福建長汀是我國南方紅壤區(qū)水土流失最嚴(yán)重的縣份之一,同時(shí)也是福建離子型稀土資源儲(chǔ)量最多的縣。近年來,隨稀土價(jià)格的不斷攀升,長汀稀土礦開采加劇,多采用簡(jiǎn)易堆浸淋浸法進(jìn)行生產(chǎn),造成植被毀壞、水土流失、土壤酸化、結(jié)構(gòu)破壞、重金屬污染等生態(tài)問題,特別是稀土開采造成的重金屬污染與土壤酸化,遇到強(qiáng)降水,大量洪水沖向農(nóng)田與河流,在地球化學(xué)循環(huán)遷移作用下,對(duì)稀土廢棄地土壤及其植被造成嚴(yán)重危害,加劇了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的惡化,極不利于植被恢復(fù),由此導(dǎo)致紅壤侵蝕區(qū)稀土礦廢棄地植被恢復(fù)極為困難,成為當(dāng)前南方紅壤侵蝕區(qū)水土流失治理過程中急需解決的重大課題。因此如何揭示離子型稀土開采對(duì)紅壤侵蝕區(qū)土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響,篩選出稀土礦開采廢棄地植被恢復(fù)優(yōu)化模式和植物與土壤協(xié)同恢復(fù)機(jī)理,成為當(dāng)前環(huán)境學(xué)界急需解決的重大課題。雖然近年來國內(nèi)外學(xué)者對(duì)稀土開采的環(huán)境影響和廢棄地植被恢復(fù)進(jìn)行了不少研究,取得一些研究成果,有關(guān)稀土開采對(duì)環(huán)境影響主要集中在土壤理化性質(zhì)等方面,而對(duì)土壤微生物等方面的影響較少。植被恢復(fù)研究主要集中在原地浸與池浸工藝開采后的邊坡植被重建技術(shù)等方面,篩選出了一些適合稀土開采廢棄地上生長的植物。但研究中發(fā)現(xiàn):篩選出的這些植物在前期人工施肥等栽培條件下能正常生長,隨著時(shí)間的推移,這些植物出現(xiàn)了明顯生長衰退現(xiàn)象,有些逐漸死亡消失。目前對(duì)稀土開采廢棄地恢復(fù)后期植被退化的內(nèi)在機(jī)制不很清楚,且影響稀土開采廢棄地的植被恢復(fù)的主要限制因子不明確,在環(huán)境植被恢復(fù)逆境脅迫下植物根系和土壤的協(xié)同作用機(jī)制缺乏了解,而這恰是稀土開采廢棄地植被恢復(fù)的關(guān)鍵所在,這已嚴(yán)重限制了南方稀土礦廢棄地的植被恢復(fù)。鑒于此,本文在導(dǎo)師課題組大量前期研究基礎(chǔ)上,通過國家林業(yè)局林業(yè)公益性行業(yè)專項(xiàng)(201304303)、國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAD15B02)和福建省產(chǎn)學(xué)合作科技重大項(xiàng)目(2013N5002)等資助下,首先對(duì)長汀離子型稀土礦開采造成廢棄地不同功能區(qū)進(jìn)行全面調(diào)查,研究離子型稀土開采對(duì)紅壤侵蝕區(qū)土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響,特別是利用16SrDNA測(cè)序技術(shù)探討離子型稀土開采對(duì)紅壤侵蝕區(qū)土壤細(xì)菌群落組成及其多樣性的影響,揭示稀土開采對(duì)紅壤侵蝕區(qū)生態(tài)系統(tǒng)土壤理化性質(zhì)、土壤酶、重金屬污染、土壤微生物類群、細(xì)菌群落組成與多樣性的影響規(guī)律,篩選出影響紅壤侵蝕區(qū)離子型稀土礦開采廢棄地植被恢復(fù)的主要限制因子。其次,針對(duì)影響稀土廢棄地植被恢復(fù)的主要限制因子,通過設(shè)置養(yǎng)分、重金屬等模擬脅迫試驗(yàn),研究不同植物對(duì)稀土礦廢棄地環(huán)境脅迫的響應(yīng)機(jī)制,篩選出適宜長汀稀土礦廢棄地生長的植被種類。