銅尾礦復(fù)墾地的生態(tài)恢復(fù)程度與土壤動物指示作用研究

毛文權(quán) 朱永恒 王海燕 白鈺鵬

摘要為改善礦區(qū)復(fù)墾地土壤生態(tài)環(huán)境，于2018年9月對銅陵市獅子山3個尾礦庫復(fù)墾地和1個對照樣地的土壤動物進(jìn)行研究。結(jié)果表明，共捕獲土壤動物24類1 191只。優(yōu)勢類群為彈尾目、甲螨、前氣門亞目、螞蟻和鼠婦，占總數(shù)的76.99%。樣地土壤動物個體數(shù)和類群數(shù)方差分析表明，香樟林獲得土壤動物個體數(shù)和類群數(shù)顯著高于其他樣地（P<0.05），刺槐林地與其他樣地的個體數(shù)無顯著性差異，類群數(shù)有顯著性差異，芒草地和白茅草地個體數(shù)和類群數(shù)之間無顯著性差異（P>0.05）。RDA分析表明，彈尾目與土壤pH、TP顯著相關(guān);凋落物層厚度、土壤TN、TC、TOC與雙尾目、蚯蚓、雙翅目幼蟲、鼠婦呈極顯著的正相關(guān)，與鞘翅目幼蟲呈顯著負(fù)相關(guān)。香樟林地對照下的復(fù)墾地生態(tài)恢復(fù)綜合評價表現(xiàn)為刺槐林地恢復(fù)效果較好，芒草地和白茅草地的恢復(fù)效果不顯著。

關(guān)鍵詞土壤動物;凋落物;生態(tài)恢復(fù);銅尾礦復(fù)墾地

中圖分類號Q958文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611（2020）15-0071-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.15.021

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Study on Eecological Restoration Degree and Soil Animal Indicator of Copper Tailing Reclamation Land

MAO Wenquan，ZHU Yongheng，WANG Haiyan et al

（College of Geography and Tourism，Anhui Normal University，Key Laboratory of Earth Surface Processes and Respond in the YangtzeHuaihe River Basin，Wuhu，Anhui 241003）

AbstractIn order to improve the soil ecological environment of the reclaimed land in the mining area，soil animals in 3 tailings reservoir reclaimed land and a control plot in Shizishan，Tongling City were studied in September 2018.The results showed that a total of 1 191 soil animals of 24 types were captured.The dominant taxa were placoderm，acaroid mite，anterior valve suborder，ant and murine，accounting for 76.99% of the total.Sample area soil animal number of individuals and groups of variance analysis showed that the camphor forest soil animal individual number and group number was significantly higher than the other sample （P<0.05），there was no significant difference in the number of individuals between acacia woodland and other plots，there was a significant difference in the number of groups，and there was no significant difference between the number of individuals and groups in the grasslands of miscanthus and cogon grass （P>0.05）.RDA analysis showed that elastomer was significantly correlated with soil pH and TP.Litters layer thickness，soil TN，TC and TOC were significantly positively correlated with dicetops，earthworms，diptera larvae and rat females，but significantly negatively correlated with coleoptera larvae.The comprehensive evaluation of ecological restoration of reclaimed land under the control of Xiangzhang woodland showed that the recovery effect of robinia pseudoacacia forest was good，but that of Mang grassland and Baimao grassland was not significant.

Key wordsSoil animals;Litter;Ecological restoration;Copper tailing reclamation land

作者簡介

毛文權(quán)（1991—），男，安徽太和人，碩士研究生，研究方向：自然地理學(xué)。

收稿日期2019-12-17

土壤動物是陸地生態(tài)系統(tǒng)中重要的分解和參與者，起到維護(hù)其結(jié)構(gòu)和功能的作用[1]，也對地表植物的演替有重大意義[2]，尤其對退化土壤的恢復(fù)具有重要的作用[3]。土壤動物可以作為一種生態(tài)資源[4]。隨著全球?qū)ι镪P(guān)注，土壤動物研究已經(jīng)成為土壤生態(tài)學(xué)和復(fù)墾地生態(tài)恢復(fù)研究的重點[5-7]。

