福建长汀是我国南方红壤区水土流失最严重的县份之一,同时也是福建离子型稀土资源储量最多的县。近年来,随稀土价格的不断攀升,长汀稀土矿开采加剧,多采用简易堆浸淋浸法进行生产,造成植被毁坏、水土流失、土壤酸化、结构破坏、重金属污染等生态问题,特别是稀土开采造成的重金属污染与土壤酸化,遇到强降水,大量洪水冲向农田与河流,在地球化学循环迁移作用下,对稀土废弃地土壤及其植被造成严重危害,加剧了矿区生态环境的恶化,极不利于植被恢复,由此导致红壤侵蚀区稀土矿废弃地植被恢复极为困难,成为当前南方红壤侵蚀区水土流失治理过程中急需解决的重大课题。因此如何揭示离子型稀土开采对红壤侵蚀区土壤生态系统的影响,筛选出稀土矿开采废弃地植被恢复优化模式和植物与土壤协同恢复机理,成为当前环境学界急需解决的重大课题。虽然近年来国内外学者对稀土开采的环境影响和废弃地植被恢复进行了不少研究,取得一些研究成果,有关稀土开采对环境影响主要集中在土壤理化性质等方面,而对土壤微生物等方面的影响较少。植被恢复研究主要集中在原地浸与池浸工艺开采后的边坡植被重建技术等方面,筛选出了一些适合稀土开采废弃地上生长的植物。但研究中发现:筛选出的这些植物在前期人工施肥等栽培条件下能正常生长,随着时间的推移,这些植物出现了明显生长衰退现象,有些逐渐死亡消失。目前对稀土开采废弃地恢复后期植被退化的内在机制不很清楚,且影响稀土开采废弃地的植被恢复的主要限制因子不明确,在环境植被恢复逆境胁迫下植物根系和土壤的协同作用机制缺乏了解,而这恰是稀土开采废弃地植被恢复的关键所在,这已严重限制了南方稀土矿废弃地的植被恢复。鉴于此,本文在导师课题组大量前期研究基础上,通过国家林业局林业公益性行业专项(201304303)、国家科技支撑计划项目(2014BAD15B02)和福建省产学合作科技重大项目(2013N5002)等资助下,首先对长汀离子型稀土矿开采造成废弃地不同功能区进行全面调查,研究离子型稀土开采对红壤侵蚀区土壤生态系统的影响,特别是利用16SrDNA测序技术探讨离子型稀土开采对红壤侵蚀区土壤细菌群落组成及其多样性的影响,揭示稀土开采对红壤侵蚀区生态系统土壤理化性质、土壤酶、重金属污染、土壤微生物类群、细菌群落组成与多样性的影响规律,筛选出影响红壤侵蚀区离子型稀土矿开采废弃地植被恢复的主要限制因子。其次,针对影响稀土废弃地植被恢复的主要限制因子,通过设置养分、重金属等模拟胁迫试验,研究不同植物对稀土矿废弃地环境胁迫的响应机制,筛选出适宜长汀稀土矿废弃地生长的植被种类。最后,以此设计出不同植被配置模式进行生态恢复,研究不同植被配置模式对生态环境的修复效果,通过对物种多样性、土壤理化性质、土壤微生物群落组成与多样性进行综合评价,筛选出长汀稀土矿废弃地植被恢复适宜模式,同时通过典范相关与通径分析方法,揭示稀土开采废弃地恢复后期植被退化的内在机制及其在植被恢复过程中植物根系和土壤的协同作用机制,为我国南方离子型稀土矿开采废弃地的植被恢复提供科学依据。主要研究结论如下:(1)长汀离子型稀土开采对土壤理化性质造成了较大影响。稀土开采后,土壤容重显著提高,土壤涵养水源能力降低;除碱解性氮外土壤的养分指标均呈显著下降趋势,土壤pH值在取土场土壤中明显上升,在堆浸池则呈下降趋势;土壤脲酶、脱氢酶活性显著降低,而蔗糖酶、纤维素酶、淀粉酶、过氧化氢酶、多酚氧化酶、过氧化物酶、酸性磷酸酶的变化规律不明显。(2)长汀离子型稀土开采对南方红壤区土壤土壤微生物有较大影响。