重金屬污染工業(yè)裸地植被恢復(fù)的土壤微生物生態(tài)學(xué)研究.pdf

1、工業(yè)裸地以表層土的重金屬含量高、極度酸化、有機(jī)質(zhì)極其貧乏以及土壤結(jié)構(gòu)惡化為主要特征，因此依賴于植物的自然定居來恢復(fù)工業(yè)裸地是極其困難的。為此，探索污染重金屬土壤的有效植被恢復(fù)模式已經(jīng)成為各國生態(tài)學(xué)家們共同關(guān)注焦點(diǎn)之一。盡管地上植物群落的生產(chǎn)力水平、種類定居的難易程度、群落組成的多樣性、群落的演替動(dòng)態(tài)等指標(biāo)對判斷一個(gè)植被恢復(fù)模式成功與否是十分重要的，但作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，土壤微生物群落的組成與功能也是不容忽視的，而且微生物對環(huán)境變

2、化會迅速做出相應(yīng)的反應(yīng)，因而用微生物群落指標(biāo)來評價(jià)植被恢復(fù)對工業(yè)裸地土壤的改良作用是可靠的。 白花泡桐(Paulowniafortunei)為我國土著性植物，因其生長快速、適應(yīng)性強(qiáng)、用途廣泛和抗逆性強(qiáng)而被國內(nèi)外學(xué)者稱為奇樹，然而迄今為止還未曾有過用泡桐作為優(yōu)勢種對污染有重金屬的工業(yè)裸地進(jìn)行植被恢復(fù)的報(bào)道，因而泡桐對重金屬污染土壤的生物修復(fù)機(jī)制還不清楚。為此，本論文的研究目的是，以廣東韶關(guān)Pb/Zn冶煉廠的現(xiàn)有的植被恢復(fù)基地為研究

3、對象，將傳統(tǒng)的微生物研究方法與新興的分子生物學(xué)技術(shù)相結(jié)合對以泡桐為優(yōu)勢種的植被恢復(fù)模式進(jìn)行評價(jià)。 本研究中，根據(jù)植被恢復(fù)年份選擇了5個(gè)不同的樣地。其中包括三個(gè)恢復(fù)樣地[分別被恢復(fù)2(RⅢ)、3(RⅢ)和5(RV)年]和兩個(gè)對照樣地[污染裸地(BG)天然林樣地(FP)]。收集的土壤樣品分別用于分析依賴于培養(yǎng)的微生物指標(biāo)(微生物數(shù)量、呼吸強(qiáng)度、細(xì)菌群落生理水平指標(biāo)(CLPP)和16SrDNA基因指紋-末端限制性長度多態(tài)-(T-RFL

4、P))和不依賴于培養(yǎng)的微生物指標(biāo)(生物量、磷脂脂肪酸(PLFAs)和酶活性)。同時(shí)，一些重要的土壤理化特性和重金屬含量(Pb、Zn、Cu和Cd)也被分析。主要研究結(jié)果如下：1.與裸地相比，恢復(fù)樣地的土壤肥力水平和物理?xiàng)l件均有了不同程度地改善(P＜0.05)。除了土壤總N、pH和孔隙度隨著植被恢復(fù)年份一致性地提高，土壤容重一致性地降低以外，其它理化參數(shù)(有機(jī)C、總N、NH4-N、NO3-N和WHC)均展示了類似的趨勢：在恢復(fù)樣地RⅡ和RⅢ

5、中逐漸提高(P＜0.05)，而后在樣地RV中有所降低，但在統(tǒng)計(jì)上不顯著(P＞0.05)。然而與天然林樣地相比，大多數(shù)理化參數(shù)水平仍然是十分有限。相關(guān)分析表明土壤理化參數(shù)(土壤有機(jī)C、總N、總P、NH4-N、NO3-N、有效磷和WHC)與地上植物群落參數(shù)(蓋度和凋落物積累量)呈現(xiàn)顯著(P＜0.05)或極顯著相關(guān)(P＜0.01)。PCA(主分量分析)分析表明土壤理化特性沿著主分量1清楚地將5個(gè)研究樣地分別區(qū)分為BG組、恢復(fù)組和天然林組，但樣

