铜尾矿废弃地土壤动物多样性特征

2013-09-15朱永恒张小会

生态学报 2013年5期

朱永恒，沈非，余健，张小会，陆林

(1.安徽师范大学，国土资源与旅游学院，芜湖241003;2.安徽自然灾害过程与防控研究省级实验室，芜湖241003)

土壤动物作为陆地生态系统中重要的分解者，是维持陆地生态系统正常结构和功能不可缺少的组成部分［1］，对地表植物群落的结构、功能和演替起着重要调控作用［2］，尤其对土壤生态系统的物质循环与能量流动［3-5］以及退化土壤的恢复具有特殊功能和作用［6］，是土壤生态系统不可或缺的生态资源［7］。随着全球对生物多样性及其保护的关注，土壤动物多样性研究已经成为土壤生态学研究的热点和前沿［8-10］。

尾矿废弃地是指通过采矿、冶炼或堆放尾矿等生产活动造成的废弃土地，是一种人为的裸地和特殊的退化生态系统，包括自然废弃地和复垦废弃地，其自然生态恢复过程表现为典型的生态系统原生演替过程［11-12］。我国持续增加的尾矿废弃地和极其紧张的土地资源形成一对尖锐的矛盾，急需对闲置的尾矿废弃地进行生态恢复与利用。目前关于尾矿废弃地生态研究的重点集中在土壤、植被和微生物等方面，而土壤动物研究报导极少［13-16］，尤其针对不同类型铜尾矿废弃地与外围自然生态系统土壤动物多样性的对比研究还没有报道。基于此，本文拟对铜陵市杨山冲尾矿自然废弃地与林冲尾矿复垦废弃地土壤动物多样性进行系统的对比研究，以期为尾矿废弃地生态系统演替与生态恢复提供依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 自然概况

铜陵市地处30°56'42″N、117°43'28″E，位于安徽省中南部，面积1113 km2，是长江中下游南岸一座重要的工矿和工贸港口城市。属亚热带湿润季风气候，多年平均气温16.2℃，降水量1390 mm，平均湿度75%—80%。地带性植被为亚热带常绿阔叶林和落叶阔叶混交林，土壤为黄棕壤。境内断续分布较多低山丘陵和岗地，海拔一般为100—200 m，少数山峰可达600 m左右。

1.2 样地概况

作为全国的铜都，铜陵市有五公里、黑沙河、铜官山、凤凰山、狮子山等大型铜尾矿废弃地［8］。2011年3月底，在铜陵市铜尾矿区选择四类样地，各样地基本情况见表1。

(1)杨山冲铜尾矿自然废弃地(Natural Abandoned Land of Copper-mine-tailing，简称NALC):三面环山，一面修建粘土坝(长700 m，高25 m)，海拔27 m，面积20万m3，总库容819万m3，汇水面积0.54 km2，使用期为1966年7月—1990年11月，其后处于停用状态，尾矿自然堆放并历经20多年的自然演替，人为干扰极少，大面积具有匍匐茎和地下根状茎的多年生植物的定居，使尾矿表层更加稳定，从而使植被覆盖度增加。在无植被覆盖处，风蚀、水蚀、风扬现象均较严重。植被类型为白茅群落(Com.Imperata cylindrica)，混有芒(Miscanthus sinensis)、萝藦(Metaplexis japonica)和野菊(Dendranthema indicum)等。

(2)杨山冲铜尾矿自然废弃地外围林地(Suburbs Forest Land，因与第1样地对照，故简称NALC-SFLCK1):海拔30 m，植被类型为火炬松群落(Com.Pinus taeda)，混有楝树(Melia azedarach)、盐肤木(Rhus chinensis)、柘树(Cudrania tricuspidata)、黄荆(Vitex negundo)、商陆(Pokeberry root)和千金藤(Stephania japonica)等。

(3)林冲铜尾矿复垦废弃地(Reclaimed Abandoned Land of Copper-mine-tailing，简称RALC):三面环山，一面修建石坝(长200 m，高40 m)，海拔105 m，面积31万m3，总库容120万m3，汇水面积0.95 km2，使用期为1970年12月—1979年12月，停用后当地农民客土(来源于凤凰山街道篮球场等处)种植药用植物丹皮，并辅种大豆等豆科植物;2009年铲除丹皮，成为复垦废弃地，现人为干扰少，生长茂密的杂草，植被类型为荩草群落(Com.Arthraxon lanceolatus)，混有少量芒(Miscanthus sinensis)、狗尾草(Setaira viridis)和小飞蓬(Conyza Canadensis)等。

