基本信息
- 項目名稱：
- 叢枝菌根真菌和施肥在礦區(qū)生態(tài)修復中固碳作用及效應
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 自然科學類學術論文
- 簡介：
- 本研究闡述了叢枝菌根在自然生態(tài)系統(tǒng)中的固碳作用機制，并應用于礦區(qū)土壤復墾。接種AMF并添加30%污泥進行8個月的復墾后，礦區(qū)修復土壤理化性質(zhì)明顯提高且可達到土壤有機碳的最高增長，礦區(qū)土壤固碳能力達到最大。分析接種AMF和不同施肥條件對礦區(qū)修復土壤理化性質(zhì)和固碳容量的作用表明，接種AMF和有機物質(zhì)的施加能夠提高土壤質(zhì)量從而增加生物生產(chǎn)力和土壤固碳量。
- 詳細介紹：
- 礦區(qū)土壤由于受到破壞，土壤結構擾動，營養(yǎng)貧瘠，理化性質(zhì)惡劣，微生物活性低，不僅直接導致植被碳匯稀少，而且由于缺乏進入土壤的生物量，間接導致了土壤有機碳含量的低下。因此研究如何恢復礦區(qū)生態(tài)生境、有效提高土壤對大氣中CO2的固定量對生態(tài)系統(tǒng)固碳具有重要的意義。 本研究將叢枝菌根真菌（Arbuscular Mycorrhizal Fungi，簡稱AMF）用于礦區(qū)廢棄地生態(tài)修復同時引入污泥，使礦區(qū)廢棄地重新恢復土壤微生物體系，通過對AMF用于礦區(qū)修復研究的同時進行礦區(qū)修復地（Reclaimed Mine Soil，簡稱RMS）的固碳能力研究。 AMF是一類廣泛分布于土壤中的有益微生物，能與大多數(shù)高等植物的根和真菌之間形成共生聯(lián)合體。作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中的“關鍵共生物”，AMF在植物-土壤系統(tǒng)的碳流調(diào)控中扮演著關鍵性角色，對土壤碳固持具有重要作用。AMF在調(diào)控生物圈與大氣間的碳流量中發(fā)揮著重要作用，它能夠改變礦質(zhì)營養(yǎng)的成分、激素平衡、碳的分配形式以及植物生理的調(diào)節(jié)等。發(fā)育良好的菌根，增加了植物于土壤接觸的表面積，使原來在空間上對作物無效的養(yǎng)分變?yōu)橛行юB(yǎng)分。AMF自身不能進行光合作用，需依靠寄主植物供給所需的碳，作為交換，AMF提供給植物礦質(zhì)營養(yǎng)和水分。AMF產(chǎn)生的球囊霉素相關土壤蛋白是土壤中一個重要碳庫。AMF能通過若干機制影響生態(tài)系統(tǒng)過程，叢枝菌根在自然生態(tài)系統(tǒng)中的固碳機制，主要包括三個方面：（1）AMF直接淀積宿主植物光合作用固定的碳；（2）AMF產(chǎn)生的GRSP直接增加土壤碳庫；（3）AMF能促進土壤團聚體的形成，改善土壤結構，間接增加土壤碳固持。 本研究以礦區(qū)廢棄物煤矸石和粉煤灰為主體，添加含有大量營養(yǎng)物質(zhì)的污水污泥，再對復墾植物接種AMF，以構建復合基質(zhì)-菌根-微生物修復體系。 礦區(qū)生態(tài)修復及其固碳現(xiàn)場試驗選址于徐州龐莊礦區(qū)?，F(xiàn)場模擬試驗選擇多年生牧草植物黑麥草作為供試植物。黑麥草作為多年生牧草植物，具有生物量大、耐寒耐熱耐踐踏等特點，易于粗放管理，可作為礦區(qū)土地復墾的“先鋒植物”。試驗所用污水污泥取自校區(qū)污水處理站剩余污泥，該處理站污水主要來自校園生活用水，采用好氧流化床工藝處理，經(jīng)帶式壓濾機脫水，含水率為70%-80%，具有營養(yǎng)成分高，重金屬含量低，不含有毒有害物質(zhì)等特點。粉煤灰取自徐州發(fā)電廠，煤矸石取自張小樓礦矸石山20~40cm深處矸石，選取摩西球囊霉菌Glomus mosseae（G.m）為供試菌種。 試驗設接種和不接種處理（分別為15m2區(qū)域），接種和不接種之間有隔離帶。將試驗區(qū)域（30m2）分六部分小區(qū)域，小區(qū)域之間用20cm寬帶隔開，小區(qū)域面積為5m2，所有區(qū)域均種植黑麥草。在一邊三塊（A1，A2，A3）接種叢枝菌根真菌，另一邊三塊（B1，B2，B3）為不接種對照。整個試驗做正常土壤對照組（A1和B1為原有混有煤矸石的礦區(qū)土），而A2和B2是煤矸石和粉煤灰質(zhì)量比為95:5混合均勻的填充基質(zhì)，A3和B3是煤矸石、粉煤灰和污泥質(zhì)量比為65:5:30混合均勻的填充基質(zhì)，覆土厚度為15cm，復墾時間為8個月。