我国土壤动物污染生态学研究进展*

邬天媛，史玉菲，张雪萍

(哈尔滨师范大学)

我国土壤动物污染生态学研究进展*

邬天媛，史玉菲，张雪萍＊＊

(哈尔滨师范大学)

污染生态学是研究在污染条件下生物与环境之间相互关系规律的科学，是环境生物学的分支.土壤动物作为相对稳定的环境因子，能较好的表征环境特征.同时，土壤动物作为土壤的重要形成因子对土壤恢复、发展、污染物降解均有作用.国内外近几十年的相关研究表明:造成土壤污染的原因主要有重金属、农药(包括杀虫剂、除草剂)、化肥等;对不同种群的研究主要集中在蚯蚓、螨类、弹尾目等;通过对污染土壤与非污染土壤的土壤动物比较发现，污染可导致群落组成、结构、种群特征及其生理生态发生明显改变.

土壤动物;污染生态学;研究进展

0 引言

随着工业化的发展，人类活动越来越强烈，工业三废的排放、粉尘和酸雨的侵蚀、化肥农药杀虫剂的大量施用等都会改变土壤的性质，从而对土壤动物的种类、数量、生活史、群落结构以及生理过程和生态功能等都会产生影响，进而导致土壤退化和环境变化.土壤动物是土壤生态系统中的重要组成部分，其数量大、种类多、移动范围小、对污染反应比较敏感，当植物未受到污染影响时，土壤动物的生存繁衍却受到了明显抑制，因此土壤动物污染生态学的研究，可作为土壤质量评价和土壤污染监测的重要生物指标［1－2］.近几年国内外的研究发现随着污染的加重，土壤动物群落结构、种类和数量都发生相应变化，不同的土壤动物对不同的污染物有其特定反应，因此可通过土壤动物进行土壤污染指示、健康评价，退化生态系统恢复与管理、污染物降解及土壤动物功能作用的发挥等提供理论和数据支持.

1 土壤动物重金属污染的研究

重金属污染物主要来自大气和污水，主要是Hg、Cd、Cr、Pb、Cu、Zn 和 As等，其在环境中较稳定，不易随水淋滤，不为土壤微生物所分解，可与土壤中的矿物结合而固定，经过累积对土壤生物产生毒害，并在食物链中富集，给人类带来很大的潜在危害［1］.近60 a来，环境中的污染物与生物有机体之间的相互作用规律与机理研究引起了国内外学者的广泛关注，无论是国内的污染生态学(Pollution Ecology)还是国外的环境保护生态学(Ecology for Environment Protection)，都把重金属作为环境中的一类优先污染物进行研究［3］.

