陳　熙，劉以珍，李金前，葛 剛，吳 蘭,*，李永繡

1 南昌大學(xué)生命學(xué)院，南昌　330031

2 江西金達(dá)萊環(huán)保股份有限公司，南昌　330031

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稀土尾礦土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)對(duì)植被修復(fù)的響應(yīng)

陳熙1,2，劉以珍1，李金前1，葛 剛1，吳 蘭1,*，李永繡1

1 南昌大學(xué)生命學(xué)院，南昌330031

2 江西金達(dá)萊環(huán)保股份有限公司，南昌330031

選用贛州-安遠(yuǎn)稀土棄廢尾礦及其不同植被修復(fù)的堆浸田為研究對(duì)象，調(diào)查廢棄尾礦及6種不同植被修復(fù)方案下土壤理化性質(zhì)的變化，并利用變性凝膠梯度電泳(DGGE)技術(shù)，分析土壤微生物群落結(jié)構(gòu)對(duì)植被修復(fù)的響應(yīng)。結(jié)果表明：與未修復(fù)尾礦土壤相比，經(jīng)不同植被修復(fù)后的土壤理化性質(zhì)均得到明顯改良，其中土壤含水量、有機(jī)質(zhì)含量均比未修復(fù)尾礦土壤增加2—3倍。微生物群落結(jié)構(gòu)分析表明，植被修復(fù)后土壤微生物群落與廢棄尾礦土壤微生物群落親緣度僅為0.21，表明植被修復(fù)后，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化，且微生物多樣性、均勻度、豐富度與未修復(fù)尾礦土壤相比均有了明顯的提高。而在不同植被修復(fù)方案中，以濕地松和山胡椒為優(yōu)勢(shì)群落的兩種植被修復(fù)方案對(duì)土壤改良效果最為明顯，這兩種修復(fù)方案不僅能顯著改善土壤的固水性、有機(jī)質(zhì)含量，并且對(duì)微生物群落的改善作用也最為顯著。典范對(duì)應(yīng)分析表明，廢棄尾礦土壤微生物群落結(jié)構(gòu)受土壤pH影響最為顯著，而植被修復(fù)后土壤微生物群落的環(huán)境影響因子則轉(zhuǎn)變?yōu)楹?、有機(jī)質(zhì)、有機(jī)碳及總磷含量。進(jìn)一步揭示了微生物在植被修復(fù)過(guò)程中所起到的重要作用，并為礦山生態(tài)重建過(guò)程中的土壤改良工作提供了豐富的理論依據(jù)。

贛州；稀土廢棄尾礦；微生物群落多樣性；變性梯度凝膠電泳(DGGE)

南方離子型稀土礦自20世紀(jì)70年代在贛州被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，因其分布廣、儲(chǔ)量高、易提取等特點(diǎn)而被大規(guī)模開采[1]，目前南方離子型稀土礦的主要開采技術(shù)包括池浸法、堆浸法、原位浸析法[2]。堆浸法作為運(yùn)用最為廣泛的開采方法，可利用地形筑堆，就地浸提，集中生產(chǎn)，因此有著較高的提取效率[3]，但開采需剝離山體表層植被并進(jìn)行“搬山運(yùn)動(dòng)”，使礦山生態(tài)平衡受到嚴(yán)重破壞，而開采后殘留的硫酸銨浸提液也會(huì)對(duì)稀土尾礦的土壤及水環(huán)境產(chǎn)生影響，因此對(duì)受破壞稀土尾礦進(jìn)行生態(tài)修復(fù)已經(jīng)成了不可缺少的重要任務(wù)。

