铜尾矿复垦地的生态恢复程度与土壤动物指示作用研究

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　　摘要为改善矿区复垦地土壤生态环境，于2018年9月对铜陵市狮子山3个尾矿库复垦地和1个对照样地的土壤动物进行研究。结果表明，共捕获土壤动物24类1 191只。优势类群为弹尾目、甲螨、前气门亚目、蚂蚁和鼠妇，占总数的76.99%。样地土壤动物个体数和类群数方差分析表明，香樟林获得土壤动物个体数和类群数显著高于其他样地（P<0.05），刺槐林地与其他样地的个体数无显著性差异，类群数有显著性差异，芒草地和白茅草地个体数和类群数之间无显著性差异（P>0.05）。RDA分析表明，弹尾目与土壤pH、TP显著相关;凋落物层厚度、土壤TN、TC、TOC与双尾目、蚯蚓、双翅目幼虫、鼠妇呈极显著的正相关，与鞘翅目幼虫呈显著负相关。香樟林地对照下的复垦地生态恢复综合评价表现为刺槐林地恢复效果较好，芒草地和白茅草地的恢复效果不显著。
　　关键词土壤动物;凋落物;生态恢复;铜尾矿复垦地
　　中图分类号Q958文献标识码A
　　文章编号0517-6611（2020）15-0071-04
　　doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.15.021
　　开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
　　Study on Eecological Restoration Degree and Soil Animal Indicator of Copper Tailing Reclamation Land
　　MAO Wenquan，ZHU Yongheng，WANG Haiyan et al
　　（College of Geography and Tourism，Anhui Normal University，Key Laboratory of Earth Surface Processes and Respond in the YangtzeHuaihe River Basin，Wuhu，Anhui 241003）
　　AbstractIn order to improve the soil ecological environment of the reclaimed land in the mining area，soil animals in 3 tailings reservoir reclaimed land and a control plot in Shizishan，Tongling City were studied in September 2018.The results showed that a total of 1 191 soil animals of 24 types were captured.The dominant taxa were placoderm，acaroid mite，anterior valve suborder，ant and murine，accounting for 76.99% of the total.Sample area soil animal number of individuals and groups of variance analysis showed that the camphor forest soil animal individual number and group number was significantly higher than the other sample （P<0.05），there was no significant difference in the number of individuals between acacia woodland and other plots，there was a significant difference in the number of groups，and there was no significant difference between the number of individuals and groups in the grasslands of miscanthus and cogon grass （P>0.05）.RDA analysis showed that elastomer was significantly correlated with soil pH and TP.Litters layer thickness，soil TN，TC and TOC were significantly positively correlated with dicetops，earthworms，diptera larvae and rat females，but significantly negatively correlated with coleoptera larvae.The comprehensive evaluation of ecological restoration of reclaimed land under the control of Xiangzhang woodland showed that the recovery effect of robinia pseudoacacia forest was good，but that of Mang grassland and Baimao grassland was not significant.
