我国南方红壤矿区复垦土壤微生物生态特征及其恢复研究

【摘要】： 矿区土壤复垦是国际上备受关注的研究领域。我国南方红壤地区蕴藏着丰富的矿产资源，是我国多种有色金属矿产的重要基地。随着有色金属采矿业的发展，重金属的内生地球化学异常转化向表生地球化学异常。由此，使红壤矿区土壤乃至大面积红壤中重金属积累扩散，造成土壤重金属污染退化加剧，生态系统遭受严重破坏。为了消除矿区土壤的环境负面效应，加速土壤复垦，缓解人地矛盾，国内外已进行了很多研究，但研究重点一直放在土壤生态系统植被重建过程及工程技术上，而对土壤地下部分微生物恢复、演变及对整个生态系统的影响报道尚少。本论文采用野外矿区调查、实验室培养和温室盆栽试验相结合的方法，对我国南方红壤矿区土壤的微生物生态特征及其稳定性恢复进行了研究，以期为矿区重金属污染及退化土壤微生物生态系统的生物修复及土壤复垦工程提供理论技术依据。主要研究结果总结如下： 1、对我国南方红壤铜矿区(浙江诸暨铜矿为例)复垦土壤—铜耐受性植物体系的微生物生态特征进行了研究。结果表明：海洲香薷是铜矿区典型的耐铜性植物(Elsholtzia harchowensis)，植物体中的重金属元素含量表现为Cu＞Zn＞Pb＞Cd，Cu与土壤元素的相关性最为显著，其次为Zn。结果亦表明，红壤矿区复垦土壤的微生物生态特征发生了明显改变，与对照土壤相比，土壤微生物生物量降低，但微生物商Cmic／Corg、代谢商qCO_2值明显升高(P＜0.05)。Biolog结果显示，红壤铜矿区复垦土壤微生物的群落结构也发生改变，随矿区土壤污染加剧，微生物对能源碳的消耗量和速度明显升高，但利用效率却降低。相关分析结果表明，土壤重金属含量和土壤基础呼吸、微生物量C／N、代谢剖面(AWCD)、微生物商(Cmic／Corg)、代谢商(qCO_2)与铜耐受性植物—海洲香薷地上部分生物量呈显著或极显著正相关(R=0.8021~*～0.8735~(**))；微生物量C、微生物量N、生化作用强度、酶活性与铜耐受性植物—海洲香薷地上部分生物量呈显著或极显著负相关(R=-0.6290~*～-0.8896~(**))。对红壤铜矿区复垦土壤微生物生态进行恢复时，可选择重金属耐性较强的植物。 2、对我国南方红壤铅锌矿区(浙江天台铅锌矿为例)复垦土壤—耐受性植物体系的微生物生态特征进行了研究。结果表明：香根草是一种在铅锌矿区适生的耐受性植物，引种5年以上的香根草植物中元素含量表现为Zn＞Pb＞Cu＞Cd，其中Cu表现为根＞茎＞叶，Cd表现为叶＞茎＞根，Zn、Pb表现为根＞叶＞茎。香根草中的Zn、Pb含量均 显著地高于其它几种植物。香根草重金属元素分布与土壤重金属元素的关系表明，Zn 的相关性最显著，其次为Pb。铅锌矿区几种草本植物对重金属的抗性表现为:香根草 厥白茅类芦。结果亦表明，铅锌矿区复垦土壤微生物特征发生了显著的变化，土 壤微生物生物量和可培养细菌数量显著降低，但土壤基础呼吸和微生物代谢商qCOZ 却明显升高(P0.01)。Biolog结果显示，随着重金属污染程度的加剧土壤微生物群落 结构发生了相应变化，矿区复垦土壤微生物群落代谢剖面(AWCD)及群落丰富度(S)、 多样性指数(H)均显著低于对照土壤，供试土壤间均达极显著水平差异(P0.01)。 相关分析结果表明，土壤重金属含量和土壤基础呼吸、微生物量CfN、代谢剖面 (AWcD)、微生物商(cmic/corg)、代谢商(qC02)与人工栽培的香根草植物地上 部分呈显著或极显著正相关(卜0.6653飞0.8945”);微生物量C、微生物量N、生化 作用强度、酶活性、群落Shannon指数(H)和微生物群落丰富度(S)与人工栽培的 香根草植物地上部分生物量呈显著或极显著地负相关(R=一。.6357*一。.9742”)。但不同 的微生物指标对金属矿区土壤一植物体系的微生物效应存在明显差异。对红壤铅锌矿 区复垦土壤微生物生态进行恢复时，可考虑选择种植重金属抗性强、生物量大的香根 草(Vetiveria zizaosoide、)。 3、对红壤铅锌矿区、铜矿区复垦土壤一植物系统的酶活性(脉酶、蔗糖酶、酸 性磷酸酶、蛋白酶、脱氢酶和过氧化氢酶)进行了较详细的研究。结果表明，土壤酶 活性随着重金属增加而显著降低，其中以脱氢酶和脉酶活性下降最明显。多元回归模 型显著性检验表明，单一脱氢酶活性与矿区土壤重金属复合元素含量之间呈极显著的 相关性(F=707.15，P0.001)，而单一脉酶活性、蛋白酶活性以及酸性磷酸酶活性与 重金属复合元素含量呈显著相关性(P二0.039;P=0.044;F=707.15;P二0.013)。主成分 分析结果显示，矿区污染土壤酶信息系统的第一、二主成分方差贡献率之和达98.06%， 以.第一、二主成分建立的两个土壤酶活性的综合指标(即总体酶活性)，其结果与重 金属含量为依据的划分结果基本上相吻合。可见，采用酶活性构筑的土壤总体酶活性， 来表征矿区土壤的重金属污染状况是可行的，对指导金属矿区土壤复垦具有一定的现 实意义。 4、通过盆栽试验，研究了牧草不同播种方式对矿区复垦土壤微生物生态恢复的 的影响。结果表明:牧草不同播种方式使矿区复垦土壤酶活性、生化作用强度与微生 物生物量发生了显著的变化，其影响大小因矿区土壤污染程度而异。无污染和轻度污 染复垦土壤中表现为