鉛鋅礦區(qū)周邊農(nóng)田土壤跳蟲群落特征與重金屬污染的關聯(lián)*

李 進，柯 欣，李 柱，李 愷?，吳龍華

（1．華東師范大學生命科學學院，上海 200241；2. 中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心，上海 200032；3. 中國科學院南京土壤研究所，南京 210008）

隨著礦山開采、礦石冶煉和工業(yè)化的高速發(fā)展，土壤污染日益加劇，土壤重金屬污染是當前人類所面臨的重要環(huán)境問題之一[1]。土壤重金屬污染導致土地質量退化，土壤生物多樣性喪失，同時重金屬可通過食物鏈傳遞威脅到人體健康。如何及時預警并修復污染土壤受到越來越多的關注[2]。目前，人們逐漸認識到土壤中重金屬對土壤動物的影響（改變土壤動物的群落結構與種群特征）。研究重金屬生物毒性可以較全面綜合的評價重金屬對土壤生態(tài)系統(tǒng)存在的潛在風險，從而為我國制定土壤污染管控相關的政策與法規(guī)提供理論依據(jù)。環(huán)境質量的生態(tài)風險評估等已成為最具實踐意義的課題[3]。

指示生物物種的選擇是生態(tài)風險評估的第一步，也是最重要的一步[4]。目前關于重金屬對土壤動物影響研究頗多[1，5]，但在物種鑒定方面，大多鑒定到目或科，細分程度較低，難以篩選到能靈敏反映生態(tài)風險的物種，并在實際生態(tài)風險評估中應用；此外，土壤動物許多類群，種數(shù)與密度過少，參考價值不大；部分類群對重金屬污染土壤環(huán)境的適應性和敏感性有限，在重金屬含量稍偏高的土壤中很難尋獲，無實際應用價值[6-7]。而跳蟲作為土壤中的優(yōu)勢類群，不但種類繁多、數(shù)量巨大，而且分布廣泛，在各類土壤環(huán)境中均有其活動的蹤跡[8]。在土壤物質循環(huán)、能量轉移、生態(tài)系統(tǒng)的維持方面起重要作用，具有土壤生物的典型代表性[9-10]。此外，跳蟲生命活動范圍一般在土壤的表層，是土壤環(huán)境變化的直接受害者，對環(huán)境的變化有很高的敏感性，同時部分類群又體現(xiàn)著很強的耐受性[11]，其群落特征或某個物種不僅可以作為生態(tài)指標來評價土壤質量[12-13]，又可指示土壤環(huán)境的污染狀況[14]。Lock等[15]發(fā)現(xiàn)跳蟲的密度和多樣性均和鋅的氯化鈣提取態(tài)顯著負相關，Gillet和Ponge[11]的研究表明土壤重金屬污染將減少跳蟲群落的生物多樣性，但耐性種Mesaphorura macrochaeta的密度將會顯著增加。研究跳蟲群落結構和種群特征的變化能有效地反映土壤污染狀況[4]。

本文以云南蘭坪鉛鋅礦區(qū)周邊的農(nóng)田土壤為對象，研究土壤重金屬污染和跳蟲群落結構關系，探討礦區(qū)重金屬污染農(nóng)田的跳蟲群落結構和特定物種的變化特征，以了解污染對跳蟲的毒害作用及跳蟲對污染的響應規(guī)律，為土壤質量評價與監(jiān)測提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

蘭坪鉛鋅礦位于云南省蘭坪縣城西北18 km的鳳凰山脈（99°32′E，26°41′N），平均海拔2 240 m以上，全年有霜期175 d，最高氣溫31.5℃，均溫11.7℃，年均降雨量1015.5 mm，夏秋多雨，冬春干旱，為典型的亞熱帶、山地主體型季風氣候。該礦床規(guī)模為特大型，是中國最大的鉛鋅礦[16-17]，礦區(qū)集采、選、冶及輔助設施為一體，工業(yè)三廢排放嚴重，周邊農(nóng)田土壤污染加劇，重金屬富集[18]。

