不同修復措施對準噶爾砂鐵礦土壤養分和細菌多樣性的影響

魏 鵬，柯 梅，康 帥，侯鈺榮，李 超，蘭吉勇，徐 俊，張薈薈

(新疆畜牧科學院草業研究所，烏魯木齊 830022)

【研究意義】環境問題已成為當前社會一個重要的民生問題[1]，因礦產資源開采而形成的一系列環境問題也一直是社會關注的焦點[2-4]。礦產資源大規模開發在為社會創造大量財富的同時，由于現代技術尚未達到取而不破的水平，不可避免對原生自然條件產生一定程度的破壞，由于破壞的不可逆轉性加劇了資源開發與環境保護之間的矛盾。新疆自治區黨委和政府也高度重視生態問題，全疆已全面啟動山水林田湖草生態保護修復治理工程，以此提高社會—經濟—自然復合生態系統彈性[5]，全面提升區域生態安全屏障質量，促進生態系統良性循壞和永續利用。【前人研究進展】準噶爾荒漠位于新疆北部，礦產資源豐富[6]，但由于大規模高強度集約化的現代化開采引起地表形態、土壤理化特性的變化，嚴重影響地表植被的環境，采礦廢棄地面積很大，土地受損非常嚴重，使礦區及周圍環境惡化，已嚴重制約當地社會經濟的可持續發展[7-8]。這些采礦廢棄地主要集中在干旱地區，降水量小、蒸發量大且常年大風[9]，自然本底條件較差，植被恢復較為困難。目前，關于礦區生態修復的研究多集中在礦區植被覆蓋度、植物生產力及土壤質量的改善效果等[10-14]，有關不同修復措施對土壤養分及土壤微生物影響的研究較少[15-16]。【本研究切入點】新疆維吾爾自治區青河縣砂鐵礦資源較為豐富，據不完全統計，全縣已形成開采點近300處，這些采礦點主要分布在阿葦灌渠渠首位置，本研究以渠首砂鐵礦區為研究對象，研究不同修復措施下土壤養分及土壤微生物的變化情況。【擬解決的關鍵問題】從微觀角度探討礦區不同修復措施下的差異，評價適宜于砂鐵礦區生態恢復的植被修復措施，為砂鐵礦區重構土壤的復墾與生態恢復提供技術支持和理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于新疆維吾爾自治區青河縣阿葦灌渠渠首的砂鐵礦(46°20′55″N，90°07′09″E，海拔1130 m)，地處準噶爾荒漠東北部，屬大陸性北溫帶干旱氣候，年均溫度0 ℃，蒸發量大，降水量少，年均100 mm左右，風勢較大。土質沙礫化嚴重，土層較為瘠薄。保水儲肥能力差，植被種類稀疏，生態環境極為脆弱。原生植被主要以伊犁絹蒿(Seriphidiumtransiliense)、沙蓬(Agriophyllumsquarrosum)、心葉駝絨藜(Ceratoidesewersmanniana)、黃芪(Astragalusmembranaceus)、豬毛菜 (Salsolacollina)等為主。

1.2 試驗設計

以青河縣砂鐵礦為研究對象，采用不同優勢植物組合小區，共設置5個處理，第1種處理是半灌木+多年生草本混播，植物選擇伊犁絹蒿+黃芪(簡稱為A)；第2種處理是半灌木+灌木+一年生草本混播，植物選擇伊犁絹蒿+心葉駝絨藜+豬毛菜(簡稱為B)；第3種處理是半灌木+灌木+多年生草本混播，植物選擇伊犁絹蒿+心葉駝絨藜+黃芪(簡稱為C)；第4種處理是半灌木+灌木+一年生草本+多年生草本混播，植物選擇伊犁絹蒿+心葉駝絨藜+豬毛菜+黃芪(簡稱為D)；第5種處理是圍欄封育(簡稱為E)，測定5種處理土壤養分含量和土壤細菌群落結構及多樣性特征。

野外采樣1次，時間選擇2021年8月，荒漠植物生長的高峰期，每種處理樣地隨機選取3個典型的植物樣方(1 m×1 m)，在每個植物樣方內采集土壤樣品1份，土壤樣品總數共15個(5種處理×3個樣方)。

1.3 野外取樣及樣品測定

1.3.1 土壤樣品采集 在每個植物樣方內采用5點法進行土壤樣品采集，用土鉆(直徑為2.5 cm)采集0～20 cm深度的土樣，將5個點土樣去掉植物根系、石塊等雜物后，立即混勻過2 mm篩，將混合土樣分為2份，一份裝入無菌密封袋置于-20 ℃車載冰柜中，低溫保存，用于分子生物學實驗；另一份放入布袋中，常溫保存，用于土壤養分測定。

