發(fā)布時間：2020-07-31 16:32

【摘要】：我國經(jīng)濟的快速發(fā)展與煤炭消費有著密切的聯(lián)系,煤炭消費隨著經(jīng)濟和工業(yè)的擴張而不斷增長。然而,煤炭開采會打破當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境平衡,引發(fā)一系列生態(tài)環(huán)境問題。采礦活動導(dǎo)致土壤質(zhì)量退化,破壞區(qū)域生態(tài)系統(tǒng),減少生物多樣性和土地生產(chǎn)力。人為引起的土壤質(zhì)量及其生物特性的變化對生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展,特別是干旱和半干旱生態(tài)脆弱地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展有著深遠的影響。如何提高礦區(qū)新構(gòu)土體土壤養(yǎng)分,改良土壤結(jié)構(gòu)性,最終提高土壤質(zhì)量是礦區(qū)新構(gòu)土體土壤生態(tài)恢復(fù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。土壤微生物在調(diào)節(jié)多種生態(tài)功能方面發(fā)揮著重要作用,微生物從土壤中獲取養(yǎng)分和棲息地,并對土壤質(zhì)量產(chǎn)生影響。鑒于微生物在能量遷移、營養(yǎng)循環(huán)和植被恢復(fù)中的綜合作用,探索不同植被恢復(fù)條件與土壤微生物群落之間的關(guān)系,可以為生態(tài)恢復(fù)提供重要信息。因此,本研究針對煤礦開發(fā)對土壤和植被狀況的影響,研究礦區(qū)復(fù)墾區(qū)不同植被配置模式下新構(gòu)土壤理化及生物性質(zhì),通過對土壤質(zhì)量進行綜合評價探討其演變規(guī)律并確定不同土壤質(zhì)量評價方法的適用性,同時運用高通量測序技術(shù)對研究礦區(qū)復(fù)墾區(qū)典型植被下微生物多樣性變化特征和影響因子進行研究,作為礦區(qū)新構(gòu)土體土壤質(zhì)量恢復(fù)效果的評價依據(jù)。主要結(jié)論如下:(1)植被恢復(fù)有利于改善新構(gòu)土體土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)。不同樣地土壤容重、pH、電導(dǎo)率和鈉吸附比隨土層深度的增加而增大,土壤顆粒組成隨土層深度的增加變化規(guī)律不明顯,其余土壤化學(xué)性質(zhì)和生物學(xué)性質(zhì)隨土層深度的增加而減少,且差異顯著。不同土層中以表層土壤性質(zhì)改善較為明顯。0-20cm表層土壤中,容重在自然恢復(fù)地和復(fù)墾地灌木+草本中均為最低,為1.28 g·cm~(-3),在未復(fù)墾地最高,為1.35 g·cm~(-3);pH在自然恢復(fù)地最低,為8.40,在未復(fù)墾地最高,為8.74;電導(dǎo)率在自然恢復(fù)地最低,為87.45 mS·m~(-1),在復(fù)墾地喬木+草地中最高,為100.31 mS·m~(-1);有機質(zhì)含量在自然恢復(fù)地最高,為22.08 g·kg~(-1),在未復(fù)墾地最低,僅為9.3 g·kg~(-1);全氮含量在自然恢復(fù)地最高,為0.63 g·kg~(-1),速效氮含量在復(fù)墾地灌木中最高,為13.13 mg·kg~(-1),全氮和速效氮均在未復(fù)墾地中最低,分別為0.13 g·kg~(-1)和4.59 mg·kg~(-1);全磷含量在復(fù)墾地喬木+草本中最高,為0.57 g·kg~(-1),在未復(fù)墾地最低,為0.42 g·kg~(-1);速效磷含量在復(fù)墾地草本中最高,為12.48 mg·kg~(-1),在復(fù)墾地灌木中最低,為3.69 mg·kg~(-1);全鉀含量在復(fù)墾地喬木+草本中最高,為18.70 g·kg~(-1),速效鉀含量在復(fù)墾地灌木中最高,為162.50mg·kg~(-1),全鉀和速效鉀均在未復(fù)墾地中最低,分別為5.79 g·kg~(-1)和39.04 mg·kg~(-1);陽離子交換量在復(fù)墾地灌木中最高,為18.51 cmol?kg~(-1),在未復(fù)墾地中最低,為15.43 cmol?kg~(-1);鈉吸附比在復(fù)墾地灌木+草本中最低,為0.43,在未復(fù)墾地中最高,為0.86;過氧化氫酶和脲酶均在復(fù)墾地灌木中最高,分別為6.53 mg·(g·24h)~(-1)和2.01 mg·(g·24h)~(-1),在未復(fù)墾地中最低,分別為2.85 mg·(g·24h)~(-1)和0.04mg·(g·24h)~(-1);堿性磷酸酶在復(fù)墾地灌木中最高,為0.86 mg·(g·24h)~(-1),在復(fù)墾地喬木中最低,為0.47 mg·(g·24h)~(-1);蔗糖酶在自然恢復(fù)地中最高,為14.26mg·(g·24h)~(-1),在未復(fù)墾地中最低,為1.51 mg·(g·24h)~(-1);微生物碳含量在自然恢復(fù)地中最高,為378.97 mg?kg~(-1),微生物氮含量在復(fù)墾地灌木中最高,為83.39mg?kg~(-1),微生物碳和微生物氮含量均在未復(fù)墾地中最低,分別為5.98 mg?kg~(-1)和15.22 mg?kg~(-1)。在該區(qū)域選擇種植灌木植被類型是新構(gòu)土體土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)快速恢復(fù)的主要手段,盡管該區(qū)域經(jīng)過20年左右的植被恢復(fù),但大多數(shù)植被恢復(fù)類型下新構(gòu)土體土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)仍未達到原自然土壤水平�？梢�,礦區(qū)新構(gòu)土體土壤恢復(fù)是一個漫長的過程。(2)采用四種土壤質(zhì)量評價方法(非線性土壤質(zhì)量指數(shù)法、線性土壤質(zhì)量指數(shù)法、非線性內(nèi)梅羅指數(shù)法和線性內(nèi)梅羅指數(shù)法)評價了新構(gòu)土體土壤質(zhì)量狀況,基于最小數(shù)據(jù)集的非線性土壤質(zhì)量指數(shù)評價具有較高的精度。篩選出了該研究區(qū)域土壤質(zhì)量評價指標最小數(shù)據(jù)集,分別為砂粒、堿性磷酸酶、鈉吸附比和微生物碳。土壤質(zhì)量的主要限制因素為砂粒含量、磷的有效性、鹽漬化以及碳的活性程度。植被恢復(fù)有利于提高新構(gòu)土體土壤質(zhì)量,種植灌木效果最好,甚至超過了自然植被土壤質(zhì)量。(3)植被恢復(fù)可顯著改善新構(gòu)土體土壤OTUs、細菌群落豐富度、多樣性指數(shù)以及部分土壤生化性質(zhì)。然而,盡管經(jīng)過近20年的植被恢復(fù),土壤細菌群落結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生明顯的變化。冗余分析(RDA)和Pearson相關(guān)系數(shù)結(jié)果表明,細菌群落對生化性質(zhì)的響應(yīng)不明顯,優(yōu)勢菌門為變形菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)和酸桿菌門(Acidobacteria)。由于灌木土壤具有較好的生物化學(xué)特性、細菌豐富度和多樣性,被認為是該地區(qū)的最佳植被恢復(fù)類型。土壤生化性質(zhì)中對土壤細菌群落多樣性的主要影響因素為:有機質(zhì),速效氮,過氧化氫酶和蔗糖酶。(4)不同植被類型下,與單一指標相比,土壤質(zhì)量綜合評價指數(shù)與微生物α多樣性指標之間具有更顯著的相關(guān)關(guān)系。說明土壤質(zhì)量綜合評價指數(shù)能夠較好地反映出微生物α多樣性的變化情況,可將土壤質(zhì)量指數(shù)作為評價土壤微生物多樣性的指示性因子。相反,微生物α多樣性優(yōu)劣狀況也能影響土壤質(zhì)量的高低。而植被恢復(fù)能夠?qū)ν寥蕾|(zhì)量產(chǎn)生明顯影響,因此也間接地反映了植被恢復(fù)對土壤微生物多樣性具有影響作用。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：S15
【圖文】：

