周舉花，　曹玉紅，　張　衡，　高婷婷，　朱永恒,2

(1.安徽師范大學 國土資源與旅游學院，安徽 蕪湖　241003；2.安徽自然災害過程與防控研究省級實驗室，安徽 蕪湖　241003)

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銅尾礦復墾地中小型土壤動物的遷移

周舉花1，曹玉紅1，張衡1，高婷婷1，朱永恒1,2

(1.安徽師范大學 國土資源與旅游學院，安徽 蕪湖241003；2.安徽自然災害過程與防控研究省級實驗室，安徽 蕪湖241003)

摘要：為了解銅尾礦復墾地土壤動物群落特征的變化規(guī)律，采用野外模擬試驗，對安徽省銅陵市林沖尾礦復墾地外圍不同自然生態(tài)系統(tǒng)下微型生境內(nèi)土壤動物群落進行調(diào)查.共獲得中小型土壤動物582只，隸屬于2門9綱10目32科.結(jié)果表明，銅尾礦復墾地外圍微型生境試驗地與外圍對照樣多樣性指數(shù)均無顯著差異，相似系數(shù)S表明銅尾礦復墾地不同處理方式下中小型土壤動物群落的相似程度較高.通過對比不同時間序列下的土壤理化性質(zhì)，pH值和有機質(zhì)明顯降低，堿解氮和有效磷從復墾地初始值到外圍灌叢地、林地試驗地，數(shù)值不斷增加，而速效鉀呈減少趨勢.相關(guān)性分析表明土壤動物類群數(shù)與土壤容重有著顯著的正相關(guān)(P<0.05)，而土壤動物多樣性指數(shù)與土壤有機質(zhì)呈極其顯著的負相關(guān)(P<0.01).由此可見，銅尾礦復墾地及其外圍自然生境土壤動物群落之間存在著明顯的差異，這為外圍林地和灌叢地土壤動物遷入銅尾礦復墾地提供了證據(jù).

關(guān)鍵詞：銅尾礦復墾地；復墾地外圍；土壤動物；群落結(jié)構(gòu)

尾礦廢棄地是指堆放煤炭、有色金屬、黑色金屬、化工等尾礦造成的廢棄土地，包括無復墾地(即自然廢棄地)和復墾地[1].隨著礦區(qū)廢棄地廢棄時間的增加，礦區(qū)環(huán)境日益惡化.有關(guān)礦區(qū)廢棄地土壤動物研究已取得不少的研究成果，但大都是通過野外調(diào)查來探討礦區(qū)環(huán)境對土壤動物的影響以及土壤動物對礦區(qū)環(huán)境的響應[2-4].礦區(qū)土壤動物的研究中，除了土壤生物的組成、群落功能、多樣性以及恢復重建研究[5-7]，還通過礦區(qū)植被與土壤動物相互作用來對礦區(qū)環(huán)境進行改善[8].但上述研究主要是礦區(qū)環(huán)境本身與土壤動物群落結(jié)構(gòu)之間的影響，僅僅局限于礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)，并沒有將礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)以及外圍生態(tài)系統(tǒng)與土壤動物群落結(jié)合起來，深入地探討礦區(qū)復墾地土壤動物的遷移來源、定殖條件與群落演替.

土壤動物的遷移影響礦區(qū)廢棄地土壤動物群落結(jié)構(gòu)的形成和不斷改變，對改善礦區(qū)土壤理化性質(zhì)和促進生態(tài)系統(tǒng)演替與生態(tài)恢復具有重要的作用.我國礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)下土壤動物遷移研究目前處于薄弱環(huán)節(jié)，土壤動物遷移作為尾礦廢棄地自然演替的開始，更需要得到學者們足夠重視.本文通過野外試驗，在尾礦復墾地的外圍不同自然生態(tài)系統(tǒng)中模擬礦區(qū)的微型生境，基于這種獨立且獨特的微型生態(tài)系統(tǒng)，調(diào)查中小型土壤動物類群、群落結(jié)構(gòu)和土壤理化性質(zhì)的變化，深入地了解在礦區(qū)土壤基質(zhì)上外圍自然生境中小型土壤動物的侵入，以期為礦區(qū)廢棄地土壤動物的定殖、群落演替研究提供基礎數(shù)據(jù)，同時為礦區(qū)土壤動物的恢復提供借鑒.

1研究區(qū)域概況與研究方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于安徽省南部銅陵市林沖尾礦，地處30°56′42″N、117°43′28″E，年均氣溫16.2℃，年均降水量1390mm，全年平均濕度在75%-80%之間.

