黄土高原矿区采煤扰动后土壤微生物群落结构变化及驱动机制研究

论文摘要

黄土高原地区是我国重要的煤炭生产基地,采矿活动严重地干扰了当地的生态系统,土壤环境受扰动尤为显著。土壤微生物是土壤生产力和活性功能的重要表征,受到学术界普遍关注。因此,有必要系统地研究黄土高原矿区采煤扰动后土壤微生物群落结构变化及驱动机制这一科学问题,为监测矿区土壤-植物系统变化提供新思路,为开拓微生物修复受损的矿区生态环境提供新技术。本研究选取具有典型黄土高原特征的山西东坪煤矿采煤裂缝区、陕西大柳塔煤矿采煤塌陷区以及内蒙古黑岱沟煤矿采煤复垦区为研究对象,通过测定土壤含水量、土壤温度、pH、电导率、有机质、硝态氮、铵态氮、有效磷等理化指标,利用高通量测序技术测定土壤微生物16S rRNA,获取细菌在门、纲、目、科、属不同分类水平上的遗传信息,采用Alpha多样性和Beta多样性分析土壤细菌群落组成,并应用分子生态网络构建各土壤微生物群落的互作网络以及与土壤理化性质的关联网络,采用时空互换的方法,对比扰动前后土壤微生物群落结构的变化,寻找不同区域采煤扰动下土壤微生物群落变化的联系与差异,探究土壤细菌群落结构变化的驱动机制,并进一步归纳出采煤扰动后土壤微生物应用的生态恢复策略。主要研究结果如下:（1）采煤裂缝后土壤理化指标含量有所下降,土壤微生物群落结构及其网络互作趋于复杂。（1）土壤养分出现了部分流失,且土壤温度、pH、有机质、有效磷和速效钾流失情况显著。（2）采煤裂缝后土壤微生物群落结构丰富度和均匀度约增加了50%,相对丰度90%以上的优势菌门主要为变形菌门、放线菌门、酸杆菌门、绿弯菌门、芽单胞菌门、浮霉菌门、硝化螺旋菌门、拟杆菌门等,Cupriavidus、Haliangium、Lysobacter作为优势属种出现在裂缝区。（3）采煤裂缝后土壤微生物分子生态网络连接趋于复杂,网络连接数及相互作用关系明显加强。（4）采煤裂缝后土壤养分流失引起了土壤微生物群落结构组成的差异,土壤理化指标与相关模块的关系发生了变化。此外,属与环境因子共同构建网络发现,Skermanella与pH、水分联系较为密切,土壤微生物群落为适应裂缝发生了改变。（2）采煤塌陷后土壤理化指标含量有所降低,土壤微生物群落结构及其网络互作趋于复杂。（1）采煤塌陷后土壤养分出现了流失,土壤温度、有机质、有效磷、速效钾、硝态氮以及铵态氮含量明显降低。（2）采煤塌陷后土壤微生物群落的丰富度和均匀度降低约20%,相对丰度90%以上的优势菌门包括放线菌门、变形菌门、酸杆菌门、绿弯菌门、芽单胞菌门、浮霉菌门、装甲菌门、拟杆菌门等;Streptomyces和Acidibacter作为优势属种出现在塌陷区内,采煤塌陷区和对照区属水平微生物并未形成明显的分类,各类菌种的过渡性较强。（3）采煤塌陷后土壤微生物分子生态网络连接趋于复杂,网络集中度增加,网络间的连线增加,正相关关系增加,网络连接数及相互作用关系明显加强。（4）采煤塌陷后土壤养分流失引起了土壤微生物群落结构组成一定程度的差异,但并不十分明显;塌陷后各项指标除电导率和硝态氮外,网络连接与其他理化因子的负相关关系均有所加强。此外,属与环境因子共同构建网络发现,Variibacter与pH、电导率和硝态氮呈现负相关关系,与土壤温度和铵态氮呈现出了正相关关系。（3）采煤复垦后土壤理化指标含量有所改善,土壤微生物群落结构及其网络互作相对简单。（1）采煤复垦后土壤理化性质明显改善,其中土壤水分、pH、电导率、有机质、有效磷、速效钾、硝态氮和铵态氮含量显著增加,而土壤温度则呈现出显著的下降趋势。（2）采煤复垦后土壤微生物群落结构多样性增加,为对照区的163%,相对丰度90%以上的优势菌门包括变形菌门、放线菌门、绿弯菌门、酸杆菌门、浮霉菌门、拟杆菌门、芽单胞菌门、硝化螺旋菌门等;Geodermatophilus、Microvirga、Phycicoccus、Pseudonocardia作为优势菌种出现在复垦区内。