淮北矿区拥有丰富的煤炭资源，煤炭开采历史久远，为区域的经济社会发展做出了突出贡献，但长期掠夺式的矿产开发形成了典型的采煤塌陷区。在塌陷区内，由煤炭开采、堆放和使用而产生的污染元素会通过多种途径迁移和转化进入周边水质和土壤，并通过食物链在动植物和人体内富集，给矿区人们的生产生活和身体健康带来潜在的威胁^[1-3]。近年来，煤矿开采引起的地表沉陷、地下水污染和土壤重金属超标等一系列生态环境问题受到了广泛关注。要解决这些矿区生态环境问题，首先应该对矿区环境质量进行科学有效的评价。有学者通过测定矿区水质的营养元素含量，结合单因子指数法评价矿区地下水环境质量^[4]。有学者测定了矿区土壤的重金属含量，并通过单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法揭示矿区土壤重金属污染特征及评价生态风险^[5-6]。当前针对淮北矿区生态环境质量的研究多集中于地下水的养分含量、土壤重金属含量等，对矿区生态环境生物安全性监测的报道相对较少^[7-8]。这些评价监测方法一般仅用污染物质的浓度值来评估矿区环境质量，难以灵敏地反映出淮北矿区生态系统中生物调控的细微变化^[9]。因此，建立一种科学的生物评价方法，更加灵敏有效地反映矿区水环境质量和土壤环境质量状况，对于淮北矿区生态环境的监测预警尤为重要。

土壤线虫作为土壤中最丰富的后生动物，存在于任何土壤环境中，处于土壤食物网的中心位置^{[3, 10]}。土壤线虫的群落组成可以反映当地土壤的健康状况、污染状况、有机物质的输入状况及自然和外界干扰程度等^[11-13]。秀丽隐杆线虫Caenorhabditis elegans作为土壤线虫的一种，是一种国际公认的模式生物，具有结构简单、易于实验室培养、生长周期短的优势，且具有60%~80%的人类同源基因，常被应用于环境评价、生态毒理、生命科学等各个领域^[14-15]。本文以安徽淮北采煤矿区为研究对象，通过活体秀丽隐杆线虫对矿区水环境的响应来指示矿区水环境质量，以及通过土壤线虫群落结构来指示矿区土壤环境质量，以期为淮北采煤矿区生态环境质量的生物学监测提供科学有效的理论依据。

1.   材料与方法

1.1   试验设计及样品采集

取样地点设在安徽省淮北市杜集区沈庄煤矿和石台煤矿，均是安徽淮北典型的采煤塌陷区，沈庄煤矿已有多年开采历史，而石台煤矿开采时间相对较短。采样共设7个样点，分别是CK：对照区，1：距离沈庄矿井100 m的矿区，2：距离沈庄矿井1 500 m的矿区，3：距离沈庄矿井3 000 m的矿区，4：距离石台矿井100 m的矿区，5：距离石台矿井1 500 m的矿区，6：距离石台矿井3 000 m的矿区(图1)。采集矿区附近的水塘水环境样品和农田土壤样品。水环境样品分别记为W_CK、W₁、W₂、W₃、W₄、W₅、W₆，取自0~30 cm水层。土壤样品分别记为S_CK、S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆，取自0~20 cm耕层土壤。采样时均为晴天，每个样点按照“S”形取样法采集5个点的样品并混匀成1个样品，每个采样点共取回约2 kg土样和1 000 mL水样，放在4 ℃冰箱保存。

图  1  采样点分布示意图

CK：对照区，1：距离沈庄矿井100 m的矿区，2：距离沈庄矿井1 500 m的矿区，3：距离沈庄矿井3 000 m的矿区，4：距离石台矿井100 m的矿区，5：距离石台矿井1 500 m的矿区，6：距离石台矿井3 000 m的矿区

Figure  1.  Distribution of sampling site

CK: Control area, 1: Mining area of 100 m away from Shenzhuang Mine, 2: Mining area of 1 500 m away from Shenzhuang Mine, 3: Mining area of 3 000 m away from Shenzhuang Mine, 4: Mining area of 100 m away from Shitai Mine, 5: Mining area of 1 500 m away from Shitai Mine, 6: Mining area of 3 000 m away from Shitai Mine

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1.2   试验方法

1.2.1   秀丽隐杆线虫的暴露试验

在进行矿区水环境检测时，选用的秀丽隐杆线虫品系为N2 Bristol野生型。矿区水环境样品用0.22 μm的微孔滤膜过滤后用于秀丽隐杆线虫的培养。每个样品做3次重复，主要检测秀丽隐杆线虫的半数致死时间、体长、产卵数、细胞凋亡等发育指标，检测方法参照文献[16-18]。