植被修復(fù)作為生態(tài)修復(fù)中的主體內(nèi)容，在稀土礦山尾礦的生態(tài)修復(fù)過(guò)程中得到了廣泛運(yùn)用。稀土尾礦土壤營(yíng)養(yǎng)匱乏、固水性差、含砂量高的極端環(huán)境特點(diǎn)給植被修復(fù)帶來(lái)不利的影響[4]，因此土壤基質(zhì)的改良在植被修復(fù)的過(guò)程中尤為關(guān)鍵。土壤微生物作為土壤生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，參與植物與土壤間營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及能量的流通[5]，在土壤基質(zhì)改良過(guò)程中起到重要的作用。相關(guān)研究表明，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)受植被類型、數(shù)量影響顯著[6]。然而在植被修復(fù)過(guò)程中土壤微生物群落如何進(jìn)行響應(yīng),植被-土壤養(yǎng)分-微生物系統(tǒng)在稀土尾礦修復(fù)中如何相互促進(jìn)，目前國(guó)內(nèi)外鮮有報(bào)道。

本研究通過(guò)分析堆浸工藝開采的礦山經(jīng)不同模式植被修復(fù)后土壤微生物群落結(jié)構(gòu)分布規(guī)律，并通過(guò)與未修復(fù)樣地土壤相比較，分析稀土尾礦微生物群落結(jié)構(gòu)對(duì)植被修復(fù)的響應(yīng)，為礦山生態(tài)重建過(guò)程中的土壤改良工作提供參考。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況及樣品采集

研究區(qū)域?yàn)榘策h(yuǎn)中重稀土規(guī)劃礦區(qū)，該礦區(qū)位于贛州市安遠(yuǎn)縣北部約30 km，總面積約395 km2，為首批國(guó)家規(guī)劃稀土礦區(qū)。屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，光照充足，雨量充沛。整體植被修復(fù)于2013年5月進(jìn)行，植被修復(fù)在安遠(yuǎn)縣板石鎮(zhèn)崗下工區(qū)一處堆浸開采礦山的堆浸田進(jìn)行(25°16′37.00″N， 115°26′18.08″E)，待修復(fù)樣地土壤為黃色、砂質(zhì)，粘性較弱。將待修復(fù)樣地進(jìn)行6種不同的植被修復(fù)模式，并選取一處未修復(fù)樣地為對(duì)照。每種修復(fù)模式重復(fù)3次，以田垅相隔。每種修復(fù)模式面積約0.9 km2，總修復(fù)面積為5.4 km2。各植被修復(fù)方案主要種植植被見表1，植物種植間距為1.5—2 m，各方案種植密度約為1200—1300株/km2木本植物和14000—19000株/km2草本植物。植被種植后需按照不同植物習(xí)性定期進(jìn)行除草、擴(kuò)穴、松土、培蔸等維護(hù)工作。

表1　植被修復(fù)方案Table 1　Vegetation restoration scheme

土壤樣品采集于經(jīng)兩個(gè)月修復(fù)后的13年9月，采樣以 “S”型5點(diǎn)混合法的取樣方式使用環(huán)刀對(duì)0—15 cm樣地表層土壤進(jìn)行取樣，每樣地各取4份平行樣，共取28份樣品。將樣品裝入已標(biāo)記的自封袋中帶回實(shí)驗(yàn)室，將土壤樣品過(guò)40目篩，去除石塊、昆蟲殘?bào)w，植物殘根等雜質(zhì)后，取部分樣品參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[7]：使用電位法測(cè)定土壤pH；70℃過(guò)夜烘干法測(cè)定土壤含水量(Soil Moisture，簡(jiǎn)稱SM)；500℃ 馬弗爐法測(cè)定土壤去灰分干重(Ash Free Dry Mass，簡(jiǎn)稱AFDM)，用來(lái)表示土壤中的有機(jī)質(zhì)含量；Easychem流動(dòng)注射分析儀測(cè)定土壤氨態(tài)氮、硝態(tài)氮及總氮含量；高溫重鉻酸鉀氧化-容量法測(cè)定土壤總有機(jī)碳含量；釩鉬黃吸光光度法測(cè)定土壤總磷含量。另外取部分土壤放入已滅菌的2mL離心管中，并置于-80℃冰箱保存，用于土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)分析。

