模拟柴油污染对土壤动物群落结构的影响

2021-03-20肖玖金杨礼通杨智富冯秋红陈良华胡宗达

浙江大学学报（农业与生命科学版） 2021年1期

肖玖金，杨礼通，杨智富，冯秋红，陈良华，胡宗达

（1.四川农业大学林学院，森林和湿地生态恢复与保育四川省重点实验室，成都610081；2.四川农业大学生态林业研究所，成都611130；3.彭州市国有林场，成都611930；4.四川农业大学资源学院，成都611130；）

柴油是由石油烃和芳烃组成的混合物，作为重要的燃料之一，在现代经济发展过程中具有重要意义。但柴油在加工、储藏、运输过程中及储油罐的泄漏等造成的土壤污染问题越来越严重[1]，泄露的柴油不但对土壤结构造成不良影响，而且其危害持久和难以修复，因此，柴油污染带来的土壤生态环境问题已成为人们关注的热点之一[2]。由于柴油具有较强的黏着力和较低的乳化力[3-4]，土壤作为柴油等污染物的最终归属，可将土壤颗粒聚合成较为致密的片层状或团状结构体，导致土壤孔隙度降低，渗透阻力增加，透水性和透气性减弱[5]。同时，柴油中的有毒物质通过吸入、误服及皮肤接触等途径进入生物体后会产生急性或慢性中毒，从而对生物产生刺激、麻醉、腐蚀甚至致癌作用[6-7]。因此，土壤生态系统中生物群落不可避免地会受到污染物的影响。土壤动物作为土壤生态系统中的重要组成部分，是陆地生态系统中生物种类最丰富、数量最多的亚系统[8]，参与了生态系统的物质循环和能量流动等重要环节，在营养物质的转化、储存和释放，对土壤微生物的调节及土壤理化性质的改变等方面都发挥着重要作用。同时，土壤动物对环境变化有着极高的敏感度，其群落组成差异往往能够反映环境的一些细微变化和特殊状态[9]，其个体数和类群数则是研究柴油污染程度的重要指标。研究表明，石油污染对大多数土壤动物具有抑制作用，部分类群甚至消失；但也有研究表明，一定的石油污染浓度对一些土壤动物具有正向效应，如石油污染对食细菌线虫数量具有促进作用[10]，蚯蚓可以促进土壤石油烃的去除，但其数量随石油烃浓度的增加而减少[11]。因此，土壤动物对石油类污染的响应总体受土壤动物种类和污染物浓度的影响，部分种类在低浓度下表现出促进作用，而在高浓度下呈现抑制作用。但是，由于土壤动物类群众多，加之受季节变化以及土壤层次差异等影响，限制了人们深入开展土壤动物群落与污染物间关系的研究。

综上所述，目前针对石油烃类污染对土壤动物群落影响的研究较为丰富，但针对不同污染程度、污染效应延续时间及影响土层深度等的研究较少。本研究拟通过野外小区试验，设置不同柴油泄漏量处理，分析不同时间和不同土层土壤动物密度、类群及其多样性变化，以期了解柴油泄漏量与土壤动物群落变化之间的关系，以及不同土层土壤动物群落的恢复过程及其特征。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

模拟试验研究地土壤类型为山地黄壤，主要植被为车前草（Plantago asiatica）、冷水花（Pilea notata）、野艾蒿（Artemisia lavandulaefolia）、水蓼（Polygonum hydropiper）、三叶鬼针草（Bidens pilosa）、葎草（Humulus scandens）等。

1.2 试验方法

2016 年6 月在试验地设置3 个面积为403 m2（13 m×31 m）的样地，在各样地内设置10 个25 m2（5 m×5 m）的样方并随机编号，处理间保留1 m的间距并用木板隔开以避免相互影响，每个处理重复6次。柴油污染量参照《土壤环境质量标准》（GB 15618—2008）中标准石油烃进行设计，按0、30、60、120、240 g/m2的柴油污染量（分别为对照CK、CY30、CY60、CY120和CY240），用小型喷雾器均匀喷洒在样方内。

