汶川大地震对四川理县岷江柏林土壤理化性质及微生物多样性的影响

摘要

2008年发生的“5.12”汶川大地震发生地是我国长江上游重要的水源涵养地和水土保持区，也是我国森林资源的主要分布区之一。地震造成的水土流失、山体滑坡、泥石流等次生灾害，对森林生态系统的稳定和发展带来了持续的不利影响，造成土层变薄、土壤贫瘠化，森林生态功能下降。为此，通过对灾区森林土壤环境的变化特征的研究，对加快灾区森林土壤的生态修复，确保该区域的生态安全具有十分重要意义。本文以理县的熊尔山和蒲溪沟两个受灾区中典型的人工林岷江柏林作为研究对象，采用现代仪器分析方法和分子生物学技术，围绕土壤的基本理化性质、土壤微生物丰度和土壤粘粒矿物等方面开展比较研究，探索地震对森林土壤环境质量带来的影响，为灾区土壤修复提供可靠的理论依据。研究结果得到:
　　(1)地震对岷江柏林土壤理化性质带来十分明显的变化。与未遭地震破坏的土壤相比，5个受地震影响严重的林分表层土壤(0～20 cm)的粘粒含量平均下降了54.4％，土壤容重平均值达1.28 g·cm-3，显著高于对照土壤。同时，地震后造成各个土层(0～20cm、20～40 cm和40～60 cm)的pH显著升高，pH值平均提高了11.5％。地震造成的土体挤压和山体崩塌在一定程度上导致了土壤容重升高，总孔隙度降低，地震造成土壤团聚结构体破坏，土壤颗粒缺乏有机质的胶结，进而土壤抗侵蚀能力减弱，发生粘粒淋失。受地震影响土壤的阳离子交换量(CEC)最大值为5.88 cmol·kg-1，最小值为1.74cmol·kg-1，平均值为3.72 cmol·kg-1，是对照土壤的1/4～1/5，土壤保肥能力十分低下。土壤粘粒流失、有机质含量减少及pH值增加是导致CEC减少的主要原因。受地震影响土壤的全氮、碱解氮、有效磷、速效钾平均含量均低于对照区，土壤有机质与全氮、碱解氮、有效磷、阳离子交换量之间的相关性达到显著，说明土壤的有机质含量对土壤肥力的提高和维持具有十分重要的作用。调查地的土壤C/N大部分在12以下，而对照土壤的值在19.5～34.9的范围内，表明地震造成土壤的碳损失率大于氮损失率。
　　(2)地震对土壤微生物的群落结构和丰度带来显著的影响。运用荧光定量PCR技术对地震灾区六种土壤微生物丰度进行对比分析得到，调查区土壤中除了含细菌、真菌外，古菌含量也较高。受地震影响，土壤的细菌、真菌、古菌、泉古菌、氨氧化古菌和氨氧化细菌的基因拷贝数平均值分别为4.73×107 copies·g-1干土，6.89×105 copies·g-1干土，2.88×106 copies·g-1干土，6.25×105 copies·g-1干土，5.36×104 copies·g-1干土和4.77×104copies·g-1干土，都出现显著的下降。受地震影响土壤的不同微生物的平均基因拷贝数由大到小排序为细菌＞古菌＞真菌＞泉古菌＞氨氧化古菌＞氨氧化细菌。细菌具有较高的丰度，是受灾地土壤微生物群落中的优势菌。地震影响土壤的微生物数量与土壤各项理化性质相关性不显著。主成分分析发现，古菌、泉古菌和氨氧化古菌3类菌群之间关系密切，表明氨氧化古菌在泉古菌或固菌中占有重要的位置。同时发现，氨氧化古菌和同氨氧化细菌在研究土壤中的数量变动存在着明显的不一致性，两者之间存在着互补性。细菌和真菌在主成分分析中占有位置十分相近，可能同两类微生物同土壤有机质的紧密关系有关，地震造成土壤有机质的急剧减少，将严重影响土壤细菌和真菌的数量。
　　(3)土壤粘粒对调查土壤的理化特性、肥力保持等方面都具有重要的意义。采用XRD、红外谱和EDS等技术分析得到，调查熊尔山、蒲溪沟两地土壤的粘粒组成相似，主要是伊利石、高岭石、绿泥石和伊蒙混层，其中伊利石含量高达69.8％～77.7％。化学组成均以SiO2、Al2O3、Fe2O3为主，其中SiO2含量占到一半左右。土壤粘粒比表面积在56.8～46.5 m3·g-1，均以介孔为主。调查土壤中粘粒的组成和结构特征对土壤保水、保肥具有十分重要的作用。
　　研究表明，地震带来的土壤障碍因子包括:土壤有机质含量减少，土壤pH升高，表层土壤质地较粗，粘粒含量少，土壤微生物多样性减少。为此，我们提出以下土壤修复建议:(1)增加土壤有机质。可根据当地实际情况建议施用有机肥料或套种绿肥。(2)提高土壤粘土矿物含量。适当添加缓冲性能强的粘土矿物如蒙脱石、蛭石等，有助于丰富土壤粘粒的组成成分和提高粘粒含量，提高土壤阳离子交换量，促进土壤有机无机复合体的形成。(3)改善土壤pH值。可以选择施用一定的酸性肥料有机无机复合肥（如农家肥和硫酸铵复合肥）、酸性有机改良剂（如褐煤、风化煤等）及pH值相对较低的低温生物炭等修复材料，达到既改善土壤pH条件，又提高土壤有机质的效果。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究目的与意义

