土壤重金屬污染與土壤動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的關(guān)系研究論文
土壤是生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)中物質(zhì)交換與能量流通的重要樞紐，其中土壤動(dòng)物在土壤物質(zhì)能量遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程中具有特殊的作用。但隨著人類(lèi)活動(dòng)對(duì)環(huán)境影響的日益加劇，大量原生植被遭到破壞，污染物質(zhì)在土壤中不斷富集，土壤動(dòng)物的生存繁殖受到嚴(yán)重的威脅[1].其中，重金屬污染尤為嚴(yán)重。土壤動(dòng)物是土壤生態(tài)系統(tǒng)中極其重要的組成成分，在分解動(dòng)植物殘?bào)w、土壤的形成與發(fā)育、改變土壤理化性質(zhì)、土壤物質(zhì)遷移與能量轉(zhuǎn)化等方面有著十分重要的作用；另外，土壤動(dòng)物對(duì)周?chē)h(huán)境的變化比較敏感，且其活動(dòng)性差，易獲得標(biāo)本，是監(jiān)測(cè)土壤污染的理想指示生物，因此，成為土壤污染評(píng)價(jià)的替代指標(biāo)或者間接指標(biāo)[2-3].目前，關(guān)于土壤重金屬污染與土壤動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的關(guān)系研究報(bào)道較少[4-5].鑒于此，本研究對(duì)淮南幾個(gè)煤礦和發(fā)電廠、灰場(chǎng)等樣地進(jìn)行調(diào)查，探討了土壤重金屬污染對(duì)土壤動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的影響，以期為治理重金屬污染與恢復(fù)污染區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)提供相關(guān)的科學(xué)依據(jù)。
1材料和方法
1.1研究區(qū)概況
研究區(qū)位于淮南市境內(nèi)（116°21'05″~117°12'30″E、32°23'20″~33°00'26″N），淮南是中國(guó)能源之都、華東工業(yè)糧倉(cāng)、安徽省重要的工業(yè)城市，境內(nèi)有多家煤礦和發(fā)電廠。
1.2樣品采集
于2014年6月在淮南市境內(nèi)選取8個(gè)樣地，A:洛河電廠，B:洛河電廠的灰場(chǎng)邊，C:顧橋煤礦，D:顧北煤礦，E:舜耕山，F(xiàn):淮化集團(tuán)，G:潘一礦，H:田集電廠。在各樣地取4個(gè)中小樣點(diǎn)和1個(gè)手揀大樣。
在選定地點(diǎn)設(shè)置30cm×30cm的樣方，用取土環(huán)刀（容積為100cm3）在4個(gè)角和2條對(duì)角線交點(diǎn)（中心）處設(shè)點(diǎn)取樣，采4層（0~5cm、5~10cm、10~15cm、15~20cm）取中小樣。并在該區(qū)域隨機(jī)選取一個(gè)10cm×10cm的大樣采集點(diǎn)，先去掉枯枝落葉層后，同樣采集4層，以供手揀。將取土環(huán)刀內(nèi)的.土挖進(jìn)預(yù)先貼好標(biāo)簽的小布袋內(nèi)。小樣采用Tullgren干漏斗法收集動(dòng)物，大樣當(dāng)場(chǎng)進(jìn)行手揀，將所有看到的土壤動(dòng)物放入貼好標(biāo)簽的瓶子中，并隨中小樣一起在體視鏡下分揀。然后，進(jìn)行采樣點(diǎn)土壤動(dòng)物的分類(lèi)與計(jì)數(shù)[6].隨后，對(duì)采集完土壤動(dòng)物的土壤樣品進(jìn)行重金屬元素含量的測(cè)定。
1.3測(cè)定項(xiàng)目及方法
對(duì)8個(gè)采樣點(diǎn)采集的土樣，進(jìn)行風(fēng)化、研磨并過(guò)0.15mm尼龍篩，再把土樣采用硝酸-鹽酸-雙氧水濕式消化法處理，Cd、Cu含量采用石墨爐原子吸收分光光度法測(cè)定，Cr、Pb含量采用火焰原子吸收分光光度法測(cè)定，Hg、As含量采用原子熒光光譜法測(cè)定。
1.4土壤重金屬污染評(píng)價(jià)
采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法進(jìn)行土壤重金屬綜合污染評(píng)價(jià)，具體計(jì)算公式[7]如下：
