（生态学专业论文）重金属对星豹蛛生长发育和繁殖的影响.pdf

摘要 在当今各种污染中，重金属污染是人类所面临的全球性问题，对生物多样性和人类 健康构成了严重威胁。重金属污染源主要有交通、污灌、固体废弃物、农药和肥料的施 用以及大气沉降等。环境中的重金属可通过动物的呼吸、表皮和摄食等途径进入体内。 进入动物体内的过量重金属不仅能引起细胞超微结构的变化和遗传物质的改变，还可诱 导细胞凋亡并影响细胞的活力和增殖，影响动物的生长发育。对于那些小剂量长期作用 产生的慢性毒性效应，用理化方法很难进行测定，而其中一部分重金属残留物被动物吸 收和富集后，可以通过动物在环境中的分布、动物的生长和发育状况以及生理生化指标 的变化来研究环境污染状况，对污染物的毒性进行监测。 本文以星豹蛛p a r d o s aa s t r i g e r a 为研究对象，探讨了重金属污染对蜘蛛生长发育和 繁殖的影响，为蜘蛛的保护利用以及利用蜘蛛监测土壤重金属污染提供理论指导。本文 的主要研究内容和结果如下： 1 、采样点土壤及星豹蛛体内重金属含量的测定：我们选择重金属污染程度不同的5 个采样点，采用电感耦合等离子体质谱法( i c p m s ) 测定了土壤、雄性星豹蛛和雌性 星豹蛛体内的z n ，c u ，c d 和p b 的含量，分析了其差异和相关性。结果表明：土壤中 各重金属含量的最高点出现在m 1 ，说明m 1 点是污染最严重的点，随着与m 1 点距离 的增大，重金属的含量逐渐降低。同样，在污染最严重的m 1 点的雌性和雄性星豹蛛体 内重金属z n ，c u ，c d 和p b 的含量也最高。m 1 点蜘蛛体内重金属z n ，c u 和c d 的含 量是污染最小点m 5 的2 倍，m 1 点蜘蛛体内重金属p b 的含量是污染最小点m 5 的3 倍。 蜘蛛体内重金属含量与土壤中重金属含量程正相关系。 2 、不同采样点蜘蛛体内解毒酶谷胱甘肽s 转移酶活性的测定：对五个取样点雄性 和雌性星豹蛛体内谷胱甘肽s 转移酶的活性测定表明：在污染程度较小的m 4 和m 5 点， 雄性星豹蛛体内谷胱甘肽s 转移酶的活性显著地高于其他各采样点。雄性星豹蛛体内 g s t 的活性随着污染程度的加剧而降低。而雌性星豹蛛体内谷胱甘肽s 转移酶的活力以 m 2 采样点最高，m 2 ，m 5 雌性星豹蛛体内谷胱甘肽s 转移酶的活性显著地高于其他各 采样点。 3 、重金属对星豹蛛生长发育和繁殖力的影响：用水和重金属的盐溶液配置成一定 浓度充当饮用水饲喂蜘蛛，比较研究了重金属对星豹蛛的发育历期、成蛛体重和雌蛛繁 殖力影响，以研究重金属对蜘蛛的慢性毒害。研究结果显示：与用水作对照相比，用重 金属盐溶液z n c l 2 和p b c l 2 作为星豹蛛的饮水饲养蜘蛛时，星豹蛛幼蛛的发育历期延长。 低浓度重金属盐对星豹蛛成蛛的体重无影响，但在高浓度下，星豹蛛成蛛的体重显著下 降。虽然用重金属盐溶液饲养蜘蛛时，星豹蛛的繁殖力降低，但不同浓度重金属溶液喂 养的蜘蛛的繁殖力差异不显著。表明重金属对星豹蛛具有一定的慢性毒性。 关键词：星豹蛛；重金属；谷胱甘肽s 转移酶；发育历期；体重；繁殖力 e f f e c tof h e a v ym e t a lo nt h eg r o w t h ，d e v e l o p m e n t a n d r e p r o d u c t i o no f p a r d o s aa s t r i g e r a ( a r a n e a e ： l y c o s i d a e ) c o s l d a e a b s t r a c t a m o n ga l lk i n d so fp o l l u t i o n sh e a v ym e t a lp o l l u t i o ni sas e r i o u se n v i r o n m e n t a lp r o b l e m i nt h ew o r l da n ds e v e r e l yt h r e a t e n e dt h eb i o l o g i c a ld i v e r s i t ya n dp e o p l e sh e a l t h t h em a i n s o u r c e so ft h eh e a v ym e t a lp o l l u t i o ni n c l u d et r a n s p o r t a t i o n ，s e w a g ei r r i g a t i o n ，s o l i dw a s t e s ， p e s t i c i d e s ，f e r t i l i z e r sa n da i rs e t t l e m e n t s i n r e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m y ， m o r ea n dm o r e p o l l u t a n t se n t e r e dt h ee n v i r o n m e n t t h ef u n c t i o no fs o i le c