶園混在一起，表明茶園Ⅱ與對照組茶園生境具有較高的相似性。上述排序狀況清晰地表明影響茶園土壤動物分布的環(huán)境梯度（圖5A）。

圖5 3種茶園樣地22個土壤動物類群與環(huán)境因子的RDA二維排序圖Fig. 5 RDA two-dimensional sorting diagram of soil fauna community and environmental factors in 3 tea gardens

pRDA分析表明，土壤有機(jī)質(zhì)（F=6.51，P=0.001）是影響茶園土壤動物群落分布的主要因子，貢獻(xiàn)率達(dá)51.423%，對提升茶園土壤動物個體數(shù)量、物種數(shù)、豐富度和多樣性具有顯著意義。其次，全氮（F=1.26，P=0.263）貢獻(xiàn)率為9.08%，全磷（F=1.46，P=0.196）貢獻(xiàn)率為 11.21%，速效磷（F=1.30，P=0.226）和全鉀（F=1.27，P=0.242）貢獻(xiàn)率均為9.61%（見表5）。

表5 土壤理化性質(zhì)對不同茶園土壤動物群落變化的貢獻(xiàn)率Table 5 Contribution rate of soil physicochemical properties to soil animal community of different tea gardens

3.7.2 茶園土壤動物群落分布與土壤重金屬的關(guān)系

依據(jù)茶園土壤重金屬含量（表1），對3種茶園樣地土壤動物群落與重金屬因子進(jìn)行 RDA二維排序分析（圖5B）。結(jié)果表明，Ni（r= ?0.924）、Cd（r= ?0.865）與第 1排序軸呈顯著負(fù)相關(guān)，Zn（r= ?0.746）、Pb（r= ?0.624）、As（r= ?0.578）和Cu（r= ?0.557）與第1軸呈負(fù)相關(guān)。所有重金屬含量與第1排序軸呈負(fù)相關(guān)。第1典型軸（F=4.00，P=0.002）和所有典型軸（F=1.971，P=0.007）在統(tǒng)計(jì)學(xué)上達(dá)到顯著水平，能夠反映3種茶園地表土壤動物群落分布與土壤重金屬因子的關(guān)系，排序說明鎢尾礦周邊耕地與對照茶園土壤動物群落存在明顯的分布梯度。第1軸和第2軸共解釋了39.7%的動物變異，所有典型軸總共解釋了 57.80%的動物變異。RDA排序圖顯示全部重金屬因子與全部對照茶園樣地和部分茶園樣地呈負(fù)相關(guān)，與大部分土壤動物群落分布呈負(fù)相關(guān)。排序軸1主要反映了土壤重金屬含量導(dǎo)致受污染茶園地表土壤動物群落顯著不同的主要環(huán)境梯度；第2排序軸將茶園Ⅰ與茶園Ⅱ、對照組茶園分開，說明重金屬很大程度地影響污染嚴(yán)重的茶園Ⅰ與輕度污染的茶園Ⅱ、對照組茶園的環(huán)境梯度，導(dǎo)致不同茶園樣地土壤動物群落的分布具有顯著差異（圖5A、B）。

pRDA 分析表明，Ni（F=5.924，P=0.001）是影響茶園土壤動物群落分布的主要因子，貢獻(xiàn)率為46.552%；其次是 Cd（F=1.911，P=0.055）、As（F=1.357，P=0.202）、Pb（F=1.092，P=0.346）、Cu（F=1.056，P=0.395）、Zn（F=0.992，P=0.412）、Mn（F=0.843，P=0.549）的貢獻(xiàn)率分別為14.138%、9.828%、8.103%、7.759%、7.243%和 6.207%（見表6）。

表6 重金屬對茶園土壤動物群落變化的貢獻(xiàn)率Table 6 Contribution rate of soil heavy metal to soil animal community of tea garden

