高台黑河湿地土壤纤毛虫多样性及对环境质量指示相关性的调查研究

罗福海 陈能训 向冠华 王思源 庄紫颖 程克凡

（高台县第一中学 甘肃高台 734300）

STEM教育是培养学生科学、技术、工程和数学综合素养的教育，旨在培养综合性人才。STEM教育通过对问题的生成、探究、解决、运用，培养学生的创新精神和实践能力。本调查研究的开展就是结合现有的生物学课程，开发综合性的STEM 实践活动，提升学生STEM 素养。

随着社会的发展和国家生态文明建设的提出，人们逐渐意识到保护环境的重要性，特别是湿地、森林、海域都是大自然馈赠给人类的宝藏，需要人们保护和及时监测污染的发生。甘肃省张掖市高台县位于河西走廊中部，黑河中游下段。高台县黑河湿地国家级自然保护区以黑河为主体，沿岸有大小水库14 座，水域、沼泽、滩涂星罗棋布，湿地类型多样，湿地资源丰富。

土壤中的生物类群很多，其中原生动物——纤毛虫具有丰富的种类多样性和巨大的生物量，在土壤生态系统中具有十分重要的地位。对环境变化的反映，纤毛虫的灵敏性比其他生物更高，环境条件的变化会导致纤毛虫群落的组成和结构迅速发生变化，这些特征使其更利于成为土壤环境的指示生物。因此，研究土壤生物种群的变化，并由此探讨土壤污染的生物监测技术及土壤环境质量的生物评价和预报系统，纤毛虫是最理想的研究 对象［1］。

以往研究多集中在研究水体中的纤毛虫，在水质监测中已有一些应用，但与在水体环境监测中获得广泛应用的水生纤毛虫相比，土壤纤毛虫用于环境监测才刚起步［2］。本文通过研究高台县湿地保护区土壤纤毛虫的物种组成、群落结构，探讨湿地对土壤纤毛虫群落的影响及与环境质量的生物评价和预报系统。用生物监测的方法评价该地区土壤的环境，为该地区制定有效的土壤环境改善措施，提高湿地生态品质，发展绿色产业经济提供基础和资料。

1 材料和方法

1.1 采样设置和采样 在高台县的湿地土壤区设置采样点，另在附近选择自然环境条件与湿地样点类似的土壤区设置对照样点。采样点海拔1 260～3 140 m，土壤温度1～5℃，湿度60%～70%，pH=7.2～7.8。

在湿地河岸区内选取3 个采样点，在每个采样点的周边面积约20 m2的范围内，用1.5 m 圆筒形采样器依五点取样法和等距取样法采集15个0～15 cm 土壤层土样，同时在自然环境条件与湿地样点类似的土壤对照样点采集5 个0～15 cm土壤层土样。将40 份（表层和深层各20 份）土样充分混匀，带回实验室倒入白瓷盘，自然风干。

1.2 室内工作方法

1）定性研究方法：采用“非淹没培养皿法”在约25℃的温度下，对土壤中的纤毛虫进行培养。称取3 g 土壤均匀置于Ⅰ号培养基和Ⅱ号培养基的平板，加蒸馏水至刚要淹没土壤，在25℃恒温培养箱中培养1 个月。在培养过程中，定期补充蒸馏水，至半淹没状态，并保持较高的培养箱内空气湿度。培养后第4 天、第7 天、第11 天、第20 天和第28 天镜 检［3］。

2）鉴定技术包括活体观察和染色制片法，固定染色技术参照Fernandez-Galiano 的蛋白银染色法。根据参考文献鉴定物种，分类系统采用Levine等［3］的分类系统。

1.3 数据统计及优势类群的划分

1）群落相似性。根据Jaccaed 共同系数公式q=c／（a+b-c），计算样点土壤和对照土壤中纤毛虫群落相似系数；其中q为相似性系数，a为样点土壤中纤毛虫的种类数，b为对照土壤中的纤毛虫种群数，c为二者的共同系数。q值在0.75～1.0范围为极为相似，在0.50～0.75 范围为中等相似，在0.25～0.50 范围为中等不相似，在0～0.25 范围为极不相似。

2）污生指数。采用文献中Pantle 等提出的污生指数公式Si=∑Sh／∑h。式中Si为各样点的污生指数，S为不同种类的污生指数分值，从寡污种到多污种其分值为1～4，h为出现频率，其值为1～4［4］。Si值在1.0～1.5 范围为轻度污染，在1.5～2.5 范围为中度污染，在2.5～3.5 范围为重度污染，大于3.5～4.0 范围为严重污染。

3）优势类群划分。对鉴定到的各级分类单元及物种进行统计，将物种数最多的一个目定义为优势类群。

2 结果

2.1 纤毛虫种类组成 对高台黑河湿地保护区4 个样点的原生动物——土壤纤毛虫进行了定性研究，共鉴定到19 种，隶属于3 纲8 目10 科10属。各样点及对照组纤毛虫分布情况如图1所示，详见表1。

