模擬柴油污染對土壤動物群落結(jié)構(gòu)的影響

肖玖金，楊禮通，楊智富，馮秋紅，陳良華，胡宗達(dá)

（1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，森林和濕地生態(tài)恢復(fù)與保育四川省重點(diǎn)實(shí)驗室，成都610081；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)林業(yè)研究所，成都611130；3.彭州市國有林場，成都611930；4.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院，成都611130；）

柴油是由石油烴和芳烴組成的混合物，作為重要的燃料之一，在現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中具有重要意義。但柴油在加工、儲藏、運(yùn)輸過程中及儲油罐的泄漏等造成的土壤污染問題越來越嚴(yán)重[1]，泄露的柴油不但對土壤結(jié)構(gòu)造成不良影響，而且其危害持久和難以修復(fù)，因此，柴油污染帶來的土壤生態(tài)環(huán)境問題已成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)之一[2]。由于柴油具有較強(qiáng)的黏著力和較低的乳化力[3-4]，土壤作為柴油等污染物的最終歸屬，可將土壤顆粒聚合成較為致密的片層狀或團(tuán)狀結(jié)構(gòu)體，導(dǎo)致土壤孔隙度降低，滲透阻力增加，透水性和透氣性減弱[5]。同時，柴油中的有毒物質(zhì)通過吸入、誤服及皮膚接觸等途徑進(jìn)入生物體后會產(chǎn)生急性或慢性中毒，從而對生物產(chǎn)生刺激、麻醉、腐蝕甚至致癌作用[6-7]。因此，土壤生態(tài)系統(tǒng)中生物群落不可避免地會受到污染物的影響。土壤動物作為土壤生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，是陸地生態(tài)系統(tǒng)中生物種類最豐富、數(shù)量最多的亞系統(tǒng)[8]，參與了生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動等重要環(huán)節(jié)，在營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化、儲存和釋放，對土壤微生物的調(diào)節(jié)及土壤理化性質(zhì)的改變等方面都發(fā)揮著重要作用。同時，土壤動物對環(huán)境變化有著極高的敏感度，其群落組成差異往往能夠反映環(huán)境的一些細(xì)微變化和特殊狀態(tài)[9]，其個體數(shù)和類群數(shù)則是研究柴油污染程度的重要指標(biāo)。研究表明，石油污染對大多數(shù)土壤動物具有抑制作用，部分類群甚至消失；但也有研究表明，一定的石油污染濃度對一些土壤動物具有正向效應(yīng)，如石油污染對食細(xì)菌線蟲數(shù)量具有促進(jìn)作用[10]，蚯蚓可以促進(jìn)土壤石油烴的去除，但其數(shù)量隨石油烴濃度的增加而減少[11]。因此，土壤動物對石油類污染的響應(yīng)總體受土壤動物種類和污染物濃度的影響，部分種類在低濃度下表現(xiàn)出促進(jìn)作用，而在高濃度下呈現(xiàn)抑制作用。但是，由于土壤動物類群眾多，加之受季節(jié)變化以及土壤層次差異等影響，限制了人們深入開展土壤動物群落與污染物間關(guān)系的研究。

綜上所述，目前針對石油烴類污染對土壤動物群落影響的研究較為豐富，但針對不同污染程度、污染效應(yīng)延續(xù)時間及影響土層深度等的研究較少。本研究擬通過野外小區(qū)試驗，設(shè)置不同柴油泄漏量處理，分析不同時間和不同土層土壤動物密度、類群及其多樣性變化，以期了解柴油泄漏量與土壤動物群落變化之間的關(guān)系，以及不同土層土壤動物群落的恢復(fù)過程及其特征。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

模擬試驗研究地土壤類型為山地黃壤，主要植被為車前草（Plantago asiatica）、冷水花（Pilea notata）、野艾蒿（Artemisia lavandulaefolia）、水蓼（Polygonum hydropiper）、三葉鬼針草（Bidens pilosa）、葎草（Humulus scandens）等。