最后,以此設(shè)計(jì)出不同植被配置模式進(jìn)行生態(tài)恢復(fù),研究不同植被配置模式對(duì)生態(tài)環(huán)境的修復(fù)效果,通過對(duì)物種多樣性、土壤理化性質(zhì)、土壤微生物群落組成與多樣性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),篩選出長汀稀土礦廢棄地植被恢復(fù)適宜模式,同時(shí)通過典范相關(guān)與通徑分析方法,揭示稀土開采廢棄地恢復(fù)后期植被退化的內(nèi)在機(jī)制及其在植被恢復(fù)過程中植物根系和土壤的協(xié)同作用機(jī)制,為我國南方離子型稀土礦開采廢棄地的植被恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。主要研究結(jié)論如下:(1)長汀離子型稀土開采對(duì)土壤理化性質(zhì)造成了較大影響。稀土開采后,土壤容重顯著提高,土壤涵養(yǎng)水源能力降低;除堿解性氮外土壤的養(yǎng)分指標(biāo)均呈顯著下降趨勢(shì),土壤pH值在取土場(chǎng)土壤中明顯上升,在堆浸池則呈下降趨勢(shì);土壤脲酶、脫氫酶活性顯著降低,而蔗糖酶、纖維素酶、淀粉酶、過氧化氫酶、多酚氧化酶、過氧化物酶、酸性磷酸酶的變化規(guī)律不明顯。(2)長汀離子型稀土開采對(duì)南方紅壤區(qū)土壤土壤微生物有較大影響。稀土開采后形成的取土場(chǎng)細(xì)菌、真菌、放線菌含量均顯著下降,廢棄堆浸池則顯著上升,氨化細(xì)菌與硝酸菌在稀土開采前后均為優(yōu)勢(shì)生理類群,纖維素分解菌、氨化細(xì)菌、固氮細(xì)菌、亞硝酸細(xì)菌、硝酸細(xì)菌、反硝化細(xì)菌在取土場(chǎng)中菌呈下降趨勢(shì),堆浸池中除反硝化細(xì)菌外其它生理類群微生物均呈不同程度上升。長汀離子型稀土礦開采后,形成的取土場(chǎng)與堆浸池這兩類廢棄地土壤細(xì)菌豐度與多樣性均發(fā)生顯著變化,但土壤細(xì)菌的優(yōu)勢(shì)種類仍然為厚壁菌(門),其與變形菌門、放線菌門、擬桿菌門、疣微菌門、酸桿菌門、硝化螺旋菌門藍(lán)藻門、Hermit存在一定的親緣關(guān)系。(3)長汀離子型稀土開采對(duì)南方紅壤區(qū)土壤造成了一定程度的重金屬污染。稀土礦廢棄地不同功能區(qū)土壤重金屬污染存在差異。稀土礦廢棄地兩個(gè)功能區(qū)土壤Zn、Pb、Cb均超過福建背景值,在不同重金屬中,以Cd的污染最為嚴(yán)重,取土場(chǎng)、廢棄堆浸池的Cd分別是福建土壤背景值的97倍和69倍;根據(jù)地積累指數(shù)與內(nèi)梅羅指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),長汀稀土礦2個(gè)功能區(qū)土壤Cd污染均達(dá)重度污染水平;Pb在取土場(chǎng)達(dá)輕度污染水平,Zn在廢棄堆浸池達(dá)輕度污染水平;根據(jù)土壤綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù),長汀稀土礦區(qū)土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)主要來源于Cd,其綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)達(dá)極重度污染水平。(4)通過稀土開采對(duì)紅壤區(qū)土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響研究發(fā)現(xiàn):影響長汀稀土礦廢棄地取土場(chǎng)植被恢復(fù)的主要限制因子為土壤養(yǎng)分貧瘠和鎘污染,廢棄堆浸池植被恢復(fù)的主要限制因子為土壤養(yǎng)分貧瘠、土壤酸化和鎘污染。