基本信息
- 项目名称：
- 丛枝菌根真菌和施肥在矿区生态修复中固碳作用及效应
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本研究阐述了丛枝菌根在自然生态系统中的固碳作用机制，并应用于矿区土壤复垦。接种AMF并添加30%污泥进行8个月的复垦后，矿区修复土壤理化性质明显提高且可达到土壤有机碳的最高增长，矿区土壤固碳能力达到最大。分析接种AMF和不同施肥条件对矿区修复土壤理化性质和固碳容量的作用表明，接种AMF和有机物质的施加能够提高土壤质量从而增加生物生产力和土壤固碳量。
- 详细介绍：
- 矿区土壤由于受到破坏，土壤结构扰动，营养贫瘠，理化性质恶劣，微生物活性低，不仅直接导致植被碳汇稀少，而且由于缺乏进入土壤的生物量，间接导致了土壤有机碳含量的低下。因此研究如何恢复矿区生态生境、有效提高土壤对大气中CO2的固定量对生态系统固碳具有重要的意义。 本研究将丛枝菌根真菌（Arbuscular Mycorrhizal Fungi，简称AMF）用于矿区废弃地生态修复同时引入污泥，使矿区废弃地重新恢复土壤微生物体系，通过对AMF用于矿区修复研究的同时进行矿区修复地（Reclaimed Mine Soil，简称RMS）的固碳能力研究。 AMF是一类广泛分布于土壤中的有益微生物，能与大多数高等植物的根和真菌之间形成共生联合体。作为陆地生态系统中的“关键共生物”，AMF在植物-土壤系统的碳流调控中扮演着关键性角色，对土壤碳固持具有重要作用。AMF在调控生物圈与大气间的碳流量中发挥着重要作用，它能够改变矿质营养的成分、激素平衡、碳的分配形式以及植物生理的调节等。发育良好的菌根，增加了植物于土壤接触的表面积，使原来在空间上对作物无效的养分变为有效养分。AMF自身不能进行光合作用，需依靠寄主植物供给所需的碳，作为交换，AMF提供给植物矿质营养和水分。AMF产生的球囊霉素相关土壤蛋白是土壤中一个重要碳库。AMF能通过若干机制影响生态系统过程，丛枝菌根在自然生态系统中的固碳机制，主要包括三个方面：（1）AMF直接淀积宿主植物光合作用固定的碳；（2）AMF产生的GRSP直接增加土壤碳库；（3）AMF能促进土壤团聚体的形成，改善土壤结构，间接增加土壤碳固持。 本研究以矿区废弃物煤矸石和粉煤灰为主体，添加含有大量营养物质的污水污泥，再对复垦植物接种AMF，以构建复合基质-菌根-微生物修复体系。 矿区生态修复及其固碳现场试验选址于徐州庞庄矿区。现场模拟试验选择多年生牧草植物黑麦草作为供试植物。黑麦草作为多年生牧草植物，具有生物量大、耐寒耐热耐践踏等特点，易于粗放管理，可作为矿区土地复垦的“先锋植物”。试验所用污水污泥取自校区污水处理站剩余污泥，该处理站污水主要来自校园生活用水，采用好氧流化床工艺处理，经带式压滤机脱水，含水率为70%-80%，具有营养成分高，重金属含量低，不含有毒有害物质等特点。粉煤灰取自徐州发电厂，煤矸石取自张小楼矿矸石山20~40cm深处矸石，选取摩西球囊霉菌Glomus mosseae（G.m）为供试菌种。 试验设接种和不接种处理（分别为15m2区域），接种和不接种之间有隔离带。将试验区域（30m2）分六部分小区域，小区域之间用20cm宽带隔开，小区域面积为5m2，所有区域均种植黑麦草。在一边三块（A1，A2，A3）接种丛枝菌根真菌，另一边三块（B1，B2，B3）为不接种对照。整个试验做正常土壤对照组（A1和B1为原有混有煤矸石的矿区土），而A2和B2是煤矸石和粉煤灰质量比为95:5混合均匀的填充基质，A3和B3是煤矸石、粉煤灰和污泥质量比为65:5:30混合均匀的填充基质，覆土厚度为15cm，复垦时间为8个月。