西部煤矿区开采扰动对根际微生态影响及微生物复垦效应

发布时间：2017-05-04 14:04

  本文关键词：西部煤矿区开采扰动对根际微生态影响及微生物复垦效应，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：神府-东胜矿区地处干旱半干旱区,煤炭大规模超强度开采为社会经济发展带来巨大贡献的同时,也产生了地面沉陷、地表裂缝,土壤结构破坏、土壤水分养分流失、植物根系拉伤受损、植被破坏、微生物多样性降低等一系列的生态环境问题,亟需进行生态恢复。本文在神东补连塔矿区开展了煤炭开采过程对根际微生态的影响研究,深入探讨了沉陷区及其不同因素下植物根际微环境自修复能力,在生态自修复2年后,应用454高通量测序技术开展了植物根内AM真菌多样性研究。研究结果显示,采煤沉陷区根际微生态在一定程度上具有缓慢的自修复能力。为加速矿区生态恢复速度,开展了不同微生物组合对采煤沉陷区生态恢复效应研究。矿区生态自修复和微生物复垦受水分和养分限制,因此,室内模拟了干旱胁迫下AM真菌与秸秆覆盖联合修复生态效应。上述试验的开展为西部矿区生态复垦与生态重建提供了科学理论依据和技术支持。主要得到以下结论:1.矿区植物根际微生物和酶活性受地面沉陷、地表裂缝、坡向、坡位、植物种类和植物规格的影响较大,但微生物群落结构稳定,总是表现为细菌数量放线菌真菌。采后1年,地面沉陷降低了沙柳根际微生物数量,地表裂缝显著增加了沙蒿根际微生物数量;煤炭开采显著增加了迎风坡和背风坡沙蒿放线菌数量,降低了细菌和真菌数量,微生物各种群数量表现为背风坡迎风坡;不同植物中,杨树根际细菌和真菌数量最多,早熟禾放线菌数量最多;杨树不同规格上,以大杨树的微生物数量最高。采后1年,磷酸酶活性自修复表现出沉陷区显著未沉陷区,沙蒿裂缝沙蒿,迎风坡坡中的杨树和沙蒿磷酸酶显著降低,早熟禾磷酸酶活性增加;背风坡、迎风坡坡顶和坡底沙蒿根际磷酸酶和脲酶活性显著增加;沙蒿和早熟禾脲酶活性降低;杨树不同规格上,大杨树磷酸酶和脲酶活性显著增加。2.与采前相比,采后1年,植物根际土壤pH值和电导率显著下降,在降低土壤碱性危害上,背风坡效果迎风坡。在有效磷方面,裂缝经过的沙蒿有效磷含量显著高于采中水平;地面沉陷显著降低了沙柳和沙蒿有效磷含量,采后1年远未恢复到采前水平,但迎风坡恢复的速度比背风坡快;地面沉陷增加了杨树和早熟禾的有效磷,自修复效果为大杨树中杨树小杨树。生态自修复1年后,沉陷区和裂缝区菌根侵染率高于采前水平,侵染率表现为背风坡迎风坡顶迎风坡中,煤炭开采显著增加了早熟禾、大杨树的菌根侵染率,降低了中杨树和小杨树的侵染率。煤炭开采增加了菌丝密度,地面沉陷降低了孢子密度。3.生态自修复2年后,植物根内AM真菌多样性和群落组成受采煤沉陷、地形及宿主植物的影响。研究区沙柳根内所有的OTU数是19,占已报道沙柳根围AM真菌物种数的51.4%;沙蒿根内所有的OTU数是25,占已报道沙蒿根围AM真菌数的89.3%,柠条根内所有的otu数是21,占已报道柠条根围am真菌数的87.5%。与未沉陷区相比,地面沉陷降低了沙柳根内am真菌otu的chao丰度指数,提高了shannon多样性;两区域共同占有12个otu,优势otu是otu6和otu21,优势科是glomeraceae。不同坡位、坡向上,迎风坡坡底的chao丰度指数、shannon多样性最高,不同位置沙蒿根内am真菌群落组成相似度很高,且沙蒿根内am真菌的优势otu均是otu6;不同位置的沙蒿100%分布在glomeraceae。