金屬尾礦庫(kù)生物土壤結(jié)皮的類(lèi)型及物種組成

胡 瑤 彭成榮 李敦海

(1. 中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所中國(guó)科學(xué)院藻類(lèi)生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430072; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

尾礦庫(kù)作為礦山的三大基礎(chǔ)設(shè)施之一, 是用于堆存金屬礦石或非金屬礦石粉碎選別后所殘余的有用成分含量低、當(dāng)前經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下不宜進(jìn)一步分選的固體廢棄材料[1]。隨著人類(lèi)社會(huì)對(duì)礦產(chǎn)資源依賴(lài)程度的加劇, 一方面由于老舊礦山礦產(chǎn)資源耗竭而產(chǎn)生諸多廢棄的尾礦庫(kù), 另一方面由于新礦山的開(kāi)采而產(chǎn)生新的尾礦庫(kù), 尾礦庫(kù)數(shù)量依舊處于較高水平, 據(jù)統(tǒng)計(jì), 截至2015年底, 全國(guó)仍有“頭頂庫(kù)”1425座。金屬尾礦庫(kù)通常由于極高的重金屬含量、極端的pH和極低的有機(jī)質(zhì)含量限制了其向正常土壤的發(fā)育[2,3], 其自然恢復(fù)要經(jīng)過(guò)50—100年的時(shí)間才能形成較好的植被覆蓋[4]。常規(guī)的生態(tài)修復(fù)包括植物、動(dòng)物和微生物修復(fù), 該方法環(huán)保且成本低, 但金屬尾礦庫(kù)的極端條件限制了該環(huán)境下動(dòng)植物的正常生長(zhǎng), 導(dǎo)致常規(guī)方法在金屬尾礦庫(kù)的早期修復(fù)中很難有效, 因此改善尾礦庫(kù)環(huán)境和土壤質(zhì)量以保證植被恢復(fù)是促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)的快速恢復(fù)的前提[3]。

生物土壤結(jié)皮(Biological soil crusts, BSCs)是由藻類(lèi)、地衣、苔蘚、細(xì)菌和真菌等生物組分與其下薄層土壤結(jié)合形成的一種復(fù)雜的生物土壤復(fù)合體[5]。根據(jù)發(fā)育程度和優(yōu)勢(shì)種群的差異, 可將BSCs分為藻結(jié)皮、地衣結(jié)皮及苔蘚結(jié)皮三個(gè)明顯不同的演替階段, 三個(gè)階段依次從簡(jiǎn)單到復(fù)雜, 從低等到高等, 有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)藻-地衣結(jié)皮、藻-蘚結(jié)皮等中間型[6,7]。BSCs具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性, 廣泛分布于各種生境中, 尤其在一些維管束植物通常難以定植的退化生境中, BSCs的覆蓋率可以高達(dá)70%,在改善極端土壤環(huán)境中具有重要作用[8]。

不同的退化生境具有不同的環(huán)境特征, 其適生的BSCs物種組成也有所不同。在干旱和半干旱地區(qū), 通過(guò)對(duì)BSCs物種組成的解析發(fā)展出了一種行之有效的人工生物土壤結(jié)皮技術(shù), 在我國(guó)北方荒漠化治理中發(fā)揮了重要的作用[9,10]。在尾礦庫(kù)的修復(fù)中, 植被恢復(fù)被認(rèn)為是減少水蝕和風(fēng)蝕以及保護(hù)周?chē)h(huán)境的傳統(tǒng)有效手段之一[11], 金屬尾礦庫(kù)作為一種嚴(yán)重退化的污染生境, BSCs往往是最初拓殖的生物復(fù)合體。而對(duì)尾礦庫(kù)現(xiàn)有物種的調(diào)查是篩選適生的先鋒物種的必由之路。盡管一些研究嘗試將生物土壤結(jié)皮應(yīng)用于尾礦庫(kù)的治理或修復(fù)[12,13],但這些嘗試都是應(yīng)用通識(shí)藻種, 并未針對(duì)尾礦庫(kù)進(jìn)行適生先鋒物種的篩選。目前對(duì)尾礦庫(kù)中的BSCs的物種組成所知甚少[14], 這限制了對(duì)BSCs在尾礦庫(kù)中的生態(tài)功能的理解。因此, 本研究以?xún)蓚€(gè)廢棄時(shí)間不同的尾礦庫(kù)作為研究位點(diǎn), 對(duì)其中的BSCs進(jìn)行廣泛的調(diào)查與分析, 采用空間代替時(shí)間的方式來(lái)表征結(jié)皮的演替年代, 以期能揭示重金屬污染環(huán)境中BSCs的物種組成及其生態(tài)學(xué)意義, 為尾礦庫(kù)的生態(tài)修復(fù)提供一定的數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)概述

