采煤塌陷地泥漿泵復(fù)墾土壤微生物多樣性及土壤酶活性研究.pdf

1、土壤微生物多樣性對(duì)于反映土壤肥力狀況及生態(tài)環(huán)境演變具有重要的指示作用，一直是土壤生態(tài)學(xué)研究中的熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)礦區(qū)復(fù)墾土壤的物理、化學(xué)性質(zhì)演變規(guī)律已進(jìn)行了廣泛而深入的探討，但是對(duì)礦區(qū)復(fù)墾土壤微生物多樣性的研究相對(duì)欠缺。
　　本文將傳統(tǒng)的微生物培養(yǎng)方法和454焦磷酸測(cè)序的非培養(yǎng)方法相結(jié)合，從土壤微生物數(shù)量、土壤酶活性和微生物群落多樣性三個(gè)方面，系統(tǒng)地研究了泥漿泵復(fù)墾影響下土壤微生物多樣性與土壤酶活性的演變規(guī)律，揭示了土壤微生物多樣

2、性與土壤理化性質(zhì)之間的相互關(guān)系，探明了復(fù)墾土壤微生物多樣性演變的影響因素。主要研究結(jié)果如下：
　　(1)土壤微生物在三種土壤類型中的數(shù)量大小順序?yàn)椋簩?duì)照土壤>復(fù)墾土壤>塌陷土壤，差異性顯著(P<0.05)。采煤塌陷造成土壤微生物數(shù)量的顯著下降，泥漿泵復(fù)墾顯著增加了微生物數(shù)量，但與對(duì)照土壤相比仍然較少。相關(guān)分析表明，采煤沉陷及復(fù)墾改變了土壤有機(jī)質(zhì)、總氮及速效磷含量，造成了微生物在不同類型土壤間的數(shù)量差異。在垂直分布上，微生物數(shù)量在對(duì)

3、照土壤與復(fù)墾土壤均隨土層深度的增加而遞減。對(duì)照土壤剖面的微生物數(shù)量呈較明顯的層次性，差異性顯著(P<0.05)。復(fù)墾土壤各層的微生物數(shù)量差異不顯著，這是因?yàn)槟酀{泵復(fù)墾初期，土壤結(jié)構(gòu)的剖面分異特征不明顯、養(yǎng)分的剖面分布不均勻。塌陷土壤剖面的微生物數(shù)量呈無(wú)規(guī)律分布特征，表明采煤沉陷造成土壤微生物在垂直分布上的異質(zhì)性。
　　(2)脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶和過(guò)氧化氫酶活性在不同類型土壤中的大小順序?yàn)椋簩?duì)照土壤>復(fù)墾土壤>塌陷土壤。復(fù)墾土壤

4、中的酶活性較塌陷土壤顯著提高，且逐漸接近對(duì)照農(nóng)田水平。在垂直分布上，對(duì)照與復(fù)墾土壤的酶活性均隨土層深度的增加而遞減，反應(yīng)了土壤酶的表聚性。塌陷土壤中酶活性的垂直分布規(guī)律因酶而異，表明采煤沉陷造成土壤酶活性在垂直分布上的復(fù)雜性。相關(guān)分析表明，土壤酶活性與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷、含水量呈顯著或極顯著相關(guān)(P<0.05，P<0.01)；土壤微生物數(shù)量與土壤脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。土壤酶活性可敏感地指示復(fù)墾土壤理

5、化性狀和與土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化有關(guān)的微生物活性狀況。
　　(3)基于宏基因組學(xué)和454高通量測(cè)序技術(shù)，獲得土壤細(xì)菌16SrRNA V2-V3區(qū)的優(yōu)化基因序列共76135條。比較三種土壤類型中的細(xì)菌遺傳多樣性指數(shù)、稀疏性曲線及Shannon-Wiener曲線發(fā)現(xiàn)，對(duì)照農(nóng)田的細(xì)菌多樣性水平最高，塌陷地最低。相關(guān)分析表明，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和速效磷是影響土壤細(xì)菌遺傳多樣性的主要因素。采煤沉陷造成水土流失、土壤肥力退化，減少了土壤養(yǎng)分和能量對(duì)細(xì)菌群

6、落的供給，使得細(xì)菌結(jié)構(gòu)由復(fù)雜變?yōu)楹?jiǎn)單，多樣性水平亦相應(yīng)下降。復(fù)墾后，土壤有機(jī)質(zhì)及土壤養(yǎng)分的改善，促進(jìn)了細(xì)菌的繁殖，提高了細(xì)菌多樣性水平。但復(fù)墾土壤細(xì)菌多樣性仍低于對(duì)照農(nóng)田。
　　(4)基于系統(tǒng)分類學(xué)，獲得了細(xì)菌的29個(gè)門、54個(gè)綱、87個(gè)目、164個(gè)科、383個(gè)屬。細(xì)菌的優(yōu)勢(shì)門類為:Proteobacteria(alpha-8.83％，beta-6.09%，gamma-10.28%,delta-4.47%)、Chloroflexi

7、(14.85%)、Actinobacteria(9.60%)、Acidobacteria(8.11%)及Planctomycetes(7.01%)。優(yōu)勢(shì)菌群的相對(duì)豐度在不同類型土壤中存在明顯差異，并與土壤理化性質(zhì)密切相關(guān)。這體現(xiàn)出細(xì)菌群落的生態(tài)多樣性以及與土壤環(huán)境的相互選擇性，可以作為檢測(cè)礦區(qū)土壤質(zhì)量變化的生物學(xué)指標(biāo)。
　　(5)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)在塌陷土壤、復(fù)墾土壤和對(duì)照土壤中存在明顯差異。聚類分析、主成分分析、Heatmap分析及F

8、astUniFrac的群落差異性分析表明，塌陷土壤與對(duì)照土壤之間的差異顯著。對(duì)照土壤的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且菌種豐富，塌陷土壤的細(xì)菌菌種單一且分布不均勻。復(fù)墾改善了土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)，與對(duì)照土壤具有一定相似性，但兩者間仍存在差異。相關(guān)性分析和冗余分析表明，采煤塌陷及復(fù)墾引起土壤有機(jī)質(zhì)、總氮和含水量等的變化，是造成細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)演變的主要原因。
　　(6)復(fù)墾土壤的微生物數(shù)量及酶活性具有明顯的季節(jié)變化特征：夏、秋季的微生物數(shù)量較多、酶活

9、性較高；春、冬季的微生物數(shù)量較少，酶活性較低。復(fù)墾土壤中，細(xì)菌多樣性和細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的季節(jié)變化特征不明顯：細(xì)菌豐富度指數(shù)在夏、秋季較大，春、冬季較小；細(xì)菌多樣性指數(shù)在春、秋季較大，夏、冬季較小。
　　(7)采煤塌陷使礦區(qū)農(nóng)田土壤退化嚴(yán)重，破壞了微生物群落結(jié)構(gòu)及多樣性。泥漿泵復(fù)墾后土壤微生物數(shù)量與正常農(nóng)田相比仍舊較少，酶活性及細(xì)菌群落多樣性水平仍然較低。采煤塌陷地泥漿泵復(fù)墾應(yīng)從改善土壤理化性狀、提高土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量著手，并與土壤改