王 軍，李紅濤，2，白中科，2，趙中秋，2，鐘莉娜，2

（1.國土資源部土地整治中心土地整治重點實驗室，北京 100035；2.中國地質大學（北京）土地科學技術學院，北京 100083）

1 引言

中國礦產(chǎn)資源的開采帶來了土壤質量下降、生物多樣性減少、生態(tài)系統(tǒng)退化等一系列生態(tài)環(huán)境問題[1-2]。礦區(qū)的土地復墾受到各級政府的普遍關注和重視[3-4]。礦區(qū)土地復墾主要包括土壤重構、地貌重塑、植被重建、景觀再造、生物多樣性重現(xiàn)和生態(tài)功能維持等方面[5-8]，目前對土壤重構、地貌重塑、植被重建、景觀再造方面的研究相對較多且取得了重要進展與成效，但在生物多樣性重現(xiàn)和生態(tài)功能維持等方面的研究依然薄弱[9]。大型土壤動物是礦區(qū)生物多樣性的重要成員，對維持礦區(qū)土壤生態(tài)系統(tǒng)正常結構和功能具有重要作用。大型土壤動物是指土壤中無需放大即能看到的動物，一般指體長0.2 cm以上但較蚯蚓小的土壤動物[10-11]。大型土壤動物的分泌、排泄、生物擾動和挖掘作用不僅能夠影響土壤結構和理化性質，還能影響到微生物和植物等其他生物的生存狀態(tài)，進而影響土壤生態(tài)系統(tǒng)的功能[12-13]。目前對大型土壤動物的研究主要集中在不同土地利用方式下大型土壤動物的群落組成和數(shù)量變化[14-15]，對放牧和刈割、田間耕作、公路建設等一系列人類活動影響下大型土壤動物的動態(tài)變化也是當前研究的主要內(nèi)容之一[16-18]，但目前的研究鮮少涉及土地復墾對大型土壤動物類群及分布的影響。在復墾礦區(qū)對比分析不同復墾模式下大型土壤動物的功能類群、空間分布與原地貌之間的差異，對研究黃土丘陵區(qū)礦區(qū)復墾模式中植物類型的選擇及其空間配置，揭示土地復墾后礦區(qū)生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)結構與功能維持具有指導意義。

本文以平朔礦區(qū)為例，對不同復墾模式下的大型土壤動物功能類群進行研究，分析礦區(qū)恢復生態(tài)系統(tǒng)土壤動物的功能類群特征，將為中國礦區(qū)土地復墾后的生態(tài)系統(tǒng)恢復與重建提供土壤動物學依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

平朔礦區(qū)位于112°11′E—113°30′E、39°23′N—39°37′N之間，地處黃土高原晉陜蒙接壤的黑三角地帶，區(qū)內(nèi)黃土廣布、植被稀少、水土流失嚴重，生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱。該地區(qū)屬典型的溫帶半干旱大陸性季風氣候區(qū)，平均氣溫為 4.8—7.8 ℃，年降水量在 195.6—757.4 mm之間，年蒸發(fā)量在1786.7—2598 mm之間，礦區(qū)地帶性土壤為栗鈣土與柴褐土，地帶性植被屬干草原。礦區(qū)內(nèi)南排土場自1992年開始復墾，目前基本達到裸地全覆蓋。復墾區(qū)以油松、刺槐、榆樹、沙棘、檸條等耐旱性植物為主，形成了木—草本相結合、喬—灌—草多層次的復墾模式，礦區(qū)的生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)均有明顯改善。

3 研究方法

3.1 樣地選擇

根據(jù)研究區(qū)域的主要復墾植被類型，選擇復墾植被不同的4個排土場平臺和邊坡（表1），復墾時間均為1993年，1個原地貌作為對照。土地復墾既是土壤生境恢復也是植物種類演替的過程。復墾區(qū)域原地貌喬木植被類型為小葉楊純林，但調(diào)研發(fā)現(xiàn)平朔地區(qū)的氣候類型為干草原氣候，楊樹在當?shù)剌^難成材。礦區(qū)原來的植被被破壞后其氣溫、降水等因素的改變會引起局部小氣候變化。因此，在土地復墾初期，應首先種植刺槐等耐旱耐瘠薄的速生植物，隨著土壤理化性質的改善、土壤動物的增多，土壤生境逐步恢復、局部小氣候逐漸改善，當?shù)氐男∪~楊等優(yōu)勢物種才會開始生長。另外，刺槐是固氮樹種，復墾初期可以有效提高土壤養(yǎng)分，促進土壤發(fā)育；油松對復墾土壤微生物的存活有顯著促進作用；短期內(nèi)，刺槐和油松等樹種對土壤性質的改良效果要明顯優(yōu)于小葉楊樹。因此，在復墾初期選擇了以刺槐為主要建群種與油松等其他植物混交的植被恢復模式。

