矿区不同复垦模式下大型土壤动物功能类群及其分布研究——以山西省平朔矿区为例

王 军，李红涛，2，白中科，2，赵中秋，2，钟莉娜，2

（1.国土资源部土地整治中心土地整治重点实验室，北京 100035；2.中国地质大学（北京）土地科学技术学院，北京 100083）

1 引言

中国矿产资源的开采带来了土壤质量下降、生物多样性减少、生态系统退化等一系列生态环境问题[1-2]。矿区的土地复垦受到各级政府的普遍关注和重视[3-4]。矿区土地复垦主要包括土壤重构、地貌重塑、植被重建、景观再造、生物多样性重现和生态功能维持等方面[5-8]，目前对土壤重构、地貌重塑、植被重建、景观再造方面的研究相对较多且取得了重要进展与成效，但在生物多样性重现和生态功能维持等方面的研究依然薄弱[9]。大型土壤动物是矿区生物多样性的重要成员，对维持矿区土壤生态系统正常结构和功能具有重要作用。大型土壤动物是指土壤中无需放大即能看到的动物，一般指体长0.2 cm以上但较蚯蚓小的土壤动物[10-11]。大型土壤动物的分泌、排泄、生物扰动和挖掘作用不仅能够影响土壤结构和理化性质，还能影响到微生物和植物等其他生物的生存状态，进而影响土壤生态系统的功能[12-13]。目前对大型土壤动物的研究主要集中在不同土地利用方式下大型土壤动物的群落组成和数量变化[14-15]，对放牧和刈割、田间耕作、公路建设等一系列人类活动影响下大型土壤动物的动态变化也是当前研究的主要内容之一[16-18]，但目前的研究鲜少涉及土地复垦对大型土壤动物类群及分布的影响。在复垦矿区对比分析不同复垦模式下大型土壤动物的功能类群、空间分布与原地貌之间的差异，对研究黄土丘陵区矿区复垦模式中植物类型的选择及其空间配置，揭示土地复垦后矿区生物多样性和生态系统结构与功能维持具有指导意义。

本文以平朔矿区为例，对不同复垦模式下的大型土壤动物功能类群进行研究，分析矿区恢复生态系统土壤动物的功能类群特征，将为中国矿区土地复垦后的生态系统恢复与重建提供土壤动物学依据。

2 研究区概况

平朔矿区位于112°11′E—113°30′E、39°23′N—39°37′N之间，地处黄土高原晋陕蒙接壤的黑三角地带，区内黄土广布、植被稀少、水土流失严重，生态系统较为脆弱。该地区属典型的温带半干旱大陆性季风气候区，平均气温为 4.8—7.8 ℃，年降水量在 195.6—757.4 mm之间，年蒸发量在1786.7—2598 mm之间，矿区地带性土壤为栗钙土与柴褐土，地带性植被属干草原。矿区内南排土场自1992年开始复垦，目前基本达到裸地全覆盖。复垦区以油松、刺槐、榆树、沙棘、柠条等耐旱性植物为主，形成了木—草本相结合、乔—灌—草多层次的复垦模式，矿区的生物多样性和生态系统均有明显改善。

3 研究方法

3.1 样地选择

根据研究区域的主要复垦植被类型，选择复垦植被不同的4个排土场平台和边坡（表1），复垦时间均为1993年，1个原地貌作为对照。土地复垦既是土壤生境恢复也是植物种类演替的过程。复垦区域原地貌乔木植被类型为小叶杨纯林，但调研发现平朔地区的气候类型为干草原气候，杨树在当地较难成材。矿区原来的植被被破坏后其气温、降水等因素的改变会引起局部小气候变化。因此，在土地复垦初期，应首先种植刺槐等耐旱耐瘠薄的速生植物，随着土壤理化性质的改善、土壤动物的增多，土壤生境逐步恢复、局部小气候逐渐改善，当地的小叶杨等优势物种才会开始生长。另外，刺槐是固氮树种，复垦初期可以有效提高土壤养分，促进土壤发育；油松对复垦土壤微生物的存活有显著促进作用；短期内，刺槐和油松等树种对土壤性质的改良效果要明显优于小叶杨树。因此，在复垦初期选择了以刺槐为主要建群种与油松等其他植物混交的植被恢复模式。

