重金属铅对土壤动物群落的影响

周焕新

（太原科技大学环境与安全学院，山西太原030024）

土壤重金属污染是土壤污染中最严重的问题。我国重金属的污染源主要来自矿山冶炼、污水灌溉、污泥施肥和未经处理的污水直接流入地表径流形成的渗透等[1]。由于重金属污染具有累积性、不可逆性、长期性、吸附性等，这一领域一直是国内外环境科学和生态学等研究的热点[2-3]。在土壤生态系统中，土壤动物和微生物一直是改善土壤质量的主力军，尤其是土壤动物对改善土壤结构和土壤质地类型有着不可估量的功绩。土壤动物虽然数量大、种类多，但其活动范围小、对重金属污染敏感等制约着其对土壤质地的改造。国外已有一些关于土壤动物作为土壤生态指标方面的报道，而我国主要研究的是污染区内重金属离子对作物的影响，很少见对单一污染物的研究。

本研究以盆栽试验，采取不同铅浓度对土壤动物群落结构及其生态指标进行干预，以分离土壤动物个体在不同铅浓度下的土壤动物群落的数量并加以分析。

1 材料和方法

1.1 试验设计

试验土壤取自太原市杏花岭区国营苗圃地10 cm处表土层，土壤动物丰富，土壤pH为7.54，有机质含量1.35%。土壤颗粒结构组成：中粒8.55%，粉粒82.46%，黏粒8.99%。土壤为壤土，质地肥沃，腐殖质含量高，有利于试验统计。土壤采集后，捏碎过5 mm筛，除去石块和植物残体等杂质，混合均匀备用。称取30 kg新鲜土样进行处理：对照（不加硫酸铅溶液），设污染指数为 Pi＜1，Pi=2，Pi=5，Pi=9，Pi=13 的加硫酸铅溶液的5个铅处理。污染指数计算公式为：

式中，Pi为单项污染指数，Ci为实测污染元素值与环境背景值之差；X为环境背景值的平均值；S为标准离差，Xa为环境背景值的平均值加双倍标准离差。山西省铅污染的环境背景值为14.7 mg/kg。

土样处理完后，分装在30 mm×50 mm的营养钵中，播植三叶草，并定时浇蒸馏水，保持营养钵中三叶草生长量基本相同。

1.2 土壤动物分离提取

用6联铝制土壤动物分离漏斗将土壤动物从样品中分离出来。将土壤从营养钵中取出后，立即带回实验室，装入孔径为2 mm的烘虫筛中，下接装有75%乙醇溶液的烧杯，根据温度梯度，再在烘虫箱中烘驱48 h后进行收集，使土壤中动物全部分离到乙醇烧杯中，在实验室用奥林巴斯解剖镜进行分类整理[5]。

1.3 土壤重金属铅含量的测定

每次取土壤动物样品时，同时取土壤农化分析样品，经干燥箱风干，研磨后过0.149 mm尼龙筛。然后分别称取土样5.00 g置于6个100 mL的塑料杯中，加蒸馏水50 mL，恒温（25℃）振荡2h，在恒温培养箱静置24h后取出，以4500 r/min离心15 min。用石墨炉原子吸收法（GF-AAS）测定各溶液中铅的浓度C1[6-7]。

土壤中铅的吸附量计算：S=W（C0-C1）/m

式中，S为土壤对重金属离子的吸附量（mg/kg）；C0为加入土壤中铅的平衡浓度（mg/L）；C1为土壤溶液中铅的平衡浓度（mg/L）；W为加入土壤中溶液的质量（g）；m为供试土样的干土质量（g）[8]。

2 结果与分析

2.1 土壤中不同处理重金属铅的污染水平

取样风干后处理，分别测定土壤有效铅浓度（表1）。根据污染指数划分：Pi＜1.0为未污染，1.0～2.5为轻污染，2.5～5.0为中度污染，5.0～7.5为偏重污染，7.5～10为重污染，大于10为严重污染[9-10]。结合表1可知，对照未污染，处理1为轻污染，处理2为中污染，处理3为偏重污染，处理4为重污染，处理5为严重污染。

