耿文敬，張 鑫，郭肖穎，齊 俊,4，朱 江

(1 安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)工程研究所,安徽 合肥 230031； 2 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院,安徽 合肥 230036；3 合肥學(xué)院 生物食品與環(huán)境學(xué)院,安徽 合肥 230601； 4 合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

淮北礦區(qū)擁有豐富的煤炭資源，煤炭開(kāi)采歷史久遠(yuǎn)，為區(qū)域的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展做出了突出貢獻(xiàn)，但長(zhǎng)期掠奪式的礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)形成了典型的采煤塌陷區(qū)。在塌陷區(qū)內(nèi)，由煤炭開(kāi)采、堆放和使用而產(chǎn)生的污染元素會(huì)通過(guò)多種途徑遷移和轉(zhuǎn)化進(jìn)入周邊水質(zhì)和土壤，并通過(guò)食物鏈在動(dòng)植物和人體內(nèi)富集，給礦區(qū)人們的生產(chǎn)生活和身體健康帶來(lái)潛在的威脅[1-3]。近年來(lái)，煤礦開(kāi)采引起的地表沉陷、地下水污染和土壤重金屬超標(biāo)等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題受到了廣泛關(guān)注。要解決這些礦區(qū)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，首先應(yīng)該對(duì)礦區(qū)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行科學(xué)有效的評(píng)價(jià)。有學(xué)者通過(guò)測(cè)定礦區(qū)水質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)元素含量，結(jié)合單因子指數(shù)法評(píng)價(jià)礦區(qū)地下水環(huán)境質(zhì)量[4]。有學(xué)者測(cè)定了礦區(qū)土壤的重金屬含量，并通過(guò)單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法揭示礦區(qū)土壤重金屬污染特征及評(píng)價(jià)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[5-6]。當(dāng)前針對(duì)淮北礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的研究多集中于地下水的養(yǎng)分含量、土壤重金屬含量等，對(duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境生物安全性監(jiān)測(cè)的報(bào)道相對(duì)較少[7-8]。這些評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)方法一般僅用污染物質(zhì)的濃度值來(lái)評(píng)估礦區(qū)環(huán)境質(zhì)量，難以靈敏地反映出淮北礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中生物調(diào)控的細(xì)微變化[9]。因此，建立一種科學(xué)的生物評(píng)價(jià)方法，更加靈敏有效地反映礦區(qū)水環(huán)境質(zhì)量和土壤環(huán)境質(zhì)量狀況，對(duì)于淮北礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測(cè)預(yù)警尤為重要。

土壤線蟲(chóng)作為土壤中最豐富的后生動(dòng)物，存在于任何土壤環(huán)境中，處于土壤食物網(wǎng)的中心位置[3,10]。土壤線蟲(chóng)的群落組成可以反映當(dāng)?shù)赝寥赖慕】禒顩r、污染狀況、有機(jī)物質(zhì)的輸入狀況及自然和外界干擾程度等[11-13]。秀麗隱桿線蟲(chóng)Caenorhabditis elegans作為土壤線蟲(chóng)的一種，是一種國(guó)際公認(rèn)的模式生物，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)、生長(zhǎng)周期短的優(yōu)勢(shì)，且具有60%～80%的人類同源基因，常被應(yīng)用于環(huán)境評(píng)價(jià)、生態(tài)毒理、生命科學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域[14-15]。本文以安徽淮北采煤礦區(qū)為研究對(duì)象，通過(guò)活體秀麗隱桿線蟲(chóng)對(duì)礦區(qū)水環(huán)境的響應(yīng)來(lái)指示礦區(qū)水環(huán)境質(zhì)量，以及通過(guò)土壤線蟲(chóng)群落結(jié)構(gòu)來(lái)指示礦區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量，以期為淮北采煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的生物學(xué)監(jiān)測(cè)提供科學(xué)有效的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及樣品采集