1.2.2   土壤线虫的分离鉴定

土壤线虫采用高效、常用的蔗糖离心漂浮法^[19]分离。称取50 g鲜土，加入0.8 g·mL⁻¹蔗糖溶液进行离心浮选，分离的线虫经24 h饥饿处理后，用TAF固定液(体积分数为40%的甲醛溶液7 mL、三乙醇胺2 mL、蒸馏水91 mL)固定，在生物显微镜下进行线虫属的鉴定和计数。每个样品做3次重复。根据线虫头部、尾部的形态学特征和取食特性将其划分为4个营养类群：植物寄生线虫、食细菌线虫、食真菌线虫和杂食/捕食线虫^[20-21]，具体分类检索方法参见《中国土壤动物检索图鉴》^[22]。

1.2.3   土壤线虫生态指标

1)香农多样性指数 $H'=-\sum {p}_{i}\mathit{{\rm{ln}}}{p}_{i}$ ，p_i为第i个分类单元中线虫个体数量占线虫总个体数量的比例；2)均匀度指数 $J' = H{'}/\ln S$ ，S为线虫分类单元数；3)优势度指数 $ \lambda =\sum {p}_{i}^{2} $ ；4)植物寄生线虫成熟度指数 $\mathrm{P}\mathrm{P}\mathrm{I}= \sum {v}_{i}f{′}_{i}$ ，v_i为根据土壤线虫在生态演替中的不同生活策略赋予的c-p值，ƒ_i为植物寄生线虫科/属数量在线虫种群中所占的比例；5)瓦斯乐斯卡指数 $ \mathrm{W}\mathrm{I}= (\mathrm{B}\mathrm{F}+\mathrm{F}\mathrm{F})/\mathrm{P}\mathrm{P} $ ，BF、FF和PP分别代表食细菌线虫、食真菌线虫和植物寄生线虫的数量；6)自由生活线虫成熟度指数 ${\rm{MI}} = \sum {{v_i}} f_i'$ ， $ f_i'$ 为自由生活线虫科/属数量在线虫种群中所占的比例。

1.2.4   理化性质检测

水中重金属铜、锌、铬、砷的含量采用电感耦合等离子−质谱法(安捷伦科技有限公司Agilent8800电感耦合等离子体质谱仪)测定，氟化物采用离子色谱法(美国戴安公司ICS-1100离子色谱仪)测定。土壤中重金属铜、铅、锌、铬、镉、砷、汞含量采用原子分光光度法(日本日立公司Z-2000原子吸收分光光度计)测定。

1.3   数据统计

统计数据采用SPSS 25.0软件进行方差分析及主成分分析，用LSD新复极差法进行显著性检验，图表采用Microsoft Excel 2010生成。

2.   结果与分析

2.1   秀丽隐杆线虫发育指标对淮北矿区水环境的响应

2.1.1   矿区水环境对线虫寿命和存活率的影响

通过对采取的水样进行秀丽隐杆线虫暴露试验，测得秀丽隐杆线虫的半数致死时间和存活率结果如图2所示。图2A显示，与W_CK相比，矿区水环境样品W₁、W₂、W₃、W₄、W₅和W₆的线虫半数致死时间分别显著降低了34.58%、30.18%、23.04%、25.68%、20.93%和15.63%(P<0.05)，表明采煤矿区水环境显著降低了线虫的半数致死时间。图2B显示，矿区水环境样品中秀丽隐杆线虫线虫存活时间为18~26 d，其中W₁、W₂、W₃、W₄、W₅和W₆的秀丽隐杆线虫的存活率曲线较W_CK明显左移，表明采煤矿区水环境降低了线虫的存活率；可能随着煤矿开采时间的增加，矿区水环境中产生了更多的有害成分^[23]，从而对线虫产生更大的毒性。

图  2  矿区水环境对秀丽隐杆线虫半数致死时间和存活率的影响

图A柱子上的不同小写字母表示样品间差异显著(P<0.05，LSD法)

Figure  2.  Influence of mining area water environment on lethal time of 50% and survival rate of Caenorhabditis elegans

Different lowercase letters on the columns in Fig. A indicate significant differences among different samples (P<0.05, LSD method)

