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基本信息

項(xiàng)目名稱：
叢枝菌根真菌和施肥在礦區(qū)生態(tài)修復(fù)中固碳作用及效應(yīng)
小類(lèi)：
能源化工
簡(jiǎn)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(jī)制，并應(yīng)用于礦區(qū)土壤復(fù)墾。接種AMF并添加30%污泥進(jìn)行8個(gè)月的復(fù)墾后，礦區(qū)修復(fù)土壤理化性質(zhì)明顯提高且可達(dá)到土壤有機(jī)碳的最高增長(zhǎng)，礦區(qū)土壤固碳能力達(dá)到最大。分析接種AMF和不同施肥條件對(duì)礦區(qū)修復(fù)土壤理化性質(zhì)和固碳容量的作用表明，接種AMF和有機(jī)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(xì)介紹：
礦區(qū)土壤由于受到破壞，土壤結(jié)構(gòu)擾動(dòng)，營(yíng)養(yǎng)貧瘠，理化性質(zhì)惡劣，微生物活性低，不僅直接導(dǎo)致植被碳匯稀少，而且由于缺乏進(jìn)入土壤的生物量，間接導(dǎo)致了土壤有機(jī)碳含量的低下。因此研究如何恢復(fù)礦區(qū)生態(tài)生境、有效提高土壤對(duì)大氣中CO2的固定量對(duì)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(jiǎn)稱AMF）用于礦區(qū)廢棄地生態(tài)修復(fù)同時(shí)引入污泥，使礦區(qū)廢棄地重新恢復(fù)土壤微生物體系，通過(guò)對(duì)AMF用于礦區(qū)修復(fù)研究的同時(shí)進(jìn)行礦區(qū)修復(fù)地（Reclaimed Mine Soil，簡(jiǎn)稱RMS）的固碳能力研究。 AMF是一類(lèi)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(guān)鍵共生物”，AMF在植物-土壤系統(tǒng)的碳流調(diào)控中扮演著關(guān)鍵性角色，對(duì)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(yíng)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(lái)在空間上對(duì)作物無(wú)效的養(yǎng)分變?yōu)橛行юB(yǎng)分。AMF自身不能進(jìn)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(yíng)養(yǎng)和水分。AMF產(chǎn)生的球囊霉素相關(guān)土壤蛋白是土壤中一個(gè)重要碳庫(kù)。AMF能通過(guò)若干機(jī)制影響生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程，叢枝菌根在自然生態(tài)系統(tǒng)中的固碳機(jī)制，主要包括三個(gè)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(kù)；（3）AMF能促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成，改善土壤結(jié)構(gòu)，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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的污水污泥，再對(duì)復(fù)墾植物接種AMF，以構(gòu)建復(fù)合基質(zhì)-菌根-微生物修復(fù)體系。 礦區(qū)生態(tài)修復(fù)及其固碳現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選址于徐州龐莊礦區(qū)?，F(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)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(diǎn)，易于粗放管理，可作為礦區(qū)土地復(fù)墾的“先鋒植物”。試驗(yàn)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(lái)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(jī)脫水，含水率為70%-80%，具有營(yíng)養(yǎng)成分高，重金屬含量低，不含有毒有害物質(zhì)等特點(diǎn)。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(yàn)設(shè)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(yàn)區(qū)域（30m2）分六部分小區(qū)域，小區(qū)域之間用20cm寬帶隔開(kāi)，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(duì)照。整個(gè)試驗(yàn)做正常土壤對(duì)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(fù)墾時(shí)間為8個(gè)月。接種處理菌根菌劑接種量為1kg/m2。播種后澆水使土壤達(dá)到最大飽和持水量，每周澆水2次，1個(gè)月后每周澆水1次，2個(gè)月后植物自然生長(zhǎng)。 復(fù)墾8個(gè)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(fù)墾年限的增加，接種處理會(huì)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(duì)其他兩種處理，說(shuō)明在礦區(qū)復(fù)墾基質(zhì)配比中，A2配比最優(yōu)，即添加30%的污泥對(duì)于礦區(qū)廢棄地土壤復(fù)墾效果最好。復(fù)墾8個(gè)月后土壤有機(jī)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(jié)合AMF接種可達(dá)到土壤有機(jī)碳（SOC）的最高增長(zhǎng)，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(xiàn)顯著，菌根的侵染促進(jìn)根系、真菌菌絲和土壤SOC的增長(zhǎng)、土壤團(tuán)聚體的形成，從而增強(qiáng)土壤固碳能力；AMF作為礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)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(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的數(shù)據(jù)分析表明,本研究采用的復(fù)合基質(zhì)-菌根-微生物修復(fù)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(diǎn)。充分利用了礦區(qū)廢棄物和污泥的同時(shí)，解決了礦區(qū)客土的來(lái)源問(wèn)題，礦區(qū)生態(tài)修復(fù)過(guò)程中增加系統(tǒng)的固碳能力, 是構(gòu)建集廢物利用、土壤結(jié)構(gòu)改善、微生物和植被恢復(fù)為一體的高效免施肥的礦區(qū)生態(tài)修復(fù)技術(shù)。 本研究成果可作為礦山生態(tài)修復(fù)與礦業(yè)城市循環(huán)經(jīng)濟(jì)建設(shè)有機(jī)結(jié)合的實(shí)用模式，可望推廣于不同類(lèi)型的礦區(qū)。該項(xiàng)技術(shù)的推廣應(yīng)用不但可以改善礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境，還可以有效地實(shí)現(xiàn)礦業(yè)城市發(fā)展的土地置換，推進(jìn)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(fù)系統(tǒng)的固碳較大，深入開(kāi)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(jī)碳固定和保護(hù)機(jī)制、評(píng)估有效開(kāi)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(diǎn)在于，增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)的自然容量來(lái)增加有機(jī)物質(zhì)的輸入。 但是從總體功能上來(lái)說(shuō)，礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中的固碳機(jī)制仍是一個(gè)很難理解的過(guò)程，需要進(jìn)一步研究；從研究方法和技術(shù)上來(lái)說(shuō)，隨著現(xiàn)代生理和分子生物學(xué)的滲入，研究已側(cè)重于運(yùn)用分子生物學(xué)的方法和磷脂脂肪酸技術(shù)（Phospholipids fatty acids，簡(jiǎn)稱PLFAs）相結(jié)合研究礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中AMF與土壤生理參數(shù)的關(guān)系，尤其是運(yùn)用穩(wěn)定性同位素探針（Stable Isotope Probing，簡(jiǎn)稱SIP）技術(shù)研究菌絲在土壤結(jié)構(gòu)中功能和菌絲網(wǎng)在生態(tài)系統(tǒng)碳固持中的作用。加強(qiáng)AMF在RMS生態(tài)系統(tǒng)的固碳研究，不僅彌補(bǔ)叢枝菌根固碳機(jī)制所研究的不足，而且也將對(duì)AMF的碳固持提供十分重要的理論依據(jù)，從而能夠來(lái)更好地進(jìn)行礦區(qū)廢棄地的固碳能力建設(shè)。