国内很多学者都是从群落学的角度进行研究.王振中等［4］以主要工业区农田污染为研究对象，发现随着污染程度的增加，土壤动物的种类和数量明显减少;在非污染区，土壤动物的消长与有机质含量相关，可以把土壤动物丰度作为肥田沃土的重要标志，但在重金属污染区却主要为土壤污染程度所控制.王振中等［1］对工业“三废”大量排放工业区进行的重金属污染研究表明:污染区土壤动物优势类群的优势度随污染程度减轻而有规律的增加;对土壤动物的影响主要是类群数的减少或消失;土壤动物密度与重金属元素浓度呈明显负相关，而与有机质含量和pH均不密切;蚯蚓对重金属元素有较强的富集能力.邓继福等［5］对以冶金、化工生产为主的工业区内菜园中的土壤动物群落调查发现:土壤动物的种类和数量随污染程度的增加而减少，蚯蚓和蜘蛛对重金属元素有很强的富集能力，而蜈蚣相对较弱.王振中等［6］对重金属污染区的研究发现，土壤动物种类和数量随Cd浓度的增加而减少，某些巨蚓科种类对Cd富集高.李安萍［7］对工业区污染农田的调查表明:随着污染的加重，土壤动物的多样性指数和密度类群指数都有减少趋势，但均匀度指数变化不明显;表聚性减弱，甚至出现逆分布现象.近几年也有很多研究者进行室内实验.实验发现，随污染物浓度的升高土壤动物种类、个体数量、多样性指数、均匀性指数及其密度均降低［8－12］.蚯蚓是砷［13］、铅［14］污染的指示物种;蜱螨目(Acari)、弹尾目(Collembola)和膜翅目(Hymenoptera)可作为重金属污染土壤生态指标物种［12］;蜱螨目和弹尾目是反映土壤Pb污染程度的敏感指示类群［11］;白棘(跳)是As污染的典型指示生物［10］.Morgan 等［15］对废弃Pb/Zn 矿土壤中蚯蚓的重金属(Pb，Cd，Zn，Cu)富集量进行测定，发现表层种(Aporrectodea caliginosa，Allolobophora chlorotica)有最高的 Pb和Cd富集量，深穴居种(Lumbricus terrestris，A.caliginosa)则是 Zn富集量最高.Juliane Filser等［16］认为，不同的土壤动物种类对重金属的反应不同，如弹尾目中的棘跳属对铜污染敏感，白符跳属(Folsomia candida)可区分污染与未污染的微生态环境.Jerome Cortet等［17］研究重金属对土壤动物的毒性，发现腹足纲的涡虫类能在高浓度的污染环境中存活，但生长和繁殖受到阻滞作用，这种组织作用随重金属种类的不同而不同.Anna Rozen［18］研究了在三种不同森林土壤里蚯蚓对镉的反应，指出蚯蚓对镉的忍受能力具有继承性.M.A.Hussein 等［19］在埃及的四个不同区域调查了镉、铅、铜、锌在等足目体内的含量，发现春夏时，等足目体中的锌和铅含量明显上升，而镉和铜不显著;重金属的生物累积系数(BAF)在春夏会高一些，而生物浓缩系数(BCF)在夏秋高一些.韩国的Jino Son等［20］以弹尾目的Paronychiurus kimi为例，以镉、汞和铅作为污染物，证明其对汞最敏感，其次是镉，同时指出Paronychiurus kimi可作为土壤污染的指示动物.李晓勇等［21］通过逃避实验表明弹尾目 F.candida对重金属Cu具有较强的敏感性，可以用作土壤污染生态风险评估的早期预警工具.

从距离污染源远近方面王振忠等［2］和孙贤斌等［22］分别对湘江流域工业污染源、淮南煤矿和发电厂灰场污染地土壤动物群落进行研究，结果表明，在接近污染源和污染物质富集的地方，土壤动物的种类、数量、密度、群落多样性指数随着重金属污染程度的增加而递减;土壤表层的聚集性消失.

2 农药、化肥污染

农药污染主要有合成杀虫剂、除草剂等.农药通过不同途径进入土壤后，除一部分发挥其应有作用之外，另一部分因不易分解而在土壤中累积，造成土壤污染.虽然可被微生物降解［23］，但在残留期间仍会对土壤动物造成危害［24］.

2.1 杀虫剂

杀虫剂主要用于防治农业害虫和城市卫生害虫，使用历史长、用量大、品种多.主要有有机磷类(甲胺磷、辛硫磷、对硫磷、敌百虫、乐果等)，有机氮类(杀虫脒、杀虫双等)，拟除虫菊酯类(氰戊菊酯、溴氰菊酯、氯氟氰菊酯等)等，包括溴氰菊酯(敌杀死)、氯氰菊酯(兴棉宝)、戊氰菊酯(速灭杀丁)等.在近二十多年的研究中，研究者们发现随着杀虫剂污染的增加，土壤动物的种类(常见类群和稀有类群)和数量明显减少;在污染程度较为严重的土壤中，土壤动物的垂直变化较和缓，甚至有逆分布现象出现.

