礦區(qū)不同復(fù)墾模式下大型土壤動(dòng)物功能類(lèi)群及其分布研究
——以山西省平朔礦區(qū)為例

王 軍，李紅濤，2，白中科，2，趙中秋，2，鐘莉娜，2

（1.國(guó)土資源部土地整治中心土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100035；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083）

1 引言

中國(guó)礦產(chǎn)資源的開(kāi)采帶來(lái)了土壤質(zhì)量下降、生物多樣性減少、生態(tài)系統(tǒng)退化等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[1-2]。礦區(qū)的土地復(fù)墾受到各級(jí)政府的普遍關(guān)注和重視[3-4]。礦區(qū)土地復(fù)墾主要包括土壤重構(gòu)、地貌重塑、植被重建、景觀再造、生物多樣性重現(xiàn)和生態(tài)功能維持等方面[5-8]，目前對(duì)土壤重構(gòu)、地貌重塑、植被重建、景觀再造方面的研究相對(duì)較多且取得了重要進(jìn)展與成效，但在生物多樣性重現(xiàn)和生態(tài)功能維持等方面的研究依然薄弱[9]。大型土壤動(dòng)物是礦區(qū)生物多樣性的重要成員，對(duì)維持礦區(qū)土壤生態(tài)系統(tǒng)正常結(jié)構(gòu)和功能具有重要作用。大型土壤動(dòng)物是指土壤中無(wú)需放大即能看到的動(dòng)物，一般指體長(zhǎng)0.2 cm以上但較蚯蚓小的土壤動(dòng)物[10-11]。大型土壤動(dòng)物的分泌、排泄、生物擾動(dòng)和挖掘作用不僅能夠影響土壤結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)，還能影響到微生物和植物等其他生物的生存狀態(tài)，進(jìn)而影響土壤生態(tài)系統(tǒng)的功能[12-13]。目前對(duì)大型土壤動(dòng)物的研究主要集中在不同土地利用方式下大型土壤動(dòng)物的群落組成和數(shù)量變化[14-15]，對(duì)放牧和刈割、田間耕作、公路建設(shè)等一系列人類(lèi)活動(dòng)影響下大型土壤動(dòng)物的動(dòng)態(tài)變化也是當(dāng)前研究的主要內(nèi)容之一[16-18]，但目前的研究鮮少涉及土地復(fù)墾對(duì)大型土壤動(dòng)物類(lèi)群及分布的影響。在復(fù)墾礦區(qū)對(duì)比分析不同復(fù)墾模式下大型土壤動(dòng)物的功能類(lèi)群、空間分布與原地貌之間的差異，對(duì)研究黃土丘陵區(qū)礦區(qū)復(fù)墾模式中植物類(lèi)型的選擇及其空間配置，揭示土地復(fù)墾后礦區(qū)生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能維持具有指導(dǎo)意義。

本文以平朔礦區(qū)為例，對(duì)不同復(fù)墾模式下的大型土壤動(dòng)物功能類(lèi)群進(jìn)行研究，分析礦區(qū)恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)土壤動(dòng)物的功能類(lèi)群特征，將為中國(guó)礦區(qū)土地復(fù)墾后的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建提供土壤動(dòng)物學(xué)依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

平朔礦區(qū)位于112°11′E—113°30′E、39°23′N(xiāo)—39°37′N(xiāo)之間，地處黃土高原晉陜蒙接壤的黑三角地帶，區(qū)內(nèi)黃土廣布、植被稀少、水土流失嚴(yán)重，生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱。該地區(qū)屬典型的溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，平均氣溫為 4.8—7.8 ℃，年降水量在 195.6—757.4 mm之間，年蒸發(fā)量在1786.7—2598 mm之間，礦區(qū)地帶性土壤為栗鈣土與柴褐土，地帶性植被屬干草原。礦區(qū)內(nèi)南排土場(chǎng)自1992年開(kāi)始復(fù)墾，目前基本達(dá)到裸地全覆蓋。復(fù)墾區(qū)以油松、刺槐、榆樹(shù)、沙棘、檸條等耐旱性植物為主，形成了木—草本相結(jié)合、喬—灌—草多層次的復(fù)墾模式，礦區(qū)的生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)均有明顯改善。