沙蒿、柠条和沙柳相比,沙蒿的chao丰度指数、shannon多样性最高,3种植物根内am真菌群落组成相似度很高,am真菌优势科是glomeraceae。4.应用微生物进行矿区生态复垦,可以加速生态恢复速度。微生物复垦显著提高了紫穗槐成活率,且成活率稳定在90%以上;显著促进了紫穗槐株高、冠幅的增加。其中,单一接种g.i最能有效提高植物成活率,单一接种g.m对植物生长促进作用效果最好。随着复垦时间的延长,各处理紫穗槐根际土壤的磷酸酶活性均表现出逐渐上升趋势。球囊霉素是土壤有机碳的重要组成部分,在土壤质量的动态变化中反应敏感。相同时间下,微生物复垦能够促进细菌、真菌、放线、微生物总数、磷酸酶、球囊霉素、有机碳、有效磷、碱解氮含量的增加,微生物复垦技术在一定程度上能够有效遏制土壤养分贫瘠对矿区植被生态恢复的制约。微生物复垦14个月后,处理间磷酸酶活性差异性最明显,各处理紫穗槐根际土壤磷酸酶活性大小顺序依次是处理g.ig.mg.m+cag.m+g.icack,各处理增幅64%~110%;种植紫穗槐能够降低土壤ph值0.91~1.29个单位,与对照组相比,接菌组能在短期内显著改善碱性环境胁迫的影响。与对照组相比,微生物复垦显著提高了紫穗槐菌根侵染率、菌丝密度和孢子密度,菌根侵染率、菌丝密度和孢子密度在不同复垦时间受不同微生物的显著影响。根系是植物的重要器官,在吸收水分养分过程中发挥重要作用。研究发现,与对照组相比,接菌组紫穗槐根系总长度、总投影面积、总表面积、总体积和总根尖数均得到显著增加。接种后2个月~11个月,接菌组根系平均直径对照组;接种接种后14个月,根系平均直径为接菌组对照组。5.微生物复垦2年后,从不同处理紫穗槐根系17个样品中获得优化序列76006条,序列平均长度447bp,序列优化率78%,得到34个otu。其中,处理g.m+g.i、g.i、g.m、g.m+ca、ca、ck的otu数分别是13、13、26、27、17和21个,接种g.m+ca和g.m能够增加am真菌物种多样性,促进矿区生态系统稳定。5种接菌处理共有的otu数有8个,am真菌群落组成相似度较高;otu6、otu21、otu10、otu28分布在80%以上的样品中,具有广泛的分布性。各个处理的am真菌优势科都是glomeraceae,其中,处理g.i、g.m、ca和ck的am真菌100%为glomeraceae,处理g.m+ca、g.m+g.i分布在glomeraceae和diversisporaceae中。6.接种AM真菌、秸秆覆盖及AM真菌与秸秆覆盖联合作用3种抗旱保水措施,能够有效缓解干旱胁迫对植物生长的危害。干旱胁迫下,AM真菌与秸秆覆盖联合措施需水量最少,比正常供水减少14%,同时能够增加土壤有效磷含量。与正常供水相比,干旱胁迫显著降低了玉米生物量,AM真菌与秸秆覆盖联合的效果好于单一接种AM真菌和秸秆覆盖处理。接种AM真菌处理与秸秆覆盖处理能有效增加土壤有效磷含量,同时秸秆覆盖AM真菌与秸秆覆盖联合。接种AM真菌有助于植物根系与AM真菌的相互融合,干旱胁迫增加了菌根侵染率,接种AM真菌处理侵染强度最高。干旱胁迫降低了菌丝密度,正常供水下接种AM真菌的菌丝密度最高,达到3.11 m·g-1。干旱胁迫显著提高了叶片脯氨酸含量,正常供水下接种AM真菌处理植物叶片脯氨酸含量最低。与正常供水相比,干旱胁迫提高了叶片和根系的全氮含量;提高了AM真菌处理和秸秆覆盖处理叶片全磷含量,降低了根系全磷含量。
【关键词】：生态自修复 微生物复垦 地面沉陷 地表裂缝 生态效应
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD88
【目录】：