目前关于杀虫剂对土壤动物影响的研究以有机磷居多.邢协加等研究发现乐果毒性对土壤动物呼吸强度具有明显抑制作用，其呼吸代谢强度与农药处理浓度和染毒历时有关.王振中等［25］发现，土壤动物的种类和数量随着农药影响程度的增加而减少.随后的2002年王振中等［26］对3种有机磷农药对土壤动物的影响对比发现乐果＞敌敌畏＞杀虫双，以乐果农药的毒性影响最大，但农药的浓度是毒性影响最为显著的原因，蚯蚓是反映农药污染的敏感指示生物，弹尾目和蜱螨目是反映污染程度的敏感指示动物.李忠武等［27］发现随着甲胺磷浓度的增加，土壤动物多样性指数显著下降.李忠武等［28］的研究指出:土壤动物的种类和个体数随敌敌畏农药处理浓度的升高而递减，其中以蜱螨类中的甲螨亚目耐污能力较强，弹尾类对农药污染较敏感，染毒历时在短时间内对土壤动物影响不大，蚯蚓可作为指示生物.王振中等［29］进行了森林和农田环境的对比，表明农药污染对土壤动物的数量影响主要是优势类群的数量消长，而对种类的影响则主要是稀有类群和常见类群的减少或消失.王一华等［30］通过硫磷农药对未污染土壤长达半年的染毒模拟实验，发现螨类是土壤动物的优势类群，对农药较敏感;随着农药浓度的增加，螨类数量逐渐减少，其中巴西甲螨(Brasilobates spinosus Fujita)、三皱甲螨(Rhysotritia ardua)可作为辛硫磷农药污染的指示生物.

拟除虫菊酯类方面的研究较少.袁红霞等［31］通过模拟实验发现:随着氯氟氰菊酯处理浓度的提高，土壤动物的种类和数量显著减少;甲螨可作为监测土壤污染的敏感指示生物.

在国外，从70年代起就开始研究农药对土壤动物的影响，近几年主要关注对蚯蚓影响的研究.Fred Heimbach［32］研究发现，农药对蚯蚓有很强的毒性，低剂量农药即可引起蚯蚓数量的减少.Tarrant K.A.等［33］研究表明大量施用农药的农田中，土壤动物多样性明显减少，并且90%以上的蚯蚓细胞超微结构有明显的病理性变化.Abdul等［34］的试验证明，农药污染对土壤动物的新陈代谢及卵的数目和孵化能力均有影响.Katherin M Slimak［35］报道了农药的过量施用对蚯蚓的繁殖、神经组织的功能产生毒害，并导致行为异常.Federico Caselli等［36］研究了蚯蚓的胆碱酯酶的特性，从而证明了胆碱酯酶是衡量杀虫剂毒性的重要的生物标志之一.S.A.Reinecke等［37］在南非西海角的果园进行机磷杀虫剂对蚯蚓的影响的研究，表明有机磷杀虫剂对蚯蚓的有害作用.

2.2 除草剂

除草剂是指可使杂草彻底地或选择地发生枯死的药剂.其中的氯酸钠、硼砂、砒酸盐、三氯醋酸对于任何种类的植物都有枯死的作用，但由于这些均具有残留影响，所以不能应用于田地中.选择性除草剂特别是硝基苯酚、氯苯酚、氨基甲酸的衍生物多数都有效.世界除草剂发展渐趋平稳，主要发展高效、低毒、广谱、低用量的品种，对环境污染小的一次性处理剂逐渐成为主流.

孔军苗等［38］乙草胺对中型土壤动物生物多样性的影响在短期内不如有些杀虫剂类如有机磷农药明显.郑荣泉等［39］邱咏梅等［40］分别研究了“克无踪”除草剂和百草清除草剂土壤动物的影响，发现随着浓度的增加，土壤动物的种类和数量显著减少，但上、下层动物随染毒历时递减规律有所不同.