本研究選取湖北省黃石市的雞籠山金礦尾礦庫(kù)(JLS; 29°49′15.1″ N, 115°24′41.4″ E)和牛頭山銅礦尾礦庫(kù)(NTS; 29°57′2.6″ N, 115°5′42.8″ E)兩個(gè)廢棄尾礦庫(kù)進(jìn)行調(diào)查研究, 其中JLS已廢棄30余年, NTS廢棄約8年。JLS尾礦庫(kù)約3/5地表被草本植物覆蓋, 約1/5地表被生物土壤結(jié)皮覆蓋, 主要有藻-蘚結(jié)皮、苔蘚結(jié)皮、藻結(jié)皮, 剩余約1/5地表呈裸露狀態(tài)。NTS尾礦庫(kù)地表有少許草本植物零落分布, 約3/4地表被結(jié)皮覆蓋, 主要為苔蘚結(jié)皮、蘚-藻結(jié)皮、藻結(jié)皮。

1.2 樣品采集與預(yù)處理

本研究于2016年7月進(jìn)行。根據(jù)每個(gè)尾礦庫(kù)地表結(jié)皮類(lèi)型及立地條件, 選取結(jié)皮生長(zhǎng)較為一致且人為干擾較少的地方設(shè)置樣方。根據(jù)結(jié)皮中藻類(lèi)和苔蘚優(yōu)勢(shì)度的不同, 劃分為物理結(jié)皮、藻結(jié)皮、藻-蘚結(jié)皮、蘚-藻結(jié)皮及苔蘚結(jié)皮5種樣地(圖1),每個(gè)樣地內(nèi)各選取2個(gè)2 m×2 m樣方, 每個(gè)樣方內(nèi)采集3個(gè)重復(fù)樣品。在每個(gè)樣方內(nèi)采集結(jié)皮層, 置于無(wú)菌的塑料培養(yǎng)皿內(nèi), 其中藻結(jié)皮、藻-蘚結(jié)皮、物理結(jié)皮厚度約0.3 cm, 蘚-藻結(jié)皮、苔蘚結(jié)皮厚度約為0.7 cm。同時(shí), 采集結(jié)皮下0—5 cm土層作為土壤層樣品, 置于封口袋中。將用于微生物分析的樣品裝入無(wú)菌的EP管中, 立即放入冰盒中, 運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后于-40 ℃冰箱保存, 用于DNA提取和后續(xù)微生物分析。土壤和結(jié)皮樣品采集的同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定結(jié)皮的蓋度, 蓋度的測(cè)定方法參考相關(guān)文獻(xiàn)[15]。兩個(gè)尾礦庫(kù)中結(jié)皮的采集情況見(jiàn)表1。在實(shí)驗(yàn)室將一部分土壤樣品攤開(kāi)風(fēng)干, 去除其中的動(dòng)植物殘?bào)w及石子, 研磨過(guò)篩, 用于土壤理化和重金屬含量分析。

圖1 尾礦庫(kù)及其中分布的主要生物土壤結(jié)皮Fig. 1 The tailings pond and the biological soil crusts

1.3 土壤層與結(jié)皮層基本理化性質(zhì)測(cè)定

土壤含水量(WC)采用105 ℃烘干法測(cè)定, pH用pH計(jì)測(cè)定水土比為5∶1的懸浮液, 有機(jī)質(zhì)(OM)采用低溫外熱重鉻酸鉀氧化-比色法測(cè)定, 總氮(TN)采用凱氏法測(cè)定, 速效氮(AN)采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定,速效磷(AP)采用鉬銻抗比色法測(cè)定, 速效鉀(AK)采用火焰光度計(jì)測(cè)定, 上述指標(biāo)的測(cè)定參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[16]?？偭?TP)采用鉬銻抗比色法測(cè)定, 總鉀(TK)采用火焰光度計(jì)測(cè)定, 上述指標(biāo)的測(cè)定參照《土壤農(nóng)化分析》(第三版)[17]。

