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金属尾矿库中生物土壤结皮的发育与演替研究
胡瑶
Subtype硕士
Thesis Advisor李敦海
2018
Degree Grantor中国科学院水生生物研究所
Place of Conferral中国科学院水生生物研究所
Abstract

尾矿是矿石经研磨粉碎,提取有用成分后所形成的废弃物,尾矿库是尾矿排放的集中场所。金属尾矿库土壤重金属含量超标、肥力低、基质结构差、植被覆盖率低,是一类典型的退化生境。金属尾矿库占用大量的土地资源,同时尾矿库中重金属通过尾矿粉尘随风迁移,或通过雨水浸淋作用迁移,对周边区域生态环境构成严重威胁。因此,对尾矿库进行重金属污染分析和生态恢复研究对于区域环境的可持续发展具有重要意义。生物土壤结皮(BSCs)是由藻类、地衣、苔藓、真菌和细菌等生物组分与其下层很薄的土壤共同形成的复杂的生物土壤层。在退化生态系统的自然演替过程中,BSCs的生长常常是植被演替第一步,作为自然演替过程的初级阶段,BSCs具有改善土壤结构、提高土壤营养水平、为高等植物的定植创造条件等功能。在尾矿库的自然演替过程中,BSCs首先出现,草本植物群落随后出现。对尾矿库中BSCs的演替规律进行研究有助于了解重金属污染的退化生境中BSCs的生态功能,为尾矿库的修复提供一定指导意义。本研究于湖北黄石市和鄂州市选取了鸡笼山、牛头山、铜绿山和白雉山尾矿库四个金属尾矿库进行调查研究,其中鸡笼山尾矿库已废弃30余年,牛头山尾矿库废弃约8年,铜绿山和白雉山尾矿库还在使用中。对这四个尾矿库土壤的理化性质进行测定,以了解该地的营养水平,并对重金属进行含量测定及污染评价,为其重金属污修复制提供一定依据。同时,选取了各个尾矿库中不同发育演替阶段的BSCs和相应土壤基质,分别测量了pH、含水量、营养元素含量等理化指标,并且分析了不同发育阶段BSCs的生物量、生物组成及微生群落结构的变化,对金属尾矿库内结皮演替过程及生态功能进行了整体研究和探索。主要研究结果如下:1. 对四个尾矿库土壤pH、含水量、营养元素含量进行测定,结果表明明鸡笼山、牛头山、白雉山、铜绿山四个尾矿库土壤均呈弱碱性,pH在8.5左右。四个尾矿库之间土壤含水量、速效氮及速效磷含量无显性著差异。牛头山尾矿库土壤有机质、总氮、总钾和速效钾含量均在四个尾矿库中呈最低,总磷含量也较低,整体上是四个尾矿库中营养最为匮乏的。其余三个尾矿库在不同营养元素含量上各有高低。对4个尾矿库土壤中重金属元素Cu、Zn、As、Ni、Cd、Pb、Cr的含量进行初步测定及污染评价,发现鸡笼山尾矿库的污染元素有Cu、As、Cd,牛头山尾矿库的污染元素有只有Cu,铜绿山尾矿库的污染元素有Cu、Cd、Zn,白雉山尾矿库的污染元素有Cu和As。采用内梅罗综合污染指数对尾矿库的重金属污染水平进行评价,发现四个尾矿库的重金属污染程度为铜绿山>鸡笼山>白雉山>牛头山,其中牛头山尾矿库属于轻度污染水平,其余三个尾矿库均属于重度污染水平。2. 对结皮层和土壤层的理化指标进行测定,结果表明随着结皮的发育演替表层土壤的总氮、有机质、速效氮、速效磷和速效钾含量显著增加,结皮可以起到改善尾矿库土壤营养水平的作用。另外,结皮的生长有助于固定尾矿库表层矿灰,防止其随风扩散污染周边环境。结皮分泌的胞外多糖有助于提高土壤的含水量,有助于营养成分在结皮层的积累。