（3）采煤复垦后土壤微生物群落结构趋向多样化且联系程度减弱,菌种间的正向合作关系加强,趋向于相互合作。（4）采煤复垦后明显改善的土壤养分水平对土壤微生物群落结构多样性的变化产生了影响,复垦区各样点出现了较为明显的聚类;复垦区OTU水平下土壤微生物与有效磷以及硝态氮表现出显著正相关关系。此外,属与环境因子共同构建网络发现,Solirubrobacter与有机质和速效钾呈负相关关系。（4）揭示采煤扰动后地表裂缝、地面塌陷及土地复垦三种类型的土壤微生物群落结构变化及其土壤环境因子驱动机制,并基于时空互换的思维进一步架构了采煤扰动后土壤微生物群落结构变化及其土壤环境因子的互馈机制。即采煤扰动导致的地表裂缝、地面塌陷及土地复垦后,土壤微生物群落与土壤环境因子互作,发生适应性改变,迈出土壤恢复的第一步。并进一步分析了影响土壤微生物群落结构变化及驱动机制的其它潜在因素,如矿区所处的地理位置、当地的气象条件、季节的变化、采煤工作扰动的强度以及采后土地复垦工程等。（5）提出基于微生物优势种资源利用的矿区生态修复策略。因地制宜,开发适用于当地的优势种资源;预防为主,煤炭开采扰动全生命周期监管;土壤微生物恢复先行,多重策略共同推进;引入新型土壤微生物分子生态网络监测体系。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• abstract
• 变量注释表
• 1 绪论
•   1.1 研究背景与意义
•   1.2 研究综述
•   1.3 研究内容、目标及方法
•   1.4 研究技术路线
•   1.5 本章小结
• 2 实验材料与方法
•   2.1 研究区
•   2.2 研究方法
•   2.3 数据统计与处理
•   2.4 本章小结
• 3 采煤裂缝后土壤微生物群落结构变化及驱动机制
•   3.1 采煤裂缝后土壤性状的变化
•   3.2 采煤裂缝后土壤微生物群落结构的变化
•   3.3 采煤裂缝后土壤微生物分子生态网络结构的变化
•   3.4 采煤裂缝后土壤微生物群落结构变化的驱动机制
•   3.5 本章小结
• 4 采煤塌陷后土壤微生物群落结构变化及驱动机制
•   4.1 采煤塌陷后土壤性状的变化
•   4.2 采煤塌陷后土壤微生物群落结构的变化
•   4.3 采煤塌陷后土壤微生物分子生态网络结构的变化
•   4.4 采煤塌陷后土壤微生物群落结构变化的驱动机制
•   4.5 本章小结
• 5 采煤复垦后土壤微生物群落结构变化及驱动机制
•   5.1 采煤复垦后土壤性状的变化
•   5.2 采煤复垦后土壤微生物群落结构的变化
•   5.3 采煤复垦后土壤微生物分子生态网络结构的变化
•   5.4 采煤复垦后土壤微生物群落结构变化的驱动机制
•   5.5 本章小结
• 6 采煤扰动后土壤微生物群落结构变化驱动机制分析
•   6.1 采煤扰动后土壤微生物群落结构变化及与土壤环境因子的驱动机制模型架构分析
•   6.2 影响采煤扰动后土壤微生物群落结构变化的其它潜在因素
•   6.3 采煤扰动后土壤微生物群落结构变化对受损矿区生态修复的启示
•   6.4 本章小结
• 7 结论与展望
•   7.1 主要结论
•   7.2 不足与展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 骆占斌

导师: 陈浮

关键词: 微生物群落,分子生态网络,采煤扰动,生态修复,黄土高原

来源: 中国矿业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,农业科技

专业: 生物学,矿业工程,农业基础科学,农艺学

单位: 中国矿业大学

分类号: TD88;S154.3

总页数: 132

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