论文部分内容阅读
湘潭锰矿废弃地经过多年的植被恢复,生态环境质量有了明显改善。然而,不同植被恢复模式下土壤限制性养分—磷素以及磷转化微生物特征尚不清楚。因此,为了探明不同植被恢复模式对土壤磷素含量、磷形态特征以及磷转化微生物的影响,本研究以尾矿为对照,选取锰矿废弃地3种典型植被恢复模式:截叶铁扫帚(Lespedeza cuneata)、圆柏(Juniperus chinensis和栾树(Koelreuteria paniculata)为研究对象,采取传统土壤养分指标检测和现代分子生态学高通量测序相结合的方法,对锰矿废弃地尾矿和不同植被恢复模式土壤化学性质、磷酸酶活性、磷形态和磷转化微生物特征进行了测定,分析了尾矿和不同植被恢复模式土壤磷酸酶活性、磷形态及磷转化微生物群落之间的关系,阐明了锰矿废弃地不同植被恢复模式土壤磷形态和有效性变化特征,以及影响phoD细菌群落变化的主要驱动因子,研究结果可为矿区植被恢复管理和生态系统可持续发展提供理论参考。主要研究结果如下:(1)锰矿废弃地三种植被恢复模式土壤pH显著高于尾矿区(2.66)(p<0.05),但不同植被恢复模式土壤pH不同,表现为栾树(6.4)>截叶铁扫帚(5.7)>圆柏(5.6)。植被恢复区可溶性有机碳(DOC)、微生物量碳(MBC)和全磷(TP)含量显著高于尾矿区(p<0.05)。土壤有机碳(SOC)、DOC和MBC含量在圆柏恢复模式最高,分别为11.9 g kg-1、66.9 mg kg-1和219.9 mg kg-1,TP和速效磷(Olsen-P)含量在栾树恢复模式最高,分别为1.1 gkg-1和8.4 mg kg-1。(2)锰矿废弃地三种植被恢复模式土壤碱性磷酸酶(ALP)活性显著高于尾矿区(4.2μg PNP g-1 hr-1)(p<0.05),且不同植被恢复模式土壤ALP活性呈显著差异(p<0.05),表现为栾树(110.7 μg PNP g-1hr-1)>圆柏(72.2μg PNP g-1hr-1)>截叶铁扫帚(35.8 μgPNPg-1hr-1)。三种植被恢复模式土壤酸性磷酸酶(ACP)活性高于尾矿区(26.2μg PNP g-1 hr-1),且不同植被恢复模式土壤ACP活性呈显著差异(p<0.05),圆柏(315.3 μg PNP g-1 hr-1)>截叶铁扫帚(29.9μgPNP g-1hr-1)>栾树(9.7 μg PNP g-1 hr-1)。(3)基于主成分分析和Pearson相关性分析筛选出ALP、ACP和SOC三个指标作为锰矿废弃地土壤质量指数(SQI)计算的最小数据集,各指标权重大小为ACP>SOC>ALP。三种植被恢复模式土壤SQI均显著高于尾矿区(0.13)(p<0.05),表明土壤质量得到改善,且圆柏SQI(0.69)显著高于截叶铁扫帚(0.45)和栾树(0.33)植被恢复模式(p<0.05),表明圆柏恢复模式对土壤质量改善效果最佳。(4)锰矿废弃地尾矿和三种植被恢复模式土壤以残余磷(Residual-P)和NaOH浸提态有机磷(NaOH-Po)为主,Residual-P和NaOH-Po含量范围分别为284.5~829.9 mg kg-1和91.7~170.6 mg kg-1。截叶铁扫帚、圆柏和栾树恢复模式土壤活性有效磷含量分别为 27.1 mg kg-1、36.7 mg kg-1 和 55.0 mg kg-1,均显著高于尾矿区(18.1 mg kg-1)(p<0.05);截叶铁扫帚、圆柏和栾树恢复模式土壤中等活性磷含量分别为236.4 mg kg-1、192.91 mg kg-1和235.4 mg kg-1,均显著高于尾矿区(141.8 mg kg-1)(p<0.05);截叶铁扫帚、圆柏和栾树恢复模式土壤稳定迟效态磷含量分别为399.2 mgkg-1、728.2 mg kg-1和837.1 mg kg-1,其中圆柏以及栾树恢复模式土壤稳定迟效态磷含量显著高于尾矿区(296.2 mgkg-1)(p<0.05)。活性有效磷和中等活性磷含量均与土壤碱性磷酸酶活性呈显著正相关关系(p<0.01,p<0.05),表明植被恢复后土壤质量的提升与土壤中能够被植物直接吸收利用的有效态磷含量以及易于活化的磷含量增加有关。(5)锰矿废弃地三种植被恢复模式土壤磷转化微生物多样性显著高于尾矿区(p<0.05)。尾矿和植被恢复区土壤磷转化微生物以变形菌门(Proteobacteria)为主,占比86.56~91.01%。植被恢复后,厚壁菌门(Firmicutes)相对丰度下降。Pearson相关性分析表明磷转化微生物群落与土壤化学性质和磷形态关系密切,其中红细菌目(Rhodobacterales)与SQI关键指标SOC和ACP呈显著正相关(p<0.05),甲基球菌目(Methylococcales)与ALP呈显著正相关(p<0.05),表明土壤磷转化微生物在锰矿废弃地土壤质量改善过程中起重要作用。