4 討論

4.1 鎢尾礦區(qū)重金屬污染程度對茶園土壤動物數(shù)量與類群組成的影響

尾礦礦粉中重金屬擴(kuò)散、沉降到礦區(qū)的外圍區(qū)域，礦山經(jīng)雨水沖刷和地表徑流進(jìn)入周邊土壤，造成礦區(qū)周圍土壤重金屬污染（Xiao et al.，2017；秦旭芝等，2021）。金屬冶煉與加工區(qū)周邊農(nóng)田土壤微生物活性受重金屬抑制作用隨污染程度提高而加劇，鉛鎘復(fù)合污染降低了土壤微生物群落豐度（邵佳等等，2021）。尾礦重金屬污染引起土壤生態(tài)環(huán)境結(jié)構(gòu)趨于惡化，對土壤動物群落組成與結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大影響。重金屬污染導(dǎo)致茶園土壤無脊椎動物群落結(jié)構(gòu)的破壞，土壤動物的類群和個體數(shù)隨著污染程度的加重而減少（孫艷芳等，2014）。

茶園Ⅰ和茶園Ⅱ均處于尾礦污染區(qū)內(nèi)，鎢尾礦區(qū)被雨水沖刷的有毒廢水以蔓延及滲透等遷移方式進(jìn)入茶園Ⅰ土壤中，同時，礦粉堆積區(qū)通過擴(kuò)散、漂移等方式對茶園也產(chǎn)生較嚴(yán)重的污染。茶園Ⅱ因礦區(qū)廢水流經(jīng)途徑及礦粉的遷移方式不同，污染較輕。茶園Ⅰ土壤動物個體數(shù)和類群數(shù)顯著低于茶園Ⅱ，污染茶園顯著低于對照組茶園。對照組茶園優(yōu)勢類群蜘蛛目、彈尾目和蜱螨目的個體數(shù)顯著高于茶園Ⅱ和茶園Ⅰ，表現(xiàn)出污染區(qū)土壤動物的個體數(shù)隨著重金屬污水的浸染和礦粉擴(kuò)散覆蓋而減少，這與孫艷芳等（2014）、李孝剛等（2014）和劉文華等（2014）等的研究結(jié)果一致。但本研究中，土壤污染程度越高，彈尾目和蜱螨目等動物類群的數(shù)量并未出現(xiàn)隨之增加的結(jié)果（任若凡等，2015），土壤中對重金屬敏感的小型動物類群并未完全消失，說明蜱螨類和彈尾目對重金屬污染具有一定的耐受性（邢樹文等，2019）。有學(xué)者通過在跳蟲的培養(yǎng)體系中投放捕食螨，發(fā)現(xiàn)跳蟲與捕食螨之間的捕食作用會提高跳蟲對重金屬鎘的耐性，證實(shí)某些蜱螨類與彈尾蟲對不同金屬因子具有一定的攝取富集能力（Zhu et al.，2016）。

研究表明，隨著茶園重金屬污染的加重，雙尾目、等翅目、直翅目、鱗翅目和同翅目的個體數(shù)與物種多樣性隨之增加，可能與這些動物類群對環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)性有關(guān)，這與Maria et al.（2013）的研究成果很相似。但不同的是在污染茶園中出現(xiàn)的動物類群不同，可能是這些動物類群活動空間大、范圍廣、遷移能力強(qiáng)，對污染環(huán)境具有了一定的適應(yīng)性所致（Zhou et al.，2012）。它們能否作為污染茶園的地表指示動物類群，還有待于后續(xù)研究證實(shí)。污染茶園與對照茶園的蜘蛛數(shù)量相比雖有減少，但污染茶園蜘蛛的種類并未有明顯的減少，土壤動物群落多樣性差異不大，表明蜘蛛對重金屬污染也具有很強(qiáng)的耐受力（劉貝貝等，2013），因此在污染茶園中成為優(yōu)勢類群。研究發(fā)現(xiàn)，3種茶園土壤動物常見類群的相對豐度在33.49%—38.83%，表明該區(qū)域茶園的重金屬污染對土壤動物常見類群影響不大，而對稀有類群的影響較大。茶園Ⅰ和茶園Ⅱ因污染程度分別缺失6種和10種土壤動物，對照茶園僅缺失2種。在污染茶園中，綜合污染源毒性因子對生態(tài)幅較窄的稀有類群以及對重金屬污染敏感的常見類群影響較大。