分别于2016年7月（污染后30 d）、8月（污染后60 d）、9 月（污染后90 d）在各样方内按“品”字形布点，设置3个大小为50 cm×50 cm（0.25 m2）的小样方，分0～5、＞5～10和＞10～15 cm土层，采用手捡法收集大型土壤动物，将收集到的土壤动物放入盛有75%乙醇的器皿中保存，并带回实验室鉴定和计数。中小型土壤动物用环刀（r=5 cm，V=100 cm3）自上而下依次每层取2 个环刀土样，用尼龙网包好并贴上标签后迅速放入黑布袋内带回实验室；中小型土壤动物分离采用Tullgren干漏斗法[12]和Baermann湿漏斗法[13]，分离时间为48 h，其中湿生土壤动物每4 h观察1 次[14-15]。干生分离出的土壤动物用盛有75%乙醇的器皿收集，湿生土壤动物用清水收集，在解剖镜下进行分类鉴定和数量统计。

土壤动物的鉴定在EZ4HD双目解剖镜（德国徕卡仪器有限公司）下进行，参考《中国土壤动物检索图鉴》[16]、《中国亚热带土壤动物》[17]、《昆虫分类检索》[18]和《幼虫分类学》[19]进行分类鉴定，一般鉴定到科，同时统计个体数量。

1.3 数据分析与处理

采用Shannon-Wiener 多样性指数（H'）、Margalef 丰富度指数（D）、Pielou 均匀度指数（J）、Simpson 优势度指数（C）[20]对土壤动物的多样性进行分析。主要计算公式如下：

式中：Pi=ni/N，Pi为第i 个类群个体数占比，ni为第i个类群的个体数；N 为所有类群的个体数；S 为类群数。

类群数量等级划分：个体数量大于总捕获量的10.0%者为优势类群，大于等于1.0%而小于等于10.0%者为常见类群，小于1.0%者为稀有类群。

主要采用Excel 2010 和SPSS 22.0 对数据进行处理和分析。用单因素方差分析对同一采样时间不同样方间土壤动物群落组成进行检验，用最小显著差数法（least significant difference, LSD）进行多重比较，P＜0.05表示差异有统计学意义。

2 结果与分析

2.1 土壤动物类群及多样性特征

共捕获土壤动物21 135 只，隶属于3 门9 纲20目54个类群（附表1，http://www.zjujournals.com/agr/CN/10.3785/j.issn.1008-9209.2020.04.021），以线虫纲和蜘蛛目为优势类群，分别占总捕获量的54.80%和14.80%；以跳虫科、棘䖴科、绥螨科、圆䖴科、弄蝶科、粗脉毛蚊科和蚁甲科等为常见类群，占总捕获量的23.43%；其他45 个类群均为稀有类群，占总捕获量的6.97%。

各处理中稀有类群土壤动物数目最多，常见类群次之，优势类群最少（图1）。与对照相比，土壤动物常见和稀有类群对柴油污染的响应较大，各处理总体呈现出常见类群土壤动物数目在试验初期和中期减少，而到试验后期得到恢复甚至超过对照的趋势。同时，在试验初期，高柴油污染量处理（CY240）对常见类群土壤动物数目产生了极大的抑制作用，仅有1个类群存活。

与同期对照相比，柴油污染降低了土壤动物的多样性、均匀度和丰富度指数，从同一时间不同处理分析，土壤动物多样性、均匀度、丰富度指数随污染量的增加而呈先增加后减少的趋势。其中：除对照外，多样性指数各月均在CY60处理组达到顶点（图2A），均匀性指数7月在CY60处理组达到顶点，8和9月在CY120处理组达到顶点（图2B），优势度指数7 月以CY120处理组最高，8 月则随着污染量的上升而逐渐增加，9月呈先降低后升高的趋势，并在CY60处理组达到最低点（图2C），丰富度指数在CY120处理组达到顶点（图2D）。同时，从同一处理不同时间分析，多样性、均匀度和丰富度指数总体上随污染时间的推移而上升；对于优势度指数，CY60和CY120处理组随时间的推移呈下降趋势，而CY240总体呈增加趋势。

