木本植物修复对重金属污染土壤微生物多样性及土壤肥力的影响

发布时间：2019-12-26所属分类：农业论文浏览：1次

摘 要： 摘要:在某有色金属公司铜矿露采车间排土场设置的重金属污染土壤修复样地上种植了意杨、刺槐、泡桐、构树，并设对照样地，以研究不同木本植物对重金属污染土壤的微生物群落多样性及土壤肥力的影响。研究结果表明，4种木本植物修复能不同程度地提高重金属污染

　　摘要:在某有色金属公司铜矿露采车间排土场设置的重金属污染土壤修复样地上种植了意杨、刺槐、泡桐、构树，并设对照样地，以研究不同木本植物对重金属污染土壤的微生物群落多样性及土壤肥力的影响。研究结果表明，4种木本植物修复能不同程度地提高重金属污染土壤微生物数量、种类、活性、群多样性指数、土壤酶活性及土壤肥力，其中泡桐对重金属污染土壤的修复效果最好，具有一定的生态效益。

　　关键词:植物修复;重金属污染;土壤微生物群落;土壤肥力

　　金属矿山开采使大量山体裸露，破坏了植被和景观[1]。开采后废弃矿区的植被覆盖率低，土壤贫瘠，极易引起水土流失，释放大量的金属离子，污染矿区水体和土壤，增加周边水体和土壤的污染风险。因此，对开采后废弃矿区的土壤进行植被恢复是治理矿区环境的重中之重。

　　植物修复技术以原位修复、花费低、适于大规模治理等优势被视为有效的土壤重金属污染治理技术[2]。目前，关于植物修复重金属污染土壤的研究主要集中于超富集草本植物对重金属的吸收和转运[3-5]。通常情况下，草本植物的植株矮小，生物量低，且在生态系统中处于下层生态位，是群落演替较早的植物，难以获得理想的长期修复效果。因此，寻找一种生长快、生物量大，并具有一定重金属富集能力的木本植物引起了相关研究者的关注[6]。

　　本文通过查阅文献[7]和实地调查，筛择出意杨、刺槐、泡桐和构树4种乡土木本植物，用于修复某有色金属公司铜矿露采车间排土场裸地。经过长时间(4年)修复后，分析了4种木本植物对土壤微生物群落多样性及土壤肥力的影响，以评价其修复效果，为木本植物修复重金属污染土壤提供科学依据，以期在矿山废弃地植物修复时形成社会、经济、生态三大效益。

　　1材料与方法

　　1.1样地设置

　　修复区选址于某有色金属公司露天采矿车间排土场。该区域为新弃排土场，基本未种植植物，主要为废弃矿渣，土壤贫瘠，保水性能差。修复区总面积约1200m2。采用机械和人工方法对修复地进行平整和压实处理，以起到一定稳定场地和改良土壤的作用，创造适宜更多植物生长的环境。于2012年5月，在修复区中设4个小区分别种植意杨(Populuseuramevicana)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、泡桐(Paulowniafortunei)和构树(Broussonetiapapyrifera)，每区为15m×15m的四边形，株行距为0.5m×0.5m。同时，设对照区(CK)，不种植任何树木。

　　1.2采样及土样处理

　　于2016年3月，在各个修复区分别挑选3棵长势良好的树为研究对象。在以树干为圆心、20cm为半径的圆上采集上层0～15cm深度的土壤混合均匀制成1个土样。每个研究对象取3个土样。将采集好的土样装入无菌封口塑料袋带回实验室，过2mm筛，剔除植物残体、石块和其他杂物。此外，将一部分土样立即装入无菌封口塑料袋放在冰箱保存(4℃)，用作细菌、真菌、放线菌数量测定和Biolog测定;另一部分土样摊开晾干后，于阴凉处保存，用作土壤酶测定和土壤理化性质测定。

　　1.3研究方法

　　1.3.1土壤微生物数量测定

　　采用稀释平板涂抹法[8]测定土壤细菌、真菌和放线菌数量。

　　1.3.2土壤酶活性

　　采用高锰酸钾滴定法测定过氧化氢酶活性，采用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定脲酶，采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定蔗糖酶活性，采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法测定[9]脱氢酶活性。

　　1.3.3Biolog-Eco分析

　　Biotog-Eco分析过程参考文献[10]中的方法，采用每孔平均光密度(AWCD)来描述土壤微生物群落利用碳源的能力[10]，即:

　　AWCD=[∑(C-R)]/31(1)

　　式(1)中:C为31个孔的光密度;R为对照孔的光密度。

　　土壤微生物群落功能多样性指数依据120h的光密度值计算[11]，即:

