露采矿山复绿对土壤微生物群落及其组装过程的影响.pdf
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1、露采矿山复绿对土壤微生物群落及其组装过程的影响杨永均1,赵姣2,马静2,朱燕峰1,肖栋3,陈浮1,2(1.矿山生态修复教育部工程研究中心,江苏徐州221116;2.中国矿业大学碳中和研究院,江苏徐州221008;3.中国矿业大学中阿微生物采矿与土壤生态修复联合研究中心,江苏徐州221116)摘要:植被恢复是矿区生态系统健康的重要标志,厘清植被恢复对土壤微生物群落特征及其组装过程的影响,对探索矿区生态恢复弹性及自维持机制至关重要。为此,采用 MiSeq 高通量测序并结合零模型分析技术,探测黄土高原平朔安太堡露采矿排土场已复垦 18a 的灌木丛(BL)、针叶林(CF)、阔叶林(BF)、混交林(MF
2、)和控制样地(CK,已持续生长大于 30a 未受干扰的周边杨树林)土壤微生物群落组成、分子生态网络特征、关键菌群及其组装机制。结果表明:不同植被恢复类型对细菌群落 多样性具有显著性影响(P0.05),与 CK 相比,MF 和 CF 的 Sobs 和 Shannon 指数分别增加了 35.29%、3.50%和 25.18%、1.05%,但不同植被恢复类型间真菌群落 多样性差异不显著;放线菌门、绿弯菌门、变形菌门和酸杆菌门是细菌群落优势菌门,且前 2 者显著高于CK,后 2 者则相反(P0.05)。子囊菌门和担子菌门是真菌群落优势菌门,前者显著高于 CK,后者则相反(P0.05);随机性过程主导了
3、土壤细菌群落构建过程,除 MF 土壤真菌群落由确定性过程主导外,其他真菌群落也由随机性过程主导。但无论哪种植被恢复类型,随机性过程对细菌群落组装的主导作用均远高于真菌群落。其外,变形菌门和酸杆菌门是细菌网络中的关键类群,被孢霉目、寡囊盘菌目、刺盾炱目、肉座菌目是真菌网络中的关键类群。植被恢复影响微生物群落多样性,BL、CF 和 MF 增加了细菌网络的稳定性,MF 使真菌网络更复杂;土壤细菌组装过程由随机性过程主导,除 MF 外真菌组装过程也由随机性过程主导。关键词:植被恢复;微生物群落;生态网络;组装过程;关键类群中图分类号:TD88文献标志码:A文章编号:02539993(2023)0416
4、6112Impacts of regreening on soil microbial community and its assembly process inopen-pit mining area of the Loess PlateauYANGYongjun1,ZHAOJiao2,MAJing2,ZHUYanfeng1,XIAODong3,CHENFu1,2(1.Engineering Research Center of Ministry of Education for Mine Ecological Restoration,Xuzhou221116,China;2.Carbon
5、Neutrality Institute,ChinaUniversity of Mining and Technology,Xuzhou221008,China;3.CUMT-UCASAL Joint Research Center for Biomining and Soil Ecological Restoration,China University of Mining and Technology,Xuzhou221116,China)Abstract:Vegetationrestorationisanimportantindicatorofecosystemhealthinamini
6、ngarea.Understandingtheimpactofvegetationrestorationonthecharacteristicsandassemblyprocessofsoilmicrobialcommunityisveryimportanttoex-ploretheresilienceandself-sustainingmechanismoftherestoredecosysteminaminingarea.Therefore,thisstudyuses收稿日期:20220303修回日期:20220722责任编辑:韩晋平DOI:10.13225/ki.jccs.2022.02
7、68基金项目:国家自然科学基金资助项目(51974313,41907405)作者简介:杨永均(1990),男,四川仪陇人,副教授,硕士生导师。E-mail:通讯作者:陈浮(1974),男,江苏射阳人,研究员,博士生导师。E-mail:引用格式:杨永均,赵姣,马静,等.露采矿山复绿对土壤微生物群落及其组装过程的影响J.煤炭学报,2023,48(4):16611672.YANGYongjun,ZHAOJiao,MAJing,etal.Impactsofregreeningonsoilmicrobialcommunityanditsas-semblyprocessinopen-pitminingar
8、eaoftheLoessPlateauJ.JournalofChinaCoalSociety,2023,48(4):16611672.第48卷第4期煤炭学报Vol.48No.42023年4月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYApr.2023MiSeqhigh-throughputsequencingandzeromodeltodetectthecompositionofsoilmicrobialcommunities,thecharacter-isticsofmolecularecologicalnetwork,thekeyfloraanditsassemblymechanis