表1 各处理中铅含量和污染指数

2.2 不同浓度铅污染对土壤动物群落的影响

6个处理取样共获取土壤动物1 790只，共11类。其中，对照含10类，处理1含7类，处理2含5类，处理3含8类，处理4含4类，处理5含4类（表2）。

表2 不同铅浓度对土壤动物群落的影响

由表2统计可知，随着污染处理浓度的加 大，各处理所测得的土壤动物数量减少，种类数减少趋势加强，处理5只有蜱螨目（Acari）、弹尾目（Collembola）和膜翅目（Hymenoptera）生存，线虫少量。由此说明，蜱螨目（Acari）、弹尾目（Collembola）和膜翅目（Hymenoptera）在处于高铅浓度下部分仍能存活，线虫在高浓度铅污染环境中也可能部分成活（因试验设计环境下线虫分离较少，所以不能直接判断高浓度铅污染下线虫的存活情况）。从表2还可以看出，随处理浓度的加大，土壤动物死亡加剧，由此可判断土壤动物处于严重中毒状态下不能生存。蜱螨目（Acari）、弹尾目（Collembola）和膜翅目（Hymenoptera）是优势种，它们分别占捕获量的47.21%，11.79%和35.36%。同翅目（Homoptera）和线虫（Nematoda）是常见种，分别占捕获量的3.02%和1.01%。线蚓（Enchytraeidae）、鞘翅目（Coleoptera）、鳞翅目（Lepidoptera）、隐翅甲科（Staphylinidae）、蚯蚓（Spider）、蜘蛛（Spider）是稀有种[11]。

2.3 不同浓度铅污染对土壤动物生态指标的影响

在衡量土壤生态学指标过程中，种类的丰富度、个体的数量、均匀度指数、多样性指数4个群落参数是人们常用的生物评价指标[12-14]。其中，种类的丰富度是用所得土壤动物种类数量表示；个体数是用每平方米土壤动物的个数表示；多样性指数用求得；均匀度指数采用Pielou均匀度指数公式J=H/1nS计算。其中，Hi是物种i在所有S种的比例，H为多样性指数，S为种类数。

从表2还可以看出，土壤动物的数量受铅浓度的影响很大，随着铅浓度的加大，土壤动物的死亡率增加，同时土壤动物的个体数降低。灭亡的种类主要是土壤动物的稀有种和部分优势种，即这些灭亡种对重金属铅非常敏感。群落指标与铅浓度相关性分析（表3）表明，种类数、均匀度指数都与铅浓度的指标呈显著负相关，说明重金属污染领域能够运用群落指标来进行测定，同时也为其他重金属污染的测定奠定了相应的基础。

表3 生物评价指标与铅浓度的相关性分析

2.4 不同浓度铅污染对弹尾目昆虫的影响

国外许多报道认为，弹尾目昆虫是土壤污染评价的良好指示生物，本试验也从土壤样本中分离出弹尾目8个属。其中，线等跳属（Isotomurus）、棘跳属（Onychiuridae）、长跳属（Entomobrya）分别占捕获量的42.18%，29.86%，21.80%。圆跳属（Sminthuridae）、鳞长跳属（Lepidocyrtus）为常见属，分别占捕获量的2.36%和1.90%。土跳属（Tullbergia）、德跳属（Desoria）和针圆跳属（Sphyrotheca）为稀有属，分别占捕获量的0.95%，0.47%和0.47%（表4）。

综合表4得出，线等跳属（Isotomurus）和棘跳属（Onychiuridae）对铅的污染反应敏感，长跳属（Entomobrya）对铅的污染反应迟钝[11]。

表4 弹尾目（Collembola）跳虫种类及数量

3 结论与讨论

本试验结果表明，土壤动物以蜱螨目（Acari）、膜翅目（Hymenoptera）和弹尾目（Collembola）为优势种群[11]，分别占捕获量的47.21%，35.36%和11.79%。随铅浓度的增加，土壤动物的数量急剧减少（种类减少是造成个体减少的前提）。土壤动物种类数与重金属污染指数之间呈显著负相关，种类均匀度指数、多样性指数与污染指数之间呈显著负相关，因此，多样性指数、种类数、均匀度指数和个体数可作为衡量土壤铅中毒的生态学指标。

对弹尾目研究来看，线等跳属（Isotomurus）和长跳属（Entomobrya）对铅污染极敏感，而棘跳属（Onychiuridae）对铅污染迟钝，因此，线等跳属（Isotomurus）和长跳属（Entomobrya）可以作为铅污染的指示性生物[11]。

本试验周期短，可能会造成弹尾目中个别属未来得及适应铅浓度而立即死亡，也可能是个别属能够很快地适应高铅浓度下的生境；弹尾目中个别属可能对铅污染不敏感。这2种情况有待于在以后的试验中深入研究。

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