1.2 樣點設置

取樣點設置在蘭坪鉛鋅礦區(qū)周邊的農(nóng)田（圖1），在官莊、練登、新井、巖腳取4條取樣帶（分別距礦區(qū)中心約1 500、2 000、3 000、5 000 m），分別用A、B、C、D表示，其中A、B、C為污染區(qū)，D為非污染對照區(qū)?？紤]到河流（流向從北至南）對農(nóng)田的影響，距離河流每100 m取1個樣點作1個梯度，共設3個梯度：梯度1（A1、B1、C1、D1）、梯度2（A2，B2、C2、D2）和梯度3（A3、B3、C3、D3）。每個樣點5個重復，用定量取樣器取兩份20 cm2（面積）×10 cm（高）土壤樣品，一份用作跳蟲群落結構分析，一份用作重金屬和土壤理化性質分析。

1.3 土壤動物分離鑒定

用干漏斗法（Tullgren apparatus）分離提取跳蟲[19]，將跳蟲制作成玻片標本，使用正置熒光顯微鏡（OLYMPUS，BX53），進行分類鑒定和數(shù)量統(tǒng)計[20-21]，所有跳蟲均鑒定到屬或種。

1.4 土壤理化性質及重金屬含量的測定

土壤樣品風干，用木槌碾碎，去除植物殘體，分別過2 mm和0.2 mm篩，裝袋備用。測定土壤的含水量、土壤容重（稱重法）、pH（ThermoORION STAR A21型pH計法）、有機質含量（重鉻酸鉀氧化法），土壤的鎘、鉛、鋅全量用火焰原子吸收分光光度計（Varian SpectrAA 220FS）測定，鎘、鉛、鋅的有效態(tài)用0.01 mol·L-1氯化鈣（CaCl2）溶液浸提，熱電（Thermo）電感耦合等離子體質譜儀X2（ICP-MS）測定[22]。

1.5 跳蟲體內鉛含量的測定

跳蟲體內的鉛含量采用微量生物樣品中重金屬測定方法[23]：準確稱取50～150 μg樣品至內徑4.2 mm、長25.0 mm、厚1.3 mm的派熱克斯玻璃管，加30 μL的消化劑（硝酸︰雙氧水=3︰1）后，將小玻璃消化管放入5 mL燒杯內，燒杯放入聚四氟乙烯消化管內并在電熱鼓風烘箱（DHG-9246）105℃加熱消化4 h，冷卻后置于玻璃培養(yǎng)皿內在電熱板上烘干。小玻璃消化管4 ℃保存。測定時至少提前1 h加入50 μL 0.1 mol·L-1HNO3溶解。使用原子吸收分光光度計（石墨爐，GFAAS）測定。

1.6 數(shù)據(jù)處理

式中，ni為第i個種的個體數(shù)，N為群落中所有種的個體數(shù)，S為種數(shù)，j為兩個群落共有種數(shù)，a和b分別為樣地A和樣地B的種數(shù)。

應用內梅羅污染指數(shù)（P）對土壤重金屬污染現(xiàn)狀進行評價，評價標準采用我國土壤環(huán)境質量二級標準（GB15618-2018），計算單因子指數(shù)和綜合指數(shù)[24]。

使用Excel 2016計算各樣點環(huán)境因子（土壤理化性質、重金屬全量、重金屬有效態(tài)含量）的平均值、標準差，各種跳蟲數(shù)量的平均值、標準誤，進行土壤中鉛含量與跳蟲體內鉛含量的回歸分析。使用SPSS 21.0對各樣點的環(huán)境因子進行單因素方差分析（One-way ANOVA）和雙因素（樣帶、梯度）方差分析（Two-way ANOVA），對各樣點跳蟲的密度進行雙因素（樣帶、梯度）方差分析。使用CANOCO for Windows v.4.5生態(tài)學數(shù)據(jù)多元統(tǒng)計分析軟件，對環(huán)境因子與跳蟲群落進行去趨勢對應分析（DCA）和線性模型-冗余分析（RDA），并做相應的非限制性蒙特卡羅置換檢驗（Unrestricted Monte Carlo Permutation Test）。