取樣地點(diǎn)設(shè)在安徽省淮北市杜集區(qū)沈莊煤礦和石臺(tái)煤礦，均是安徽淮北典型的采煤塌陷區(qū)，沈莊煤礦已有多年開(kāi)采歷史，而石臺(tái)煤礦開(kāi)采時(shí)間相對(duì)較短。采樣共設(shè)7個(gè)樣點(diǎn)，分別是CK：對(duì)照區(qū)，1：距離沈莊礦井100 m的礦區(qū)，2：距離沈莊礦井 1 500 m的礦區(qū)，3：距離沈莊礦井 3 000 m的礦區(qū)，4：距離石臺(tái)礦井100 m的礦區(qū)，5：距離石臺(tái)礦井 1 500 m的礦區(qū)，6：距離石臺(tái)礦井 3 000 m的礦區(qū)(圖1)。采集礦區(qū)附近的水塘水環(huán)境樣品和農(nóng)田土壤樣品。水環(huán)境樣品分別記為WCK、W1、W2、W3、W4、W5、W6，取自 0～30 cm 水層。土壤樣品分別記為 SCK、S1、S2、S3、S4、S5、S6，取自 0～20 cm耕層土壤。采樣時(shí)均為晴天，每個(gè)樣點(diǎn)按照“S”形取樣法采集5個(gè)點(diǎn)的樣品并混勻成1個(gè)樣品，每個(gè)采樣點(diǎn)共取回約2 kg 土樣和 1 000 mL 水樣，放在4 ℃冰箱保存。

圖1 采樣點(diǎn)分布示意圖Fig. 1 Distribution of sampling site

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 秀麗隱桿線蟲(chóng)的暴露試驗(yàn) 在進(jìn)行礦區(qū)水環(huán)境檢測(cè)時(shí)，選用的秀麗隱桿線蟲(chóng)品系為N2 Bristol野生型。礦區(qū)水環(huán)境樣品用0.22 μm的微孔濾膜過(guò)濾后用于秀麗隱桿線蟲(chóng)的培養(yǎng)。每個(gè)樣品做3次重復(fù)，主要檢測(cè)秀麗隱桿線蟲(chóng)的半數(shù)致死時(shí)間、體長(zhǎng)、產(chǎn)卵數(shù)、細(xì)胞凋亡等發(fā)育指標(biāo)，檢測(cè)方法參照文獻(xiàn)[16-18]。

1.2.2 土壤線蟲(chóng)的分離鑒定 土壤線蟲(chóng)采用高效、常用的蔗糖離心漂浮法[19]分離。稱取50 g鮮土，加入0.8 g·mL-1蔗糖溶液進(jìn)行離心浮選，分離的線蟲(chóng)經(jīng)24 h饑餓處理后，用TAF固定液(體積分?jǐn)?shù)為40%的甲醛溶液 7 mL、三乙醇胺 2 mL、蒸餾水 91 mL)固定，在生物顯微鏡下進(jìn)行線蟲(chóng)屬的鑒定和計(jì)數(shù)。每個(gè)樣品做3次重復(fù)。根據(jù)線蟲(chóng)頭部、尾部的形態(tài)學(xué)特征和取食特性將其劃分為4個(gè)營(yíng)養(yǎng)類群：植物寄生線蟲(chóng)、食細(xì)菌線蟲(chóng)、食真菌線蟲(chóng)和雜食/捕食線蟲(chóng)[20-21]，具體分類檢索方法參見(jiàn)《中國(guó)土壤動(dòng)物檢索圖鑒》[22]。

1.2.4 理化性質(zhì)檢測(cè) 水中重金屬銅、鋅、鉻、砷的含量采用電感耦合等離子-質(zhì)譜法(安捷倫科技有限公司Agilent8800電感耦合等離子體質(zhì)譜儀)測(cè)定，氟化物采用離子色譜法(美國(guó)戴安公司ICS-1100離子色譜儀)測(cè)定。土壤中重金屬銅、鉛、鋅、鉻、鎘、砷、汞含量采用原子分光光度法(日本日立公司Z-2000原子吸收分光光度計(jì))測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)采用SPSS 25.0軟件進(jìn)行方差分析及主成分分析，用LSD新復(fù)極差法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，圖表采用 Microsoft Excel 2010 生成。

2 結(jié)果與分析

2.1 秀麗隱桿線蟲(chóng)發(fā)育指標(biāo)對(duì)淮北礦區(qū)水環(huán)境的響應(yīng)

2.1.1 礦區(qū)水環(huán)境對(duì)線蟲(chóng)壽命和存活率的影響通過(guò)對(duì)采取的水樣進(jìn)行秀麗隱桿線蟲(chóng)暴露試驗(yàn)，測(cè)得秀麗隱桿線蟲(chóng)的半數(shù)致死時(shí)間和存活率結(jié)果如圖2所示。圖2A顯示，與WCK相比，礦區(qū)水環(huán)境樣品 W1、W2、W3、W4、W5和 W6的線蟲(chóng)半數(shù)致死時(shí)間分別顯著降低了34.58%、30.18%、23.04%、25.68%、20.93%和15.63%(P＜0.05)，表明采煤礦區(qū)水環(huán)境顯著降低了線蟲(chóng)的半數(shù)致死時(shí)間。圖2B顯示，礦區(qū)水環(huán)境樣品中秀麗隱桿線蟲(chóng)線蟲(chóng)存活時(shí)間為 18～26 d，其中 W1、W2、W3、W4、W5和W6的秀麗隱桿線蟲(chóng)的存活率曲線較WCK明顯左移，表明采煤礦區(qū)水環(huán)境降低了線蟲(chóng)的存活率；可能隨著煤礦開(kāi)采時(shí)間的增加，礦區(qū)水環(huán)境中產(chǎn)生了更多的有害成分[23]，從而對(duì)線蟲(chóng)產(chǎn)生更大的毒性。