尾礦廢棄地是指通過采礦、冶煉或堆放尾礦等生產(chǎn)活動造成的廢棄土地，是閑置不用的污染土地，是一種人為作用下的退化生態(tài)系統(tǒng)，包括自然廢棄地和復(fù)墾廢棄地。廢棄地的生態(tài)恢復(fù)是其最好的選擇，自然生態(tài)恢復(fù)過程表現(xiàn)為典型的生態(tài)系統(tǒng)原生演替過程[8-9]。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國土地資源得到廣泛的利用，閑置的尾礦庫增多的同時，研究學(xué)者也漸漸的認(rèn)識到了這是一對矛盾，也急需要對閑置的尾礦廢棄地進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)[10]。當(dāng)今尾礦復(fù)墾地生態(tài)恢復(fù)研究集中在土壤、植被和生物方面。土壤動物可以分解凋落物，改良土壤污染狀況。通過研究復(fù)墾地土壤動物群落、礦區(qū)植被、凋落物分解狀況、土壤腐殖質(zhì)剖面以及土壤環(huán)境因子等，可以作為指示礦區(qū)復(fù)墾地生態(tài)恢復(fù)程度的指標(biāo)。筆者對銅陵市獅子山銅尾礦復(fù)墾地土壤動物進(jìn)行對比研究，為尾礦復(fù)墾地生態(tài)恢復(fù)與生態(tài)系統(tǒng)演替提供參考價值。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

銅陵市地處安徽省中南部（30°56′42″N，117°43′28″E），氣候類型為亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，多年平均氣溫16.2 ℃，平均相對濕度75%。當(dāng)?shù)刂脖欢酁閬啛釒С＞G闊葉林和落葉闊葉混交林。境內(nèi)較多低山丘陵，高度在100～200 m[10]。

1.2樣地簡介與選取

楊山?jīng)_尾礦庫于1966年建成，1990年停止使用。楊山?jīng)_尾礦庫初期壩為亞黏土均質(zhì)壩，后期采用上游筑壩法用人工堆筑子壩。冬瓜山的閉庫工程于2012年10月完工。閉庫工程完工至今6年。

于2018年9月野外采集土壤和凋落物。設(shè)置了3個采集樣地，分別是白茅草地、刺槐林地和芒草地。外圍的則是選取香樟林地作為對照，對照組樣地有豐富的凋落物及較厚的腐殖質(zhì)層。每個樣地均設(shè)置3個重復(fù)（表1）。

1.3土壤動物采集與鑒定

于2018年9月野外采集土壤和凋落物，大型土壤動物采用30 cm×30 cm樣方，取0～5 cm的土層，中小型土壤動物采用4個環(huán)刀的方法。大型土壤動物就地拾取;中小型土壤動物，用Tullgren干漏斗分離。動物標(biāo)本存放在75%乙醇溶液中。鑒定的參考書目為尹文英《中國土壤動物檢索圖鑒》《土壤動物知識》和《中國亞熱帶土壤動物》，一般鑒定到目。

1.4數(shù)據(jù)分析與處理

在劃分土壤動物群落上，以個體數(shù)量占全部捕獲量為依據(jù)。占群落個體數(shù)多于10%的是優(yōu)勢類群，常見類群個體數(shù)為1%～10%，小于1%為稀有類群。群落多樣性指數(shù)采用多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)和均勻性指數(shù)。

數(shù)據(jù)用Excel 2010、SPSS 22.0進(jìn)行處理與分析，對4個樣地土壤動物的類群數(shù)和個體數(shù)進(jìn)行單因素方差分析。采用CANOCO 5.0排序軟件，分析土壤動物群落與環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系，剔除不能反映土壤動物指標(biāo)的環(huán)境因子。采用SPSS主成分分析（PCA）法對土壤的理化性質(zhì)及土壤動物綜合指標(biāo)主成分變量提取后，再通過綜合評價模型計算綜合評價值，作為綜合評價、生態(tài)指示的方法。

2結(jié)果與分析

2.1樣地土壤動物群落特點

共捕獲土壤動物24類1 191只，隸屬于4門8綱24目。優(yōu)勢類群為彈尾目、甲螨、前氣門亞目、螞蟻和鼠婦，占總數(shù)的76.99%。常見類群有甲蟲、隱翅蟲、雙翅目幼蟲、鞘翅目幼蟲、馬陸、蚯蚓、中氣門亞目、綜合目和雙尾目9類，占總捕獲量的18.81%（表2）。其余為稀有類群，共10類，個體數(shù)占總捕獲量的4.20%。

3個尾礦復(fù)墾地樣地中（SC.刺槐，SM.芒草，SB.白茅），共捕獲土壤動物679只，占總捕獲量的57.01%;優(yōu)勢類群有甲螨、前氣門亞目和彈尾目，常見類群有螞蟻、隱翅蟲、雙翅目幼蟲、鞘翅目幼蟲、甲蟲、雙尾目、馬陸和綜合目。