作品圖片

  • 叢枝菌根真菌和施肥在礦區(qū)生態(tài)修復(fù)中固碳作用及效應(yīng)
  • 叢枝菌根真菌和施肥在礦區(qū)生態(tài)修復(fù)中固碳作用及效應(yīng)
  • 叢枝菌根真菌和施肥在礦區(qū)生態(tài)修復(fù)中固碳作用及效應(yīng)
  • 叢枝菌根真菌和施肥在礦區(qū)生態(tài)修復(fù)中固碳作用及效應(yīng)

作品專(zhuān)業(yè)信息

撰寫(xiě)目的和基本思路

煤礦的開(kāi)采會(huì)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(jìn)行礦區(qū)生態(tài)修復(fù)，恢復(fù)其生態(tài)功能的同時(shí)增強(qiáng)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(guò)添加污泥同時(shí)接種叢枝菌根真菌，進(jìn)行礦區(qū)復(fù)墾土壤固碳能力的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。結(jié)合相關(guān)研究文獻(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，分析接種AMF對(duì)RMS理化性質(zhì)和固碳容量的作用，對(duì)比研究不同施肥條件對(duì)礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的固碳容量影響。

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)分析與相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，探索接種AMF對(duì)RMS理化性質(zhì)和固碳容量的作用，對(duì)比研究不同施肥條件對(duì)礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的固碳容量影響。

應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義

通過(guò)采用以煤矸石為基質(zhì)主體，添加活性污泥和叢枝菌根，構(gòu)建植物-復(fù)合基質(zhì)-根際微生物的礦區(qū)生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)以恢復(fù)礦區(qū)土壤的生態(tài)系統(tǒng)和固碳能力。實(shí)現(xiàn)以廢治廢的同時(shí)，優(yōu)化礦區(qū)免施肥可持續(xù)生物修復(fù)系統(tǒng)。