圖2 礦區(qū)水環(huán)境對(duì)秀麗隱桿線蟲(chóng)半數(shù)致死時(shí)間和存活率的影響Fig. 2 Influence of mining area water environment on lethal time of 50% and survival rate of Caenorhabditis elegans

2.1.2 礦區(qū)水環(huán)境對(duì)線蟲(chóng)體長(zhǎng)的影響 同步化的秀麗隱桿線蟲(chóng)從L1期開(kāi)始暴露于不同的水環(huán)境，72 h后取出測(cè)量體長(zhǎng)，結(jié)果如圖3所示。與WCK相比，礦區(qū)水環(huán)境樣品 W1、W2、W3、W4、W5和 W6的線蟲(chóng)體長(zhǎng)分別顯著降低了62.86%、57.87%、53.68%、58.14%、52.27%和36.23%(P＜0.05)。從開(kāi)采年限上看，W1與W4的線蟲(chóng)體長(zhǎng)存在顯著差異，W1比W4顯著降低了11.28%(P＜0.05)。從采樣點(diǎn)離礦井距離上來(lái)看，沈莊礦點(diǎn)W1、W2、W3及石臺(tái)礦點(diǎn)W4、W5、W6之間的秀麗隱桿線蟲(chóng)體長(zhǎng)存在顯著差異 (P＜0.05)，其中 W2、W3的體長(zhǎng)分別為W1的1.13倍和1.25倍，W5、W6的體長(zhǎng)分別為W4的1.14倍和1.52倍，表明與礦井距離越近，對(duì)線蟲(chóng)體長(zhǎng)的抑制作用越強(qiáng)。

圖3 礦區(qū)水環(huán)境對(duì)秀麗隱桿線蟲(chóng)體長(zhǎng)的影響Fig. 3 Effects of mining area water environment on body length of Caenorhabditis elegans

2.1.3 礦區(qū)水環(huán)境對(duì)線蟲(chóng)產(chǎn)卵的影響 線蟲(chóng)暴露于礦區(qū)水環(huán)境對(duì)產(chǎn)卵數(shù)影響的結(jié)果如圖4所示。與 WCK相比，礦區(qū)水環(huán)境樣品 W1、W2、W3、W4、W5和W6的線蟲(chóng)產(chǎn)卵數(shù)分別顯著降低了56.70%、51.38%、46.72%、50.58%、45.60% 和 39.00%(P＜0.05)。從開(kāi)采年限上看，W1的線蟲(chóng)產(chǎn)卵數(shù)較W4顯著降低了12.37%(P＜0.05)，表明煤礦開(kāi)采時(shí)間越長(zhǎng)，線蟲(chóng)后代產(chǎn)卵數(shù)目越少。從采樣點(diǎn)離礦井距離上來(lái)看，沈莊礦點(diǎn)W1、W2、W3及石臺(tái)礦點(diǎn)W4、W5、W6之間的產(chǎn)卵數(shù)目存在顯著差異(P＜0.05)，其中，W2、W3的體長(zhǎng)分別為 W1的1.12倍和1.23倍，W5、W6的體長(zhǎng)分別為W4的1.10倍和1.23倍，表明與礦井距離越近，線蟲(chóng)后代產(chǎn)卵數(shù)目越少。

圖4 礦區(qū)水環(huán)境對(duì)秀麗隱桿線蟲(chóng)產(chǎn)卵數(shù)的影響Fig. 4 Effects of mining area water environment on the number of eggs laid by Caenorhabditis elegans