许多除草剂对蚯蚓、蜘蛛、蜱螨、和线虫的生长发育、繁殖和存活具有显著直接杀伤作用，不同种类的除草剂的直接影响不同.除草剂Zeazin 50对蚯蚓的杀伤力比阿特拉津等其他4种除草剂小［41］.随乙草胺浓度升高，赤子爱胜蚓数量减少;卵的幼蚓量和纤维素酶的活性可以作为乙草胺对蚯蚓的毒性的衡量指标［42］.在田间使用剂量下，磺乐灵(Nitralin)可引起高达57.89%的弹尾虫死亡［43］.施用“盖草能”除草剂ld后土壤动物个体数急剧减少，但10d后数量稍微恢复，而类群数在施药1 d后和10 d后连续减少，且表聚性减弱;线虫类对盖草能污染的恢复能力较弹尾类强［44］.用溴甲醇熏蒸土壤可以几乎灭绝土壤中的线虫，经过166d后土壤中的线虫数量仍极低［45］.草甘膦(Glyphosate)对田边杂草地蜘蛛群落的间接影响更甚于直接影响［46～48］.西玛津等一些除草剂施用后，豌豆和羽扇豆田土壤中的象鼻虫明显增加，其他昆虫种类和数量减少［49］.磺乐灵等除草剂严重地杀伤了弹尾虫，改变了土壤动物群落结构(使昆虫和蚯蚓在群落中的比例下降，蜱螨、马陆和么蚰的比例上升［50］.

杀伤作用的大小还与生物种类及其发育阶段有关.草胺磷(Glufosianate)在540mg/L浓度下对天敌昆虫(Chrysopa pallens)的幼虫和蛹没有毒，对异色瓢虫(Harmonia a xyridis)的卵和成虫也无直接杀伤作用，但可引起一龄、四龄幼虫及蛹较高的死亡率，分别为100%和24.5%［51］.

除草剂可使农田中的杂草减少，但大面积使用除草剂也是害虫猖獗的原因之一.早在1967年，Leius就发现，在安大略地区的一些果园进行化学除草后，果园中的杂草生物量大大减少，一些冷蛾(codling moth)幼虫和天幕毛虫(tent caterpillar)的寄生蜂数量减少(致使这两种害虫大量增加)［52］.烟田化学除草后，捕食类节肢动物的相对丰盛度减少，特别是皿蛛科(Linyphiidae)与烟田植物多样性减少和植被覆盖度下降有关［53］.二硝基－邻－甲酚(DNOC)等几种除草剂既能杀死害螨，也能杀死捕食螨，结果导致害螨种群因失去天敌的抑制而快速增加［54］.油菜田过早使用草甘膦、百草枯(Paraquat)等除草剂防除杂草，会引起桃蚜(Myzus persicae)数量的增加，这是由于过早除去杂草，使得以杂草为食的圆尾蚜(Brachycaudus helichrysi)无法生存，从而延迟了菜田天敌群落的重建［55］.程遐年和吴进才等认为，丁草胺和苯达松(Bentazon)等一些常用稻田除草剂会降低水稻对褐飞虱(Nilaparvata lufens)的抗性，且对天敌及其替代猎物具有显著的杀伤作用，促进飞虱取食、存活和增殖，这是褐飞虱再猖獗的重要原因之一［56］.

2.3 化肥

化肥具有正效应和负效应.合理施肥可以提高农产品品质、提高粮食产量、改良土壤.但过量施用化肥会产生严重的负效应，污染水体、加速全球气温升高、臭氧层破坏、降低土壤质量、污染空气、形成光化学烟雾和酸雨等［57］.