表1 土壤動物調(diào)查樣地情況Tab.1 Investigation plots of soil macro-faunas

3.2 采樣方法及分離鑒定

2015年8月對安太堡露天礦南排土場復墾地的5個樣地進行野外數(shù)據(jù)采集，每種生境各選擇3個20 m×20 m典型樣地，在每一個樣地上做4個重復樣方，樣方面積大小為30 cm×30 cm，每個樣方采集0—5 cm和5—10 cm兩層土樣，大型土壤動物主要以手撿法采集，將土壤動物撿出后，放入70%酒精固定容器中，帶回室內(nèi)分類鑒定，鑒定到科。收集的土壤動物因昆蟲成蟲和幼蟲的生態(tài)位不同，因此將成蟲和幼蟲分開統(tǒng)計數(shù)量[20]。

3.3 數(shù)據(jù)處理分析

依據(jù)有關文獻將收集到的土壤動物依據(jù)其食性特征劃分為雜食性、植食性、捕食性和腐食性4個功能類群[21]。土壤動物群落多樣性分析計算公式如下[22-23]：

（1）Shannon-wiener多樣性指數(shù)（H）：

式（1）中，H為Shanon’s多樣性指數(shù)，Pi=Ni/N，N為所有種的個體數(shù)，Ni為第i種的個體數(shù)，S為群落中的類群數(shù)。（2）Pielou均勻性指數(shù)（E）：

式（2）中，H為Shanon’s多樣性指數(shù)，S為群落中的類群數(shù)。

（3）Simpson優(yōu)勢度指數(shù)（C）：

式（3）中，N為所有類群個體數(shù)，ni為第i個類群的個體數(shù)。

（4）Margalef豐富度指數(shù)（D）：

式（4）中，S為類群數(shù)，N為所有類群個體數(shù)。

（5）Jaccard相似性（q）：

式（5）中，a、b分別代表群落A、B的類群數(shù)，c代表兩群落的共有類群數(shù)。

本文主要采用Excel和 SPSS軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與處理。

4 結果與分析

4.1 大型土壤動物功能類群組成

5個樣地共捕獲大型土壤動物243只，隸屬于2門4綱10目29類。其中土壤動物個體數(shù)所占比例為：雜食性（33.74%）＞植食性（32.10%）＞捕食性（31.69%）＞腐食性（2.74%），類群上：植食性（12）＞捕食性（11）＞雜食性（4）＞腐食性（2）。雜食性土壤動物個體數(shù)量最多，植食性土壤動物的類群數(shù)最多。

4.2 大型土壤動物功能類群結構

4.2.1 水平方向分布特征 植食性土壤動物個體數(shù)量最多的為樣地Ⅲ（刺槐與針葉樹）、類群數(shù)最多的樣地 Ⅳ（刺槐與灌木混交林），個體數(shù)量上植食性土壤動物在樣地Ⅲ都比其他樣地豐富，主要原因是樣地Ⅲ中盡管植食性類群數(shù)少，但在此樣地發(fā)現(xiàn)大量的植食性柄眼目，柄眼目在樣地Ⅳ和樣地Ⅰ出現(xiàn)過、但數(shù)量很少。分析發(fā)現(xiàn)樣地Ⅲ是唯一邊坡樣地，邊坡地表層形成0—3.5 cm的落葉層，為表層土壤動物提供了豐富的食物和穩(wěn)定的環(huán)境。因此柄眼目作為特有類群反映出樣地Ⅲ環(huán)境的特殊性，對生態(tài)系統(tǒng)中土壤有機質具有指示作用。樣地Ⅳ、樣地Ⅰ植食性類群數(shù)較多，主要是因為其復墾模式為喬灌混交林，在類群豐富度上大于灌木純林（樣地Ⅱ），也大于原地貌小葉楊純林（樣地Ⅴ）。總體來看，復墾地貌中的動物類群較原地貌更為豐富，相對來說其群落結構更為復雜和穩(wěn)定。從植食性土壤動物類群豐富度來看，混交林＞純林＞原地貌小葉楊純林。捕食性土壤動物在5個樣地中除了樣地Ⅱ刺槐純林外，其他個體數(shù)、類群數(shù)都相對比較平均。這主要是因為捕食性動物活動范圍較大、活動力較強，具有較大的流動性。對雜食性土壤動物在5個樣地的占比情況進行對比發(fā)現(xiàn)，依次為樣地Ⅳ喬灌混交林、樣地Ⅰ闊葉混交林、樣地Ⅱ刺槐純林和樣地Ⅲ針闊混交林，占比最高的為原地貌（47.56%）。腐食性土壤動物個體數(shù)占整個研究樣地的2.47%，腐食性動物主要以有機物的碎屑為食，對礦區(qū)環(huán)境穩(wěn)定程度具有顯著的指示作用。而平朔礦區(qū)土壤結構差，有機質含量低，經(jīng)測定發(fā)現(xiàn)一般在5.0—9.0 g/kg之間，且地處干旱、半干旱的黃土區(qū)，降水稀少，淋溶較弱，礦區(qū)的土壤中性偏堿，造成腐食土壤動物食物來源少，生活環(huán)境惡劣，這是導致腐食性土壤動物少的主要原因。腐食性動物在樣地Ⅰ（刺槐與闊葉樹）中的數(shù)量較多，這說明刺槐—臭椿—榆樹混交林這種復墾模式更有利于復墾后礦區(qū)環(huán)境的穩(wěn)定。