2.1.4 礦區(qū)水環(huán)境對(duì)線蟲(chóng)生殖細(xì)胞凋亡的影響 線蟲(chóng)的生殖腺是一個(gè)非常敏感的組織模型，試驗(yàn)選用線蟲(chóng)生殖細(xì)胞凋亡作為檢測(cè)終點(diǎn)，探究礦區(qū)周邊不同水環(huán)境對(duì)線蟲(chóng)生殖發(fā)育的影響。將同步化的L1期線蟲(chóng)暴露于不同水體72 h后，檢測(cè)線蟲(chóng)1條性腺臂的細(xì)胞凋亡數(shù)目，結(jié)果如圖5所示。與WCK(生殖細(xì)胞凋亡數(shù)目為3.37)相比，礦區(qū)水環(huán)境樣品W1、W2、W3的線蟲(chóng)生殖細(xì)胞凋亡數(shù)目分別顯著增加了 44.34%、33.03%、18.96%(P＜0.05)。從開(kāi)采年限上看，W1的線蟲(chóng)生殖細(xì)胞凋亡數(shù)目比W4顯著增加了12.37%(P＜0.05)，表明煤礦開(kāi)采時(shí)間的增加會(huì)誘導(dǎo)線蟲(chóng)生殖細(xì)胞凋亡數(shù)目顯著增加。從采樣點(diǎn)離礦井距離上來(lái)看，沈莊礦點(diǎn)W1、W2與W3之間存在顯著差異(P＜0.05)，表明距離礦井越近，生殖細(xì)胞凋亡數(shù)目越多。

圖5 礦區(qū)水環(huán)境誘導(dǎo)的秀麗隱桿線蟲(chóng)生殖細(xì)胞凋亡Fig. 5 The apoptosis of Caenorhabditis elegans germ cells induced by mining area water environment

2.1.5 線蟲(chóng)發(fā)育指標(biāo)與礦區(qū)水環(huán)境中污染元素的關(guān)系 由于采煤礦區(qū)環(huán)境常有重金屬污染的風(fēng)險(xiǎn)，而秀麗隱桿線蟲(chóng)生長(zhǎng)發(fā)育與其有明顯的關(guān)聯(lián)[24]，因此我們對(duì)水樣的污染元素含量做了檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表1。地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB 3838—2002 Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)[25]規(guī)定，地表水環(huán)境中銅、鋅、鉻、砷、氟的標(biāo)準(zhǔn)限值分別為 1.0、1.0、0.05、0.05、1.0 mg·L-1。由表1可以看出，礦區(qū)水環(huán)境樣品中銅質(zhì)量濃度為 0.43～1.45 μg·L-1，鋅質(zhì)量濃度為 0.23～5.01 μg·L-1，鉻質(zhì)量濃度為11.12～22.77 μg·L-1，砷質(zhì)量濃度為 5.36～15.85 μg·L-1，氟質(zhì)量濃度為 0.73～2.20 μg·L-1。由此可以發(fā)現(xiàn)，采煤塌陷區(qū)水環(huán)境中銅、鋅、鉻、砷、氟含量遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn) GB 3838—2002 Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)[25]限值。其中，W1、W2、W3、W4、W5、W6的銅含量分別是 WCK的36.25、26.50、19.50、29.75、17.75、10.75倍，鉻含量分別是 WCK的 3.23、2.39、1.78、2.35、1.66、1.58倍，砷含量分別是WCK的8.95、5.39、4.10、6.54、3.03、3.49倍，氟含量分別是 WCK的 5.79、4.13、3.32、3.50、2.82、1.92倍。

表1 礦區(qū)水樣主要污染元素的含量1)Table 1 Contents of the major pollutant elements in water samples of mining area ρ/(μg·L-1)

將水樣污染元素的含量與秀麗隱桿線蟲(chóng)生長(zhǎng)發(fā)育指標(biāo)做相關(guān)性分析得到表2，由表2可以看出，水環(huán)境中銅、鉻、砷、氟含量與秀麗隱桿線蟲(chóng)的半數(shù)致死時(shí)間、體長(zhǎng)、產(chǎn)卵數(shù)目呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與線蟲(chóng)生殖細(xì)胞凋亡數(shù)目呈顯著正相關(guān)關(guān)系。

表2 秀麗隱桿線蟲(chóng)發(fā)育指標(biāo)與水環(huán)境中污染元素含量的相關(guān)性分析1)Table 2 Correlation analyses of Caenorhabditis elegans growth and development indexes and pollution element contents in water environment

礦區(qū)水環(huán)境中銅、鉻、砷、氟的含量差異較大，結(jié)合相關(guān)性分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，水環(huán)境對(duì)秀麗隱桿線蟲(chóng)發(fā)育的抑制作用可能與銅、鉻、砷、氟含量密切相關(guān)，礦區(qū)水環(huán)境中銅、鉻、砷、氟含量的增加對(duì)秀麗隱桿線蟲(chóng)的發(fā)育造成了一定的影響。

2.2 土壤線蟲(chóng)群落結(jié)構(gòu)對(duì)淮北礦區(qū)土壤環(huán)境的響應(yīng)