4.2 鎢尾礦區(qū)重金屬污染程度對茶園土壤動物群落結(jié)構(gòu)及多樣性的影響

銅尾礦廢水污染導(dǎo)致土壤環(huán)境結(jié)構(gòu)及養(yǎng)分的改變和破壞，進(jìn)而改變土壤微生物數(shù)量分布及生物多樣性格局，使土壤微生物產(chǎn)生新的適應(yīng)性（劉晉仙，2019）。金/鐵礦區(qū)對周邊土壤環(huán)境造成重度或嚴(yán)重污染，Cu、Fu、Zn、Pb等重金屬顯著影響微生物的群落結(jié)構(gòu)和多樣性（張怡悅，2021）。本研究茶園Ⅰ的Cd、As的單項(xiàng)污染指數(shù)均達(dá)到Ⅴ級污染程度，Cu的單項(xiàng)污染指數(shù)達(dá)到Ⅳ級污染，茶園Ⅱ只有Cd為Ⅴ級污染，均達(dá)到重度污染。茶園土壤動物數(shù)量分布以及生態(tài)學(xué)指數(shù)受土壤重金屬污染而發(fā)生變化，土壤綜合污染指數(shù)越高，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷等營養(yǎng)因子受到脅迫就越大，土壤動物的多樣性與豐富度就越低（蘇越等，2011）。

黑河重金屬空間分布對大型底棲動物的多樣性指數(shù)及個別類群的密度影響較大，Pb、Cd、Cu、Ni 等對底棲動物的群落結(jié)構(gòu)和生物指數(shù)的影響，表現(xiàn)不同生態(tài)效應(yīng)，某些底棲動物對重金屬的耐受性差而導(dǎo)致物種單一化（王昱等，2021）。Eisenhauer et al.（2019）認(rèn)為污染區(qū)較多種類的土壤無脊椎動物消亡，對食物網(wǎng)復(fù)雜性和穩(wěn)定性構(gòu)成威脅，從而導(dǎo)致土壤無脊椎動物的多樣性快速下降。Carrascosa et al.（2015）揭示了自然林地線蟲豐富度、食物網(wǎng)復(fù)雜性等指標(biāo)在經(jīng)歷農(nóng)藥擾動后相比農(nóng)田土壤表現(xiàn)出更強(qiáng)的抵抗力，反映了低擾動、自然的、食物網(wǎng)復(fù)雜的土壤更有利于維持生物多樣性和群落穩(wěn)定性；自然林地中線蟲的豐富度、香農(nóng)指數(shù)和營養(yǎng)類群多樣性均高于受污染區(qū)的農(nóng)田土壤（李鈺飛等，2020）。更多研究認(rèn)為，重金屬污染破壞土壤中SOC、TN和AP等營養(yǎng)因子，使之含量顯著下降，土壤微生物群落多樣性隨著土壤養(yǎng)分含量的減少而降低（Fountain et al.，2004；Li et al.，2010；Niu et al.，2013；魏志文，2019）。本研究污染茶園重金屬污染產(chǎn)生的毒性降低了土壤營養(yǎng)因子含量，如土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和速效磷等減少，土壤酸性化，而導(dǎo)致地表層一些敏感土壤動物（如蜱螨類、彈尾目）的食物鏈（土壤微生物和小型原生動物）結(jié)構(gòu)遭到破壞，這些土壤動物類群的運(yùn)動、捕食與繁殖等活動空間有限，不能及時躲避重金屬污染形成的毒性環(huán)境對其構(gòu)成的生存威脅（Skorupski et al.，2009），從而使土壤動物數(shù)量減少及生物多樣性降低。因此，土壤動物的指示功能與多樣性指數(shù)可以作為評價土壤環(huán)境質(zhì)量間接性指標(biāo)，也可為土壤重金屬污染監(jiān)測提供科學(xué)依據(jù)。