6、地RV卻表現(xiàn)出一定程度的滯后現(xiàn)象，并接近于樣地RⅢ。 2.在所檢測的4種重金屬中，Pb和Zn的含量均高于Cu和Cd，表明土壤污染以Pb和Zn為主。三個(gè)研究樣地中的重金屬含量(包括總量和DTPA-可提取量)均顯著性地高于裸地(p＜0.05)，表明了植被恢復(fù)對重金屬的有效固定作用。PCA分析表明重金屬含量沿著主分量1的總體分布僅表明了從低到高的分布梯度，但沒有表明植被恢復(fù)梯度。 3.所測定的4種微生物數(shù)量包括富營養(yǎng)細(xì)菌(CB

7、)、寡營養(yǎng)細(xì)菌(OB)、真菌和放線菌并未與植被恢復(fù)年份相一致。富營養(yǎng)細(xì)菌(CB)、真菌和放線菌展示了類似的趨勢：在樣地RⅡ和RⅢ中顯著性地提高(P＜0.05)，而后在樣地RV中下降。相關(guān)分析表明上述三個(gè)微生物數(shù)量指標(biāo)與理化特性(土壤有機(jī)C、總N、總磷、NH4-N、NO3-N、土壤最大持水量)及植物群落參數(shù)(孔隙度蓋度和凋落物積累量)呈不同程度的正相關(guān)，僅富營養(yǎng)細(xì)菌和真菌分別與DTPA-Pb、DTPA-Zn和DTPA-Cu呈顯著(P＜0.

8、05)或極顯著性(P＜0.01)負(fù)相關(guān)。寡營養(yǎng)細(xì)菌在兩個(gè)對照樣地中均有較高值，而在恢復(fù)樣地中均展示了較低值。相關(guān)分析表明寡營養(yǎng)細(xì)菌僅與土壤常規(guī)理化特性中的WHC呈極顯著的正相關(guān)(P＜0.01)，但卻普遍地與所有重金屬(包括總量和DTPA-可提取量)呈極顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.01)，因而寡營養(yǎng)細(xì)菌至少在我們的研究中是反映重金屬脅迫的最敏感指標(biāo)。 微生物生物量C及Cmic/Corg按富營養(yǎng)細(xì)菌、真菌和放線菌的趨勢進(jìn)行變化，并且與分別與

9、土壤總有機(jī)C、NH4-N、NO3-N、有效磷、WHC和植被蓋度呈現(xiàn)顯著性正相關(guān)(P＜0.05或P＜0.01)。微生物生物量N及Nmic/Nt與植被恢復(fù)年份相一致，但在三個(gè)恢復(fù)樣地間差異不明顯(P＜0.05)，主要與土壤中的總N、總磷、WHC、孔隙度、植被蓋度和凋落物呈顯著性正相關(guān)(P＜0.05或P＜0.01)。微生物生物量C(Cmic)與N(Nmic)未與重金屬含量明顯相關(guān)。 微生物基礎(chǔ)呼吸(BSA)和基質(zhì)誘導(dǎo)呼吸(SIR)按微

10、生物生物量C、富營養(yǎng)細(xì)菌、真菌和放線菌的變化趨勢在5個(gè)研究樣地進(jìn)行波動(dòng)，而呼吸商(qCO2)在樣地BG和RV中展示了最高值，在樣地RⅡ、RⅢ和FP中展示了最低值。相關(guān)分析表明BSA與土壤有機(jī)C、NO3-N、WHC、孔隙度和植被蓋度呈顯著性正相關(guān)(P＜0.05或P＜0.01)，SIR普遍地與所檢測的理化特性(有效P、pH和容重除外)和植物群落參數(shù)呈現(xiàn)顯著性正相關(guān)(P＜0.05或P＜0.01)，與重金屬總Pb、DTPA-Pb和DTPA-Cu

11、呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05或P＜0.01)。qCO2與有效P、WHC和植被蓋度呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05或P＜0.01)，與總Zn和Cd呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(P＜0.05)。根據(jù)上述微生物指標(biāo)，PCA分析表明微生物數(shù)量、生物量、呼吸強(qiáng)度及其衍生指標(biāo)沿著沿著主分量1的整體變化清楚地將5個(gè)研究樣地區(qū)分開來，但樣地RV卻顯著地滯后于樣地RⅡ和RⅢ。 4.在所檢測的28種脂肪酸中，5個(gè)研究樣地均以細(xì)菌和放線菌脂肪酸占優(yōu)勢。三個(gè)恢復(fù)樣地中的

