不同修复措施对准噶尔砂铁矿土壤养分和细菌多样性的影响

魏 鹏，柯 梅，康 帅，侯钰荣，李 超，兰吉勇，徐 俊，张荟荟

(新疆畜牧科学院草业研究所，乌鲁木齐 830022)

【研究意义】环境问题已成为当前社会一个重要的民生问题[1]，因矿产资源开采而形成的一系列环境问题也一直是社会关注的焦点[2-4]。矿产资源大规模开发在为社会创造大量财富的同时，由于现代技术尚未达到取而不破的水平，不可避免对原生自然条件产生一定程度的破坏，由于破坏的不可逆转性加剧了资源开发与环境保护之间的矛盾。新疆自治区党委和政府也高度重视生态问题，全疆已全面启动山水林田湖草生态保护修复治理工程，以此提高社会—经济—自然复合生态系统弹性[5]，全面提升区域生态安全屏障质量，促进生态系统良性循坏和永续利用。【前人研究进展】准噶尔荒漠位于新疆北部，矿产资源丰富[6]，但由于大规模高强度集约化的现代化开采引起地表形态、土壤理化特性的变化，严重影响地表植被的环境，采矿废弃地面积很大，土地受损非常严重，使矿区及周围环境恶化，已严重制约当地社会经济的可持续发展[7-8]。这些采矿废弃地主要集中在干旱地区，降水量小、蒸发量大且常年大风[9]，自然本底条件较差，植被恢复较为困难。目前，关于矿区生态修复的研究多集中在矿区植被覆盖度、植物生产力及土壤质量的改善效果等[10-14]，有关不同修复措施对土壤养分及土壤微生物影响的研究较少[15-16]。【本研究切入点】新疆维吾尔自治区青河县砂铁矿资源较为丰富，据不完全统计，全县已形成开采点近300处，这些采矿点主要分布在阿苇灌渠渠首位置，本研究以渠首砂铁矿区为研究对象，研究不同修复措施下土壤养分及土壤微生物的变化情况。【拟解决的关键问题】从微观角度探讨矿区不同修复措施下的差异，评价适宜于砂铁矿区生态恢复的植被修复措施，为砂铁矿区重构土壤的复垦与生态恢复提供技术支持和理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于新疆维吾尔自治区青河县阿苇灌渠渠首的砂铁矿(46°20′55″N，90°07′09″E，海拔1130 m)，地处准噶尔荒漠东北部，属大陆性北温带干旱气候，年均温度0 ℃，蒸发量大，降水量少，年均100 mm左右，风势较大。土质沙砾化严重，土层较为瘠薄。保水储肥能力差，植被种类稀疏，生态环境极为脆弱。原生植被主要以伊犁绢蒿(Seriphidiumtransiliense)、沙蓬(Agriophyllumsquarrosum)、心叶驼绒藜(Ceratoidesewersmanniana)、黄芪(Astragalusmembranaceus)、猪毛菜 (Salsolacollina)等为主。

1.2 试验设计

以青河县砂铁矿为研究对象，采用不同优势植物组合小区，共设置5个处理，第1种处理是半灌木+多年生草本混播，植物选择伊犁绢蒿+黄芪(简称为A)；第2种处理是半灌木+灌木+一年生草本混播，植物选择伊犁绢蒿+心叶驼绒藜+猪毛菜(简称为B)；第3种处理是半灌木+灌木+多年生草本混播，植物选择伊犁绢蒿+心叶驼绒藜+黄芪(简称为C)；第4种处理是半灌木+灌木+一年生草本+多年生草本混播，植物选择伊犁绢蒿+心叶驼绒藜+猪毛菜+黄芪(简称为D)；第5种处理是围栏封育(简称为E)，测定5种处理土壤养分含量和土壤细菌群落结构及多样性特征。

野外采样1次，时间选择2021年8月，荒漠植物生长的高峰期，每种处理样地随机选取3个典型的植物样方(1 m×1 m)，在每个植物样方内采集土壤样品1份，土壤样品总数共15个(5种处理×3个样方)。

1.3 野外取样及样品测定

1.3.1 土壤样品采集 在每个植物样方内采用5点法进行土壤样品采集，用土钻(直径为2.5 cm)采集0～20 cm深度的土样，将5个点土样去掉植物根系、石块等杂物后，立即混匀过2 mm筛，将混合土样分为2份，一份装入无菌密封袋置于-20 ℃车载冰柜中，低温保存，用于分子生物学实验；另一份放入布袋中，常温保存，用于土壤养分测定。

