不同季节泗顶铅锌矿区污染土壤特性及微生物多样性研究

作     者：张海春 

作者单位：广西师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘可慧;李艺

授予年度：2022年

学科分类：082803[工学-农业生物环境与能源工程] 07[理学] 08[工学] 0828[工学-农业工程] 0713[理学-生态学] 

主      题：重金属污染土壤 土壤细菌 土壤真菌 群落多样性 

摘      要：本研究以广西柳州泗顶铅锌矿矿区上游区、尾矿区和下游区土壤为研究对象,研究了不同季节矿区典型植物根际/非根际土壤的重金属元素含量、土壤理化性质和土壤酶活性对矿区土壤微生物群落结构变化的影响,同时对上述三个区域土壤重金属污染状况进行了评价,主要研究结论如下:(1)矿区重金属污染风险情况:尾矿、下游和上游三个区域的铅(Pb)、锌(Zn)、镉(Cd)、铜(Cu)、锰(Mn)元素以下游区的含量最高,其次为上游区和尾矿区,且三区域Pi值(内梅罗单因素污染指数)为0.8307.6,该地区受铅(Pb)、锌(Zn)、镉(Cd)的污染最为严重,达到重度污染程度;内梅罗综合污染指数评价PN值为85.6369.8,达到V级重度污染。(2)矿区土壤营养元素含量及土壤酶活性情况:在尾矿、下游和上游三个区域中以上游区土壤中的养分含量最高,土壤酶活性最高。其中钾(K)和钠(Na)元素以尾矿区的含量最高,其次是上游区和下游区;钙(Ca)和镁(Mg)元素的含量从高到低依次是下游区、上游区和尾矿区;总氮、总磷和有效磷、铵态氮、硝态氮和有机质的含量最高的是上游区,其次是尾矿区和下游区。尾矿、下游和上游三个区域的土壤酶活性以上游区活性最高,其次是下游区和尾矿区;秋冬夏三个季节的土壤酶活性最大的是夏季,其次为秋季和冬季。(3)矿区土壤酸碱度及重金属有效态含量概况:矿区土壤呈弱碱性,季节对土壤p H值无显著影响;但随季节变化引起了矿区土壤电导率及重金属有效态(B1)的变化,其中夏季土壤电导率最高,为253.5μs·cm-1;铅(Pb)的B1形态在冬季占比最大(平均占比为9.2%);镉(Cd)和锰(Mn)的B1形态最大占比在冬季(平均占比为35.1%和14.4%),而锌(Zn)和铜(Cu)的B1形态都在秋季占比最大(平均占比为28.8%和15.0%)。蜈蚣草、五节芒、芦苇在不同的季节其富集特性差异明显,在夏季蜈蚣草根部中富集的锌(Zn)含量最高,达到2318.8 mg·kg-1,秋季时,铅(Pb)的转移系数(TF值)最大,为1.5;在秋季时,五节芒根部Zn含量最高,为2901.7mg·kg-1,对镉(Cd)的转移系数(TF值)在冬季达到最大,为3.36;而芦苇则是在秋季其根部的锌(Zn)含量最高,为1426.7 mg·kg-1,对镉(Cd)的提取系数(PEC值)最大,为3.65。(4)不同季节影响土壤细菌群落多样性的主要土壤环境因素:在对土壤环境因子在不同季节对土壤细菌群落多样性指数的影响中发现,冬季土壤细菌Shannon指数受土壤铅(Pb)含量的影响最为显著(F=4.615,P0.05),其次为土壤钙(Ca)、钾(K)、总磷的含量和碳氮比(P0.05);夏季矿区土壤镉(Cd)、铅(Pb)和锌(Zn)含量对Shannon指数的影响最为显著(F=21.896,P0.001;F=18.153,P0.01和F=7.885,P0.05),其次为土壤碳氮比和钙(Ca)、钾(K)、镁(Mg)、总氮含量及过氧化氢酶活性(P0.05)。冬季、夏季显著影响Chao1指数(P0.05)的环境因子分别为土壤过氧化氢酶活性和铅(Pb)、镉(Cd)(F=9.193和F=6.545,P0.05)。土壤的p H、含水率、总氮、硝态氮、总磷和镁(Mg)含量及蛋白酶活性、纤维素酶和碱性磷酸酶活性显著影响着冬夏季土壤细菌NMDS1(P0.05),但冬季土壤细菌NMDS1指数受土壤锰(Mn)含量的影响最显著(F=5.443,P0.05)。(5)不同季节影响土壤细菌群落组成的主要土壤环境因素:在对土壤性质在不同季节对土壤细菌群落组成的影响的研究中发现,冬夏两季矿区土壤细菌中的优势菌门有变形菌门(Proteobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、放线菌门(Actinobacteriota)和酸杆菌门(Acidobacteriota),所占比例总和达到70%以上。