重金屬污染工業(yè)裸地植被恢復的土壤微生物生態(tài)學研究.pdf

1、工業(yè)裸地以表層土的重金屬含量高、極度酸化、有機質(zhì)極其貧乏以及土壤結構惡化為主要特征，因此依賴于植物的自然定居來恢復工業(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模式已經(jīng)成為各國生態(tài)學家們共同關注焦點之一。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、群落的演替動態(tài)等指標對判斷一個植被恢復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、化會迅速做出相應的反應，因而用微生物群落指標來評價植被恢復對工業(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、適應性強、用途廣泛和抗逆性強而被國內(nèi)外學者稱為奇樹，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)裸地進行植被恢復的報道，因而泡桐對重金屬污染土壤的生物修復機制還不清楚。為此，本論文的研究目的是，以廣東韶關Pb/Zn冶煉廠的現(xiàn)有的植被恢復基地為研究

3、對象，將傳統(tǒng)的微生物研究方法與新興的分子生物學技術相結合對以泡桐為優(yōu)勢種的植被恢復模式進行評價。 本研究中，根據(jù)植被恢復年份選擇了5個不同的樣地。其中包括三個恢復樣地[分別被恢復2(RⅢ)、3(RⅢ)和5(RV)年]和兩個對照樣地[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(微生物數(shù)量、呼吸強度、細菌群落生理水平指標(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(生物量、磷脂脂肪酸(PLFAs)和酶活性)。同時，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。主要研究結果如下：1.與裸地相比，恢復樣地的土壤肥力水平和物理條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C、總N、NH4-N、NO3-N和WHC)均展示了類似的趨勢：在恢復樣地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。相關分析表明土壤理化參數(shù)(土壤有機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(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個研究樣地分別區(qū)分為BG組、恢復組和天然林組，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梯度。 3.所測定的4種微生物數(shù)量包括富營養(yǎng)細菌(CB

7、)、寡營養(yǎng)細菌(OB)、真菌和放線菌并未與植被恢復年份相一致。富營養(yǎng)細菌(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。相關分析表明上述三個微生物數(shù)量指標與理化特性(土壤有機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，僅富營養(yǎng)細菌和真菌分別與DTPA-Pb、DTPA-Zn和DTPA-Cu呈顯著(P＜0.

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

9、土壤總有機C、NH4-N、NO3-N、有效磷、WHC和植被蓋度呈現(xiàn)顯著性正相關(P＜0.05或P＜0.01)。微生物生物量N及Nmic/Nt與植被恢復年份相一致，但在三個恢復樣地間差異不明顯(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(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。 微生物基礎呼吸(BSA)和基質(zhì)誘導呼吸(SIR)按微

10、生物生物量C、富營養(yǎng)細菌、真菌和放線菌的變化趨勢在5個研究樣地進行波動，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。相關分析表明BSA與土壤有機C、NO3-N、WHC、孔隙度和植被蓋度呈顯著性正相關(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(P＜0.05或P＜0.01)，與重金屬總Pb、DTPA-Pb和DTPA-Cu

11、呈現(xiàn)顯著負相關(P＜0.05或P＜0.01)。qCO2與有效P、WHC和植被蓋度呈現(xiàn)顯著負相關(P＜0.05或P＜0.01)，與總Zn和Cd呈現(xiàn)顯著正相關(P＜0.05)。根據(jù)上述微生物指標，PCA分析表明微生物數(shù)量、生物量、呼吸強度及其衍生指標沿著沿著主分量1的整體變化清楚地將5個研究樣地區(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個研究樣地均以細菌和放線菌脂肪酸占優(yōu)勢。三個恢復樣地中的

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裸地(P＜0.05)，但仍然低于天然林樣地(P＜0.05)。一些標志性脂肪酸表明了與植被恢復一致性的趨勢，這些脂肪酸包括：革蘭氏陰性細菌(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)和總的原生動物(20∶2ω6c+20∶3ω6c)，而其它脂肪酸的豐度變化并沒有與植被恢復相一致。另外Fung/bact和monounsat/sat均隨著植被恢復而提高(P＜0.05)，而cy17∶0/16∶1ω7c和cy19∶0/18∶1ω7c均隨著植被恢復而下降(P＜0.05)。上述標志性脂

14、肪酸以及脂肪酸比率均與土壤理化特性表現(xiàn)為不同程度正相關關系，而很少與重金屬相關。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年份相一致。 與裸地相比，所測定的7種酶活性在恢復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年份逐漸提高(P＜0.05)，而轉化酶、多酚氧化酶和尿酶活性盡管在統(tǒng)計學上不顯著(P＜0.05)，卻呈現(xiàn)出逐漸下降趨勢。恢復樣地酸性磷酸酶活性盡管顯著

15、性地高于未恢復裸地(P＜0.05)，但沒有表現(xiàn)出與植被恢復一致性的趨勢。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，很少與重金屬負相關。主分量分析表明酶活性的總體變化類似于PLFA。 CCA(典范相關分析)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，表明了微生物群落組成在植被恢復過程中與其功能的協(xié)同演替。5.可培養(yǎng)的土壤細菌群落在5個樣地中具有明顯不同的優(yōu)勢核型。細菌核型豐富度(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。可培養(yǎng)細菌群落的功能參數(shù)包括碳源利用潛力(AWCD)、不同碳源群的利用強度(A595)、利用的碳源數(shù)量(Rs)和功能多樣性(HF)也遵循著細菌群落結構參數(shù)的變化趨勢(P＜0.05)。相關分析也表明可培養(yǎng)細菌群落的結構與功能多樣性參數(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指標進行的PCA表

17、明AWCD沿著PC1軸也清楚地區(qū)分了5個研究樣地，樣地RV也明顯地滯后于樣地RⅡ和RⅢ。 本論文的研究結果表明，以泡桐為優(yōu)勢種的植被恢復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，進而阻止了重金屬向周邊環(huán)境擴散；不同的微生物指標對環(huán)境中的生物參數(shù)與非生物參數(shù)的反應是不同的，因而用多種微生物指標評價植被恢復對污染重金屬土壤的改良作用是必須的；依賴于培養(yǎng)的微生物指標分析表明以泡桐為優(yōu)勢種恢復污染有重金屬的工業(yè)裸地模式對土壤的