1.2樣品分析

1.2.1微生物總DNA提取、細(xì)菌16SrDNA的PCR擴(kuò)增

土壤微生物總DNA提取采用硫酸鋁-玻璃珠法提取[8]。細(xì)菌16SrDNA使用通用引物GC-358f/907r進(jìn)行擴(kuò)增，GC-358f序列[9]為：5′-CGCCCGCCGCGCGCGGCGGGCGGGGCGGGGGCACGGGGGGCCTACGGGAGGCAGCAG-3′，下劃線部分為GC夾序列，907r序列[9]為：5′-CCGTCAATTCMTTTGAGTTT-3′(上海生工生物公司)。25μL擴(kuò)增體系為：10×PCR buffer 2.5μL、MgCl2(25mmol/L) 3μL、dNTPS(2mmol/L)2μL、引物(10μmol/L)各0.25μL、DNA聚合酶(5 U/μl)0.125μL、土壤DNA模板2μL、ddH2O 14.375 μL。細(xì)菌PCR擴(kuò)增條件為：95℃預(yù)變性3 min，94℃ 變性30 s，57℃ 退火30 s，72℃ 延伸90 s，35個(gè)循環(huán)，最后72℃ 延伸7 min[5]，細(xì)菌的PCR目的片段均采用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)并使用OMEGA公司的PCR純化試劑盒進(jìn)行純化。

1.2.2目的片段變性梯度凝膠電泳(Denatured Gradient Gel Electrophoresis)

使用美國(guó)伯樂公司的Bio-Rad Universal Mutation Detection System對(duì)PCR純化產(chǎn)物進(jìn)行DGGE跑膠，細(xì)菌PCR片段使用6%的聚丙烯酰胺，尿素及去離子甲酰胺作為變性劑，根據(jù)查閱文獻(xiàn)及條件摸索，本研究中細(xì)菌PCR片段最佳變性劑濃度梯度為40%—60%，PCR純化產(chǎn)物上樣量為10 μL，整個(gè)電泳系統(tǒng)在電壓85 V， 60℃ 恒溫狀態(tài)下在1×TAE 緩沖液中進(jìn)行電泳16 h。電泳結(jié)束后采用銀染法[10]對(duì)凝膠進(jìn)行染色并拍照。

1.2.3數(shù)據(jù)分析

使用SPSS 21.0 for Windows對(duì)土壤理化參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，DGGE圖譜使用Photoshop CS6進(jìn)行處理，Quantity One 4.6.2進(jìn)行DGGE圖譜分析。土壤細(xì)菌群落與理化因子的典型對(duì)應(yīng)分析(CCA分析)使用軟件為Canoco 4.0 for Windows。

2　結(jié)果與分析

2.1安遠(yuǎn)稀土礦區(qū)植被修復(fù)與未修復(fù)樣地土壤理化性質(zhì)

安遠(yuǎn)稀土礦區(qū)不同植被修復(fù)樣地土壤理化參數(shù)如表2所示，結(jié)果提示，安遠(yuǎn)稀土廢棄尾礦經(jīng)植被修復(fù)后，六種修復(fù)方案土壤理化性質(zhì)均得到改善。其中A方案修復(fù)后土壤中的銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量顯著降低，而含水量、有機(jī)質(zhì)、總有機(jī)碳含量增加了3倍左右，且總氮總磷含量亦有一定程度的提高，因此為改善土質(zhì)的最佳植被修復(fù)方案，此外，C、D、E、F方案也均能在一定程度上通過(guò)降低土壤中的銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量，增加土壤中的含水量、有機(jī)質(zhì)、總有機(jī)碳、總氮、總磷的含量來(lái)改善土壤質(zhì)量，而B方案并未降低土壤中的銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量，也無(wú)法顯著提高總有機(jī)碳，總氮、總磷含量，因此B方案能否對(duì)土壤起到明顯的改良效果還需隨修復(fù)時(shí)間的增加繼續(xù)進(jìn)行調(diào)查、分析。