　　式(2)和(3)中，Pi为每孔的相对吸光值(C-R)与所有31个孔的吸光值总和之比。

　　1.3.4土壤理化性质分析

　　用VARIOEL元素分析仪测定土壤的总有机碳和全氮;用电位法测定pH值(土水比为1∶2.5);用烘干法测定土壤湿度;用火焰光度计法测定土壤全钾、钙;用钼锑抗比色法测定土壤全磷[12]。

　　1.4数据统计分析

　　所有数据采用SPSS16.0统计软件进行分析，并选择单因素方差分析(One-WayANOVA)进行差异显著性检验(Duncan检验，P<0.05)。

　　2结果与分析

　　2.1不同木本植物修复对重金属污染土壤微生物数量的影响

　　不同修复区的土壤微生物数量如图1所示。从图1可以看出，木本植物修复区的土壤微生物数量远远高于对照区(CK)的微生物数量。各区域的土壤细菌数量在(13.2～31.9)×106CFU/(g干土)范围内，泡桐修复区的土壤细菌数量显著高于其他区域的土壤细菌数量，刺槐和意杨修复区的土壤细菌数量差异不显著。各区域的土壤真菌数量在(14.93～23.07)×104CFU/(g干土)范围内，对照区(CK)的土壤真菌数量显著高于其他区域的土壤真菌数量，构树和泡桐修复区的土壤真菌数量差异不显著。各区域的土壤放线菌数量在(15.20～24.67)×104CFU/(g干土)范围内，泡桐修复区的土壤放线菌数量显著高于其他修复区的土壤放线菌数量，对照区(CK)的放线菌数量显著低于其他修复区的土壤放线菌数量，刺槐和意杨修复区的放线菌数量差异不显著。泡桐修复区的土壤总菌数量显著高于其他修复区的土壤总菌数量，刺槐和意杨修复区的土壤总菌数量差异不显著，各修复区的土壤总菌数量在(13.58～32.30)×106CFU/(g干土)范围内。

　　2.2不同木本植物修复对重金属污染土壤酶活性的影响

　　不同修复区的土壤酶活性如图2所示。由图2可知，不同修复区的土壤酶活性大小差异显著。除刺槐外，木本植物修复区的各种土壤酶活性显著高于对照区的土壤酶活性。进一步分析可以发现，各修复区的土壤过氧化氢酶活性差异显著，在0.21～0.87mL/(g·20min)范围内变化，土壤过氧化氢酶活性的大小顺序为:泡桐>构树>意杨>刺槐>CK。泡桐和构树修复区的土壤脲酶活性显著高于其他修复区的土壤脲酶活性，意杨、刺槐和对照区(CK)的土壤脲酶活性差异不显著，泡桐修复区的土壤脲酶活性最高，为1.29mg/(g·24h)，显著大于其他修复区的土壤脲酶活性，对照区(CK)的土壤脲酶活性最低，为0.37mg/(g·24h)。

　　相关论文推荐阅读：浅析“微生物+”复合型土壤修复技术的作用机理

　　【摘要】由于社会人口的不断增加、粮食资源短缺以及土地生态环境的日益恶化，盐碱地作为我国重要的后备耕地资源，越来越受到重视，土地盐碱化的治理问题也显得尤为重要。本文首先介绍了土壤盐碱化的原因以及常用的治理方法，并详细介绍了“微生物+”复合型土壤修复技术的作用机理，可以对盐碱地进行有效的治理改造，从而起到恢复改善盐碱地生态系统的作用。

　　各修复区的蔗糖酶活性差异显著，在0.39～1.12mg/(g·24h)范围内变化，蔗糖酶活性的大小顺序为:泡桐>构树>意杨>刺槐>CK。泡桐修复区的土壤蔗糖酶活性最高，为1.12mg/(g·24h)，显著高于其他修复区的蔗糖酶活性。对照区(CK)的土壤蔗糖酶活性最低，为0.39mg/(g·24h)。刺槐与CK、刺槐与意杨修复区的土壤蔗糖酶差异不显著。

　　各修复区的脱氢酶活性差异显著，在0.29～1.04mg/(g·24h)范围内变化，脱氢酶活性大小顺序为:泡桐>构树>意杨>刺槐>CK。泡桐修复区的土壤脱氢酶活性最高，为1.04mg/(g·24h)，显著高于其他各修复区的脱氢酶活性。对照区(CK)的土壤脱氢酶活性最低，为0.29mg/(g·24h)。刺槐修复区与CK的土壤脱氢酶差异不显著。