3 研究方法

3.1 樣地選擇

根據(jù)研究區(qū)域的主要復(fù)墾植被類(lèi)型，選擇復(fù)墾植被不同的4個(gè)排土場(chǎng)平臺(tái)和邊坡（表1），復(fù)墾時(shí)間均為1993年，1個(gè)原地貌作為對(duì)照。土地復(fù)墾既是土壤生境恢復(fù)也是植物種類(lèi)演替的過(guò)程。復(fù)墾區(qū)域原地貌喬木植被類(lèi)型為小葉楊純林，但調(diào)研發(fā)現(xiàn)平朔地區(qū)的氣候類(lèi)型為干草原氣候，楊樹(shù)在當(dāng)?shù)剌^難成材。礦區(qū)原來(lái)的植被被破壞后其氣溫、降水等因素的改變會(huì)引起局部小氣候變化。因此，在土地復(fù)墾初期，應(yīng)首先種植刺槐等耐旱耐瘠薄的速生植物，隨著土壤理化性質(zhì)的改善、土壤動(dòng)物的增多，土壤生境逐步恢復(fù)、局部小氣候逐漸改善，當(dāng)?shù)氐男∪~楊等優(yōu)勢(shì)物種才會(huì)開(kāi)始生長(zhǎng)。另外，刺槐是固氮樹(shù)種，復(fù)墾初期可以有效提高土壤養(yǎng)分，促進(jìn)土壤發(fā)育；油松對(duì)復(fù)墾土壤微生物的存活有顯著促進(jìn)作用；短期內(nèi)，刺槐和油松等樹(shù)種對(duì)土壤性質(zhì)的改良效果要明顯優(yōu)于小葉楊樹(shù)。因此，在復(fù)墾初期選擇了以刺槐為主要建群種與油松等其他植物混交的植被恢復(fù)模式。

表1 土壤動(dòng)物調(diào)查樣地情況Tab.1 Investigation plots of soil macro-faunas

3.2 采樣方法及分離鑒定

2015年8月對(duì)安太堡露天礦南排土場(chǎng)復(fù)墾地的5個(gè)樣地進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集，每種生境各選擇3個(gè)20 m×20 m典型樣地，在每一個(gè)樣地上做4個(gè)重復(fù)樣方，樣方面積大小為30 cm×30 cm，每個(gè)樣方采集0—5 cm和5—10 cm兩層土樣，大型土壤動(dòng)物主要以手撿法采集，將土壤動(dòng)物撿出后，放入70%酒精固定容器中，帶回室內(nèi)分類(lèi)鑒定，鑒定到科。收集的土壤動(dòng)物因昆蟲(chóng)成蟲(chóng)和幼蟲(chóng)的生態(tài)位不同，因此將成蟲(chóng)和幼蟲(chóng)分開(kāi)統(tǒng)計(jì)數(shù)量[20]。

3.3 數(shù)據(jù)處理分析

依據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)將收集到的土壤動(dòng)物依據(jù)其食性特征劃分為雜食性、植食性、捕食性和腐食性4個(gè)功能類(lèi)群[21]。土壤動(dòng)物群落多樣性分析計(jì)算公式如下[22-23]：

（1）Shannon-wiener多樣性指數(shù)（H）：

式（1）中，H為Shanon’s多樣性指數(shù)，Pi=Ni/N，N為所有種的個(gè)體數(shù)，Ni為第i種的個(gè)體數(shù)，S為群落中的類(lèi)群數(shù)。（2）Pielou均勻性指數(shù)（E）：

式（2）中，H為Shanon’s多樣性指數(shù)，S為群落中的類(lèi)群數(shù)。

（3）Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)（C）：

式（3）中，N為所有類(lèi)群個(gè)體數(shù)，ni為第i個(gè)類(lèi)群的個(gè)體數(shù)。

（4）Margalef豐富度指數(shù)（D）：

式（4）中，S為類(lèi)群數(shù)，N為所有類(lèi)群個(gè)體數(shù)。

（5）Jaccard相似性（q）：

式（5）中，a、b分別代表群落A、B的類(lèi)群數(shù)，c代表兩群落的共有類(lèi)群數(shù)。

本文主要采用Excel和 SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與處理。

4 結(jié)果與分析

4.1 大型土壤動(dòng)物功能類(lèi)群組成

5個(gè)樣地共捕獲大型土壤動(dòng)物243只，隸屬于2門(mén)4綱10目29類(lèi)。其中土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)所占比例為：雜食性（33.74%）＞植食性（32.10%）＞捕食性（31.69%）＞腐食性（2.74%），類(lèi)群上：植食性（12）＞捕食性（11）＞雜食性（4）＞腐食性（2）。雜食性土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)量最多，植食性土壤動(dòng)物的類(lèi)群數(shù)最多。

4.2 大型土壤動(dòng)物功能類(lèi)群結(jié)構(gòu)