2.2 土壤动物群落月变化特征

各处理土壤动物平均密度和类群数目的月动态特征如图3所示。CK处理下7—9月土壤动物平均密度和类群数目变化不大，而不同柴油污染量处理均加大了其变化幅度，并随柴油污染量的增加在相同月份里土壤动物密度总体呈下降趋势。

图1 不同柴油污染量下0～15 cm土层土壤动物优势、常见和稀有类群数目Fig.1 Number of dominant,common and rare groups of soil fauna under different diesel contamination levels in 0-15 cm soil layer

图2 不同柴油污染量下0～15 cm土层土壤动物多样性特征Fig.2 Diversity characteristics of soil fauna under different diesel contamination levels in 0-15 cm soil layer

图3 不同柴油污染量下0～15 cm土层土壤动物密度和类群数目Fig.3 Density and group number of soil fauna under different diesel contamination levels in 0-15 cm soil layer

低污染量在短期内增加了土壤动物密度，但随着污染时间的推移，土壤动物密度快速下降。柴油污染处理初期（7 月）土壤动物类群数低于其他处理，表明柴油污染处理总体上降低了土壤动物的类群数；随着时间的推移，各处理土壤动物类群数逐渐增加，部分处理下的类群数在8和9月超过CK处理下的土壤动物类群数。其中，除9 月CY240处理外，8和9月土壤动物类群数高于CK，表明柴油污染样地在受到外界干扰后，土壤动物群落结构发生了一定的调整，其类群数呈现增加趋势。

2.3 不同土层土壤动物多样性特征

土壤动物类群数在土层中的垂直分布特征见图4。各处理的土壤动物类群数目随着土层的加深而降低。与对照CK 相比，柴油污染均不同程度地降低了各土层土壤动物类群数目。其中，0～5 cm土层土壤动物类群数目总体随时间的推移而增加，表明柴油污染初期对土壤表层土壤动物类群产生了一定的抑制作用，但随着表层污染物浓度随着雨水的下渗而被稀释，该层土壤动物类群数又逐渐得到恢复，到试验末期（9月），与对照相比，0～5 cm土层土壤动物类群数基本能够恢复到相同的水平（除CY120外）。各处理下，＞5～10 和＞10～15 cm 土层土壤动物类群数在7月下降较明显，同时，该层低污染量下土壤动物类群数目随时间的推移逐渐得到恢复，但在CY240高污染量下，该层土壤动物在试验期间没有恢复到正常水平，表明高污染量对深层土壤动物的影响具有一定的持久性。显著性分析表明，7 月对照组0～5 和＞5～10 cm 层土壤动物类群数显著高于CY240（P＜0.05）。

不同土层土壤动物密度垂直分布特征见图5。从中可以看出：与对照相比，柴油污染初期土壤动物密度大幅增加，但也改变了土壤动物数量分布的表层集聚效应，不同土层土壤动物密度的最大值一般出现在＞5～10或＞10～15 cm土层。同时，各处理土壤动物密度总体均随着时间的推移而降低，同时，各处理下8和9月土壤动物密度均低于对照。

3 讨论

图4 不同柴油污染量下不同土层土壤动物类群垂直分布特征Fig.4 Vertical distribution characteristics of soil fauna group under different diesel contamination levels