1.3.2 土壤養分測定 土壤養分測定方法參照魯如坤[17]主編的《土壤農業化學分析方法》，測定指標包括：土壤有機碳(SOC)、土壤全磷(STP)、全氮(STN)以及全鉀(STK)。

1.3.3 土壤細菌高通量測序 參考Zhou等[18]的方法進行土壤DNA的提取。通過土壤基因組DNA提取試劑盒粗提土壤樣品DNA，對樣品DNA純化采用1%的瓊脂糖凝膠，選用長度約為250 bp的16S rRNA基因的高度可變的V4區[19]，合成帶有barcode的特異引物進行PCR擴增。采用Promega公司的藍色熒光定量系統(QuantiFluorTM-ST)檢測定量PCR擴增產物，根據測序量要求，對其按比例混合。最后用TruSeq Nano DNA LT Library Prep Kit(Illumina 公司)建庫。對符合要求的文庫，用MiSeq Reagent Kit V3(2×300 bp)進行雙端測序。Miseq測序得到的PE reads首先根據overlap關系進行拼接，同時對序列質量進行質控和過濾，區分樣本后進行OTU(Operational taxonomic unit)聚類分析，采用Silva數據庫[20]進行物種分類。

1.4 數據統計與分析

采用 Qiime軟件計算土壤細菌豐度，Usearch 進行OTU的統計，Mothur進行Alpha多樣性分析。對土壤養分含量采用SPSS 22.0軟件進行單因素方差分析。選用 R軟件進行土壤細菌物種Venn圖分析和冗余分析(Redundancy analysis, RDA)。

2 結果與分析

2.1 不同修復措施下土壤養分特征

不同修復措施下各處理間土壤有機碳、土壤全氮、土壤全磷和土壤全鉀均呈顯著差異(表1)。土壤有機碳、土壤全氮在各處理間差異顯著(P<0.05)，其中，D處理土壤有機碳含量最高，A處理土壤土壤有機碳含量最低，具體排序為(D> B> E> C> A)；土壤全氮含量是A處理最高，> B> E>C > D；土壤全磷含量為E處理最高，而B和C處理最低，且B和C處理差異不顯著(P> 0.05)，土壤全鉀含量為D 處理最高，而E處理最低；D處理的m(C)∶m(N)最高，為31.68，> C> E> B> A。

表1 供試土壤養分差異

2.2 不同修復措施下土壤細菌樣品測序數據分析

A處理3個樣品，共含有161 817條有效序列；B處理3個樣品，共含有155 790條有效序列；C處理3個樣品，共含有149 055條有效序列；D處理3個樣品，共含有153 636條有效序列；E處理3個樣品，共含有199 041條有效序列。對相似性在97%的序列進行OTU的聚類，根據每個OTU在每個樣本中所含的序列數，將OTU的排序等級與其相應OTU中所含的序列數構建稀疏曲線(圖1)。5種處理的土壤樣品的稀疏曲線均趨于平緩，說明此次測序量合理，結果已能夠反應供試樣本的多樣性。

圖1 細菌稀疏曲線分析

2.3 不同修復措施下土壤細菌群落結構

各處理間土壤細菌優勢類群相對豐度存在一定的差異(圖2)。放線菌門(Actinobacteria)在各處理下相對豐度最高，均超過40%，是砂鐵礦土壤中的優勢類群。此外變形菌門(Proteobacteria)和綠彎菌門(Chloroflexi)在砂鐵礦土壤中的相對豐度超過5%，是砂鐵礦土壤主要細菌類群。其中放線菌門相對豐度在E處理占比最高(9.20%)；變形菌門相對豐度D處理最高(37.34%)；綠彎菌門相對豐度在E處理最高(18.17%)。

圖2 土壤細菌群落組成

2.4 不同修復措施下土壤細菌群落多樣性

5種處理土壤細菌 Alpha多樣性結果見表2。A、B、C 、D和E土壤樣品中得到有效 OTUs 數目分別為 1451、1330、 1551、 1756和1662 個。從Shannon指數來看，土壤細菌群落多樣性表現為D>E>C>A> B。從 Chao1 指數來看，土壤細菌物種豐度是D> E> C> A> B。ACE指數表現出和Chao1 指數一樣的規律，土壤細菌物種豐度是D>E>C>A> B。可以得出，D處理土壤細菌群落豐度和多樣性最高，E處理次之，而B處理的土壤細菌群落豐度和多樣性則最低。