2.2.1 礦區(qū)土壤環(huán)境對(duì)土壤線蟲(chóng)營(yíng)養(yǎng)類群的影響 對(duì)不同礦區(qū)土壤的線蟲(chóng)群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，共鑒定出 19 個(gè)屬 (表3)，SCK、S1、S2、S3、S4、S5、S6分別鑒定出 18、15、16、15、16、16、16個(gè)屬。礦區(qū)土壤樣品 S1、S2、S3、S4、S5、S6鑒定出的線蟲(chóng)屬數(shù)均低于SCK，表明采煤礦區(qū)的土壤環(huán)境能夠降低土壤線蟲(chóng)屬的數(shù)目。圖6顯示，不同礦區(qū)土壤樣地的線蟲(chóng)優(yōu)勢(shì)類群均為植物寄生線蟲(chóng)。土壤線蟲(chóng)個(gè)體數(shù)目占線蟲(chóng)群落個(gè)體總數(shù)10%以上的為優(yōu)勢(shì)線蟲(chóng)屬，SCK的優(yōu)勢(shì)屬為短體屬，礦區(qū)土壤樣品S1的優(yōu)勢(shì)屬為螺旋屬，S2的優(yōu)勢(shì)屬為螺旋屬、矮化屬、短體屬和絲尾墊刃屬，S3的優(yōu)勢(shì)屬為螺旋屬、矮化屬和墊刃屬，S4的優(yōu)勢(shì)屬為螺旋屬、矮化屬和短體屬，S5的優(yōu)勢(shì)屬為螺旋屬、矮化屬和短體屬，S6的優(yōu)勢(shì)屬為螺旋屬和矮化屬。

表3 不同類群的土壤線蟲(chóng)占比Table 3 The proportions of different soil nematode genera %

圖6 不同營(yíng)養(yǎng)類群的土壤線蟲(chóng)占比Fig. 6 The proportions of different soil nematode trophic groups

與 SCK相比，S1、S2、S3、S4、S5、S6的植物寄生線蟲(chóng)相對(duì)豐度分別增加了42.36%、25.77%、28.55%、19.86%、21.03%、12.34%；而食細(xì)菌線蟲(chóng)相對(duì)豐度明顯低于 SCK，S1、S2、S3、S4、S5的食細(xì)菌線蟲(chóng)相對(duì)豐度較SCK分別減少了51.96%、54.21%、55.17%、47.58%、23.12%。從開(kāi)采年限看，與S4相比，S1的植物寄生線蟲(chóng)相對(duì)豐度增加了18.77%；從采樣點(diǎn)離礦井距離來(lái)看，石臺(tái)礦點(diǎn)S4、S5、S6的食細(xì)菌線蟲(chóng)相對(duì)豐度存在明顯差異，S5、S6的食細(xì)菌線蟲(chóng)相對(duì)豐度較S4分別增加了46.68%、112.45%。上述結(jié)果表明，采煤礦區(qū)土壤中線蟲(chóng)屬的數(shù)目減少，植物寄生線蟲(chóng)相對(duì)豐度增加。

2.2.2 礦區(qū)土壤環(huán)境對(duì)土壤線蟲(chóng)生態(tài)指數(shù)的影響 礦區(qū)不同樣地的土壤線蟲(chóng)生態(tài)指數(shù)測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表4，由表4可以發(fā)現(xiàn)，與SCK相比，礦區(qū)土壤樣品 S1、S2、S3、S4、S5、S6的香農(nóng)多樣性指數(shù) (H′)、瓦斯樂(lè)斯卡指數(shù)(WI)顯著低于SCK，而植物寄生線蟲(chóng)成熟度指數(shù)(PPI)顯著高于SCK(P＜0.05)，其中，S1、S2、S3、S4、S5、S6的香農(nóng)多樣性指數(shù)較 SCK分別降低了36.84%、8.50%、5.67%、11.74%、8.91%、6.88%，瓦斯樂(lè)斯卡指數(shù)較SCK分別降低了67.27%、63.64%、63.64%、61.82%、52.73%、20.00%，植物寄生線蟲(chóng)成熟度指數(shù)較SCK分別增加了48.77%、24.69%、20.99%、24.07%、24.69%、15.43%；表明采煤礦區(qū)土壤的線蟲(chóng)群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低，土壤健康狀況變差。

表4 礦區(qū)土壤樣品中線蟲(chóng)的生態(tài)指數(shù)1)Table 4 The ecological indices of nematode in soil samples of mining area