o l o g yw i l lb e c o m e m a l a d j u s t e db e a u s et h ee n v i r o n m e n tc a n td e c o m p o s e rp o l l u t a n t st h r o u g ht h ea b i l i t i e so f s e l f - r e s t o r e t h ea c c u m u l a t i o no f h e a v ym e t a l si na n i m a l sm a y i n f l u e n c et h e i rd e v e l o p m e n t i t h a sb e e nd e m o n s t r a t e dt h a ta n i m a l sc o u l db ec o n t a m i n a t e db yr e s p i r a t i o n ，i o n a b s o r b i n g t h r o u g hi n t e g u m e n ta n df o o di n t a k e e x c e s s i v em e t a la c c u m u l a t i o ni na n i m a l sc o u l dn o to n l y c a u s ec e l lu l t r a s t r u c t u r ev a r i a t i o n sa n dg e n e t i ch o m e o s t a s i sa l t e r a t i o n ，b u ta l s oi n d u c ec e l l a p o p t o s i sa n di n f l u e n c ec e l lv i a b i l i t ya n dp r o l i f e r a t i o n t h ep r o b l e mo fh e a v ym e t a lp o l l u t i o n b e c o m e sm o r ea n dm o r es e r i o u si ns o i l ，t h eb i o l o g yh a sat h i ns k i nt oe n v i r o n m e n t ，a n di ti s d i f f i c u l tt om o n i t o r a n i m a l sc a l la b s o r ba n da c c u m u l a t e p a r to fr e s i d u eo fh e a v ym e t a l a c c o r d i n gt ot h eg r o w t h ，d e v e l o p m e n t ，r e p r o d u c t i o na n db i o c h e m i s t r yo fc r e a t u r es t u d yt h e c h a n g eo ft h ee n v i r o n m e n t ，a n dt h e nt od e t e c tt o x i c i t yo fh e a v ym e t a l so fp o l l u t i o n s oi ti s s i g n i f i c a n t t h a t t od e f i n ea n de s t a b l i s ht h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nb i o i n d i c a t i o na n d p a r d o s a a s t r i g e r a ( a r a n e a e ：l y c o s i d a e ) c o l l e c t e df r o m w u h a ni nc h i n aw a st h e e x p e r i m e n t a lo b j e c to f t h i sr e s e a r c h t h er e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 w ea s s a y e da n dc o m p a r e dt h ec o n c e n t r a t i o n so f z n ，c u ，c d ，p bi nh u n u sl a y e ra n di n f e m a l ea n dm a l es p i d e ro fp a s t r i g e r ac o l l e c t e da l o n gah e a v ym e t a lp o l l u t i o ng r a d i e n tf r o m f i v e ( m ) s i t e s t h eh i g h e s tc o n c e n t r a t i o n so fa l la n a l y z e dm e t a l