Knowledge Resource Center for Ecological Environment in Arid Area
| 西北干旱区粘土矿物-微生物作用机理及促生效应 | |
| 尚海丽 | |
| 出版年 | 2018 |
| 学位类型 | 博士 |
| 导师 | 毕银丽 |
| 学位授予单位 | 中国矿业大学（北京） |
| 中文摘要 | 西北干旱区土壤贫瘠,生态环境脆弱,长期煤炭开采造成矿区土壤急剧退化。该矿区风积沙覆盖大量第四系古河道,是宝贵的浅层生态水来源。古河道土壤粘土矿物含量和种类、粒度组成多样,不但影响土壤水分运移,而且深刻影响土壤微生物群落组成和数量变化,对土壤物理化学性质和土壤演化具有深远影响。特别是其富含伊利石、钾长石等矿物,在增强沙化土壤肥力、提高土壤保水能力方面具有重要潜力。微生物和粘土矿物的相互作用过程在自然界广泛发生,不但对土壤养分和植物生长之间的物质循环起重要作用,而且土壤微生物作为灵敏的环境变化指标,在矿区生态环境监测和评价中具有重要指示意义。因此,深入研究土壤粘土矿物-微生物的作用关系及其促生效应,为合理利用微生物技术改良浅埋古河道区土壤提供了理论依据,也是实现西部矿区生态恢复的客观需要。本文围绕土壤粘土矿物-微生物作用机理这一核心问题,选择神东矿区大柳塔井田开采沉陷区为研究区,通过野外调研采煤沉陷区河道沉积物组分和微生物数量分布特点,采用冗余相关分析(RDA)建立河道沉积物组分与微生物的相互关系。为了进一步阐明河道沉积物粘土矿物-微生物的作用机理,通过室内静置培养试验,研究粘土矿物和解钾细菌相互作用的最佳条件及矿物改性特征。在此基础上,采用短期盆栽的方式,研究不同粘土含量土壤中解钾细菌对玉米的促生效应,并筛选具有最佳促生效果的粘土配比。最后,利用土柱模拟的方法,搭建3种粘土分布型式的河道地层模型,研究解钾细菌和AM真菌在河道地层模型中对玉米的促生作用,以及河道不同地层模型对微生物活性的影响。最终系统阐明土壤粘土矿物-微生物的作用机理及其促生效应,为合理开发利用浅埋古河道区土壤提供理论依据,也为推进微生物复垦技术在矿区生态恢复中的应用提供理论支撑。主要研究成果如下:(1)为了查明河道沉积物组分与微生物的相互关系,通过野外取样调研布连沟不同深度的河道沉积物组分和微生物数量分布特征,结果表明,表层(0~50cm)细菌、放线菌和微生物总量分布随粘土组分含量增大而增高;除放线菌外,3种微生物数量在深部(50~200cm)与粗砂组分、含水量有显著响应,随粗砂含量和含水量增大而增高。RDA分析表明,真菌和细菌数量主要与电导率、含水率和平均粒度呈显著正相关,放线菌数量与粗砂含量、粘土含量以及粒度参数(偏度、峰度和标准方差)有关。另外,研究区主要土壤类型以风积沙、亚砂土、粘土、砂质粘土为主,其中粘土矿物含量依次为3~6%、12~18%、20~25%、10~12%。主要由伊利石、伊蒙混层矿物、钾长石、高岭石和绿泥石组成。(2)为了进一步研究粘土矿物-微生物的相互作用机理,通过室内静置培养试验,筛选解钾细菌与伊利石、钾长石2种富钾矿物及其不同配比土壤相互作用的最佳添水量、接菌浓度、粘土矿物含量和种类等反应条件,并进一步研究解钾细菌对矿物结构、化学成分和养分吸收释放能力的影响。研究结果表明,第一,解钾细菌作用下,钾长石释钾的接菌浓度*添水量最佳水平为15%*70%,伊利石为20%*55%。土壤粘土矿物含量30%时,土壤释钾的接菌浓度*添水量最佳水平为15%*100%,该土壤为最佳粘土配比。第二,解钾细菌作用后,伊利石铝氧八面体中二价阳离子释放,造成层间电荷数减少,特别是伊利石层间带电荷配位水分子含量显著减少,导致层间钾离子释放。