從開(kāi)采年限上看，與S1相比，S4的香農(nóng)多樣性指數(shù)、瓦斯樂(lè)斯卡指數(shù)、均勻度指數(shù)、自由生活線蟲(chóng)成熟度指數(shù)顯著增加，優(yōu)勢(shì)度指數(shù)和植物寄生線蟲(chóng)成熟度指數(shù)顯著降低(P＜0.05)，表明采礦時(shí)間的增加會(huì)降低土壤質(zhì)量，其中S4的香農(nóng)多樣性指數(shù)、瓦斯樂(lè)斯卡指數(shù)、均勻度指數(shù)、自由生活線蟲(chóng)成熟度指數(shù)分別為S1的1.40、1.17、1.42、2.50倍，而優(yōu)勢(shì)度指數(shù)比S1降低了68.29%，植物寄生線蟲(chóng)成熟度指數(shù)降低了16.60%；表明采礦時(shí)間的增加使土壤線蟲(chóng)群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低，土壤健康狀況變差。

從采樣點(diǎn)與礦井距離來(lái)看，沈莊礦點(diǎn)S1、S2、S3的植物寄生線蟲(chóng)成熟度指數(shù)存在顯著差異(P＜0.05)，距離礦井越遠(yuǎn)，植物寄生線蟲(chóng)成熟度指數(shù)越小；石臺(tái)礦點(diǎn)S4、S5、S6的瓦斯樂(lè)斯卡指數(shù)和自由生活線蟲(chóng)成熟度指數(shù)存在顯著差異(P＜0.05)，距離礦井越遠(yuǎn)，瓦斯樂(lè)斯卡指數(shù)越大，自由生活線蟲(chóng)成熟度指數(shù)越小。結(jié)果表明隨著采樣點(diǎn)與礦井距離的增加，土壤線蟲(chóng)群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增強(qiáng)，土壤質(zhì)量更好。

2.2.3 土壤線蟲(chóng)群落結(jié)構(gòu)與礦區(qū)土壤中主要污染元素的關(guān)系 由于采煤礦區(qū)土壤環(huán)境常有重金屬污染的風(fēng)險(xiǎn)，而土壤線蟲(chóng)群落結(jié)構(gòu)與其有明顯的相關(guān)性[26]，因此我們對(duì)土樣主要重金屬含量做了檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表5。土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB 15618—1995國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[27]規(guī)定，土壤環(huán)境中鉻、銅、鋅、鉛、鎘、砷、汞的標(biāo)準(zhǔn)限值分別為 200、100、250、300、0.30、30、0.50 mg·kg-1。由表5可以看出，礦區(qū)土壤樣品中鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 45.84～54.24 mg·kg-1，銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 17.91～23.62 mg·kg-1，鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 50.99～60.58 mg·kg-1，鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 15.78～23.77 mg·kg-1，鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.10～0.19 mg·kg-1，砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.28～16.35 mg·kg-1，汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.09～0.28 mg·kg-1。其中，S1、S2、S3、S4、S5、S6的鉻含量較 SCK分別提高了30.79%、19.51%、10.66%、25.03%、10.54%、16.88%，銅含量較SCK分別提高了59.38%、38.19%、29.82%、28.07%、44.67%、20.85%，鋅含量較SCK分別提高了44.00%、37.60%、25.12%、31.00%、26.72%、21.20%；表明礦區(qū)土壤中鉻、銅、鋅的含量差異較大。

表5 土壤樣品中主要污染元素含量1)Table 5 Contents of major pollutant elements in soil samples w/(mg·kg-1)

將礦區(qū)土壤樣品重金屬含量與土壤線蟲(chóng)群落結(jié)構(gòu)的相關(guān)指標(biāo)做相關(guān)性分析得到表6，由表6可以看出，土壤樣品中鉻含量與香農(nóng)多樣性指數(shù)顯著負(fù)相關(guān)，與植物寄生線蟲(chóng)成熟度指數(shù)顯著正相關(guān)(P＜0.05)；銅含量與食真菌線蟲(chóng)相對(duì)豐度、香農(nóng)多樣性指數(shù)、瓦斯樂(lè)斯卡指數(shù)、自由生活線蟲(chóng)成熟度指數(shù)顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05)，與植物寄生線蟲(chóng)相對(duì)豐度、植物寄生線蟲(chóng)成熟度指數(shù)極顯著正相關(guān)(P＜0.01)；鋅含量與食真菌線蟲(chóng)相對(duì)豐度、瓦斯樂(lè)斯卡指數(shù)顯著、極顯著負(fù)相關(guān) (P＜0.05、P＜0.01)，與植物寄生線蟲(chóng)相對(duì)豐度、植物寄生線蟲(chóng)成熟度指數(shù)極顯著正相關(guān)(P＜0.01)；鉛含量與香農(nóng)多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05)，與優(yōu)勢(shì)度指數(shù)、植物寄生線蟲(chóng)成熟度指數(shù)顯著正相關(guān)(P＜0.05)。

