安太堡露天煤矿复垦土壤中土壤动物.doc

安太堡露天煤矿复垦土壤中土壤动物研究* 崔艳，女，在读硕士，山西农业大学资源环境学院。崔艳1白中科2 李晋川3 韩丽君1（1.山西农业大学资源环境学院,太谷,300810; 2.中国地质大学土地科学技术系，北京 100083;3.山西省生物研究所,太原, 030006）摘要：土壤动物是土壤生物中一个庞大的群体，它是指生命活动的全部过程或有一段时间在土壤中度过，生活上依赖于土壤环境，而对土壤有一定影响的动物。陆地生态系统的功能很大程度上依赖土壤生物的多样性，因此，生态学正面临一个走入地下的时代。在土壤学研究中,土壤生物对土壤化学和物理反应过程的影响成为21世纪研究的主题之一。本文以生态环境十分脆弱的干旱、半干旱黄土区大型露天煤矿平朔安太堡露天煤矿为研究基地，融土壤学、动物学、生态学为一体，研究大型人工生态系统中土壤动物，了解矿区不同复垦条件下土壤动物群落的分布，探询土壤动物分布与复垦植被、复垦年限以及土壤理化性质等之间的关系。通过对平朔露天煤矿不同复垦时期不同复垦模式下的大型土壤动物进行调查和群落结构进行分析，共获得土壤动物标本421只，共35个类群，分属3纲、10目、34科。其中蚂蚁、蜘蛛、步甲分布最为广泛，几乎在所有的样地中都存在，而蠹虫、多足纲、猎蝽等都只有在极个别样地中出现，可以作为这些样地的特征类群。结果表明：（1）随着复垦时间的延长，复垦生态系统中土壤动物群落趋于复杂，基本安定期土壤动物的密度远高于复垦初期及中期，多样性指数随复垦年限增加而增加，但土壤动物的类群数并未表现出明显差异。（2）复垦模式对土壤动物密度与类群数的影响不完全相同，在矿区最常见的四种植被配置模式中，刺槐油松榆树混交林中土壤类群数远高于其他三种配置模式，且均匀性指数也高于其他三种配置模式，但密度并非最高。（3）复垦地的土壤动物密度与类群数除自燃退化平台之外均高于附近原地貌的土壤动物密度与类群数。说明在黄土区这样原本脆弱的生态系统中进行土地复垦与生态重建，使生态系统稳定性大大提高。（4）在所设样点中，土壤动物群落相似性最高的样地为南排1380平台与南排1420平台，其余样地土壤动物群落大部分为极不相似，极少数为中等不相似，这在一定程度上表明矿区复垦生态系统存在很大的异质性。（5）土壤有机质与土壤动物密度和类群数都存在明显的关系，土壤动物密度与土壤容重呈负相关；土壤动物密度与土壤含水量的自然对数呈线性相关。关键词：土壤动物 复垦土壤 土壤理化性质1 引言土壤动物是土壤生物中一个庞大的群体，它是指生命活动的全部过程或有一段时间在土壤中度过，生活上依赖于土壤环境，而对土壤有一定影响的动物。迄今已经从土壤中发现1000多种。土壤动物涉及的门类很广泛，从原生动物到脊椎动物，除典型的海洋动物外，大多的门、纲，均有代表。1所以毫无疑问，土壤动物是土壤生态系统的重要部分。它们对土壤的形成、发育、理化结构和有机物的分解以及其持水性等起着重要作用，特别是土壤动物与土壤微生物共同作用,参与营养物质循环,是调节土壤肥力的基本过程之一。因此,对土壤动物群落的研究有着重要理论意义和应用前景。2我国的大型露天煤矿大多处于生态脆弱区，大规模、高强度的煤炭开采进一步加剧了生态破坏，使其生态系统伦为极度退化的生态系统。3因此，进行土地复垦与生态重建十分必要和紧迫。随着复垦时间的推移，复垦地的生态系统稳定性评价成为检验复垦生态效益的必要手段。但以往的研究主要集中在土壤的肥力指标或植物方面，对作为土壤质量指标之一的土壤动物研究甚少，所以此研究必将为矿区退化与恢复生态系统的研究起到一定的推动作用。2 研究区概况平朔矿区地处黄土高原晋陕蒙接壤的黑三角地带、山西省北部的朔州市境内，地理坐标：东经1121058至11330，北纬3923至3937，如图1所示。安太堡露天煤矿是平朔矿区最早开发的煤田，其复垦年限长，复垦效果明显，所以本文选择安太堡露天煤矿作为研究对象。