12、大多數(shù)脂肪酸的豐度(除了脂肪酸i16∶0，16∶0，cy17∶0，10Me17∶0，18∶0，10Me18∶0和20∶3ω6c以外)都顯著性地高于未恢復(fù)裸地(P＜0.05)，但仍然低于天然林樣地(P＜0.05)。一些標(biāo)志性脂肪酸表明了與植被恢復(fù)一致性的趨勢，這些脂肪酸包括：革蘭氏陰性細(xì)菌(16∶1ω9c)，菌根菌(16∶1ω5c)，真菌(18∶2ω6c)，放線菌(10Me16∶0+10Me17∶0+10Me18∶0)，不分支飽和脂肪酸(

13、18∶0)，藻類(20∶5ω3c)，單不飽和脂肪酸(16∶19c+16∶1ω7c+16∶1ω5c+17∶1ω8c+18∶1ω7c+18∶1ω9c)和總的原生動(dòng)物(20∶2ω6c+20∶3ω6c)，而其它脂肪酸的豐度變化并沒有與植被恢復(fù)相一致。另外Fung/bact和monounsat/sat均隨著植被恢復(fù)而提高(P＜0.05)，而cy17∶0/16∶1ω7c和cy19∶0/18∶1ω7c均隨著植被恢復(fù)而下降(P＜0.05)。上述標(biāo)志性脂

14、肪酸以及脂肪酸比率均與土壤理化特性表現(xiàn)為不同程度正相關(guān)關(guān)系，而很少與重金屬相關(guān)。主分量分析表明微生物群落沿著主分量1的總體變化與植被恢復(fù)年份相一致。 與裸地相比，所測定的7種酶活性在恢復(fù)樣地中均顯著性地提高(P＜0.05)。其中蛋白酶、CM-纖維素酶和β-葡萄糖苷酶活性隨著植被恢復(fù)年份逐漸提高(P＜0.05)，而轉(zhuǎn)化酶、多酚氧化酶和尿酶活性盡管在統(tǒng)計(jì)學(xué)上不顯著(P＜0.05)，卻呈現(xiàn)出逐漸下降趨勢?；謴?fù)樣地酸性磷酸酶活性盡管顯著

15、性地高于未恢復(fù)裸地(P＜0.05)，但沒有表現(xiàn)出與植被恢復(fù)一致性的趨勢。所有的酶活性都不同程度地與土壤理化特性和植物群落參數(shù)表現(xiàn)出顯著性正相關(guān)，很少與重金屬負(fù)相關(guān)。主分量分析表明酶活性的總體變化類似于PLFA。 CCA(典范相關(guān)分析)分析表明了微生物群落的總體變化與酶活性呈顯著性地正相關(guān)，表明了微生物群落組成在植被恢復(fù)過程中與其功能的協(xié)同演替。5.可培養(yǎng)的土壤細(xì)菌群落在5個(gè)樣地中具有明顯不同的優(yōu)勢核型。細(xì)菌核型豐富度(RT)和多

16、樣性(Hs)在樣地RⅡ和RⅢ一致性地提高，而后在樣地RV中有所下降，但與樣地FP相比仍然有限?？膳囵B(yǎng)細(xì)菌群落的功能參數(shù)包括碳源利用潛力(AWCD)、不同碳源群的利用強(qiáng)度(A595)、利用的碳源數(shù)量(Rs)和功能多樣性(HF)也遵循著細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化趨勢(P＜0.05)。相關(guān)分析也表明可培養(yǎng)細(xì)菌群落的結(jié)構(gòu)與功能多樣性參數(shù)更多地受控于理化特性和植物群落參數(shù)，幾乎沒有受重金屬含量變化的影響。根據(jù)168h培養(yǎng)后的AWCD指標(biāo)進(jìn)行的PCA表

17、明AWCD沿著PC1軸也清楚地區(qū)分了5個(gè)研究樣地，樣地RV也明顯地滯后于樣地RⅡ和RⅢ。 本論文的研究結(jié)果表明，以泡桐為優(yōu)勢種的植被恢復(fù)模式顯著性地改善了土壤理化特性，有效地穩(wěn)定了重金屬，進(jìn)而阻止了重金屬向周邊環(huán)境擴(kuò)散；不同的微生物指標(biāo)對環(huán)境中的生物參數(shù)與非生物參數(shù)的反應(yīng)是不同的，因而用多種微生物指標(biāo)評價(jià)植被恢復(fù)對污染重金屬土壤的改良作用是必須的；依賴于培養(yǎng)的微生物指標(biāo)分析表明以泡桐為優(yōu)勢種恢復(fù)污染有重金屬的工業(yè)裸地模式對土壤的