表2　安遠(yuǎn)稀土礦區(qū)不同植被修復(fù)樣地土壤理化參數(shù)Table 2　The soil physics and chemistry character in in different scheme area

2.2土壤細(xì)菌PCR擴(kuò)增

提取各土壤樣品的微生物基因組DNA后，將每個(gè)樣地的兩個(gè)重復(fù)樣品DNA合并后進(jìn)一步使用16S rDNA細(xì)菌通用引物GC-358f/907r進(jìn)行PCR擴(kuò)增并純化，共得到14個(gè)PCR產(chǎn)物(7個(gè)樣地，每個(gè)樣地2個(gè)重復(fù))。擴(kuò)增結(jié)果如圖1所示。

圖1　土壤細(xì)菌PCR結(jié)果Fig.1　The soil bacterium PCR resultA：濕地松樣地；B：木荷樣地；C：油茶樣地；D：臍橙樣地；E：桉樹樣地；F：山胡椒樣地

細(xì)菌PCR電泳后所有樣品條帶均處于同一水平面，其中細(xì)菌樣品條帶位于Marker的500bp和650bp條帶之間，約625bp，與PCR引物范圍相符。

2.3植被修復(fù)及未修復(fù)樣地表層土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)分析

2.3.1植被修復(fù)及未修復(fù)樣地表層土壤細(xì)菌DGGE圖譜分析

由于DGGE凝膠通量有限，而理化參數(shù)測(cè)定結(jié)果表明本研究中各樣地的平行樣的重復(fù)性較好，因此將每個(gè)樣地的兩個(gè)重復(fù)樣品DNA合并后進(jìn)行PCR擴(kuò)增并純化，即每塊樣地共有兩份平行樣進(jìn)行DGGE凝膠電泳，使用Quantity One 4.6.2對(duì)DGGE圖譜進(jìn)行條帶識(shí)別及相似性分析，每條泳道不同位置的條帶為樣品中被分離的PCR產(chǎn)物片段，即不同的細(xì)菌類群。本研究結(jié)果如圖2所示，從圖中我們可以初步看出，DGGE電泳圖中各泳道條帶數(shù)目、強(qiáng)度、遷移率均存在一定程度的差異，其中未修復(fù)樣地的兩份DNA分離出的條帶數(shù)目為10/7條，而植被修復(fù)樣地則分離出12—25條數(shù)目不等的條帶，植被修復(fù)樣地的土壤細(xì)菌群落豐富度都高于未修復(fù)樣地；在不同植被修復(fù)樣地中，山胡椒(Linderaglauca(Sieb. et Zucc.) Bl.)樣地的兩份DNA分離出的條帶數(shù)目為25/23條，為所有樣地中條帶數(shù)目最多的樣地，而臍橙(Citrussinensis(L.) Osbeck)樣地分離出的條帶數(shù)目為12條，為所有樣地中條帶數(shù)目最低的樣地。此外，在條帶示意圖中，1號(hào)條帶和34號(hào)條帶僅在山胡椒樣地中出現(xiàn)，3號(hào)條帶僅在濕地松樣地中出現(xiàn)，28號(hào)條帶僅在木荷樣地中出現(xiàn)，這表明在山胡椒、濕地松、木荷樣地中可能存在獨(dú)有的細(xì)菌類群。

圖2　不同樣地表層土壤細(xì)菌DGGE圖譜及條帶分布示意圖Fig.2　The soil bactria DGGE atlas and band schematic diagram in different scheme areaA：濕地松樣地；B：木荷樣地；C：油茶樣地；D：臍橙樣地；E：桉樹樣地；F：山胡椒樣地

