土壤重金屬汙染與土壤動物群落結構的關係研究論文
土壤重金屬汙染與土壤動物群落結構的關係研究論文
土壤是生態環境系統中物質交換與能量流通的重要樞紐，其中土壤動物在土壤物質能量遷移轉化過程中具有特殊的作用。但隨著人類活動對環境影響的日益加劇，大量原生植被遭到破壞，汙染物質在土壤中不斷富集，土壤動物的生存繁殖受到嚴重的威脅[1].其中，重金屬汙染尤為嚴重。土壤動物是土壤生態系統中極其重要的組成成分，在分解動植物殘體、土壤的形成與發育、改變土壤理化性質、土壤物質遷移與能量轉化等方面有著十分重要的作用；另外，土壤動物對周圍環境的變化比較敏感，且其活動性差，易獲得標本，是監測土壤汙染的理想指示生物，因此，成為土壤汙染評價的替代指標或者間接指標[2-3].目前，關於土壤重金屬汙染與土壤動物群落結構的關係研究報道較少[4-5].鑑於此，本研究對淮南幾個煤礦和發電廠、灰場等樣地進行調查，探討了土壤重金屬汙染對土壤動物群落結構的影響，以期為治理重金屬汙染與恢復汙染區的生態系統提供相關的科學依據。
1材料和方法
1.1研究區概況
研究區位於淮南市境內（116°21'05″~117°12'30″E、32°23'20″~33°00'26″N），淮南是中國能源之都、華東工業糧倉、安徽省重要的工業城市，境內有多家煤礦和發電廠。
1.2樣品採集
於2014年6月在淮南市境內選取8個樣地，A:洛河電廠，B:洛河電廠的灰場邊，C:顧橋煤礦，D:顧北煤礦，E:舜耕山，F:淮化集團，G:潘一礦，H:田集電廠。在各樣地取4箇中小樣點和1個手揀大樣。
在選定地點設定30cm×30cm的樣方，用取土環刀（容積為100cm3）在4個角和2條對角線交點（中心）處設點取樣，採4層（0~5cm、5~10cm、10~15cm、15~20cm）取中小樣。並在該區域隨機選取一個10cm×10cm的大樣採集點，先去掉枯枝落葉層後，同樣採集4層，以供手揀。將取土環刀內的.土挖進預先貼好標籤的小布袋內。小樣採用Tullgren幹漏斗法收集動物，大樣當場進行手揀，將所有看到的土壤動物放入貼好標籤的瓶子中，並隨中小樣一起在體視鏡下分揀。然後，進行取樣點土壤動物的分類與計數[6].隨後，對採集完土壤動物的土壤樣品進行重金屬元素含量的測定。
1.3測定專案及方法
對8個取樣點採集的土樣，進行風化、研磨並過0.15mm尼龍篩，再把土樣採用硝酸-鹽酸-雙氧水溼式消化法處理，Cd、Cu含量採用石墨爐原子吸收分光光度法測定，Cr、Pb含量採用火焰原子吸收分光光度法測定，Hg、As含量採用原子熒光光譜法測定。
1.4土壤重金屬汙染評價
採用內梅羅綜合汙染指數法進行土壤重金屬綜合汙染評價，具體計算公式[7]如下：
式中，Pi是重金屬i的汙染指數，Ci是重金屬i的實際測量值，Si是重金屬i的背景值，P綜為內梅羅綜合汙染指數，Pimax為單因子汙染指數中的最大值，Piave為土壤所有單因子汙染指數的平均值。Pi≤1,說明土壤未受汙染，處於清潔水平；1<Pi≤2,說明土壤受輕度汙染；2
P綜≤0.7,說明土壤清潔；0.7<P綜≤1.0,說明土壤汙染程度到達警戒線；1.0<P綜≤2.0,說明土壤汙染程度為輕度汙染；2.0
1.5土壤動物群落的多樣性指數、均勻性指數和優勢性指數評價
土壤動物群落多樣性指數（H）採用Shannon-Wiener多樣性指數法計算[10],公式如下：
土壤動物群落的均勻性指數（E）採用Pielou均勻性指數法計算[11],公式如下：
土壤動物群落的優勢性指數（C）採用Simpson優勢性指數法計算[12]，公式如下：
式中，N是樣品中所有物種的總個體數，ni是第i種物種的個體數，S是樣品中物種種類總數。動物多樣性指數相關性分析採用簡單相關係數法計算。
2結果與分析
2.1土壤重金屬含量狀況
由表1可知，各樣地都不同程度地受到了重金屬汙染，但6種重金屬元素的汙染程度不同。對於As來說，僅B、E、H樣地未受汙染，D樣地受到重度汙染，其他樣地受到輕度汙染；對於Cd來說，僅E、H樣地未受汙染，F樣地受到重度汙染，其他樣地受到輕度汙染；所有樣地均受到Cu汙染，F、G樣地分別受到重度、中度汙染，其他樣地均受到輕度汙染；所有樣地均受到Cr汙染，E樣地受到輕度汙染，其他樣地均受到重度汙染；對於Pb來說，僅A、B樣地未受到汙染，C、H樣地受到輕度汙染，D、G樣地受到中度汙染，F樣地受到重度汙染；對於Hg來說，僅A、B樣地受到輕度汙染，其他樣地均未受到汙染。
根據綜合汙染指數，樣區E為輕度汙染區，樣區A、B、C、D、F、G、H為重度汙染區。
2.2土壤動物群落組成及分佈特點