圖 1.1 基于空間尺度的土壤質(zhì)量評價Fig. 1.1 Soil quality evaluation based on spatial scale壤質(zhì)量的好壞程度是由多種因素共同決定的，感官或者儀器分析都無法取土壤質(zhì)量，需要對能夠表征土壤性狀的指標進行測定，并最終進行表達。因此，土壤質(zhì)量的綜合體現(xiàn)必須借助評價指標體系，對土壤質(zhì)標的準確篩選是進行土壤質(zhì)量評價的關(guān)鍵步驟。Arshad 等[62]認為，土價指標能夠體現(xiàn)出土壤功能狀況，具體表現(xiàn)為可以獲取的土壤或植被表 1.1 所示，目前土壤質(zhì)量評價指標涵蓋了物理性質(zhì)、環(huán)境因子、肥力化學(xué)指標、生態(tài)指標和生物指標六個主要方面，然而較高的使用頻率理化性質(zhì)方面，對生物學(xué)指標的研究較少。

晉陜蒙礦區(qū)新構(gòu)土體土壤質(zhì)量恢復(fù)及其微生物特性變化的研究每個指標，如果相關(guān)系數(shù)小于 0.6，則所有指標均可保留[74]。不同高荷載指標之間顯著相關(guān)（r>0.6），則選擇相關(guān)系數(shù)和絕入最小數(shù)據(jù)集[127]。于特征值>1 的碎石檢驗結(jié)果（圖 4.1）得知，提取前四個主成的大部分信息。

最后，利用 Illumina Hiseq 2500 平臺(Illumina Corporati混合樣本進行細菌 rRNA 基因的高通量測序分析。rimmomatic 軟件平臺(0.33 版本)對原始序列進行降噪、排序和 物 進 行 裁 剪[149]。 對 剩 余 序 列 進 行 冗 余 篩 選 ， 使 用.mothur.org/wiki/Chao)，將每個樣本的所有唯一序列在相似度操作分類單元(Operational Taxonomic Units, OTUs)。利用細 參考數(shù)據(jù)庫(http://www.arb-silva.de)對各OTU的代表性序列進用 RDP na ve Bayesian 分類在 80%置信水平下對分類成分進othur 對高通量測序數(shù)據(jù)計算，得到了群落豐富度指數(shù)(Chao1落多樣性指數(shù)(Shannon 和 Simpson 指數(shù))和稀疏度曲線[148]。相似度水平下，所有樣本的稀疏度曲線逐漸趨于平穩(wěn)，說明序列的增加對 OTU 總數(shù)幾乎沒有貢獻（圖 5.1）。

【參考文獻】

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本文編號：2776721