2.3.2植被修復(fù)及未修復(fù)樣地表層土壤細(xì)菌DGGE聚類分析

對(duì)所有樣品進(jìn)行UPGAMA聚類分析[12]，從圖3可知，7種樣地14個(gè)樣品的細(xì)菌群落共分為兩大族群，其中未修復(fù)樣地聚為一類簇群，6種不同植被修復(fù)樣地聚為另一族群，兩大族群相似性僅為21%，表明與未修復(fù)樣地相比，修復(fù)樣地微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化。而植被修復(fù)樣地簇群又分為兩類不同的分支，其中油茶(CamelliaoleiferaAbel.)，臍橙樣地微生物聚為一支，相似性為43%，而濕地松(pinuselliottii,)、木荷(Schimasuperba)、桉樹(Eucalyptus)、山胡椒樣地聚為另一支，微生物群落相似性為45%。

圖3　不同方案樣地細(xì)菌群落DGGE聚類分析Fig.3　The soil bacterial community dendrogram in different scheme areaA：濕地松樣地；B：木荷樣地；C：油茶樣地；D：臍橙樣地；E：桉樹樣地；F：山胡椒樣地

2.3.3植被修復(fù)及未修復(fù)樣地表層土壤細(xì)菌群落多樣性分析

通過(guò)使用基因型豐富度(S), Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)(H′)，Pielou 均勻度指數(shù)(E)這3項(xiàng)指標(biāo)來(lái)比較各個(gè)樣品的細(xì)菌多樣性，本研究中所有樣地細(xì)菌群落的基因型豐富度、Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)、Pielou 均勻度指數(shù)如表3所示。從表中可以看出，各樣地的多樣性指數(shù)均存在不同程度的差異，其中未修復(fù)樣地土壤微生物的豐富度、Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)、均勻度均低于植被修復(fù)樣地，而在6種不同植被修復(fù)方案樣地中豐富度、Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)最高的樣地為山胡椒樣地，均勻度最高的樣地為木荷樣地；而豐富度、Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)、均勻度最低的則均為臍橙樣地。通過(guò)相關(guān)性分析表明，該研究所有樣地的土壤細(xì)菌群落的豐富度與Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)為極顯著正相關(guān)(P<0.01),而均勻度與豐富度及Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)均為顯著正相關(guān)(P<0.05)。

表3　各樣地表層土壤細(xì)菌群落基因型豐富度、Shannon-Wiener 指數(shù)和均勻度指數(shù)平均值Table 3　The average Genotypic richness，Shannon-wiener diversity indexand Pielou evenness index of bacterial community

A：濕地松樣地，B：木荷樣地；C：油茶樣地；D：臍橙樣地；E：桉樹樣地；F：山胡椒樣地

2.3.4植被修復(fù)及未修復(fù)樣地表層土壤細(xì)菌群落和環(huán)境因子的典范對(duì)應(yīng)分析(CCA)

為進(jìn)一步研究土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系，將DGGE指紋圖譜中每一條帶的光密度值作為物種數(shù)據(jù)，使用CANOCO軟件做(表4)。

表4　安遠(yuǎn)稀土礦區(qū)土壤環(huán)境因子與細(xì)菌群落CCA分析結(jié)果Table 4　Result of (canonical correspondence analysis, CCA) between the bacterial communities and environmental factors in RE mine area of An Yuan

圖4　安遠(yuǎn)稀土礦區(qū)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子CCA排序圖Fig.4　CCA ordination graph between the bacterial communities and environmental factors in RE mine area of An YuanA：濕地松樣地；B：木荷樣地；C：油茶樣地；D：臍橙樣地；E：桉樹樣地；F：山胡椒樣地

CCA結(jié)果表明，第一第二排序軸分別解釋了影響細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)18.4%和16.8%的變異，而前4個(gè)排序軸共解釋了影響細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)57.6%的變異。該分析結(jié)果表明，所檢測(cè)的環(huán)境因子能夠在一定程度上解釋土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的變化，但還存在其他可能影響微生物群落結(jié)構(gòu)的環(huán)境因子。

