西部煤炭开采对土壤环境影响及微生物修复研究

【摘要】：通过对神东矿区补连塔矿和大柳塔矿区野外现场监测和室内样品分析,研究了西部干旱半干旱区煤炭开采后土壤水分及土壤水分-物理性质的变化,同时研究了煤炭开采后植物根际土壤微环境演替特征,重点对根际土壤物理、化学、生物性质等进行了监测和研究。针对神东矿区煤炭开采造成的植被生态破坏和影响,通过利用接种丛枝菌根的生态功能和优势改善根际土壤微环境,从而加速矿区受损生态的修复进程。在此基础上,采用室内盆栽人工模拟矿区干旱缺水环境,研究了丛枝菌根真菌与化学高分子保水剂联合对矿区水分亏缺的植被生长及抗旱性的影响。研究的主要结论如下:(1)采煤沉陷裂缝降低了土壤含水量,沉陷区地表裂缝区和无裂缝区土壤含水量均小于未开采区,煤炭开采后不同时期均表现为裂缝区沉陷区未开采区。裂缝密度与土壤含水量呈显著负相关,裂缝密度越大,土壤含水量越小。随着裂缝宽度的增加土壤水分损失逐渐增加。降雨前,裂缝区土壤水分损失较大,降雨后裂缝区土壤水分损失速度大于非裂缝区和未开采区。煤炭开采后土壤水分蒸发量增加,表现为裂缝区沉陷区对照区,不同时期土壤蒸发量不同,裂缝发育期土壤水分蒸发量较大,水分亏缺时期土壤蒸发量较小。采煤地表裂缝和沉陷会造成地表土壤入渗速率和稳渗速率增加,同时水分入渗深度增加,不利于土壤水分的保持。短期内裂缝的闭合对土壤水分的恢复影响不大,裂缝区土壤水分的恢复需要较长时间。采煤沉陷后对土壤水分物理性质造成一定影响,表现为沉陷和裂缝造成土壤容重下降、土壤孔隙度增大,同时土壤田间持水量和饱和含水量下降,土壤贮水量降低,不利于当地植物的生长。随着开采时间的延长,土壤容重、孔隙度、田间持水量等趋于未开采状态,沉陷区恢复速度较快,而裂缝区短期内难以恢复。(2)与未开采区相比,煤炭开采后植物根际土壤容重减小、孔隙度增加,尤其是开采1-2年内的影响最大,随着开采时间的延长,其数值逐渐接近于未开采状态。采煤塌陷后,土壤田间持水量、土壤贮水量具有较为明显的变化。开采1-2年后土壤田间持水量、土壤贮水量表现为下降的趋势。而随着采煤沉陷逐步稳定,土壤田间持水能力有所恢复。煤炭开采后土壤中速效磷钾、碱解氮含量、全磷、全钾和部分无机盐离子均出现了下降,且开采时间越短,其下降幅度越大,随着开采时间的延长,下降速度减缓,部分指标趋于正常。随着塌陷时间的延长,部分指标可恢复到采煤塌陷前的状态,逐渐消除了对植被生长的影响。同时,煤炭开采对菌根侵染率和菌丝密度有一定的影响。油蒿、柠条、草木犀植被根际土壤微生物变化对开采时间的响应不同,变异较大。不同采样时间数据表明,煤炭开采后1a内,三种植物种根际土壤细菌数量出现一定程度的下降,而随着开采时间的延长,根际土壤细菌数量有一定的恢复,但不同植物种类恢复速度不同,且出现一定的波动。根际土壤中放线菌和真菌数量变异较大,不同植物种呈现出各自季节规律。和未开采区相比,真菌数量整体表现为先增加后减少,随着开采时间的延长,土壤中真菌数量逐渐恢复。煤炭开采对根际土壤酸性磷酸酶、蔗糖酶、脲酶活性有一定影响,不同植物种、不同酶种类变化不同。煤炭开采后磷酸酶活性降低,随着时间延长,磷酸酶活性有恢复趋势。蔗糖酶、脲酶亦随着沉陷年限延长有恢复和增加趋势。采煤沉陷影响了土壤球囊霉素的合成,易提取球囊霉素相关蛋白含量开采区明显要低于未开采区,表明煤炭开采对土壤中的丛枝菌根的生长造成了消极影响。对自然修复采煤沉陷地构建土壤环境评价模型,综合定量评价采煤沉陷区土壤环境的演变,研究结果认为不同植物种受到采煤沉陷扰动后土壤质量均出现下降趋势,而受采煤沉陷扰动最主要的年份均出现在塌陷1-2a内,而随着开采时间的延长,土壤环境指数有恢复趋势,但是不同植物的恢复速度不同,其中柠条对采煤塌陷的适应和恢复能力较强,油蒿次之,草木犀受采煤塌陷影响作用最大。(3)在神东矿区采煤塌陷地野外接种丛枝菌根有利于矿区生态环境修复。接种丛枝菌根显著提高了沙棘成活率,接菌14个月后,混合双接菌(f.m+r.i)、单接f.m、单接r.i较对照分别增加24.2%、18.2%、8.1%。接菌显著提高了沙棘株高、冠幅,同时促进了沙棘根系的生长,根长、根投影面积、根表面积、根系直径和根尖数等指标均显著增加。三种接菌处理以混合双接菌+m处理效果最好,单接f.m次之,单接r.i效果相对较差。菌根与沙棘根系形成了良好的共生关系,接种菌根真菌后能够显著提高植株菌根侵染率,并促进根际土壤菌丝密度的增加。接种丛枝菌根显著提高了根际土壤细菌、真菌、放线菌数量,有效地改善了植物根际微生物环境。细菌、真菌、放线菌数量变化表现出明显的季节性变化。接菌后植物根际土壤酶活性均有所增加,而不同接菌处理对根际酶活性的响应不同。其中接菌2个月后仅混合接菌(f.m+r.i)磷酸酶活性显著高于对照,而接菌11个月和14个月时,所有接菌处理均显著提高了根际土壤磷酸酶活性。不同时期蔗糖酶、脲酶活性均表现为接菌对照,且混合双接菌处理效果最佳。同时接菌有利于土壤中养分循环,对土壤也具有一定的改良作用,这对于受损矿区的生态修复具有重要意义,有利于退化生态系统的快速恢复。(4)玉米与丛枝菌根可形成良好的共生关系,接种丛枝菌根显著提高了玉米生物量、株高、地径。与未接菌相比,接菌提高了植株水分利用效率,水分胁迫和正常供水条件下,较对照分别提高117%和24.6%。接菌后玉米叶片spad值和可溶性蛋白含量增加,叶片过氧化氢酶活性增强。同时,接种菌根显著降低了植株叶片脯氨酸、丙二醛含量,干旱胁迫和正常供水条件下,较未接菌处理分别降低了14.1%、18.9%和59%、69%。接种丛枝菌根真菌能够促进玉米的生长,缓解干旱胁迫对玉米生长造成的不利影响,提高了玉米的抗旱性。适当浓度的聚谷氨酸能够有效促进玉米的生长,同时促进能有效提高植物体内的养分浓度。研究表明,聚谷氨酸浓度在0.05mg/kg时对玉米的促生及提高其抗旱能力的作用最强。聚谷氨酸和丛枝菌根具有较好的协同作用,能共同促进玉米的生长,同时对玉米地上和地下部分的养分吸收有促进作用,提高了植株叶片的生理反应及酶活性,起到了保护植株免受干旱胁迫伤害的作用,从而提高了其抗旱性。