固氮蓝藻在松嫩平原盐碱土生态修复中作用的研究

摘要

由于不合理的农田灌溉、过度使用化肥及植被破坏，土地盐碱化越来越严重，盐碱地的改良和修复工作也一直深受重视。本论文从生态工程学和盐碱地生态修复的角度出发，选择松嫩平原典型的盐碱化草地作为研究对象，考察了盐碱化草地土壤的理化特征及土壤微生物的分布规律；对盐碱土中土著蓝藻的形态、种属、生态分布规律以及酶活性进行了研究；考察了固氮蓝藻Nostoccommune和AnabaenaazoticaLey在不同浓度Na2CO3培养液环境下的适应能力；研究了含水率、接种量以及土壤深度在Nostoccommune和AnabaenaazoticaLey对盐碱土改性作用中的的影响。在此基础上，考察了AnabaenaazoticaLey对羊草的促生效果，探讨了作用机理，并初步研究了AnabaenaazoticaLey对3种类型盐碱土土质的改善效果。
　　按照土壤生态学研究方法，在黑龙江省安达市典型盐碱化草地中，分别从重度、中度和轻度盐碱土壤中选择3块100×100m2大方作为研究对象，采用梅花布点法采样，分析了土壤样品的Na+、K+、Ca2+、Mg2+等无机离子含量，SO42-、Cl-、NO3-等阴离子浓度以及EC、pH等。2006年按季节分12个月，采集土壤样品，采用MPN法分析了土壤中细菌、放线菌、真菌、藻类含量。研究结果表明：3种类型土壤的理化特征和微生物构成各有其特点，轻度盐碱土为非碱性钠质土，中度和重度盐碱土属于碱性钠质土，重度盐碱化区土壤氮含量严重缺乏；微生物数量呈现明显的季节变化，随着土壤盐碱化程度的增加，细菌、真菌、放线菌数量逐渐降低，而重度盐碱土中放线菌处于优势地位，微生物数量差异达到显著或极显著的水平。
　　利用BG110培养基从黑龙江省安达市典型盐碱化草地中分离筛选出了20株具有一定耐盐能力的固氮蓝藻，它们分别属于10个属，轻度盐碱土和重度盐碱土上各有3种蓝藻，而中度盐碱土上有4种蓝藻。其中Nostoc和Anabaena丰度最高，且可耐受15％的NaCl。
　　采用BG110培养基进行纯培养，分别测定了Nostoccommune和AnabaenaazoticaLey在不同生长阶段的叶绿素a含量、胞外多糖含量、氨基酸含量和固氮酶活性。结果表明：两种固氮蓝藻都能在Na2CO3盐胁迫条件下生长，且随着Na2CO3盐胁迫性增加，两种蓝藻的叶绿素a含量、胞外多糖含量、氨基酸含量和固氮酶活性都呈现先增加后减少的趋势；而随着培养天数的增加，两种藻类叶绿素a的变化曲线与微生物的生长曲线很相似，胞外多糖和氨基酸的增长和叶绿素a的增长是同步的，其中AnabaenaazoticaLey的固氮酶活性在培养到21天时达到最大值，Nostoccommune的固氮酶活性在培养到28天时达到最大值；比较而言AnabaenaazoticaLey的耐盐性好于Nostoccommune的耐盐性，固氮能力也高于Nostoccommune。
　　考察了含水率对固氮蓝藻AnabaenaazoticaLey和Nostoccommune改性盐碱土的作用效果。结果表明：含水率在30%，蓝藻已经可以形成藻结皮，而含水率在50%，蓝藻生长得更好。盆栽试验考察了接种量对固氮蓝藻AnabaenaazoticaLey和Nostoccommune改性盐碱土的作用效果。结果表明：接种量为0.03mg干藻/cm2时，更适合固氮蓝藻AnabaenaazoticaLey在轻度盐碱土上生长，而接种量为0.18mg干藻/cm2时，更适合固氮蓝藻Nostoccommune在中度盐碱土上着生；分别测定2种固氮蓝藻在盆栽试验不同培养阶段（每10天为一个阶段）的阴阳离子、pH值、电导率、水溶性总盐、交换性钠、TOC、BAB和固氮酶活性的变化。结果表明：固氮蓝藻提高了土壤有机质530.01%，降低土壤pH8.0以下，提高了土壤氮含量269.12%，降低了土壤交换性Na+86.28%。但当土壤深度达到9cm时，蓝藻对盐碱土的改性效果减弱。
　　以盐碱土典型植物—羊草作为考查对象，在实验室盆栽条件下分析了菌种的促生效果。接种一定时间后，测定羊草植株高度，发现接种AnabaenaazoticaLey后，植株高度比对照增加30%左右，而且这种促进作用具有持续性。分析了接种菌种后羊草根际土壤固氮酶活的变化，接种固氮蓝藻能促进根际菌构成发生变化，进而影响植物的生长。结果表明：AnabaenaazoticaLey不仅能适应盐碱土环境，而且能提高盐碱土的氮含量，改变根际微生物构成，促进植物生长。
　　现场实验表明，AnabaenaazoticaLey在三种类型盐碱土上对温度、光照和碱度都有很好的生态适应性，而且可以积累土壤的有机质、转化无机盐、降低土壤的pH，使土壤氮含量提高106.99%。
　　本论文研究表明，固氮蓝藻可以改善土质，促进植物生长，这对于生态修复盐碱化土壤具有一定的作用。