1.3.2 土壤养分测定 土壤养分测定方法参照鲁如坤[17]主编的《土壤农业化学分析方法》，测定指标包括：土壤有机碳(SOC)、土壤全磷(STP)、全氮(STN)以及全钾(STK)。

1.3.3 土壤细菌高通量测序 参考Zhou等[18]的方法进行土壤DNA的提取。通过土壤基因组DNA提取试剂盒粗提土壤样品DNA，对样品DNA纯化采用1%的琼脂糖凝胶，选用长度约为250 bp的16S rRNA基因的高度可变的V4区[19]，合成带有barcode的特异引物进行PCR扩增。采用Promega公司的蓝色荧光定量系统(QuantiFluorTM-ST)检测定量PCR扩增产物，根据测序量要求，对其按比例混合。最后用TruSeq Nano DNA LT Library Prep Kit(Illumina 公司)建库。对符合要求的文库，用MiSeq Reagent Kit V3(2×300 bp)进行双端测序。Miseq测序得到的PE reads首先根据overlap关系进行拼接，同时对序列质量进行质控和过滤，区分样本后进行OTU(Operational taxonomic unit)聚类分析，采用Silva数据库[20]进行物种分类。

1.4 数据统计与分析

采用 Qiime软件计算土壤细菌丰度，Usearch 进行OTU的统计，Mothur进行Alpha多样性分析。对土壤养分含量采用SPSS 22.0软件进行单因素方差分析。选用 R软件进行土壤细菌物种Venn图分析和冗余分析(Redundancy analysis, RDA)。

2 结果与分析

2.1 不同修复措施下土壤养分特征

不同修复措施下各处理间土壤有机碳、土壤全氮、土壤全磷和土壤全钾均呈显著差异(表1)。土壤有机碳、土壤全氮在各处理间差异显著(P<0.05)，其中，D处理土壤有机碳含量最高，A处理土壤土壤有机碳含量最低，具体排序为(D> B> E> C> A)；土壤全氮含量是A处理最高，> B> E>C > D；土壤全磷含量为E处理最高，而B和C处理最低，且B和C处理差异不显著(P> 0.05)，土壤全钾含量为D 处理最高，而E处理最低；D处理的m(C)∶m(N)最高，为31.68，> C> E> B> A。

表1 供试土壤养分差异

2.2 不同修复措施下土壤细菌样品测序数据分析

A处理3个样品，共含有161 817条有效序列；B处理3个样品，共含有155 790条有效序列；C处理3个样品，共含有149 055条有效序列；D处理3个样品，共含有153 636条有效序列；E处理3个样品，共含有199 041条有效序列。对相似性在97%的序列进行OTU的聚类，根据每个OTU在每个样本中所含的序列数，将OTU的排序等级与其相应OTU中所含的序列数构建稀疏曲线(图1)。5种处理的土壤样品的稀疏曲线均趋于平缓，说明此次测序量合理，结果已能够反应供试样本的多样性。

图1 细菌稀疏曲线分析

2.3 不同修复措施下土壤细菌群落结构

各处理间土壤细菌优势类群相对丰度存在一定的差异(图2)。放线菌门(Actinobacteria)在各处理下相对丰度最高，均超过40%，是砂铁矿土壤中的优势类群。此外变形菌门(Proteobacteria)和绿弯菌门(Chloroflexi)在砂铁矿土壤中的相对丰度超过5%，是砂铁矿土壤主要细菌类群。其中放线菌门相对丰度在E处理占比最高(9.20%)；变形菌门相对丰度D处理最高(37.34%)；绿弯菌门相对丰度在E处理最高(18.17%)。

图2 土壤细菌群落组成

2.4 不同修复措施下土壤细菌群落多样性

5种处理土壤细菌 Alpha多样性结果见表2。A、B、C 、D和E土壤样品中得到有效 OTUs 数目分别为 1451、1330、 1551、 1756和1662 个。从Shannon指数来看，土壤细菌群落多样性表现为D>E>C>A> B。从 Chao1 指数来看，土壤细菌物种丰度是D> E> C> A> B。ACE指数表现出和Chao1 指数一样的规律，土壤细菌物种丰度是D>E>C>A> B。可以得出，D处理土壤细菌群落丰度和多样性最高，E处理次之，而B处理的土壤细菌群落丰度和多样性则最低。

