不同自然定居植被对铁尾矿微生物数量、酶活性和生物多样性的影响

不同自然定居植被对铁尾矿微生物数量、酶活性和生物多样性
的影响
阎爱华;李雯;李玉灵
【摘要】为了解不同自然定居植被对铁尾矿土壤微生物的影响,本研究以马兰庄铁尾矿自然定居的8种植被为对象,采用平板法和PCR-DGGE法研究了0～20 cm土壤微生物的数量、酶活性和微生物多样性,并与未生长任何植被的尾矿砂对比.结果表明:不同植被下土壤微生物的数量不同,但都是细菌＞放线菌＞真菌.不同植被的尾矿砂土壤酶活性不同,但是紫穗槐在转化酶、过氧化氢酶、脲酶和磷酸酶的酶活性均高于其他植被.PCR-DGGE聚类分析结果表明,不同的植被恢复模式造成土壤微生物的生物多样性不同,酸藦(Rumex acetosa)、白杨(Populus tomentosa)和沙地柏(Sabina vulgaris)的微生物多样性最高.因此,在对铁尾矿进行生态恢复时必须综合考虑不同植物不同的生态效益.
【期刊名称】《河北农业大学学报》
【年(卷),期】2014(037)004
【总页数】5页(P20-24)
【关键词】土壤微生物;铁尾矿;自然恢复
【作者】阎爱华;李雯;李玉灵
【作者单位】河北农业大学林学院/河北省林木种质资源与森林保护重点实验室,河北保定071000;河北农业大学林学院/河北省林木种质资源与森林保护重点实验室,
河北保定071000;河北农业大学林学院/河北省林木种质资源与森林保护重点实验室,河北保定071000
【正文语种】中文
【中图分类】S154.3
铁尾矿是矿石粉碎精选后的微粒状剩余物，在生产过程中通常堆积成坝，被称作矿山废弃地。

这种废弃地不仅占用大量土地资源，而且严重污染环境。

由于基质条件单纯而恶劣，如高含量重金属离子，极端PH值，营养极度缺乏等，对这类废弃地进行生态恢复是当前研究的重点和难点。

当前许多研究的结果表明，进行植被恢复可以显著改善这类废弃地的土壤理化性质，其生物和化学性质也能够得到发展。

因此，进行植被恢复是治理改善铁尾矿的一条有效途径［1］。

在本课题组前期对铁尾矿的研究中发现，有些地区的铁尾矿恢复过程中存在植被自然定居的现象，具体表现为新矿坝上自然出现成片植被，这种现象为开发尾矿植被生态恢复技术提供了良好的研究平台，也为研究困难立地条件下各种微生态系统的发展和功能演替提供了难得的研究材料。

土壤微生物参与土壤物质和能量循环，是衡量土壤质量、肥力和生产力的重要指标［2－8］。

目前，针对铁尾矿植被恢复系统中土壤微生物群落研究较少，本试验
研究唐山迁安尾矿库自然生态恢复过程中微生物数量、土壤酶活性和微生物多样性的变化，旨在了解铁尾矿废弃地生态恢复过程中尾矿微生物状况影响，为类似地区的铁尾矿生态重建提供理论基础，为困难立地条件下微生物的生态演替提供新的支持。

1 研究区概况
试验地位于河北省迁安市马兰庄镇（39°51／N～40°51／N，118°29′E～118°56
／E），属暖温带大陆性季风气候。

属暖温带大陆性季风气候，年日照时数2 675.3h，平均气温10.1℃，有效积温3 854℃，无霜期168d，年均降雨量
722mm。

裸尾矿容重为1.77g／cm3，总孔隙度为34.32%，毛管孔隙度为
27.57%，非毛管孔隙度为 6.75%，毛管持水量为17.85%［9］。

2 材料与方法
2.1 样品采集与处理
2011年7月，在马兰庄铁尾矿新尾矿上自然生长植株的样地上采集土壤样品，地面覆盖植被包括：紫穗槐（Ainorpha friticosa Li），藜（Chenopodium album）、酸藦（Rumex acetosa）、白杨（Populus to－mentosa Carr.）、
沙地柏（Sabina vulgaris）、火炬树（Rhus typhina Nutt）、沙芦草（Agropyron mongolicumKeng）、沙棘（Hippophaaer hamnoides），以正在堆积中的新尾矿为对照，一种植被一个样地。