• 摘要4-7
• Abstract7-16
• 第一章 引言16-28
• 1.1 研究背景与研究意义16-17
• 1.1.1 研究背景16
• 1.1.2 研究意义16-17
• 1.2 国内外研究现状17-24
• 1.2.1 开采沉陷对生态环境影响17-18
• 1.2.2 地表裂缝对生态环境影响18-19
• 1.2.3 矿区生态恢复与生态重建19-22
• 1.2.4 AM真菌多样性研究22-23
• 1.2.5 保水措施及其在矿区生态治理中的应用23-24
• 1.3 研究思路和研究内容24-28
• 1.3.1 研究思路24-25
• 1.3.2 研究内容25-28
• 第二章 煤炭开采过程对根际微生态的影响28-68
• 2.1 材料和方法28-31
• 2.1.1 研究区概况28-29
• 2.1.2 供试植物29-30
• 2.1.3 试验方法30
• 2.1.4 样品采集与处理30
• 2.1.5 指标测定与计算方法30-31
• 2.1.6 数据处理31
• 2.2 结果与分析31-63
• 2.2.1 地面沉陷对根际微生态的影响31-37
• 2.2.2 地表裂缝对根际微生态的影响37-42
• 2.2.3 不同坡向对沙蒿根际微生态的影响42-47
• 2.2.4 不同坡位对沙蒿根际微生态的影响47-52
• 2.2.5 植物种类对根际微生态的影响52-58
• 2.2.6 植物规格对根际微生态的影响58-63
• 2.3 讨论63-66
• 2.4 小结66-68
• 第三章 煤炭开采后生态自修复对AM真菌多样性的影响68-96
• 3.1 材料和方法68-74
• 3.1.1 研究区概况68
• 3.1.2 试验设计68-69
• 3.1.3 样品的采集与处理69
• 3.1.4 试验仪器及试剂69-70
• 3.1.5 试验步骤与方法70-72
• 3.1.6 试验数据整理及方法72-74
• 3.2 结果与分析74-91
• 3.2.1 植物根系DNA纯度、完整性和总量检测74
• 3.2.2 PCR扩增结果检测74-75
• 3.2.3 地面沉陷对沙柳根内AM真菌多样性的影响75-80
• 3.2.4 坡位、坡向对沙蒿根内AM真菌多样性的影响80-85
• 3.2.5 不同植物根内AM真菌多样性85-91
• 3.3 讨论91-95
• 3.3.1 生态自修复下植物根内AM真菌多样性91-93
• 3.3.2 生态自修复下植物根内AM真菌群落组成93-95
• 3.3.3 方法学讨论95
• 3.4 小结95-96
• 第四章 不同微生物组合对采煤沉陷区生态恢复效应96-114
• 4.1 材料和方法96-100
• 4.1.1 研究区概况96-97
• 4.1.2 试验材料97
• 4.1.3 试验设计和田间管理97-98
• 4.1.4 根管埋设及监测方法98
• 4.1.5 样品的采集与处理98-99
• 4.1.6 指标测定与计算方法99-100
• 4.1.7 数据处理100
• 4.2 结果与分析100-110
• 4.2.1 不同处理对紫穗槐成活率的影响100
• 4.2.2 不同处理对紫穗槐生长的影响100-101
• 4.2.3 不同处理对紫穗槐根系侵染率的影响101-102
• 4.2.4 不同处理对菌丝密度的影响102-103
• 4.2.5 不同处理对孢子密度的影响103
• 4.2.6 不同处理对紫穗槐根系发育的影响103-104
• 4.2.7 不同处理对紫穗槐根际土壤微生物的影响104-106
• 4.2.8 不同处理对紫穗槐根际土壤磷酸酶活性的影响106-107
• 4.2.9 不同处理对紫穗槐根际球囊霉素含量的影响107-109
• 4.2.10 不同处理对紫穗槐根际土壤基本理化性状的的影响109-110
• 4.3 讨论110-112
• 4.4 小结112-114
• 第五章 微生物复垦对AM真菌多样性的影响114-128
• 5.1 材料和方法114-115
• 5.1.1 研究区概况114
• 5.1.2 试验材料114
• 5.1.3 试验设计114-115
• 5.1.4 样品的采集与处理115
• 5.1.5 所需仪器及试剂115
• 5.1.6 试验步骤与方法115
• 5.1.7 试验数据整理及方法115
• 5.2 结果与分析115-123
• 5.2.1 不同处理对紫穗槐菌根侵染率的影响115-116
• 5.2.2 DNA纯度、完整性和总量检测116
• 5.2.3 PCR扩增结果检测116
• 5.2.4 高通量测序数据统计116-117
• 5.2.5 紫穗槐各样品稀释性曲线117-118
• 5.2.6 紫穗槐根内AM真菌多样性118
• 5.2.7 不同处理Rank-Abundance曲线118-119
• 5.2.8 不同处理OTU分布Venn图119-120
• 5.2.9 紫穗槐根内AM真菌群落组成120-121
• 5.2.10 紫穗槐各样品群落组成相似度121
• 5.2.11 紫穗槐各样品群落Heatmap图121-123
• 5.3 讨论123-126
• 5.3.1 AM真菌的多样性123-124
• 5.3.2 AM真菌的群落组成124-126
• 5.4 小结126-128
• 第六章 干旱胁迫下AM真菌与秸秆覆盖联合修复生态效应128-138
• 6.1 材料和方法128-130
• 6.1.1 实验材料128-129
• 6.1.2 实验设计129
• 6.1.3 实验管理129
• 6.1.4 样品的采集与处理129-130
• 6.1.5 指标测定和方法130
• 6.1.6 数据处理130
• 6.2 结果与分析130-135
• 6.2.1 不同处理对植株生长的影响130-131
• 6.2.2 不同处理对菌根侵染率的影响131-132
• 6.2.3 不同处理对菌丝密度的影响132-133
• 6.2.4 不同处理对植株养分分布的影响133-134
• 6.2.5 不同处理对玉米叶片脯氨酸含量的影响134
• 6.2.6 不同处理对土壤有效磷含量的影响134-135
• 6.3 讨论135-136
• 6.4 小结136-138
• 第七章 结论与展望138-142
• 7.1 主要结论138-140
• 7.2 本文创新点140
• 7.3 研究展望140-142
• 参考 文献142-158
• 致谢158-160
• 作者简介160
• 在学期间发表的学术论文160
• 在学期间参加科研项目160

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 王升跃;;新一代高通量测序技术及其临床应用前景[J];广东医学;2010年03期

2 钟传青,黄为一;不同种类解磷微生物的溶磷效果及其磷酸酶活性的变化[J];土壤学报;2005年02期

  本文关键词：西部煤矿区开采扰动对根际微生态影响及微生物复垦效应，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：345182