表2 大型土壤動物不同功能類群的個體數(shù)量與類群數(shù)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個樣地土壤動物各功能類群個體數(shù)量與類群數(shù)的垂直分布情況見表2。從表中可以發(fā)現(xiàn)在個體數(shù)量與類群數(shù)除雜食性土壤動物外，其他類群都表現(xiàn)出明顯的表聚現(xiàn)象。在5個樣地中植食性土壤動物在樣地Ⅴ（原地貌小葉楊純林）中表聚現(xiàn)象不顯著；捕食性土壤動物個體數(shù)在各樣地都具有表聚現(xiàn)象、類群數(shù)除了樣地Ⅴ外其他樣地表聚性都較明顯；雜食性土壤動物個體數(shù)上在樣地Ⅱ（刺槐純林）表聚性顯著，其他類群的垂直分布并沒有顯著的特點?？傮w來看，原地貌（樣地Ⅴ）中土壤動物的表聚性不明顯，說明其在0—5 cm土壤表層的營養(yǎng)物質聚集情況較其他復墾地貌差，但其在5—10 cm土層中的營養(yǎng)物質含量高于其他復墾地貌。因此，復墾地貌在5—10 cm土層中的營養(yǎng)物質含量還未達到復墾前標準，應采取相應措施對其進行優(yōu)化提升。相關分析表明，0—5 cm土層，雜食性土壤動物個體數(shù)與其他類群均呈負相關，但相關性未達到顯著水平，植食性和捕食性呈正相關，相關性也不明顯；5—10 cm土層，沒有腐蝕性類群，其他類群之間呈正相關，但相關性不顯著；類群數(shù)上0—5 cm土層雜食性和植食性顯著正相關（P＜0.05），其他類群間相關性不顯著，5—10 cm土層類群數(shù)很少。

4.3 土壤動物多樣性特征

物種多樣性是群落生物組成結構的重要指標，反映了群落內(nèi)物種的多少和生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)的復雜程度。排土場不同復墾模式各功能類群大型土壤動物的多樣性（圖1），各種多樣性指數(shù)的變化對不同復墾模式各功能類群土壤動物的多樣性影響程度有所不同。植食性土壤動物Margalef豐富度指數(shù)（P＜0.05）、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)（P＜0.05）、Pielou均勻度指數(shù)（P＜0.05），在不同復墾模式下差異顯著；捕食性土壤動物Shannon-Wiener多樣性指數(shù)（P＜0.05）和Margalef豐富度指數(shù)（P＜0.01）在不同復墾模式下產(chǎn)生顯著變化；腐食性土壤動物由于只有兩個類群對不同復墾模式下腐食性土壤動物的差異性難以做定量描述；雜食性土壤動物Margalef豐富度指數(shù)（P＜0.01）、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)（P＜0.01）、Pielou均勻度指數(shù)（P＜0.01）和Simpson優(yōu)勢度指數(shù)（P＜0.01）在不同植被下均有顯著差異變化。通過對不同食性土壤動物的多樣性指標分析可知，樣地Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ的豐富度指數(shù)、多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)均高于原地貌樣地Ⅴ，說明除喬木純林（樣地Ⅱ）外，其他復墾植被的動物群落復雜程度均高于原地貌樣地，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性也更高。

4.4 土壤動物相似性特征

圖1 不同復墾模式豐富度指數(shù)、多樣性指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)和均勻度指數(shù)（平均值±標準誤）Fig.1 Margalef index, shannon-wiener index, simpson index and pielou index of different reclamation modes

