土壤動物活動對礦區(qū)廢棄地土壤質(zhì)量的影響

高婷婷

（安徽師范大學(xué) 國土資源與旅游學(xué)院，安徽 蕪湖241003）

1 引言

土壤動物是土壤中和落葉下生存著的各種動物的總稱，土壤動物作為生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)中的重要消費者，在生態(tài)系統(tǒng)中起著重要的作用，一方面積極同化各種有用物質(zhì)以建造其自身，另一方面又將其排泄產(chǎn)物歸還到環(huán)境中不斷改造環(huán)境。土壤動物對土壤的物質(zhì)轉(zhuǎn)化、土壤形成與熟化均起到重要作用。隨著生態(tài)科學(xué)研究的日趨深入，土壤動物在生態(tài)系統(tǒng)中的作用愈加明顯。

土壤動物對礦區(qū)廢棄地的恢復(fù)和重建起到至關(guān)重要的作用。雖然采礦區(qū)的土壤形成是一個復(fù)雜的過程，但是土壤動物數(shù)量多，綜合作用較強，受外界環(huán)境的制約較小，不同類群的土壤動物在土壤中也會完成不同的任務(wù)，因此土壤動物可以作為礦區(qū)廢棄地的先鋒動物。土壤動物的介入是礦區(qū)廢棄地生態(tài)恢復(fù)與重建的重要途徑。

由于采礦嚴(yán)重破壞了生態(tài)環(huán)境，土壤的結(jié)構(gòu)以及功能也造成嚴(yán)重破壞，并帶來系列的問題，如生物多樣性減少等，因此礦區(qū)土壤的恢復(fù)迫在眉睫。

2 國內(nèi)外關(guān)于土壤動物活動對礦區(qū)廢棄地土壤質(zhì)量影響的研究

國內(nèi)學(xué)者對礦區(qū)土壤動物的研究較晚，礦區(qū)土壤微生物的研究早于土壤動物，陽承勝[1]較早對礦區(qū)土壤動物進(jìn)行采樣調(diào)查。隨著礦區(qū)廢棄地的持續(xù)增加，國內(nèi)學(xué)者開始重視對礦區(qū)土壤生物的研究，除了對礦區(qū)土壤生物的組成、群落功能、多樣性以及恢復(fù)重建研究后，還通過研究礦區(qū)植被與土壤動物相互作用來對礦區(qū)環(huán)境進(jìn)行改善。但國內(nèi)這些研究集中在對礦區(qū)土壤動物的基礎(chǔ)研究，以及對礦區(qū)環(huán)境的響應(yīng)上，對礦區(qū)廢棄地土壤動物遷居研究甚少。

國外學(xué)者對礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)土壤動物關(guān)注較早，尤其是一些發(fā)達(dá)國家學(xué)者對礦區(qū)土壤生物進(jìn)行了很多研究。如Wolfram Dunger等[2]較早對德國東部褐煤區(qū)覆土造林進(jìn)行了長期研究（從1961年開始），在1996～1999年做了一個包含微型土壤動物、中型土壤動物和大型土壤動物新的調(diào)查，其中關(guān)于最早發(fā)育期的有殼變形蟲、線蟲、正蚓科、盲蛛、甲螨、蜈蚣、千足蟲、螞蟻、步行蟲和隱翅蟲。如 M.?ourková[3]等對德國科特布斯附近和捷克索科洛夫附近褐煤礦區(qū)土壤微生物演替進(jìn)行了研究，認(rèn)為土壤微生物活動對礦區(qū)景觀生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)起著重要作用。Háněl L[4]針對德國科特布斯附近勞濟(jì)次褐煤區(qū)，通過研究線蟲從煤礦地最初種植的幼苗樟子松到具有30年樹齡的松樹人工林的演替，并與具有40年樹齡的半野生松林下的土壤線蟲進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)在半野生自然松林下的線蟲種類最多。Frouz J等[5]對美國采礦廢棄地沿氣候梯度下土壤動植物進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)矮草草原（懷俄明州）煤礦廢棄地土壤群落具有豐富的食根線蟲，其恢復(fù)快于其他含有豐富腐食性土壤生物的煤礦廢棄地，可能有助于形成更快的恢復(fù)群落。