稀土开采后形成的取土场细菌、真菌、放线菌含量均显著下降,废弃堆浸池则显著上升,氨化细菌与硝酸菌在稀土开采前后均为优势生理类群,纤维素分解菌、氨化细菌、固氮细菌、亚硝酸细菌、硝酸细菌、反硝化细菌在取土场中菌呈下降趋势,堆浸池中除反硝化细菌外其它生理类群微生物均呈不同程度上升。长汀离子型稀土矿开采后,形成的取土场与堆浸池这两类废弃地土壤细菌丰度与多样性均发生显著变化,但土壤细菌的优势种类仍然为厚壁菌(门),其与变形菌门、放线菌门、拟杆菌门、疣微菌门、酸杆菌门、硝化螺旋菌门蓝藻门、Hermit存在一定的亲缘关系。(3)长汀离子型稀土开采对南方红壤区土壤造成了一定程度的重金属污染。稀土矿废弃地不同功能区土壤重金属污染存在差异。稀土矿废弃地两个功能区土壤Zn、Pb、Cb均超过福建背景值,在不同重金属中,以Cd的污染最为严重,取土场、废弃堆浸池的Cd分别是福建土壤背景值的97倍和69倍;根据地积累指数与内梅罗指数评价标准,长汀稀土矿2个功能区土壤Cd污染均达重度污染水平;Pb在取土场达轻度污染水平,Zn在废弃堆浸池达轻度污染水平;根据土壤综合潜在生态风险指数,长汀稀土矿区土壤重金属潜在生态风险主要来源于Cd,其综合生态风险指数达极重度污染水平。(4)通过稀土开采对红壤区土壤生态系统的影响研究发现:影响长汀稀土矿废弃地取土场植被恢复的主要限制因子为土壤养分贫瘠和镉污染,废弃堆浸池植被恢复的主要限制因子为土壤养分贫瘠、土壤酸化和镉污染。(5)针对影响稀土废弃地植被恢复的主要限制因子,通过养分、重金属和酸等模拟胁迫试验,根据胁迫后不同植物生理指标的测定,综合筛选出适合取土场植被恢复的草种为宽叶雀稗,木本植物为枫香、木荷、胡枝子、山杜英、火力楠。适合废弃堆浸池植被恢复的草种为宽叶雀稗,木本植物为枫香、木荷、胡枝子、火力楠、油茶。(6)根据室内胁迫试验筛选出适宜在长汀稀土矿废弃地生长的植物,结合生产实践的经验,配置了长汀稀土矿废弃地不同植被恢复模式试验。植被恢复5年后废弃地植物群落多样性得到初步提高,植物群落中物种丰度增加,生态得到一定的修复并有正向演替趋势,但原物种出现不同程度退化现象。不同植被恢复模式土壤理化性质存在显著差异,取土场土壤pH值、容重降低,其余指标则表现出不同程度提高;废弃堆浸池表现为土壤容重、碱解性氮比对照下降,其余理化指标则有所提高。取土场与堆浸池土壤蔗糖酶、纤维素酶、脲酶、磷酸酶、淀粉酶、过氧化氢酶活性显著提高;取土场土壤多酚氧化酶在不同植被恢复后均显著提高。(7)长汀稀土矿废弃地不同植被恢复模式土壤微生物存在显著差异。不同模式植被恢复后,土壤可培养的细菌、真菌、放线菌均表现出不用程度的增加,土壤碳素生理类群在植被恢复后呈显著上升趋势;氮素生理类群中氨化细菌、硝酸细菌、亚硝酸细菌、固氮菌也呈增加趋势,但反硝化细菌则表现出下降。取土场5种植被恢复模式下土壤细菌群落演化成4种群落,堆浸池4种植被恢复模式下土壤细菌演化成3种群落;取土场与堆浸池不同植被恢复模式下土壤微生物丰度与多样性均存在显著差异,取土场不同植被恢复模式中“枫香+木荷+火力楠+胡枝子+宽叶雀稗”模式的土壤细菌多样性指数较高,堆浸池不同植被恢复模式中“枫香+木荷+胡枝子+宽叶雀稗”模式土壤细菌多样性指数最高。RDA分析结果表明土壤微生物种类(门水平)与土壤理化性质的变化呈密切相关,主要受有机质、全氮、有效磷、速效钾的影响。