si nh u m u sl a y e ri ss i t e ，m1 ， i i i i n d i c a t et h a tm1i ss i t eo ft h em o s ts e r i o u sh e a v ym e t a lp o l l u t i o n m o r eo v e r , s p i d e r sf r o mt h e m o s tp o l l u t e ds i t e ，m1 ，h a dt h eh i g h e s tc o n c e n t r a t i o n so fa l la n a l y z e dm e t a l si nb o t ht h e e x a m i n e ds p e c i e s i npa s t r i g e r af r o mt h i ss i t e ，c o n c e n t r a t i o n so fc d ，c ua n dz nw e r en e a r l y d o u b l e ，a n da v e r a g ep bc o n c e n t r a t i o n sw e r et r i p l ea st h o s ei ns p i d e r sf r o mm 5 s i g n i f i c a n t p o s i t i v ec o r r e l a t i o n sb e t w e e nm e t a lc o n c e n t r a t i o n s i nt h eh u m u sl a y e ra n di nt h eb o d yw e r e c o n f i r m e d 2 w ea s s a y e da n dc o m p a r e dt h ea c t i v i t yo fg l u t a t h i o n e s t r a n s f e r a s e ( g s t ) i nf e m a l e a n dm a l es p i d e ro fp a s t r i g e r ac o l l e c t e da l o n gah e a v ym e t a lp o l l u t i o ng r a d i e n tf r o mf i v e ( m ) s i t e s t h eh i 曲e s tg s t a c t i v i t yw a $ f o u n di nm a l e sf r o mt h el e a s tp o l l u t e ds i t e ，m 5 i td i f f e r e d s i g n i f i c a n t l yf r o mt h ev a l u e sf o rm a l e sf r o mt h er e m a i n i n gs i t e s ，e x c e p tf o r 只a s t r i g e r af r o m m 4 s u c hc l e a rr e l a t i o n s h i p sw e r en o td e m o n s t r a t e di nf e m a l e s t h eh i 曲e s tg s ta c t i v i t yw a s f r o m m 2 3 s u r v i v a ls p i d e r sa f t e rd i p p i n gm e t h o d sw e r er a i s e d a f t e rf e m a l es p i d e rh a t c h e st h e s p i d e r l i n g s ，w h e ns p i d e r l i n g sg r e wt h et h i r di n s t a r , t h e yw e r er a i s db yc e r t a i nc o n c e n t r a t i o n a l h e a v ym e t a li n s t e a do fw a t e r t h e nt h ed e v e l o p m e n t a ld u r a t i o n ，r e p r o d u c t i o na n dt h e a v o i r d u p o i so fm a t u r es p i d e rw e r ec a r e f u l l yo b s e r v e da n dc o m p a r e d t h er e s u l t sa r ef o l l o w i n g ： c o m p a r e ds p i d e ro f r a i s db yc e r t a i nc o n c e n t r a t i o n a lh e a v ym e t a lw i t hs p i d e ro fr a i s db yw a t e r , w ef o u n dt h a t ：u s i n gs o l u t