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2.1.2   矿区水环境对线虫体长的影响

同步化的秀丽隐杆线虫从L1期开始暴露于不同的水环境，72 h后取出测量体长，结果如图3所示。与W_CK相比，矿区水环境样品W₁、W₂、W₃、W₄、W₅和W₆的线虫体长分别显著降低了62.86%、57.87%、53.68%、58.14%、52.27%和36.23%(P<0.05)。从开采年限上看，W₁与W₄的线虫体长存在显著差异，W₁比W₄显著降低了11.28%(P<0.05)。从采样点离矿井距离上来看，沈庄矿点W₁、W₂、W₃及石台矿点W₄、W₅、W₆之间的秀丽隐杆线虫体长存在显著差异(P<0.05)，其中W₂、W₃的体长分别为W₁的1.13倍和1.25倍，W₅、W₆的体长分别为W₄的1.14倍和1.52倍，表明与矿井距离越近，对线虫体长的抑制作用越强。

图  3  矿区水环境对秀丽隐杆线虫体长的影响

柱子上的不同小写字母表示样品间差异显著(P<0.05，LSD法)

Figure  3.  Effects of mining area water environment on body length of Caenorhabditis elegans

Different lowercase letters on the columns indicate significant differences among different samples (P<0.05, LSD method)

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2.1.3   矿区水环境对线虫产卵的影响

线虫暴露于矿区水环境对产卵数影响的结果如图4所示。与W_CK相比，矿区水环境样品W₁、W₂、W₃、W₄、W₅和W₆的线虫产卵数分别显著降低了56.70%、51.38%、46.72%、50.58%、45.60%和39.00%(P<0.05)。从开采年限上看，W₁的线虫产卵数较W₄显著降低了12.37%(P<0.05)，表明煤矿开采时间越长，线虫后代产卵数目越少。从采样点离矿井距离上来看，沈庄矿点W₁、W₂、W₃及石台矿点W₄、W₅、W₆之间的产卵数目存在显著差异(P<0.05)，其中，W₂、W₃的体长分别为W₁的1.12倍和1.23倍，W₅、W₆的体长分别为W₄的1.10倍和1.23倍，表明与矿井距离越近，线虫后代产卵数目越少。

图  4  矿区水环境对秀丽隐杆线虫产卵数的影响

柱子上的不同小写字母表示样品间差异显著(P<0.05，LSD法)

Figure  4.  Effects of mining area water environment on the number of eggs laid by Caenorhabditis elegans

Different lowercase letters on the columns indicate significant differences amnong different samples (P<0.05, LSD method)

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2.1.4   矿区水环境对线虫生殖细胞凋亡的影响

线虫的生殖腺是一个非常敏感的组织模型，试验选用线虫生殖细胞凋亡作为检测终点，探究矿区周边不同水环境对线虫生殖发育的影响。将同步化的L1期线虫暴露于不同水体72 h后，检测线虫1条性腺臂的细胞凋亡数目，结果如图5所示。与W_CK(生殖细胞凋亡数目为3.37)相比，矿区水环境样品W₁、W₂、W₃的线虫生殖细胞凋亡数目分别显著增加了44.34%、33.03%、18.96%(P<0.05)。从开采年限上看，W₁的线虫生殖细胞凋亡数目比W₄显著增加了12.37%(P<0.05)，表明煤矿开采时间的增加会诱导线虫生殖细胞凋亡数目显著增加。从采样点离矿井距离上来看，沈庄矿点W₁、W₂与W₃之间存在显著差异(P<0.05)，表明距离矿井越近，生殖细胞凋亡数目越多。

图  5  矿区水环境诱导的秀丽隐杆线虫生殖细胞凋亡

不同样品柱子上的不同小写字母表示样品间差异显著(P<0.05，LSD法)

Figure  5.  The apoptosis of Caenorhabditis elegans germ cells induced by mining area water environment

Different lowercase letters on the columns indicate significant differences among different samples (P<0.05, LSD method)

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2.1.5   线虫发育指标与矿区水环境中污染元素的关系

由于采煤矿区环境常有重金属污染的风险，而秀丽隐杆线虫生长发育与其有明显的关联^[24]，因此我们对水样的污染元素含量做了检测，结果见表1。地表水环境质量标准GB 3838—2002 Ⅱ类水标准^[25]规定，地表水环境中铜、锌、铬、砷、氟的标准限值分别为1.0、1.0、0.05、0.05、1.0 mg·L⁻¹。由表1可以看出，矿区水环境样品中铜质量浓度为0.43~1.45 μg·L⁻¹，锌质量浓度为0.23~5.01 μg·L⁻¹，铬质量浓度为11.12~22.77 μg·L⁻¹，砷质量浓度为5.36~15.85 μg·L⁻¹，氟质量浓度为0.73~2.20 μg·L⁻¹。由此可以发现，采煤塌陷区水环境中铜、锌、铬、砷、氟含量远低于标准GB 3838—2002 Ⅱ类水标准^[25]限值。其中，W₁、W₂、W₃、W₄、W₅、W₆的铜含量分别是W_CK的36.25、26.50、19.50、29.75、17.75、10.75倍，铬含量分别是W_CK的3.23、2.39、1.78、2.35、1.66、1.58倍，砷含量分别是W_CK的8.95、5.39、4.10、6.54、3.03、3.49倍，氟含量分别是W_CK的5.79、4.13、3.32、3.50、2.82、1.92倍。