式中，Pi是重金屬i的污染指數(shù)，Ci是重金屬i的實(shí)際測(cè)量值，Si是重金屬i的背景值，P綜為內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)，Pimax為單因子污染指數(shù)中的最大值，Piave為土壤所有單因子污染指數(shù)的平均值。Pi≤1,說(shuō)明土壤未受污染，處于清潔水平；1<Pi≤2,說(shuō)明土壤受輕度污染；2
P綜≤0.7,說(shuō)明土壤清潔；0.7<P綜≤1.0,說(shuō)明土壤污染程度到達(dá)警戒線；1.0<P綜≤2.0,說(shuō)明土壤污染程度為輕度污染；2.0
1.5土壤動(dòng)物群落的多樣性指數(shù)、均勻性指數(shù)和優(yōu)勢(shì)性指數(shù)評(píng)價(jià)
土壤動(dòng)物群落多樣性指數(shù)（H）采用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)法計(jì)算[10],公式如下：
土壤動(dòng)物群落的均勻性指數(shù)（E）采用Pielou均勻性指數(shù)法計(jì)算[11],公式如下：
土壤動(dòng)物群落的優(yōu)勢(shì)性指數(shù)（C）采用Simpson優(yōu)勢(shì)性指數(shù)法計(jì)算[12]，公式如下：
式中，N是樣品中所有物種的總個(gè)體數(shù)，ni是第i種物種的個(gè)體數(shù)，S是樣品中物種種類(lèi)總數(shù)。動(dòng)物多樣性指數(shù)相關(guān)性分析采用簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)法計(jì)算。
2結(jié)果與分析
2.1土壤重金屬含量狀況
由表1可知，各樣地都不同程度地受到了重金屬污染，但6種重金屬元素的污染程度不同。對(duì)于As來(lái)說(shuō)，僅B、E、H樣地未受污染，D樣地受到重度污染，其他樣地受到輕度污染；對(duì)于Cd來(lái)說(shuō)，僅E、H樣地未受污染，F(xiàn)樣地受到重度污染，其他樣地受到輕度污染；所有樣地均受到Cu污染，F(xiàn)、G樣地分別受到重度、中度污染，其他樣地均受到輕度污染；所有樣地均受到Cr污染，E樣地受到輕度污染，其他樣地均受到重度污染；對(duì)于Pb來(lái)說(shuō)，僅A、B樣地未受到污染，C、H樣地受到輕度污染，D、G樣地受到中度污染，F(xiàn)樣地受到重度污染；對(duì)于Hg來(lái)說(shuō)，僅A、B樣地受到輕度污染，其他樣地均未受到污染。
根據(jù)綜合污染指數(shù)，樣區(qū)E為輕度污染區(qū)，樣區(qū)A、B、C、D、F、G、H為重度污染區(qū)。
2.2土壤動(dòng)物群落組成及分布特點(diǎn)
由表2可知，對(duì)淮南市8個(gè)樣地的土樣分離提取土壤動(dòng)物，共獲得大中小型土壤動(dòng)物1346個(gè)，23類(lèi)，隸屬4門(mén)8綱。其中，優(yōu)勢(shì)類(lèi)群（個(gè)體數(shù)占總個(gè)體數(shù)的10%及以上）為隱翅類(lèi)、螨類(lèi)、膜翅類(lèi)，共3類(lèi)，占土壤動(dòng)物全部捕獲量的65.01%;常見(jiàn)類(lèi)群（個(gè)體數(shù)占總個(gè)體數(shù)的1%~10%）為彈尾類(lèi)、雙翅類(lèi)、鞘翅類(lèi)、半翅類(lèi)、唇足（蜈蚣）、蚯蚓類(lèi)、雙尾類(lèi)、鞘翅（幼）共8類(lèi)，占總捕獲量的29.27%;優(yōu)勢(shì)類(lèi)群和常見(jiàn)類(lèi)群總共11類(lèi)，占總捕獲量的94.28%,是重金屬樣地土壤動(dòng)物的主要組成部分，對(duì)于改善土壤的功能和結(jié)構(gòu)有著重要的作用；其余的12類(lèi)為稀有類(lèi)群（個(gè)體數(shù)占總個(gè)體數(shù)1%以下），只占總捕獲量的5.72%,是重金屬污染樣地的敏感性類(lèi)群。
根據(jù)表1、表2可知，各樣地重金屬綜合污染指數(shù)由小到大為：E<A<B<C<D<F<G
2.3重金屬污染對(duì)土壤動(dòng)物群落多樣性指數(shù)、均勻性指數(shù)和優(yōu)勢(shì)性指數(shù)的影響
生物多樣性、均勻性以及優(yōu)勢(shì)性指數(shù)這3項(xiàng)指標(biāo)是衡量生物群落結(jié)構(gòu)的常用指數(shù)[13].從圖1-3可以看出，綜合污染指數(shù)以樣地H最高，樣地E最低；Shannon-Wiener多樣性指數(shù)以樣地E最高，樣地H最低；Pielou均勻性指數(shù)以樣地E最高，樣地H最低；Simpson優(yōu)勢(shì)性指數(shù)以樣地G最高，樣地E最低。樣地土壤動(dòng)物群落的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Pielou均勻性指數(shù)的變化趨勢(shì)總體上與土壤重金屬綜合污染指數(shù)相反；土壤動(dòng)物群落的Simpson優(yōu)勢(shì)性指數(shù)的變化趨勢(shì)總體上與土壤重金屬綜合污染指數(shù)一致。