2 結 果

2.1 土壤重金屬和理化性質

所調查的12個樣點中，重金屬污染情況和土壤理化性質差異顯著（表1、表2）。樣點距礦區(qū)或河流越遠，綜合污染指數(shù)下降。土壤鎘、鉛、鋅的全量與其有效態(tài)分布趨勢并不完全相同。除A2樣點土壤容重偏小，其他各樣點的土壤容重沒有顯著差異；除D1土壤呈微堿性外，其他樣地土壤均呈弱酸性或中性。

表2 樣點環(huán)境因子雙因素（樣帶、梯度）方差分析（F值）Table 2 Two-way ANOVA（Transects，Gradients）of environmental factors at the sampling points（F value）

2.2 跳蟲體內鉛含量與土壤中鉛含量的關聯(lián)性

跳蟲體內鉛含量與土壤鉛含量的回歸方程如圖2所示，結果顯示跳蟲體內鉛含量與土壤中鉛含量呈顯著的線性關系（R2=0.41，P＜0.05）（圖2a）；土壤有效態(tài)鉛與與跳蟲體內鉛含量呈極顯著對數(shù)關系（R2=0.82，P＜0.001）（圖2b），跳蟲體內鉛含量隨土壤有效態(tài)鉛或全量鉛含量增加而增加。

2.3 跳蟲群落組成

從12個樣點中，共獲取土壤跳蟲1 445只，隸屬2目6科15屬，共26個種（表3）。從整體來看，平均密度為12 042 ind·m-2，其中優(yōu)勢類群為棘跳屬Onychiurus和球角跳屬Hypogastrura，分別占總密度的53.2%和14.5%。等節(jié)跳屬Isotoma、符跳屬Folsomia、缺彈等跳屬Anurophorus、裸長跳屬sinella、鱗長跳屬Lepidocyrtus和長跳屬Entomobrya均為常見類群，共占總類群的31.2%。其余1.18%為稀有類群，包括7個屬。整體體現(xiàn)出優(yōu)勢類群明顯，類群比較缺乏的特點。

2.4 跳蟲群落結構

跳蟲種數(shù)、豐富度指數(shù)均是對照D樣帶最高，分別為18和3.38；隨著距礦區(qū)距離縮短而降低，C＞ B ＞ A（表4）。多樣性指數(shù)和均勻性指數(shù)亦是D樣帶最高，分別為2.28和0.79。跳蟲密度隨距礦區(qū)變遠而增多，C樣帶和B樣帶分別是A樣帶的1.80倍和1.67倍（F=3.212，P＜0.05），但D樣帶的密度則相對較低；優(yōu)勢度指數(shù)具有類似趨勢（表4）。D樣帶與A、B、C樣帶的相似度分別為0.53、0.69、0.74，即樣帶距礦區(qū)越遠，與對照的相似度越高。從距河流遠近梯度來看（表5），跳蟲種數(shù)、豐富度指數(shù)均是梯度3最高，分別為20和3.15。然后隨著距河流距離縮短而降低，種數(shù)梯度2和梯度1分別為19和17，而豐富度指數(shù)梯度2和梯度1相同（表5）。密度梯度2最高，分別是梯度1和梯度3的2.21倍和1.72倍（F=3.253，P＜0.05）。

表4 4個樣帶的跳蟲群落結構指數(shù)Table 4 Structural index of the collembola communities relative to 4 transects

表5 3個梯度的跳蟲群落結構指數(shù)Table 5 Structural index of the 2 collembola communities relative to 3 gradients