2.3.5討論

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要生命體，它可以通過(guò)對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)元素的調(diào)節(jié)作用促進(jìn)污染土壤的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性，具有巨大的潛在環(huán)境修復(fù)功能[11]，Junjian Li[12]等人研究了土壤酶活性及微生物多樣性對(duì)中國(guó)西北地區(qū)煤礦開采后廢棄尾礦植被修復(fù)的影響，結(jié)果表明土壤中的細(xì)菌、真菌、古菌均在植被修復(fù)過(guò)程中起著重要的作用。而在廢棄尾礦上種植植物，也能夠有效抑制土壤肥力、水分的流失，植物的根系，殘?bào)w也能提供土壤微生物生長(zhǎng)所需能量，方晰[13]等人就研究了湘潭錳礦渣廢棄地進(jìn)行植被修復(fù)對(duì)土壤微生物數(shù)量及酶活性的影響，結(jié)果表明植被修復(fù)能明顯提高礦渣廢棄地土壤微生物數(shù)量和酶活性。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于廢棄尾礦微生物協(xié)同植被的修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)研究較少，尤其稀土尾礦在植被修復(fù)在過(guò)程中微生物所進(jìn)行協(xié)同作用的研究更是未見報(bào)道。本研究在安遠(yuǎn)稀土尾礦植物-微生物-土壤復(fù)合生態(tài)恢復(fù)體系下，分析了土壤理化性質(zhì)、細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的變化及其它們之間的關(guān)系，對(duì)細(xì)菌群落在稀土尾礦植被修復(fù)過(guò)程中對(duì)土壤所起到的改良作用進(jìn)行了初步的探討。本研究結(jié)果表明，經(jīng)2個(gè)月植被修復(fù)后，土壤的理化性質(zhì)得到了明顯提高，微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化，其中植被修復(fù)后土壤含水量，有機(jī)質(zhì)含量均增加了2—3倍左右，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性和豐富度也顯著增加，這表明廢棄尾礦整體土壤得到了明顯改良。安遠(yuǎn)稀土尾礦土壤土質(zhì)以粉粒和沙粒為主，土壤肥力保持能力極差，環(huán)境貧瘠，而土壤pH受硫酸銨溶液澆灌影響呈酸性，微生物活動(dòng)受到抑制，群落多樣性均勻度均處于較低水平，受此影響土壤中物質(zhì)及能量循環(huán)受到抑制，導(dǎo)致含水量、有機(jī)質(zhì)、總有機(jī)碳及總氮等理化參數(shù)均處于較低水平，土壤環(huán)境極其惡劣，經(jīng)此推斷pH可能為未修復(fù)土壤微生物群落的主要影響因子。而本研究采用的修復(fù)植物均為抗性較強(qiáng)的本地植物，這有利于植被群落的迅速構(gòu)建，植被修復(fù)后，植物的固著作用使得土壤營(yíng)養(yǎng)元素得到一定程度的積累，土壤也逐漸由強(qiáng)酸性轉(zhuǎn)變?yōu)槿跛嵝裕绊懲寥牢⑸锶郝浣Y(jié)構(gòu)的環(huán)境因子發(fā)生改變，受土壤理化性質(zhì)的改善的影響，土壤微生物群落有了積極的響應(yīng)，生物量及多樣性增加，能夠?qū)ν寥乐懈喾N類的碳源加以利用，并通過(guò)分泌不同功能的土壤酶，進(jìn)一步改善土壤營(yíng)養(yǎng)元素的含量，而根系微生物通過(guò)促進(jìn)土壤與植被間的能量傳輸，確保植物生長(zhǎng)所需營(yíng)養(yǎng)元素。因此在微生物的調(diào)節(jié)功能下，植被修復(fù)后土壤環(huán)境得到明顯的改良，而土質(zhì)的改良又能確保植物能夠順利生長(zhǎng)，穩(wěn)定植被群落。

