晋陕蒙矿区新构土体土壤质量恢复及其微生物特性变化的研究

发布时间：2020-07-31 16:32

【摘要】：我国经济的快速发展与煤炭消费有着密切的联系,煤炭消费随着经济和工业的扩张而不断增长。然而,煤炭开采会打破当地的生态环境平衡,引发一系列生态环境问题。采矿活动导致土壤质量退化,破坏区域生态系统,减少生物多样性和土地生产力。人为引起的土壤质量及其生物特性的变化对生态系统的健康发展,特别是干旱和半干旱生态脆弱地区的生态系统的健康发展有着深远的影响。如何提高矿区新构土体土壤养分,改良土壤结构性,最终提高土壤质量是矿区新构土体土壤生态恢复的关键环节。土壤微生物在调节多种生态功能方面发挥着重要作用,微生物从土壤中获取养分和栖息地,并对土壤质量产生影响。鉴于微生物在能量迁移、营养循环和植被恢复中的综合作用,探索不同植被恢复条件与土壤微生物群落之间的关系,可以为生态恢复提供重要信息。因此,本研究针对煤矿开发对土壤和植被状况的影响,研究矿区复垦区不同植被配置模式下新构土壤理化及生物性质,通过对土壤质量进行综合评价探讨其演变规律并确定不同土壤质量评价方法的适用性,同时运用高通量测序技术对研究矿区复垦区典型植被下微生物多样性变化特征和影响因子进行研究,作为矿区新构土体土壤质量恢复效果的评价依据。主要结论如下:(1)植被恢复有利于改善新构土体土壤的物理、化学和生物学性质。不同样地土壤容重、pH、电导率和钠吸附比随土层深度的增加而增大,土壤颗粒组成随土层深度的增加变化规律不明显,其余土壤化学性质和生物学性质随土层深度的增加而减少,且差异显著。不同土层中以表层土壤性质改善较为明显。0-20cm表层土壤中,容重在自然恢复地和复垦地灌木+草本中均为最低,为1.28 g·cm~(-3),在未复垦地最高,为1.35 g·cm~(-3);pH在自然恢复地最低,为8.40,在未复垦地最高,为8.74;电导率在自然恢复地最低,为87.45 mS·m~(-1),在复垦地乔木+草地中最高,为100.31 mS·m~(-1);有机质含量在自然恢复地最高,为22.08 g·kg~(-1),在未复垦地最低,仅为9.3 g·kg~(-1);全氮含量在自然恢复地最高,为0.63 g·kg~(-1),速效氮含量在复垦地灌木中最高,为13.13 mg·kg~(-1),全氮和速效氮均在未复垦地中最低,分别为0.13 g·kg~(-1)和4.59 mg·kg~(-1);全磷含量在复垦地乔木+草本中最高,为0.57 g·kg~(-1),在未复垦地最低,为0.42 g·kg~(-1);速效磷含量在复垦地草本中最高,为12.48 mg·kg~(-1),在复垦地灌木中最低,为3.69 mg·kg~(-1);全钾含量在复垦地乔木+草本中最高,为18.70 g·kg~(-1),速效钾含量在复垦地灌木中最高,为162.50mg·kg~(-1),全钾和速效钾均在未复垦地中最低,分别为5.79 g·kg~(-1)和39.04 mg·kg~(-1);阳离子交换量在复垦地灌木中最高,为18.51 cmol?kg~(-1),在未复垦地中最低,为15.43 cmol?kg~(-1);钠吸附比在复垦地灌木+草本中最低,为0.43,在未复垦地中最高,为0.86;过氧化氢酶和脲酶均在复垦地灌木中最高,分别为6.53 mg·(g·24h)~(-1)和2.01 mg·(g·24h)~(-1),在未复垦地中最低,分别为2.85 mg·(g·24h)~(-1)和0.04mg·(g·24h)~(-1);碱性磷酸酶在复垦地灌木中最高,为0.86 mg·(g·24h)~(-1),在复垦地乔木中最低,为0.47 mg·(g·24h)~(-1);蔗糖酶在自然恢复地中最高,为14.26mg·(g·24h)~(-1),在未复垦地中最低,为1.51 mg·(g·24h)~(-1);微生物碳含量在自然恢复地中最高,为378.97 mg?kg~(-1),微生物氮含量在复垦地灌木中最高,为83.39mg?kg~(-1),微生物碳和微生物氮含量均在未复垦地中最低,分别为5.98 mg?kg~(-1)和15.22 mg?kg~(-1)。在该区域选择种植灌木植被类型是新构土体土壤物理、化学和生物学性质快速恢复的主要手段,尽管该区域经过20年左右的植被恢复,但大多数植被恢复类型下新构土体土壤物理、化学和生物学性质仍未达到原自然土壤水平。可见,矿区新构土体土壤恢复是一个漫长的过程。(2)采用四种土壤质量评价方法(非线性土壤质量指数法、线性土壤质量指数法、非线性内梅罗指数法和线性内梅罗指数法)评价了新构土体土壤质量状况,基于最小数据集的非线性土壤质量指数评价具有较高的精度。筛选出了该研究区域土壤质量评价指标最小数据集,分别为砂粒、碱性磷酸酶、钠吸附比和微生物碳。土壤质量的主要限制因素为砂粒含量、磷的有效性、盐渍化以及碳的活性程度。植被恢复有利于提高新构土体土壤质量,种植灌木效果最好,甚至超过了自然植被土壤质量。(3)植被恢复可显著改善新构土体土壤OTUs、细菌群落丰富度、多样性指数以及部分土壤生化性质。然而,尽管经过近20年的植被恢复,土壤细菌群落结构并没有发生明显的变化。冗余分析(RDA)和Pearson相关系数结果表明,细菌群落对生化性质的响应不明显,优势菌门为变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)和酸杆菌门(Acidobacteria)。由于灌木土壤具有较好的生物化学特性、细菌丰富度和多样性,被认为是该地区的最佳植被恢复类型。土壤生化性质中对土壤细菌群落多样性的主要影响因素为:有机质,速效氮,过氧化氢酶和蔗糖酶。(4)不同植被类型下,与单一指标相比,土壤质量综合评价指数与微生物α多样性指标之间具有更显著的相关关系。说明土壤质量综合评价指数能够较好地反映出微生物α多样性的变化情况,可将土壤质量指数作为评价土壤微生物多样性的指示性因子。相反,微生物α多样性优劣状况也能影响土壤质量的高低。而植被恢复能够对土壤质量产生明显影响,因此也间接地反映了植被恢复对土壤微生物多样性具有影响作用。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S15
【图文】：