2.5 環(huán)境因子與跳蟲群落結構指數(shù)的關聯(lián)性

通過對群落指數(shù)進行DCA分析，結果中四個軸的最大梯度為0.301＜3。因此，采用RDA分析群落指數(shù)-環(huán)境因子相關性[25]。將所有測定的土壤環(huán)境因子（見表1）與12個樣點的群落指數(shù)（未列出）進行RDA分析（見圖3），提取的2個有效排序軸特征值分別為0.799和0.158，累計貢獻率為95.7%，環(huán)境因子對群落指數(shù)的2個有效排序軸的解釋量分別為82.5%和98.7%。

對群落指數(shù)進行非限制性蒙特卡羅置換檢驗結果顯示，種數(shù)受環(huán)境因子影響最大，與主要的影響因子有效態(tài)鎘、鉛、鋅均呈負相關；其次為密度和豐富度指數(shù)。密度與有效態(tài)鉛和有機質含量均關聯(lián)密切，前者與其負相關，后者正相關。有效態(tài)鋅、鎘是降低豐富度指數(shù)的主因。多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)與優(yōu)勢度指數(shù)受環(huán)境因子影響最小，與土壤理化性質相關較大，與重金屬關聯(lián)相對較小。

?

2.6 環(huán)境因子與跳蟲物種的關聯(lián)性

通過對10個物種（優(yōu)勢種+常見種）進行DCA分析，結果中四個軸的最大梯度為2.467＜3，因此，物種組成-環(huán)境因子相關應采用RDA分析。將土壤環(huán)境因子（表1）與物種組成數(shù)據(jù)（表3）進行RDA分析（圖4），提取的2個有效排序軸特征值分別為0.515和0.175，累計貢獻率為69.0%，環(huán)境因子對群落指數(shù)的2個有效排序軸的解釋量分別為53.1%和71.1%。對這10個物種進行非限制性蒙特卡羅置換檢驗。結果顯示：棘跳屬的Onychiurussp.與有效態(tài)鎘、鉛、鋅較相關。Onychiurussp.與土壤有機質呈正相關。同屬于棘跳屬的白棘跳（O. folsomi）作為絕對優(yōu)勢物種，有機質是最大的主導因子。等節(jié)跳屬的三個種Isotomasp.1、Isotomasp.2和Isotomasp.3均與全量及有效態(tài)鎘關聯(lián)較密切，均呈負相關（圖4）；Isotomasp.3與全量及有效態(tài)鋅關聯(lián)較密切。Isotomasp.1與土壤pH和土壤容重關聯(lián)度很高，均呈正相關，而Isotomasp.3對重金屬的關聯(lián)適合度遠高于土壤理化性質。Lepidocyrtussp.與全量鎘、鉛、鋅關聯(lián)性較大且均呈正相關，尤其是鎘。Anurophorussp.和裸長角跳屬的2個種Sinelliasp.1、Sinelliasp.3主要受土壤理化性質影響，尤其是有機質含量和土壤容重，Sinelliasp.1與全量鎘、鋅及綜合污染指數(shù)也有一定關聯(lián)。

3 討 論

3.1 土壤重金屬污染分布

D樣帶作為非污染區(qū)，其重金屬含量總體遠低于其他三個污染區(qū)樣帶；而A、B、C三個樣帶中，除A3外，其他樣點均為隨著距礦區(qū)和河流越來越遠，綜合污染指數(shù)均呈下降趨勢。表明農(nóng)田的重金屬污染程度受著礦區(qū)與水流的雙重影響，礦冶產(chǎn)生的重金屬可隨著風力和水流擴散，并且土壤對水流中重金屬的滯留作用明顯[26]。全鎘、全鋅、全鉛之間均呈顯著的正相關，說明屬于同一污染源，鎘可能是鉛鋅冶煉的衍生產(chǎn)物[16]。鎘、鉛、鋅的有效態(tài)的分布趨勢與全量分布并不相同。與全量相反，梯度2的有效態(tài)含量較梯度3要低，這與梯度2的較高pH和有機質含量有關，高pH和高有機質含量可以降低重金屬的氯化鈣提取態(tài)含量[27-28]。因此在雙因素方差分析（樣帶、梯度）中，有效態(tài)含量在土壤理化性質的干擾下，不如全量的顯著性高。

?