(4)林冲铜尾矿复垦废弃地外围林地(Suburbs Forest Land，因与第3样地对照，故简称RALC-SFL-CK2):海拔108 m，植被类型为苦木群落(Com.Picrasma quassioides)，以落叶树种为主，混有楤木(Aralia chinensis)、华瓜木(Alangium chinense)、毛泡桐(Paolownia tomentosa)、山鸡椒(Litsea cubeba)、大青(Cleredendrum cwtophyllum)、马棘(Indigofera pseudotinctoria)和山槐(Albizzia kalkora)等。

表1 铜尾矿区各样地自然环境条件Table 1 Natural conditions of the sites in the copper mine tailing area

1.3 采样方法、土壤动物分离与鉴定

每个尾矿废弃地自尾矿库中心向外围林地布点取样(图1)。林冲复垦废弃地自中心向外围设置4条取样带，共设13个取样点，其中废弃地中设9个重复样，外围林地设4个重复样(对照组);杨山冲自然废弃地(不规则)自中心向外围只设置3条取样带，共设10个取样点，其中废弃地中设7个重复样，外围林地设3个重复样(对照组)。土壤动物采样方法如下［10］:

在样地中设置30 cm×30 cm的大型土壤动物取样样方，按土壤剖面分四层采样(0—5 cm，5—10 cm，10—15 cm，15—20 cm)，如有枯枝落叶层，则需单独取样且把调查结果并入第一层。大型土壤动物样方共计93个，其中有1个NALC-SFL-CK1的枯枝落叶层样方。在野外就地分离大型土壤动物，用酒精固定后带回室内鉴定。

在距大型土壤动物样方50 cm左右设置30 cm×30 cm的中小型土壤动物样方，去除枯枝落叶层，分四层(0—5 cm，5—10 cm，10—15 cm，15—20 cm)对中小型土壤动物进行取样，每层取3个100 cm3土壤容重器土样作为干生土壤动物样方，取1个100 cm3土壤容重器土样的1/4作为湿生土壤动物样方，其余3/4土样作土壤理化性质分析用。中小型土壤动物样方共计184个，带回实验室，分别用Tullgren法与Baermann法分离提取干生和湿生土壤动物。

土壤动物的鉴定主要参照《中国亚热带土壤动物》［17］和《中国土壤动物检索图鉴》［18］进行。

1.4 数据处理与统计分析

根据研究目的，本文选用了Margalef丰富度指数d［19］、Shannon-Wiener多样性指数H'、Pielou均匀性指数E、Simpson优势度指数C［20］和密度-类群指数D·G［21］来描述铜尾矿区土壤动物群落特征。土壤动物群落相似性选用Jaccard指数q［22］和Gower系数Sg［23］来衡量。

各类群数量等级划分:个体数量占全部捕获量10%以上为优势类群，介于1%—10%的为常见类群，1%以下的为稀有类群。

土壤化学性质检测由安徽师范大学分析测试中心完成，pH值采用酸度计法(pHS-3C)，有机质含量采用重铬酸钾容量法，重金属与营养元素采用PRODIGY全谱直读ICP光谱仪法。土壤含水量与土壤容重采用烘干法和环刀法，野外实测或估计植被高度与覆盖度。

土壤、植被环境因素对土壤动物群落结构的影响，采用灰色关联的方法分析［24］。方差分析和t检验在SPSS13.0软件上进行。

图1 铜尾矿区土壤动物取样点分布示意图Fig．1 Sampling plots distribution chart of soil fauna in the copper mine tailing area