表1 尾礦庫(kù)樣品采集情況Tab. 1 Samples of biological soil crusts in different tailings ponds

1.4 土壤層重金屬含量測(cè)定及污染評(píng)價(jià)

重金屬的含量使用電感耦合等離子體-發(fā)射光譜儀(ICP-OES)進(jìn)行測(cè)定。參考我國(guó)土壤環(huán)境二級(jí)標(biāo)準(zhǔn), 采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)土壤重金屬污染水平進(jìn)行評(píng)價(jià), 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)計(jì)算公式如下[18,19]:

式中,Pm為某地區(qū)的綜合污染指數(shù);Ci為污染物i的實(shí)測(cè)含量(單位mg/kg);Si為污染物i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(單位mg/kg), 本研究中Si采用我國(guó)土壤環(huán)境二級(jí)標(biāo)準(zhǔn); (Ci/Si)max為土壤污染物中單因子污染指數(shù)最大值; (Ci/Si)ave為土壤污染物中單因子污染指數(shù)平均值。本研究取尾礦庫(kù)不同類(lèi)型結(jié)皮下的土壤層的平均結(jié)果計(jì)算該尾礦庫(kù)的各種理化指標(biāo)、重金屬含量及綜合污染指數(shù)。

1.5 結(jié)皮色素含量測(cè)定

稱(chēng)取1.00 g風(fēng)干的結(jié)皮樣品, 充分研磨后加入5 mL純丙酮, 4 ℃黑暗提取24h。于4 ℃下, 8000 r/min離心10min, 取上清, 用分光光度計(jì)測(cè)定384、490、663和750 nm處的光吸收值。按下列3個(gè)公式對(duì)葉綠素a(Chl.a)、類(lèi)胡蘿卜素(Car)和偽枝藻素(Scyt)吸光值進(jìn)行修正[20]:

并根據(jù)葉綠素a、類(lèi)胡蘿卜素及偽枝藻素在丙酮中的消光系數(shù)92.5、250和112.6分別計(jì)算單位重量(干重, DW)結(jié)皮的葉綠素a、類(lèi)胡蘿卜素及偽枝藻素含量, 表示為μg/g DW。

1.6 結(jié)皮中藍(lán)藻、真菌、苔蘚豐度測(cè)定

使用Bio-Rad公司的熒光定量PCR擴(kuò)增儀(CFX 96TMReal-Time system), 采用定量PCR (qPCR)方法檢測(cè)藍(lán)藻、真菌和苔蘚的豐度, 分別采用藍(lán)藻16S rRNA基因、真菌25-28S rRNA及苔蘚葉綠體rps4基因作為遺傳學(xué)標(biāo)記, 其豐度來(lái)間接表示藍(lán)藻、真菌、苔蘚的生物量[21], 所用引物見(jiàn)表2。

表2 藍(lán)藻、真菌、苔蘚目的基因及引物Tab. 2 Primers for cyanobacteria, fungi and moss

1.7 結(jié)皮微生物組成分析

結(jié)皮基因組DNA的提取在樣品采集后2周內(nèi)完成, 使用FastDNA?Spin Kit for Soil試劑盒進(jìn)行提取, 采用瓊脂糖凝膠電泳對(duì)提取的DNA進(jìn)行完整性檢測(cè), 采用Nanodrop 2000 (Thermo, 美國(guó))測(cè)定DNA樣品濃度和純度。然后基于HiSeq PE250平臺(tái), 利用雙末端測(cè)序 (Paired-End 250)的方法, 以bar-coded 515F (5′-GTGCCAGCMGCCGTAA-3′)和bar-cod 806R(5′-GGACATCHVGGGTWTCTAAT-5′)為引物對(duì)16S rRNA基因的V4區(qū)進(jìn)行擴(kuò)增, 構(gòu)建小片段文庫(kù)進(jìn)行雙末端測(cè)序。對(duì)樣品Reads進(jìn)行拼接和過(guò)濾, OTUs(Operational Taxonomic Units)聚類(lèi)和物種注釋, 并進(jìn)行豐度分析和多樣性分析。