将水样污染元素的含量与秀丽隐杆线虫生长发育指标做相关性分析得到表2，由表2可以看出，水环境中铜、铬、砷、氟含量与秀丽隐杆线虫的半数致死时间、体长、产卵数目呈显著负相关关系，与线虫生殖细胞凋亡数目呈显著正相关关系。

表  1  矿区水样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)

水样 Water sample	铜 Copper	锌 Zinc	铬 Chrome	砷 Arsenic	氟 Fluorine
WCK	0.04±0.001g	0.29±0.002f	7.05±0.001g	1.77±0.004g	0.38±0.001g
W1	1.45±0.003a	5.01±0.001a	22.77±0.003a	15.85±0.004a	2.20±0.006a
W2	1.06±0.004c	3.24±0.003b	16.86±0.001b	9.54±0.003c	1.57±0.005b
W3	0.78±0.002d	1.08±0.002d	12.54±0.003d	7.25±0.002d	1.26±0.004d
W4	1.19±0.002b	1.53±0.001c	16.56±0.002c	11.57±0.004b	1.33±0.003c
W5	0.71±0.002e	0.78±0.002e	11.67±0.002e	5.36±0.004f	1.07±0.003e
W6	0.43±0.004f	0.23±0.002g	11.12±0.006f	6.18±0.003e	0.73±0.002f
1)同列数据后不同小写字母表示样品间差异显著(P<0.05，LSD法 ) 　1) Different lowercase letters in the same column represent significant differences among different water samples of mining area (P<0.05, LSD method)

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表  2  秀丽隐杆线虫发育指标与水环境中污染元素含量的相关性分析¹⁾

Table  2.  Correlation analyses of Caenorhabditis elegansgrowth and development indexes and pollution element contents in water environment

生长发育指标 Growth and development index	铜 Copper	锌 Zinc	铬 Chrome	砷 Arsenic	氟 Fluorine
半数致死时间 50% lethal time	−0.958**	−0.790*	−0.916**	−0.890**	−0.942**
体长 Body length	−0.903**	−0.606	−0.798*	−0.790*	−0.840*
产卵数目 Number of eggs laid	−0.879**	−0.589	−0.794*	−0.792*	−0.819*
生殖细胞凋亡数目 Number of apoptotic germ cell	0.935**	0.950**	0.949**	0.905**	0.975**
1) “*”和“**”分别表示在0.05和0.01水平显著相关(Pearson法) 　1) “*” and “**” indicate significant correlations at 0.01 and 0.05 levels respectively (Pearson method)

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矿区水环境中铜、铬、砷、氟的含量差异较大，结合相关性分析结果可以发现，水环境对秀丽隐杆线虫发育的抑制作用可能与铜、铬、砷、氟含量密切相关，矿区水环境中铜、铬、砷、氟含量的增加对秀丽隐杆线虫的发育造成了一定的影响。

2.2   土壤线虫群落结构对淮北矿区土壤环境的响应

2.2.1   矿区土壤环境对土壤线虫营养类群的影响

对不同矿区土壤的线虫群落结构进行分析，共鉴定出19个属(表3)，S_CK、S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆分别鉴定出18、15、16、15、16、16、16个属。矿区土壤样品S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆鉴定出的线虫属数均低于S_CK，表明采煤矿区的土壤环境能够降低土壤线虫属的数目。图6显示，不同矿区土壤样地的线虫优势类群均为植物寄生线虫。土壤线虫个体数目占线虫群落个体总数10%以上的为优势线虫属，S_CK的优势属为短体属，矿区土壤样品S₁的优势属为螺旋属，S₂的优势属为螺旋属、矮化属、短体属和丝尾垫刃属，S₃的优势属为螺旋属、矮化属和垫刃属，S₄的优势属为螺旋属、矮化属和短体属，S₅的优势属为螺旋属、矮化属和短体属，S₆的优势属为螺旋属和矮化属。