2 结果与分析

2.1 铜尾矿区土壤动物群落的组成

2011年春季对铜陵市铜尾矿区4样地进行调查，共捕获土壤动物29类4622只个体，隶属5门、10纲、18目、4科(表2)，另外还捕获了24只虫卵。其中，蜱螨目(Acarina)、弹尾目(Collembola)和线虫纲(Nematoda)为优势类群，占总捕获量的75.51%，蜱螨目和弹尾目数量远大于线虫纲，优势度较为显著。寡毛纲(Oligochaeta)、蚁科(Formicidae)、双翅目幼虫(Diptera larvae)、鞘翅目幼虫(Coleoptera larvae)、双尾目(Diplura)、蜘蛛目(Araneae)和猛水蚤目(Harpacticoida)为常见类群，占总捕获量的18.91%。优势类群和常见类群捕获量占总捕获量的94.42%，为铜尾矿区土壤动物群落的主体，广泛分布于铜尾矿废弃地及其外围林地。其余为稀有类群，其中，鞘翅目成虫(Coleoptera adult)、隐翅虫科(Staphylinidae)、综合纲(Symphyla)和腹足纲(Gastropoda)个体数较多，稀有类群仅仅分布在少数样地中，尤其集中在外围林地，而缺失在尾矿废弃地中。

2.2 铜尾矿废弃地与外围林地土壤动物类群对比分析

由表2可知，个体数量较丰富的蜱螨目(F=10.79，P＜0.01)、弹尾目(F=9.79，P＜0.01)、线虫纲(F=3.62，P＜0.01)和寡毛纲(F=6.25，P＜0.01)在铜尾矿废弃地与外围林地间均存在极显著差异，其中，蜱螨目、线虫纲和寡毛纲密度在各样地变化顺序是NALC-SFL-CK1＞RALC-SFL-CK2＞RALC＞NALC，而弹尾目变化顺序是RALC-SFL-CK2＞NALC-SFL-CK1＞RALC＞NALC。

个体数量中等丰富的类群(蚁科、双翅目幼虫、鞘翅目幼虫、双尾目、蜘蛛目、猛水蚤目、鞘翅目成虫、隐翅虫科、综合纲和腹足纲等)在各样地中的分布较复杂。从NALC样地及其对照组NALC-SFL-CK1的比较来看，规律性较明显，NALC-SFL-CK1样地所有上述类群的平均密度皆大于NALC样地，其中蚁科、猛水蚤目、鞘翅目成虫、隐翅虫科和综合纲存在显著差异(P＜0.05);从RALC样地及其对照组RALC-SFL-CK2的比较来看，两样地上述类群平均密度差异性较不明显，而且绝大部分上述类群在RALC样地中的平均密度略大于对照组RALC-SFL-CK2样地，其中鞘翅目幼虫、蜘蛛目、鞘翅目成虫和腹足纲存在显著差异(P＜0.05)。

表2 铜尾矿区土壤动物群落组成Table 2 Abundance and groups of soil fauna communities in the copper mine tailing area

个体数量较少的类群(共17类，个体数＜20个)主要分布在外围林地的样地中，NALC-SFL-CK1和RALC-SFL-CK2样地中分别有13和14类，而在铜尾矿废弃地NALC和RALC样地中分别只有2和10类。

2.3 铜尾矿废弃地与外围林地土壤动物群落结构

采用多种群落结构测度方法，对比铜尾矿废弃地与外围林地土壤动物的群落结构(表3)。从类群数和个体总数来看，各样地变化顺序是RALC-SFL-CK2(18类394个)＞NALC-SFL-CK1(17类348个)＞RALC(15类175个)＞NALC(8类60个)，差异极显著(Fgro.=24.88，Find.=23.47，P＜0.01)，尤其是NALC样地与其对照组NALC-SFL-CK1的差异量更大(P＜0.05)。结合类群数和个体总数，由丰富度指数d可知，NALC与其对照组NALC-SFL-CK1存在极显著差异(F=12.97，P＜0.01)，RALC样地与其对照组RALC-SFL-CK2之间并无显著差异。

从大型土壤动物密度来看，NALC样地(192个/m2)远小于其对照组NALC-SFL-CK1(870个/m2)且存在极显著差异(F=9.13，P＜0.01)，但RALC样地与其对照组RALC-SFL-CK2差异性不明显。与大型土壤动物密度不同的是，中小型土壤动物密度在各样地变化顺序是RALC-SFL-CK2(5.40万个/m2)＞NALC-SFL-CK1(4.16万个/m2)＞RALC(1.82万个/m2)＞NALC(0.66万个/m2)，两组对照均存在极显著差异(F=27.72，P＜0.01)，这是由于外围林地土壤动物优势类群个体数量显著增多造成的。