　　Key wordsSoil animals;Litter;Ecological restoration;Copper tailing reclamation land
　　作者簡介
　　毛文权（1991—），男，安徽太和人，硕士研究生，研究方向：自然地理学。 　　收稿日期2019-12-17
　　土壤动物是陆地生态系统中重要的分解和参与者，起到维护其结构和功能的作用[1]，也对地表植物的演替有重大意义[2]，尤其对退化土壤的恢复具有重要的作用[3]。土壤动物可以作为一种生态资源[4]。随着全球对生物关注，土壤动物研究已经成为土壤生态学和复垦地生态恢复研究的重点[5-7]。
　　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，是闲置不用的污染土地，是一种人为作用下的退化生态系统，包括自然废弃地和复垦废弃地。废弃地的生态恢复是其最好的选择，自然生态恢复过程表现为典型的生态系统原生演替过程[8-9]。随着经济的发展，我国土地资源得到广泛的利用，闲置的尾矿库增多的同时，研究学者也渐渐的认识到了这是一对矛盾，也急需要对闲置的尾矿废弃地进行生态恢复[10]。当今尾矿复垦地生态恢复研究集中在土壤、植被和生物方面。土壤动物可以分解凋落物，改良土壤污染状况。通过研究复垦地土壤动物群落、矿区植被、凋落物分解状况、土壤腐殖质剖面以及土壤环境因子等，可以作为指示矿区复垦地生态恢复程度的指标。笔者对铜陵市狮子山铜尾矿复垦地土壤动物进行对比研究，为尾矿复垦地生态恢复与生态系统演替提供参考价值。
　　1材料与方法
　　1.1研究区概况
　　铜陵市地处安徽省中南部（30°56′42″N，117°43′28″E），气候类型为亚热带湿润季风气候，多年平均气温16.2 ℃，平均相对湿度75%。当地植被多为亚热带常绿阔叶林和落叶阔叶混交林。境内较多低山丘陵，高度在100～200 m[10]。
　　1.2样地简介与选取
　　杨山冲尾矿库于1966年建成，1990年停止使用。杨山冲尾矿库初期坝为亚黏土均质坝，后期采用上游筑坝法用人工堆筑子坝。冬瓜山的闭库工程于2012年10月完工。闭库工程完工至今6年。
　　于2018年9月野外采集土壤和凋落物。设置了3个采集样地，分别是白茅草地、刺槐林地和芒草地。外围的则是选取香樟林地作为对照，对照组样地有丰富的凋落物及较厚的腐殖质层。每个样地均设置3个重复（表1）。
　　1.3土壤动物采集与鉴定
　　于2018年9月野外采集土壤和凋落物，大型土壤动物采用30 cm×30 cm样方，取0～5 cm的土层，中小型土壤动物采用4个环刀的方法。大型土壤动物就地拾取;中小型土壤动物，用Tullgren干漏斗分离。动物标本存放在75%乙醇溶液中。鉴定的参考书目为尹文英《中国土壤动物检索图鉴》《土壤动物知识》和《中国亚热带土壤动物》，一般鉴定到目。
　　1.4数据分析与处理
　　在划分土壤动物群落上，以个体数量占全部捕获量为依据。占群落个体数多于10%的是优势类群，常见类群个体数为1%～10%，小于1%为稀有类群。群落多样性指数采用多样性指数、丰富度指数和均匀性指数。
　　数据用Excel 2010、SPSS 22.0进行处理与分析，对4个样地土壤动物的类群数和个体数进行单因素方差分析。采用CANOCO 5.0排序软件，分析土壤动物群落与环境因子的相关关系，剔除不能反映土壤动物指标的环境因子。采用SPSS主成分分析（PCA）法對土壤的理化性质及土壤动物综合指标主成分变量提取后，再通过综合评价模型计算综合评价值，作为综合评价、生态指示的方法。
　　2结果与分析
　　2.1样地土壤动物群落特点
　　共捕获土壤动物24类1 191只，隶属于4门8纲24目。优势类群为弹尾目、甲螨、前气门亚目、蚂蚁和鼠妇，占总数的76.99%。常见类群有甲虫、隐翅虫、双翅目幼虫、鞘翅目幼虫、马陆、蚯蚓、中气门亚目、综合目和双尾目9类，占总捕获量的18.81%（表2）。其余为稀有类群，共10类，个体数占总捕获量的4.20%。
　　3个尾矿复垦地样地中（SC.刺槐，SM.芒草，SB.白茅），共捕获土壤动物679只，占总捕获量的57.01%;优势类群有甲螨、前气门亚目和弹尾目，常见类群有蚂蚁、隐翅虫、双翅目幼虫、鞘翅目幼虫、甲虫、双尾目、马陆和综合目。
　　对照样地C-SX（香樟林样地）中，共捕获土壤动物512只，占总捕获量的42.99%;优势类群有前气门亚目、弹尾目、蚂蚁、鼠妇和甲螨，常见类群有隐翅虫、双翅目幼虫、双尾目、蚯蚓、中气门亚目和拟蝎目。
　　4个样地中土壤动物个体数的方差分析表明（表3），C-SX（香樟林地）获得土壤动物个体数显著高于SM（芒草）和SB（白茅草）样地（P<0.05），芒草和白茅草样地的个体数之间无显著性差异（P>0.05）;SC（刺槐林地）土壤动物的个体数高于芒草和白茅草样地，低于香樟林地，且无显著性差异。4个样地中土壤动物类群数的方差分析表明（表3），C-SX和其他的样地类群数差异性显著，且与SM和SB样地之间的显著性达到极显著（P<0.01），而SC样地的类群数显著高于SM样地，SM和SC与SB样地的类群数之间无显著性差异（P>0.05）。