表1 土壤动物调查样地情况Tab.1 Investigation plots of soil macro-faunas

3.2 采样方法及分离鉴定

2015年8月对安太堡露天矿南排土场复垦地的5个样地进行野外数据采集，每种生境各选择3个20 m×20 m典型样地，在每一个样地上做4个重复样方，样方面积大小为30 cm×30 cm，每个样方采集0—5 cm和5—10 cm两层土样，大型土壤动物主要以手捡法采集，将土壤动物捡出后，放入70%酒精固定容器中，带回室内分类鉴定，鉴定到科。收集的土壤动物因昆虫成虫和幼虫的生态位不同，因此将成虫和幼虫分开统计数量[20]。

3.3 数据处理分析

依据有关文献将收集到的土壤动物依据其食性特征划分为杂食性、植食性、捕食性和腐食性4个功能类群[21]。土壤动物群落多样性分析计算公式如下[22-23]：

（1）Shannon-wiener多样性指数（H）：

式（1）中，H为Shanon’s多样性指数，Pi=Ni/N，N为所有种的个体数，Ni为第i种的个体数，S为群落中的类群数。（2）Pielou均匀性指数（E）：

式（2）中，H为Shanon’s多样性指数，S为群落中的类群数。

（3）Simpson优势度指数（C）：

式（3）中，N为所有类群个体数，ni为第i个类群的个体数。

（4）Margalef丰富度指数（D）：

式（4）中，S为类群数，N为所有类群个体数。

（5）Jaccard相似性（q）：

式（5）中，a、b分别代表群落A、B的类群数，c代表两群落的共有类群数。

本文主要采用Excel和 SPSS软件进行数据统计与处理。

4 结果与分析

4.1 大型土壤动物功能类群组成

5个样地共捕获大型土壤动物243只，隶属于2门4纲10目29类。其中土壤动物个体数所占比例为：杂食性（33.74%）＞植食性（32.10%）＞捕食性（31.69%）＞腐食性（2.74%），类群上：植食性（12）＞捕食性（11）＞杂食性（4）＞腐食性（2）。杂食性土壤动物个体数量最多，植食性土壤动物的类群数最多。

4.2 大型土壤动物功能类群结构

4.2.1 水平方向分布特征 植食性土壤动物个体数量最多的为样地Ⅲ（刺槐与针叶树）、类群数最多的样地 Ⅳ（刺槐与灌木混交林），个体数量上植食性土壤动物在样地Ⅲ都比其他样地丰富，主要原因是样地Ⅲ中尽管植食性类群数少，但在此样地发现大量的植食性柄眼目，柄眼目在样地Ⅳ和样地Ⅰ出现过、但数量很少。分析发现样地Ⅲ是唯一边坡样地，边坡地表层形成0—3.5 cm的落叶层，为表层土壤动物提供了丰富的食物和稳定的环境。因此柄眼目作为特有类群反映出样地Ⅲ环境的特殊性，对生态系统中土壤有机质具有指示作用。样地Ⅳ、样地Ⅰ植食性类群数较多，主要是因为其复垦模式为乔灌混交林，在类群丰富度上大于灌木纯林（样地Ⅱ），也大于原地貌小叶杨纯林（样地Ⅴ）。总体来看，复垦地貌中的动物类群较原地貌更为丰富，相对来说其群落结构更为复杂和稳定。从植食性土壤动物类群丰富度来看，混交林＞纯林＞原地貌小叶杨纯林。捕食性土壤动物在5个样地中除了样地Ⅱ刺槐纯林外，其他个体数、类群数都相对比较平均。这主要是因为捕食性动物活动范围较大、活动力较强，具有较大的流动性。对杂食性土壤动物在5个样地的占比情况进行对比发现，依次为样地Ⅳ乔灌混交林、样地Ⅰ阔叶混交林、样地Ⅱ刺槐纯林和样地Ⅲ针阔混交林，占比最高的为原地貌（47.56%）。腐食性土壤动物个体数占整个研究样地的2.47%，腐食性动物主要以有机物的碎屑为食，对矿区环境稳定程度具有显著的指示作用。而平朔矿区土壤结构差，有机质含量低，经测定发现一般在5.0—9.0 g/kg之间，且地处干旱、半干旱的黄土区，降水稀少，淋溶较弱，矿区的土壤中性偏碱，造成腐食土壤动物食物来源少，生活环境恶劣，这是导致腐食性土壤动物少的主要原因。腐食性动物在样地Ⅰ（刺槐与阔叶树）中的数量较多，这说明刺槐—臭椿—榆树混交林这种复垦模式更有利于复垦后矿区环境的稳定。