表  3  不同类群的土壤线虫占比

Table  3.  The proportions of different soil nematode genera %

属 Genus	相对丰度1) Relative abundance
	SCK	S1	S2	S3	S4	S5	S6
螺旋属 Helicotylenchus	8.20	63.36#	13.08#	16.93#	21.58#	11.45#	28.16#
盘旋属 Rotylenchus	2.56	5.27	—	3.88	5.16	1.45	2.55
矮化属 Tylenchorhynchus	7.38	6.80	22.61#	17.60#	18.70#	23.93#	19.60#
短体属 Pratylenchus	28.62#	1.87	18.72#	8.00	17.89#	19.05#	6.94
丝尾垫刃属 Filenchus	3.45	2.80	15.70	6.40	2.44	4.29	5.79
垫刃属 Tylenchus	7.38	1.87	—	19.96#	3.25	2.86	1.65
潜根属 Hirschmanniella	—	—	2.30	1.25	—	6.67	—
板唇属 Chiloplacus	5.84	—	3.62	—	1.63	—	—
盆咽属 Panagrolaimus	0.68	0.32	—	2.74	0.12	0.15	1.26
绕线属 Plectus	4.23	2.24	1.03	2.39	2.56	5.24	6.57
头叶属 Cephalobus	1.72	2.54	1.42	0.84	—	3.25	4.56
真头叶属 Eucephalobus	6.20	3.87	2.48	2.40	5.48	5.71	8.40
茎属 Ditylenchus	1.66	1.45	1.55	5.61	1.54	3.40	2.21
真滑刃属 Aphelenchus	8.20	2.33	3.01	0.80	3.00	0.15	3.44
滑刃属 Aphelenchoides	3.10	1.80	1.04	—	—	—	2.24
孔咽属 Aporcelaimus	2.46	—	3.31	4.80	6.20	8.30	1.10
单齿属 Mononchus	0.42	2.54	2.70	—	0.15	1.25	1.40
真矛线属 Eudorylaimus	6.56	0.93	6.47	6.40	7.06	2.86	4.13
中矛线属 Mesodorylaimus	1.36	—	0.96	—	3.25	—	—
1) SCK、S1、S2、S3、S4、S5、S6为采样矿区土壤环境样品；“#”表示优势属；“—"表示未检测到 　1) SCK, S1, S2, S3, S4, S5 and S6 are soil environment samples in the mining area; “#” indicates dominant genus;“—” indicates no genus detected

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图  6  不同营养类群的土壤线虫占比

Figure  6.  The proportions of different soil nematode trophic groups

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与S_CK相比，S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆的植物寄生线虫相对丰度分别增加了42.36%、25.77%、28.55%、19.86%、21.03%、12.34%；而食细菌线虫相对丰度明显低于S_CK，S₁、S₂、S₃、S₄、S₅的食细菌线虫相对丰度较S_CK分别减少了51.96%、54.21%、55.17%、47.58%、23.12%。从开采年限看，与S₄相比，S₁的植物寄生线虫相对丰度增加了18.77%；从采样点离矿井距离来看，石台矿点S₄、S₅、S₆的食细菌线虫相对丰度存在明显差异，S₅、S₆的食细菌线虫相对丰度较S₄分别增加了46.68%、112.45%。上述结果表明，采煤矿区土壤中线虫属的数目减少，植物寄生线虫相对丰度增加。

2.2.2   矿区土壤环境对土壤线虫生态指数的影响

矿区不同样地的土壤线虫生态指数测定结果见表4，由表4可以发现，与S_CK相比，矿区土壤样品S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆的香农多样性指数(H′)、瓦斯乐斯卡指数(WI)显著低于S_CK，而植物寄生线虫成熟度指数(PPI)显著高于S_CK(P<0.05)，其中，S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆的香农多样性指数较S_CK分别降低了36.84%、8.50%、5.67%、11.74%、8.91%、6.88%，瓦斯乐斯卡指数较S_CK分别降低了67.27%、63.64%、63.64%、61.82%、52.73%、20.00%，植物寄生线虫成熟度指数较S_CK分别增加了48.77%、24.69%、20.99%、24.07%、24.69%、15.43%；表明采煤矿区土壤的线虫群落结构稳定性降低，土壤健康状况变差。