9、mintheshrubs(BL),coniferousforests(CF),broad-leavedforests(BF),mixedforests(MF),thathavebeenreclaimedfor18yearsinAntaibaoopen-pitminingdump,andthecontrolplots(CK,undisturbedsurroundingpoplarforeststhathavecontinuedtogrowformorethan30years)inPingshuo,LoessPlateau.Theresultsshowthat:Theeffectsofdiffer
10、entvegetationrestorationtypesonthebacterialcommunity-diversityaresignificant(P0.05).ComparedwithCK,theSobsandShannonindexofMFandCFhaveincreasedby35.29%,3.50%and25.18%,1.05%,respectively,whereasthereisnosignificantdifferenceinthe-di-versityoffungalcommunityamongdifferentvegetationrestorationtypes.Act
11、inobacteria,Chloroflexi,ProteobacteriaandAcidobacteriadominateinthebacterialcommunity,andthefirsttwodominantphylumaresignificantlyhigherthanCK,whilethelattertwoareopposite(P0.05).AscomycotaandBasidiomycotaarethedominantfungiinthefungalcom-munity.TheformerissignificantlyhigherthanCK,whilethelatteriso
12、pposite(P0.05).Thestochasticprocessdom-inatestheconstructionprocessofthesoilbacterialcommunity.InadditiontotheMFsoilfungalcommunitydominatedbydeterministicprocess,otherfungalcommunitiesarealsodominatedbyastochasticprocess.However,nomatterwhichtypeofvegetationisrestored,thedominantroleoftherandomness
13、processontheassemblyofthebacterialcommunityismuchhigherthanthatofthefungalcommunity.Moreover,ProteobacteriaandAcidobacteriaarekeytaxaofthebacterialnetwork,whileMortierellales,Thelebolales,Chaetothyriales,andHypocrealesarethekeytaxaofthefungalnetwork.Ve-getationrestorationaffectsmicrobialcommunitydiv
14、ersity,BL,CF,andMFincreasethestabilityofthebacterialnetwork,andMFmakesfungalnetworkmorecomplex.Thesoilbacterialassemblyprocessisdominatedbystochasticprocesses,exceptforMF,andthefungalassemblyprocessisalsodominatedbystochasticprocesses.Key words:vegetationrestoration;microbialcommunity;ecologicalnetw
15、ork;assemblyprocess;keyflora露天采矿对地表生态系统破坏极为严重,导致土壤和植被普遍受损1-3,改变了区域生态环境,从而影响了生物多样性和生态系统功能稳定性4-6。黄土高原生态系统较为脆弱,但集聚了全国 50%的煤炭生产,采矿加剧了地表崩塌和水土流失,导致土壤贫瘠和植被退化7-8。当前“青山绿水就是金山银山”理念已成为矿区经济社会与生态协同发展的核心,生态修复和治理迫在眉睫。植被恢复是受损矿山生态恢复的重要标志9,利用土壤植物系统的自恢复能力对建立一个相对稳定的生态系统至关重要10-11。但黄土高原降水量少、矿区复垦土体保水保肥能力差,导致植被恢复困难,小老树现象十分
16、普遍,一旦持续干旱甚至大面积树木枯死。主要原因是一些矿区人工修复后忽视土壤生态功能保育和恢复力重建,导致重构土壤的发育满足不了乔木等高等植物的生长需求。因此,如何激发自然恢复力,引导重构土壤自修复成为矿区植物恢复的关键1,11-12。近几年,学界已广泛关注微生物在土壤植被系统恢复中的作用。微生物作为地表生态系统中分布最广且最活跃的组分,驱动着生态系统物质循环和养分转化等重要过程13-14,是地下生态过程的调节者和催化剂。因此,识别土壤微生物种间相互作用及微生物植物之间互馈机制对理解微生物群落功能多样性和作用至关重要15-16。一些学者已关注黄土高原植被恢复后土壤微生物群落特征17-19,但主要
17、针对土壤微生物群落组成及其与环境因子间关联19-21,几乎从未涉及复杂群落组装机制研究。一个基于 多样性指标(NTI和 RCbray)零模型被开发用于量化各种群落装配过程22,它可以定量化阐明不同植被恢复模式下土壤微生物共现生态学机制,评估土壤微生物群落组装和演替过程23。土壤微生物群落组装存在着确定性过程和随机性过程 2 个重要且互补的机制,确定性过程由非生物因素(如 pH、温度等)和生物因素(物种间竞争、捕食等关系)决定,主要归结于微生物对不同栖息地的偏好和适应能力。微生物群落随植被恢复类型和土地利用方式的不同而改变21,24-26,不同植被的自然历史和生理差异不同27,从而创造出独特的土