林沖尾礦庫位于銅陵市東部鳳凰山地區(qū)，屬于山谷型尾礦庫，三面環(huán)山，運營期從1970年6月至1980年，停用后當?shù)剞r(nóng)民覆土(來源于鳳凰山街道，距離尾礦庫約100m)種植藥用植物牡丹，并輔種大豆等豆科植物；2009年鏟除牡丹，棄置不用，人為干擾少，生長茂密的雜草[10].

林沖尾礦庫外圍生境類型主要有兩種，灌叢地和林地.灌叢地海拔150m左右，林地海拔220m左右.

1.2研究方法

1.2.1樣地選擇樣地選擇在林沖尾礦復墾地，于2014年5月29日選取外圍區(qū)域地面相對平整且避開地表大型植被的林地和灌叢地為野外試驗地塊，分別在試驗地塊選取面積為1m2大小的圓形樣方，各3個重復(外圍林地樣地Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和外圍灌叢地樣地Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，即LⅠ、LⅡ、LⅢ、GⅠ、GⅡ、GⅢ，樣方間距離大于15m)，選擇的樣地坡向保持一致，表1是樣方的具體地理環(huán)境概況.移除這6塊樣方表層20cm的土壤，并用孔徑為5cm左右的尼龍網(wǎng)對其四周和底部進行圍欄，為獨立的微型試驗地塊，孔徑5cm尼龍網(wǎng)可讓試驗樣方與外圍生境之間大中型土壤動物自由活動.

在尾礦復墾地內(nèi)隨機選擇6塊同樣面積為1m2大小的圓形樣方，移除20cm表土平鋪在空曠的地面上曝曬兩天用來“剔除”土壤動物，之后取部分土樣進行混合，測其土壤理化性質(zhì)作為尾礦復墾地土壤基質(zhì)的供試值，并將剔除土壤動物后的土壤分別填充外圍林地和灌叢地這6個樣方，表面覆蓋一些來自尾礦復墾地的凋落物，使其成為微型生態(tài)系統(tǒng).各試驗點信息見表1.

表1　各樣地地理環(huán)境概況

1.2.2樣品采集野外試驗的總周期為94d，2014年8月31日對模擬試驗地塊進行中小型土壤動物取樣，因試驗地塊環(huán)境特殊，0-5cm表層中土壤動物活動最為活躍，底層土壤受自然生境干擾較大，對于短時間內(nèi)研究土壤動物遷移，0-5cm更具有代表性，所以每次分別在外圍林地和外圍灌叢地的樣方內(nèi)，去除表面凋落物，采用100cm3(直徑50.46mm×高50mm)土壤容重器各隨機取4個容重器土樣，其中將1個容重器土樣用來測土壤理化性質(zhì)，剩下3個土樣進行混合，帶回實驗室后其中3/4用來測干生土壤動物，1/4測濕生土壤動物.每次除了在微型生境取樣外，還在外圍林地和外圍灌叢地以同樣方法取相等大小的對照樣組(外圍林地和外圍灌叢地各一個：CKL、CKG).

1.2.3土壤動物鑒定分別采用Tullgren法[11]和Baermann[12]法提取干生中小型土壤動物和濕生土壤動物，參照中國土壤動物檢索圖鑒[13]和《中國亞熱帶土壤動物》[14]將土壤動物鑒定到科(除真螨目、寡毛綱和線蟲綱).

1.2.4土壤主要性質(zhì)分析坡度和坡向采用羅盤儀測量法，植被蓋度采用垂直投影面積與樣方面積之比(用于灌叢地)，植被郁閉度采用以林地樹冠垂直投影面積與林地面積之比(用于林地).

土壤容重和土壤含水量采用環(huán)刀法，土壤pH值采用電位法，有機質(zhì)采用高溫外加熱重鉻酸鉀氧化容量法，有效氮采用堿解擴散法，速效鉀采用1mol/L NH4OAC浸提-火焰光度計，全銅采用氫氟酸-硝酸-高氯酸消煮ICP法.

1.2.5數(shù)據(jù)處理土壤動物頻度為類群數(shù)與總捕獲量的比值.

土壤動物多度按以下標準劃分：個體數(shù)量占總捕獲量10.00%以上者為優(yōu)勢類群，占1.00%-10.00%者為常見類群，不足1.00%者為稀有類群.

選用土壤動物的多樣性指數(shù)(H′)、均勻度指數(shù)(E)優(yōu)勢度指數(shù)(C)和豐富度指數(shù)(D)來分析不同土地利用方式下土壤動物群落結(jié)構(gòu)，其計算公式如下.

Simpson優(yōu)勢度指數(shù)(C)：C=∑(ni/N)2

式中：ni為每一類群的個體數(shù)，N為群落個體數(shù).