表  4  矿区土壤样品中线虫的生态指数¹⁾

Table  4.  The ecological indices of nematode in soil samples of mining area

土样 Soil sample	香农多样性 指数(H′) Shannon diversity index	瓦斯乐斯卡 指数(WI) Wasilewska index	优势度 指数(λ) Dominance index	均匀度 指数(J′) Evenness index	自由生活线虫 成熟度指数(MI) Free-living nematode maturity index	植物寄生线虫 成熟度指数(PPI) Phytophagous maturity index
SCK	2.47±0.10a	0.55±0.02a	0.12±0.00b	0.85±0.04a	1.12±0.01a	1.62±0.05d
S1	1.56±0.07c	0.18±0.00e	0.41±0.02a	0.57±0.02b	0.44±0.06d	2.41±0.11a
S2	2.26±0.02b	0.20±0.01d	0.14±0.01b	0.82±0.01a	0.89±0.02c	2.02±0.03b
S3	2.33±0.04b	0.20±0.02d	0.12±0.01b	0.86±0.04a	0.88±0.04c	1.96±0.02c
S4	2.18±0.12b	0.21±0.02d	0.13±0.02b	0.81±0.03a	1.10±0.07a	2.01±0.07b
S5	2.25±0.09b	0.26±0.01c	0.14±0.01b	0.83±0.02a	0.97±0.02b	2.02±0.04b
S6	2.30±0.05b	0.44±0.02b	0.14±0.01b	0.83±0.03a	0.90±0.01c	1.87±0.04c
1) 同列数据后不同小写字母表示样品间差异显著(P<0.05，LSD法) 　1) Different lowercase letters in the same column represent significant differences among different samples (P<0.05, LSD method)

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从开采年限上看，与S₁相比，S₄的香农多样性指数、瓦斯乐斯卡指数、均匀度指数、自由生活线虫成熟度指数显著增加，优势度指数和植物寄生线虫成熟度指数显著降低(P<0.05)，表明采矿时间的增加会降低土壤质量，其中S₄的香农多样性指数、瓦斯乐斯卡指数、均匀度指数、自由生活线虫成熟度指数分别为S₁的1.40、1.17、1.42、2.50倍，而优势度指数比S₁降低了68.29%，植物寄生线虫成熟度指数降低了16.60%；表明采矿时间的增加使土壤线虫群落结构稳定性降低，土壤健康状况变差。

从采样点与矿井距离来看，沈庄矿点S₁、S₂、S₃的植物寄生线虫成熟度指数存在显著差异(P<0.05)，距离矿井越远，植物寄生线虫成熟度指数越小；石台矿点S₄、S₅、S₆的瓦斯乐斯卡指数和自由生活线虫成熟度指数存在显著差异(P<0.05)，距离矿井越远，瓦斯乐斯卡指数越大，自由生活线虫成熟度指数越小。结果表明随着采样点与矿井距离的增加，土壤线虫群落结构稳定性增强，土壤质量更好。

2.2.3   土壤线虫群落结构与矿区土壤中主要污染元素的关系

由于采煤矿区土壤环境常有重金属污染的风险，而土壤线虫群落结构与其有明显的相关性^[26]，因此我们对土样主要重金属含量做了检测，结果见表5。土壤环境质量标准GB 15618—1995国家二级标准^[27]规定，土壤环境中铬、铜、锌、铅、镉、砷、汞的标准限值分别为200、100、250、300、0.30、30、0.50 mg·kg^-1。由表5可以看出，矿区土壤样品中铬质量分数为45.84~54.24 mg·kg⁻¹，铜质量分数为17.91~23.62 mg·kg⁻¹，锌质量分数为50.99~60.58 mg·kg⁻¹，铅质量分数为15.78~23.77 mg·kg⁻¹，镉质量分数为0.10~0.19 mg·kg⁻¹，砷质量分数为9.28~16.35 mg·kg⁻¹，汞质量分数为0.09~0.28 mg·kg⁻¹。其中，S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆的铬含量较S_CK分别提高了30.79%、19.51%、10.66%、25.03%、10.54%、16.88%，铜含量较S_CK分别提高了59.38%、38.19%、29.82%、28.07%、44.67%、20.85%，锌含量较S_CK分别提高了44.00%、37.60%、25.12%、31.00%、26.72%、21.20%；表明矿区土壤中铬、铜、锌的含量差异较大。

表  5  土壤样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)

土样 Soil sample	铬 Chrome	铜 Copper	锌 Zinc	铅 Plumbum	镉 Cadmium	砷 Arsenic	汞 Mercury
SCK	41.47±0.02g	14.82±0.03g	42.07±0.05g	18.21±0.02f	0.16±0.00c	8.55±0.02g	0.02±0.00g
S1	54.24±0.02a	23.62±0.02a	60.58±0.08a	23.77±0.03a	0.19±0.00a	16.35±0.01a	0.11±0.00d
S2	49.56±0.03c	20.48±0.02c	57.89±0.07b	20.54±0.01b	0.18±0.00b	13.58±0.01c	0.09±0.00e
S3	45.89±0.01e	19.24±0.10d	52.64±0.05e	18.47±0.02e	0.16±0.00c	12.14±0.01e	0.08±0.00f
S4	51.85±0.02b	18.98±0.03e	55.11±0.01c	20.17±0.02c	0.13±0.00d	13.01±0.02d	0.28±0.00a
S5	45.84±0.02f	21.44±0.11b	53.31±0.06d	19.89±0.02d	0.12±0.00e	9.28±0.01f	0.15±0.00c
S6	48.47±0.02d	17.91±0.01f	50.99±0.07f	15.78±0.01g	0.10±0.00f	14.51±0.03b	0.17±0.00b
1) 同列数据后不同小写字母表示样品间差异显著 (P<0.05，LSD法) 　1) Different lowercase letters in the same column represent significant differences among different samples (P<0.05, LSD method)

