汾河下游河岸带土壤微生物及反硝化速率研究

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汾河下游受人为因素的干扰强烈,面临农业面源污染、局部水域水质下降等生态环境问题,下游水质常年为劣V类,具有典型的区域特性。河岸带是阻挡氮素进入水体的重要屏障,土壤反硝化作用是河岸带去除氮的主要途径,土壤条件、植被和反硝化微生物的功能基因丰度对反硝化速率有显著影响。研究汾河河岸带反硝化微生物和土壤理化性质,可为探明土壤氮循环规律提供研究基础,为类似生境下的河岸带管理提供理论依据。本研究针对汾河下游河段水体氮污染严重问题,结合研究区内不同类型河岸带的环境背景,以汾河下游河岸带为研究对象,研究了春、夏两季河岸带土壤反硝化特征(反硝化功能基因丰度;反硝化速率)及其影响因素,以期为汾河下游河岸带在净化水质和减少河流氮污染方面的生态功能评估提供数据支持。主要研究成果如下:(1)汾河下游不同植被类型河岸带土壤碳、氮、磷元素储量为林地河岸带>草地河岸带>芦灌草混合地河岸带。汾河下游河岸带土壤碳、氮、磷含量与土壤性质有较强的相关性,影响河岸带土壤TN的主要因素是土壤含水率(SWC)、土壤比重(SSG)、土壤孔隙度(TOP);土壤pH值、土壤比重(SSG)是TP含量的主要影响因素;与SOC相关性较强的因素为土壤容重(SBD)、土壤pH、土壤含水率(SWC),说明河岸带土壤性质对土壤碳、氮、磷含量有一定的影响。(2)汾河下游三个植被区河岸带反硝化细菌的多样性存在一定的差异,水陆交界处与河岸带处反硝化群落结构差异性较高;河岸带处草地和芦灌草混合地反硝化群落结构相似,但与林地差异性较高,这与反硝化速率的分布规律一致。土壤反硝化细菌优势菌门均为变形菌门(Proteobacteria),相对丰度分别为林地82.57%、草地75.77%、芦灌草混合地83.45%。水陆交界处林地的优势菌属为沙单胞菌属(Arenimonas29.72%)、黄杆菌属(Flavobacterium15.35%);草地的优势菌属为硫杆菌属(Thiobacillus45.36%)、鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas1 4.40%);芦灌草混合地的优势菌属为氢噬胞菌属(Hydrogenophaga45.58%)、红细菌菌属(Rhodobacter17.77%)。林地河岸带的优势菌属为Thiobacillus、Flavobacterium、Sphingomonas;草地河岸带的优势菌属为Thiobacillus、Sphingomonas、Pseudomonas;芦灌草河岸带混合地的优势菌属为Thiobacillus、Arenimonas、Sideroxydans。各反硝化优势菌群的相对丰度含量受植被类型和土壤自身理化特性影响在不同的点位之间有一定的差异性,三种植被河岸带土壤Proteobacteria的相对丰度水陆交界处均大于河岸带。(3)汾河下游河岸带的反硝化细菌群落结构主要受到土壤SWC、pH值、SOC、TP、C:N和NH4+-N、NO3--N的影响;相关分析表明Shannon指数及Simpsom指数与SWC呈正相关,与SBD、TOP呈负相关;Chao1指数与pH值、TP、TOP呈负相关,且主要反硝化菌群相对丰度受到TP、土壤pH值和TOP的影响。chaol指数、Pseudomonas、Thiobacillus与反硝化速率呈显著正相关(p<0.05),相关性显著。(4)汾河下游河岸带不同植被类型下土壤反硝化速率范围为12.05-33.97μgNkg-1h-1,具有一定的时空异质性。季节变化特征表现为春季低(20.70μgNkg-1h-1)、夏季高(24.87μgNkg-1 h-1),空间变化特征表现为林地河岸带土壤反硝化速率平均值最高(24.12μgNkg-1h-1),芦灌草混合地河岸带最低(20.77μgNkg-1h-1)。不同植被类型土壤的反硝化速率存在明显差异性,但均呈现水陆交界处高于河岸带的趋势。相关性分析表明,汾河下游河岸带土壤反硝化速率与NO3--N、NH4+-N、TP、SOC、SSG呈正相关关系(p<0.05),与TP、SSG呈负相关关系(p<0.05),其中土壤SOC、C:N和反硝化速率呈现出显著线性相关关系。根据研究区状况,建议在汾河下游河岸带采取植被恢复(种植类型为林地)和土壤碳修复、适当疏松土壤、人为添加Pseudomonas、Thiobacillus菌等措施来有效提高汾河下游河岸带土壤氮去除能力,同时也要考虑在土壤反硝化菌种脱N效能最强烈的夏季,充分发挥植被吸收和反硝化过程的作用,使岸带脱N效能达到最佳。汾河下游河岸带土壤反硝化潜力巨大,若河岸带的脱N潜力被充分发掘之后,将能在很大程度上缓解面源污染中的N素负荷。
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