4.2.1 水平方向分布特征 植食性土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)量最多的為樣地Ⅲ（刺槐與針葉樹(shù)）、類(lèi)群數(shù)最多的樣地 Ⅳ（刺槐與灌木混交林），個(gè)體數(shù)量上植食性土壤動(dòng)物在樣地Ⅲ都比其他樣地豐富，主要原因是樣地Ⅲ中盡管植食性類(lèi)群數(shù)少，但在此樣地發(fā)現(xiàn)大量的植食性柄眼目，柄眼目在樣地Ⅳ和樣地Ⅰ出現(xiàn)過(guò)、但數(shù)量很少。分析發(fā)現(xiàn)樣地Ⅲ是唯一邊坡樣地，邊坡地表層形成0—3.5 cm的落葉層，為表層土壤動(dòng)物提供了豐富的食物和穩(wěn)定的環(huán)境。因此柄眼目作為特有類(lèi)群反映出樣地Ⅲ環(huán)境的特殊性，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)中土壤有機(jī)質(zhì)具有指示作用。樣地Ⅳ、樣地Ⅰ植食性類(lèi)群數(shù)較多，主要是因?yàn)槠鋸?fù)墾模式為喬灌混交林，在類(lèi)群豐富度上大于灌木純林（樣地Ⅱ），也大于原地貌小葉楊純林（樣地Ⅴ）?？傮w來(lái)看，復(fù)墾地貌中的動(dòng)物類(lèi)群較原地貌更為豐富，相對(duì)來(lái)說(shuō)其群落結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜和穩(wěn)定。從植食性土壤動(dòng)物類(lèi)群豐富度來(lái)看，混交林＞純林＞原地貌小葉楊純林。捕食性土壤動(dòng)物在5個(gè)樣地中除了樣地Ⅱ刺槐純林外，其他個(gè)體數(shù)、類(lèi)群數(shù)都相對(duì)比較平均。這主要是因?yàn)椴妒承詣?dòng)物活動(dòng)范圍較大、活動(dòng)力較強(qiáng)，具有較大的流動(dòng)性。對(duì)雜食性土壤動(dòng)物在5個(gè)樣地的占比情況進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，依次為樣地Ⅳ喬灌混交林、樣地Ⅰ闊葉混交林、樣地Ⅱ刺槐純林和樣地Ⅲ針闊混交林，占比最高的為原地貌（47.56%）。腐食性土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)占整個(gè)研究樣地的2.47%，腐食性動(dòng)物主要以有機(jī)物的碎屑為食，對(duì)礦區(qū)環(huán)境穩(wěn)定程度具有顯著的指示作用。而平朔礦區(qū)土壤結(jié)構(gòu)差，有機(jī)質(zhì)含量低，經(jīng)測(cè)定發(fā)現(xiàn)一般在5.0—9.0 g/kg之間，且地處干旱、半干旱的黃土區(qū)，降水稀少，淋溶較弱，礦區(qū)的土壤中性偏堿，造成腐食土壤動(dòng)物食物來(lái)源少，生活環(huán)境惡劣，這是導(dǎo)致腐食性土壤動(dòng)物少的主要原因。腐食性動(dòng)物在樣地Ⅰ（刺槐與闊葉樹(shù)）中的數(shù)量較多，這說(shuō)明刺槐—臭椿—榆樹(shù)混交林這種復(fù)墾模式更有利于復(fù)墾后礦區(qū)環(huán)境的穩(wěn)定。

表2 大型土壤動(dòng)物不同功能類(lèi)群的個(gè)體數(shù)量與類(lèi)群數(shù)垂直分布Tab.2 Vertical distribution of individual and group number of soil macro-fauna communities

