生态环境修复及江湖关系改变对洞庭湖湿地土壤微生物的影响

摘要

土壤微生物是土壤有机物分解及元素矿化等生化进程的核心参与者，在全球生态系统的物质循环及生态系统演替中发挥着无可替代的作用。土壤微生物量及群落结构是土壤微生物学特征中的重要指标，对环境（如土壤有机质含量、粘粒含量、含水率、温度、湿地水文等）变化及人类活动极其敏感，能指示土壤质量和环境条件变化。洞庭湖是我国仅次于鄱阳湖的第二大淡水湖，湿地资源丰富，是全球少有的重要基因库，在生物多样性保护和生态保护中极具代表性和典型性。本文研究了生态环境修复（封闭管理、生物碳与堆肥联合修复措施）与江湖关系改变（入湖泥沙粒径减小、枯水期提前）对洞庭湖湿地土壤微生物量及细菌群落结构的影响。
　　本文研究了封闭管理（一种应用于许多重要湿地的生态自修复措施:禁止人为干扰）对洞庭湖湿地土壤微生物量、细菌群落结构及氮循环功能基因的影响。与2013年11月和2014年4月两次在封闭管理区和对照区采集土壤样品，分析了洞庭湖湿地封闭管理区土壤与对照区土壤的理化性质、土壤微生物量、细菌群落结构及氮循环功能基因。结果表明:封闭管理区与对照区土样的一些理化性质之间存在着显著的差异。封闭管理实施后，鸟类、鱼类及野生动物数量及多样性的增加应该是土壤理化性质变化的主要原因。封闭管理区的土壤微生物量碳显著的高于对照区的土壤微生物量碳。细菌PCR-DGGE和高通量测序的结果结果显示:封闭管理实施后洞庭湖湿地土壤的细菌群落结构多样性明显增加。封闭管理区的16S rRNA及nosZ基因的拷贝数显著高于对照区的16S rRNA及nosZ基因的拷贝数，而封闭管理区的nirK及AOA基因的拷贝数却显著低于对照区的nirK及AOA基因的拷贝数。另外，封闭管理区及对照区之间的nirS及AOB基因拷贝数无显著差异。RDA分析和Pearson相关性分析表明SOM及土壤含水率是本研究中影响洞庭湖湿地土壤微生物量及细菌群落结构的最主要的两个环境因子。
　　采集洞庭湖湿地土壤，向土壤中分别加入生物碳(SB)、堆肥(SC)、生物碳与堆肥的混合物(SBC)、堆肥化处理过的生物碳(SBced)、生物质与生物碳联合堆肥产品(SBCing)，另设置一对照处理(S)，然后进行培养修复实验。最后分析各修复措施对土壤理化性质、微生物量、细菌群落结构及氮循环功能基因的影响。结果显示所有的修复都显著增加了土壤微生物量碳、土壤细菌群落丰富度（Chao1指数显示SB降低了细菌群落丰富度）及多样性。其中，SBCing增加最多，而SB增加最少。各种处理之间的16S rRNA基因及氮循环基因nirK、nirS、nosZ、AOA与AOB基因的数量也存在显著差异。铵态氮、硝态氮及水溶性有机碳是影响所修复的洞庭湖湿地土壤细菌群落结构的关键性因素。从土壤微生物量及细菌群落多样性与丰富度来看，SBCing改良土壤的能力最高。
　　以洞庭湖周边圩垸内湿地代表洞庭湖早期（20世纪70年代早期及以前）湿地，其表层土壤代表洞庭湖早期泥沙沉积形成的表层土壤;以洞庭湖大堤内的湿地代表洞庭湖近期湿地，其表层土壤代表洞庭湖近些年泥沙沉积形成的表层土壤。分别采集洞庭湖湿地早期沉积土壤和近期沉积土壤，分析测定其土壤理化性质、土壤微生物量碳及细菌群落结构。入湖泥沙粒径减小引起洞庭湖土壤结构方面的显著变化:粘粒（粒径0～0.002mm）含量显著增加，粉粒（粒径0.002～0.02mm）含量也显著增加，砂粒（粒径0.02～2mm）含量显著降低。入湖泥沙粒径减小引起洞庭湖土壤微生物量及细菌群落多样性显著增加，而土壤结构是影响洞庭湖湿地土壤微生物量及细菌群落结构的最主要的因素。
　　本研究通过洞庭湖湿地野外实验，分析了枯水期提前40天(E40)、20天(E20)、0天(E0)对土壤理化性质、微生物量及细菌群落结构的影响。E40、E20、E0三组样品的含水率、有机质含量及CEC存在显著差异。三组样品之间的微生物量碳及细菌16S rDNA基因的拷贝数存在显著的差异，其大小顺序都为:E0＜E20＜E40。E40样品比E0样品拥有更加多样和丰富的的细菌群落结构，而E20样品和E0样品的细菌群落结构的多样性和丰富度相似。Pearson相关性分析及RDA分析都表明枯水期提前时间是影响洞庭湖湿地土壤微生物量及细菌群落结构的最主要的因素。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 土壤微生物研究进展