2.4動(dòng)物群落多樣性指數(shù)、均勻性指數(shù)和優(yōu)勢(shì)性指數(shù)的相關(guān)性分析
由表3可知，Shannon-Wiener多樣性指數(shù)與Pielou均勻性指數(shù)呈極顯著正相關(guān)，與Simpson優(yōu)勢(shì)性指數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)，Pielou均勻性指數(shù)與Simp-son優(yōu)勢(shì)性指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)。
3結(jié)論與討論
在煤炭的生產(chǎn)以及火力發(fā)電等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的由煤炭衍生的各種廢棄物長(zhǎng)期堆放和填充對(duì)周?chē)寥拉h(huán)境造成了不同程度的重金屬污染。王麗等[14]通過(guò)對(duì)陜西神木煤礦區(qū)土壤重金屬污染特征進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，礦區(qū)周?chē)寥朗艿搅瞬煌潭鹊闹亟饘倮鄯e性污染，土壤中Ni、Cd含量普遍高于陜西土壤背景值。本研究對(duì)淮南市煤礦、電廠周?chē)耐寥乐亟饘俸糠治霭l(fā)現(xiàn)，所有樣地均受到Cr、Pb的污染，分別有5、6個(gè)樣地受到了Cd、Cu的污染，從綜合污染指數(shù)來(lái)看，E樣地受到輕度污染，其他樣地均受到重度污染，這表明長(zhǎng)期煤炭資源的開(kāi)發(fā)運(yùn)輸和火力發(fā)電等活動(dòng)導(dǎo)致周?chē)寥朗艿搅瞬煌潭鹊闹亟饘倮鄯e性污染[15].
土壤動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)以及多樣性的變化可作為土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)和土壤污染監(jiān)測(cè)的指標(biāo)和依據(jù)[16].本研究結(jié)果表明，綜合污染指數(shù)越大（重金屬污染越嚴(yán)重），土壤動(dòng)物的類(lèi)群數(shù)和個(gè)體數(shù)總體越小。淮南市樣點(diǎn)土壤動(dòng)物優(yōu)勢(shì)種為隱翅類(lèi)、螨類(lèi)、膜翅類(lèi)3類(lèi)，占全部土壤動(dòng)物捕獲量的65.01%,而在孫賢斌等[4]的研究中，土壤動(dòng)物的優(yōu)勢(shì)種為彈尾類(lèi)、螨類(lèi)、線蟲(chóng)類(lèi)3類(lèi)，占全部土壤動(dòng)物捕獲量的74%.
產(chǎn)生這種差異的原因可能與重金屬污染元素種類(lèi)及污染程度、污染時(shí)間以及化學(xué)農(nóng)藥肥料的使用等因素有關(guān)[17].樣地土壤動(dòng)物群落的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Pielou均勻性指數(shù)的變化趨勢(shì)總體上與土壤重金屬綜合污染指數(shù)相反；土壤動(dòng)物群落的Simpson優(yōu)勢(shì)性指數(shù)的變化趨勢(shì)總體上與土壤重金屬綜合污染指數(shù)一致。這可能是因?yàn)殡S著土壤重金屬污染程度的增加，動(dòng)物的生存環(huán)境遭到嚴(yán)重的破壞，導(dǎo)致土壤中絕大部分動(dòng)物死亡，少部分耐受重金屬的種類(lèi)存活下來(lái)，形成新的優(yōu)勢(shì)種群，致使土壤動(dòng)物的總數(shù)、種類(lèi)數(shù)和每種個(gè)體數(shù)均減少，因此多樣性指數(shù)與均勻性指數(shù)會(huì)降低，優(yōu)勢(shì)性指數(shù)會(huì)增加[18-19].總體上，土壤動(dòng)物群落的多樣性指數(shù)變化趨勢(shì)與均勻度指數(shù)變化趨勢(shì)相似，與優(yōu)勢(shì)度指數(shù)變化趨勢(shì)相反，這與前人[20]研究結(jié)果類(lèi)似。
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