表6 土壤線蟲(chóng)生態(tài)指標(biāo)與土壤環(huán)境中污染元素含量的相關(guān)性分析1)Table 6 Correlation analysis of soil nematode ecological indexes and pollution element contents in soil environment

結(jié)合表5、表6結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，土壤線蟲(chóng)群落結(jié)構(gòu)的變化可能與鉻、銅、鋅含量的差異密切相關(guān)，礦區(qū)土壤中鉻、銅、鋅含量的增加對(duì)土壤線蟲(chóng)群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成了一定的損害。

3 討論與結(jié)論

3.1 線蟲(chóng)發(fā)育指標(biāo)對(duì)礦區(qū)水環(huán)境的響應(yīng)

秀麗隱桿線蟲(chóng)是一種國(guó)際公認(rèn)的模式生物，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有60%～80%的人類同源基因，一直應(yīng)用于相關(guān)的毒理學(xué)試驗(yàn)，被當(dāng)做是生物安全性測(cè)試的一個(gè)組成部分[28]。吉宗慧等[29]研究顯示，高濃度的硫化汞會(huì)在一定程度上抑制線蟲(chóng)的生長(zhǎng)發(fā)育；郭肖穎等[16]研究顯示，隨著鐵礦區(qū)水環(huán)境中重金屬含量的增加，線蟲(chóng)生殖生長(zhǎng)發(fā)育的毒性也會(huì)增大。上述結(jié)果表明，秀麗隱桿線蟲(chóng)暴露在含重金屬的水環(huán)境中，會(huì)對(duì)線蟲(chóng)的生長(zhǎng)發(fā)育造成不同程度的損害。本研究模式生物秀麗隱桿線蟲(chóng)的水環(huán)境暴露試驗(yàn)結(jié)果顯示，采煤礦區(qū)的水環(huán)境會(huì)降低線蟲(chóng)壽命和存活率、減少線蟲(chóng)體長(zhǎng)、降低后代產(chǎn)卵數(shù)，同時(shí)誘導(dǎo)線蟲(chóng)生殖細(xì)胞凋亡，且煤礦開(kāi)采時(shí)間越長(zhǎng)，采樣點(diǎn)離礦井越近，對(duì)線蟲(chóng)發(fā)育指標(biāo)的抑制作用越顯著。

水中污染元素含量的檢測(cè)結(jié)果揭示，礦區(qū)水質(zhì)各項(xiàng)污染元素含量均符合國(guó)家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB3838—2002 Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)[25]，表明采煤塌陷區(qū)水環(huán)境質(zhì)量達(dá)到了集中式生活飲用水地表水源地一級(jí)保護(hù)區(qū)的水質(zhì)要求，這與蔡月等[30]研究結(jié)果相一致。另一方面，雖然試驗(yàn)所取水環(huán)境樣品都符合GB3838—2002 Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)[25]，但由于水中污染元素的種類和含量不同，對(duì)線蟲(chóng)生長(zhǎng)、生殖發(fā)育的影響也不同，煤礦開(kāi)采時(shí)間越長(zhǎng)，采樣點(diǎn)離礦井越近，線蟲(chóng)生長(zhǎng)發(fā)育受到的抑制作用越大。相關(guān)性分析結(jié)果顯示，秀麗隱桿線蟲(chóng)的發(fā)育抑制作用可能與礦區(qū)水環(huán)境中銅、鉻、砷、氟的含量密切相關(guān)，表明活體秀麗隱桿線蟲(chóng)對(duì)礦區(qū)水環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)測(cè)預(yù)警效果更靈敏，更能反映礦區(qū)水環(huán)境質(zhì)量的細(xì)微變化。

3.2 線蟲(chóng)群落結(jié)構(gòu)對(duì)礦區(qū)土壤環(huán)境的響應(yīng)