1.2 試驗方法

2016 年6 月在試驗地設(shè)置3 個面積為403 m2（13 m×31 m）的樣地，在各樣地內(nèi)設(shè)置10 個25 m2（5 m×5 m）的樣方并隨機(jī)編號，處理間保留1 m的間距并用木板隔開以避免相互影響，每個處理重復(fù)6次。柴油污染量參照《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618—2008）中標(biāo)準(zhǔn)石油烴進(jìn)行設(shè)計，按0、30、60、120、240 g/m2的柴油污染量（分別為對照CK、CY30、CY60、CY120和CY240），用小型噴霧器均勻噴灑在樣方內(nèi)。

分別于2016年7月（污染后30 d）、8月（污染后60 d）、9 月（污染后90 d）在各樣方內(nèi)按“品”字形布點(diǎn)，設(shè)置3個大小為50 cm×50 cm（0.25 m2）的小樣方，分0～5、＞5～10和＞10～15 cm土層，采用手撿法收集大型土壤動物，將收集到的土壤動物放入盛有75%乙醇的器皿中保存，并帶回實(shí)驗室鑒定和計數(shù)。中小型土壤動物用環(huán)刀（r=5 cm，V=100 cm3）自上而下依次每層取2 個環(huán)刀土樣，用尼龍網(wǎng)包好并貼上標(biāo)簽后迅速放入黑布袋內(nèi)帶回實(shí)驗室；中小型土壤動物分離采用Tullgren干漏斗法[12]和Baermann濕漏斗法[13]，分離時間為48 h，其中濕生土壤動物每4 h觀察1 次[14-15]。干生分離出的土壤動物用盛有75%乙醇的器皿收集，濕生土壤動物用清水收集，在解剖鏡下進(jìn)行分類鑒定和數(shù)量統(tǒng)計。

土壤動物的鑒定在EZ4HD雙目解剖鏡（德國徠卡儀器有限公司）下進(jìn)行，參考《中國土壤動物檢索圖鑒》[16]、《中國亞熱帶土壤動物》[17]、《昆蟲分類檢索》[18]和《幼蟲分類學(xué)》[19]進(jìn)行分類鑒定，一般鑒定到科，同時統(tǒng)計個體數(shù)量。

1.3 數(shù)據(jù)分析與處理

采 用Shannon-Wiener 多 樣 性 指 數(shù)（H'）、Margalef 豐富度指數(shù)（D）、Pielou 均勻度指數(shù)（J）、Simpson 優(yōu)勢度指數(shù)（C）[20]對土壤動物的多樣性進(jìn)行分析。主要計算公式如下：

式中：Pi=ni/N，Pi為第i 個類群個體數(shù)占比，ni為第i個類群的個體數(shù)；N 為所有類群的個體數(shù)；S 為類群數(shù)。

類群數(shù)量等級劃分：個體數(shù)量大于總捕獲量的10.0%者為優(yōu)勢類群，大于等于1.0%而小于等于10.0%者為常見類群，小于1.0%者為稀有類群。

主要采用Excel 2010 和SPSS 22.0 對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。用單因素方差分析對同一采樣時間不同樣方間土壤動物群落組成進(jìn)行檢驗，用最小顯著差數(shù)法（least significant difference, LSD）進(jìn)行多重比較，P＜0.05表示差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤動物類群及多樣性特征

共捕獲土壤動物21 135 只，隸屬于3 門9 綱20目54個類群（附表1，http://www.zjujournals.com/agr/CN/10.3785/j.issn.1008-9209.2020.04.021），以線蟲綱和蜘蛛目為優(yōu)勢類群，分別占總捕獲量的54.80%和14.80%；以跳蟲科、棘?科、綏螨科、圓?科、弄蝶科、粗脈毛蚊科和蟻甲科等為常見類群，占總捕獲量的23.43%；其他45 個類群均為稀有類群，占總捕獲量的6.97%。