i o no fh e a v ym e t a l ，t h ed e v e l o p m e n td u r a t i o no fs p i d e rw a sl o n g e r a n dt h er e p r o d u c t i o nw a sl o w e r t h er e l a t i o no ft r e a t m e n th a dn od i s t i n c td i f f e r e n t h e a v y m e t a lh a se f f e c to nt h eb o d yw e i g h to fm a t u r es p i d e r k e yw o r d ：p a r d o s aa s t r i g e r a ；h e a v ym e t a l ；g l u t a t h i o n es - t r a n s f e r a s e ( g s t ) ；d e v e l o p m e n t d u r a t i o n ；t h eb o a yw e i g h to fm a t u r es p i d e r ；r e p r o d u c t i o n i v p f a f a a s ( ；f a a s a e s a f s i c p m s s o d c a t c a r e g s t 缩略语 a b b r e v i a t i o n s p o l y f l u o r o a l k o x y过氟烷基化合物 f l a m ea t o m i ca b s o r p t i o ns p e c t r o m e t r y火焰原子吸收光谱法 g r a p h i t ef u r n a c e a t o m i ca b s o r p t i o ns p e c t r o m e t r y 石墨炉原子吸收光谱法 a t o m i ce m i s s i o ns p e c t r o m e t r y原子发射光谱法 a t o m i cf l u o r e s c e n c es p e c t r o m e t r y原子荧光光谱法 i n d u c t i v ec o u p l e dp l a s m am a s ss p e c t r o m e t r y电感耦合等离子体质谱 s u p e r o x i d e d i s m u t a s e抗氧化酶如超氧化物歧化酶 c a t a l a s e过氧化氢酶 c a r b o x y l e s t e r a s e s羧酸酯酶 g l u t a t h i o n es t r a n s f e r a s e 谷胱甘肽s 转移酶 v 湖北大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 论文作者签名： 日期：年月日 学位论文使用授权说明 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以允许采用影 印、缩印、数字化或其它复制手段保存学位论文；在不以赢利为目的的前提下，学校 可以公开学位论文的部分或全部内容。( 保密论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 指导教师签名： 日期： 日期： 第一章文献综述 第一章文献综述弟一早义陬练怂 1 环境污染及污染生态学 城市化进程的不断加速和经济的快速增长，导致环境污染日趋严重。利用现代化的 仪器和手段对污染物进行精确定量的理化分析，是环境监测的常规方法。但是，随着对 环境污染影响研究的不断深入，人们逐渐认识到单一依赖理化监测难以反映污染物对生 物体及生态系统的综合影响。生物在它从外界环境摄取能量物质和水分的同时，也摄入 了污染物，并在体内蓄积。因此，可以通过生物( 动物，植物和微生物) 在环境中的分 布、生长和发育状况以及生理生化指标的变化来研究环境污染状况，对污染物毒性进行 监测，如动物的血液，唾液，毛发，骨骼和脏器等均可作为检验环境污染的样品。由于 它们对污染物具有富集作用，可以很好的反映污染因子对人和动物的危害以及环境污染 的综合影响，并具有简便，真实，灵敏等其他理化监测手段难以比拟的优越性，能较好 的为环境评价，污染预报和污染物的危害性指示提供依据，因而受到越来越多的关注和 青睐，并被广泛应用到实际的污染监测和预报中( 刘宗平，2 0 0 5 ) 。 污染生态学是- - i - j 新兴的交叉学科，是研究生物与受污染的环境之间相互作用的机 理和规律的学科。污染生态学与普通生态学相比，不仅仅是环境受到了污染，更重要的 是，生物与环境之间多了一个重要的要素：污染物。因而对污染生态学最新的定义是： 研究生物、污染物与环境三者的相互关系以及污染物在生物与环境之间的迁移、转化、 累积的规律和对生物不同组织水平的生态效应的学科。在污染生态学中，环境是生物与 污染物发生相互作用的媒介。生物与污染物的作用是相互的，但生物对环境和污染物的 作用往往被忽略了。