接種處理菌根菌劑接種量為1kg/m2。播種后澆水使土壤達到最大飽和持水量，每周澆水2次，1個月后每周澆水1次，2個月后植物自然生長。 復墾8個月后，添加30%污泥條件下，接種處理的土壤容重下降0.24 g/cm3，隨著種植復墾年限的增加，接種處理會使基質(zhì)的容重向更小的方向變化。配比A2處理的土壤容重、土壤孔隙度和持水量變化分別為0.08、9.18%、2.82%，變化幅度均高于相對其他兩種處理，說明在礦區(qū)復墾基質(zhì)配比中，A2配比最優(yōu)，即添加30%的污泥對于礦區(qū)廢棄地土壤復墾效果最好。復墾8個月后土壤有機質(zhì)增量為16.09 g kg-1，C/N增加值為5.04，表明土壤理化性質(zhì)明顯提高，30%污泥添加結合AMF接種可達到土壤有機碳（SOC）的最高增長，礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)固碳能力最大。AMF在礦區(qū)碳固持中的貢獻顯著，菌根的侵染促進根系、真菌菌絲和土壤SOC的增長、土壤團聚體的形成，從而增強土壤固碳能力；AMF作為礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的一個重要組成部分，提高礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的生物生產(chǎn)力和物種多樣性，間接增加生物固碳能力。 結合國內(nèi)外相關研究的數(shù)據(jù)分析表明,本研究采用的復合基質(zhì)-菌根-微生物修復體系建立廢物生態(tài)化利用模式，具有菌根侵染率和C/N增加值均較高，可顯著降低土壤容重值和增加生物生產(chǎn)力和土壤固碳量等優(yōu)點。充分利用了礦區(qū)廢棄物和污泥的同時，解決了礦區(qū)客土的來源問題，礦區(qū)生態(tài)修復過程中增加系統(tǒng)的固碳能力, 是構建集廢物利用、土壤結構改善、微生物和植被恢復為一體的高效免施肥的礦區(qū)生態(tài)修復技術。 本研究成果可作為礦山生態(tài)修復與礦業(yè)城市循環(huán)經(jīng)濟建設有機結合的實用模式，可望推廣于不同類型的礦區(qū)。該項技術的推廣應用不但可以改善礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境，還可以有效地實現(xiàn)礦業(yè)城市發(fā)展的土地置換，推進礦業(yè)城市特別是煤炭枯竭型城市的可持續(xù)發(fā)展。 礦區(qū)生態(tài)修復系統(tǒng)的固碳較大，深入開展礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)固碳是非常重要也是極具意義的。研究鑒定土壤有機碳固定和保護機制、評估有效開墾措施下的土壤固碳潛力以及確定礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的演變是具有重要意義且非常必要的；這方面的研究熱點在于，增強生態(tài)系統(tǒng)的自然容量來增加有機物質(zhì)的輸入。 但是從總體功能上來說，礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中的固碳機制仍是一個很難理解的過程，需要進一步研究；從研究方法和技術上來說，隨著現(xiàn)代生理和分子生物學的滲入，研究已側(cè)重于運用分子生物學的方法和磷脂脂肪酸技術（Phospholipids fatty acids，簡稱PLFAs）相結合研究礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中AMF與土壤生理參數(shù)的關系，尤其是運用穩(wěn)定性同位素探針（Stable Isotope Probing，簡稱SIP）技術研究菌絲在土壤結構中功能和菌絲網(wǎng)在生態(tài)系統(tǒng)碳固持中的作用。加強AMF在RMS生態(tài)系統(tǒng)的固碳研究，不僅彌補叢枝菌根固碳機制所研究的不足，而且也將對AMF的碳固持提供十分重要的理論依據(jù)，從而能夠來更好地進行礦區(qū)廢棄地的固碳能力建設。