从Shannon-Wiener多样性指数H'来看，NALC样地(0.6027)小于其对照组NALC-SFL-CK1(0.7516)且差异显著(P＜0.05)，而RALC样地(0.8420)大于其对照组RALC-SFL-CK2(0.5952)且差异极显著(P＜0.01)，这与相关研究有所不同［25-28］，可能由于林冲尾矿库经过30a的废弃，自然演替已趋于稳定，再加上人为覆土带来的土壤动物，导致复垦废弃地土壤动物群落演替已渐趋稳定，无论是个体数或类群数都相当可观，但自然环境条件没有外围林地优越，食物资源也较匮乏，因此，每一类群个体数有限，但类群数与外围林地相差无几，所以多样性指数H'较外围林地大，与均匀性呈正相关，与优势度呈负相关(表3)。从密度-类群D·G指数来看，铜尾矿废弃地均小于其对照组，其中RALC样地(1.2997)与其对照组RALC-SFL-CK2(2.0313)差异显著(P＜0.05)，NALC(0.2674)与其对照组NALC-SFL-CK1(2.3812)差异达到极显著(P＜0.01)，这与外围林地土壤动物个体总数和类群数较多有关。

表3 铜尾矿区土壤动物群落结构Table 3 Community structure of soil fauna in the copper mine tailing area

2.4 铜尾矿区土壤动物群落相似性

由表4可知，4个样地之间土壤动物群落的相似性，若仅只考虑群落组成的类群数，q相似系数在0.5517—0.8387范围内，表明各样地间土壤动物群落中等相似或极相似。外围林地间(NALC-SFL-CK1与RALC-SFL-CK2)q相似系数最大(0.8387)，说明外围林地自然环境相似，土壤动物群落演替至稳定阶段，群落极为相似。复垦废弃地(RALC)与外围林地间(NALC-SFL-CK1，RALC-SFL-CK2)也有较大的相似性(0.7667，0.6875)，说明人为覆土对林冲尾矿复垦废弃地的影响有改良土壤性质和带来大量外围土壤动物，从而使得复垦废弃地土壤动物群落类似于外围林地。自然废弃地(NALC)与其它样地间(NALC-SFL-CK1，RALC，RALC-SFL-CK2)相似性较小(0.5714，0.6400，0.5517)，这是由于杨山冲尾矿废弃地弃置时间较短(22a)，自然环境演替速度缓慢，再加上无人为覆土，土壤基质差、结构不稳定、肥力低(表1)，土壤动物最为贫乏。值得注意的是，自然废弃地(NALC)与RALC-SFL-CK2相似系数最低，这可能与空间距离和自然环境差异性最大有关;但2个废弃地间相似系数较大，这归因于铜尾矿废弃地具有相似的土壤性质，如土壤pH值、有机质、总氮和全铜等无显著差异(表1)。若考虑个体数量因素，以Gower系数Sg表示，各样地间的相似值距离加大，相似程度减小，最小值(0.2495)出现在2个废弃地之间(NALC，RALC)，这是因为铜尾矿废弃地类群数相似程度已经较小(q=0.6400)，但各类群个体数量使得差异程度更趋显著，成为极不相似。

表4 土壤动物群落的q(Sg)相似系数Table 4 Similarity of soil fauna in the copper mine tailing area

2.5 铜尾矿区土壤动物群落垂直分层

在4个样地中，土壤动物类群数和个体总数在土壤不同垂直层次的分布存在显著或极显著差异(表5)，均呈明显的表聚现象，但尾矿废弃地比外围林地土壤动物的表聚现象更明显，尤其体现在废弃地第一层与其它层次间的极显著差异上(P＜0.01)，而外围林地四个层次土壤动物递减的突变性不够，特别是第一层与第二层之间没有显著性差异(NALC-SFL-CK1样地个体总数除外)，这与重金属对土壤动物垂直分层的相关研究具有相似的结论［26-27，29］。另外，比较4个样地土壤动物个体总数和类群数垂直分层的方差检验F值，可以发现，复垦废弃地(17.80，33.33)土壤动物表聚性强于自然废弃地(14.06，11.29)，尾矿废弃地表聚性强于外围林地(6.24与4.27，3.44与6.86)。

