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(xué)院草業(yè)研究所，烏魯木齊 830022)

【研究意義】環(huán)境問題已成為當(dāng)前社會(huì)一個(gè)重要的民生問題[1]，因礦產(chǎn)資源開采而形成的一系列環(huán)境問題也一直是社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)[2-4]。礦產(chǎn)資源大規(guī)模開發(fā)在為社會(huì)創(chuàng)造大量財(cái)富的同時(shí)，由于現(xiàn)代技術(shù)尚未達(dá)到取而不破的水平，不可避免對(duì)原生自然條件產(chǎn)生一定程度的破壞，由于破壞的不可逆轉(zhuǎn)性加劇了資源開發(fā)與環(huán)境保護(hù)之間的矛盾。新疆自治區(qū)黨委和政府也高度重視生態(tài)問題，全疆已全面啟動(dòng)山水林田湖草生態(tài)保護(hù)修復(fù)治理工程，以此提高社會(huì)—經(jīng)濟(jì)—自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)彈性[5]，全面提升區(qū)域生態(tài)安全屏障質(zhì)量，促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)良性循壞和永續(xù)利用?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】準(zhǔn)噶爾荒漠位于新疆北部，礦產(chǎn)資源豐富[6]，但由于大規(guī)模高強(qiáng)度集約化的現(xiàn)代化開采引起地表形態(tài)、土壤理化特性的變化，嚴(yán)重影響地表植被的環(huán)境，采礦廢棄地面積很大，土地受損非常嚴(yán)重，使礦區(qū)及周圍環(huán)境惡化，已嚴(yán)重制約當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[7-8]。這些采礦廢棄地主要集中在干旱地區(qū)，降水量小、蒸發(fā)量大且常年大風(fēng)[9]，自然本底條件較差，植被恢復(fù)較為困難。目前，關(guān)于礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的研究多集中在礦區(qū)植被覆蓋度、植物生產(chǎn)力及土壤質(zhì)量的改善效果等[10-14]，有關(guān)不同修復(fù)措施對(duì)土壤養(yǎng)分及土壤微生物影響的研究較少[15-16]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】新疆維吾爾自治區(qū)青河縣砂鐵礦資源較為豐富，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全縣已形成開采點(diǎn)近300處，這些采礦點(diǎn)主要分布在阿葦灌渠渠首位置，本研究以渠首砂鐵礦區(qū)為研究對(duì)象，研究不同修復(fù)措施下土壤養(yǎng)分及土壤微生物的變化情況。【擬解決的關(guān)鍵問題】從微觀角度探討礦區(qū)不同修復(fù)措施下的差異，評(píng)價(jià)適宜于砂鐵礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)的植被修復(fù)措施，為砂鐵礦區(qū)重構(gòu)土壤的復(fù)墾與生態(tài)恢復(fù)提供技術(shù)支持和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)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(zhǔn)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(fā)量大，降水量少，年均100 mm左右，風(fēng)勢較大。土質(zhì)沙礫化嚴(yán)重，土層較為瘠薄。保水儲(chǔ)肥能力差，植被種類稀疏，生態(tài)環(huán)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(yàn)設(shè)計(jì)

以青河縣砂鐵礦為研究對(duì)象，采用不同優(yōu)勢植物組合小區(qū)，共設(shè)置5個(gè)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(yǎng)分含量和土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)及多樣性特征。

野外采樣1次，時(shí)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(jī)選取3個(gè)典型的植物樣方(1 m×1 m)，在每個(gè)植物樣方內(nèi)采集土壤樣品1份，土壤樣品總數(shù)共15個(gè)(5種處理×3個(gè)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(gè)植物樣方內(nèi)采用5點(diǎn)法進(jìn)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(gè)點(diǎn)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(xué)實(shí)驗(yàn)；另一份放入布袋中，常溫保存，用于土壤養(yǎng)分測定。