表2 大型土壤动物不同功能类群的个体数量与类群数垂直分布Tab.2 Vertical distribution of individual and group number of soil macro-fauna communities

4.2.2 垂直方向分布特征 5个样地土壤动物各功能类群个体数量与类群数的垂直分布情况见表2。从表中可以发现在个体数量与类群数除杂食性土壤动物外，其他类群都表现出明显的表聚现象。在5个样地中植食性土壤动物在样地Ⅴ（原地貌小叶杨纯林）中表聚现象不显著；捕食性土壤动物个体数在各样地都具有表聚现象、类群数除了样地Ⅴ外其他样地表聚性都较明显；杂食性土壤动物个体数上在样地Ⅱ（刺槐纯林）表聚性显著，其他类群的垂直分布并没有显著的特点。总体来看，原地貌（样地Ⅴ）中土壤动物的表聚性不明显，说明其在0—5 cm土壤表层的营养物质聚集情况较其他复垦地貌差，但其在5—10 cm土层中的营养物质含量高于其他复垦地貌。因此，复垦地貌在5—10 cm土层中的营养物质含量还未达到复垦前标准，应采取相应措施对其进行优化提升。相关分析表明，0—5 cm土层，杂食性土壤动物个体数与其他类群均呈负相关，但相关性未达到显著水平，植食性和捕食性呈正相关，相关性也不明显；5—10 cm土层，没有腐蚀性类群，其他类群之间呈正相关，但相关性不显著；类群数上0—5 cm土层杂食性和植食性显著正相关（P＜0.05），其他类群间相关性不显著，5—10 cm土层类群数很少。

4.3 土壤动物多样性特征

物种多样性是群落生物组成结构的重要指标，反映了群落内物种的多少和生态系统食物网的复杂程度。排土场不同复垦模式各功能类群大型土壤动物的多样性（图1），各种多样性指数的变化对不同复垦模式各功能类群土壤动物的多样性影响程度有所不同。植食性土壤动物Margalef丰富度指数（P＜0.05）、Shannon-Wiener多样性指数（P＜0.05）、Pielou均匀度指数（P＜0.05），在不同复垦模式下差异显著；捕食性土壤动物Shannon-Wiener多样性指数（P＜0.05）和Margalef丰富度指数（P＜0.01）在不同复垦模式下产生显著变化；腐食性土壤动物由于只有两个类群对不同复垦模式下腐食性土壤动物的差异性难以做定量描述；杂食性土壤动物Margalef丰富度指数（P＜0.01）、Shannon-Wiener多样性指数（P＜0.01）、Pielou均匀度指数（P＜0.01）和Simpson优势度指数（P＜0.01）在不同植被下均有显著差异变化。通过对不同食性土壤动物的多样性指标分析可知，样地Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ的丰富度指数、多样性指数和均匀度指数均高于原地貌样地Ⅴ，说明除乔木纯林（样地Ⅱ）外，其他复垦植被的动物群落复杂程度均高于原地貌样地，生态系统稳定性也更高。

4.4 土壤动物相似性特征

图1 不同复垦模式丰富度指数、多样性指数、优势度指数和均匀度指数（平均值±标准误）Fig.1 Margalef index, shannon-wiener index, simpson index and pielou index of different reclamation modes