Margalef豐富度指數(shù)(D)：D=(S-1)/lnN

式中：S為群落中的類群數(shù)，N為群落內(nèi)動物的個體總數(shù).

為研究不同樣地間土壤動物群落結(jié)構(gòu)的相似程度，用Jaccard相似性系數(shù)(S)進行分析，其計算公式為S=c/(a+b-c)

式中“a為A群落類群數(shù)，b為B群落類群數(shù)，c為A、B兩群落共有的類群數(shù).

采用Microsoft Excel 2007和SPSS.17進行數(shù)據(jù)處理和One-way-ANOVA方差分析方法，比較試驗地與自然生境兩組獨立樣本平均數(shù)差異的顯著性.

2結(jié)果

2.1土壤動物的群落組成

2014年8月底對樣地取樣調(diào)查，共捕獲中小型土壤動物582只，隸屬于2門9綱10目32科.其中優(yōu)勢類群為甲螨亞目、前氣門亞目和等節(jié)跳科，常見類群為跳蟲科、長角長跳科、蟻科、線蟲綱、毛角蝽科、木鵝科、鼻鵝科和雛蟲戔科，其余24類土壤動物群為稀有類群(占總個體數(shù)<1%).3個優(yōu)勢類群的個體數(shù)占土壤動物個體總數(shù)的64.94%，8個常見類群的個體數(shù)占土壤動物個體總數(shù)的29.9%(表2).

不同試驗地土壤動物類群數(shù)之間的差異并不明顯，灌叢地外圍和林地的類群均高于灌叢地和林地試驗樣地.不同試驗地土壤動物個體數(shù)差異較為明顯，林地樣地捕獲的土壤動物數(shù)量高于灌叢地樣地，其中LⅢ樣點土壤動物密度最高，GⅡ樣點土壤動物密度最低.

2.2土壤動物群落結(jié)構(gòu)

2.2.1不同周邊自然生態(tài)系統(tǒng)下尾礦土內(nèi)土壤動物多樣性銅尾礦土壤動物群落指數(shù)見圖1，對8種不同處理類型下土壤動物群落多樣性指標進行方差分析表明，6個外圍微型生境試驗地與2個外圍對照樣組多樣性指數(shù)均無顯著差異(H′F=0.032 P=0.867，EF=1.049 P=0.364，CF=0.3228 P=0.6003，DF=0.9886 P=0.3764).各樣地土壤動物多樣性指數(shù)均較低，微型生境試驗地的多樣性指數(shù)均高于外圍自然生境，其中灌叢地Ⅰ樣地多樣性指數(shù)和均勻性指數(shù)最高，而優(yōu)勢度指數(shù)和豐富度指數(shù)均較低.

圖1　各樣地土壤動物群落結(jié)構(gòu)指標Fig.1　Community structure index of fauna in sample plot

2.2.2不同周邊自然生態(tài)系統(tǒng)下尾礦土內(nèi)土壤動物相似性為了解銅尾礦復墾地不同處理方式下土壤動物群落的相似程度，計算了Jaccard相似性系數(shù)(S)，結(jié)果見表3.從表3可知，不同處理方式下中小型土壤動物群落的相似程度較低，總體上處于極不相似(相似系數(shù)為0-0.25)到中等相似(相似系數(shù)為0.50-0.75)之間.其中，灌叢地Ⅱ與灌叢地Ⅲ土壤動物群落極不相似，這是因為這兩個試驗地之間距離較遠并受到人為堤壩的影響.而GⅠ和 CKG相似度指數(shù)最高，這是因為外圍自然生境灌叢地樣地所取的土樣離灌叢地Ⅰ較近，導致中小型土壤動物群落之間的差異較小.

表2　調(diào)查樣地中小型土壤動物的群落組成

表3　樣地中小型土壤動物群落的相似性

2.3不同時間序列下銅尾礦土土壤理化性質(zhì)對比

如表4和表5，銅尾礦復墾地土壤理化性質(zhì)在進行處理后發(fā)生了相應的變化.灌叢地、林地試驗地與外圍自然生境灌叢地、林地的土壤含水量與容重差別并不明顯.對比尾礦土壤初始值和試驗3個月后取出的土樣，pH值顯著降低，但灌叢地、林地試驗地pH值高于外圍自然生境灌叢地和外圍林地對照樣組.土壤有機質(zhì)在經(jīng)過3個月的試驗后也明顯降低，灌叢地試驗地土壤有機質(zhì)低于外圍自然生境灌叢地，林地試驗地土壤有機質(zhì)高于外圍自然生境林地.土壤中堿解氮和有效磷從復墾地的初始值到外圍灌叢地、林地試驗地，數(shù)值增加較為明顯，而速效鉀呈較為明顯的減少趨勢.外圍自然生境灌叢地、林地土壤堿解氮、有效磷和速效鉀顯著高于灌叢地、林地試驗地.