?

3.2 跳蟲群落特征

本次采樣在9月份，共鑒定出跳蟲6科15屬26個種。平均密度為12 042 ind·m-2，在同季節(jié)的采樣比較中，從數(shù)量上顯著低于黃淮海平原的30 000 ind·m-2[29]，可能與地域差異有關，也可能與蘭坪礦區(qū)高度重金屬污染有關；作為田間群落，類群數(shù)與黃淮海地區(qū)相差不大，都顯著低于森林植被系統(tǒng)[30]。棘跳屬占統(tǒng)治地位，與三江平原、黃淮海平原、黃河三角洲的調查結果一致[29-31]?？傮w優(yōu)勢物種明顯，總物種豐富度相對匱乏，與國內外重金屬污染地區(qū)的土壤動物調查結果一致[5-15]，這是因為重金屬污染致使一些生態(tài)幅較窄物種減少或消失，而少數(shù)優(yōu)勢種由于對重金屬的耐受性強而表現(xiàn)出較高的豐度[32]。相比于三江平原、黃淮海平原、黃河三角洲等地，吉井氏球角跳Hypogastrura yosii密度上占比（14.43%），為該地的優(yōu)勢種，這是本地調查的一個重要特點。

3.3 跳蟲群落結構及物種與重金屬污染的關聯(lián)

根據(jù)調查的結果與分析發(fā)現(xiàn)，礦區(qū)周邊農(nóng)田系統(tǒng)中的跳蟲群落結構和部分物種的分布造成顯著的影響。距離礦區(qū)與河流的距離越近種數(shù)和豐富度指數(shù)越低，這與綜合污染指數(shù)趨勢相同；并且跳蟲體內鉛含量與土壤中的鉛含量具顯著的正相關。土壤動物體內的重金屬含量通常代表著重金屬對機體的直接入侵與毒害[33]，在以往土壤動物的調查中，土壤動物體內的重金屬含量與土壤中重金屬含量呈明顯正相關，而與種數(shù)、密度等呈明顯的負相關[7，34]。

在群落指數(shù)與環(huán)境因子的冗余分析中，種數(shù)、密度和豐富度指數(shù)受環(huán)境因子影響最大。其中有效態(tài)鎘、鉛、鋅是導致種數(shù)減少的主因。有效態(tài)鋅、鎘是導致豐富度指數(shù)減少的主因，有效態(tài)鉛是導致密度減少的主因，相比之下，重金屬全量和綜合污染指數(shù)與這些群落指數(shù)關聯(lián)性不大，因為在實際田間土壤中，重金屬的生物有效性很低，土壤全量金屬不能反應真實的風險[35]，而重金屬有效態(tài)含量更能反映跳蟲群落的變化。Lock等[15]在調查鋅全量和其有效態(tài)對某煤礦的跳蟲群落影響時發(fā)現(xiàn)有效態(tài)鋅與跳蟲的種數(shù)、密度、多樣性指數(shù)相關性更大，其結果與本研究大致相同；而且本研究中鉛有效態(tài)含量與跳蟲體內鉛含量具有更大的相關性亦說明重金屬有效態(tài)含量相比于全量更能表明生態(tài)風險。本研究發(fā)現(xiàn)，種數(shù)較密度、豐富度指數(shù)敏感。其可能的原因為：首先，受到重金屬污染，敏感物種在削減與滅亡的同時，適應污染的物種會占據(jù)并大量繁殖補充有利生態(tài)位，所以整體表現(xiàn)的變化為種數(shù)受到顯著影響，而密度與豐富度指數(shù)稍受影響[36]，這與以往的土壤動物研究一致[6]；其次，有機質也是影響密度的主因，作為跳蟲直接或間接利用的資源，有機質含量越高，對跳蟲尤其是優(yōu)勢種的生存和發(fā)展更有利[31]。多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)與優(yōu)勢度指數(shù)敏感性較差，一方面原因是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中跳蟲生物多樣性較低，導致敏感程度本身不如種數(shù)、密度等指標，符合以往農(nóng)田土壤動物群落的研究[1，5]，另一方面可能是因為跳蟲較其他土壤動物更能適應重金屬污染，耐性種更多，使得跳蟲群落相比于整個土壤動物群落結構變化的不會那么明顯。