不同植被類型會(huì)對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著的影響[14]。在本研究中，不同的植被恢復(fù)方案對(duì)土壤環(huán)境有著不同的改良效果。在本研究中，對(duì)土壤環(huán)境改良效果較好的方案為濕地松(A)及山胡椒(F)修復(fù)方案。這兩種修復(fù)方案對(duì)土壤的固水性、有機(jī)質(zhì)含量來(lái)改及微生物群落的改善作用最為顯著。濕地松因其耐寒，抗高溫，耐旱亦耐水濕的特征而被廣泛運(yùn)用于植被修復(fù)工程中，相關(guān)研究表明，濕地松[15]對(duì)土壤微生物多樣性影響顯著，其中濕地松土壤微生物對(duì)糖類、羧酸類和氨基酸類碳源有著較高的利用率。山胡椒喜好的土壤環(huán)境為微酸的砂質(zhì)壤土，這與稀土尾礦土質(zhì)相類似，山胡椒修復(fù)方案有利于群落的構(gòu)建，地被的迅速形成，從而改善土壤環(huán)境，而山胡椒與土壤微生物群落結(jié)構(gòu)之間相互影響還有待進(jìn)一步研究。結(jié)果顯示，濕地松及山胡椒均能積極適應(yīng)稀土礦山尾礦極端的土壤環(huán)境，并在生長(zhǎng)過(guò)程中通過(guò)與微生物的相互作用而明顯改善尾礦的土壤理化性質(zhì)，最終使得土壤環(huán)境得到顯著的改良效果。

本研究取樣時(shí)間處于植被修復(fù)初期，雖然植被修復(fù)2個(gè)月后土壤質(zhì)量得到了明顯改善，但該植被修復(fù)方案能否長(zhǎng)期穩(wěn)定且有效工作，仍需至少一年或更長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)。此外，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)植被修復(fù)過(guò)程中微生物群落功能的研究較少，為揭示土壤微生物在植被修復(fù)中所起到的作用，進(jìn)一步的微生物功能分析尤為必要，例如對(duì)土壤酶活性的分析及微生物對(duì)碳源利用能力的分析，通過(guò)植被修復(fù)后土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與功能變化研究，能夠進(jìn)一步揭示微生物在植被修復(fù)過(guò)程中所起到的重要作用，為礦山生態(tài)重建過(guò)程中的土壤改良工作提供更豐富的理論依據(jù)。

3　結(jié)論

(1)稀土礦的開采嚴(yán)重破壞了礦山土壤質(zhì)量，稀土尾礦土壤固水性差、有機(jī)質(zhì)含量低、氮離子含量高、微生物群落多樣性及均勻度較低。而2個(gè)月的植被修復(fù)使得稀土尾礦的土壤環(huán)境得到了一定程度的改良，各修復(fù)方案下土壤含水量，有機(jī)質(zhì)增加了2—3倍，土壤微生物多樣性豐富度也顯著增加。

(2)從土壤微生物對(duì)植被修復(fù)的響應(yīng)來(lái)看，不同的植被恢復(fù)方案對(duì)土壤環(huán)境有著不同的改良效果，其中顯著提高土壤含水量和有機(jī)質(zhì)、微生物多樣性和豐富度的濕地松及山胡椒修復(fù)方案較為理想。

(3)典范對(duì)應(yīng)分析表明，植被修復(fù)后土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)受環(huán)境因子變化的影響與未修復(fù)樣地細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)有明顯差異，而不同植被修復(fù)樣地間的土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)也因受不同環(huán)境因子的影響而存在差異。

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Response of a rare earth tailing soil bacterial community structure to vegetation restoration