學(xué)術(shù)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(jī)制，指出AMF可促進(jìn)宿主植物光合作用，其分泌的球囊霉素相關(guān)土壤蛋白直接增加土壤碳庫(kù)和促進(jìn)土壤團(tuán)聚體形成間接增加土壤碳固持。在接種AMF同時(shí)添加活性污泥條件下，進(jìn)行為期8個(gè)月的復(fù)墾現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn), 研究礦區(qū)基質(zhì)的生態(tài)修復(fù)和礦區(qū)修復(fù)土壤的固碳效應(yīng)，結(jié)果表明，污泥添加質(zhì)量比量為30%，復(fù)墾8個(gè)月后接種處理的土壤容重下降0.24 g/cm3，土壤有機(jī)質(zhì)增量為16.09g/ kg，C/N增加71.38%，礦區(qū)修復(fù)土壤理化性質(zhì)明顯提高；可使土壤有機(jī)碳的增長(zhǎng)量最大。結(jié)合相關(guān)研究文獻(xiàn)對(duì)比分析接種AMF和不同施肥條件對(duì)礦區(qū)修復(fù)土壤的土壤結(jié)構(gòu)及團(tuán)聚體和固碳容量的作用，接種叢枝菌根真菌和有機(jī)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(jiǎng)情況

無(wú)

鑒定結(jié)果

無(wú)

參考文獻(xiàn)

1.畢銀麗，吳王燕，劉銀平.叢枝菌根在煤矸石山土地復(fù)墾中的應(yīng)用[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，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(lèi)課題研究水平概述

目前，主要采用的礦區(qū)復(fù)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(zhǎng)，且需要大量客土，其來(lái)源和運(yùn)輸成本都較高。 為了改進(jìn)礦區(qū)土壤復(fù)墾技術(shù)，本研究采取了如下措施并取得了較好的效果：針對(duì)采用單一植物時(shí)，植物定株難，生長(zhǎng)速度慢的問(wèn)題。在修復(fù)技術(shù)中添加了叢枝菌根真菌（AMF）。這是一類(lèi)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(fù)中加入菌根可改善土壤結(jié)構(gòu)；改良土壤肥力；增強(qiáng)土壤生物活性；促進(jìn)植物生長(zhǎng)和養(yǎng)分吸收；以及增強(qiáng)植物抗逆能力；針對(duì)傳統(tǒng)方法中土壤肥力低下等問(wèn)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。采用煤矸石、粉煤灰、污泥按適當(dāng)比例混合作為礦區(qū)復(fù)墾的復(fù)合基質(zhì)，實(shí)現(xiàn)以廢治廢的同時(shí)，增加土壤的肥力。 AMF應(yīng)用于礦區(qū)修復(fù)研究大多偏重于其對(duì)植物生長(zhǎng)效應(yīng)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(zhǎng)和代謝方面。 Coyne M.S 研究發(fā)現(xiàn)使用有機(jī)填充劑進(jìn)行礦區(qū)土壤復(fù)墾能夠降低土壤容重，提高土壤持水量和提高植物對(duì)營(yíng)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(xì)菌的群落數(shù)量。少有研究涉及從不同復(fù)墾策略的有機(jī)填充物的來(lái)源、性質(zhì)和用量及其對(duì)土壤特性、礦區(qū)生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)恢復(fù)生態(tài)功能和固碳能力的研究。 污泥添加和菌種接入對(duì)礦區(qū)復(fù)墾土壤的生物多樣性的貢獻(xiàn)和結(jié)構(gòu)改良的內(nèi)在機(jī)制目前尚不清楚，適宜礦區(qū)復(fù)墾的復(fù)合基質(zhì)-菌根-微生物修復(fù)技術(shù)體系的構(gòu)建機(jī)制及其礦區(qū)生態(tài)修復(fù)優(yōu)化調(diào)控原理有待科學(xué)上予以闡明。 國(guó)外學(xué)者近幾年涉及AMF在修復(fù)土壤中的對(duì)固碳的貢獻(xiàn)。研究結(jié)果證明接菌根菌絲對(duì)土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體形成的貢獻(xiàn)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(lái)增加土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。 礦區(qū)土壤腐殖質(zhì)和團(tuán)聚體極度缺乏和生物活性極低特性，種土壤結(jié)構(gòu)、環(huán)境和生物要素方面的異質(zhì)性，會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)碳積累過(guò)程和能力與天然森林、草地和農(nóng)田土壤的的很大差異。團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定是礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)關(guān)鍵過(guò)程，礦區(qū)生態(tài)修復(fù)過(guò)程中基于土壤團(tuán)聚體的形成作用為核心的有機(jī)碳固定機(jī)制有待于研究。對(duì)礦區(qū)復(fù)墾土壤團(tuán)聚體的形成和固碳的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因子和相應(yīng)貢獻(xiàn)有待科學(xué)上予以闡明。
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