目录

固氮蓝藻在松嫩平原盐碱土生态修复中作用的研究

STUDY ON THE EFFECTS OF NITROGEN-FIXING CYANOBACTERIA ON ECOLOGICAL REMEDIATION OF SALINE-ALKALINE SOILS IN SONGNEN

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究目的和意义

1.2.1 盐碱地的成因及危害

1.2.2 盐碱地的类型及盐碱化程度变化

1.2.3 土壤盐碱化与植被退化

1.2 盐碱地的基本概况

1.2.1 盐碱地的成因及危害

1.2.2 盐碱地的类型及盐碱化程度变化

1.2.3 土壤盐碱化与植被退化

1.3 国内外盐碱化土地生态修复的研究现状及分析

1.3.1 物理修复方法

1.3.2 化学修复方法

1.3.3 生物修复方法

1.4 固氮蓝藻在盐碱化土地生态修复中的应用研究进展

1.4.1 固氮蓝藻的细胞结构和功能

1.4.2 固氮蓝藻在盐碱土生态修复中的研究进展

1.5 本论文的主要研究内容

第2章 实验材料与方法

2.2 实验方法与分析项目

2.2.2 土壤浸提液制备方法

2.2.3 土壤理化特性测定方法

2.2.4 MPN 法测定盐碱土中的微生物数量

2.2.5 蓝藻生长量的测定

2.2.6 蓝藻胞外多糖的测定

2.2.7 蓝藻固氮酶活性的测定

2.2.8 土壤BAB 的测定

2.2.9 蓝藻形态观察

2.2.1 土样采集方法

2.1 实验仪器设备、菌种和实验试剂

2.1.1 主要实验仪器设备

2.1.2 菌种

2.1.3 主要实验试剂

第3章 松嫩平原盐碱土理化特性及微生物时空变化规律

3.5 土壤微生物数量的差异比较

3.6 蓝藻数量季节变化比较

3.7 蓝藻种群的分离鉴定

3.7.2 中度盐碱土区的蓝藻群落

3.7.3 轻度盐碱土区的蓝藻群落

3.7.4 蓝藻群落结构分析

3.7.1 重度盐碱土区的蓝藻群落

3.8 NaCl 浓度对蓝藻生长的影响和蓝藻的酶活性

3.9 本章小结

3.4 土壤微生物数量的季节动态

3.1 盐碱地生态系统

3.1.1 盐碱地生态研究的重要性

3.1.2 盐碱地生态体系的构成

3.2 研究区域确定及生态初步考察

3.3 松嫩平原土壤理化特性分析

3.3.2 土壤碳含量特征分析

3.3.1 土壤盐渍化分级的研究

第4章 Nostoc commune 和Anabaena azotica Ley 生理生化特性研究

4.1 固氮蓝藻形态观察

4.2 固氮蓝藻生理生化特性分析

4.2.1 不同盐浓度对固氮蓝藻生长规律的影响

4.2.2 不同盐浓度对固氮蓝藻胞外多糖的影响

4.2.3 不同盐浓度对固氮蓝藻氨基酸的影响

4.2.4 不同盐浓度对固氮蓝藻固氮酶活性的影响

4.3 Nostoc commune 和Anabaena azotica Ley 耐盐碱机理

4.4 本章小结

第5章 Anabaena azotica Ley 和Nostoc commune 对盐碱土的改性作用

5.1 实验方案

5.1.1 培养皿实验

5.1.2 盆栽试验

5.1.3 接种菌液制备

5.2 含水率对轻度盐碱土改性作用的影响

5.3 接种量对轻度盐碱土和中度盐碱土改性作用的影响

5.3.1 盆栽实验环境

5.3.2 轻度盐碱土上的盆栽实验

5.3.3 中度盐碱土上的盆栽实验

5.4 机理分析

5.5 本章小结

第6章 Anabaena azotica Ley 对羊草生长的影响研究

6.1 固氮蓝藻Anabaena azotica Ley 对盐碱土的适应性

6.1.1 实验方案

6.1.2 土壤微生物构成比较

6.1.3 土壤固氮酶活比较

6.2 耐盐碱固氮蓝藻的应用研究

6.2.1 实验方案

6.2.2 盆栽实验环境

6.2.3 接种效果比较与分析

6.3 接种菌种促进羊草生长的机理探讨

6.3.1 菌种的固氮作用

6.3.2 羊草根际微生物构成的改变

6.3.3 菌种对土壤碱度和电导率的调解作用

6.4 菌种的吸附作用对电导率的影响

6.5 本章小结

第7章 固氮蓝藻Anabaena azotica Ley 对碱化草原生态修复研究

7.1 固氮蓝藻Anabaena azotica Ley 对盐碱土生态适应性

7.1.1 生态适应性理论基础

7.1.2 固氮蓝藻Anabaena azotica Ley 对温度的生态适应性

7.1.3 固氮蓝藻Anabaena azotica Ley 对光照的生态适应性

7.1.4 固氮蓝藻Anabaena azotica Ley 对碱度的生态适应性

7.2 固氮蓝藻Anabaena azotica Ley 对盐碱土修复效果评价

7.2.1 固氮蓝藻对轻度盐碱土改性作用的影响

7.2.2 固氮蓝藻对中度盐碱土改性作用的影响

7.2.3 固氮蓝藻对重度盐碱土改性作用的影响

7.3 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

哈尔滨工业大学博士学位涉密论文管理

致 谢

个人简历