根據(jù)Jaccard指數(shù)計算了各功能類群土壤動物相似性指數(shù)（表3），植食性土壤動物在不同復墾模式下相似性指數(shù)都為極不相似或中等不相似，僅是樣地Ⅰ（刺槐與闊葉樹）樣地Ⅳ（刺槐×檸條×沙棘）之間相似性接近是中等相似。捕食性土壤動物樣地Ⅰ（刺槐與闊葉樹）和樣地Ⅲ（刺槐與針葉樹）群落相似性指數(shù)為0.63，達到了中等相似的水平，而其他樣地之間都表現(xiàn)為極不相似與中等不相似。雜食性土壤動物總體上在不同復墾模式下相似性系數(shù)高于其他功能類群的土壤動物，樣地Ⅰ（刺槐與闊葉樹）樣地Ⅳ（刺槐×檸條×沙棘）兩個喬灌混交林之間相似性指數(shù)達到了極相似水平，相似性指數(shù)最低的是樣地Ⅳ（刺槐×檸條×沙棘）和樣地Ⅴ（原地貌小葉楊）為極不相似。相對于其他功能類群土壤動物，腐食性土壤動物在5各樣地中共有兩個類群，各復墾模式下相似性指數(shù)比較低，具有很高的異質性。除了樣地Ⅰ（刺槐與闊葉樹）和樣地Ⅲ（刺槐與針葉樹）群落相似性指數(shù)為1，達到了完全相似，而其他群落之間相似性指數(shù)均是0.00，為極不相似。4種功能類群土壤動物在不同復墾模式下的相似性差異顯著。不同生境之間土壤動物群落相似性整體較低，說明復墾模式的選擇對土壤大型動物群落的形成具有至關重要的意義。另外原地貌與刺槐純林的相似性指數(shù)高于混交林的復墾模式，且其土壤動物多樣性均低于其他復墾類型，這可能是因為二者均為單一的純林植被，表明單一植被類型的復墾效果相對較差。

表3 不同復墾模式下不同功能類群大型土壤動物群落相似性指數(shù)Tab.3 Comparison of similarity index of soil macrofauna communities under different reclamation modes

5 結論與討論

（1）平朔礦區(qū)排土場雜食性土壤動物個體數(shù)所占比例最大，為33.74%；植食性土壤動物的類群群數(shù)最多，有12種；腐食性土壤動物個體數(shù)所占比例最小，為2.47%，同時類群也最少僅有2種。

（2）對各食性土壤動物在群落中的水平分布研究發(fā)現(xiàn)，捕食性土壤動物在各樣地所占比例較為平均、雜食性土壤動物在原地貌、復墾模式類型單一的樣地所占比例高，植食性在邊坡樣地復墾模式中占比較高；從土壤動物的垂直分布特征來看，原地貌（樣地Ⅴ）中土壤動物的表聚性不明顯，說明其土壤表層的營養(yǎng)物質聚集情況較其他復墾地貌差，但其在5—10 cm土層中的營養(yǎng)物質含量高于其他復墾地貌。

（3） 4種功能類群土壤動物在不同復墾模式下的相似性差異顯著，不同生境之間土壤動物群落相似性整體較低，說明復墾模式的選擇對土壤大型動物群落的形成具有至關重要的意義；原地貌與純林的相似性指數(shù)除植食性外其他都高于混交林的復墾模式，單一植被類型的復墾效果相對較差。

綜合分析土壤動物的個體數(shù)、類群數(shù)、表聚性及其多樣性、相似性等結構特征發(fā)現(xiàn)，林灌混交林復墾模式中的土壤大型動物在數(shù)量和結構上優(yōu)于其他復墾模式和原地貌，其次為刺槐與針葉林、刺槐與闊葉林復墾模式，刺槐純林的復墾模式在土壤動物方面表現(xiàn)較差。

礦區(qū)土壤動物數(shù)量眾多、種類繁雜，以功能群為單位研究礦區(qū)不同復墾模式下土壤動物多樣性與生態(tài)過程的關系可以將龐大的土壤動物群體簡化，避免分類學所面臨的困難。本文基于一次野外調(diào)查采樣分析一個時間斷面內(nèi)不同復墾模式下大型土壤動物的分布特征，并未考慮土壤動物隨季節(jié)發(fā)生的分布變化。未來的研究將對平朔礦區(qū)的土壤動物進行長期定點監(jiān)測，研究不同復墾樣地大型土壤動物和礦區(qū)環(huán)境特征的季節(jié)變化，以便從中發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定的規(guī)律性特征。

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