最新的污染生态学研究将污染生态学定为三层关系：相关关系，1 、 生物产生污染物并污染环境，这是污染生态学的初级相关关系：2 、污染物通过环境介 质作用于生物体而产生不利的影响，这是污染生态学的中级相关关系；3 、生物使环境 中的污染物得以降解和净化，这是污染生态学的高级相关关系。在一级相关关系中，动 物种群的增长对环境的污染和破坏也是一个很重要的方面。动物的作用主要表现为：1 、 动物种群的增长与环境关系的变化；2 、动物种群自身所产生的污染物质对环境的影响。 微生物中消化细菌和反消化细菌可产生氮氧化物污染空气，真菌可引起霉变。微生物毒 素，如黄曲霉菌也是造成污染的一个重要方面。人类活动对环境的破坏也属于一级相关 关系。污染生态学的二级相关关系是描述污染物对生物的影响及生物对污染物的响应关 湖北大学硕士学位论文 系，这种关系是各种有关污染生态学文献与资料讨论最多的( 夏北成，1 9 9 8 ) 。 近年来，污染生态学领域最大的轰动事件发生于1 9 9 5 年8 月。l e s u e u r 等( 1 9 9 7 ) 在美 国的m i n n e s a t a 州h e h d e r s i o n 市的一片湿地发现了大量变形青蛙，腿部缺失、多长或变 形，此发现震惊了当地研究人员，因为他们从来没有见过变形如此剧烈的青蛙。至1 j 1 9 9 9 年的夏天，更令人惊奇的是，整个州都有报道变形青蛙的出现，达1 7 5 起。研究人员之 所以如此关注此现象，是因为青蛙的总数在全世界已经开始有所下降。某些种类已经消 失，甚至是一些在数量上占优势的青蛙竞完全消失，这说明全球的环境问题已经相当严 重，在脊椎动物里面，青蛙是对环境质量最为敏感的一个类群，是因为作为两栖动物， 它们生活在水陆交界的地区，有毒物质可以很容易地渗透过它们的皮肤。所以，当地的 研究人员确信畸形青蛙的出现是对本州环境质量的一种指示。通过研究表明，确实是水 体中的某种物质导致青蛙的变形，但到目前为止，并没有发现是何种物质在导致这种现 象。全美各界，包括环境健康组织、美国环保组织、野生动物组织迄今为止，仍在不懈 努力寻找原因。 到目前为止，有2 0 的濒危物种正在被污染所威胁，8 8 的危急濒危动物和植物因 为失去栖息地而面临绝种。海水中的污染主要是因为清洁剂的含量增多，使动物的皮毛 或羽毛相互粘合，失去浮力而下沉死亡。 化学污染对生物的影响作用是多方面的，其中重金属污染物除了对接触的生物体产 生直接的影响外，其在生物体内的积累将沿着食物链逐级富集而对生物体产生毒害作 用。重金属污染物是一种典型的优先控制污染物，许多世界著名的环境公害事件如日本 的水俣病与骨痛病都证明与重金属污染有关。长期以来有关重金属污染物在环境中的迁 移动态、形态转化和生态效应也成为国际环境科学领域的研究热点( 夏北成，1 9 9 8 ) 。 污染生态学中环境指示生物的研究是一个热点，即主要是通过研究生物的生理、生 化和生态来评价其栖息的环境质量。研究内容己涉及神经、繁殖、行为变化、免疫系统 和内分泌系统等各方面。 2 土壤重金属污染对土壤动物的影响 土壤做为一个特殊的生物生境，是一切陆生生物的载体，是人类生存与生活的源泉。 当今人类面临的人口、粮食、能源、环境等五大危机均与土壤有直接或间接的联系。从 生态学的观点研究土壤、保护土壤、改良土壤是重要的和迫切的。 在土壤生态研究中，重点之一就是研究土壤理化性质对其中生物、微生物的区系组 2 第一章文献综述 成、生长发育和繁殖的影响。反之也可以利用生物的变化来监测人类活动( 尤其是经济 活动) 对某地区的环境的影响。 近2 0 年，国际上对土壤动物的生态研究已趋向于微域的环境分析，其中土壤在受到 人类经济活动的干扰后土壤动物的指示作用已成为研究重点之一。严重的环境污染，在 一定程度上是在向市场经济转型过程中出现的城市化和工业化速度过快的结果。我国对 自然资源的开发程度不断加大，加之粗放型的经济增长方式，技术管理水平落后，以城 市为中心的环境污染仍在加剧，并向农村蔓延，生态破坏的范围仍在扩大。人类的活动 所造成的环境污染都会直接或间接土壤生物的生命活动。 重金属是指比重大于5 0 9 c m 。3 的金属元素，包括铁( f e ) 、锰( m n ) 、铜( c u ) 、 锌( z n ) 、锡( s n ) 、铅( p b ) 、汞( h g ) 、铬( c r ) 、镍( n i ) 和铝( 灿) 等；砷 ( a s ) 是一种准金属，但由于其化学性质和环境行为与重金属有相似之处，通常也归并 于重金属的研究范畴。土壤重金属污染具有污染物在土壤中移动性差、滞留时间长、不 能被微生物降解的特点，并可经水、植物等介质最终影响人类健康。因此，治理和恢复 的难度大。重金属进入土壤后，由于不能被微生物分解，而能被生物富集和与土壤中的 其他化学物质进行一系列的物理、化学作用，使它在上壤中固定和积累，重金属在土壤 中积累到一定限度就会对土壤植物系统产生危害，并有可能通过接触、食物链等途径直 接或间接地危害人类。根据( a l l e n ，1 9 8 4 ) 的估算，进入土壤的重金属，在没有外来继续 进入，只通过植物吸收使其在土壤中消失的时间：c a 为1 0 0 年：c u ，m n 和z n 为1 0 0 0 年； c o ，p b ，n i 为1 0 0 0 0 年；c r 为1 0 0 0 0 年。 