對照樣地C-SX（香樟林樣地）中，共捕獲土壤動物512只，占總捕獲量的42.99%;優(yōu)勢類群有前氣門亞目、彈尾目、螞蟻、鼠婦和甲螨，常見類群有隱翅蟲、雙翅目幼蟲、雙尾目、蚯蚓、中氣門亞目和擬蝎目。

4個樣地中土壤動物個體數(shù)的方差分析表明（表3），C-SX（香樟林地）獲得土壤動物個體數(shù)顯著高于SM（芒草）和SB（白茅草）樣地（P<0.05），芒草和白茅草樣地的個體數(shù)之間無顯著性差異（P>0.05）;SC（刺槐林地）土壤動物的個體數(shù)高于芒草和白茅草樣地，低于香樟林地，且無顯著性差異。4個樣地中土壤動物類群數(shù)的方差分析表明（表3），C-SX和其他的樣地類群數(shù)差異性顯著，且與SM和SB樣地之間的顯著性達(dá)到極顯著（P<0.01），而SC樣地的類群數(shù)顯著高于SM樣地，SM和SC與SB樣地的類群數(shù)之間無顯著性差異（P>0.05）。

2.2環(huán)境因子與土壤動物指標(biāo)的RDA分析土壤動物的冗余分析（redundancy analysis，RDA）表明（圖1），彈尾目與土壤pH、TP顯著相關(guān);土壤C/N與均勻度指數(shù)呈極顯著相關(guān);

凋落物層厚度、土壤TN、TC、TOC與雙尾目、蚯蚓、雙翅目幼蟲、鼠婦呈極顯著正相關(guān)，與鞘翅目幼蟲呈顯著負(fù)相關(guān);土壤容重與土壤動物的相關(guān)性不顯著，這可能與樣地中土壤的密度普遍較大關(guān)系密切。

2.3環(huán)境因子和土壤動物指標(biāo)的主成分分析

運用SPSS 22.0對不同植被下的尾礦庫樣地指標(biāo)（凋落物厚度、土壤pH、土壤總有機碳、土壤C/N、土壤全碳、土壤全氮、土壤全磷與土壤動物類群數(shù)、個體數(shù)、多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)、均勻性指數(shù)）進(jìn)行因子分析降維，發(fā)現(xiàn)前3個主成分特征根分別為6.215、2.349和1.695，貢獻(xiàn)率解釋達(dá)到85.494%。表明可以利用這3個主成分對環(huán)境因子和土壤動物指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，來反映土壤動物對礦區(qū)的生態(tài)恢復(fù)程度。

由表4可知，香樟林樣地對照（C-SX）下的尾礦庫復(fù)墾地土壤動物生態(tài)恢復(fù)效果從好到差依次為刺槐林地（SC）、芒草地（SM）、白茅草地（SB），表明刺槐林地恢復(fù)效果最好，芒草地和白茅草地的恢復(fù)效果不顯著，但是芒草地優(yōu)于白茅草地。

3討論與結(jié)論

3.1尾礦庫樣地中土壤動物個體數(shù)和類群數(shù)

礦區(qū)廢棄地的主要優(yōu)勢類群是甲螨、前氣門亞目和彈尾目，外圍香樟林下的土壤動物優(yōu)勢類群是彈尾目、前氣門亞目、螞蟻、甲螨和鼠婦，甲螨、前氣門亞目和彈尾目是他們的共有類群。礦區(qū)凋落物較為豐富，由于甲螨、前氣門亞目和彈尾目取食和粉碎凋落物，合適的生存環(huán)境使得他們的數(shù)量較多。土壤動物指標(biāo)會受到環(huán)境的影響，一般生境越優(yōu)越，土壤動物的生存有利[11]。而且多樣性指數(shù)隨著時間的不斷變化會呈現(xiàn)良好的動態(tài)變化。對照組香樟林樣地土壤動物的個體數(shù)和類群數(shù)都顯著高于3個復(fù)墾地樣地，但是林地的土壤動物個體數(shù)和類群數(shù)都略高于芒草和白茅草。鼠婦和螞蟻喜歡在陰暗潮濕、腐殖質(zhì)剖面發(fā)育和有枯枝落葉多的地方。由于對照組香樟林樣地有大量的腐爛的木料，較厚的凋落物層，比較完善的腐殖質(zhì)剖面層，優(yōu)越的生境條件使得螞蟻和鼠婦活動異?；钴S。而復(fù)墾地刺槐林、芒草和白茅草樣地由于凋落物層較薄與腐殖質(zhì)層發(fā)育極其不完善，鼠婦、螞蟻的生存條件相對于對照樣地就不是那么優(yōu)越，就使得鼠婦和螞蟻為首的群落指標(biāo)數(shù)量較少。