其中,冬季土壤细菌中优势最大的菌门是变形菌门(Proteobacteria),平均占比为22.08%;夏季土壤细菌中占比最大的优势菌门是绿弯菌门(Chloroflexi),平均占比为27.25%。冬季对土壤细菌群落组成影响显著的环境因子有土壤镁(Mg)、钙(Ca)含量和含水率(P0.05),对细菌群落组成分布的解释量共计达50.6%;夏季对土壤细菌群落组成影响显著的环境因子为土壤钙(Ca)、铅(Pb)、总氮和铅(Pb)残渣态含量及纤维素酶、碱性磷酸酶活性、蛋白酶和脲酶活性(P0.05),其对细菌群落组成分布的解释量共计达89.6%,其中铅(Pb)和铅(Pb)残渣态含量的解释量为13.4%。(6)不同季节影响土壤真菌群落多样性的主要土壤环境因素:土壤环境因子在不同季节对土壤真菌群落多样性指数的影响。土壤真菌Shannon指数在冬季不仅受土壤重金属锰(Mn)和锌(Zn)的影响还受土壤理化性质影响,但几乎不受土壤酶活性影响,其中受锰(Mn)的影响达到极显著水平(F=19.752,P0.001),锌(Zn)对Shannon指数的影响F达到4.520,为显著水平(P0.05),而在夏季除了受土壤有机质的含量、pH和含水率影响外,还受土壤蔗糖酶、蛋白酶、脱氢酶、纤维素酶和碱性磷酸酶活性影响。Chao1指数在冬季受到土壤重金属锰(Mn)、锌(Zn)和铜(Cu)以及其他金属含量变化的影响较大,其F值分别为13.586、6.885和6.390,其中锰(Mn)的影响达到极显著水平(P0.01),锌(Zn)和铜(Cu)为显著水平(P0.05),除此之外,还受土壤钾(K)、钙(Ca)和镁(Mg)和有机质的含量及脲酶活性的显著影响(P0.05);而在夏季显著影响Chao1指数的环境因子是钾(K)、钠(Na)、p H、含水率和有机质的含量及蛋白酶、脱氢酶纤维素酶和碱性磷酸酶活性(P0.05);。冬季土壤锰(Mn)含量对NMDS1指数的影响极显著(F=12.512,P0.01),土壤p H、有机质、镁(Mg)、含水率、总氮和硝态氮的含量及土壤纤维素酶、碱性磷酸酶、脱氢酶和蛋白酶活性显著(P0.05);夏季显著影响NMDS1指数(P0.05)的环境因子是土壤硝态氮、铵态氮、钾(K)、电导率、有效磷、钠(Na)、p H、含水率和有机质的含量及土壤蔗糖酶、脲酶、脱氢酶、纤维素酶、蛋白酶和碱性磷酸酶活性。(7)不同季节影响土壤真菌群落组成的主要土壤环境因素:不同季节影响土壤真菌群落组成的主要土壤环境因素:冬季矿区土壤真菌中的优势菌门有子囊菌门(Ascomycota)和真菌门(Fungi),所占比例总和达到80%以上,夏季矿区土壤真菌中的优势菌门有子囊菌门(Ascomycota)、担子菌门(Basidiomycota)、罗兹菌门(Rozellomycota)、真菌门(Fungi)和被孢菌门(Mortierellomycota),所占比例总和达到98%以上,可见夏季土壤真菌中的优势菌门更丰富。其中,冬季土壤真菌中占比最大的优势菌门是子囊菌门(Ascomycota),平均占比高达69.18%;夏季土壤真菌中优势最大的菌门是子囊菌门(Ascomycota),平均占比为40.68%。在冬季土壤真菌群落组成受土壤硝态氮和Mg含量影响达到显著水平(P0.05),其对真菌群落组成分布的解释量共计达50.3%;夏季对土壤真菌群落组成有显著影响(P0.05)的环境因子是土壤p H、钾(K)、铅(Pb)可还原态和铅(Pb)残渣态含量及土壤蛋白酶、脱氢酶活性,解释量共计达75.4%,其中铅(Pb)可还原态和铅(Pb)残渣态含量的解释量为38.8%。(8)综上,矿区土壤中含有的铅(Pb)、锌(Zn)、镉(Cd)、铜(Cu)和锰(Mn)元素污染都会显著影响土壤微生物(包括细菌和真菌)(P0.05),而其他与土壤微生物显著相关的环境因子有土壤钾(K)、钠(Na)、钙(Ca)、镁(Mg)、有机质、总氮、硝态氮、总磷含量、土壤p H和含水率(P0.05),此外,7种土壤酶都与细菌群落组成及多样性显著相关(P0.05),包括过土壤蔗糖酶、脱氢酶、氧化氢酶、蛋白酶、纤维素酶、碱性磷酸酶与脲酶。