2 1 土壤重金属污染研究概况 重金属是土壤环境中一类具有潜在危害的污染物，在土壤中不易随水淋滤，也不能 为微生物活动所消除，而常常在土壤中积累，有的可以转化为毒性更强的甲基化合物， 有的通过食物链以有害浓度在人体内积累，严重危害人体健康。 通过各种途径进入土壤的重金属种类很多，其中影响较大且比较重视的重金属主要 有汞、铬、锡、铅、砷、铜和锌等。土壤中的重金属元素从生物化学特征上可分为两类， 一类是对农作物、人和牲畜都是有害的，如：c d ，p b 和h g 等，另一类是在常量下对农 作物、人体和牲畜均为营养元素，而过量时出现危害，如：c u ，z n ，m n 和c r 等。重金 属元素受土壤物理吸附、化学吸附及生物富集等因素作用，一旦超过土壤容量，不易消 除，因此各国将重金属污染和治理列为环境科学研究的重点。 3 湖北大学硕士学位论文 土壤重金属的污染源主要有交通污染、农田灌溉、固体废弃物堆置、农药和化肥施 用以及大气沉降物。我国土壤重金属的主要污染源是交通污染、污灌、矿山开采与冶炼。 公路上川流不息的交通工具由于燃烧含铅汽油，排放大量有毒有害气体和物质，扩散于 公路两侧。其中铅等多种重金属沉积在上壤中，在一定范围内形成一个受汽车尾气污染 的环境，影响了农作物的生产，特别是植物叶片和根，把漂浮在大气中和沉积在土壤中 的铅等重金属吸收到体内，通过食物链传递给人类，危及人类身体健康。几乎所有不同 利用方式下的土壤都受到重金属的污染。据报道，在香港，不同土壤受重金属污染的程 度按大d , j f r 页序为：果园 菜园 城市土壤 乡村土壤 林地土壤。张民( 1 9 9 9 ) 对我国各主要 起源母质上发育的厚熟土、不同熟化程度的菜园土以及相对应的粮田土壤中得的某些重 金属的全量及有效态含量进行了研究，结果表明：菜园土壤随种菜历史的延长、熟化程 度的增加，重金属元素z n ，c u 和p b 的含量有明显的增高趋势。灌溉是我国北方干旱和 半干旱地区解决作物需水的一条重要途径，然而对灌溉用水水质的不规范管理使得我国 灌溉区多达4 5 的面积受到重金属的污染，特别是汞和锡的污染。在我国被锡污染的耕 地约1 3 万h m 2 ，涉及1 1 个省市的2 5 个地区，约有3 2 万h m 2 耕地受到汞的污染，涉及1 5 个 省市的2 1 个地区。在对太原灌溉区的调查表明，污水灌溉使农田土壤中的重金属含量超 过了土壤背景值，且随着时间的推移累积量呈逐年增加的趋势，其中灌溉水中的c d 、p b 和c r 三种重金属含量与土壤中的含量之间表现出显著的相关性。采矿业和金属冶炼也是 重金属污染的主要来源，阎伍玖( 1 9 9 6 ) 对安徽省繁昌县矿区农田土壤中的砷、汞、铅、 铬、锡和锌等重金属进行分析，各种重金属的检出率均为1 0 0 ，污染指数在0 3 8 3 3 7 8 9 之间，其中c d 和a s 污染较为严重，污染指数都在2 0 左右。在对南京某合金厂周围农田 土壤取样分析得出：重金属粒子在土壤中的污染主要途径是通过车问烟囱废气携带，先 向空气中排放，后经沉降进入土壤，当叠加到一定程度时便形成污染，铬的污染叠加幅 度最大可达背景值的4 4 倍。污染叠加含量分布较集中，以车间烟囱为中心向四周扩散， 污染元素的分布符合对数正态分布规律。 综上所述，土壤重金属污染大部分是人为污染，这种污染在生态系统中不易去除， 通过物质循环会向食物链的末端传递从而对人类具有潜在的危害。 2 2 重金属污染对昆虫和微生物的影响 昆虫和微生物是土壤生态系统的重要组成部分，对重金属污染反应敏感，因而人们 设法通过对污染区昆虫和微生物群落结构、生态分布和污染指示种的研究，为土壤质量 4 第一章文献综述 评价和土壤污染监测提供生物学指标。多种重金属元素在土壤中积累，超过了土壤背景 值，以及重金属有毒物质的过量积累，不仅影响了土壤的结构和理化性质，而且严重影 响了土壤生态系统的稳定性。 李忠武等( 2 0 0 2 ) 在室内研究了c d 对土壤动物群落结构的影响，人为设置不同的污 染等级，并用多样性指数和均匀度指数来表征群落结构时，发现随着c d 浓度的减少，其 多样性指数和均匀度指数均逐步增大。 在国外，重金属污染对昆虫的影响是一个重要的研究领域，如对等足类甲壳纲节肢 动物，它们在土壤中能富集金属元素且个体数量多，大部分为食碎屑者或植食者，因而 与环境联系紧密。对金属铜的富集能力，弹尾目昆虫在所有的食碎屑无脊椎动物中仅次 于等足类。h u n t e re ta 1 ( 2 0 0 0 ) 发现污染区跳虫体内的c u 含量是非污染区的4 5 倍。也有 很多报道研究重金属对土壤动物的毒性，主要利用腹足纲的螨类，它们能在高浓度的环 境中存活下来。但是生长和繁殖受到的阻滞作用随重金属的种类和动物种类不同而不 同。 对污染区昆虫和微生物的酶学研究、行为学研究和毒理学研究也都是近年来研究的 热点。金属污染一个重要的作用是可以影响土壤中细菌和真菌的生长，有人用氨基酸水 解物淋洗被c u 污染的土壤，使土壤中的c u 浓度显著下降，处理后的土壤放回野外，过 一段时期后测定其中的微生物和土壤动物。