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

土壤线虫是土壤动物的主要功能类群之一，是土壤中最为丰富的后生动物[21-22]。一般认为，柴油对土壤线虫有明显的毒性，柴油污染导致土壤中线虫数量降低[23-24]；而本研究表明：线虫在试验区为优势类群，其数量在本次调查中总体占比为54.88%，其中，线虫纲个体数占比最高，为70.94%（7月CY240处理），最低为36.15%（8 月CK 处理）。本研究显示，柴油污染在一定程度上增加了线虫群落数量和比例，与其他相关研究结果类似[10,25]，这可能与土壤线虫群落中食细菌线虫为优势类群有关。有报道显示：食细菌线虫在微生物活性强的区域如根际，其数量占比甚至可达90%以上，土壤被柴油污染后，柴油可作为碳源促进微生物生长，食细菌线虫的捕食也能刺激微生物生长，使微生物数量增加[10]，从而增加土壤相关酶活性[26]。而随着土壤中柴油浓度的降低，使得以碳源为食物来源的微生物生长减缓，进而导致食物链中食细菌线虫的数量降低。

柴油污染初期（7 月）的土壤动物类群数较8 月（污染后60 d）和9月（污染后90 d）低，而CK组的土壤动物类群数在3次调查中均无显著变化（P＞0.05），表明柴油污染初期降低了土壤动物类群数，但随着时间的推移，土壤动物类群数又逐渐恢复甚至超过污染初期。分析其原因，可能与土壤动物类群数的变化主要受稀有类群的影响较大有关，各污染量处理中，污染初期（30 d）土壤动物类群数均为3 次采样中最低，而CK则表现出最高值。

研究土壤动物多样性对于整个生态系统具有重要意义，它是生态环境评价的重要指标，其高低能反映群落的稳定性[27]。在本研究中，与CK 相比，柴油污染初期降低了土壤动物群落的多样性和均匀度指数，而随着时间的推移又逐渐上升；与多样性和均匀度指数变化趋势相反，优势度指数在污染初期最高，8 和9 月波动较小；丰富指数表现出低污染量（CY30和CY60）逐渐上升，CY120无显著变化（P＞0.05），CY240呈先降低后升高的变化趋势。这主要与污染初期一些稀有类群消失，从而导致土壤动物类群数减少有关。由于稀有类群的减少，土壤动物类群中一些能适应污染环境的类群，如食细菌线虫的数量得到快速繁殖，其个体数量占据群落数量的绝对优势，如7 月CY240处理中线虫纲数量占比为70.94%，这极大提高了土壤动物的优势度指数。

土壤动物剖面分布的季节变化是土壤动物为应对外界环境变化而进行的上、下方向的移动，以改变其栖息场所[28]。一般认为，土壤动物类群和个体数会随着土层的加深而减少[29]。本研究表明，柴油污染导致了土壤动物群落垂直分布的变化，一些处理甚至出现土壤动物数量的“逆层分布”现象，即深层土壤动物数量较表层高。这与平常的调查结果相反，分析其原因主要是随着柴油在土壤中的渗透，深层土壤微生物获得碳源而大量繁殖，促进了食细菌线虫数量的增加。同时，从土壤动物类群数和土层的关系来看，土壤动物类群数基本呈现出随土层的加深而减少的趋势，表明柴油污染对土壤动物类群在土层中的分布影响有限。

本研究取样间隔时间为30 d，而现有对柴油污染的首次采样设定在1 周或更短的时间[26,30-31]，因此，首次采样间隔时间较长，可能会忽略土壤动物应对柴油污染的短期响应。相关研究表明，石油类污染初期会抑制大部分土壤微生物的活性[26]，而本研究结果未能反映该过程，这可能与首次采样时间跨度较大，忽略了柴油污染对土壤动物数量的抑制有关。同时，由于本试验的时间跨度较长，不同采样时间的环境条件差异对土壤动物群落存在一定影响。因此，本文仅对同一时间不同污染量下的土壤动物群落差异进行了显著性分析。由于受到土壤动物分类水平的限制，较高的分类阶元对土壤动物类群数在柴油污染处理下变化趋势的研究具有一定的局限性。