3 土壤動物活動對礦區(qū)廢棄地土壤質(zhì)量的影響

3.1 土壤動物活動對礦區(qū)廢棄地土壤物理性質(zhì)的影響

礦區(qū)廢棄地土壤的恢復(fù)在于土壤質(zhì)量，土壤質(zhì)量取決于土壤的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、生物性質(zhì)。土壤結(jié)構(gòu)是決定土壤質(zhì)量的基本要素之一。大型土壤動物可以創(chuàng)造三種土壤結(jié)構(gòu)：排泄在土表和土內(nèi)的糞便，用來居住的洞穴，在土內(nèi)活動留下的孔道[6]。就拿蚯蚓來講，污染區(qū)土壤通常具有惡劣的物理性質(zhì)，而蚯蚓是改善土壤物理結(jié)構(gòu)、改善土壤通氣性和透水性、增強土壤肥力的能手[7]。在許多土壤中，蚯蚓是動物群的重要組成部分。作為食碎屑者，它們負(fù)責(zé)死有機(jī)物質(zhì)的分解和循環(huán)。這將在土壤表層直接摻入（如樹葉或糞便生產(chǎn)）到沉積物中，從而有助于碎屑的埋葬。通過土棲型（endogeic）的 物 種 （如 Aporrectodea caliginosa 和Allolobophora chlorotica）的挖穴活動，土壤充分混合，導(dǎo)致礦物成分和有機(jī)碎片混為一體。蚓糞的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)是獨特的，由于比周圍土壤含有更豐富的微生物和營養(yǎng)物，是促進(jìn)植物生長的理想基質(zhì)。通過蚯蚓腸道的作用，優(yōu)化土壤性質(zhì)，改善土壤質(zhì)量。

3.2 土壤動物活動對礦區(qū)廢棄地土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

由于自然條件下有機(jī)物的質(zhì)量一般較低，土壤動物必須大量取食以補償營養(yǎng)的不足，因此對植物殘體轉(zhuǎn)化為土壤有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)非常大。土壤動物對土壤有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定性的調(diào)控可以根據(jù)三個方面進(jìn)行評價：①對內(nèi)在難降解（inherent recalcitrance）性質(zhì)的影響；②對微生物易侵染性質(zhì)的影響；③與穩(wěn)定有機(jī)化合物的交互作用[8]。土壤動物的類群數(shù)與土壤有機(jī)質(zhì)含量消長趨勢完全一致，可見土壤動物是影響土壤有機(jī)質(zhì)的重要因素[9]。戈峰等[10]依據(jù) Butt等[11]提出的“蚯蚓繁殖盒”技術(shù)，進(jìn)一步改進(jìn)為“蚯蚓的接種—蚯蚓投放于尾砂上—富集有毒物質(zhì)—改良土壤和去除有毒物質(zhì)”的接種投放技術(shù)，旨在通過蚯蚓改善德興銅礦廢棄地土壤的理化性質(zhì)，從而提高土壤質(zhì)量。Frouz J等[12]人在Sokolov露天煤礦廢棄地中關(guān)于大型土壤動物對于土壤生物區(qū)系和土壤形成的影響這一研究中發(fā)現(xiàn)，接入大型土壤動物并沒有顯著提高C礦化率（野外微型生態(tài)箱整體有機(jī)物質(zhì)的損失），但增加有機(jī)物質(zhì)進(jìn)入礦物層的遷移率，這種效應(yīng)似乎是在復(fù)墾地更為明顯。礦物層中有機(jī)物積累導(dǎo)致更高的微生物呼吸作用和生物量，增加土壤持水能力，這表明，與凋落物分解和土壤混合有關(guān)的效應(yīng)與腐生大型土壤動物有關(guān)。Topp等[13]以德國Rhine－land地區(qū)為例（該地區(qū)褐煤露天礦覆蓋著黃土砂土堆積混合物），通過其中的土壤動物活動對土壤性質(zhì)的影響研究表明：①礦區(qū)土壤動物群直接增強微生物活性而間接增加大量營養(yǎng)元素的有效性；②土壤動物通過增加值、增加銨態(tài)氮的含量以及減少鋁離子含量來改善土壤質(zhì)量；③多物種系統(tǒng)比單物種系統(tǒng)更有效地改善土壤性質(zhì)，提高土壤質(zhì)量。

有些動物有很強的富集金屬的能力，可降低廢棄地的土壤的毒性，改善土壤質(zhì)量。戈峰等[10]研究了蚯蚓在銅礦廢棄地生態(tài)恢復(fù)中的作用，研究表明蚯蚓對尾礦砂中銅元素富集作用很強，可達(dá)體重的0.12%；他們認(rèn)為可以將蚯蚓接種投入尾礦廢棄地，提取土壤中有害元素，進(jìn)行土壤修復(fù)；在尾砂土和復(fù)墾土中投入一定數(shù)量的蚯蚓或蚓糞后，西紅柿的莖長、根長和干重均高于對照，說明蚯蚓在礦區(qū)廢棄土壤中的活動，可以降低和轉(zhuǎn)化污染物，減少土壤毒性，改善土壤質(zhì)量。