1.8 統(tǒng)計(jì)分析

結(jié)皮層指標(biāo)之間采用one-way ANOVA進(jìn)行方差分析, 結(jié)皮層與土壤層之間采用t檢驗(yàn)進(jìn)行分析,以上分析均在SPSS 20軟件上進(jìn)行。使用Qiime軟件 (Version 1.7.0)計(jì)算微生物的物種數(shù) (Observed species)、Chao1指數(shù)、ACE指數(shù)、Shannon多樣性指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù), 使用R語(yǔ)言進(jìn)行Alpha多樣性指數(shù)組間差異分析; Alpha多樣性指數(shù)組間差異分別進(jìn)行有參數(shù)檢驗(yàn)和非參數(shù)檢驗(yàn), 選用T-test和wilcox檢驗(yàn)。

2 結(jié)果

2.1 尾礦庫(kù)土壤理化性質(zhì)測(cè)定及重金屬污染評(píng)價(jià)

JLS和NTS尾礦庫(kù)的土壤基本理化性質(zhì)見(jiàn)表3。兩個(gè)尾礦庫(kù)土壤呈弱堿性, 且JLS土壤pH顯著低于NTS(P＜0.05), 而JLS土壤的OM、TN、AK顯著高于NTS(P＜0.05)。根據(jù)全國(guó)土壤普查辦公室對(duì)土壤養(yǎng)分的分級(jí)[22], JLS和NTS尾礦庫(kù)中的大部分養(yǎng)分含量均為Ⅵ級(jí), 因此兩個(gè)尾礦庫(kù)土壤均十分貧瘠。兩個(gè)尾礦庫(kù)的主要重金屬含量見(jiàn)表4。結(jié)果顯示兩個(gè)尾礦庫(kù)土壤中都是Cu的含量最高, 其次是Zn, 而Cd的含量最低, 且土壤中不同重金屬含量差異較大。從內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)來(lái)看(表4), JLS尾礦庫(kù)屬于重度污染水平, 而NTS尾礦庫(kù)屬于輕度污染水平, 但仍然超過(guò)了警戒線水平。

2.2 不同演替階段生物土壤結(jié)皮的生物量及藍(lán)藻、真菌、苔蘚豐度

分別對(duì)結(jié)皮層和土壤層中葉綠素a、類(lèi)胡蘿卜素和偽枝藻素含量進(jìn)行測(cè)定, 葉綠素a含量來(lái)表示結(jié)皮的主要光合生物量(圖2)。JLS和NTS尾礦庫(kù)的結(jié)皮下層土壤中的葉綠素a、類(lèi)胡蘿卜素和偽枝藻素含量均接近于零, 可見(jiàn)土壤中的光合生物主要分布于結(jié)皮層, 特別是生物土壤結(jié)皮(BSCs)階段的結(jié)皮層。物理結(jié)皮(PC)階段時(shí), 結(jié)皮層的三種色素含量均表現(xiàn)為最低, 且顯著低于生物土壤結(jié)皮階段, 但此時(shí)JLS的三種色素含量顯著高于土壤層, 而NTS無(wú)顯著差異。在JLS尾礦庫(kù)中, 隨著結(jié)皮從A、AM到M的演替, 結(jié)皮層葉綠素a呈逐漸增加趨勢(shì), 類(lèi)胡蘿卜素含量呈下降趨勢(shì), 偽枝藻素含量無(wú)顯著變化。在NTS尾礦庫(kù)中, 從A、AM到M2的演替過(guò)程中, 結(jié)皮層的葉綠素a與類(lèi)胡蘿卜素含量呈逐漸增加趨勢(shì), 偽枝藻素含量呈先增加后降低趨勢(shì)。M1階段是苔蘚結(jié)皮發(fā)育的早期階段,其結(jié)皮層的三種色素含量均處于A階段和AM階段之間, 且結(jié)皮層三種色素含量均顯著低于發(fā)育后期的M2階段。