在距离植株10cm的地方用土钻
取样，深度为0～20cm，毎样地内取5个重复，各样品混匀后分为两份，一份4℃冰箱保存，另一份保存在－20℃。

2.2 土壤微生物数量的测定
采用稀释平板法测定土壤中可培养微生物数量：真菌采用马丁氏培养基（孟加拉红）；使用牛肉膏蛋白胨培养基培养细菌，放线菌使用改良高氏Ⅰ号培养基。

细菌和放线菌在28℃下培养7～8d，真菌在25℃下培养3～4d，之后观察记录菌落数，以每克干土中数量表示。

2.3 土壤酶活性的测定
转化酶活性用硫代硫酸钠滴定法测定，过氧化氢酶活性用容量法测定，脲酶活性用柠檬酸缓冲液比色法测定，磷酸酶活性用磷酸苯二钠比色法［10］。

2.4 土壤微生物多样性测定
2.4.1 DNA提取土壤DNA提取采用美国Mo－Bio强力土壤DNA提取试剂盒
（Cat：12888），按照产品说明书进行操作。

2.4.2 PCR 扩增利用引物 8F－GC（5′－CGCCCGCCGCGCGCGGCGGGCGGGGCGGGGGCACG GGGGGAGAGTTTGATCCTGGCTCAG－3′）和518R（5′－ATTACCGC GGCTGCTGG－3′）对土壤细菌16sRNA V3区进行扩增。

PCR反应采用50μL系扩增，包括10×PCR Buffer 5μL；dNTP Mixture（各2.5mol／L）4μL；引物
8F（20μmol／L）1μL；引物518R（20μmol／L）1μL；模板 DNA 2.5ng；TaKaRar Taq（5U／μL）0.25μL；ddH2O 补至50 μl。

PCR扩增程序如下：94℃10min，接着30个循环，94℃变性1min，55℃退火1min（每个循环降低0.1℃），72℃延伸1min 30s，最终72℃延伸10min。

扩增产物在0.8%琼脂糖
凝胶电泳，并观察拍照。

2.4.3 DGGE电泳将上述PCR产物经过DGGE电泳后银染。

电泳浓度为8%，变
性范围为30%～60%，电泳条件为150V420min。

胶配方如下：（1）30%聚丙
烯酰胺凝胶：40%丙烯酰胺4mL，50×TAE 0.4mL，尿素2.52g，去离子甲酰胺2.4mL，ddH2O定容至20mL；（2）60%聚丙烯酰胺凝胶：40%丙烯酰胺4mL，50×TAE 0.4mL，尿素5.04 g，去离子甲酰胺4.8mL，ddH2O定容至20mL。

制备胶板时分别加入200μL APS（10%的过硫酸铵）和20μL TEMED。

2.4.4 数据统计采用Phylip 4.0软件计算分离度进行聚类分析，并采用软件
Mega3.1分析制图。

香农－威纳指数的公式是：H＝－∑（Pi）（log2Pi），用于计算土壤微生物多样性。

3 结果与分析
3.1 不同自然定居植被对铁尾矿微生物数量的影响
由表1可见，不同自然定居植被对铁尾矿土壤微生物数量产生了明显影响。

新尾
矿中3种主要可培养微生物的量都很少，而植被中紫穗槐土壤微生物的数量最多。

在所有的样品中，细菌的比例都最高，在92.47%～97.71%之间；放线菌居中，
占总数的1.97%～7.26%；真菌最少。

这种微生物比例关系反映出尾矿砂的理化
性质与不同植被根系相互作用后的复杂情况。

表1 不同自然定居铁尾矿中土壤微生物类群数量与比例Table 1 Soil microorganism quantity of various natural inhabitations in iron tailings
104／g样地Sample plot细菌Bacteria真菌Fungi放线菌Actinomycete微生
物总量Total microorganism quantit y新尾矿41.85 0.12 3.29 45.26藜194.72 0.67 4.58 199.97酸藦 181.24 0.56 6.07 187.87白杨 216.35 0.68 4.37 221.4火炬树 247.23 0.76 6.31 254.3沙地柏 223.47 0.79 5.69 229.95
紫穗槐 255.43 0.82 7.21 263.46沙芦草 126.69 0.34 3.21 130.24沙棘
245.69 0.81 6.27 252.77
3.2 不同自然定居植被对铁尾矿土壤酶活性的影响
土壤酶活性是土壤活力的重要表现，参与土壤中所有生物化学反应。