CHEN Xi1,2, LIU Yizhen1, LI Jinqian1, GE Gang1, WU Lan1,*, LI Yongxiu1

1SchoolofLifeScience，NanChangUniversity，Nanchang330031，China

2JiangxiJindalaiEnvironmentalProtectionCompanyLimited，Nanchang330031，China

Ion-absorbed-type of rare earth deposits that are located in Ganzhou have been mined on a large scale since the 1970s because of their wide distribution, high reserves, and easy extraction. The deposits are extracted locally by heap leaching and processed through centralized production. Heap leaching has higher extraction efficiency than traditional methods, but it can strip the vegetation at the mine and alter severely the ecological balance. Additionally, the residue of ammonium sulfate has an impact on the soil and water components of the rare earth tailings after exploitation. Therefore, ecological restoration of rare earth tailings has become an indispensable task.Microorganisms are important component of the soil ecosystem; they promote stability of contaminated soil ecosystems by adjusting the function of the soil. Nutrients and microbes in an ecosystem have enormous potential in environmental repair. However, questions such as how soil microbial community responds during the process of vegetation restoration or how to develop a mutually beneficial relationship within the plant-microbe-soil composite ecological restoration system during restoration of rare earth tailings do not yet have clear answers.This article studied how the plant-microbe-soil composite ecological restoration system improved soil quality in An Yuan rare earth tailing and analyzed the change of the bacterial community structure after vegetation restoration. Finally, it discussed how bacteria improved soil quality during the restoration of vegetation on rare earth tailings.In this study, Ganzhou-AnYuan rare earth tailings area and vegetation areas undergoing different levels of restoration were selected as research study sites. We investigated the quality of soil in the original tailing area and in six vegetation restoration areas and used denatured gradient gel electrophoresis technology and canonical correspondence analysis to illustrate the characteristics of soil microbial community structure. Finally, we discussed how soil microbial community responded to the vegetation restoration.Original soil quality of rare earth mines was severely damaged by exploitation. Original rare earth tailings had poor soil moisture content, organic matter content, high nitrogen ion content, and low microbial community diversity and evenness. Soil quality in areas undergoing different levels of vegetation restoration were significantly improved compared to the quality of tailings soil without vegetation restoration, the soil moisture content and organic matter content increased 2—3 times after vegetation restoration. Bacterial community structure analysis showed that after vegetation restoration soil bacterial community structure changed significantly; the relatedness degree of bacterial community was only 0.21 between the original rare earth tailings soil and the vegetation restoration soil, bacterial diversity, evenness, and abundance were significantly improved compared to the original tailing soils. Among the different vegetation restoration schemes, the vegetation restoration schemes with the highest improvement in soil quality utilizedPinuselliottiiandLindera. These two schemes not only improved the soil moisture content and organic matter content, they also improved significantly bacterial community in the soil. Canonical correspondence analysis showed that bacterial community structure in the soil of the original rare earth tailings was significantly affected by soil pH, and once the vegetation was restored, the main environmental factors were replaced by soil moisture content, organic matter, organic carbon, and total phosphorus content. This study further reveals that microbes play an important role in the process of vegetation restoration and the study provides a rich theoretical basis for ecological restoration of rare earth tailings.

Ganzhou; rare-earth tailing; microbial community diversity; DGGE(Denatured Gradient Gel Electrophoresis)

10.5846/stxb201411182280

科技部支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012BAE01B02)；國(guó)家973計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012CBA01200)；南昌大學(xué)研究生創(chuàng)新專項(xiàng)資助項(xiàng)目(cx2012004)

2014-11-18;

2015-06-29

Corresponding author.E-mail: wl690902@hotmail.com

陳熙，劉以珍，李金前，葛剛，吳蘭，李永繡.稀土尾礦土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)對(duì)植被修復(fù)的響應(yīng).生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(13):3943-3950.

Chen X, Liu Y Z, Li J Q, Ge G, Wu L, Li Y X.Response of a rare earth tailing soil bacterial community structure to vegetation restoration.Acta Ecologica Sinica,2016,36(13):3943-3950.