表3 JLS和NTS尾礦庫(kù)土壤的理化指標(biāo)Tab. 3 Physical and chemical parameters of soils from the two tailings ponds

表4 JLS和NTS尾礦庫(kù)土壤的重金屬含量及重金屬污染評(píng)價(jià)Tab. 4 Heavy metal contents of soils and Nemerow multi-factor index in the two tailings ponds

對(duì)藍(lán)藻16S rRNA基因、真菌25—28S rRNA基因及苔蘚葉綠體rps4基因進(jìn)行絕對(duì)定量qPCR, 用其豐度來(lái)表示結(jié)皮中藍(lán)藻、真菌、苔蘚的絕對(duì)豐度,測(cè)定結(jié)果如圖3所示。BSCs中藍(lán)藻、真菌和苔蘚的絕對(duì)豐度分別為(0.63—2.01)×108、(0.19—1.53)×108和(0.08—3.34)×107copies/g DW soil; 物理結(jié)皮(PC)中藍(lán)藻、真菌和苔蘚的絕對(duì)豐度分別為(0.54—4.05)×107、(0.43—4.26)×106和(2.76—8.37)×105copies/g DW soil。不同廢棄年代尾礦庫(kù)中隨著結(jié)皮的發(fā)育演替, 其藍(lán)藻、真菌、苔蘚豐度變化趨勢(shì)有所差異。在JLS和NTS中, PC的藍(lán)藻、真菌和苔蘚絕對(duì)豐度均顯著低于BSCs。同時(shí)在JLS中, 隨著結(jié)皮的發(fā)育演替, 其藍(lán)藻、真菌、苔蘚的絕對(duì)豐度均呈增加趨勢(shì)。在NTS中, 藍(lán)藻絕對(duì)豐度隨著發(fā)育演替逐漸降低; 真菌絕對(duì)豐度在M2階段最高,M1階段最低。M1和M2階段具有不同的物種組成,M1階段具有較高的苔蘚豐度, 但是其藍(lán)藻和真菌絕對(duì)豐度遠(yuǎn)低于A和AM, 表明M1處于結(jié)皮發(fā)育的早期階段。結(jié)合M1階段的三種色素含量顯著低于M2的現(xiàn)象(圖2), 推測(cè)M1不經(jīng)過(guò)藻結(jié)皮階段, 而是苔蘚直接在土壤拓殖而形成苔蘚結(jié)皮, 故結(jié)皮中藍(lán)藻豐度較低。而M2階段藍(lán)藻、真菌和苔蘚的絕對(duì)豐度都處于較高水平, 表明其處于結(jié)皮發(fā)育的晚期階段。

將藍(lán)藻、真菌、苔蘚絕對(duì)豐度之和視為結(jié)皮總生物量, 對(duì)結(jié)皮中藍(lán)藻、真菌、苔蘚豐度比進(jìn)行計(jì)算(圖4)。PC階段藍(lán)藻占結(jié)皮整體生物量(藍(lán)藻、真菌、苔蘚絕對(duì)豐度之和)的比例高達(dá)86%—89%, 而B(niǎo)SCs階段藍(lán)藻比例較低, 為35%—76%。JLS和NTS中隨著結(jié)皮的演替, 結(jié)皮中藍(lán)藻、真菌、苔蘚豐度比例呈現(xiàn)相似的規(guī)律, 即隨著結(jié)皮從物理結(jié)皮到苔蘚結(jié)皮的演替, 結(jié)皮中藍(lán)藻比例呈逐漸下降趨勢(shì), 真菌和苔蘚比例呈逐漸上升趨勢(shì)。

2.3 不同演替階段生物土壤結(jié)皮的微生物群落結(jié)構(gòu)

JLS和NTS尾礦庫(kù)之間的微生物物種數(shù)、物種豐富度指數(shù)ACE和chao1均不存在顯著性的差異(圖5)。wilcox檢驗(yàn)表明JLS的Shannon和Simpson多樣性指數(shù)顯著高于NTS(圖5,P＜0.05)。利用Amova分析進(jìn)行組間群落結(jié)構(gòu)差異檢驗(yàn), 結(jié)果表明JLS和NTS尾礦庫(kù)之間微生物群落結(jié)構(gòu)存在顯著差異(P=0.005)。