图1 各采样点土壤纤毛虫分布

表1 各采样点纤毛虫种类及数目

2.2 群落结构特征

1）群落结构与多样性。黑河湿地保护区土壤纤毛虫群落结构分布如图2所示。

图2 黑河湿地保护区土壤纤毛虫群落结构分布

2）优势类群和优势种。在对照土壤中，第1 优势类群为下毛目，第2 优势类群为前口目、肾形目、侧口目和管口目，第3 优势类群为盾纤目。在样点土壤中，六坝河桥上游第1 优势类群为下毛目，第2 优势类群为前口目、肾形目和管口目，第3 优势类群为盾纤目；湿地公园优势类群为盾纤目；大湖湾第1 优势类群为肾形目，第2 优势类群为前口目、下毛目和盾纤目。从出现频次分析，缘毛目、肾形目和盾纤目在各采样点出现频次最高，说明这些类型的土壤纤毛虫食性和分布范围广，受地理条件影响小。

与对照样点土壤相比，六坝河桥上游样点土壤中的优势种为浮雕刀口虫、长尾刀口虫、苔藓膜袋虫和小尖毛虫等，湿地公园样点土壤中的优势种为银灰膜袋虫和苔藓嗜腐虫，大湖湾样点土壤中的优势种为长尾刀口虫、土壤肾形虫和近亲殖口虫等。

3）群落相似性。根据Jaccaed 共同系数公式计算得q=0.737，表明3 个土壤样点和对照土壤中纤毛虫群落结构中等相似。

2.3 污生指数 根据Pantle 等提出的污生指数公式计算得到：对照组Si=1.1，湿地公园Si=2.45，六坝河桥上游Si=1.9，大湖湾Si=2.15。数据表明六坝河桥上游土壤、大湖湾土壤和湿地公园土壤都受到轻度污染，但六坝河桥上游土壤质量优于大湖湾土壤质量，大湖湾土壤质量优于湿地公园土壤质量。各样点纤毛虫种类数与污生指数如图3所示，由图可知土壤纤毛虫种类数相对越多，土壤污生指数越低，土壤质量相对越好。

图3 各采样点纤毛虫种类数与污生指数

3 讨论

土壤纤毛虫作为土壤生态系统微型生物群落的重要组成部分，具有个体微小、现存量大、生活周期短、分布广、形态和遗传分化低、对土壤环境变化敏感性高等特点。有些适应此时的土壤环境并且形成的优势种，故可利用这些敏感型土壤纤毛虫对土壤质量进行初步的评价和预测［5］。物种数、出现频次等结构参数均能客观地反映土壤状况及其变化趋势。本研究表明，湿地公园样点纤毛虫物种数指数较低，但大湖湾样点该指数又有所回升，土壤环境综合状况有所改善。由此可见，土壤纤毛虫对土壤环境的改善发生响应，显示出对土壤生态系统生态恢复的指示作用，同时说明湿地可保护生物多样性，改善水质和土质，进而改善环境。

污染导致纤毛虫群落组成和结构发生巨大变化。从图1和图3中可看出，由于受污染因素的影响，样点土壤中纤毛虫群落结构要比对照土壤中的简单得多。群落相似性分析结果显示样点土壤与对照土壤中纤毛虫群落结构中等相似。在鉴定到的19 种纤毛虫中，对照土壤中有16 种，而湿地公园土壤中只有7 种。在各样点和对照样点的自然地理条件，例如地理位置、土壤类型、土壤含水量、pH 值等都是相同的，理论上二者的原生动物种类组成应该相似或基本相同。推测是由于城市生活污水污染，导致自然群落中不耐污种类消亡，只有少数能够耐受污染胁迫的种类得以生存。

综上所述，本调查研究结果表明：

1）本次通过调查，对高台黑河湿地保护区4个样点的原生动物——土壤纤毛虫进行了定性研究，共鉴定到19 种，隶属于3 纲8 目10 科10 属，对照土壤中16 种。

2）土壤表层和土壤深层纤毛虫种类存在一定差异，例如长尾刀口虫只在大湖湾深层土样存在，而大湖湾表层土样中不存在；龙骨漫游虫只在六坝河桥上游深层土样中存在，而六坝河桥上游表层土样中不存在；近亲殖口虫在六坝河桥上游表层土样中存在，深层土样不存在。这可能是因为不同种类纤毛虫食性和生存环境需求不同所致。

3）六坝河桥上游土壤、大湖湾土壤和湿地公园土壤都受一定程度污染（中度污染），但六坝河桥上游土壤质量优于大湖湾土壤质量，大湖湾土壤质量优于湿地公园土壤质量，湿地公园土壤污染相对最重。

4）盾纤目银灰膜袋虫和苔藓嗜腐虫可作为污染土壤环境的指示种类。

5）城市生产生活过程中产生的废弃物污染及污水导致土壤纤毛虫物种数、群落组成和结构发生很大变化。相关部门因进一步加强生活污水的处理和对污水排放的要求。

6）土壤纤毛虫对土壤环境的改善发生响应，显示出对土壤生态系统生态恢复的指示作用，同时说明湿地可保护生物多样性，改善水质和土质，进而改善环境。