由表2可知，對淮南市8個樣地的土樣分離提取土壤動物，共獲得大中小型土壤動物1346個，23類，隸屬4門8綱。其中，優勢類群（個體數佔總個體數的10%及以上）為隱翅類、蟎類、膜翅類，共3類，佔土壤動物全部捕獲量的65.01%;常見類群（個體數佔總個體數的1%~10%）為彈尾類、雙翅類、鞘翅類、半翅類、唇足（蜈蚣）、蚯蚓類、雙尾類、鞘翅（幼）共8類，佔總捕獲量的29.27%;優勢類群和常見類群總共11類，佔總捕獲量的94.28%,是重金屬樣地土壤動物的主要組成部分，對於改善土壤的功能和結構有著重要的作用；其餘的12類為稀有類群（個體數佔總個體數1%以下），只佔總捕獲量的5.72%,是重金屬汙染樣地的敏感性類群。
根據表1、表2可知，各樣地重金屬綜合汙染指數由小到大為：E<A<B<C<D<F<G
2.3重金屬汙染對土壤動物群落多樣性指數、均勻性指數和優勢性指數的影響
生物多樣性、均勻性以及優勢性指數這3項指標是衡量生物群落結構的常用指數[13].從圖1-3可以看出，綜合汙染指數以樣地H最高，樣地E最低；Shannon-Wiener多樣性指數以樣地E最高，樣地H最低；Pielou均勻性指數以樣地E最高，樣地H最低；Simpson優勢性指數以樣地G最高，樣地E最低。樣地土壤動物群落的Shannon-Wiener多樣性指數、Pielou均勻性指數的變化趨勢總體上與土壤重金屬綜合汙染指數相反；土壤動物群落的Simpson優勢性指數的變化趨勢總體上與土壤重金屬綜合汙染指數一致。
2.4動物群落多樣性指數、均勻性指數和優勢性指數的相關性分析
由表3可知，Shannon-Wiener多樣性指數與Pielou均勻性指數呈極顯著正相關，與Simpson優勢性指數呈極顯著負相關，Pielou均勻性指數與Simp-son優勢性指數呈顯著負相關。
3結論與討論
在煤炭的生產以及火力發電等工業生產過程中產生的由煤炭衍生的各種廢棄物長期堆放和填充對周圍土壤環境造成了不同程度的重金屬汙染。王麗等[14]透過對陝西神木煤礦區土壤重金屬汙染特徵進行研究發現，礦區周圍土壤受到了不同程度的重金屬累積性汙染，土壤中Ni、Cd含量普遍高於陝西土壤背景值。本研究對淮南市煤礦、電廠周圍的土壤重金屬含量分析發現，所有樣地均受到Cr、Pb的汙染，分別有5、6個樣地受到了Cd、Cu的汙染，從綜合汙染指數來看，E樣地受到輕度汙染，其他樣地均受到重度汙染，這表明長期煤炭資源的開發運輸和火力發電等活動導致周圍土壤受到了不同程度的重金屬累積性汙染[15].
土壤動物群落結構以及多樣性的變化可作為土壤環境質量評價和土壤汙染監測的指標和依據[16].本研究結果表明，綜合汙染指數越大（重金屬汙染越嚴重），土壤動物的類群數和個體數總體越小。淮南市樣點土壤動物優勢種為隱翅類、蟎類、膜翅類3類，佔全部土壤動物捕獲量的65.01%,而在孫賢斌等[4]的研究中，土壤動物的優勢種為彈尾類、蟎類、線蟲類3類，佔全部土壤動物捕獲量的74%.
產生這種差異的原因可能與重金屬汙染元素種類及汙染程度、汙染時間以及化學農藥肥料的使用等因素有關[17].樣地土壤動物群落的Shannon-Wiener多樣性指數、Pielou均勻性指數的變化趨勢總體上與土壤重金屬綜合汙染指數相反；土壤動物群落的Simpson優勢性指數的變化趨勢總體上與土壤重金屬綜合汙染指數一致。這可能是因為隨著土壤重金屬汙染程度的增加，動物的生存環境遭到嚴重的破壞，導致土壤中絕大部分動物死亡，少部分耐受重金屬的種類存活下來，形成新的優勢種群，致使土壤動物的總數、種類數和每種個體數均減少，因此多樣性指數與均勻性指數會降低，優勢性指數會增加[18-19].總體上，土壤動物群落的多樣性指數變化趨勢與均勻度指數變化趨勢相似，與優勢度指數變化趨勢相反，這與前人[20]研究結果類似。
參考文獻：
[1]王振中，張友梅，邢協加。土壤環境變化對土壤動物群落影響的研究[J].土壤學報，2002,39（6）：892-897.
[2]王雪峰。冶煉廠周圍重金屬汙染土壤生物指示研究[D].大連：遼寧師範大學，2008.
[3]孫賢斌，李玉成。淮南煤礦廢棄地重金屬汙染對土壤動物群落的影響[J].生態學雜誌，2014,33（2）：408-414.
[4]孫賢斌，李玉成，張小平，等。淮南市重金屬汙染對土壤動物群落和多樣性影響研究[J].生態學雜誌，2005,24（10）：1163-1166.
[5]孫賢斌，劉紅玉，李玉成，等。重金屬汙染對土壤動物群落結構及空間分佈的影響[J].應用生態學報，2007,18（9）：2080-2084.