分別對(duì)JLS和NTS尾礦庫(kù)中不同演替階段結(jié)皮在門(mén)水平上的微生物組成進(jìn)行分析, 發(fā)現(xiàn)變形菌門(mén)、藍(lán)藻門(mén)、放線菌門(mén)、擬桿菌門(mén)、綠彎菌門(mén)、疣微菌門(mén)、酸桿菌門(mén)、浮霉菌門(mén)、芽孢單菌門(mén)、熱微菌門(mén)為結(jié)皮微生物的主要組成部分, 其相對(duì)豐度總和達(dá)到90%以上(圖6)。其中變形菌門(mén)相對(duì)豐度最高, 達(dá)到32.5%—49.8%。JLS中PC階段藍(lán)藻門(mén)相對(duì)豐度高于三種生物土壤結(jié)皮階段。隨著結(jié)皮的發(fā)育演替, 變形菌門(mén)和藍(lán)藻門(mén)相對(duì)豐度呈下降趨勢(shì), 其他微生物的相對(duì)豐度呈上升趨勢(shì), 說(shuō)明隨著結(jié)皮的演替其微生物的物種組成向多元化方向發(fā)展。放線菌門(mén)和芽孢單菌門(mén)相對(duì)豐度在A階段最高, 隨著結(jié)皮從A、AM到M階段演替, 兩者相對(duì)豐度呈降低趨勢(shì), 而綠彎菌門(mén)和浮霉菌門(mén)相對(duì)豐度呈上升趨勢(shì)。擬桿菌門(mén)相對(duì)豐度隨結(jié)皮演替變化不大。在NTS中, 隨著結(jié)皮從PC、A到AM階段演替,變形菌門(mén)和芽孢單菌門(mén)相對(duì)豐度逐漸降低, 疣微菌門(mén)和浮霉菌門(mén)相對(duì)豐度逐漸升高, 到M1和M2階段變形菌門(mén)相對(duì)豐度有所上升, 疣微菌門(mén)和浮霉菌門(mén)相對(duì)豐度有所下降。與JLS不同, NTS中A階段藍(lán)藻門(mén)相對(duì)豐度最高, AM階段藍(lán)藻門(mén)相對(duì)豐度最低。M1與M2相比, 變形菌門(mén)、擬桿菌門(mén)相對(duì)豐度較高,而藍(lán)藻門(mén)、綠彎菌門(mén)相對(duì)豐度較低。

圖2 JLS和NTS尾礦庫(kù)中結(jié)皮層與土壤層的色素含量Fig. 2 The contents of pigments in the soil crust layers and their underlying soil layers of the two tailings ponds

3 討論

圖3 結(jié)皮中藍(lán)藻16S rRNA基因、真菌25—28S rRNA基因及苔蘚葉綠體rps4基因絕對(duì)豐度(小寫(xiě)字母用于表示樣品間的差異性, P＜0.05)Fig. 3 Gene copies of cyanobacterial 16S rRNA, fungal 25—28S rRNA and moss chloroplast rps4 in crusts, significant differences between samples are marked with lowercase letters (P＜0.05)

圖4 結(jié)皮中苔蘚rps4基因、真菌25—28S rRNA基因及藍(lán)藻16S rRNA基因豐度的百分比Fig. 4 The percentage of total gene copies present as gene copies of moss chloroplast rps4, fungal25—28S rRNA and cyanobacterial 16S rRNA

圖5 尾礦庫(kù)水平微生物的物種數(shù)、chao1指數(shù)、ACE指數(shù)、Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)Fig. 5 Observed species, chao1 index, ACE index, Shannon index and Simpson index between the two tailings ponds

尾礦通常來(lái)源于很深的地層, 因此有機(jī)質(zhì)的含量十分稀少。JLS和TLS尾礦庫(kù)地理位置接近, 且無(wú)明顯的人類(lèi)活動(dòng)干擾, 但土壤的pH和OM、TN、AK等營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)顯著的不同(表3), 這可能是由于生物土壤結(jié)皮的自然發(fā)育和演替所導(dǎo)致的。尾礦庫(kù)有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)成分的增加有助于加速向正常土壤的發(fā)育[23,24]。以還原性硫化礦物為主的金屬尾礦庫(kù)在經(jīng)過(guò)開(kāi)采、提取、選礦后, 往往產(chǎn)生大量高濃度的酸性廢水, 直接排放會(huì)嚴(yán)重污染尾礦庫(kù)周?chē)h(huán)境, 因此常在廢水排出前使用堿性中和劑使排出的廢水達(dá)到基本的排放標(biāo)準(zhǔn), 所以本研究中發(fā)現(xiàn)的尾礦庫(kù)pH相對(duì)較高, 在一定程度上減少了酸性廢水的直接污染[25—27]。土壤有機(jī)質(zhì)被普遍認(rèn)為是保持土壤肥力, 保護(hù)土壤免受污染、退化、侵蝕和荒漠化侵害的最重要因素之一, 在半干旱地區(qū)尤為重要[2,28]。盡管JLS和NTS尾礦庫(kù)土壤分別屬于重度污染和輕度污染水平, 高等植物難以生存, 但各種類(lèi)型的生物土壤結(jié)皮仍然能在其中生長(zhǎng)(圖1), 這表明生物土壤結(jié)皮能夠適應(yīng)尾礦庫(kù)這一極端退化環(huán)境。隨著結(jié)皮在尾礦庫(kù)中的發(fā)育與演替, 結(jié)皮生物量逐漸的增加(圖2), 這與干旱和半干旱地區(qū)的研究結(jié)果類(lèi)似[10,29], 但下層土壤所受到的影響較小, 這可能是由于尾礦庫(kù)土壤結(jié)構(gòu)緊密不利于水分滲透導(dǎo)致的。在廢棄時(shí)間較久的JLS尾礦庫(kù), 對(duì)各個(gè)類(lèi)型結(jié)皮的基因拷貝數(shù)來(lái)說(shuō)藍(lán)藻＞真菌＞苔蘚(圖3), 但是隨著結(jié)皮的逐漸演替, 整體生物量上升的同時(shí), 藍(lán)藻基因豐度所占的比例逐漸減少, 而苔蘚與真菌的豐度逐漸增加(圖4)。沙漠地區(qū)的研究結(jié)果也表明隨著結(jié)皮逐漸發(fā)育, BSCs中藍(lán)藻和真菌相對(duì)生物量呈下降趨勢(shì), 苔蘚相對(duì)生物量呈上升趨勢(shì)[21]。而對(duì)于廢棄時(shí)間較短的NTS尾礦庫(kù)來(lái)說(shuō), 這一規(guī)律同樣存在(圖3和圖4)。而在重金屬條件下, 也有研究表明高濃度Cu、Zn、Fe濃度和低營(yíng)養(yǎng)含量可以抑制土壤藻類(lèi)的生長(zhǎng), 尾礦中的土壤藻類(lèi)的種類(lèi)和豐度隨著早期演替過(guò)程而增加, 但苔蘚和維管植物的出現(xiàn)卻抑制了土壤藻類(lèi)的生長(zhǎng)[30]。雖有差異, 這些研究均表明苔蘚的出現(xiàn)會(huì)在一定程度上抑制藻類(lèi)的生長(zhǎng), 且在演替后期苔蘚是結(jié)皮中主要的光合生物[31]。