图1平朔矿区地理位置示意图Fig.1 Geography sketch map of Pingshuo coal mine安太堡露天煤矿矿区属典型的温带干旱、半干旱大陆性季风气候区，冬春干旱少雨、寒冷、多风，夏秋降水集中。矿区内年降雨量为428.2mm449.0mm，最高年降雨量为757.4mm，最低年降雨量为 195.6mm。降水集中分布在7、8、9三个月，占全年总降水量的 75%。全年蒸发量为1786.6mm2598.0mm。最大蒸发月为5、6、7三个月，超过降水量的4倍。空气平均绝对湿度为6.9毫巴，平均相对湿度为54%。年平均气温4.8C7.8C，极端最高温度为37.9C，最低温度-32.4C。10C的年积温为2200C2500C，日温差为18C25C，年最高温差可达61.8C。无霜期约115130天，冻结日期最早为10月8号，解冻日期最晚为次年4月21日。43样地选择及研究方法3.1样地选择与设置根据研究区的复垦年限及复垦模式选择9个样地，另外在南排土场附近选原地貌一块作为比较。各样地概况见表1。表1 各样地概况 Table.1 The conditions of plots样地号Plot No.样地名称Name of plots植被状况Plant conditions复垦年限Reclamation time1南排1380平台刺槐油松榆树Robinia pseudoacaciaPinus tabulaeformisUlmus pumila13年2西排1520平台沙棘hippophae rhamnoides10年3西排1460平台油松云杉落叶松Pinus tabulaeformisPiceakoraiensis nakaiLarix13年4内排上1435平台沙棘hippophae rhamnoides3年5内排下1435平台沙棘hippophae rhamnoides5年6南排1450斜坡刺槐油松Robinia pseudoacaciaPinus tabulaeformis13年7南排1450平台冰草刺槐Agropyron cristatumRobinia pseudoacacia13年8南排1420退化平台刺槐柠条Robinia pseudoacaciaCaragana korshinskii139南排1420正常平台刺槐柠条Robinia pseudoacaciaCaragana korshinskii1310原地貌云杉Piceakoraiensis nakai注：表1中各样地的植被配置指的是复垦初期的植被配置模式；南排1420退化平台由于发生大规模的自燃，现有植被为呈斑块状的披碱草。样地名称中的数值为海波高度。3.2研究方法3.2.1采样及土壤动物分离方法在各样地随即确定5个采样点，在各样点利用自制的大型土壤动物采集器（20205cm）取表层土壤（0-5cm），就地分离手拣大型土壤动物，带回室内鉴定。土壤动物的鉴定参照中国土壤动物检索图鉴5。同时，取五点的混合土样，用于土壤理化性质的测定。3.2.2土壤理化性质测定方法6（1）土壤有机质的测定：采用重铬酸钾容量法外加热法；（2）土壤容重的测定：采用环刀法；（3）土壤自然含水量的测定：采用酒精燃烧法；3.2.3数据处理与分析Shannon-Wiener多样性指数 式中:HShannon-Weiner指数S群落中的类群数Pi属于种i的个体数ni在全部个体N中的比例,即Pi = ni/NPielou均匀性指数式中：Hmax在最大均匀性条件下种的多样性S群落中的类群数Simpson优势度指数 群落相似性指数式中：q结合指数aA 群落类群数bB 群落类群数cAB 两群落共有的类群数Margalef 丰富度 d=(S-1)/N 式中:S 为总类群数，N 为总个体数4 结果与分析在整个复垦生态系统中共获取土壤动物421个，共35个类群。隶属于3纲、10目、34科。（见表2）其中蚂蚁、蜘蛛、步甲分布最为广泛，几乎在所有的样地中都存在。而这些土壤动物正是当地未破坏生态系统中最常见的种类，它们作为此恢复生态系统中的广布类群有待进一步研究。