(8)利用稀土矿废弃地不同植被恢复模式土壤理化性质、土壤酶活性、微生物、植物多样性等43个指标对稀土矿废弃地不同植被恢复模式的系统聚类结果表明:“枫香+木荷+火力楠+胡枝子+宽叶雀稗”、“枫香+木荷+胡枝子+山杜英+宽叶雀稗”是取土场较理想的植被恢复模式;“枫香+木荷+油茶+胡枝子+宽叶雀稗”、“枫香+木荷+胡枝子+宽叶雀稗”是废弃堆浸池较好的植被恢复模式。但是,由于木荷在植被恢复后期出现退化,因此取土场的植被恢复模式优化为“枫香+火力楠+胡枝子+宽叶雀稗”与“枫香+胡枝子+山杜英+宽叶雀稗”,废弃堆浸池的植被恢复模式优化为“枫香+油茶+胡枝子+宽叶雀稗”与“枫香+胡枝子+宽叶雀稗”。(9)稀土矿废弃堆浸池“枫香+木荷+巨桉+胡枝子+宽叶雀稗”模式植被恢复后期,植被生长出现退化现象,其主要原因是前期恢复植被的生长造成土壤养分的大量消耗造成的,特别是有机质含量的降低,造成土壤酶活性、土壤微生物数量以及植物群落多样性的下降。因此,为提高南方稀土开采废弃地的植物修复质量,应进一步加强植被恢复过程中植物根系和土壤的协同作用机制研究。(10)稀土矿废弃地植被恢复后土壤养分与土壤酶、土壤养分与土壤细菌、土壤细菌与土壤酶的典范相关系数均达显著水平,说明植被恢复过程中土壤养分、土壤细菌、土壤酶三者之间的作用是协同进行的。“枫香+木荷+火力楠+胡枝子+宽叶雀稗”模式主要是通过不同植物根系和凋落物来提高土壤全钾与有效磷含量来提高土壤酶活性与植物物种多样性,进而提高其生态恢复效果;“枫香+木荷+胡枝子+山杜英+宽叶雀稗”模式主要通过提高土壤有机质含量来提高土壤微生物多样性,特别是Chloroform分支细菌的丰度,进而通过提高纤维素分解酶活性来促进凋落物的分解,最终使土壤养分积累形成良性循环,来提高生态恢复效果;“枫香+木荷+油茶+胡枝子+宽叶雀稗”模式主要通过提高土壤酶活性与植物物种多样性,进而提高稀土废弃地土壤肥力,增强恢复群落的生态稳定性,最终体现出较好的生态恢复效果;“枫香+木荷+胡枝子+宽叶雀稗”模式主要通过提高土壤有效磷含量来增加Testimonials、TM6丰度,从而增加土壤养分和酶活性。
【学位单位】：福建农林大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2016
【中图分类】：S15;Q948
【部分图文】：
稀土开采对红壤区土壤生态系统的影响研究？■?ｉｉａ?＾；?．＊，?ｎ＊．－?！！＊？?ｒ－ｆ？?ｉｉｆｔ?．ｊｒｔ?ｎ？?Ｖｆ－?ｉ＞？－?ｕ＊?ｉｗ．?－ｍ?ｉ．?１１＊?＊＾?４?ｔｉ＊．?＊＊?＞?ｊｗ，?ｊ－ｆ?ｕ？．?＊ｙ＜?ｍ．?？，－４??．
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图１４总体工作流程??Ｆｉｇｕｒｅ?１－４?Ｗｏｒｋ?ｆｌｏｗ???？?Ｈａｎｋ?Ａｂｕｎｄａｎｃｅ??—？?ＰＣＡ分析??Ｉ?７￣?ｍｍ??ｒ？茶侧＿?￣？、咖阌?Ｃｈａｏ賊???￣Ａｃｅ?曲线??？＿＿Ｓｈａｎｎｏ?曲线??????Ｓｉａｐｓｏｎ？?线??——？?Ａｌｐａｈ多样性分析一?????＇?样品Ａｌｐｈａ指数盆????肜规及ｆ羿检狯??基于ｃｍ沣度Ｂ？ｕ多样性????‘????＾１．?Ｂｅｔａ?多样性热潔??Ｃｌｔｆ抑細Ｒｏａｄｓ?＿拼筏一？刃；?—?３?ｆ｜丨品聚类树??■—？?ｍｍｍｍ?????Ｉ?ｒ?Ｉ???？樹种丰度ｈｅａｔ．ａｗｐ＿?ｊ???ｊ??Ｓｉｉｉｉ．ｉｍ??Ｕ？蓊?７＇物＃?一＇?■＊?树??
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本文编号：
2865800