(5)針對(duì)影響稀土廢棄地植被恢復(fù)的主要限制因子,通過養(yǎng)分、重金屬和酸等模擬脅迫試驗(yàn),根據(jù)脅迫后不同植物生理指標(biāo)的測(cè)定,綜合篩選出適合取土場(chǎng)植被恢復(fù)的草種為寬葉雀稗,木本植物為楓香、木荷、胡枝子、山杜英、火力楠。適合廢棄堆浸池植被恢復(fù)的草種為寬葉雀稗,木本植物為楓香、木荷、胡枝子、火力楠、油茶。(6)根據(jù)室內(nèi)脅迫試驗(yàn)篩選出適宜在長汀稀土礦廢棄地生長的植物,結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn),配置了長汀稀土礦廢棄地不同植被恢復(fù)模式試驗(yàn)。植被恢復(fù)5年后廢棄地植物群落多樣性得到初步提高,植物群落中物種豐度增加,生態(tài)得到一定的修復(fù)并有正向演替趨勢(shì),但原物種出現(xiàn)不同程度退化現(xiàn)象。不同植被恢復(fù)模式土壤理化性質(zhì)存在顯著差異,取土場(chǎng)土壤pH值、容重降低,其余指標(biāo)則表現(xiàn)出不同程度提高;廢棄堆浸池表現(xiàn)為土壤容重、堿解性氮比對(duì)照下降,其余理化指標(biāo)則有所提高。取土場(chǎng)與堆浸池土壤蔗糖酶、纖維素酶、脲酶、磷酸酶、淀粉酶、過氧化氫酶活性顯著提高;取土場(chǎng)土壤多酚氧化酶在不同植被恢復(fù)后均顯著提高。(7)長汀稀土礦廢棄地不同植被恢復(fù)模式土壤微生物存在顯著差異。不同模式植被恢復(fù)后,土壤可培養(yǎng)的細(xì)菌、真菌、放線菌均表現(xiàn)出不用程度的增加,土壤碳素生理類群在植被恢復(fù)后呈顯著上升趨勢(shì);氮素生理類群中氨化細(xì)菌、硝酸細(xì)菌、亞硝酸細(xì)菌、固氮菌也呈增加趨勢(shì),但反硝化細(xì)菌則表現(xiàn)出下降。取土場(chǎng)5種植被恢復(fù)模式下土壤細(xì)菌群落演化成4種群落,堆浸池4種植被恢復(fù)模式下土壤細(xì)菌演化成3種群落;取土場(chǎng)與堆浸池不同植被恢復(fù)模式下土壤微生物豐度與多樣性均存在顯著差異,取土場(chǎng)不同植被恢復(fù)模式中“楓香+木荷+火力楠+胡枝子+寬葉雀稗”模式的土壤細(xì)菌多樣性指數(shù)較高,堆浸池不同植被恢復(fù)模式中“楓香+木荷+胡枝子+寬葉雀稗”模式土壤細(xì)菌多樣性指數(shù)最高。RDA分析結(jié)果表明土壤微生物種類(門水平)與土壤理化性質(zhì)的變化呈密切相關(guān),主要受有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀的影響。(8)利用稀土礦廢棄地不同植被恢復(fù)模式土壤理化性質(zhì)、土壤酶活性、微生物、植物多樣性等43個(gè)指標(biāo)對(duì)稀土礦廢棄地不同植被恢復(fù)模式的系統(tǒng)聚類結(jié)果表明:“楓香+木荷+火力楠+胡枝子+寬葉雀稗”、“楓香+木荷+胡枝子+山杜英+寬葉雀稗”是取土場(chǎng)較理想的植被恢復(fù)模式;“楓香+木荷+油茶+胡枝子+寬葉雀稗”、“楓香+木荷+胡枝子+寬葉雀稗”是廢棄堆浸池較好的植被恢復(fù)模式。但是,由于木荷在植被恢復(fù)后期出現(xiàn)退化,因此取土場(chǎng)的植被恢復(fù)模式優(yōu)化為“楓香+火力楠+胡枝子+寬葉雀稗”與“楓香+胡枝子+山杜英+寬葉雀稗”,廢棄堆浸池的植被恢復(fù)模式優(yōu)化為“楓香+油茶+胡枝子+寬葉雀稗”與“楓香+胡枝子+寬葉雀稗”。(9)稀土礦廢棄堆浸池“楓香+木荷+巨桉+胡枝子+寬葉雀稗”模式植被恢復(fù)后期,植被生長出現(xiàn)退化現(xiàn)象,其主要原因是前期恢復(fù)植被的生長造成土壤養(yǎng)分的大量消耗造成的,特別是有機(jī)質(zhì)含量的降低,造成土壤酶活性、土壤微生物數(shù)量以及植物群落多樣性的下降。因此,為提高南方稀土開采廢棄地的植物修復(fù)質(zhì)量,應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)植被恢復(fù)過程中植物根系和土壤的協(xié)同作用機(jī)制研究。