而蠹虫、多足纲、猎蝽等都只有在极个别样地中出现，说明它们的生态适应性较差，只能在一定条件下生存，对小环境具有指示作用。各个样地土壤动物的数量与土壤动物的类群数变化趋势基本相同。表2 各样地土壤动物群落组成Table.2 The composition of soil fauna communities样地号Plot No.12345678910步甲（Carabidae）9620211大灰象(Sympiezomias)7蝉类若虫(Cicadidea)4蠹虫(Scolycidae)幼虫1叩头甲(Elateridae)1瓢虫(Coccinellidae)21蜣螂总科(Scarabaeidae)1金龟子(Scarabaeidae)144221天牛(Cerambycoidea)11鞘翅目（Coleoptera）幼虫11伪步甲(Tenebrioniade)111隐翅虫(Staphylinade)348215萤科幼虫(Arameae)1叶甲(Chrysomelidae)1象甲(Curculionidae)416323椿象(Cuculioniolae)11蝽(Pentatomidae)45821猎蝽(Recluviidae)1蝇类(Muscidae)211多足纲(Myriapoda)1蛾类(Frenatae)幼虫2168晚蛾幼虫(Noctuidae)1蝗虫(Acridoidea)1蚁科(Formica)10285025418765小蜂(Chalcididae)11蠼螋(Labidura)3双翅目(Diptera)3双尾目（Protura）1大蚊(Tipulidae)幼虫11腹足纲(Gastropoda)9蚜虫(Aphididea)1叶蝉(Jassidae)113蚧壳虫（Coccidae）52蜘蛛(Arachnida)32211233合计5049772114792998012类群数16987815731264.1不同复垦时期土壤动物分析根据复垦后排土场的稳定性，将矿区复垦土地的复垦时期分为3个阶段：（1）复垦初期，即复垦1-3年，此时期土壤基本为采煤剥离土，土壤肥力低下，植被覆盖度较低。（2）复垦中期，即复垦4-6年，此时期的土壤肥力依靠其上生长的植物有了一定的改善，植被覆盖度有所提高。（3）基本安定期，即复垦时间大于10年，此时期植被已经基本稳定，土壤的肥力比复垦初期有了很大的改善。 表3不同复垦时期土壤动物情况表Table.3 Soil faunas in different reclamation time样地名称内排上1435平台内排下1435平台西排1520平台植被状况沙棘沙棘沙棘复垦年限(年)3510土壤动物密度(只/m2)131.2587.5306.25土壤动物类群数788Shannon-Wiener多样性指数0.870.971.01由表3可以看出，基本安定期土壤动物的密度远高于复垦初期及中期。其中最主要的原因是复垦基本安定期，复垦小环境中的植物群落较稳定，并且多样性较高,从而为土壤动物的生存提供了丰富而稳定的食物源和较稳定的生存环境，土壤动物可以在此环境中生存繁衍。但复垦中期土壤动物密度小于初期，其原因有待进一步研究。Shannon-Wiener多样性指数呈随复垦年限的延长而增长的趋势。但动物的类群数并未有明显差异，说明土壤动物类群数的变化速度远小于其数量的变化。其原因：一是西排1520平台沙棘生长过于茂密，使当地的土壤水分与养分都处于入不敷出的状况；二是沙棘的单一种类及其生长过密，限制了杂草的侵入，从而土壤动物的食物源种类减少。所以沙棘作为复垦植被，在其生长过程中要注意疏林。4.2不同植被配置模式下土壤动物分析土壤动物群落在复垦基本安定期达到相对稳定状态，所以本文选择基本安定期进行不同复垦植被配置模式下的土壤动物群落研究。