自然生态恢复过程中尾矿废弃地土壤微生物变化

自然生态恢复过程中尾矿废弃地土壤微生物变化尚文勤1，朱利平1，孙庆业1，杨林章21安徽大学生命科学学院，安徽合肥230039；2中国科学院南京土壤研究所,江苏南京210008摘要尾矿废弃地是一种人为的裸地，其自然生态恢复过程表现为典型的生态系统原生演替过程。尾矿废弃地自然生态恢复过程为人们了解生态系统发展过程中土壤微生物群落的变化提供了一个良好的机遇。该研究以2处（即，铜陵杨山冲尾矿废弃地和铜官山新尾矿废弃地）不同时期弃置的、处于3个演替阶段（原生裸地阶段、隐花植物结皮阶段和草本维管植物群落阶段）的铜尾矿废弃地为研究对象，利用传统培养法（稀释平板法）和分子生物学法（净DNA含量法）相结合的手段对土壤微生物量和土壤微生物群落结构变化及其影响因素进行了调查。数据分析表明随着尾矿废弃地上植物群落的形成和发展，尾矿废弃地水分含量增加、PH降低、土壤有机质和总氮质量分数提高；土壤微生物数量逐渐增加，维管植物群落下的尾矿废弃地中土壤微生物数量明显高于处于演替初期阶段的隐花植物结皮，高于裸地；不同演替阶段尾矿废弃地中土壤微生物群落结构表现为细菌（60689745）放线菌（2503913）真菌（005082）；相关分析发现，尾矿废弃地土壤微生物量变化与基质的含水量、总氮和有机质质量分数呈正相关，而与PH变化呈负相关。研究结果表明，在尾矿废弃地自然生态恢复过程中，伴随着植物群落形成、发展和基质理化性质的逐步改善，尾矿中土壤微生物也逐步恢复。关键词铜尾矿；废弃地；原生演替；土壤微生物中图分类号S1543文献标识码A文章编号16722175（2008）02071305尾矿（TAILINGS）是矿石经粉碎、浮选精矿后余下的微粒状固体粉末，通常被堆放于尾矿库内，弃置后的尾矿库形成尾矿废弃地1。尾矿废弃地不仅占用大量土地，同时来自于尾矿废弃地的酸性废水对周围的生态系统造成严重破坏。尾矿废弃地的生态恢复不仅为恢复生态学理论和技术研究提供了良好的平台，也为人们研究生态系统演替过程中生物群落多样性演变以及基质物理、化学和生物学性质的变化过程提供了理想的机遇。目前，尾矿废弃地生态恢复已成为生态学、环境科学和土壤学的热点问题之一2。铜尾矿废弃地是一种人为原生裸地，其自然生态恢复过程表现为典型的生态系统原生演替过程弃置后的尾矿裸地表面首先形成以藻类、藓类占优势的隐花植物结皮（CRYPTOGAMICCRUST），而后草本维管植物定居并逐渐形成自然植物群落3。在生态系统发展过程中，土壤微生物通过影响土壤中养分动态、能量转化以及动植物群落结构而影响着生态系统发展的进程与方向。目前，关于尾矿废弃地自然生态恢复过程的研究主要集中于植物种类组成、植物群落类型及其演替、尾矿基质理化性质和酶活性的变化等方面48，对于尾矿废弃地中数量庞大、种类繁多的土壤微生物研究仅涉及重金属与微生物多样性关系方面910，国外关于人为裸地生态系统发展过程中土壤微生物群落研究目前也仅涉及煤矿废弃地方面1113。关于重金属尾矿废弃地生态系统发展过程中土壤微生物群落演替的研究国内外鲜见报道。研究上的不足导致了人们对包括尾矿废弃地在内的各类人为原生裸地生态系统发展过程中土壤微生物群落结构和功能多样性演替过程、特点等重要生态学理论问题的认识十分肤浅。铜陵是我国六大铜业基地之一，区内堆存在大量的铜尾矿废弃地，多数尾矿废弃地处于自然生态恢复状态。本研究以安徽铜陵铜矿区2处不同时间弃置的铜尾矿废弃地作为研究对象，探讨随着自然生态系统发展，尾矿废弃地中土壤微生物群落的组成及数量方面所发生的变化，揭示自然生态恢复过程中铜陵铜尾矿土壤基因库总量特性及其与土壤微生物数量的分布、土壤理化性质的关系。1材料与方法11样品采集在铜陵杨山冲尾矿库（弃置16A）和铜官山新尾矿库（弃置6A）废弃地，根据植物群落的不同采集尾矿样本。杨山冲尾矿库采集样本包括木贼群落（YM）、白茅群落（YB）、中华结缕草群落（YJ）和无任何植物生长的裸地（YL），铜官山新尾矿库采集样本包括隐花植物结皮（TY）和无任何植物生长的裸地（TL）。野外采样采用随机采样、多点混合的方法进行。用于理化性质分析和土壤微生物净DNA含量分析的每个尾矿样本由7个采样点采集的样品混合成1份样本，每种植物群落各采集3份样本；各植物群落采集1份样本用于土壤微生物平板法记数，由21个随机采样点尾矿样混合而成；采集深度05CM。理化性质分析用风干样本进行，微生物分析用新鲜冷藏样本。13尾矿中土壤微生物总DNA的提取与计算参照TSAI14等报道的方法并作改动取1G经过筛的尾矿，置10ML离心管中，加2ML磷酸钠缓冲液（012MOLL1，PH80），混合，放30摇床上，150RMIN1，15MIN。8000RMIN1，离心10MIN。取沉淀，重复上述操作。