18、壤环境和生物群落28。随机性过程则更加强调扩散和生态漂变的作用29。土壤微生物群落可以追踪地上植物群落的变化30,特定植物种类对土壤微生物群落组成的影响与土壤类型密切相关31。然而,矿山生态恢复过程中土壤植被之间的相互作用十分复杂,它既受本土自然环境要素的限制,又受客土、外来植被等影响,2 个过程操控着土壤植被系统的恢复弹性29,32,充分认识这一过程对矿山生态系统自然恢复和健康意义重大。微生物网络分析为研究物种间复杂关系提供了有用的工具23,33,并进一步识别微生物菌群间相互作用和关键种群34-35,有助于监测和评估微生物关键类1662煤炭学报2023年第48卷群及相关生态功能变化36。有研
19、究表明大空间尺度上确定性因素影响更大37,那么黄土高原矿区重构土壤微生物群落组装过程受确定性过程控制,还是由随机性过程主导?厘清该过程对调控受损矿山生态系统恢复力、重建生态系统自维持机制十分有益。为此,笔者选择黄土高原平朔矿区安太堡露天矿南排土场复垦区为研究对象,采集 4 种植被类型和 1 个对照共40 个样品,检测不同植被恢复模式下土壤微生物群落结构和功能的变化,探索不同植被恢复模式下微生物分子生态网络结构和关键类群及相互作用的差异,揭示植被恢复对矿区土壤微生物群落组装过程的影响及机制,为受损矿山生态系统自然恢复提供新见解。1材料与方法1.1研究区概况平朔矿区安太堡露天矿南排土场位于山西省朔
20、州市(112.17113.50E,39.3830.62N),研究区位置如图 1 所示,属典型的温带半干旱大陆性季风气候,年均降水量为 426.7mm,年均气温 5.6,但降水多集中于 69 月,年均蒸发量高达 2160mm。土壤类型为栗钙土,砂、壤和黏分别占 2.3%、65.9%和 31.8%,土壤密度介于 1.271.74g/cm3,有机质含量低。该排土场占地面积 180.5hm2,海拔 1465m。1992 年开始复垦,按高差分多层机械推平、压实、再客土回填5060cm,被设计为平台边坡相间的阶梯式地形,相对高度 140m2,38。初始植被恢复类型有油松(Pinus tabulaeform
21、is)、刺 槐(Robinia pseudoacacia)、榆树(Elm)、柳树(Willow)、油松+榆树(Pinus tabulae-formis+Elm)、柠条(Caragana)和沙棘(Seabuckthorn),并飞播了针茅(Stipa sareptana)和披碱草(Elymusdahuricus)。林下植被主要分布为针茅、披碱草、苜蓿、狗尾巴花、黑麦草等。采样点位置500 m油松+榆树混交林(MF)柠条灌丛(BL)油松针叶林(CF)刺槐阔叶林(BF)未复垦林地(CK)油松榆树混柠条灌丛油松针叶林刺槐阔叶林40N105E110E115EWESN35N0250500 kmN图1研究区和
22、采样点的位置Fig.1Locationofthestudyareaandsamplingsites1.2样品采集与分析2020072930,采集了柠条为主灌丛(BL)、单一油松针叶林(CF)、单一刺槐阔叶林(BF)、油松+榆树针阔混交林(MF)及周边未复垦杨树林地(CK)土样,复垦年限为 18a,按每个样随机 5 点采集 010cm 表土约 200g,混合成 1000g 复合样,每种植被类型设 8 个重复,共采集 40 个样品。现场剔除植物根系、砾石等,并将土样充分混合均匀,无菌密封保存于20C 车载冰箱,一部分新鲜土样直接泡沫箱冷藏密封邮寄美吉生物(MajorbioBio-pharmTech
23、nology,上海)测序。1.3生物信息分析根据E.Z.N.A.soil试剂盒(OmegaBio-tek,Nor-cross,GA,U.S.)说明书进行土壤总DNA 提取,DNA浓度和纯度利用NanoDrop2000进行检测,利用 1%琼脂糖凝胶电泳检测DNA提取质量;土壤细菌利用引物对 338F(5ACTCCTACGGGAGGCAGCAG3)39和 806R(5GGACTACHVGGGTWTCTAAT3)40进行 16SrDNA 的 V3V4 区 PCR 扩增,真菌用引物对 ITS1F(5CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA3)和 ITS2R(5 GCTGCGTTCTTCATCGAT
24、GC3 )对rRNA 基因的 ITS1ITS2 区域进行PCR 扩增。扩增第4期杨永均等:露采矿山复绿对土壤微生物群落及其组装过程的影响1663程序为:95 预变性 3min,27 个循环(95 变性30s,55 退火 30s,72 延伸 45s),最后 72 延伸 10min(PCR 仪:ABIGeneAmp9700 型)。扩增体系为 20L,4L*5FastPfu 缓冲液,2L2.5mmol/LdNTPs,0.8L 引物(5mmol/L),0.4LFastPfu 聚合酶;10ngDNA模板。使用 2%琼脂糖凝胶回收 PCR产物,利用 AxyPrepDNAGelExtractionKit(A
25、xygenBiosciences,UnionCity,CA,USA)进行纯化,Tris-HCl洗脱,2%琼脂糖电泳检测。利用 QuantiFluor-ST(Promega,USA)进行检测定量。根据IlluminaMiSeq平台(Illumina,SanDiego,USA)标准操作规程将纯化后的扩增片段构建PE2*300的文库。利用Illumina公司的MiseqPE300 平台进行测序(美吉生物,上海)。原始测序序列使用 Trimmomatic 软件质控,使用FLASH 软件进行拼接,数据质控拼接获得的优化序列中可能还会存在一些 PCR 扩增错误和测序错误,通过序列降噪方法 DADA2 对优
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