(10)稀土礦廢棄地植被恢復(fù)后土壤養(yǎng)分與土壤酶、土壤養(yǎng)分與土壤細(xì)菌、土壤細(xì)菌與土壤酶的典范相關(guān)系數(shù)均達(dá)顯著水平,說明植被恢復(fù)過程中土壤養(yǎng)分、土壤細(xì)菌、土壤酶三者之間的作用是協(xié)同進(jìn)行的�！皸飨�+木荷+火力楠+胡枝子+寬葉雀稗”模式主要是通過不同植物根系和凋落物來提高土壤全鉀與有效磷含量來提高土壤酶活性與植物物種多樣性,進(jìn)而提高其生態(tài)恢復(fù)效果;“楓香+木荷+胡枝子+山杜英+寬葉雀稗”模式主要通過提高土壤有機(jī)質(zhì)含量來提高土壤微生物多樣性,特別是Chloroform分支細(xì)菌的豐度,進(jìn)而通過提高纖維素分解酶活性來促進(jìn)凋落物的分解,最終使土壤養(yǎng)分積累形成良性循環(huán),來提高生態(tài)恢復(fù)效果;“楓香+木荷+油茶+胡枝子+寬葉雀稗”模式主要通過提高土壤酶活性與植物物種多樣性,進(jìn)而提高稀土廢棄地土壤肥力,增強(qiáng)恢復(fù)群落的生態(tài)穩(wěn)定性,最終體現(xiàn)出較好的生態(tài)恢復(fù)效果;“楓香+木荷+胡枝子+寬葉雀稗”模式主要通過提高土壤有效磷含量來增加Testimonials、TM6豐度,從而增加土壤養(yǎng)分和酶活性。
【學(xué)位單位】：福建農(nóng)林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2016
【中圖分類】：S15;Q948
【部分圖文】：

稀土開采對(duì)紅壤區(qū)土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響研究？■?ｉｉａ?＾；?．＊，?ｎ＊．－?�。。�？?ｒ－ｆ？?ｉｉｆｔ?．ｊｒｔ?ｎ？?Ｖｆ－?ｉ＞？－?ｕ＊?ｉｗ．?－ｍ?ｉ．?１１＊?＊＾?４?ｔｉ＊．?＊＊?＞?ｊｗ，?ｊ－ｆ?ｕ？．?＊ｙ＜?ｍ．?？，－４??．

?ＩＴ／．?ｔｌ?１１＊?ｎ?；?ｎ？．?ｉ?ｌｔ＊ｖ－Ｊ－＜?ＩＩＩ．?＋＾．；?Ｉ｜＜．?Ｍ?＾??圖１－２試驗(yàn)地示意圖???Ｆｉｇ?１?－２?Ｍａｐ?ｏｆ?ｔｒｉａｌ?ｓｉｔｅ???麵???ｆ?＼?＿■采礦前??圖１－３稀土礦廢棄地示意圖??Ｆｉｇ．?１?－３?Ｓｋｅｔｃｈ?ｍａｐ?ｏｆ?ａｂａｎｄｏｎｅｄ?ｌａｎｄ?ｏｆ?ｒａｒｅ－ｅａｒｔｈ?ｍｉｎｅ??２研究方法??２．１稀土開采對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響研究方法??２．１．１?土壤取樣方法??長汀稀土開采后３年，分別在稀土開采取土場(chǎng)和廢棄堆浸池及開采前樣地??上，分別布設(shè)１０個(gè)１０?ｍｘｌＯｍ樣方，每個(gè)樣方按梅花型用環(huán)刀法采集０－２０?ｃｍ??的土樣５個(gè)，共取土壤樣品１５０個(gè)，分析土壤水分物理性質(zhì)。同時(shí)在每一樣方??內(nèi)按梅花型挖取５個(gè)土壤剖面

圖１４總體工作流程??Ｆｉｇｕｒｅ?１－４?Ｗｏｒｋ?ｆｌｏｗ???？?Ｈａｎｋ?Ａｂｕｎｄａｎｃｅ??—？?ＰＣＡ分析??Ｉ?７￣?ｍｍ??ｒ？茶側(cè)＿?￣？、咖閿?Ｃｈａｏ賊???￣Ａｃｅ?曲線??？＿＿Ｓｈａｎｎｏ?曲線??????Ｓｉａｐｓｏｎ？?線??——？?Ａｌｐａｈ多樣性分析一?????＇?樣品Ａｌｐｈａ指數(shù)盆????肜規(guī)及ｆ羿檢獪??基于ｃｍ灃度Ｂ？ｕ多樣性????‘????＾１．?Ｂｅｔａ?多樣性熱潔??Ｃｌｔｆ抑細(xì)Ｒｏａｄｓ?＿拼筏一？刃；?—?３?ｆ｜丨品聚類樹??■—？?ｍｍｍｍ?????Ｉ?ｒ?Ｉ???？樹種豐度ｈｅａｔ．ａｗｐ＿?ｊ???ｊ??Ｓｉｉｉｉ．ｉｍ??Ｕ？蓊?７＇物＃?一＇?■＊?樹??
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本文編號(hào)：2865800