3.2環(huán)境因子與土壤動物RDA分析

土壤動物生存在土壤和凋落物中，土壤環(huán)境一定程度決定土壤動物生存棲息地，影響土壤動物群落。土壤動物分解和粉碎凋落物，凋落物是土壤動物直接或間接的食物來源[12]。凋落物釋放養(yǎng)分的動態(tài)變化也能影響土壤動物群落[13]。土壤中的碳來源于凋落物，凋落物層的厚度與土壤全碳、土壤有機碳含量密切相關(guān)，凋落物的不斷分解也增加了土壤氮的來源[14]。

植被群落可以為土壤動物提供食物和棲息環(huán)境[15-16]。研究表明，不同植被有不同的性質(zhì)，所以不同的植被樣地向土壤提供的養(yǎng)分也不盡相同[17-19]。研究認(rèn)為，不同的土壤理化性質(zhì)對土壤動物的群落結(jié)構(gòu)影響是不同的，該研究RDA分析顯示，土壤理化性質(zhì)能夠顯著影響土壤動物群落，僅土壤容重與動物群落相關(guān)性不強，基本可以反映土壤動物與地理環(huán)境的同一性，也就是說環(huán)境因子指標(biāo)的改變也能引起土壤動物類群變動。該研究證明，隨著土壤全氮、有機碳和凋落物厚度的增加，雙尾目、蚯蚓與雙翅目幼蟲也呈現(xiàn)增加的趨勢。香樟林下生物多樣性豐富，這與它優(yōu)越的生境相關(guān)。刺槐葉雖然容易碎裂和分解，但土壤的密度較大，大中型土壤動物不易挖掘地道，特別是蚯蚓的活動受到限制，且復(fù)墾地依舊呈現(xiàn)污染狀態(tài)。芒草和白茅草生境下的土壤動物對復(fù)墾地生態(tài)恢復(fù)程度也雖然低，但此類型的草本植物對礦區(qū)重金屬污染的凈化與轉(zhuǎn)移可能具有重要意義。

3.3土壤生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與土壤動物的指示作用

學(xué)者們普遍認(rèn)為對于土壤生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)，微生物活動雖然強烈，但土壤動物依舊可作為一種生態(tài)指標(biāo)使用[20]。甲螨雖然對環(huán)境變化與污染感到很敏感，有的研究認(rèn)為單從甲螨總數(shù)和種類來判斷環(huán)境變化與污染似乎不太可取[21]。蚯蚓取食有機質(zhì)及腐殖質(zhì)的泥土，依然被認(rèn)為是大型土壤動物中最有生態(tài)恢復(fù)價值的指示生物[22]。濕生動物土壤線蟲受到土壤溫度和濕度等環(huán)境的影響大，環(huán)境的變化直接導(dǎo)致了土壤線蟲的數(shù)量改變，所以說線蟲是生態(tài)系統(tǒng)變化敏感指示生物[23]。然而土壤動物的生態(tài)恢復(fù)指示作用研究，不能僅局限于用土壤動物稀有類群，稀有類群可能對已經(jīng)處于污染的環(huán)境非常具有說服力，但是單項的指標(biāo)用來指示生態(tài)的恢復(fù)就顯得相形見絀。最新的研究證明，土壤動物群落的綜合指標(biāo)和環(huán)境因子的相關(guān)越來越成為指示土壤生態(tài)恢復(fù)的重要指標(biāo)[24]。綜合指標(biāo)可以包括土壤動物類群數(shù)和個體數(shù)、多樣性指標(biāo)和環(huán)境因子。香樟林對照下的復(fù)墾地綜合評價值表現(xiàn)為刺槐林地>芒草地>白茅草地。林木樣地的綜合評價值高于禾草樣地。這與林木的凋落物質(zhì)地柔軟易碎、容易被土壤動物粉碎取食有關(guān)，而芒草和白茅草的莖葉比較堅硬、不易被土壤動物取食。芒草地優(yōu)勢類群數(shù)為5類，白茅草地僅3類，優(yōu)勢類群的總數(shù)量遠(yuǎn)少于芒草地，可見芒草葉對前氣門亞目、彈尾目、甲螨、螞蟻和隱翅蟲等中小型土壤動物具有強烈的吸引力，而土壤有機質(zhì)含量、腐殖質(zhì)層的厚度和土壤動物多樣性影響了礦區(qū)的生態(tài)恢復(fù)。

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