由于淋洗后细菌的生长繁殖快，土壤中的原 生动物、弹尾目、线虫的数量不断增加，但是主要以食细菌的土壤动物为主，而在未污 染的土壤中真菌的数量大于细菌的数量，因此，在污染与未污染的土壤中昆虫和微生物 的营养群组是有差别的。 2 3 土壤重金属污染对蚯蚓的影响 蚯蚓在陆地生态系统中占有非常重要的地位。它们参与土壤有机质的分解和养分循 环，其取食活动间接地对土壤起到了机械翻动的作用，并改造了土壤的结构性、通气性 和透水性，使土壤迅速熟化。随着工业进程的发展和人类对蚯蚓研究的不断深入，蚯蚓 的生态功能和经济应用价值日趋明显。蚯蚓在生态系统中较高的地位，使其能够通过食 物链的放大作用富集其中的重金属元素，可应用到重金属污染区的污染治理中。重金属 对生物体具有一定的毒性，不同种蚯蚓对重金属污染程度的忍受力不同，因而蚯蚓的分 布还可以作为污染地区受污染程度的监测指标。 目前，国内外在这方而的研究报道主要有：戈峰等( 2 0 0 2 ) 报道了蚯蚓在江西德兴 s 湖北大学硕士学位论文 铜矿废弃地生态恢复中的作用。尹文英等( 1 9 9 7 ) 研究了重金属污染地蚯蚓种群的生态 分布和蚯蚓对不同金属元素的富集能力，发现蚯蚓种群的分布随着土壤受污染程度的增 加明显减少，其中耐污染能力强的优势种则表现出更高的优势度。在金属元素含量的 s p e a r m a n 相关分析中发现，蚯蚓对各元素的富集系数k 值排序为c d h g a s z n c u p b ， 都密切相关。s p u x g c o n & h o p h i n ( 2 0 0 0 ) 报道了金属污染对蚯蚓种群的影响，发现蚯蚓 的分布密度与土壤中的金属浓度呈现负相关。在所研究的c d ，c u ，p b 和z n 四种金属中， 只有z n 是影响蚯蚓分布的限制因子，不同矿区周围蚯蚓的分布只与它们对z n 的敏感度有 关，与土壤中的有机养料无关。 2 4 甲螨与土壤重金属污染的关系 甲螨能够准确地反映土壤的理化性质，当某些重金属在土壤中的含量变化超出一定 限度时，就会影响到甲螨的繁衍与生存，甚至引起死亡。重金属在土壤中的沉积会影响 到土壤甲螨的分布和数量，因此甲螨的群落结构、优势类群、分布差异、密度等是监测 环境污染和土壤恶化的重要指标。农田是人类施以影响最严重的生态系统，国内关于工 业污染对农田土壤甲螨群落结构的影响曾有过不少报道，陈国定等( 1 9 9 1 ) 研究利用甲螨 监测土壤污染，认为不能单从甲螨种类的多少或甲螨总数增减来判断有无污染或何种污 染，而是要根据具有指示作用的种属在环境中的相对丰度( 其属甲螨数甲螨总数* 1 0 0 ) 来分析。各类环境中都具有独特的甲螨相，利用其种群结构和数量的变化作为监测土壤 污染的指示生物是可行的。不同甲螨对于不同的有害物质具有不同的敏感性。王振中等 ( 1 9 9 4 ) 研究了重金属对农田生态系统的影响，指出土壤动物的种类、和数量随着污染 程度的增加而减少，土壤动物的密度与重金属浓度密切相关。他们还对甲螨的类群( 科) 分布与土壤镉污染之间的相关性做了研究，得出镉污染程度与甲螨群落结构有负相关 性，并确定了具有较强耐污能力的耐污种及对镉的敏感种。虽然己有学者进行了将甲螨 用作环境污染指示生物的研究，但离实际应用尚有一定的差距，还需深入开展大量的应 用基础理论研究，如甲螨用作指示生物的调查、收集、筛选以及污染物与甲螨之间关系 的研究等等。 3 蜘蛛在农田生态系统中的作用 蜘蛛是陆生生态系统中常见的一类节肢动物，在动物分类学上隶属于节肢动物门蛛 形纲蜘蛛目。它们是陆生生境中数量最大的无脊椎动物捕食者之一，平均每平方米面积 6 第一章文献综述 上的个体数量为5 0 到1 5 0 只，最大可以超过1 0 0 0 只( m a r ce ta 1 ，1 9 9 9 ；n y f f e l e re ta 1 ，2 0 0 3 ) ， 成为陆地生态系统中大型无脊椎动物群的重要组成类群( 3 5 9 5 ) 。绝大多数蜘蛛主要以 昆虫为食物，因此在农业、林业和其它陆生生态系统中起着重要的捕食作用。由于蜘蛛 的数量优势以及食虫特性，所以生态学家将其作为害虫生物防治和环境污染指示生物的 重要类群。 3 1 蜘蛛在害虫生物防治中的作用 早期的害虫生物防治以专性捕食或寄生性天敌为主，但是由于它们的种群数量随着 害虫种群而波动，因此无法进行长期的有效控制。近来农业上减少杀虫剂应用的趋势以 及生态可持续性使得很多人将生物防治的重点转移到能够长期调控害虫种群的广食性 捕食天敌上。对于一个能够有效而经济地控制一种害虫的捕食者来说，捕食者不仅要能 够将害虫密度减少到经济为害水平以下，而且要能在很长一段时间内稳定这些害虫的密 度。如果害虫的密度太低不足以维持捕食者的生存而使其走向灭亡，那么没有了捕食压 力的存在，潜在的害虫将大爆发。广食性捕食者虽然在害虫大爆发时控制特定害虫物种 的能力不及狭食性捕食者，但是在防止害虫大暴发以及控制次生害虫上起着实质性作 用。 作为一类广食性捕食者，蜘蛛可以减少并稳定害虫密度。它们在害虫密度较低时捕 食其它猎物来维持自身的密度，这样蜘蛛能有效地将害虫种群控制在一定水平。而大量 的研究已经证实蜘蛛能显著降低害虫种群密度。