表4　銅尾礦復墾地土壤理化性質(zhì)初始值

表5　銅尾礦外圍灌叢地和林地各樣地土壤理化性質(zhì)

注：同列內(nèi)不同小寫字母表示不同樣地間差異顯著(P<0.05)，不同大寫字母表示不同樣地間差異極顯著(P<0.01).

3討論

3.1銅尾礦復墾地土壤動物與環(huán)境因素相關(guān)性

如表7所示，土壤動物類群數(shù)與土壤容重有著顯著的正相關(guān)(P<0.05)，Pearson相關(guān)系數(shù)為0.757.土壤容重大小反映有機質(zhì)含量的高低和土壤結(jié)構(gòu)狀況，對于銅尾礦復墾地，林地土壤比灌叢地土壤緊實，林地生境中土壤動物類群數(shù)顯著高于灌叢地生境.土壤動物多樣性指數(shù)與土壤有機質(zhì)呈極其顯著的負相關(guān)(P<0.01)，Pearson相關(guān)系數(shù)為-0.852.原因可能是一般情況下，土壤有機質(zhì)含量越高，土壤動物的個體數(shù)越多，種類越少，從而導致多樣性指數(shù)越低.

表7　銅尾礦外圍灌叢地和林地理化性質(zhì)與土壤動物相關(guān)性分析

注：**表示相關(guān)性的顯著水平P<0.01，*表示相關(guān)性的顯著水平P<0.05.

3.2土壤動物自外圍自然生境向試驗地的遷移

銅尾礦復墾地土壤動物的遷移有兩種方式：一種是積極運動，另一種是被動運動.這次捕獲的大部分是節(jié)肢動物.是以不同方式進行被動遷移，例如中型土壤動物的卵隨著水流而遷移進入試驗地塊，或者是通過空中的浮游生物運輸進行遷移.Dunger W & Voigtlnder K[15]在礦區(qū)發(fā)現(xiàn)有17中跳蟲遷移，能夠在約200天建立種群，證明了通過氣流遷移可能是小型土壤動物的有效途徑.Dunger W[16]等通過野外袖珍箱試驗對跳蟲的遷移方式進行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)跳蟲主要是借助風力通過積極運動來實現(xiàn)遷移，此外還通過水流擴散到新的棲息地.按照上述的實驗結(jié)論，本次調(diào)查中銅尾礦復墾地外圍生境下的彈尾目和真螨目正是通過空氣或者風流向試驗地生境遷移.

等節(jié)跳科喜好陰涼潮濕的環(huán)境，特別喜好生活在有機質(zhì)豐富的土壤中[17].林地試驗地中等節(jié)跳科數(shù)量明顯高于灌叢地試驗地，因為凋落物對跳蟲有著重要的影響，凋落物越豐富，跳蟲的密度越高，林地試驗地凋落物遠比灌叢地豐富；其次林地試驗地有機質(zhì)含量和含水量要高于林地外圍生境，再加上林地高郁閉度，為跳蟲的遷移提高了一個適宜的棲息地.等節(jié)跳科善于跳躍，常借助風力、雨水進行擴散.Dunger W & Voigtlnder K[15]研究發(fā)現(xiàn)，跳蟲是一個早期增加最大的土壤小型節(jié)肢動物，尤其是缺失蚯蚓的條件下.

真螨目在此次調(diào)查中數(shù)量最多，含有大量有機質(zhì)的土壤如森林表層土壤是甲螨最適宜的棲息場所.通過對比銅尾礦復墾地各樣地的有機質(zhì)含量和甲螨的數(shù)量，可以發(fā)現(xiàn)林地試驗地有機質(zhì)含量高于灌叢地試驗地，甲螨數(shù)量也是林地試驗地高于灌叢地試驗地.當然有機質(zhì)并不是影響甲螨分布的唯一因素，地表植物種類、植被覆蓋程度、凋落物質(zhì)量也會影響甲螨的分布.真螨目作為小型節(jié)肢土壤動物，通過氣流或風流從外圍自然生境向試驗地生境遷移.對于銅尾礦復墾地，真螨目是廢棄地生境下主要的種群，種群擁擠(Population crowding)無疑是誘惑遷移的一個重要因素.