微生物廣泛存在于結(jié)皮發(fā)育的各個(gè)階段, 對(duì)土壤物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)起到重要作用。Janssen[32]在對(duì)來(lái)自多種類(lèi)型土壤的32個(gè)克隆文庫(kù)的調(diào)查中發(fā)現(xiàn), 土壤細(xì)菌至少包含32個(gè)門(mén), 健康的土壤中的優(yōu)勢(shì)微生物群落有變形菌門(mén)、酸桿菌門(mén)、放線菌、疣微菌門(mén)、擬桿菌、綠彎菌門(mén)、浮霉菌門(mén)、芽單胞菌門(mén)和厚壁菌門(mén), 這9個(gè)門(mén)的成員平均占土壤微生物克隆文庫(kù)總豐度的92%。本研究采用高通量測(cè)序?qū)Y(jié)皮的微生物組成進(jìn)行測(cè)定, 共得到了41門(mén)的物種, 其中變形菌門(mén)、藍(lán)藻門(mén)、放線菌門(mén)、擬桿菌門(mén)、綠彎菌門(mén)、疣微菌門(mén)、酸桿菌門(mén)、浮霉菌門(mén)、芽單胞菌門(mén)及熱微菌門(mén)是主要組分, 它們?cè)谒膫€(gè)尾礦庫(kù)的結(jié)皮中累計(jì)豐度達(dá)到90%以上, 說(shuō)明結(jié)皮與土壤中微生物類(lèi)群存在一定同源性。但是兩者優(yōu)勢(shì)類(lèi)群豐度存在一定差異, 本研究中結(jié)皮的優(yōu)勢(shì)類(lèi)群為變形菌門(mén)和藍(lán)藻門(mén), 兩者在結(jié)皮中的平均相對(duì)豐度分別為43%和11%, 放線菌門(mén)和酸桿菌門(mén)相對(duì)豐度較低, 在結(jié)皮中的平均相對(duì)豐度分別為9%和7%。而在健康土壤中, 變形菌門(mén)平均占土壤總細(xì)菌群落的39%, 酸桿菌門(mén)平均占20%, 放線菌門(mén)占13%[32]。可以看出在結(jié)皮和土壤中變形菌門(mén)均占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì), 藍(lán)藻門(mén)取代了酸桿菌門(mén)優(yōu)勢(shì)地位,成為結(jié)皮中第二大細(xì)菌組分。同樣有研究者發(fā)現(xiàn)銅陵銅尾礦庫(kù)廢棄地結(jié)皮的微生物群落中主要類(lèi)群為變形菌門(mén)、藍(lán)藻門(mén)、擬桿菌門(mén)和酸桿菌門(mén), 其中藍(lán)藻門(mén)在群落中相對(duì)豐度也較高, 與本研究的結(jié)果較為一致[33]。藍(lán)藻具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性, 是生物土壤結(jié)皮得以拓殖和演替的基礎(chǔ), 廣泛存在于各個(gè)發(fā)育階段的生物土壤結(jié)皮中。另外沙漠地區(qū)的生物土壤結(jié)皮微生物群落結(jié)構(gòu)表現(xiàn)與尾礦庫(kù)結(jié)皮相似, 而沙漠結(jié)皮下流沙層的微生物群落結(jié)構(gòu)則偏向于健康土壤, 這都說(shuō)明了藍(lán)藻門(mén)在結(jié)皮的微生物群落結(jié)構(gòu)中不可替代的地位[34]。藻類(lèi)除了是生物土壤結(jié)皮的主要固氮生物和光合生物外, 藻絲體和分泌的胞外多糖的黏結(jié)作用也是固定土壤表皮, 增強(qiáng)土壤抵抗風(fēng)水侵蝕能力的重要因素[35]。微生物Shannon和Simpson多樣性指數(shù)表現(xiàn)出與演替年代顯著的正相關(guān)(圖5), 表明結(jié)皮中微生物群落結(jié)構(gòu)受到結(jié)皮發(fā)育年代和結(jié)皮演替階段的影響。

圖6 結(jié)皮中門(mén)水平Top10微生物的相對(duì)豐度Fig. 6 Relative abundance of the Top10 microorganisms at phylum level in crusts

4 結(jié)論

(1) 生物土壤結(jié)皮可在金屬尾礦庫(kù)中廣泛分布,同時(shí)可以起到增加尾礦庫(kù)土壤養(yǎng)分的作用, 隨著結(jié)皮的發(fā)育演替表層土壤的有機(jī)質(zhì)、總氮和速效鉀含量均有所增加。(2) 高通量測(cè)定與分析表明結(jié)皮的微生物群落組成豐富, Top10的微生物在不同結(jié)皮中的累計(jì)豐度達(dá)均到90%以上。隨著結(jié)皮的演替, 其微生物多樣性有所增加。(3) 金屬尾礦庫(kù)中的生物土壤結(jié)皮物種組成及其變化規(guī)律與荒漠化地區(qū)類(lèi)似, 且藍(lán)藻在其中具有不可替代的作用。

致謝:

感謝中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所張?jiān)撇┦亢袜崑衫虿┦吭跇悠凡杉蛿?shù)據(jù)分析中給予的大力支持。