部分物種在不同污染的重金屬農(nóng)田中密度存在很大的差異，一方面是部分種主要受重金屬污染的干擾，這些物種有作為重金屬污染指示種的潛力；一方面是部分物種主要受土壤理化性質的影響，這些物種有作為土壤質量指示種的潛力。在物種組成（優(yōu)勢種+常見種）與環(huán)境因子的冗余分析中，可以看出Onychiurussp.與重金屬有效態(tài)關聯(lián)密切，其密度在有效態(tài)低的樣點較高，能反映污染區(qū)域的重金屬生物有效性；等節(jié)跳屬Isotoma的3個種均與鎘有一定的負相關性，尤其Isotomasp. 3與綜合污染指數(shù)、全量及有效態(tài)鎘、鉛、鋅均有一定的關聯(lián)性且對重金屬的關聯(lián)適合度遠高于土壤理化性質，在綜合污染指數(shù)較高的樣地中顯著少于綜合污染指數(shù)較低的樣地，適合做低污染區(qū)域的指示種，此結果與 Lock 等[15]的Isotoma viridis規(guī)律相似；Lepidocyrtussp.同樣與綜合污染指數(shù)、全量鎘、鉛、鋅關聯(lián)密切且均為正相關，在綜合污染指數(shù)較高的樣地中顯著多于綜合污染指數(shù)較低的樣地，適合做高污染區(qū)域的指示種，此結果與 Winkler[14]的Lepidocyrtus cyaneus相反而與Lepidocyrtus tomosvaryi相似，說明了跳蟲群落中不同屬之間甚至不同種間，其對污染的響應也有很大差別，細分跳蟲物種并篩選特定的指示物種很有必要。此外，優(yōu)勢種白棘跳Onychiurus folsomi喜好在有機質豐富、弱酸性土質中生存，與朱強根等[31]研究施用有機肥后棘跳屬Onychiurus密度明顯增長的結果相似。而且白棘跳耐受重金屬，因此可以在偏酸有機質豐富的重金屬農(nóng)田中成為最優(yōu)種，同為優(yōu)勢種的吉井氏球角跳Hypogastrura yosii也是喜酸的耐性種，兩個優(yōu)勢種雖然不適合作為重金屬的指示物種，但可考慮作為評價土壤質量的指示種。Isotomasp.1與pH和土壤容重關系密切，也考慮作評價土壤質量的指示種。

4 結 論

鉛鋅礦區(qū)周邊農(nóng)田系統(tǒng)中的跳蟲群落結構和部分物種的分布顯著受到重金屬污染影響：物種豐富度（種數(shù)）、個體數(shù)多度（密度）、豐富度指數(shù)等群落指數(shù)對重金屬響應更大，且對重金屬有效態(tài)的響應大于重金屬全量，重金屬有效態(tài)更能反映跳蟲群落的變化；棘跳屬的Onychiurussp.、等節(jié)跳屬Isotoma的三個種、Lepidocyrtussp.有作為相應重金屬污染評價指示種的潛力。Onychiurussp.和白棘跳Onychiurus folsomi、Isotomasp.1有作為土壤質量指示種的潛力。