土壤质量评价,尺度

图 1.1 基于空间尺度的土壤质量评价Fig. 1.1 Soil quality evaluation based on spatial scale壤质量的好坏程度是由多种因素共同决定的，感官或者仪器分析都无法取土壤质量，需要对能够表征土壤性状的指标进行测定，并最终进行表达。因此，土壤质量的综合体现必须借助评价指标体系，对土壤质标的准确筛选是进行土壤质量评价的关键步骤。Arshad 等[62]认为，土价指标能够体现出土壤功能状况，具体表现为可以获取的土壤或植被表 1.1 所示，目前土壤质量评价指标涵盖了物理性质、环境因子、肥力化学指标、生态指标和生物指标六个主要方面，然而较高的使用频率理化性质方面，对生物学指标的研究较少。

碎石,主成分,指标,晋陕蒙

晋陕蒙矿区新构土体土壤质量恢复及其微生物特性变化的研究每个指标，如果相关系数小于 0.6，则所有指标均可保留[74]。不同高荷载指标之间显著相关（r>0.6），则选择相关系数和绝入最小数据集[127]。于特征值>1 的碎石检验结果（图 4.1）得知，提取前四个主成的大部分信息。

曲线分析,采样点,高通量,相似度

最后，利用 Illumina Hiseq 2500 平台(Illumina Corporati混合样本进行细菌 rRNA 基因的高通量测序分析。rimmomatic 软件平台(0.33 版本)对原始序列进行降噪、排序和物进行裁剪[149]。对剩余序列进行冗余筛选，使用.mothur.org/wiki/Chao)，将每个样本的所有唯一序列在相似度操作分类单元(Operational Taxonomic Units, OTUs)。利用细参考数据库(http://www.arb-silva.de)对各OTU的代表性序列进用 RDP na ve Bayesian 分类在 80%置信水平下对分类成分进othur 对高通量测序数据计算，得到了群落丰富度指数(Chao1落多样性指数(Shannon 和 Simpson 指数)和稀疏度曲线[148]。相似度水平下，所有样本的稀疏度曲线逐渐趋于平稳，说明序列的增加对 OTU 总数几乎没有贡献（图 5.1）。

【参考文献】