　　2.3不同本植物修复对重金属污染土壤微生物总活性的影响

　　土壤中微生物种类越多，能被利用的碳源种类越多;微生物种群个体数量越多，微平板上的某些碳源被利用程度越高。AWCD反映了土壤微生物总活性，是表征土壤微生物群落功能多样性的一个重要指标。不同微生物群落结构会产生不同的碳源利用模式。不同修复区的土壤微生物群落AWCD变化规律如图3所示。

　　由图3可见，随着培养时间延长，土壤微生物利用碳源量逐渐增加，AWCD值增加。培养时间为24h时，AWCD值最低，表明土壤微生物活性较低，碳源基本未被利用;培养时间大于24h时，AWCD值随时间增加而逐步增大，碳源开始被明显利用。其中，构树和泡桐的AWCD值升高较快;刺槐和对照区的AWCD值升高稍慢。培养时间大于144h后，各区域AWCD值逐渐趋于稳定。培养192h后，各区域土壤的AWCD值均达到较大值，其大小顺序依次为:泡桐>构树>意杨>刺槐>CK，其中泡桐修复区土壤的AWCD值最高，表明泡桐的土壤微生物群落代谢活性最高;对照区(CK)土壤的AWCD值最低，表明CK的土壤微生物群落代谢活性最低。

　　2.4不同木本植物修复对重金属污染土壤微生物多样性指数的影响

　　土壤微生物群落功能多样性指数依据120h的光密度值计算。根据培养120h的各孔吸光值，计算不同样地土壤微生物群落的多样性指数:Simpson指数、McIntosh指数和Shannon指数。不同修复区的土壤微生物多样性指数如图4所示。

　　Simpson指数可反映土壤群落中最常见物种。由图4可知，Simpson指数的大小顺序为:泡桐>构树>意杨>刺槐>CK，表明泡桐修复区土壤中某些优势菌生长旺盛。Shannon指数反映了微生物群落物种的变化度和差异度，Shannon指数较高，代表微生物种类多且分布均匀。由图4可知，构树的Shannon指数最高，为3.13，对照区的Shannon指数最低，为2.81，表明构树种植区土壤微生物群落种类最多，且较均匀。McIntosh指数反映了碳源利用种类数的不同，并能区分不同利用程度。Biolog-Eco板中能利用的碳源数越多，利用强度越大，则McIntosh指数越大，当碳源利用种类相同时，碳源利用程度大的群落的McIntosh指数大。由图4可知，泡桐修复区的McIntosh指数最高，表明较其他4个区，泡桐修复区的土壤微生物种类较为丰富，碳源利用程度较高。

　　泡桐和构树修复区的土壤微生物群落的多样性指数均显著高于对照区(CK);意杨修复区的土壤微生物群落的McIntosh指数和Simpson指数均高于对照区(CK);刺槐修复区的土壤微生物群落的Simpson指数高于对照区(CK)。总体而言，各修复区的土壤微生物多样性大小顺序为:泡桐>构树>意杨>刺槐>CK。多样性指数分析结果表明，在铜绿山矿区排土场利用不同木本植物修复土壤，一定程度上提高了土壤微生物群落功能多样性。

　　2.5不同木本植物修复对重金属污染土壤肥力的影响

　　不同修复区的土壤肥力测定结果见表1。由表1可知，4种木本植物修复区土壤的pH和全钾含量与对照区的差异不显著，但4种木本植物修复区有机碳含量、全氮含量和全磷含量总体上均比对照区高，其中意杨修复区的土壤有机碳含量最高，是对照区的3倍，除刺槐外，与对照区比均差异显著;构树修复区土壤的全氮含量最高，是对照区的4倍，差异显著;刺槐修复区土壤的全磷含量最高，比对照区的高43%，差异显著。测定结果表明，这4种木本植物能在一定程度上提高土壤肥力。

　　3结论

　　采用木本植物修复重金属污染土壤，可以提高土壤微生物数量、种类、活性，提高土壤微生物群落功能多样性，增加土壤肥力。其中，泡桐和构树对重金属污染土壤的适应性较强、生长良好、生物量高，其枯枝落叶等有机残体进入土壤，加上根际分泌物的释放，使土壤有效养分含量增加，土壤有机质提高，粘粒增加，减轻土壤中重金属的毒害作用，土壤微生物数量显著提高，土壤肥力、土壤酶活性、土壤微生物活性和多样性，显著增强，产生了显著的生态正效应。刺槐和意杨修复区微生物数量、活性、多样性及土壤酶活性有一定的生态正效应，但效果不是特别显著，特别是刺槐生物量小，生长受到抑制，对土壤微生物群落的影响相对较小。