各處理中稀有類群土壤動物數(shù)目最多，常見類群次之，優(yōu)勢類群最少（圖1）。與對照相比，土壤動物常見和稀有類群對柴油污染的響應(yīng)較大，各處理總體呈現(xiàn)出常見類群土壤動物數(shù)目在試驗初期和中期減少，而到試驗后期得到恢復(fù)甚至超過對照的趨勢。同時，在試驗初期，高柴油污染量處理（CY240）對常見類群土壤動物數(shù)目產(chǎn)生了極大的抑制作用，僅有1個類群存活。

與同期對照相比，柴油污染降低了土壤動物的多樣性、均勻度和豐富度指數(shù)，從同一時間不同處理分析，土壤動物多樣性、均勻度、豐富度指數(shù)隨污染量的增加而呈先增加后減少的趨勢。其中：除對照外，多樣性指數(shù)各月均在CY60處理組達(dá)到頂點(diǎn)（圖2A），均勻性指數(shù)7月在CY60處理組達(dá)到頂點(diǎn)，8和9月在CY120處理組達(dá)到頂點(diǎn)（圖2B），優(yōu)勢度指數(shù)7 月以CY120處理組最高，8 月則隨著污染量的上升而逐漸增加，9月呈先降低后升高的趨勢，并在CY60處理組達(dá)到最低點(diǎn)（圖2C），豐富度指數(shù)在CY120處理組達(dá)到頂點(diǎn)（圖2D）。同時，從同一處理不同時間分析，多樣性、均勻度和豐富度指數(shù)總體上隨污染時間的推移而上升；對于優(yōu)勢度指數(shù)，CY60和CY120處理組隨時間的推移呈下降趨勢，而CY240總體呈增加趨勢。

2.2 土壤動物群落月變化特征

各處理土壤動物平均密度和類群數(shù)目的月動態(tài)特征如圖3所示。CK處理下7—9月土壤動物平均密度和類群數(shù)目變化不大，而不同柴油污染量處理均加大了其變化幅度，并隨柴油污染量的增加在相同月份里土壤動物密度總體呈下降趨勢。

圖1 不同柴油污染量下0～15 cm土層土壤動物優(yōu)勢、常見和稀有類群數(shù)目Fig.1 Number of dominant,common and rare groups of soil fauna under different diesel contamination levels in 0-15 cm soil layer

圖2 不同柴油污染量下0～15 cm土層土壤動物多樣性特征Fig.2 Diversity characteristics of soil fauna under different diesel contamination levels in 0-15 cm soil layer

圖3 不同柴油污染量下0～15 cm土層土壤動物密度和類群數(shù)目Fig.3 Density and group number of soil fauna under different diesel contamination levels in 0-15 cm soil layer

低污染量在短期內(nèi)增加了土壤動物密度，但隨著污染時間的推移，土壤動物密度快速下降。柴油污染處理初期（7 月）土壤動物類群數(shù)低于其他處理，表明柴油污染處理總體上降低了土壤動物的類群數(shù)；隨著時間的推移，各處理土壤動物類群數(shù)逐漸增加，部分處理下的類群數(shù)在8和9月超過CK處理下的土壤動物類群數(shù)。其中，除9 月CY240處理外，8和9月土壤動物類群數(shù)高于CK，表明柴油污染樣地在受到外界干擾后，土壤動物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了一定的調(diào)整，其類群數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢。