1.3.2 土壤養(yǎng)分測定 土壤養(yǎng)分測定方法參照魯如坤[17]主編的《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》，測定指標(biāo)包括：土壤有機(jī)碳(SOC)、土壤全磷(STP)、全氮(STN)以及全鉀(STK)。

1.3.3 土壤細(xì)菌高通量測序 參考Zhou等[18]的方法進(jìn)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(duì)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(qū)[19]，合成帶有barcode的特異引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增。采用Promega公司的藍(lán)色熒光定量系統(tǒng)(QuantiFluorTM-ST)檢測定量PCR擴(kuò)增產(chǎn)物，根據(jù)測序量要求，對(duì)其按比例混合。最后用TruSeq Nano DNA LT Library Prep Kit(Illumina 公司)建庫。對(duì)符合要求的文庫，用MiSeq Reagent Kit V3(2×300 bp)進(jìn)行雙端測序。Miseq測序得到的PE reads首先根據(jù)overlap關(guān)系進(jìn)行拼接，同時(shí)對(duì)序列質(zhì)量進(jìn)行質(zhì)控和過濾，區(qū)分樣本后進(jìn)行OTU(Operational taxonomic unit)聚類分析，采用Silva數(shù)據(jù)庫[20]進(jìn)行物種分類。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用 Qiime軟件計(jì)算土壤細(xì)菌豐度，Usearch 進(jìn)行OTU的統(tǒng)計(jì)，Mothur進(jìn)行Alpha多樣性分析。對(duì)土壤養(yǎng)分含量采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行單因素方差分析。選用 R軟件進(jìn)行土壤細(xì)菌物種Venn圖分析和冗余分析(Redundancy analysis, RDA)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同修復(fù)措施下土壤養(yǎng)分特征

不同修復(fù)措施下各處理間土壤有機(jī)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(jī)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(jī)碳含量最高，A處理土壤土壤有機(jī)碳含量最低，具體排序?yàn)?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(yǎng)分差異

2.2 不同修復(fù)措施下土壤細(xì)菌樣品測序數(shù)據(jù)分析

A處理3個(gè)樣品，共含有161 817條有效序列；B處理3個(gè)樣品，共含有155 790條有效序列；C處理3個(gè)樣品，共含有149 055條有效序列；D處理3個(gè)樣品，共含有153 636條有效序列；E處理3個(gè)樣品，共含有199 041條有效序列。對(duì)相似性在97%的序列進(jìn)行OTU的聚類，根據(jù)每個(gè)OTU在每個(gè)樣本中所含的序列數(shù)，將OTU的排序等級(jí)與其相應(yīng)OTU中所含的序列數(shù)構(gòu)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(jié)果已能夠反應(yīng)供試樣本的多樣性。

圖1 細(xì)菌稀疏曲線分析

2.3 不同修復(fù)措施下土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)

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

圖2 土壤細(xì)菌群落組成

2.4 不同修復(fù)措施下土壤細(xì)菌群落多樣性

5種處理土壤細(xì)菌 Alpha多樣性結(jié)果見表2。A、B、C 、D和E土壤樣品中得到有效 OTUs 數(shù)目分別為 1451、1330、 1551、 1756和1662 個(gè)。從Shannon指數(shù)來看，土壤細(xì)菌群落多樣性表現(xiàn)為D>E>C>A> B。從 Chao1 指數(shù)來看，土壤細(xì)菌物種豐度是D> E> C> A> B。ACE指數(shù)表現(xiàn)出和Chao1 指數(shù)一樣的規(guī)律，土壤細(xì)菌物種豐度是D>E>C>A> B。可以得出，D處理土壤細(xì)菌群落豐度和多樣性最高，E處理次之，而B處理的土壤細(xì)菌群落豐度和多樣性則最低。