　　2.2环境因子与土壤动物指标的RDA分析土壤动物的冗余分析（redundancy analysis，RDA）表明（图1），弹尾目与土壤pH、TP显著相关;土壤C/N与均匀度指数呈极显著相关;
　　凋落物层厚度、土壤TN、TC、TOC与双尾目、蚯蚓、双翅目幼虫、鼠妇呈极显著正相关，与鞘翅目幼虫呈显著负相关;土壤容重与土壤动物的相关性不显著，这可能与样地中土壤的密度普遍较大关系密切。
　　2.3环境因子和土壤动物指标的主成分分析
　　运用SPSS 22.0对不同植被下的尾矿库样地指标（凋落物厚度、土壤pH、土壤总有机碳、土壤C/N、土壤全碳、土壤全氮、土壤全磷与土壤动物类群数、个体数、多样性指数、丰富度指数、均匀性指数）进行因子分析降维，发现前3个主成分特征根分别为6.215、2.349和1.695，贡献率解释达到85.494%。表明可以利用这3个主成分对环境因子和土壤动物指标进行综合分析，来反映土壤动物对矿区的生态恢复程度。 　　由表4可知，香樟林樣地对照（C-SX）下的尾矿库复垦地土壤动物生态恢复效果从好到差依次为刺槐林地（SC）、芒草地（SM）、白茅草地（SB），表明刺槐林地恢复效果最好，芒草地和白茅草地的恢复效果不显著，但是芒草地优于白茅草地。
　　3讨论与结论
　　3.1尾矿库样地中土壤动物个体数和类群数
　　矿区废弃地的主要优势类群是甲螨、前气门亚目和弹尾目，外围香樟林下的土壤动物优势类群是弹尾目、前气门亚目、蚂蚁、甲螨和鼠妇，甲螨、前气门亚目和弹尾目是他们的共有类群。矿区凋落物较为丰富，由于甲螨、前气门亚目和弹尾目取食和粉碎凋落物，合适的生存环境使得他们的数量较多。土壤动物指标会受到环境的影响，一般生境越优越，土壤动物的生存有利[11]。而且多样性指数随着时间的不断变化会呈现良好的动态变化。对照组香樟林样地土壤动物的个体数和类群数都显著高于3个复垦地样地，但是林地的土壤动物个体数和类群数都略高于芒草和白茅草。鼠妇和蚂蚁喜欢在阴暗潮湿、腐殖质剖面发育和有枯枝落叶多的地方。由于对照组香樟林样地有大量的腐烂的木料，较厚的凋落物层，比较完善的腐殖质剖面层，优越的生境条件使得蚂蚁和鼠妇活动异常活跃。而复垦地刺槐林、芒草和白茅草样地由于凋落物层较薄与腐殖质层发育极其不完善，鼠妇、蚂蚁的生存条件相对于对照样地就不是那么优越，就使得鼠妇和蚂蚁为首的群落指标数量较少。
　　3.2环境因子与土壤动物RDA分析
　　土壤动物生存在土壤和凋落物中，土壤环境一定程度决定土壤动物生存栖息地，影响土壤动物群落。土壤动物分解和粉碎凋落物，凋落物是土壤动物直接或间接的食物来源[12]。凋落物释放养分的动态变化也能影响土壤动物群落[13]。土壤中的碳来源于凋落物，凋落物层的厚度与土壤全碳、土壤有机碳含量密切相关，凋落物的不断分解也增加了土壤氮的来源[14]。
　　植被群落可以为土壤动物提供食物和栖息环境[15-16]。研究表明，不同植被有不同的性质，所以不同的植被样地向土壤提供的养分也不尽相同[17-19]。研究认为，不同的土壤理化性质对土壤动物的群落结构影响是不同的，该研究RDA分析显示，土壤理化性质能够显著影响土壤动物群落，仅土壤容重与动物群落相关性不强，基本可以反映土壤动物与地理环境的同一性，也就是说环境因子指标的改变也能引起土壤动物类群变动。该研究证明，随着土壤全氮、有机碳和凋落物厚度的增加，双尾目、蚯蚓与双翅目幼虫也呈现增加的趋势。香樟林下生物多样性丰富，这与它优越的生境相关。刺槐叶虽然容易碎裂和分解，但土壤的密度较大，大中型土壤动物不易挖掘地道，特别是蚯蚓的活动受到限制，且复垦地依旧呈现污染状态。芒草和白茅草生境下的土壤动物对复垦地生态恢复程度也虽然低，但此类型的草本植物对矿区重金属污染的净化与转移可能具有重要意义。
　　3.3土壤生态系统恢复与土壤动物的指示作用
　　学者们普遍认为对于土壤生态系统的恢复，微生物活动虽然强烈，但土壤动物依旧可作为一种生态指标使用[20]。甲螨虽然对环境变化与污染感到很敏感，有的研究认为单从甲螨总数和种类来判断环境变化与污染似乎不太可取[21]。蚯蚓取食有机质及腐殖质的泥土，依然被认为是大型土壤动物中最有生态恢复价值的指示生物[22]。湿生动物土壤线虫受到土壤温度和湿度等环境的影响大，环境的变化直接导致了土壤线虫的数量改变，所以说线虫是生态系统变化敏感指示生物[23]。然而土壤动物的生态恢复指示作用研究，不能仅局限于用土壤动物稀有类群，稀有类群可能对已经处于污染的环境非常具有说服力，但是单项的指标用来指示生态的恢复就显得相形见绌。最新的研究证明，土壤动物群落的综合指标和环境因子的相关越来越成为指示土壤生态恢复的重要指标[24]。综合指标可以包括土壤动物类群数和个体数、多样性指标和环境因子。香樟林对照下的复垦地综合评价值表现为刺槐林地>芒草地>白茅草地。林木样地的综合评价值高于禾草样地。这与林木的凋落物质地柔软易碎、容易被土壤动物粉碎取食有关，而芒草和白茅草的茎叶比较坚硬、不易被土壤动物取食。芒草地优势类群数为5类，白茅草地仅3类，优势类群的总数量远少于芒草地，可见芒草叶对前气门亚目、弹尾目、甲螨、蚂蚁和隐翅虫等中小型土壤动物具有强烈的吸引力，而土壤有机质含量、腐殖质层的厚度和土壤动物多样性影响了矿区的生态恢复。
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