2.3 不同土層土壤動物多樣性特征

土壤動物類群數(shù)在土層中的垂直分布特征見圖4。各處理的土壤動物類群數(shù)目隨著土層的加深而降低。與對照CK 相比，柴油污染均不同程度地降低了各土層土壤動物類群數(shù)目。其中，0～5 cm土層土壤動物類群數(shù)目總體隨時間的推移而增加，表明柴油污染初期對土壤表層土壤動物類群產(chǎn)生了一定的抑制作用，但隨著表層污染物濃度隨著雨水的下滲而被稀釋，該層土壤動物類群數(shù)又逐漸得到恢復(fù)，到試驗?zāi)┢冢?月），與對照相比，0～5 cm土層土壤動物類群數(shù)基本能夠恢復(fù)到相同的水平（除CY120外）。各處理下，＞5～10 和＞10～15 cm 土層土壤動物類群數(shù)在7月下降較明顯，同時，該層低污染量下土壤動物類群數(shù)目隨時間的推移逐漸得到恢復(fù)，但在CY240高污染量下，該層土壤動物在試驗期間沒有恢復(fù)到正常水平，表明高污染量對深層土壤動物的影響具有一定的持久性。顯著性分析表明，7 月對照組0～5 和＞5～10 cm 層土壤動物類群數(shù)顯著高于CY240（P＜0.05）。

不同土層土壤動物密度垂直分布特征見圖5。從中可以看出：與對照相比，柴油污染初期土壤動物密度大幅增加，但也改變了土壤動物數(shù)量分布的表層集聚效應(yīng)，不同土層土壤動物密度的最大值一般出現(xiàn)在＞5～10或＞10～15 cm土層。同時，各處理土壤動物密度總體均隨著時間的推移而降低，同時，各處理下8和9月土壤動物密度均低于對照。

3 討論

圖4 不同柴油污染量下不同土層土壤動物類群垂直分布特征Fig.4 Vertical distribution characteristics of soil fauna group under different diesel contamination levels

圖5 不同柴油污染量下土壤動物密度垂直分布特征Fig.5 Vertical distribution characteristics of soil fauna density under different diesel contamination levels

土壤線蟲是土壤動物的主要功能類群之一，是土壤中最為豐富的后生動物[21-22]。一般認(rèn)為，柴油對土壤線蟲有明顯的毒性，柴油污染導(dǎo)致土壤中線蟲數(shù)量降低[23-24]；而本研究表明：線蟲在試驗區(qū)為優(yōu)勢類群，其數(shù)量在本次調(diào)查中總體占比為54.88%，其中，線蟲綱個體數(shù)占比最高，為70.94%（7月CY240處理），最低為36.15%（8 月CK 處理）。本研究顯示，柴油污染在一定程度上增加了線蟲群落數(shù)量和比例，與其他相關(guān)研究結(jié)果類似[10,25]，這可能與土壤線蟲群落中食細(xì)菌線蟲為優(yōu)勢類群有關(guān)。有報道顯示：食細(xì)菌線蟲在微生物活性強(qiáng)的區(qū)域如根際，其數(shù)量占比甚至可達(dá)90%以上，土壤被柴油污染后，柴油可作為碳源促進(jìn)微生物生長，食細(xì)菌線蟲的捕食也能刺激微生物生長，使微生物數(shù)量增加[10]，從而增加土壤相關(guān)酶活性[26]。而隨著土壤中柴油濃度的降低，使得以碳源為食物來源的微生物生長減緩，進(jìn)而導(dǎo)致食物鏈中食細(xì)菌線蟲的數(shù)量降低。

柴油污染初期（7 月）的土壤動物類群數(shù)較8 月（污染后60 d）和9月（污染后90 d）低，而CK組的土壤動物類群數(shù)在3次調(diào)查中均無顯著變化（P＞0.05），表明柴油污染初期降低了土壤動物類群數(shù)，但隨著時間的推移，土壤動物類群數(shù)又逐漸恢復(fù)甚至超過污染初期。分析其原因，可能與土壤動物類群數(shù)的變化主要受稀有類群的影響較大有關(guān)，各污染量處理中，污染初期（30 d）土壤動物類群數(shù)均為3 次采樣中最低，而CK則表現(xiàn)出最高值。