根据Jaccard指数计算了各功能类群土壤动物相似性指数（表3），植食性土壤动物在不同复垦模式下相似性指数都为极不相似或中等不相似，仅是样地Ⅰ（刺槐与阔叶树）样地Ⅳ（刺槐×柠条×沙棘）之间相似性接近是中等相似。捕食性土壤动物样地Ⅰ（刺槐与阔叶树）和样地Ⅲ（刺槐与针叶树）群落相似性指数为0.63，达到了中等相似的水平，而其他样地之间都表现为极不相似与中等不相似。杂食性土壤动物总体上在不同复垦模式下相似性系数高于其他功能类群的土壤动物，样地Ⅰ（刺槐与阔叶树）样地Ⅳ（刺槐×柠条×沙棘）两个乔灌混交林之间相似性指数达到了极相似水平，相似性指数最低的是样地Ⅳ（刺槐×柠条×沙棘）和样地Ⅴ（原地貌小叶杨）为极不相似。相对于其他功能类群土壤动物，腐食性土壤动物在5各样地中共有两个类群，各复垦模式下相似性指数比较低，具有很高的异质性。除了样地Ⅰ（刺槐与阔叶树）和样地Ⅲ（刺槐与针叶树）群落相似性指数为1，达到了完全相似，而其他群落之间相似性指数均是0.00，为极不相似。4种功能类群土壤动物在不同复垦模式下的相似性差异显著。不同生境之间土壤动物群落相似性整体较低，说明复垦模式的选择对土壤大型动物群落的形成具有至关重要的意义。另外原地貌与刺槐纯林的相似性指数高于混交林的复垦模式，且其土壤动物多样性均低于其他复垦类型，这可能是因为二者均为单一的纯林植被，表明单一植被类型的复垦效果相对较差。

表3 不同复垦模式下不同功能类群大型土壤动物群落相似性指数Tab.3 Comparison of similarity index of soil macrofauna communities under different reclamation modes

5 结论与讨论

（1）平朔矿区排土场杂食性土壤动物个体数所占比例最大，为33.74%；植食性土壤动物的类群群数最多，有12种；腐食性土壤动物个体数所占比例最小，为2.47%，同时类群也最少仅有2种。

（2）对各食性土壤动物在群落中的水平分布研究发现，捕食性土壤动物在各样地所占比例较为平均、杂食性土壤动物在原地貌、复垦模式类型单一的样地所占比例高，植食性在边坡样地复垦模式中占比较高；从土壤动物的垂直分布特征来看，原地貌（样地Ⅴ）中土壤动物的表聚性不明显，说明其土壤表层的营养物质聚集情况较其他复垦地貌差，但其在5—10 cm土层中的营养物质含量高于其他复垦地貌。

（3） 4种功能类群土壤动物在不同复垦模式下的相似性差异显著，不同生境之间土壤动物群落相似性整体较低，说明复垦模式的选择对土壤大型动物群落的形成具有至关重要的意义；原地貌与纯林的相似性指数除植食性外其他都高于混交林的复垦模式，单一植被类型的复垦效果相对较差。

综合分析土壤动物的个体数、类群数、表聚性及其多样性、相似性等结构特征发现，林灌混交林复垦模式中的土壤大型动物在数量和结构上优于其他复垦模式和原地貌，其次为刺槐与针叶林、刺槐与阔叶林复垦模式，刺槐纯林的复垦模式在土壤动物方面表现较差。

矿区土壤动物数量众多、种类繁杂，以功能群为单位研究矿区不同复垦模式下土壤动物多样性与生态过程的关系可以将庞大的土壤动物群体简化，避免分类学所面临的困难。本文基于一次野外调查采样分析一个时间断面内不同复垦模式下大型土壤动物的分布特征，并未考虑土壤动物随季节发生的分布变化。未来的研究将对平朔矿区的土壤动物进行长期定点监测，研究不同复垦样地大型土壤动物和矿区环境特征的季节变化，以便从中发现稳定的规律性特征。

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