由表2可见，不同自然定居植被的铁尾矿中土壤酶活性不同。

紫穗槐的各种酶活性都相对较高，藜、酸藦和沙芦草的酶活性相对较低。

表2 不同自然定居铁尾矿中土壤酶活性Table 2 Soil enzyme activities of various natural inhabitations in iron tailings样地Sample plot转化酶／（mL·g－1）Invertase过氧化氢酶／（mL·g－1）Proteinase脲酶／（μg·g－1）Urease磷酸酶／（μg·g－1）Acid phosphatase新尾矿0.27 12.7 7.85 3.78
藜0.31 15.36 8.25 7.21酸藦 0.29 13.25 9.34 6.24白杨 0.35 16.21 10.06 7.94火炬树 0.37 15.92 15.21 6.75沙地柏 0.39 16.34 13.57 10.25紫穗槐0.33 20.15 17.11 16.67沙芦草 0.37 18.96 14.56 8.72沙棘0.44 19.21 22.67 25.97
3.3 不同自然定居植被下铁尾矿土壤微生物多样性
由图1可见，不同自然定居植被下铁尾矿土壤微生物DGGE图谱十分复杂，每一泳道中每个条带代表一个土壤微生物种群，强条带表示优势种群。

所有的泳道中都有相同的条带出现，说明了相同的微生物本底。

新尾矿的图谱中，条带数和条带强度都与较其他的泳道弱，其他条带虽然与新尾矿的条带有相似性，但是也存在明显的差异条带，有些条带只存在于特定泳道中。

这说明不同的植被下，土壤微生物的种群存在明显差异。

图1 不同自然定居植被下铁尾矿土壤微生物DGGE图谱Fig.1 DGGE banding patterns of various natural inhabitations1.藜；2.酸藦；3.白杨；4.新尾矿；5.沙地柏；6.火炬树；7.紫穗槐；8.沙芦草；9.沙棘.
基于图1中各泳道条带数、条带亮度和迁移率的得到的香农－威纳指数表明，紫穗槐与藜的土壤微生物多样性指数最高，说明这两种植被大大提高了土壤的微生物多样性。

沙芦草与白杨的值最低。

表3 不同类型植被土壤微生物多样性指数Table 3 Diversity index of various natural inhabitations in iron tailings样地Sample plot Shannon－wiener指数Shannon－wiener index新尾矿2.532 912 445藜3.056 009 307酸藦
2.940 531 787白杨 2.417 430 165火炬树 2.886 651 767沙地柏 2.881 047 057紫穗槐
3.073 965 461沙芦草 2.546 071 32沙棘2.931 197 118
3.4 不同自然定居植被下铁尾矿土壤微生物聚类分析
由图2可以看出：植被覆盖显著改善了土壤微生物的多样性，所有自然定居的种群土壤微生物多样性与新尾矿不同一组，酸藦、白杨和沙地柏具有的微生物种群多样性具相似性。

图2 不同自然定居植被下铁尾矿土壤微生物聚类分析Fig.2 Cluster analysis of various natural inhabitations1.藜；2.酸藦；3.白杨；4.新尾矿；5.沙地柏；6.火炬树；7.紫穗槐；8.沙芦草；9.沙棘.
4 讨论
铁矿开采引起的尾矿库污染问题已经引起广泛重视，当前主要的修复措施是进行植被恢复［11－12］。

与其他类型土壤相比，铁尾矿具有基质单纯的特点，由于土
壤瘠薄，植被－土壤－微生物的作用关系更加突出［13－14］。

因此，研究自然
定居条件下的植被－土壤－微生物关系，对尾矿生态恢复植被选择技术发展，微生物生态作用理论研究具有重要意义。

王岩等的研究表明，不同植被恢复模式的铁尾矿土壤养分的恢复效果从高到低依次为沙棘－桑树乔木混交林模式、紫穗槐林模式、沙地柏灌木纯林模式［9］。

本研究进一步对土壤微生物参与植被自然定居的机制进行了初步研究，不同自然定居植被土壤中各种微生物数量存在明显差异，在总体数量上均以细菌为主，放线菌次之，真菌较少。

这与邵宝林［15］、薛立［16］
和黄志宏［17］等的研究结果相似。

土壤酶活性是体现土壤活力的重要指标，在本研究中，紫穗槐表现出了良好的改良铁尾矿的能力，但是其土壤微生物多样性并不是试验中最好的，这一方面可能是尾矿砂矿质元素和理化性质综合作用，另一方面可能是紫穗槐根部土壤中创造了良好的微生态环境以适应相对大量的功能微生物的繁殖。

因此，在以后的实验中有必要加强对紫穗槐根部化感作用和功能微生物的筛选研究，以更好的进行铁尾矿的治理，丰富土壤改良微生物种类。

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