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将矿区土壤样品重金属含量与土壤线虫群落结构的相关指标做相关性分析得到表6，由表6可以看出，土壤样品中铬含量与香农多样性指数显著负相关，与植物寄生线虫成熟度指数显著正相关(P<0.05)；铜含量与食真菌线虫相对丰度、香农多样性指数、瓦斯乐斯卡指数、自由生活线虫成熟度指数显著负相关(P<0.05)，与植物寄生线虫相对丰度、植物寄生线虫成熟度指数极显著正相关(P<0.01)；锌含量与食真菌线虫相对丰度、瓦斯乐斯卡指数显著、极显著负相关(P<0.05、P<0.01)，与植物寄生线虫相对丰度、植物寄生线虫成熟度指数极显著正相关(P<0.01)；铅含量与香农多样性指数、均匀度指数显著负相关(P<0.05)，与优势度指数、植物寄生线虫成熟度指数显著正相关(P<0.05)。

表  6  土壤线虫生态指标与土壤环境中污染元素含量的相关性分析¹⁾

Table  6.  Correlation analysis of soil nematode ecological indexes and pollution element contents in soil environment

生态指数 Ecological index	铬 Chrome	铜 Copper	锌 Zinc	铅 Plumbum	镉 Cadmium	砷 Arsenic	汞 Mercury
PP′	0.750	0.920**	0.909**	0.749	0.506	0.677	0.122
BF′	−0.534	−0.627	−0.729	−0.714	−0.636	−0.362	−0.108
FF′	−0.632	−0.807*	−0.819*	−0.453	0.097	−0.361	−0.615
OP′	−0.225	−0.287	−0.137	−0.137	−0.195	−0.494	0.352
H′	−0.813*	−0.802*	−0.748	−0.811*	−0.449	−0.712	−0.164
WI	−0.681	−0.823*	−0.890**	−0.668	−0.364	−0.480	−0.346
λ	0.662	0.690	0.589	0.757*	0.524	0.638	−0.065
J′	−0.725	−0.695	−0.625	−0.790*	−0.509	−0.662	−0.029
MI	−0.638	−0.769*	−0.687	−0.622	−0.512	−0.735	0.159
PPI	0.855*	0.953**	0.924**	0.808*	0.397	0.713	0.269
1) PP′：植物寄生线虫相对丰度，BF′：食细菌线虫相对丰度，FF′：食真菌线虫相对丰度，OP′：杂食/捕食线虫相对丰度，H′：香农多样性指数，WI：瓦斯乐斯卡指数，λ：优势度指数，J′：均匀度指数，MI：自由生活线虫成熟度指数，PPI：植物寄生线虫成熟度指数；“*”和“**”分别表示在0.05和0.01水平显著相关(Pearson法) 　1) PP′：Relative abundance of phytophagous, BF′：Relative abundance of bacterivores, FF′：Relative abundance of fungivores, OP′：Relative abundance of omnivore/predator, H′：Shannon diversity index, WI：Wasilewska index, λ：Dominance index, J′：Evenness index, MI：Free-living nematode maturity index, PPI：Phytophagous maturity index; “*” and “**” indicate significant correlations at 0.01 and 0.05 levels respectively (Pearson method)

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结合表5、表6结果可以发现，土壤线虫群落结构的变化可能与铬、铜、锌含量的差异密切相关，矿区土壤中铬、铜、锌含量的增加对土壤线虫群落结构的稳定性造成了一定的损害。

3.   讨论与结论

3.1   线虫发育指标对矿区水环境的响应

秀丽隐杆线虫是一种国际公认的模式生物，结构简单，具有60%~80%的人类同源基因，一直应用于相关的毒理学试验，被当做是生物安全性测试的一个组成部分^[28]。吉宗慧等^[29]研究显示，高浓度的硫化汞会在一定程度上抑制线虫的生长发育；郭肖颖等^[16]研究显示，随着铁矿区水环境中重金属含量的增加，线虫生殖生长发育的毒性也会增大。上述结果表明，秀丽隐杆线虫暴露在含重金属的水环境中，会对线虫的生长发育造成不同程度的损害。本研究模式生物秀丽隐杆线虫的水环境暴露试验结果显示，采煤矿区的水环境会降低线虫寿命和存活率、减少线虫体长、降低后代产卵数，同时诱导线虫生殖细胞凋亡，且煤矿开采时间越长，采样点离矿井越近，对线虫发育指标的抑制作用越显著。