3.3 土壤動物活動對礦區(qū)廢棄地土壤微生物的影響

土壤微生物參與多種反映，在土壤肥力演變，尤其是礦業(yè)廢棄地的土壤的恢復(fù)具有重要意義[1]。土壤動物對土壤過程的影響主要通過與微生物的交互作用體現(xiàn)出來，土壤動物通過改善微生境 （排糞、作穴、攪動）、提高有機(jī)物的表面積（粉碎）、直接取食、攜帶傳播微生物等方式影響土壤微生物群落的數(shù)量、活性、組成和功能。Scullin和Malik在剛剛恢復(fù)的露天采煤地上，接種蚯蚓9年后，表層土壤0～7.5cm的微生物量比對照土壤顯著升高（p＜0.01），但微生物活性并沒有顯著變化；而7.5～15cm土壤微生物量和活性都下降了[14]。

4 展望

關(guān)于該研究領(lǐng)域側(cè)重于基礎(chǔ)研究，研究不深入。缺少大型試驗樣地及研究機(jī)構(gòu)，沒有充足的資金支持。研究范圍集中，東北地區(qū)最多，其次是華北、華東、華南地區(qū)，如北京、山東、南京等地為首。西南地區(qū)寥寥無幾，主要集中在新疆、四川等地，西北地區(qū)也有相應(yīng)研究。研究時間短期較多，缺乏連續(xù)性，研究方法較單一，但是短時間難以找到更加有效的方法。礦區(qū)廢棄地的生態(tài)恢復(fù)應(yīng)該采用各種技術(shù)和方法，恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)合理的結(jié)構(gòu)、高效的功能和協(xié)調(diào)的關(guān)系，通過對生態(tài)系統(tǒng)物理、化學(xué)、生物甚至社會文化要素的控制，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定和自我維持的狀態(tài)，最終使其利用價值得到恢復(fù)，具有一定的生產(chǎn)力水平，并具有一定的美學(xué)價值，為人類服務(wù)。而且礦區(qū)廢棄地的恢復(fù)可以有效地保護(hù)資源，保護(hù)環(huán)境，使生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展?？梢?，尾礦區(qū)廢棄地的生態(tài)恢復(fù)具有潛在的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和生態(tài)效益。

[1]陽承勝.礦業(yè)廢棄地的土壤生物肥力[J].中山大學(xué)研究生學(xué)刊：自然科學(xué)版，1998，19（2）：1～7.

[2]Dunger W，Wanner M，Hauser H，et al.Development of soil fauna at mine sites during 46years after afforestation[J].Pedobiologia，2001，45（3）：243～271.

[3]?ourková M，F(xiàn)rouz J，F(xiàn)ettweis U，et al.Soil development and properties of microbial biomass succession in reclaimed post mining sites near Sokolov（Czech Republic）and near Cottbus（Germany）[J].Geoderma，2005，129（1－2）：73～80.

[4]Háněl L.Succession of soil nematodes in pine forests on coalmining sands near Cottbus，Germany[J].Applied Soil Ecology，2001，16（1）：23～34.

[5]Frouz J，JílkováV，Cajthaml T，et al.Soil biota in post－mining sites along a climatic gradient in the USA：Simple communities in shortgrass prairie recover faster than complex communities in tallgrass prairie and froest[J].Soil Biology and Biochemistry，2013，67：212～225.

[6]Lavelle P.Faunal activities and soil processes：Adaptive strategies that determine ecosystem function[J].Transaction of International Congrees of soil science（Mexico），1994，1：198～220.

[7]高 巖.蚯蚓對土壤污染的指示作用及其強化修復(fù)的潛力[J].土壤學(xué)報，2005（1）.

[8]Wolters V.Invertebrate control of soil organic matter stability[J].Biol.Fertl.Soils，2000，31：1～19.

[9]崔 艷.安太堡露天煤礦復(fù)墾土壤中土壤動物研究[C].北京：首屆北京生態(tài)建設(shè)國際論壇，2005.

[10]戈 峰.蚯蚓在德興銅礦廢棄地生態(tài)恢復(fù)中的作用[J].生態(tài)學(xué)報，2001，21（11）：1790～1795.

[11]Butt K R，Redericdson J F，Mdrris R M.An earthworm cultiwation and soil inoculation tethnique for land restoration[J].Ecological Engineering，1995，4：1～9.

[12]Frouz J，ElhottováD，Kurá?V，?ourkováM.Effects of soil macrofauna on other soil biota and soil formation in reclaimed and unreclaimed post mining sites：Results of a field microcosm experiment[J].Applied Soil Ecology，2006，33：308～320.

[13]Topp W，Simon M，Kautz G，et al.Soil fauna of a reclaimed lignite open－cast mine of the Rhineland：improvement of soil quality by surface pattern[J].Ecologocal Engineering，2001，17（2－3）：307～322.

[14]Scullion J，Malik A.Earthworm activity affecting organic matter，aggregation and microbial activity in soils restored after opencast mining for coal[J].Soil Biol.Biochem，2000，32：119～126.