表2 不同修復模式土壤細菌 Alpha多樣性

2.5 不同修復措施土壤細菌物種

如圖3所示，5 種修復模式下的土壤樣品中共有的 OTUs 數目為590個，特有的 OTUs 表現為A處理 194個、B處理 97 個、C處理114 個、D處理 85個、E處理 400 個。其中E處理土壤細菌特有種類最多，而D處理最少。

圖3 土壤細菌物種

2.6 影響細菌群落結構的土壤因子變量

RDA分析即冗余分析，是環境因子約束化的PCA分析，可以將樣本和環境因子反映在同一個二維排序圖上，從圖中可以直觀地看出樣本分布和環境因子間的關系。將不同修復模式下土壤細菌優勢群落組成趨勢對應分析(Detrended correspondence analysis, DCA)，排序軸的最大值為2.972，所以采取冗余分析(RDA)。其中軸1能解釋61.21%，軸2能解釋22.58%(圖 4)。影響土壤細菌多樣性的土壤因子依次為STK >STN >STP >SOC，相關系數分別為0.738、0.728、0.572和0.419。

圖4 細菌群落組成與土壤因子的冗余分析

3 討 論

土壤養分含量是陸地生態系統中重要的生態因子[21]，是生物與非生物環境之間進行物質與能量交換的重要紐帶[22]，前人對土壤有機碳和全氮的研究表明，其具有較為一致的分布格局[23-24]。本研究中，土壤有機碳含量在D處理最高，A處理最低，而全氮含量在D處理最低，A處理則最高，這與前人研究結果不一致，究其原因可能為因為是當年修復播種，D處理播種的植物種類最多，對土壤氮的利用較高，又無施氮肥等措施，故導致D處理的土壤全氮含量最低，又因為D處理植物種類多，一年生植物的凋落死亡在一定程度上會增加土壤有機碳的含量。土壤碳氮比在20～35，說明土壤處于礦化和同化的平衡狀態，本研究中D、E和C處理的土壤碳氮比介于之間，說明這3種處理的土壤更有利于植物的生長，有利于土壤生態的恢復。

土壤養分和植物種類的差異，形成了多樣的土壤細菌群落結構和多樣性[25-26]，其中優勢菌又決定著微生物群落的動態平衡。本研究中，在門水平，5種處理的土壤細菌群落主要由放線菌門、變形菌門和綠彎菌門組成，但細菌優勢類群在各處理間存在差異，這與前人研究結果一致[27]。放線菌門是降解木質素與纖維素的主要功能菌門，是本研究各處理相對豐度最高的菌門，其相對豐度變化范圍42.95%～59.20%。變形菌門相對豐度D處理最高，而E處理最低，D處理植物種類最多，E處理植物種類最少，說明這一類群通過枯落物的差異、根系形態和分泌物及整體生態系統物質和能量轉化過程的差異來影響土壤養分循環及其自身的結構和功能的多樣性，E處理土壤全磷含量最高、全鉀含量最低，可能此類群對土壤全磷和全鉀含量響應較敏感。土壤細菌多樣性越高，則土壤細菌群落結構越穩定，越有利于土壤環境和生態系統結構的穩定，本研究中，A處理土壤細菌群落豐度和多樣性最高，E處理次之，而B處理的土壤細菌群落豐度和多樣性則最低，基于本研究的結果得出伊犁絹蒿+心葉駝絨藜+黃芪+豬毛菜混播(D)以及圍欄封育(E)是最有效的砂鐵礦區植被修復措施。

土壤環境因子是影響土壤細菌多樣性及群落結構的關鍵因素[28]，前人研究大多表明，影響土壤細菌群落結構及多樣性的環境因子是土壤pH[29]，而本研究中，通過冗余分析得出影響砂鐵礦區土壤細菌群落的環境因子是土壤全鉀、全氮、全磷和有機碳，究其原因是試驗區同處相鄰地塊，故忽略土壤pH的影響，研究區土壤結構破壞嚴重，土壤養分流失，故上述土壤因子成為制約土壤細菌多樣性的關鍵。

4 結 論

不同修復措施下土壤養分含量有差異，其中土壤有機碳和全鉀含量D處理最高，土壤全氮含量A處理最高，土壤全磷含量E處理最高。

在門水平，放線菌門、變形菌門和綠彎菌門是荒漠砂鐵礦區土壤細菌群落的3個主要優勢類群；D處理土壤細菌多樣性最高，E處理次之，B處理最低。

以一年的研究數據得出，半灌木+灌木+多年生草本+一年生草本混播(D)以及圍欄封育(E)是最有效的砂鐵礦區生態修復措施。