表2 不同修復(fù)模式土壤細(xì)菌 Alpha多樣性

2.5 不同修復(fù)措施土壤細(xì)菌物種

如圖3所示，5 種修復(fù)模式下的土壤樣品中共有的 OTUs 數(shù)目為590個(gè)，特有的 OTUs 表現(xiàn)為A處理 194個(gè)、B處理 97 個(gè)、C處理114 個(gè)、D處理 85個(gè)、E處理 400 個(gè)。其中E處理土壤細(xì)菌特有種類最多，而D處理最少。

圖3 土壤細(xì)菌物種

2.6 影響細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的土壤因子變量

RDA分析即冗余分析，是環(huán)境因子約束化的PCA分析，可以將樣本和環(huán)境因子反映在同一個(gè)二維排序圖上，從圖中可以直觀地看出樣本分布和環(huán)境因子間的關(guān)系。將不同修復(fù)模式下土壤細(xì)菌優(yōu)勢群落組成趨勢對(duì)應(yīng)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(xì)菌多樣性的土壤因子依次為STK >STN >STP >SOC，相關(guān)系數(shù)分別為0.738、0.728、0.572和0.419。

圖4 細(xì)菌群落組成與土壤因子的冗余分析

3 討 論

土壤養(yǎng)分含量是陸地生態(tài)系統(tǒng)中重要的生態(tài)因子[21]，是生物與非生物環(huán)境之間進(jìn)行物質(zhì)與能量交換的重要紐帶[22]，前人對(duì)土壤有機(jī)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(jī)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(jié)果不一致，究其原因可能為因?yàn)槭钱?dāng)年修復(fù)播種，D處理播種的植物種類最多，對(duì)土壤氮的利用較高，又無施氮肥等措施，故導(dǎo)致D處理的土壤全氮含量最低，又因?yàn)镈處理植物種類多，一年生植物的凋落死亡在一定程度上會(huì)增加土壤有機(jī)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(tài)，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(tài)的恢復(fù)。

土壤養(yǎng)分和植物種類的差異，形成了多樣的土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性[25-26]，其中優(yōu)勢菌又決定著微生物群落的動(dòng)態(tài)平衡。本研究中，在門水平，5種處理的土壤細(xì)菌群落主要由放線菌門、變形菌門和綠彎菌門組成，但細(xì)菌優(yōu)勢類群在各處理間存在差異，這與前人研究結(jié)果一致[27]。放線菌門是降解木質(zhì)素與纖維素的主要功能菌門，是本研究各處理相對(duì)豐度最高的菌門，其相對(duì)豐度變化范圍42.95%～59.20%。變形菌門相對(duì)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(tài)和分泌物及整體生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化過程的差異來影響土壤養(yǎng)分循環(huán)及其自身的結(jié)構(gòu)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(duì)土壤全磷和全鉀含量響應(yīng)較敏感。土壤細(xì)菌多樣性越高，則土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，越有利于土壤環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，本研究中，A處理土壤細(xì)菌群落豐度和多樣性最高，E處理次之，而B處理的土壤細(xì)菌群落豐度和多樣性則最低，基于本研究的結(jié)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(qū)植被修復(fù)措施。

土壤環(huán)境因子是影響土壤細(xì)菌多樣性及群落結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素[28]，前人研究大多表明，影響土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)及多樣性的環(huán)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(qū)土壤細(xì)菌群落的環(huán)境因子是土壤全鉀、全氮、全磷和有機(jī)碳，究其原因是試驗(yàn)區(qū)同處相鄰地塊，故忽略土壤pH的影響，研究區(qū)土壤結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，土壤養(yǎng)分流失，故上述土壤因子成為制約土壤細(xì)菌多樣性的關(guān)鍵。

4 結(jié) 論

不同修復(fù)措施下土壤養(yǎng)分含量有差異，其中土壤有機(jī)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(qū)土壤細(xì)菌群落的3個(gè)主要優(yōu)勢類群；D處理土壤細(xì)菌多樣性最高，E處理次之，B處理最低。

以一年的研究數(shù)據(jù)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(qū)生態(tài)修復(fù)措施。