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作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 煤礦的開采會造成土壤固碳能力的喪失，間接增加空氣中的溫室氣體。所以進行礦區(qū)生態(tài)修復，恢復其生態(tài)功能的同時增強土壤固碳能力，具有重要的意義。本文以煤矸石為主體礦區(qū)基質(zhì)，通過添加污泥同時接種叢枝菌根真菌，進行礦區(qū)復墾土壤固碳能力的現(xiàn)場試驗研究。結合相關研究文獻數(shù)據(jù)結果，分析接種AMF對RMS理化性質(zhì)和固碳容量的作用，對比研究不同施肥條件對礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的固碳容量影響。
科學性、先進性及獨特之處
- 通過現(xiàn)場實驗分析與相關文獻數(shù)據(jù)相結合的方法，探索接種AMF對RMS理化性質(zhì)和固碳容量的作用，對比研究不同施肥條件對礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的固碳容量影響。
應用價值和現(xiàn)實意義
- 通過采用以煤矸石為基質(zhì)主體，添加活性污泥和叢枝菌根，構建植物-復合基質(zhì)-根際微生物的礦區(qū)生態(tài)修復系統(tǒng)以恢復礦區(qū)土壤的生態(tài)系統(tǒng)和固碳能力。實現(xiàn)以廢治廢的同時，優(yōu)化礦區(qū)免施肥可持續(xù)生物修復系統(tǒng)。
學術論文摘要
- 本文闡述了叢枝菌根真菌在自然生態(tài)系統(tǒng)中的固碳作用機制，指出AMF可促進宿主植物光合作用，其分泌的球囊霉素相關土壤蛋白直接增加土壤碳庫和促進土壤團聚體形成間接增加土壤碳固持。在接種AMF同時添加活性污泥條件下，進行為期8個月的復墾現(xiàn)場試驗, 研究礦區(qū)基質(zhì)的生態(tài)修復和礦區(qū)修復土壤的固碳效應，結果表明，污泥添加質(zhì)量比量為30%，復墾8個月后接種處理的土壤容重下降0.24 g/cm3，土壤有機質(zhì)增量為16.09g/ kg，C/N增加71.38%，礦區(qū)修復土壤理化性質(zhì)明顯提高；可使土壤有機碳的增長量最大。結合相關研究文獻對比分析接種AMF和不同施肥條件對礦區(qū)修復土壤的土壤結構及團聚體和固碳容量的作用，接種叢枝菌根真菌和有機物質(zhì)的施加能夠有效改善土壤質(zhì)量從而增加生物生產(chǎn)力和土壤固碳量。
獲獎情況
- 無
鑒定結果
- 無
參考文獻
- 1.畢銀麗，吳王燕，劉銀平.叢枝菌根在煤矸石山土地復墾中的應用[J].生態(tài)學報，2007，27（9）：3738-3743. 2.R.K. Shrestha, R. Lal. Ecosystem carbon budgeting and soil carbon sequestration in reclaimed mine soil [J]. Environment International, 2006, 32: 781-796. 3.RILLIG M C, RAMSEY P W, MORRIS S, et al. Glomalin, an arbuscular mycorrhizal fungal soil protein, responds to land use change [J].Plant and Soil, 2003, 253: 293-299. 4.M. C. Rillig, et al. Minimal direct contribution of arbuscular mycorrhizal fungi to DOC leaching in grassland through losses of glomalin-related soil protein [J]. Soil Biology & Biochemistry, 2006, 38: 2967-2970. 5.Wang Li ping, Zhang Wei wei. Selection experiments for the optimum combination of AMF-plant-substrate for the restoration of coal mines [J]. Mining Science and Technology, 2009, 19: 479-482.