长期单施有机肥及其配施无机化肥，能显著增加土壤细菌、真菌和放线菌的数量，明显提高土壤动物蜱螨类、弹尾类、线虫类的数量;弹尾类、线虫类与土壤有机质、有效磷、碱解氮呈极显著正相关;蜱螨类与土壤有机磷、速效钾呈极显著正相关;与土壤碱解氮呈显著正相关;土壤动物的数量，冬小麦高于夏玉米，蜱螨类＞弹尾类＞线虫类;不同施肥处理均高于不施肥对照，尤其是单施有机肥以及有机肥与无机氮肥配施的处理，结果明显高于对照［58］.施用化肥使土壤动物的种类、数量明显减少，多样性指数下降，表聚性消失;大量施用单种氮肥会明显抑制或杀死土滚动物，造成土壤的理化特性下降;而施用有机肥能培养土壤动物，并通过这些动物改善土壤的结构和理化性质，使农作物增产［59］.大型土壤昆虫个体数和类群数在撂荒(不施肥、不耕作、不种植)中分布最多，中小型土壤昆虫则分别在撂荒和轮作(玉米、大豆2∶1轮作)中分布最多;不同处理对土壤动物组成丰富度产生不同影响;不同施肥对土壤生态系统内部环境，进而对土壤动物群落产生影响;轮作对土壤昆虫优势类群具有负作用，而M2NPK(施氮磷钾化肥+有机肥处理(有机N和化肥N的比例为1∶1))则具正作用;各种施肥对农田土壤昆虫个体数影响最大，对中小型土壤昆虫均匀性影响最小［60］.施用EM(Effective Microorganism)堆肥土壤蚯蚓数量显著高于其他施肥处理;EM堆肥各处理平均土壤螨虫数量高，但在相同的有机物料投入水平下，差异不显著;在大部分作物生长期施EM 15t/hm2处理与化肥处理和对照处理土壤生物总量差异显著［61］.农田施用有机肥能使土壤动物的数量增加，群落结构复杂;大量施用化肥则抑制土壤动物或致死［62］.传统施用有机肥、不喷洒农药和化肥的耕作方式更加有利于土壤动物的生长繁殖.农药和化肥比土壤肥力对土壤动物的影响大［63］.

3 展望

随着重金属污染的加重，群落结构呈现简单化和不稳定化，土壤动物的种类和数量逐渐减少，优势类群和常见类群也明显改变.但重金属污染的治理特别是重金属污染土壤的治理是一个世界性难题，虽然很多方法如物理法、化学法和生物法相继问世，但每种方法都有各自的优缺点.如现在普遍推崇的植物修复方法，因其费用低廉、不会破坏甚至会改善土壤理化性质以及具有较高的美学价值等优点而倍受青睐，但由于超量积累重金属植物往往生物量低、生长缓慢、修复时间较长等缺陷以及重金属复合污染的制约，也就决定论了该类植物实际应用的局限性.因此，利用土壤动物进行土壤重金属治理能是我们探讨的新问题.

农药是目前主要的化学性环境污染物，对自然和农田生态系统的结构和功能都有影响.尽管有机磷农药具有残留低，降解快等特点，但在生物内吸率高，毒性效应十分明显.目前，国内外主要集中在研究农药污染对土壤动物种群结构及其生物多样性等方面，而对农药污染对土壤动物的行为响应及其功能变化方面的影响相对较少，因此，有待进一步开展深入的机理性研究.

除此之外，N沉降对土壤动物的影响主要是酸雨，几十年来.大气氮化合物的沉降量已明显增加，欧洲和北美的情况最为严重，我国酸雨中N的比重也持续增加，而且在一些区域已出现很高的氮沉降量［64］;大气CO2浓度升高对不同种类土壤动物的多样性、群落结构具有不同影响［65］;多环芳烃对生物体所产生的遗传毒性在食物链中积累放大，具有潜在的危害性，且多为与重金属的复合污染，土壤PAHs污染修复等问题也引起许多学者的关注［66］.

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Research Advance in Pollution Ecology of Soil Fauna in China

Wu Tianyuan，Shi Yufei，Zhang Xueping
(Harbin Normal University)

Pollution Ecology is the science studying the law of the relationship between organism and environment in polluted conditions，and is the branch of environmental biology.As a relatively stable environmental factors，soil fauna can characterize environmental features better.Meanwhile，as an important factors of soil formation，soil fauna plays an important role in soil restoration，development，degradation of pollutants.The research showed at home and abroad in recent decades that:the main reasons of the caused soil pollution were heavy metals，pesticides(including insecticides，herbicides)，fertilizers，etc.;the studies on different populations focused on earthworms，Mites，and Collembola etc.;and found by comparing soil fauna between contaminated soil and non－contaminated soil that pollution can lead to significant change in community composition，structure，population characteristics，physiology and ecology.

Soil fauna;Pollution ecology;Research advance

2011－01－30

*黑龙江省自然科学基金项目(G200812);教育部博士点基金项目(200802310001)

＊＊通讯作者:E－mail:hellozxp@163.com

(责任编辑:季春阳)