4.2.2 垂直方向分布特征 5個(gè)樣地土壤動(dòng)物各功能類(lèi)群個(gè)體數(shù)量與類(lèi)群數(shù)的垂直分布情況見(jiàn)表2。從表中可以發(fā)現(xiàn)在個(gè)體數(shù)量與類(lèi)群數(shù)除雜食性土壤動(dòng)物外，其他類(lèi)群都表現(xiàn)出明顯的表聚現(xiàn)象。在5個(gè)樣地中植食性土壤動(dòng)物在樣地Ⅴ（原地貌小葉楊純林）中表聚現(xiàn)象不顯著；捕食性土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)在各樣地都具有表聚現(xiàn)象、類(lèi)群數(shù)除了樣地Ⅴ外其他樣地表聚性都較明顯；雜食性土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)上在樣地Ⅱ（刺槐純林）表聚性顯著，其他類(lèi)群的垂直分布并沒(méi)有顯著的特點(diǎn)?？傮w來(lái)看，原地貌（樣地Ⅴ）中土壤動(dòng)物的表聚性不明顯，說(shuō)明其在0—5 cm土壤表層的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)聚集情況較其他復(fù)墾地貌差，但其在5—10 cm土層中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量高于其他復(fù)墾地貌。因此，復(fù)墾地貌在5—10 cm土層中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量還未達(dá)到復(fù)墾前標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)采取相應(yīng)措施對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化提升。相關(guān)分析表明，0—5 cm土層，雜食性土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)與其他類(lèi)群均呈負(fù)相關(guān)，但相關(guān)性未達(dá)到顯著水平，植食性和捕食性呈正相關(guān)，相關(guān)性也不明顯；5—10 cm土層，沒(méi)有腐蝕性類(lèi)群，其他類(lèi)群之間呈正相關(guān)，但相關(guān)性不顯著；類(lèi)群數(shù)上0—5 cm土層雜食性和植食性顯著正相關(guān)（P＜0.05），其他類(lèi)群間相關(guān)性不顯著，5—10 cm土層類(lèi)群數(shù)很少。

4.3 土壤動(dòng)物多樣性特征

物種多樣性是群落生物組成結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)，反映了群落內(nèi)物種的多少和生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)的復(fù)雜程度。排土場(chǎng)不同復(fù)墾模式各功能類(lèi)群大型土壤動(dòng)物的多樣性（圖1），各種多樣性指數(shù)的變化對(duì)不同復(fù)墾模式各功能類(lèi)群土壤動(dòng)物的多樣性影響程度有所不同。植食性土壤動(dòng)物Margalef豐富度指數(shù)（P＜0.05）、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)（P＜0.05）、Pielou均勻度指數(shù)（P＜0.05），在不同復(fù)墾模式下差異顯著；捕食性土壤動(dòng)物Shannon-Wiener多樣性指數(shù)（P＜0.05）和Margalef豐富度指數(shù)（P＜0.01）在不同復(fù)墾模式下產(chǎn)生顯著變化；腐食性土壤動(dòng)物由于只有兩個(gè)類(lèi)群對(duì)不同復(fù)墾模式下腐食性土壤動(dòng)物的差異性難以做定量描述；雜食性土壤動(dòng)物Margalef豐富度指數(shù)（P＜0.01）、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)（P＜0.01）、Pielou均勻度指數(shù)（P＜0.01）和Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)（P＜0.01）在不同植被下均有顯著差異變化。通過(guò)對(duì)不同食性土壤動(dòng)物的多樣性指標(biāo)分析可知，樣地Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ的豐富度指數(shù)、多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)均高于原地貌樣地Ⅴ，說(shuō)明除喬木純林（樣地Ⅱ）外，其他復(fù)墾植被的動(dòng)物群落復(fù)雜程度均高于原地貌樣地，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性也更高。

4.4 土壤動(dòng)物相似性特征

圖1 不同復(fù)墾模式豐富度指數(shù)、多樣性指數(shù)、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)和均勻度指數(shù)（平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤）Fig.1 Margalef index, shannon-wiener index, simpson index and pielou index of different reclamation modes

根據(jù)Jaccard指數(shù)計(jì)算了各功能類(lèi)群土壤動(dòng)物相似性指數(shù)（表3），植食性土壤動(dòng)物在不同復(fù)墾模式下相似性指數(shù)都為極不相似或中等不相似，僅是樣地Ⅰ（刺槐與闊葉樹(shù)）樣地Ⅳ（刺槐×檸條×沙棘）之間相似性接近是中等相似。捕食性土壤動(dòng)物樣地Ⅰ（刺槐與闊葉樹(shù)）和樣地Ⅲ（刺槐與針葉樹(shù)）群落相似性指數(shù)為0.63，達(dá)到了中等相似的水平，而其他樣地之間都表現(xiàn)為極不相似與中等不相似。雜食性土壤動(dòng)物總體上在不同復(fù)墾模式下相似性系數(shù)高于其他功能類(lèi)群的土壤動(dòng)物，樣地Ⅰ（刺槐與闊葉樹(shù)）樣地Ⅳ（刺槐×檸條×沙棘）兩個(gè)喬灌混交林之間相似性指數(shù)達(dá)到了極相似水平，相似性指數(shù)最低的是樣地Ⅳ（刺槐×檸條×沙棘）和樣地Ⅴ（原地貌小葉楊）為極不相似。相對(duì)于其他功能類(lèi)群土壤動(dòng)物，腐食性土壤動(dòng)物在5各樣地中共有兩個(gè)類(lèi)群，各復(fù)墾模式下相似性指數(shù)比較低，具有很高的異質(zhì)性。除了樣地Ⅰ（刺槐與闊葉樹(shù)）和樣地Ⅲ（刺槐與針葉樹(shù)）群落相似性指數(shù)為1，達(dá)到了完全相似，而其他群落之間相似性指數(shù)均是0.00，為極不相似。4種功能類(lèi)群土壤動(dòng)物在不同復(fù)墾模式下的相似性差異顯著。不同生境之間土壤動(dòng)物群落相似性整體較低，說(shuō)明復(fù)墾模式的選擇對(duì)土壤大型動(dòng)物群落的形成具有至關(guān)重要的意義。另外原地貌與刺槐純林的相似性指數(shù)高于混交林的復(fù)墾模式，且其土壤動(dòng)物多樣性均低于其他復(fù)墾類(lèi)型，這可能是因?yàn)槎呔鶠閱我坏募兞种脖?，表明單一植被?lèi)型的復(fù)墾效果相對(duì)較差。