接种处理菌根菌剂接种量为1kg/m2。播种后浇水使土壤达到最大饱和持水量，每周浇水2次，1个月后每周浇水1次，2个月后植物自然生长。 复垦8个月后，添加30%污泥条件下，接种处理的土壤容重下降0.24 g/cm3，随着种植复垦年限的增加，接种处理会使基质的容重向更小的方向变化。配比A2处理的土壤容重、土壤孔隙度和持水量变化分别为0.08、9.18%、2.82%，变化幅度均高于相对其他两种处理，说明在矿区复垦基质配比中，A2配比最优，即添加30%的污泥对于矿区废弃地土壤复垦效果最好。复垦8个月后土壤有机质增量为16.09 g kg-1，C/N增加值为5.04，表明土壤理化性质明显提高，30%污泥添加结合AMF接种可达到土壤有机碳（SOC）的最高增长，矿区生态系统固碳能力最大。AMF在矿区碳固持中的贡献显著，菌根的侵染促进根系、真菌菌丝和土壤SOC的增长、土壤团聚体的形成，从而增强土壤固碳能力；AMF作为矿区生态系统的一个重要组成部分，提高矿区生态系统的生物生产力和物种多样性，间接增加生物固碳能力。 结合国内外相关研究的数据分析表明,本研究采用的复合基质-菌根-微生物修复体系建立废物生态化利用模式，具有菌根侵染率和C/N增加值均较高，可显著降低土壤容重值和增加生物生产力和土壤固碳量等优点。充分利用了矿区废弃物和污泥的同时，解决了矿区客土的来源问题，矿区生态修复过程中增加系统的固碳能力, 是构建集废物利用、土壤结构改善、微生物和植被恢复为一体的高效免施肥的矿区生态修复技术。 本研究成果可作为矿山生态修复与矿业城市循环经济建设有机结合的实用模式，可望推广于不同类型的矿区。该项技术的推广应用不但可以改善矿区的生态环境，还可以有效地实现矿业城市发展的土地置换，推进矿业城市特别是煤炭枯竭型城市的可持续发展。 矿区生态修复系统的固碳较大，深入开展矿区生态系统固碳是非常重要也是极具意义的。研究鉴定土壤有机碳固定和保护机制、评估有效开垦措施下的土壤固碳潜力以及确定矿区生态系统的演变是具有重要意义且非常必要的；这方面的研究热点在于，增强生态系统的自然容量来增加有机物质的输入。 但是从总体功能上来说，矿区生态系统中的固碳机制仍是一个很难理解的过程，需要进一步研究；从研究方法和技术上来说，随着现代生理和分子生物学的渗入，研究已侧重于运用分子生物学的方法和磷脂脂肪酸技术（Phospholipids fatty acids，简称PLFAs）相结合研究矿区生态系统中AMF与土壤生理参数的关系，尤其是运用稳定性同位素探针（Stable Isotope Probing，简称SIP）技术研究菌丝在土壤结构中功能和菌丝网在生态系统碳固持中的作用。加强AMF在RMS生态系统的固碳研究，不仅弥补丛枝菌根固碳机制所研究的不足，而且也将对AMF的碳固持提供十分重要的理论依据，从而能够来更好地进行矿区废弃地的固碳能力建设。
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撰写目的和基本思路
- 煤矿的开采会造成土壤固碳能力的丧失，间接增加空气中的温室气体。所以进行矿区生态修复，恢复其生态功能的同时增强土壤固碳能力，具有重要的意义。本文以煤矸石为主体矿区基质，通过添加污泥同时接种丛枝菌根真菌，进行矿区复垦土壤固碳能力的现场试验研究。结合相关研究文献数据结果，分析接种AMF对RMS理化性质和固碳容量的作用，对比研究不同施肥条件对矿区生态系统的固碳容量影响。
科学性、先进性及独特之处
- 通过现场实验分析与相关文献数据相结合的方法，探索接种AMF对RMS理化性质和固碳容量的作用，对比研究不同施肥条件对矿区生态系统的固碳容量影响。
应用价值和现实意义