对结皮层和土壤层的重金属含量进行测定及分析,发现结皮层和土壤层重金属含量无显著差异,结皮层重金属含量主要受到下层尾矿基质的影响。 3. 对结皮的组成及演替进行研究发现,在牛头山和白雉山尾矿库中可能存在苔藓先出现,然后在苔藓结皮中再出现藻类的现象,即苔藓结皮可以不经过藻结皮或地衣结皮阶段直接在土表拓殖。对结皮中的藻类组成进行研究,发现不同发育阶段结皮中藻类的组成类似,主要由蓝藻、绿藻、硅藻门组成,其中丝状蓝藻为优势种类。随着结皮的演替,结皮层的生物量逐渐增加,且同一年代的不同结皮均表现为苔藓结皮的生物量最高。不同年代尾矿库结皮中蓝藻、真菌、苔藓演替规律有所差异。废弃约30年的鸡笼山尾矿库中,随着结皮从物理结皮、藻结皮、藓藻结皮到苔藓的发育演替,结皮中蓝藻、真菌、苔藓的绝对丰度呈增加趋势,到苔藓结皮阶段达到最大值,且苔藓阶段蓝藻、真菌、苔藓绝对丰度显著高于其他阶段。废弃约8年的牛头山尾矿库中,物理结皮中蓝藻、真菌、苔藓的绝对丰度均显著低于生物土壤结皮。蓝藻的绝对丰度在藻结皮中最高,且随着结皮的演替呈现出降低趋势;从藻结皮、藻藓结皮到苔藓结皮的演替过程中,真菌的丰度先降低,再升高;苔藓的绝对丰度随结皮演替变化不大。还在使用中的铜绿山和白雉山尾矿库中,裸露地区土壤中蓝藻、真菌和苔藓的绝对丰度接近零。铜绿山尾矿库中虽然PC1(物理结皮1)和PC2(物理结皮2)都是物理结皮,但是两者的光合生物量、蓝藻真菌苔藓绝对丰度、微生物群落结构等方面均存较大差异,是两种不同的物理结皮。可能在演替阶段上,PC1更接近于裸露土壤,而PC2更接近于早期的藻结皮。4. 对结皮的微生物群落组成进行高通量测定与分析,共得到了41门的物种,其中变形菌门、蓝藻门、放线菌门、拟杆菌门、绿弯菌门、疣微菌门、酸杆菌门、浮霉菌门、芽单胞菌门及热微菌门是主要组分,它们在不同结皮中累计丰度达均到90%以上。从尾矿库水平来看,四个尾矿库均表现为变形菌门相对丰度最高,达到40%以上,其次为蓝藻门和放线菌门,三者的累计相对丰度达到58%以上。不同年代尾矿库中蓝藻门相对丰度变化较大,并呈现出随着结皮演替年代增加而降低的趋势。结皮中微生物的物种数、Shannon多样性指数和Simpson多样性指数均为鸡笼山>牛头山>白雉山>铜绿山,呈现出随着结皮演替年代增加而增加的趋势。从结皮水平来看,变形菌门和蓝藻门为结皮的主要微生物组分,不同结皮中两者的累计相对丰度达均到50%以上。随着结皮的演替,结皮中微生物物种数及多样性呈增加趋势。不同年代尾矿库,结皮中微生物演替规律有所差异。鸡笼山尾矿库中,随着物理结皮到苔藓结皮的演替,蓝藻门和变形菌门相对丰度呈降低趋势。牛头山尾矿库中,随着结皮从物理结皮演替到藻藓结皮阶段,蓝藻门相对丰度逐渐降低,到苔藓结皮阶段有所升高。

Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.ihb.ac.cn/handle/342005/38978
Collection学位论文
Recommended Citation
GB/T 7714
胡瑶. 金属尾矿库中生物土壤结皮的发育与演替研究[D]. 中国科学院水生生物研究所. 中国科学院水生生物研究所,2018.
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