水中污染元素含量的检测结果揭示，矿区水质各项污染元素含量均符合国家地表水环境质量标准GB3838—2002 Ⅱ类水标准^[25]，表明采煤塌陷区水环境质量达到了集中式生活饮用水地表水源地一级保护区的水质要求，这与蔡月等^[30]研究结果相一致。另一方面，虽然试验所取水环境样品都符合GB3838—2002 Ⅱ类水标准^[25]，但由于水中污染元素的种类和含量不同，对线虫生长、生殖发育的影响也不同，煤矿开采时间越长，采样点离矿井越近，线虫生长发育受到的抑制作用越大。相关性分析结果显示，秀丽隐杆线虫的发育抑制作用可能与矿区水环境中铜、铬、砷、氟的含量密切相关，表明活体秀丽隐杆线虫对矿区水环境质量的监测预警效果更灵敏，更能反映矿区水环境质量的细微变化。

3.2   线虫群落结构对矿区土壤环境的响应

在土壤生态系统中，土壤线虫是一类十分活跃的生物，对于土壤有机质的分解、养分循环和土壤理化性状的改善等都具有十分重要的作用，在土壤生态链中占有重要地位^[31]。土壤线虫的群落组成可以反映当地土壤的健康状况、污染状况、有机物质的输入状况及自然和外界干扰的程度等^[11-13]。随着对土壤线虫生态多样性研究的深入，土壤线虫常作为生物多样性的指示因子评价土壤的健康状况和土壤生态系统的稳定性^[32-33]。华建峰等^[34]研究发现，矿区土壤中砷浓度的增加会降低土壤线虫群落的环境质量，土壤线虫食物网受到的外界干扰显著增大。高雅等^[35]研究发现，煤矿开采会减少土壤线虫群落结构的多样性，降低稳定性。本文土壤线虫群落结构的分析结果表明，采煤矿区土壤环境会降低土壤线虫属的数目，增加土壤中有害线虫植物寄生线虫的相对丰度，同时土壤线虫香农多样性指数、瓦斯乐斯卡指数、均匀度指数、自由生活线虫成熟度指数显著降低，优势度指数和植物寄生线虫成熟度指数显著增加，表明矿区环境降低了土壤线虫物种多样性和线虫群落结构的稳定性，土壤健康状况显著变差。煤矿开采时间越长，采样点离矿井越近，对土壤线虫的影响愈大。

土壤中污染元素含量的分析结果揭示，矿区土壤各项污染元素含量符合土壤环境质量标准GB 15618—1995国家二级标准^[27]，土壤状况总体良好，土壤指标符合保障农业生产、维护人体健康的土壤需求，这与孙浩等^[36]对淮北矿区土壤重金属环境评价的结果一致。另一方面，虽然所取土壤样品都符合GB 15618—1995土壤二级标准^[27]，但由于土壤重金属的种类和含量不同，线虫群落结构对其的响应也不同，煤矿开采时间越长，采样点离矿井越近，土壤线虫群落结构的多样性和稳定性越低，土壤健康状况越差。相关性分析结果显示，土壤线虫群落结构的变化可能与矿区土壤中铬、铜、锌的含量密切相关。表明土壤线虫群落结构的变化对矿区土壤环境的监测预警更灵敏，更能反映矿区土壤环境的细微变化。

综上所述，采煤矿区水环境使秀丽隐杆线虫寿命和成活率降低、体长变短、产卵数减少，同时诱导线虫生殖细胞凋亡，且煤矿开采时间越长，采样点距离矿井愈近，对线虫发育指标的抑制作用越显著。采煤矿区土壤环境使土壤线虫属的数目减少，植物寄生线虫的相对丰度增加，同时线虫香农多样性指数、瓦斯乐斯卡指数和自由生活线虫成熟度指数显著降低，植物寄生线虫成熟度指数显著提高；表明矿区环境降低了土壤质量，且煤矿开采时间越长，采样点距离矿井愈近，对土壤线虫群落结构的影响越大。因此，秀丽隐杆线虫发育指标对水环境的响应，以及土壤线虫群落结构对土壤环境的响应，可以很好地指示出淮北采煤矿区的水环境质量和土壤环境质量。