表2 不同修复模式土壤细菌 Alpha多样性

2.5 不同修复措施土壤细菌物种

如图3所示，5 种修复模式下的土壤样品中共有的 OTUs 数目为590个，特有的 OTUs 表现为A处理 194个、B处理 97 个、C处理114 个、D处理 85个、E处理 400 个。其中E处理土壤细菌特有种类最多，而D处理最少。

图3 土壤细菌物种

2.6 影响细菌群落结构的土壤因子变量

RDA分析即冗余分析，是环境因子约束化的PCA分析，可以将样本和环境因子反映在同一个二维排序图上，从图中可以直观地看出样本分布和环境因子间的关系。将不同修复模式下土壤细菌优势群落组成趋势对应分析(Detrended correspondence analysis, DCA)，排序轴的最大值为2.972，所以采取冗余分析(RDA)。其中轴1能解释61.21%，轴2能解释22.58%(图 4)。影响土壤细菌多样性的土壤因子依次为STK >STN >STP >SOC，相关系数分别为0.738、0.728、0.572和0.419。

图4 细菌群落组成与土壤因子的冗余分析

3 讨 论

土壤养分含量是陆地生态系统中重要的生态因子[21]，是生物与非生物环境之间进行物质与能量交换的重要纽带[22]，前人对土壤有机碳和全氮的研究表明，其具有较为一致的分布格局[23-24]。本研究中，土壤有机碳含量在D处理最高，A处理最低，而全氮含量在D处理最低，A处理则最高，这与前人研究结果不一致，究其原因可能为因为是当年修复播种，D处理播种的植物种类最多，对土壤氮的利用较高，又无施氮肥等措施，故导致D处理的土壤全氮含量最低，又因为D处理植物种类多，一年生植物的凋落死亡在一定程度上会增加土壤有机碳的含量。土壤碳氮比在20～35，说明土壤处于矿化和同化的平衡状态，本研究中D、E和C处理的土壤碳氮比介于之间，说明这3种处理的土壤更有利于植物的生长，有利于土壤生态的恢复。

土壤养分和植物种类的差异，形成了多样的土壤细菌群落结构和多样性[25-26]，其中优势菌又决定着微生物群落的动态平衡。本研究中，在门水平，5种处理的土壤细菌群落主要由放线菌门、变形菌门和绿弯菌门组成，但细菌优势类群在各处理间存在差异，这与前人研究结果一致[27]。放线菌门是降解木质素与纤维素的主要功能菌门，是本研究各处理相对丰度最高的菌门，其相对丰度变化范围42.95%～59.20%。变形菌门相对丰度D处理最高，而E处理最低，D处理植物种类最多，E处理植物种类最少，说明这一类群通过枯落物的差异、根系形态和分泌物及整体生态系统物质和能量转化过程的差异来影响土壤养分循环及其自身的结构和功能的多样性，E处理土壤全磷含量最高、全钾含量最低，可能此类群对土壤全磷和全钾含量响应较敏感。土壤细菌多样性越高，则土壤细菌群落结构越稳定，越有利于土壤环境和生态系统结构的稳定，本研究中，A处理土壤细菌群落丰度和多样性最高，E处理次之，而B处理的土壤细菌群落丰度和多样性则最低，基于本研究的结果得出伊犁绢蒿+心叶驼绒藜+黄芪+猪毛菜混播(D)以及围栏封育(E)是最有效的砂铁矿区植被修复措施。

土壤环境因子是影响土壤细菌多样性及群落结构的关键因素[28]，前人研究大多表明，影响土壤细菌群落结构及多样性的环境因子是土壤pH[29]，而本研究中，通过冗余分析得出影响砂铁矿区土壤细菌群落的环境因子是土壤全钾、全氮、全磷和有机碳，究其原因是试验区同处相邻地块，故忽略土壤pH的影响，研究区土壤结构破坏严重，土壤养分流失，故上述土壤因子成为制约土壤细菌多样性的关键。

4 结 论

不同修复措施下土壤养分含量有差异，其中土壤有机碳和全钾含量D处理最高，土壤全氮含量A处理最高，土壤全磷含量E处理最高。

在门水平，放线菌门、变形菌门和绿弯菌门是荒漠砂铁矿区土壤细菌群落的3个主要优势类群；D处理土壤细菌多样性最高，E处理次之，B处理最低。

以一年的研究数据得出，半灌木+灌木+多年生草本+一年生草本混播(D)以及围栏封育(E)是最有效的砂铁矿区生态修复措施。