p r o v e n c he ta 1 ( 1 9 8 7 ) 的研究发现玉米 田中的两种优势蜘蛛t e t r a g n a t h al a b o r l o s a 和c l u b i o n a p i k e i 能有效控制两种蚜虫 r h o p a l o s i p h u mm a i d is 并1 p h o p a l o s i p h u m p a d im a n s o u r & h e i m b a e h ( 1 9 9 3 ) 也证明冬麦田 三种优势蜘蛛的每一种都可以显著减少滋生在冬麦上的蚜虫种群。还有一些研究从另一 方面证明了蜘蛛在农田中的害虫防治作用。如r i c h e r t & l a w r e n c e ( 1 9 9 7 ) 在野外实验中发 现有蜘蛛存在的农田中，植食性昆虫的数量显著低于没有蜘蛛的农田，这表明在没有蜘 蛛捕食压力的条件下，害虫种群显著增加。 此外，蜘蛛的一些特殊捕食行为也有利于进行害虫控制：它们捕获或杀死的猎物常 常多于它们所吃的猎物，这种行为常被称为过度捕杀( w a s t e f u lk i l l i n g ) 。s a m u & b i r o ( 1 9 9 3 ) 在实验室条件下研究了狼蚓l p a r d o s ah o r t e n s i s 在不同猎物密度下的进食行为，发现蜘蛛 的这种过度捕杀和部分进食行为的频数与猎物密度成正相关。蜘蛛的这种捕食策略对它 们在害虫高密度时的控制害虫的能力上有很大的增强作用。这种过度捕杀的现象在其它 7 湖北大学硕士学位论文 游猎蜘蛛中也有报道( p e r s o n s ，1 9 9 9 ) 。除了游猎性蜘蛛有主动的过度浦杀行为外，结网 蛛的蛛网上常常粘满了大量的猎物，但蜘蛛只取食其中的一部分。近年来的一些发现表 明蛛网上的一些特殊丝可以诱捕更多的猎物。如金蛛n e p h i l ac l a v i p e s 在网上织一种黄色 的丝，这种丝会使一些昆虫误以为是花或幼叶而自投罗网( c r a i ge ta 1 ，1 9 9 9 ) 。这些研究 都为蜘蛛的害虫防治能力提供了有力的证明。 3 2 蜘蛛的生活类群 许多研究发现，多种蜘蛛组成的蜘蛛群落在农田中起着相当稳定的控制害虫种群暴 发的作用。蜘蛛群落有所谓的“划疆域 行为，即蜘蛛在田间作物上的分布有一定的格 局，各自占据应有的空间，捕食各自领域里的猎物。在上层主要有结大网的肖峭、圆蛛 等，中间有结小型网的皿蛛、球腹蛛以及游猎的跳蛛、蟹蛛、猫蛛等，下层常由皿蛛以 及在地面游猎捕食的狼蛛占据。这样从整体上既降低了种间竞争又能有效的控制各种害 虫。一般情况下可以根据农田蜘蛛的生活环境和习性可以将农田蜘蛛群落分成几个亚群 落：穴居型蜘蛛亚群落( 穴居在地下，主要捕食地下害虫) 、结小型网蜘蛛亚群落( 网 直径不超过2 0 c m ，结网、游猎两种捕食方式都可以) 、地面游猎型蜘蛛亚群落( 不结网， 在地面游猎捕食) 、结大网蜘蛛亚群落( 直径超过2 0 c m ，多结在作物之间) 和上层游猎 型蜘蛛亚群落( 不结网，主要在作物上游猎捕食，不在地面栖息) ( 宋大祥，1 9 8 7 ；赵 敬钊，1 9 9 3 ) 。 在欧洲，农田蜘蛛大多数属皿蛛科、狼蛛科、圆蛛科、肖峭科和球腹蛛科等科，其 中，皿蛛科蜘蛛的数量特别多，在西欧的一些地区甚至占了田间蜘蛛总数的9 3 9 9 ，而 且它们在田间的分布比较均匀。欧洲大部分地区的优势物种是相同的，即包括有僧帽瘤 胸蛛o e d o t h o r a xa p i c a t u s ，微蛛e r i g o n ea t r a 和齿肢微蛛e r i g o n od e n t i p a l p i s 。这三种蜘蛛 常常在数量上占绝对优势( s u n d e r l a n d ，1 9 5 6 ；n y f e l e re ta 1 ，2 0 0 3 ) 。而美国的田间蜘 蛛群落比较复杂一些，在大多数研究中游猎蛛占了蜘蛛总数的5 0 以上，主要来自猫蛛 科、跳蛛科、蟹蛛科和狼蛛科，而皿蛛科的蜘蛛并不常见。猫蛛o x y o p ss a l t i c u s 是农田 比较常见的蜘蛛物种，尤其是在大豆和棉田中( n y f e l e re ta 1 ，2 0 0 3 ) 。在我国，农田中 优势蜘蛛大多来自皿蛛科、球腹蛛科、狼蛛科、圆蛛科以及肖峭科( 王洪全等，1 9 9 9 ) 。 农田中，作物生长的早期，皿蛛科蜘蛛起着重要的害虫控制作用，而到了作物生长 的中后期狼蛛科蜘蛛则取代皿蛛成为害虫的重要捕食者。由于皿蛛和狼蛛科蜘蛛在农田 比较常见，而且也起着重要的控制害虫的作用，因此它们中的一些代表物种研究相对要 8 第一章文献综述 多一些。皿蛛科的蜘蛛个体较小( 1 3 m m ) ，结小型水平网进行捕食，也以游猎方式捕食， 它们的活动能力较强，在田间的生态位也较宽，主要在农田的中下层活动。研究较多的 一些物种包括黑微蛛e r i g o n ea t r a ，僧帽瘤胸蛛o e d o t h o r a xa p i c a t u s 和草间钻头蛛 e r i n g o n i d i u mg r a m i n i c o l a 等。而狼蛛科的蜘蛛个体一般较大( 4 6 m m