- 通过采用以煤矸石为基质主体，添加活性污泥和丛枝菌根，构建植物-复合基质-根际微生物的矿区生态修复系统以恢复矿区土壤的生态系统和固碳能力。实现以废治废的同时，优化矿区免施肥可持续生物修复系统。
学术论文摘要
- 本文阐述了丛枝菌根真菌在自然生态系统中的固碳作用机制，指出AMF可促进宿主植物光合作用，其分泌的球囊霉素相关土壤蛋白直接增加土壤碳库和促进土壤团聚体形成间接增加土壤碳固持。在接种AMF同时添加活性污泥条件下，进行为期8个月的复垦现场试验, 研究矿区基质的生态修复和矿区修复土壤的固碳效应，结果表明，污泥添加质量比量为30%，复垦8个月后接种处理的土壤容重下降0.24 g/cm3，土壤有机质增量为16.09g/ kg，C/N增加71.38%，矿区修复土壤理化性质明显提高；可使土壤有机碳的增长量最大。结合相关研究文献对比分析接种AMF和不同施肥条件对矿区修复土壤的土壤结构及团聚体和固碳容量的作用，接种丛枝菌根真菌和有机物质的施加能够有效改善土壤质量从而增加生物生产力和土壤固碳量。
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 无
参考文献
- 1.毕银丽，吴王燕，刘银平.丛枝菌根在煤矸石山土地复垦中的应用[J].生态学报，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.
同类课题研究水平概述
- 目前，主要采用的矿区复垦方法为井口充填煤矸石加覆土再种植植物。但该系统自身持水性差、理化性质极端、肥力低下，使得植物很难生长，且需要大量客土，其来源和运输成本都较高。 为了改进矿区土壤复垦技术，本研究采取了如下措施并取得了较好的效果：针对采用单一植物时，植物定株难，生长速度慢的问题。在修复技术中添加了丛枝菌根真菌（AMF）。这是一类广泛分布于土壤中的有益微生物，是植物根系与菌根真菌的互利共生体。在生态修复中加入菌根可改善土壤结构；改良土壤肥力；增强土壤生物活性；促进植物生长和养分吸收；以及增强植物抗逆能力；针对传统方法中土壤肥力低下等问题，本研究在基质中添加了城市生活污水处理厂的污泥。污泥是污水处理的废弃物，其中含有大量的N、P等营养物质。采用煤矸石、粉煤灰、污泥按适当比例混合作为矿区复垦的复合基质，实现以废治废的同时，增加土壤的肥力。 AMF应用于矿区修复研究大多偏重于其对植物生长效应方面，宿主植物和土壤环境因素如何影响菌根真菌的生长和代谢方面。 Coyne M.S 研究发现使用有机填充剂进行矿区土壤复垦能够降低土壤容重，提高土壤持水量和提高植物对营养元素的可得性。Gaind等的研究表明，粉煤灰的使用能够增加磷酸盐溶解和固氮细菌的群落数量。少有研究涉及从不同复垦策略的有机填充物的来源、性质和用量及其对土壤特性、矿区生态修复系统恢复生态功能和固碳能力的研究。 污泥添加和菌种接入对矿区复垦土壤的生物多样性的贡献和结构改良的内在机制目前尚不清楚，适宜矿区复垦的复合基质-菌根-微生物修复技术体系的构建机制及其矿区生态修复优化调控原理有待科学上予以阐明。 国外学者近几年涉及AMF在修复土壤中的对固碳的贡献。研究结果证明接菌根菌丝对土壤水稳性大团聚体形成的贡献大于根系的影响。Rillig, M.C等研究发现AMF可分泌球囊霉素来增加土壤团聚体稳定性。 矿区土壤腐殖质和团聚体极度缺乏和生物活性极低特性，种土壤结构、环境和生物要素方面的异质性，会导致土壤有机碳积累过程和能力与天然森林、草地和农田土壤的的很大差异。团聚体的形成和稳定是矿区生态系统碳循环关键过程，矿区生态修复过程中基于土壤团聚体的形成作用为核心的有机碳固定机制有待于研究。对矿区复垦土壤团聚体的形成和固碳的关键驱动因子和相应贡献有待科学上予以阐明。