同類課題研究水平概述
- 目前，主要采用的礦區(qū)復墾方法為井口充填煤矸石加覆土再種植植物。但該系統(tǒng)自身持水性差、理化性質(zhì)極端、肥力低下，使得植物很難生長，且需要大量客土，其來源和運輸成本都較高。 為了改進礦區(qū)土壤復墾技術，本研究采取了如下措施并取得了較好的效果：針對采用單一植物時，植物定株難，生長速度慢的問題。在修復技術中添加了叢枝菌根真菌（AMF）。這是一類廣泛分布于土壤中的有益微生物，是植物根系與菌根真菌的互利共生體。在生態(tài)修復中加入菌根可改善土壤結構；改良土壤肥力；增強土壤生物活性；促進植物生長和養(yǎng)分吸收；以及增強植物抗逆能力；針對傳統(tǒng)方法中土壤肥力低下等問題，本研究在基質(zhì)中添加了城市生活污水處理廠的污泥。污泥是污水處理的廢棄物，其中含有大量的N、P等營養(yǎng)物質(zhì)。采用煤矸石、粉煤灰、污泥按適當比例混合作為礦區(qū)復墾的復合基質(zhì)，實現(xiàn)以廢治廢的同時，增加土壤的肥力。 AMF應用于礦區(qū)修復研究大多偏重于其對植物生長效應方面，宿主植物和土壤環(huán)境因素如何影響菌根真菌的生長和代謝方面。 Coyne M.S 研究發(fā)現(xiàn)使用有機填充劑進行礦區(qū)土壤復墾能夠降低土壤容重，提高土壤持水量和提高植物對營養(yǎng)元素的可得性。Gaind等的研究表明，粉煤灰的使用能夠增加磷酸鹽溶解和固氮細菌的群落數(shù)量。少有研究涉及從不同復墾策略的有機填充物的來源、性質(zhì)和用量及其對土壤特性、礦區(qū)生態(tài)修復系統(tǒng)恢復生態(tài)功能和固碳能力的研究。 污泥添加和菌種接入對礦區(qū)復墾土壤的生物多樣性的貢獻和結構改良的內(nèi)在機制目前尚不清楚，適宜礦區(qū)復墾的復合基質(zhì)-菌根-微生物修復技術體系的構建機制及其礦區(qū)生態(tài)修復優(yōu)化調(diào)控原理有待科學上予以闡明。 國外學者近幾年涉及AMF在修復土壤中的對固碳的貢獻。研究結果證明接菌根菌絲對土壤水穩(wěn)性大團聚體形成的貢獻大于根系的影響。Rillig, M.C等研究發(fā)現(xiàn)AMF可分泌球囊霉素來增加土壤團聚體穩(wěn)定性。 礦區(qū)土壤腐殖質(zhì)和團聚體極度缺乏和生物活性極低特性，種土壤結構、環(huán)境和生物要素方面的異質(zhì)性，會導致土壤有機碳積累過程和能力與天然森林、草地和農(nóng)田土壤的的很大差異。團聚體的形成和穩(wěn)定是礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)關鍵過程，礦區(qū)生態(tài)修復過程中基于土壤團聚體的形成作用為核心的有機碳固定機制有待于研究。對礦區(qū)復墾土壤團聚體的形成和固碳的關鍵驅(qū)動因子和相應貢獻有待科學上予以闡明。
