本文關(guān)鍵詞：西部煤炭開采對土壤環(huán)境影響及微生物修復(fù)研究

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【摘要】：通過對神東礦區(qū)補連塔礦和大柳塔礦區(qū)野外現(xiàn)場監(jiān)測和室內(nèi)樣品分析,研究了西部干旱半干旱區(qū)煤炭開采后土壤水分及土壤水分-物理性質(zhì)的變化,同時研究了煤炭開采后植物根際土壤微環(huán)境演替特征,重點對根際土壤物理、化學(xué)、生物性質(zhì)等進行了監(jiān)測和研究。針對神東礦區(qū)煤炭開采造成的植被生態(tài)破壞和影響,通過利用接種叢枝菌根的生態(tài)功能和優(yōu)勢改善根際土壤微環(huán)境,從而加速礦區(qū)受損生態(tài)的修復(fù)進程。在此基礎(chǔ)上,采用室內(nèi)盆栽人工模擬礦區(qū)干旱缺水環(huán)境,研究了叢枝菌根真菌與化學(xué)高分子保水劑聯(lián)合對礦區(qū)水分虧缺的植被生長及抗旱性的影響。研究的主要結(jié)論如下:(1)采煤沉陷裂縫降低了土壤含水量,沉陷區(qū)地表裂縫區(qū)和無裂縫區(qū)土壤含水量均小于未開采區(qū),煤炭開采后不同時期均表現(xiàn)為裂縫區(qū)沉陷區(qū)未開采區(qū)。裂縫密度與土壤含水量呈顯著負相關(guān),裂縫密度越大,土壤含水量越小。隨著裂縫寬度的增加土壤水分損失逐漸增加。降雨前,裂縫區(qū)土壤水分損失較大,降雨后裂縫區(qū)土壤水分損失速度大于非裂縫區(qū)和未開采區(qū)。煤炭開采后土壤水分蒸發(fā)量增加,表現(xiàn)為裂縫區(qū)沉陷區(qū)對照區(qū),不同時期土壤蒸發(fā)量不同,裂縫發(fā)育期土壤水分蒸發(fā)量較大,水分虧缺時期土壤蒸發(fā)量較小。采煤地表裂縫和沉陷會造成地表土壤入滲速率和穩(wěn)滲速率增加,同時水分入滲深度增加,不利于土壤水分的保持。短期內(nèi)裂縫的閉合對土壤水分的恢復(fù)影響不大,裂縫區(qū)土壤水分的恢復(fù)需要較長時間。采煤沉陷后對土壤水分物理性質(zhì)造成一定影響,表現(xiàn)為沉陷和裂縫造成土壤容重下降、土壤孔隙度增大,同時土壤田間持水量和飽和含水量下降,土壤貯水量降低,不利于當(dāng)?shù)刂参锏纳L。隨著開采時間的延長,土壤容重、孔隙度、田間持水量等趨于未開采狀態(tài),沉陷區(qū)恢復(fù)速度較快,而裂縫區(qū)短期內(nèi)難以恢復(fù)。(2)與未開采區(qū)相比,煤炭開采后植物根際土壤容重減小、孔隙度增加,尤其是開采1-2年內(nèi)的影響最大,隨著開采時間的延長,其數(shù)值逐漸接近于未開采狀態(tài)。采煤塌陷后,土壤田間持水量、土壤貯水量具有較為明顯的變化。開采1-2年后土壤田間持水量、土壤貯水量表現(xiàn)為下降的趨勢。而隨著采煤沉陷逐步穩(wěn)定,土壤田間持水能力有所恢復(fù)。煤炭開采后土壤中速效磷鉀、堿解氮含量、全磷、全鉀和部分無機鹽離子均出現(xiàn)了下降,且開采時間越短,其下降幅度越大,隨著開采時間的延長,下降速度減緩,部分指標(biāo)趨于正常。隨著塌陷時間的延長,部分指標(biāo)可恢復(fù)到采煤塌陷前的狀態(tài),逐漸消除了對植被生長的影響。同時,煤炭開采對菌根侵染率和菌絲密度有一定的影響。油蒿、檸條、草木犀植被根際土壤微生物變化對開采時間的響應(yīng)不同,變異較大。不同采樣時間數(shù)據(jù)表明,煤炭開采后1a內(nèi),三種植物種根際土壤細菌數(shù)量出現(xiàn)一定程度的下降,而隨著開采時間的延長,根際土壤細菌數(shù)量有一定的恢復(fù),但不同植物種類恢復(fù)速度不同,且出現(xiàn)一定的波動。根際土壤中放線菌和真菌數(shù)量變異較大,不同植物種呈現(xiàn)出各自季節(jié)規(guī)律。和未開采區(qū)相比,真菌數(shù)量整體表現(xiàn)為先增加后減少,隨著開采時間的延長,土壤中真菌數(shù)量逐漸恢復(fù)。