除了節(jié)肢動物門，此次捕獲還有線蟲動物門.線蟲屬于水膜動物，在水膜中才能保持活性或進行移動，它的移動取決于土壤中水分的多少.因此線蟲是通過水流自外圍生境向試驗地生境進行遷移.

4主要結(jié)論

(1)在銅陵市林沖尾礦復墾地設置野外試驗地，共捕獲土壤動物582只，隸屬于2門9綱10目32科.優(yōu)勢類群為甲螨目、前氣門亞目和等節(jié)跳科.常見類群為跳蟲科、長角長跳科、蟻科、線蟲綱、毛角蝽科、木鵝科、鼻鵝科和雛蟲戔科，其余24類為稀有類群.

(2)土壤動物群落多樣性指標表明，微型生境試驗地與外圍對照樣組多樣性指數(shù)均無顯著差異，且土壤動物多樣性指數(shù)均較低.

(3)相似性系數(shù)(S)表明，總體上處于極不相似到中等相似之間.其中，灌叢地三個試驗地Ⅱ和Ⅲ之間土壤動物群落極不相似，而GⅠ和CKG、GⅠ和CKG相似度指數(shù)較高.

(4)對比尾礦土壤初始值和試驗3個月后取出的土樣，pH值和土壤有機質(zhì)含量均明顯降低，土壤中堿解氮和有效磷從復墾地的初始值到外圍灌叢地、林地試驗地，數(shù)值增加較為明顯，而速效鉀呈較為明顯的減少趨勢.

(5)從相關(guān)性分析來看，銅尾礦復墾地土壤動物類群數(shù)與土壤容重有著顯著的正相關(guān)，土壤動物多樣性指數(shù)與土壤有機質(zhì)呈極其顯著的負相關(guān).

(6)銅尾礦復墾地中小型土壤動物的遷移方式分為積極運動和被動運動.線蟲動物門主要是通過水流自外圍生境向試驗地生境進行被動遷移.而節(jié)肢動物門的遷移方式分為兩種，其中一部分中小型節(jié)肢動物主要通過空氣、風流和水流來進行被動遷移，如此次捕獲的優(yōu)勢物種甲螨目、前氣門亞目和等節(jié)跳科；還有一部分節(jié)肢動物是通過積極運動，如蜚蠊目.

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DOI：10.14182/J.cnki.1001-2443.2016.04.014

收稿日期：2015-04-20

基金項目：國家自然科學基金(41201186)；安徽師范大學自然地理重點學科項目(Asdg10901).

作者簡介：周舉花(1990-)，女，安徽含山人，碩士研究生；通訊作者：朱永恒(1975-)，男，安徽含山人，教授，博士.

中圖分類號：K903

文獻標志碼：A

文章編號：1001-2443(2016)04-0382-07

Immigration of Soil Meso-and Micro-Fauna in Reclaimed Copper Mine Tailings

ZHOU Ju-hua1，CAO Yu-hong1，ZHANG Heng1，GAO Ting-ting1，ZHU Yong-heng1,2

(1.College of Territorial Resources and Tourism，Anhui Normal University，Wuhu 241003，China；2.Anhui Key Laboratory of Natural Disasters Process and Prevention，Wuhu 241003，China)

Abstract：To understand the variation characteristics of soil fauna community in reclaimed copper mine tailings， the field simulation test was used at Linchong reclaimed copper mine tailings and micro habitat of different natural ecosystems to investigate soil fauna communities in the city of Tongling， Auhui Province of China. A total of 582 individuals of meso and micro-fauna were collected， including 2 phyla， 9 class， 10 order，32 family. The results showed，there was no significant difference in diversity index between micro-tested habitat and control groups in peripheral of reclaimed copper mined tailings, the jaccard similarity coefficient of meso-and micro-fauna were high in different treatments of reclaimed copper mine tailings. By comparing the different time series of physical and chemical properties of soil， pH and organic matter decreased significantly， the numerical of available nitrogen and phosphorus increased from reclaimed initial vaule to peripheral test，while the numerical of available potassium decreased. Correlation analysis showed that the number of soil animal groups and soil bulk density had a significant positive correlation(P<0.05)，while the soil animal diversity index and soil organic matter was extremely significant negative correlation(P<0.01). Therefore，the significant differences of soil fauna community between reclaimed copper mine tailings and peripheral natural habitats，which provided evidence for the immigration and colonization of soul fauna from peripheral shrub and woodland to reclaimed copper mine tailings.

Key words：reclaimed copper mine tailings；the peripheral of reclaimation；soil fauna；community structure

引用格式：周舉花，曹玉紅，張衡，等.銅尾礦復墾地中小型土壤動物的遷移[J].安徽師范大學學報：自然科學版，2016，39(4)：382-388.