表3 不同復(fù)墾模式下不同功能類(lèi)群大型土壤動(dòng)物群落相似性指數(shù)Tab.3 Comparison of similarity index of soil macrofauna communities under different reclamation modes

5 結(jié)論與討論

（1）平朔礦區(qū)排土場(chǎng)雜食性土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)所占比例最大，為33.74%；植食性土壤動(dòng)物的類(lèi)群群數(shù)最多，有12種；腐食性土壤動(dòng)物個(gè)體數(shù)所占比例最小，為2.47%，同時(shí)類(lèi)群也最少僅有2種。

（2）對(duì)各食性土壤動(dòng)物在群落中的水平分布研究發(fā)現(xiàn)，捕食性土壤動(dòng)物在各樣地所占比例較為平均、雜食性土壤動(dòng)物在原地貌、復(fù)墾模式類(lèi)型單一的樣地所占比例高，植食性在邊坡樣地復(fù)墾模式中占比較高；從土壤動(dòng)物的垂直分布特征來(lái)看，原地貌（樣地Ⅴ）中土壤動(dòng)物的表聚性不明顯，說(shuō)明其土壤表層的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)聚集情況較其他復(fù)墾地貌差，但其在5—10 cm土層中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量高于其他復(fù)墾地貌。

（3） 4種功能類(lèi)群土壤動(dòng)物在不同復(fù)墾模式下的相似性差異顯著，不同生境之間土壤動(dòng)物群落相似性整體較低，說(shuō)明復(fù)墾模式的選擇對(duì)土壤大型動(dòng)物群落的形成具有至關(guān)重要的意義；原地貌與純林的相似性指數(shù)除植食性外其他都高于混交林的復(fù)墾模式，單一植被類(lèi)型的復(fù)墾效果相對(duì)較差。

綜合分析土壤動(dòng)物的個(gè)體數(shù)、類(lèi)群數(shù)、表聚性及其多樣性、相似性等結(jié)構(gòu)特征發(fā)現(xiàn)，林灌混交林復(fù)墾模式中的土壤大型動(dòng)物在數(shù)量和結(jié)構(gòu)上優(yōu)于其他復(fù)墾模式和原地貌，其次為刺槐與針葉林、刺槐與闊葉林復(fù)墾模式，刺槐純林的復(fù)墾模式在土壤動(dòng)物方面表現(xiàn)較差。

礦區(qū)土壤動(dòng)物數(shù)量眾多、種類(lèi)繁雜，以功能群為單位研究礦區(qū)不同復(fù)墾模式下土壤動(dòng)物多樣性與生態(tài)過(guò)程的關(guān)系可以將龐大的土壤動(dòng)物群體簡(jiǎn)化，避免分類(lèi)學(xué)所面臨的困難。本文基于一次野外調(diào)查采樣分析一個(gè)時(shí)間斷面內(nèi)不同復(fù)墾模式下大型土壤動(dòng)物的分布特征，并未考慮土壤動(dòng)物隨季節(jié)發(fā)生的分布變化。未來(lái)的研究將對(duì)平朔礦區(qū)的土壤動(dòng)物進(jìn)行長(zhǎng)期定點(diǎn)監(jiān)測(cè)，研究不同復(fù)墾樣地大型土壤動(dòng)物和礦區(qū)環(huán)境特征的季節(jié)變化，以便從中發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定的規(guī)律性特征。

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