采煤塌陷地泥漿泵復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)學研究中的熱點。國內外學者對礦區(qū)復墾土壤的物理、化學性質演變規(guī)律已進行了廣泛而深入的探討，但是對礦區(qū)復墾土壤微生物多樣性的研究相對欠缺。
　　本文將傳統(tǒng)的微生物培養(yǎng)方法和454焦磷酸測序的非培養(yǎng)方法相結合，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方面，系統(tǒng)地研究了泥漿泵復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、性與土壤理化性質之間的相互關系，探明了復墾土壤微生物多樣性演變的影響因素。主要研究結果如下：
　　(1)土壤微生物在三種土壤類型中的數(shù)量大小順序為：對照土壤>復墾土壤>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，泥漿泵復墾顯著增加了微生物數(shù)量，但與對照土壤相比仍然較少。相關分析表明，采煤沉陷及復墾改變了土壤有機質、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

3、照土壤與復墾土壤均隨土層深度的增加而遞減。對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)。復墾土壤各層的微生物數(shù)量差異不顯著，這是因為泥漿泵復墾初期，土壤結構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性。
　　(2)脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶活性在不同類型土壤中的大小順序為：對照土壤>復墾土壤>塌陷土壤。復墾土壤

4、中的酶活性較塌陷土壤顯著提高，且逐漸接近對照農田水平。在垂直分布上，對照與復墾土壤的酶活性均隨土層深度的增加而遞減，反應了土壤酶的表聚性。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雜性。相關分析表明，土壤酶活性與土壤有機質、全氮、速效磷、含水量呈顯著或極顯著相關(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(P<0.05)。土壤酶活性可敏感地指示復墾土壤理

5、化性狀和與土壤養(yǎng)分轉化有關的微生物活性狀況。
　　(3)基于宏基因組學和454高通量測序技術，獲得土壤細菌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菌遺傳多樣性指數(shù)、稀疏性曲線及Shannon-Wiener曲線發(fā)現(xiàn)，對照農田的細菌多樣性水平最高，塌陷地最低。相關分析表明，土壤有機質、全氮和速效磷是影響土壤細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)分和能量對細菌群

6、落的供給，使得細菌結構由復雜變?yōu)楹唵?，多樣性水平亦相應下降。復墾后，土壤有機質及土壤養(yǎng)分的改善，促進了細菌的繁殖，提高了細菌多樣性水平。但復墾土壤細菌多樣性仍低于對照農田。
　　(4)基于系統(tǒng)分類學，獲得了細菌的29個門、54個綱、87個目、164個科、383個屬。細菌的優(yōu)勢門類為: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)勢菌群的相對豐度在不同類型土壤中存在明顯差異，并與土壤理化性質密切相關。這體現(xiàn)出細菌群落的生態(tài)多樣性以及與土壤環(huán)境的相互選擇性，可以作為檢測礦區(qū)土壤質量變化的生物學指標。
　　(5)細菌群落結構在塌陷土壤、復墾土壤和對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，塌陷土壤與對照土壤之間的差異顯著。對照土壤的細菌群落結構較為復雜且菌種豐富，塌陷土壤的細菌菌種單一且分布不均勻。復墾改善了土壤細菌群落結構，與對照土壤具有一定相似性，但兩者間仍存在差異。相關性分析和冗余分析表明，采煤塌陷及復墾引起土壤有機質、總氮和含水量等的變化，是造成細菌群落結構演變的主要原因。
　　(6)復墾土壤的微生物數(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。復墾土壤中，細菌多樣性和細菌群落結構的季節(jié)變化特征不明顯：細菌豐富度指數(shù)在夏、秋季較大，春、冬季較?。患毦鄻有灾笖?shù)在春、秋季較大，夏、冬季較小。
　　(7)采煤塌陷使礦區(qū)農田土壤退化嚴重，破壞了微生物群落結構及多樣性。泥漿泵復墾后土壤微生物數(shù)量與正常農田相比仍舊較少，酶活性及細菌群落多樣性水平仍然較低。采煤塌陷地泥漿泵復墾應從改善土壤理化性狀、提高土壤有機質和養(yǎng)分含量著手，并與土壤改