表5 铜尾矿区土壤动物垂直分层Table 5 The vertical distribution of soil fauna in the copper mine tailing area

2.6 铜尾矿区土壤动物群落结构与环境因素的灰色关联度分析

土壤动物群落特征主要由样地土壤、植被、小气候以及相关环境因子所决定，也受到调查和采样方法以及人为干扰程度的影响［28］。由于本文研究区范围较小，植被和土壤是影响土壤动物群落特征的关键因素。

为区别尾矿废弃地和外围林地土壤动物群落结构与环境因素之间的关系，利用灰色关联分析方法，选择土壤动物优势类群蜱螨目(y1)、弹尾目(y2)、线虫纲(y3)，常见类群中的寡毛纲(y4)、蚁科(y5)，稀有类群个体数(y6)，个体总数(y7)，类群总数(y8)，多样性指数H'(y9)和密度-类群指数D·G(y10)作为母数列(y)。对土壤和植被环境因素做单因素方差分析，舍弃差异不明显(P＞0．05)的总磷和铬、铅、汞等重金属含量(表1)，选择差异显著的pH(x1)、有机质(x2)、总氮(x3)、总钾(x4)、全铜(x5)、全镉(x6)、土壤含水量(x7)、土壤容重(x8)、植被高度(x9)和植被覆盖率(x10)作为子数列(x)。对原始数据初值化变换，计算灰色关联系数(rij)(表6)。

表6 铜尾矿区土壤动物与主要影响因素间的灰色关联系数Table 6 The grey relational degree among mayor factors affecting soil fauna in the copper mine tailing area

在所有的关联系数中，r8，7=r(y8，x7)=r(y10，x8)=0.9681最大，表明土壤含水量对土壤动物类群数影响最大;r4，5=0.6670最小，表明土壤全铜含量对寡毛纲的影响最小。

在单项关联系数［r1j=r(y1，xj)，r2j，r3j，r4j，r5j，r6j，r7j，r8j，r9j，r10j］中，蜱螨目、弹尾目、寡毛纲、个体总数和密-类指数D·G均受总钾(0.9165、0.8693、0.8035、0.9393、0.9437)影响最大，同时均受全铜影响最小(0.7177、0.7090、0.6670、0.7306、0.7405)。线虫纲、蚁科、稀有类群个体数、类群数和多样性指数均受土壤含水量影响最大(0.9025、0.8670、0.9296、0.9681、0.9593)，同时均受植被覆盖度影响最小(0.7351、0.6810、0.7281、0.7559、0.7415)。

铜尾矿区环境因素灰色关联度均值大小顺序为土壤含水量(0.9047)、总钾(0.8962)、全镉(0.8872)、pH(0.8810)、土壤容重和有机质(0.8716)、总氮(0.8043)、植被高度(0.7997)、全铜(0.7418)、植被覆盖率(0.7338)。灰色关联度越大，说明子数列对母数列的影响越大［24］，由关联度大小顺序可以看出，土壤理化性质与土壤动物的关系密切，其中最重要的因素是土壤含水量和总钾含量，重金属全镉含量也不能忽视;对土壤动物影响最小的因素是植被和土壤全铜含量，由此可见，尾矿铜含量的高低并不是直接限制土壤动物重建的因子［10］。

3 结论与讨论

3.1 铜尾矿区土壤动物群落结构与环境因素关系

铜陵市铜尾矿废弃地主要包括自然废弃地和复垦废弃地两大类，本文遴选典型的杨山冲自然废弃地和林冲复垦废弃地作为案例地，其中，前者弃置时间短，人为干扰少，植被覆盖度高，但基本上都是矮小的草本植被，尤其是土壤基质差，沙粒含量高，偏干，土壤容重高，有机质和营养元素含量低;后者弃置时间较长，人为干扰大，弃置后一直种植丹皮，近两年才遗弃不种，草本植被覆盖度较低，但土壤基质较好，粘粒含量高，偏湿，土壤容重较低，有机质和营养元素含量较高。