煤炭開采對根際土壤酸性磷酸酶、蔗糖酶、脲酶活性有一定影響,不同植物種、不同酶種類變化不同。煤炭開采后磷酸酶活性降低,隨著時間延長,磷酸酶活性有恢復(fù)趨勢。蔗糖酶、脲酶亦隨著沉陷年限延長有恢復(fù)和增加趨勢。采煤沉陷影響了土壤球囊霉素的合成,易提取球囊霉素相關(guān)蛋白含量開采區(qū)明顯要低于未開采區(qū),表明煤炭開采對土壤中的叢枝菌根的生長造成了消極影響。對自然修復(fù)采煤沉陷地構(gòu)建土壤環(huán)境評價模型,綜合定量評價采煤沉陷區(qū)土壤環(huán)境的演變,研究結(jié)果認為不同植物種受到采煤沉陷擾動后土壤質(zhì)量均出現(xiàn)下降趨勢,而受采煤沉陷擾動最主要的年份均出現(xiàn)在塌陷1-2a內(nèi),而隨著開采時間的延長,土壤環(huán)境指數(shù)有恢復(fù)趨勢,但是不同植物的恢復(fù)速度不同,其中檸條對采煤塌陷的適應(yīng)和恢復(fù)能力較強,油蒿次之,草木犀受采煤塌陷影響作用最大。(3)在神東礦區(qū)采煤塌陷地野外接種叢枝菌根有利于礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)。接種叢枝菌根顯著提高了沙棘成活率,接菌14個月后,混合雙接菌(f.m+r.i)、單接f.m、單接r.i較對照分別增加24.2%、18.2%、8.1%。接菌顯著提高了沙棘株高、冠幅,同時促進了沙棘根系的生長,根長、根投影面積、根表面積、根系直徑和根尖數(shù)等指標(biāo)均顯著增加。三種接菌處理以混合雙接菌+m處理效果最好,單接f.m次之,單接r.i效果相對較差。菌根與沙棘根系形成了良好的共生關(guān)系,接種菌根真菌后能夠顯著提高植株菌根侵染率,并促進根際土壤菌絲密度的增加。接種叢枝菌根顯著提高了根際土壤細菌、真菌、放線菌數(shù)量,有效地改善了植物根際微生物環(huán)境。細菌、真菌、放線菌數(shù)量變化表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化。接菌后植物根際土壤酶活性均有所增加,而不同接菌處理對根際酶活性的響應(yīng)不同。其中接菌2個月后僅混合接菌(f.m+r.i)磷酸酶活性顯著高于對照,而接菌11個月和14個月時,所有接菌處理均顯著提高了根際土壤磷酸酶活性。不同時期蔗糖酶、脲酶活性均表現(xiàn)為接菌對照,且混合雙接菌處理效果最佳。同時接菌有利于土壤中養(yǎng)分循環(huán),對土壤也具有一定的改良作用,這對于受損礦區(qū)的生態(tài)修復(fù)具有重要意義,有利于退化生態(tài)系統(tǒng)的快速恢復(fù)。(4)玉米與叢枝菌根可形成良好的共生關(guān)系,接種叢枝菌根顯著提高了玉米生物量、株高、地徑。與未接菌相比,接菌提高了植株水分利用效率,水分脅迫和正常供水條件下,較對照分別提高117%和24.6%。接菌后玉米葉片spad值和可溶性蛋白含量增加,葉片過氧化氫酶活性增強。同時,接種菌根顯著降低了植株葉片脯氨酸、丙二醛含量,干旱脅迫和正常供水條件下,較未接菌處理分別降低了14.1%、18.9%和59%、69%。接種叢枝菌根真菌能夠促進玉米的生長,緩解干旱脅迫對玉米生長造成的不利影響,提高了玉米的抗旱性。適當(dāng)濃度的聚谷氨酸能夠有效促進玉米的生長,同時促進能有效提高植物體內(nèi)的養(yǎng)分濃度。研究表明,聚谷氨酸濃度在0.05mg/kg時對玉米的促生及提高其抗旱能力的作用最強。聚谷氨酸和叢枝菌根具有較好的協(xié)同作用,能共同促進玉米的生長,同時對玉米地上和地下部分的養(yǎng)分吸收有促進作用,提高了植株葉片的生理反應(yīng)及酶活性,起到了保護植株免受干旱脅迫傷害的作用,從而提高了其抗旱性。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：S154.1;Q948

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本文編號：1262062