矿井水排放对荒漠草原土壤胞外酶活性和微生物群落结构的影响——以宁东为例

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采矿活动后排出的大量未经处理的高矿化度矿井水直接进入土壤会造成周边土壤盐渍化,对土壤理化性质空间分布造成极大影响。但矿井水外排对土壤微生物群落结构及多样性的影响过程与机理尚不明确,尤其缺乏矿井水长期露天储存对荒漠草原土壤胞外酶活性与土壤微生物特征影响的研究。本研究以宁夏干旱风沙区井工煤矿矿井水排放地的荒漠草原为研究对象,对矿井水排放湖泊沿岸水滨区域、近岸陆域和自然区域0-10 cm、10-20cm和20-30cm 土层中土壤理化因子、微生物量、胞外酶活性、微生物群落特征开展研究,结合土壤非生物与生物因子等生境特征,揭示矿井水干扰下荒漠草原土壤微生物群落结构和多样性的变化特征以及主要影响因子。主要研究结果如下:(1)矿井水排放对土壤理化性质影响不同。土壤盐分、含水量、电导率、有机碳含量随着距离依次由水滨区域向近岸陆域和自然区域递减;而土壤pH值随着距离依次由水滨区域向近岸陆域和自然区域递增。全氮和全磷含量变化相似,均在近岸陆域显著低于水滨区域和自然区域;而矿井水对土壤速效磷、硝态氮和铵态氮影响较小。土壤含水量随土层深度的增加显著升高,在20-30 cm 土层含量较高。土壤速效磷含量随土层深度的增加显著降低,在 20-30 cm 土层含量较低。土壤有机碳含量在水滨区域和近岸陆域20-30 cm 土层中含量最低,其他土壤理化因子在不同土层变化较小。(2)矿井水排放对土壤微生物量碳、氮、磷影响不同。微生物量磷含量在水滨区域显著高于近岸陆域和自然区域。微生物量碳、氮含量在水滨区域和近岸陆域0-10 cm 土层中含量显著低于自然区域。矿井水显著降低了土壤微生物量碳与土壤有机碳的比值,在水滨区域较低,土壤养分损失较高,降低了土壤质量。土壤微生物量碳、氮含量在近岸陆域和自然区域不同土层变化较大,随着土层深度的增加显著降低,均在20-30 cm 土层含量最低。近岸陆域和自然区域中土壤微生物量碳与土壤有机碳的比值在不同土层差异较为显著。土壤全氮、盐分和速效磷是影响研究区土壤微生物量碳、氮、磷的主要影响因子。(3)矿井水排放显著提高了土壤β-1,4-葡萄糖苷酶、碱性磷酸酶、β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶和亮氨酸氨基肽酶活性,4种土壤酶活性均在水滨区域最高。β-1,4-葡萄糖苷酶、β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶和亮氨酸氨基肽酶活性在不同土层差异较为显著。β-1,4-葡萄糖苷酶和β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶均随土层深度的增加而降低,在20-30 cm 土层活性最低;而碱性磷酸酶活性随土层深度的增加逐渐升高,在20-30 cm 土层活性最高。(4)矿井水排放对土壤胞外酶化学计量向量长度、向量角度、(NAG+LAP):ALP(酶N:P)和BG:ALP(酶C:P)影响均显著,但对BG:(NAG+LAP)(酶C:N)影响较小。酶化学计量的向量角度变化表明,研究区土壤微生物主要受磷元素限制。冗余分析表明,土壤含水量、盐分、有机碳和速效磷是影响研究区土壤胞外酶活性及化学计量比的主要因素。(5)矿井水通过改变荒漠草原土壤环境,对微生物群落结构及多样性产生影响,矿井水排放显著改变土壤细菌和真菌的群落组成,对土壤细菌和真菌群落门水平相对丰度差异影响显著。水滨区域主要优势细菌门为:放线菌门、变形菌门和厚壁菌门,近岸陆域和自然区域主要优势细菌门均为:放线菌门、变形菌门和绿弯菌门。水滨区域主要优势真菌门为:子囊菌门、壶菌门和隐真菌门。近岸陆域和自然区域主要优势真菌门均为:子囊菌门、担子菌门和被孢菌门。在细菌纲水平下水滨区域相对丰度较高的是α-变形菌纲、γ-变形菌纲和芽孢杆菌纲;在近岸陆域和自然区域相对丰度较高的分别为:放线菌纲、α-变形菌纲、嗜热油菌纲。在真菌纲水平下水滨区域、近岸陆域和自然区域相对丰度较高的均为:粪壳菌纲和座囊菌纲。在细菌属水平下,水滨区域、近岸陆域和自然区域主要优势细菌属均为:norankfnorankonorankcMB-A2-108,水滨区域主要优势真菌属为unclassifiedkFungi,近岸陆域主要优势真菌属为:光黑壳属(Preussia),自然区域主要优势真菌属为:unclassifiedpAscomycota。(6)水滨区域土壤细菌和真菌多样性与丰富度均显著低于自然区域,进一步说明矿井水对土壤细菌和真菌丰富度与多样性影响显著。盐分抑制了土壤细菌和真菌的生长,但同时促进了研究区嗜盐碱细菌的富集。不同土层土壤细菌和真菌的丰富度与多样性差异较小。RDA分析表明土壤盐分、含水量、有机碳、pH和β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶是影响研究区土壤细菌和真菌群落多样性的主要影响因子。
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