4.3 鎢尾礦區(qū)土壤動物分布與環(huán)境要素的關(guān)系

土壤動物對土壤環(huán)境污染非常敏感，在重金屬濃度升高的土壤中，數(shù)量呈下降趨勢（Park et al.，2011；Li et al.，2014）。在土壤生態(tài)環(huán)境中生存著各種等級的土壤生物，它們對土壤物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化具有促進(jìn)作用，以維持和調(diào)節(jié)土壤生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能（Wang et al.，2017；聶立凱等，2019）。重金屬污染等侵?jǐn)_脅迫使土壤動物群落結(jié)構(gòu)及生物多樣性特征發(fā)生改變，反映了土壤動物群落對土壤環(huán)境變化的敏感性，土壤動物的分布對環(huán)境因子的改變產(chǎn)生強(qiáng)烈響應(yīng)（崔魯楠，2016）。在土壤生態(tài)系統(tǒng)中，土壤動物與土壤微生物通過食物網(wǎng)完成土壤生態(tài)過程，食物網(wǎng)級聯(lián)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和穩(wěn)定性的級聯(lián)效應(yīng)決定于資源的可利用性（Sackett et al.，2010）。茶樹根系、落葉及非作物生境植被屬于低營養(yǎng)階層（有效資源），它們在土壤環(huán)境中存在的密度、生物量等決定較高營養(yǎng)階層的種群結(jié)構(gòu)（王邵軍等，2008）。例如，土壤中的腐生真菌是這些資源的分解者，它受環(huán)境資源的有效性控制。當(dāng)茶園被尾礦Pb、Cd、Cu、Ni等重金屬污染后，環(huán)境資源優(yōu)先性降低，腐生真菌的生存、覓食及繁殖空間有限而受到抑制，對有效資源的分解、利用率大幅度降低，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷、土壤含水量和pH值均顯著低于對照組茶園，獲取營養(yǎng)能力下降甚至喪失（杜曉芳等，2018；段桂蘭等，2020），一些或一類土壤動物的生存受到影響，類群與個體數(shù)量會大量減少。由此可知，重金屬遷入與沉積很大程度地影響污染茶園與對照組茶園的環(huán)境梯度，表現(xiàn)為重金屬因子與大部分土壤動物群落分布呈負(fù)相關(guān)，導(dǎo)致不同茶園樣地土壤動物群落的分布出現(xiàn)顯著差異。

本次調(diào)查的污染茶園土壤動物群落結(jié)構(gòu)趨于簡單，如直翅目、同翅目、鱗翅目、雙尾目和等翅目隨著污染的加劇而個體數(shù)量增加，而地表層活動的動物類群，如石蜈蚣目、馬陸目、地蜈蚣目、和柄眼目等及淺表層土壤分布的蚯蚓則缺失。土壤動物群落組成趨于簡單，優(yōu)勢類群降低，生態(tài)幅較窄的稀有類群大量缺失，土壤動物多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)和均勻度指數(shù)隨著污染的加重而降低（Santorufo et al.，2012；邢樹文等，2019）。而對照茶園環(huán)境資源的有效性較高，土壤肥力因子（有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷及土壤pH等）能夠?yàn)橥寥牢⑸锿瓿晌镔|(zhì)循環(huán)和能量流動提供良好條件，增加了土壤動物的數(shù)量和類群數(shù)量，擴(kuò)大了土壤動物的分布空間，提高了土壤動物群落的多樣性與豐富度，使得土壤動物群落結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。

5 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，鎢尾礦重金屬殘留的污染源導(dǎo)致了茶園土壤肥力下降，重金屬綜合污染指數(shù)、Cd和As的單項(xiàng)污染指數(shù)與土壤動物個體數(shù)、類群數(shù)及多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)呈負(fù)相關(guān)。與對照茶園比較，污染茶園的土壤肥力大幅度下降，茶園Ⅰ土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和速效磷含量分別降低了63.8%、61.7%和55.9%；茶園Ⅱ分別降低了58.5 %、65%和8.8%。土壤有機(jī)質(zhì)對土壤動物的貢獻(xiàn)率高達(dá)51.42%，全氮、全磷、速效磷的貢獻(xiàn)率分別為9.08%、11.21%、9.61%。pH降低導(dǎo)致土壤嚴(yán)重酸化，重金屬毒水浸滲和礦粉覆蓋導(dǎo)致土壤營養(yǎng)因子結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞，土壤動物群落多樣性、豐富度和均勻度指數(shù)降低。污染越嚴(yán)重，土壤動物個體與類群的數(shù)量就越少，優(yōu)勢類群減少，稀有類群部分或全部缺失。