表4 不同植被配置模式下土壤动物情况Table.4 Soil faunas in different plant models样地名称南排1450平台南排1380平台西排1520平台西排1460平台复垦植被冰草刺槐柠条刺槐油松榆树沙棘油松云杉落叶松动物密度(只/m2)145250306.25385动物类群数71588Pielou均匀性指数0.851.010.600.53从表 4可以看出，不同复垦模式下，土壤动物密度与类群数变化趋势并不完全相同。表明，复垦植被配置模式对土壤动物密度与类群数的影响存在一定差异。其中，对土壤动物密度的影响大于对类群数的影响。原因是不同种类土壤动物的分布特点具有很大差别。刺槐油松榆树混交林中土壤动物类群数远高于其他三种配置模式，且均匀性指数也高于其他三种配置模式，原因是此植被配置模式的植物群落稳定性较高,从而随着时间的延长,植被郁闭度不断提高,植物的多样性与均匀度也明显高于其他三者7，从而为动物的生长繁殖提供充足和多样的食物源与栖息环境。同时刺槐根系发达,保水性较高，为动物提供了良好的水分条件。冰草刺槐柠条这种植被配置模式在复垦初期长势较好，利于土壤动物的生存，但随着复垦时间的推移，刺槐逐渐退化，柠条长势也较弱，在目前这种几乎只有冰草的单一植被下，土壤动物逐渐迁往生态条件较好的其他样地。使得该样地土壤动物的密度与类群数在四个样地中都呈最少，但由于冰草根系发达且分布较均一，从而均匀性指数仅次于刺槐油松榆树混交林。4.3各样地土壤动物群落相似性分析土壤动物群落的相似性在一定程度上代表了其生存的小生态系统的相似性。由表5可以看出，相似性最高的样地为南排1380与南排1420，二者类群数为所有样地中最高，并且个体数量也都较高，可见动物群落的相似性与其种群数与个体数关系密切。整体来看，大部分样地之间土壤动物类群为极不相似，只有少数样地之间土壤动物群落为中等不相似。可见影响土壤动物的因素除复垦模式与复垦时间外还有很多。复垦地的小地形，坡向，复垦地周边的生态环境因素等都是影响土壤动物分布的重要因素，这些因素有待进一步研究。表5 各样地土壤动物群落相似性Table.5 The similarity coefficients of soil faunas in different plots相似性指数1234567891010.280.280.210.210.350.360.220.430.2720.140.150.200.190.210.120.170.1030.250.330.210.250.100.330.1740.250.160.270.110.270.0850.150.250.100.250.0860.220.130.350.1770.250.360.1880.150.1390.20注：1.0-0.75表示两群落极相似 ；0.75-0.5表示中等相似；0.5-0.25表示中等不相似；0.25-0表示极不相似。4.4土壤动物与土壤理化性质的关系4.4.1土壤动物与土壤有机质含量关系土壤有机质是土壤质量的重要指标，土壤有机质含量影响土壤动物的数量。8 土壤动物的数量常常随土壤有机质的增加而增加9。由图2可以看出，大部分样地土壤动物的密度与有机质呈相同的消长趋势；由图3可以明显的看出，土壤动物的类群数与土壤有机质含量消长趋势完全一致，具体关系有待进一步研究。可见土壤有机质是影响土壤动物的重要因素。4.4.2土壤动物与土壤容重的关系土壤容重是影响土壤动物分布的重要因素，尤其对于穴居动物。在矿区土地复垦过程中，由于大型机械的碾压，土壤容重过大常常成为复垦的障碍因素之一。同时，排土过程中经常存在土石混排的现象，对于这类土壤不宜用环刀法测定其容重，所以此处选择质地较均一的1-4号样地来分析土壤动物密度与容重的关系。由图4可以看出，1-4号样地，土壤容重大的样地土壤动物密度减少。4.4.3土壤动物密度与自然含水量的关系水分是土壤动物生存的物质和环境要素，所以水分也是影响土壤动物分布的重要因素，由图5可以看出土壤动物的密度与土壤自然含水量存在一定的相关性，且相关性较高，与尹文英等人的研究结果相符合8。可见，含水量是影响土壤动物群落的重要因素。5结论与讨论5.1结论5.1.1基本安定期土壤动物的密度远高于复垦初期及中期，多样性指