在土壤生態(tài)系統(tǒng)中，土壤線蟲(chóng)是一類十分活躍的生物，對(duì)于土壤有機(jī)質(zhì)的分解、養(yǎng)分循環(huán)和土壤理化性狀的改善等都具有十分重要的作用，在土壤生態(tài)鏈中占有重要地位[31]。土壤線蟲(chóng)的群落組成可以反映當(dāng)?shù)赝寥赖慕】禒顩r、污染狀況、有機(jī)物質(zhì)的輸入狀況及自然和外界干擾的程度等[11-13]。隨著對(duì)土壤線蟲(chóng)生態(tài)多樣性研究的深入，土壤線蟲(chóng)常作為生物多樣性的指示因子評(píng)價(jià)土壤的健康狀況和土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[32-33]。華建峰等[34]研究發(fā)現(xiàn)，礦區(qū)土壤中砷濃度的增加會(huì)降低土壤線蟲(chóng)群落的環(huán)境質(zhì)量，土壤線蟲(chóng)食物網(wǎng)受到的外界干擾顯著增大。高雅等[35]研究發(fā)現(xiàn)，煤礦開(kāi)采會(huì)減少土壤線蟲(chóng)群落結(jié)構(gòu)的多樣性，降低穩(wěn)定性。本文土壤線蟲(chóng)群落結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果表明，采煤礦區(qū)土壤環(huán)境會(huì)降低土壤線蟲(chóng)屬的數(shù)目，增加土壤中有害線蟲(chóng)植物寄生線蟲(chóng)的相對(duì)豐度，同時(shí)土壤線蟲(chóng)香農(nóng)多樣性指數(shù)、瓦斯樂(lè)斯卡指數(shù)、均勻度指數(shù)、自由生活線蟲(chóng)成熟度指數(shù)顯著降低，優(yōu)勢(shì)度指數(shù)和植物寄生線蟲(chóng)成熟度指數(shù)顯著增加，表明礦區(qū)環(huán)境降低了土壤線蟲(chóng)物種多樣性和線蟲(chóng)群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，土壤健康狀況顯著變差。煤礦開(kāi)采時(shí)間越長(zhǎng)，采樣點(diǎn)離礦井越近，對(duì)土壤線蟲(chóng)的影響愈大。

土壤中污染元素含量的分析結(jié)果揭示，礦區(qū)土壤各項(xiàng)污染元素含量符合土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB 15 618—1995國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[27]，土壤狀況總體良好，土壤指標(biāo)符合保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、維護(hù)人體健康的土壤需求，這與孫浩等[36]對(duì)淮北礦區(qū)土壤重金屬環(huán)境評(píng)價(jià)的結(jié)果一致。另一方面，雖然所取土壤樣品都符合GB 15 618—1995土壤二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[27]，但由于土壤重金屬的種類和含量不同，線蟲(chóng)群落結(jié)構(gòu)對(duì)其的響應(yīng)也不同，煤礦開(kāi)采時(shí)間越長(zhǎng)，采樣點(diǎn)離礦井越近，土壤線蟲(chóng)群落結(jié)構(gòu)的多樣性和穩(wěn)定性越低，土壤健康狀況越差。相關(guān)性分析結(jié)果顯示，土壤線蟲(chóng)群落結(jié)構(gòu)的變化可能與礦區(qū)土壤中鉻、銅、鋅的含量密切相關(guān)。表明土壤線蟲(chóng)群落結(jié)構(gòu)的變化對(duì)礦區(qū)土壤環(huán)境的監(jiān)測(cè)預(yù)警更靈敏，更能反映礦區(qū)土壤環(huán)境的細(xì)微變化。

綜上所述，采煤礦區(qū)水環(huán)境使秀麗隱桿線蟲(chóng)壽命和成活率降低、體長(zhǎng)變短、產(chǎn)卵數(shù)減少，同時(shí)誘導(dǎo)線蟲(chóng)生殖細(xì)胞凋亡，且煤礦開(kāi)采時(shí)間越長(zhǎng)，采樣點(diǎn)距離礦井愈近，對(duì)線蟲(chóng)發(fā)育指標(biāo)的抑制作用越顯著。采煤礦區(qū)土壤環(huán)境使土壤線蟲(chóng)屬的數(shù)目減少，植物寄生線蟲(chóng)的相對(duì)豐度增加，同時(shí)線蟲(chóng)香農(nóng)多樣性指數(shù)、瓦斯樂(lè)斯卡指數(shù)和自由生活線蟲(chóng)成熟度指數(shù)顯著降低，植物寄生線蟲(chóng)成熟度指數(shù)顯著提高；表明礦區(qū)環(huán)境降低了土壤質(zhì)量，且煤礦開(kāi)采時(shí)間越長(zhǎng)，采樣點(diǎn)距離礦井愈近，對(duì)土壤線蟲(chóng)群落結(jié)構(gòu)的影響越大。因此，秀麗隱桿線蟲(chóng)發(fā)育指標(biāo)對(duì)水環(huán)境的響應(yīng)，以及土壤線蟲(chóng)群落結(jié)構(gòu)對(duì)土壤環(huán)境的響應(yīng)，可以很好地指示出淮北采煤礦區(qū)的水環(huán)境質(zhì)量和土壤環(huán)境質(zhì)量。