1．1．1 土壤微生物概述

1．1．2 环境因子对土壤微生物的影响

1．1．3 土壤微生物研究方法概述

1．2 洞庭湖湿地生态环境修复及江湖关系改变概况

1．2．1 洞庭湖湿地生态修复

1．2．2 洞庭湖湿地土壤污染修复

1．2．3 洞庭湖入湖泥沙变化

1．2．4 洞庭湖水位变化

1．3 本文结构与主要内容

1．3．1 研究依据与思路

1．3．2 研究内容

1．3．3 创新点

1．3．4 技术路线图

第2章 研究区域概况

2．1 地理位置

2．2 自然条件

2．2．1 地质地貌

2．2．2 气候

2．2．3 水文

2．2．4 土壤

2．2．5 生物

2．3 社会经济

2．3．1 社会

2．3．2 经济

第3章 封闭管理(生态自修复)对洞庭湖湿地土壤微生物的影响

3．1 材料与方法

3．1．1 研究区域概况

3．1．2 实验设计及取样

3．1．3 样品分析

3．1．4 数据处理与统计

3．2 结果与讨论

3．2．1 封闭管理对洞庭湖湿地土壤理化性质的影响

3．2．2 封闭管理对洞庭湖湿地土壤微生物量的影响

3．2．3 封闭管理对洞庭湖湿地土壤细菌群落结构及氮循环功能基因的影响

3．3 本章小结

第4章 生物碳与堆肥联合修复对洞庭湖湿地土壤微生物的影响

4．1 材料与方法

4．1．1 修复所用土壤及修复材料

4．1．2 实验设计与采样

4．1．3 样品分析

4．1．4 数据处理与统计

4．2 结果与讨论

4．2．1 生物碳和堆肥联合修复对土壤理化性质的影响

4．2．2 生物碳和堆肥联合修复对土壤微生物量的影响

4．2．3 生物碳和堆肥联合修复对土壤细菌群落结构及氮循环功能基因的影响

4．3 本章小结

第5章 入湖泥沙粒径减小对洞庭湖湿地土壤微生物的影响

5．1 材料与方法

5．1．1 研究区域概况

5．1．2 实验设计及采样

5．1．3 样品分析

5．1．4 数据处理与统计

5．2 结果与讨论

5．2．1 入湖泥沙粒径减小对洞庭湖土壤理化性质的影响

5．2．2 入湖泥沙粒径减小对洞庭湖土壤微生物量的影响

5．2．3 入湖泥沙粒径减小对洞庭湖土壤细菌群落结构的影响

5．3 本章小结

第6章 枯水期提前对洞庭湖湿地土壤微生物的影响

6．1 材料与方法

6．1．1 研究区域概况

6．1．2 实验设计及采样

6．1．3 样品分析

6．1．4 数据处理与统计

6．2 结果与讨论

6．2．1 枯水期提前对洞庭湖土壤理化性质的影响

6．2．2 枯水期提前对洞庭湖土壤微生物量的影响

6．2．3 枯水期提前对洞庭湖土壤细菌群落结构的影响

6．3 本章小结

结论与展望

参考文献

附录A 攻读博士学位期间发表的论文目录

附录B 攻读博士学位期间申请的发明专利

附录C 攻读博士学位期间主持／参与的研究课题

致谢