对比2类铜尾矿废弃地土壤动物群落结构指标，可以发现，自然废弃地无论是个体数、类群数和丰富度指数，还是大型土壤动物密度和密度-类群指数D·G等，都比复垦废弃地土壤动物群落各类指标低，且差异显著(表3)。由此可见，虽然2类尾矿废弃地铜含量已达到污染水平，但并不是直接限制土壤动物群落重建的因子，主要起限制作用的是土壤含水量、土壤基质的优劣、土壤有机质与营养元素的含量，这些因素的改善主要归功于尾矿废弃地的土地复垦和作物种植。所以，尾矿废弃地的复垦与利用有利于土壤动物的恢复与重建。

3.2 铜尾矿废弃地土壤动物的来源

铜矿石经过加工冶炼提炼铜元素，其他废料和废渣排放进入尾矿库，土壤动物很可能全部死亡，受精卵也所剩无几。当尾矿库排满停用，经过自然演替逐渐形成尾矿废弃地。虽然尾矿废弃地土壤动物的类群数和个体总数没有外围林地多，但经过长期的闲置或覆土等过程，土壤动物多样性已经有了一定的增加(表3)，这主要归因于尾矿废弃地土壤基质的形成与趋于稳定，自然植被的演替和栽培作物的引入等，也即食物来源的增多和生境的改善［30-31］。

尾矿废弃地土壤动物有两条途径:(1)自然原因:迁移。土壤动物的侵入与定居是矿区废弃地群落结构形成的重要途径［32］，随着尾矿废弃地弃置时间的增加，土壤生态环境发生变化，土壤动物类群数和个体总数不断改变，导致土壤动物群落演替按不同的方式而展开。按照De Goede和Chauvat的试验原理［33-34］，本文中的蜱螨目、弹尾目、线虫纲、鞘翅目幼虫和双翅目幼虫等可能是尾矿废弃地绝对优势的机会主义定植者。自然废弃地与其对照组和复垦废弃地与其对照组的q相似系数分别达到0.5714和0.6875，可以说明外围林地土壤动物通过水流、气流或附着其他生物入侵到尾矿废弃地的可能性。(2)人为原因:覆土。覆土层含有大量微小动物类群［35］，若人工进行土壤覆盖，对土壤动物的恢复重建将有很大促进作用［10］。林冲尾矿复垦废弃地覆土40cm左右，土层中势必伴有大量土壤动物，它们有可能抵御铜、镉等重金属的胁迫而存活下来［36］，成为现有土壤动物的重要组成部分。关于铜尾矿废弃地土壤动物的侵入、定居、集聚及其机理，有待进一步研究。

3.3 主要结论

(1)在铜陵市铜尾矿区设置4个样地23采样点，共捕获土壤动物4622只个体，隶属5门10纲18目29类。优势类群为蜱螨目、弹尾目和线虫纲，常见类群为寡毛纲、蚁科、双翅目幼虫、鞘翅目幼虫、双尾目、蜘蛛目和猛水蚤目，其余为稀有类群。

(2)丰富度指数d表明，自然废弃地与其对照组间土壤动物存在极显著差异(F=12.97，P＜0.01)，而复垦废弃地与其对照组间并无显著差异。

(3)自然废弃地大型土壤动物密度远小于其对照组且存在极显著差异(F=9.13，P＜0.01)，而复垦废弃地与其对照组间差异性不明显;无论自然还是复垦废弃地的中小型土壤动物密度均小于其对照组且差异极显著(F=27.72，P＜0.01)。

(4)自然废弃地Shannon-Wiener多样性指数H'小于其对照组且差异显著(P＜0.05)，而复垦废弃地大于其对照组且差异极显著(P＜0.01);两类尾矿废弃地密度-类群D·G指数均小于其对照组。

(5)相似系数q表明，外围林地间土壤动物群落相似性最大，其次是复垦废弃地与外围林地间，自然废弃地与其它3个样地间相似性最小。

(6)从垂直分层来看，复垦废弃地土壤动物表聚性强于自然废弃地，尾矿废弃地表聚性强于外围林地。

(7)灰色关联分析表明，铜尾矿区土壤理化性质与土壤动物的关系密切，其中最重要的因素是土壤含水量和总钾含量，重金属全镉含量也不容忽视，植被因素和土壤全铜含量对土壤动物的影响相对较小。

致谢:安徽师范大学自然地理学2009级研究生章芹，地理科学专业2007级丁明强、张传田、陶征恺同学，2008级汪文翔、陆仁义、伍阳蕾同学参加了野外调查，特此致谢。

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