取沉淀，加裂解液（015MOLL1NACL，01MOLL1EDTA，PH80）15ML和50MGML1的溶菌酶05ML，混匀，37水浴2H，每2030MIN摇一下。加裂解液（01MOLL1NACL，05MOLL1TRISHCL，PH80，10SDS）2ML，反复冻融3次，8000RMIN1，离心15MIN。取上清液与等体积酚/氯仿/异戊醇（25241）混合，8000RMIN1，离心10MIN。重复上一步操作。取水相与等体积氯仿/异戊醇（241）混合，8000RMIN1，离心10MIN。取水相，加06倍体积的异丙醇，20冰箱过夜，10000RMIN1，离心20MIN，弃上清液。用体积分数为70的乙醇洗沉淀，收集沉淀溶解于PH80的TE缓冲液，终体积100L。采用紫外分光光度法以A260对DNA进行定量，根据公式DSDNA50A260稀释倍数，计算DNA的浓度（单位为GML1），换算出每克干土提取DNA的量。14尾矿中可培养土壤微生物的培养微生物培养基和分离方法为细菌牛肉膏蛋白胨琼脂平板涂布法；真菌马丁氏培养基平板涂布法；放线菌高氏1号培养基平板涂布法15。15尾矿样品理化性质测定含水量用烘干法测定，并以自然湿土为基数计算土壤水分百分含量；PH采用PH计测定尾矿水1G5ML；土壤有机质质量分数测定用重铬酸钾容量法；总氮质量分数通过凯氏定氮法测定16。16数据处理实验数据用SPSS100统计软件分析，DUNCAN检验被用来进行多重比较PYBYJYL，这一顺序与前面通过经典方法所得顺序基本是一致的；在铜官山新尾矿废弃地，隐花植物结皮下的尾矿中土壤微生物净DNA含量显著高于裸地，尽管与传统方法的结果不一致，但我们认为利用土壤净DNA含量能够更好的反映土壤微生物总量。相关分析表明，样本中微生物DNA质量分数与含水量、全氮质量分数、有机质质量分数呈一定的正相关关系，与PH呈负相关关系，其中微生物DNA质量分数与尾矿废弃地的含水量的相关性达到显著的水平，其相关系数是0872（P放线菌数量真菌数量。（2）尾矿废弃地土壤微生物生物量变化与基质的含水量、总氮和有机质质量分数以及PH变化密切相关。参考文献1田胜尼,刘登义,王峥峰,等铜尾矿对5种豆科植物根系生长的影响J生态环境,2005,142199203TIANSHENGNI,LIUDENGYI,WANGZHENGFENG,ETALEFFECTSOFCOPPERTAILINGSONTHEGROWTHOFROOTSOFFIVELEGUMESPECIESJECOLOGYANDENVIRONMENT,2005,1421992032卫智军,李青丰,贾鲜艳,等矿业废弃地的植被恢复与重建J水土保持学报,2003,174172175WEIZHIJUN,LIQINGFENG,JIAXIANYAN,ETALVEGETATIONRECOVERYONINDUSTRIALMININGDISPOSALSITEJJOURNALOFSOILANDWATERCONSERVATION,2003,1741721753孙庆业,杨林章,安树青,等尾矿废弃地的自然生态恢复M/王如松循环整合和谐北京中国科学技术出版社,2005,251257SUNQINGYE,YANGLINZHANG,ANSHUQING,ETALNATURALLYECOLOGICALRESTORATIONOFTAILINGSWASTERLANDSM/WANGRUSONGCIRCULATIONCONFORMITYHARMONYMBEIJINGCHINASCIENCEANDTECHNOLOGYPRESS,20052512574田胜尼,孙庆业,王铮峰,等铜陵铜尾矿废弃地定居植物及基质理化性质的变化J长江流域资源与环境,2005,1418893TIANSHENGNI,SUNQINGYE,WANGZHENGFENG,ETALPLANTCOLONIZATIONONCOPPERTAILINGSANDTHECHANGEOFTHEPHYSICOCHEMICALPROPERTIESOFSUBSTRATEINTONGLINGCITY,ANHUIPROVINCEJRESOURCESANDENVIRONMENTINTHEYANGTZEBASIN,2005,14188935夏汉平,束文圣香根草和百喜草对铅锌尾矿重金属的抗性与吸收差异研究J生态学报,2001,21711211129XIAHANPING,SHUWENSHENGRESISTANCETOANDUPTAKEOFHEAVYMETALSBYVETIVERIAZIZANIOIDESANDPASPALUMNOTATUMFROMLEADZINCMINETAILINGSJACTAECOLOGICASINICA,2001,217112111296杨修,高林得兴铜矿矿山废弃地植被恢复与重建研究J生态学报,2001,211119321940YANGXIU,GAOLINASTUDYONREVEGETATIONINMININGWASTELANDOFDEXINGCOPPERMINE,CHINAJACTAECOLOGICASINICA,2001,2111193219407孙庆业,蓝崇钰,黄铭洪,等铅锌尾矿上自然定居植物J生态学报,2001,21914571462SUNQINGYE,LANCHONGYU,HUANGMINGHONG,ETALNATURALCOLONIZEDPLANTSONTHETAILINGSOFLEADZINCMINEJACTAECOLOGICASINICA,2001,219145714628孙庆业,任冠举,杨林章,等自然植物群落对铜尾矿废弃地土壤酶活性的影响J土壤学报,2005,4213743SUNQINGYE,RENGUANJU,YANGLINZHANG,ETALEFFECTOFNATURALPLANTCOMMUNITIESONSOILENZYMEACTIVITIESINDESERTEDCOPPERTAILINGSDUMPSJACTAPEDOLOGICASINICA,2005,42137439刘爱民,黄为一铜尾矿复垦后土壤微生物活性及其群落功能多样性研究J生态环境,2005,146876879LIUAIMIN,HUANGWEIYIMICROBIALACTIVITIESANDFUNCTIONALDIVERSITYOFCOMMUNITYINSOILSPOLLUTEDWITHCOPPERTAILINGSAFTERCULTIVATEJECOLOGYANDENVIRONMENT,2005应,黄昌勇,骆永明,等铅锌银尾矿区土壤微生物活性及其群落功能多样性研究J土壤学报,2004,411113119TENGYING,HUANGCHANGYONG,LUOYONGMING,ETALMICROBIALACTIVITIESANDFUNCTIONALDIVERSITYOFCOMMUNITYINSOILSPOLLUTEDWITHPB,ZN,ANDAGMINETAILINGSJACTAPEDOLOGICASINICA,2004,41111311911INSAMH,DOMSCHKHRELATIONSHIPBETWEENSOILORGANICCARBONANDMICROBIALBIOMASSONCHRONOSEQUENCESOFRECLAMATIONSITESJMICROBIALECOLOGY,1988,1517718812JAHNKEJ,PRIEFERUBPHOTOTROPHICBIOFILMSOFRESTOREDFIELDSINTHERHENISHLIGNITEMININGAREADEVELOPMENTOFSOILALGAL,BACTERIAL,ANDFUNGALBIOMASSESJSOILBIOLOGY2NANJINGINSTITUTEOFSOILSCIENCE,CHINESEACADEMYOFSCIENCES,NANJING210008,CHINAABSTRACTCOPPERMINETAILINGSWASTELANDSAREAKINDOFMANMADEBARRENTHEECOSYSTEMDEVELOPMENTONTHETAILINGSWASTELANDSISAPRIMARYSUCCESSION,WHICHPROVIDESAGOODOPPORTUNITYFORUNDERSTANDINGTHECHANGESOFSOILMICROBIALCOMMUNITIESDURINGTHEPRIMARYECOSYSTEMSUCCESSIONINORDERTOINVESTIGATETHESUCCESSIONOFSOILMICROBIALCOMMUNITYWITHECOSYSTEMDEVELOPMENT,SOILSAMPLESOFTHREESUCCESSIONALSTAGESIE,BARRENSTAGE,CRYPTOGAMICCRUSTSTAGEANDHERBACEOUSVASCULARPLANTCOMMUNITYSTAGEFROMTWOTAILINGSWASTELANDSYANGSHANCHONGTAILINGSWASTELANDDISCARDEDIN2001ANDNEWTONGGUANSHANTAILINGSWASTELANDDISCARDEDIN1991WERECOLLECTEDANDSOILMICROBIALBIOMASSWASDETERMINEDBYMETHODSOFTYPICALPLATECULTUREANDMOLECULARBIOLOGYNETDNACONTENTTHEDATAANALYSISSHOWEDTHATTHECONTENTOFWATER,SOILORGANICMATTERANDTOTALNITROGENINTAILINGSWASTELANDSINCREASEDWITHFORMATIONANDDEVELOPMENTOFPLANTC