研究土壤動物多樣性對于整個生態(tài)系統(tǒng)具有重要意義，它是生態(tài)環(huán)境評價的重要指標(biāo)，其高低能反映群落的穩(wěn)定性[27]。在本研究中，與CK 相比，柴油污染初期降低了土壤動物群落的多樣性和均勻度指數(shù)，而隨著時間的推移又逐漸上升；與多樣性和均勻度指數(shù)變化趨勢相反，優(yōu)勢度指數(shù)在污染初期最高，8 和9 月波動較小；豐富指數(shù)表現(xiàn)出低污染量（CY30和CY60）逐漸上升，CY120無顯著變化（P＞0.05），CY240呈先降低后升高的變化趨勢。這主要與污染初期一些稀有類群消失，從而導(dǎo)致土壤動物類群數(shù)減少有關(guān)。由于稀有類群的減少，土壤動物類群中一些能適應(yīng)污染環(huán)境的類群，如食細(xì)菌線蟲的數(shù)量得到快速繁殖，其個體數(shù)量占據(jù)群落數(shù)量的絕對優(yōu)勢，如7 月CY240處理中線蟲綱數(shù)量占比為70.94%，這極大提高了土壤動物的優(yōu)勢度指數(shù)。

土壤動物剖面分布的季節(jié)變化是土壤動物為應(yīng)對外界環(huán)境變化而進(jìn)行的上、下方向的移動，以改變其棲息場所[28]。一般認(rèn)為，土壤動物類群和個體數(shù)會隨著土層的加深而減少[29]。本研究表明，柴油污染導(dǎo)致了土壤動物群落垂直分布的變化，一些處理甚至出現(xiàn)土壤動物數(shù)量的“逆層分布”現(xiàn)象，即深層土壤動物數(shù)量較表層高。這與平常的調(diào)查結(jié)果相反，分析其原因主要是隨著柴油在土壤中的滲透，深層土壤微生物獲得碳源而大量繁殖，促進(jìn)了食細(xì)菌線蟲數(shù)量的增加。同時，從土壤動物類群數(shù)和土層的關(guān)系來看，土壤動物類群數(shù)基本呈現(xiàn)出隨土層的加深而減少的趨勢，表明柴油污染對土壤動物類群在土層中的分布影響有限。

本研究取樣間隔時間為30 d，而現(xiàn)有對柴油污染的首次采樣設(shè)定在1 周或更短的時間[26,30-31]，因此，首次采樣間隔時間較長，可能會忽略土壤動物應(yīng)對柴油污染的短期響應(yīng)。相關(guān)研究表明，石油類污染初期會抑制大部分土壤微生物的活性[26]，而本研究結(jié)果未能反映該過程，這可能與首次采樣時間跨度較大，忽略了柴油污染對土壤動物數(shù)量的抑制有關(guān)。同時，由于本試驗的時間跨度較長，不同采樣時間的環(huán)境條件差異對土壤動物群落存在一定影響。因此，本文僅對同一時間不同污染量下的土壤動物群落差異進(jìn)行了顯著性分析。由于受到土壤動物分類水平的限制，較高的分類階元對土壤動物類群數(shù)在柴油污染處理下變化趨勢的研究具有一定的局限性。

4 結(jié)論

1）低柴油污染量對土壤動物密度表現(xiàn)為促進(jìn)作用，而高污染量則表現(xiàn)出一定的限制影響；與同期對照相比，柴油污染降低了土壤動物的多樣性、均勻度和豐富度指數(shù)，這些指數(shù)在同一時間下隨污染量的增加總體呈先增加后減少的變化趨勢。

2）柴油污染加大了土壤動物平均密度和類群數(shù)的月動態(tài)變化幅度，且各月土壤動物密度隨柴油污染量的增加而下降。

3）柴油污染干擾了土壤動物個體數(shù)的“表聚性”分布特征，但隨著污染時間的推移，表層土壤動物群落逐漸得到恢復(fù)，與土壤動物個體數(shù)相比，類群數(shù)在土層中的分布規(guī)律受影響較小。