1．1．3 项目来源与经费支持

1．2 地震对土壤的破坏和森林土壤退化的研究进展

1．2．1 地震及其对土壤的破坏影响

1．2．2 森林土壤的退化现状及重建对策

1．3 主要研究内容

1．3．1 汶川地震对理县森林土壤基本理化性质的影响

1．3．2 汶川地震对理县森林土壤微生物多样性的影响

1．3．3 汶川地震对理县森林土壤粘土矿物特性的影响

1．4 研究技术路线

第二章 汶川地震对理县土壤理化性质的影响

2．1 引言

2．2 研究区与研究方法

2．2．1 研究区概况

2．2．2 土壤样品采集

2．2．3 试验方法

2．3 结果与分析

2．3．1 土壤的物理性质

2．3．2 土壤的养分指标

2．3．3 土壤主要化学性质

2．4 小结

2．4．1 土壤物理性质变化分析

2．4．2 土壤化学性质变化分析

2．4．3 土壤生态修复对策

第三章 汶川地震对理县土壤微生物多样性的影响

3．1 引言

3．2 试验材料与方法

3．2．1 研究区概况

3．2．2 土壤样品采集

3．2．3 试验方法

3．2．4 数据处理

3．3 结果与分析

3．3．1 土壤总DNA的提取效果

3．3．2 土壤微生物多样性的丰度检测

3．3．3 受灾地不同土壤微生物群落多样性关系

3．3．4 受灾地土壤微生物数量与土壤环境因子的关系

3．4 小结

第四章 理县岷江柏林土壤粘粒的组成与含量分析

4．1 引言

4．2 试验材料与方法

4．2．1 研究区概况

4．2．3 试验材料

4．2．4 试验方法

4．2．5 数据处理

4．3 试验结果与讨论

4．3．1 土壤颗粒组成

4．3．2 土壤粘粒的XRD分析

4．3．3 土壤粘粒的红外分析

4．3．4 土壤粘粒的能谱分析

4．3．5 土壤粘粒的BET分析

4．3．6 粘土矿物的形态形貌分析

4．4 小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．1．1 汶川地震对理县森林土壤基本理化性质的影响

5．1．2 汶川地震对理县森林土壤微生物多样性的影响

5．1．3 地震灾区理县森林土壤粘土矿物特性

5．2 展望

参考文献

在读期间的学术研究

致谢