解钾细菌作用后,钾长石中硅元素溶出,Si/Al比降低,钾长石逐渐富铝。第三,当KCl初始浓度>20 mg/L,解钾细菌提高伊利石钾的表观吸附量、钾的吸附亲和力,提高伊利石储存钾的能力;但对伊利石钾的解吸过程无显著影响。解钾细菌提高钾长石对钾的解吸量和解吸率;但对钾长石钾的吸附过程无显著影响。(3)为了揭示微生物-粘土矿物相互作用对植物的促生效应,实施6种粘土配比土壤中解钾细菌对玉米促生效应的短期盆栽试验,并筛选玉米生长条件下微生物-粘土矿物交互作用的最佳粘土配比。试验结果表明,解钾细菌和粘土矿物协同作用显著促进玉米生长和养分吸收。在粘土含量68%土壤中,解钾细菌显著提高玉米生物量,玉米生长最佳;玉米氮磷钾积累量和土壤养分利用的最佳粘土含量水平为45%。解钾细菌和粘土协同促进土壤钾素迁移,提高土壤综合肥力。在粘土含量45%水平,种玉米接菌组对速效钾增量促进作用最佳;种玉米接菌组在粘土含量68%的土壤中对钾素的固定作用最佳;解钾细菌有助于土壤钾素迁移与植物钾素积累量趋于线性稳定,利于土壤钾肥的长期管理。解钾细菌在粘土含量68%水平显著提高土壤综合肥力。(4)在上述研究基础上,为揭示微生物在河道地层结构中的促生效应,模拟3种粘土-砂互层的河道地层类型,研究解钾细菌和AM真菌在3种河道地层中对玉米的促生效应。研究结果表明,第一,解钾细菌和AM真菌联合提高夹厚粘土砂柱玉米生物量、矿质养分吸收和光合作用,促进玉米生长。覆薄砂粘土柱促进玉米拔节期光合作用,夹薄粘土砂柱促进玉米成熟期光合作用,解钾细菌和AMF联合在夹厚粘土砂柱中显著促进玉米叶片水分利用效率。第二,夹薄粘土砂柱中,过氧化氢酶活性在粘土层降低,砂层增大;夹厚粘土砂柱中,解钾细菌及其与AMF联合提高了粘土层酸性磷酸酶活性、EEG含量;解钾细菌提高覆薄砂粘土柱和夹厚粘土砂柱过氧化氢酶活性。第三,土壤微生物量氮(MBN)与速效钾、土壤含水率、全氮显著正相关,微生物量碳(MBC)与电导率、有机质、酸性磷酸酶活性、球囊霉素蛋白含量(TG和EEG)显著正相关。MBC在不同土壤层的分布特点:夹砂层>上、下粘土层>表层、底层砂;MBN的分布为下层粘土>夹砂层>底层砂>上层粘土>表层砂。夹厚粘土砂柱中,MBC显著高于其它2种土柱;MBN在3种河道地层模型土柱中的分布水平相当。因此,解钾细菌和AM真菌联合在夹厚粘土砂柱中促生效果最佳,其中粘土层和夹砂层利于微生物活动。(5)总之,河道沉积物粒度组成和水动力条件是影响微生物分布和代谢活性的主要因子。解钾细菌和AM真菌利用河道沉积物粘土特性和水分条件,在河道沉积环境中对地表植被具有显著促生效果。这为解钾细菌和AM真菌联合接菌技术在浅埋河道区生态修复工程中的应用提供了科学依据。 |
| 中文关键词 | 粘土 ; 微生物 ; 促生效应 ; 土壤微生物量 ; 河道 |
| 语种 | 中文 |
| 国家 | 中国 |
| URL | http://kns.cnki.net/kns/detail/detail.aspx?FileName=1018169274.nh&DbName=CDFD2018 |
| 来源机构 | #N/A |
| 资源类型 | 学位论文 |
| 条目标识符 | http://119.78.100.177/qdio/handle/2XILL650/257971 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 尚海丽. 西北干旱区粘土矿物-微生物作用机理及促生效应[D]. 中国矿业大学（北京）,2018. |
| 条目包含的文件 | 条目无相关文件。 | |||||
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