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原生演替是生态学的核心理论问题之一,同时对指导退化生态系统的生态恢复也有着重要的意义。生态学家对不同生境的原生演替进行了广泛研究,但迄今为止,原生演替过程中、尤其是原生演替初期的土壤生物研究却鲜有报道。本文以安徽铜陵已废弃的铜尾矿库为研究对象,系统研究铜尾矿原生演替过程中土壤生物的演替规律。
我们选择裸地(L)、藻类结皮(Z)、苔-藻混合结皮(TZ)、苔藓结皮(T)和草本植被覆盖区(V)作为铜尾矿生态系统早期演替的系列样地。另外,选择临近山上土壤结构好物种丰富的草本植被区作为对演替后期的对照点(CK),选择停排放一年的水木冲铜尾砂点作为原生演替早期的对照点(SL)。用传统方法对七个系列中的土壤动物类群进行类群鉴定及对应类群个体数量的统计；用T-RFLP克隆文库相结合的方法分析细菌、真菌和古菌的多样性及类群组成；用PLFA技术分析了土壤细菌、真菌和原生动物生物量。主要研究结果概括如下:
1)从整个土壤动物类群上看,大中型土壤动物、螨类和土壤线虫的种类数、丰富度及多样性基本都有从SL和L至三个结皮系列(Z、TZ和T)至V系列和CK系列逐步升高的趋势。而原生动物的种类数、丰富度及多样性在草本植被出现以前的五个演替系列中的分布与上述三类土壤动物的分布规律明显不同。三类结皮系列中原生动物的种类数、个体数量及多样性均低于两个裸地系列中的对应值,而其生物量则在总体上呈现从裸地、结皮系列至草本植被系列升高的趋势。线虫总的生物量在七个系列中除T系列低于L系列外,在总体上也呈现随演替的进行逐渐增加的趋势。
2)对T-RFLP结果进行多样性分析发现土壤细菌、古菌和真菌的多样性在七个系列中呈现基本一致的趋势,都是在SL系列最低,三个结皮系列相对较高,而V和CK系列的多样性居中；对细菌T-RFLP结果进行聚类发现SL系列与其它从中可以看出SL系列与其它六个系列差异最大,其次是T、CK和V系列,而Z、Tz和L系列聚为一类,关系最近;真菌的聚类结果也是SL系列与其它六个系列差异最大,其次是T系列和Z系列聚为一类,第三大类是L、CK、TZ和V系列；而古菌的聚类结果则是CK系列与其它六个系列差异最大,其次是V系列,其余五个系列主要聚为SL、T和Z、TZ、L两类。
3)对所构建的克隆文库进行系统发育分析发现,不同系列中的三类微生物的种类群组成也有很大变化。对细菌克隆文库分析发现四个文库中的克隆子在Proteobacteria门中都有较高的分布比例(L、TZ、V和CK中的克隆子属于Proteobacteria门的比例分别为52.9％、26.4％、51.4％和50.9％)。CK系列的细菌类群组成与其它三个系列关系最远,而TZ和V系列在细菌类群组成上关系最近。对真菌三个系列的克隆库分析发现,真菌在Ascomycota门中的Hypocreales和Eurotiales目及Basidiomycota门中的Agaricales目都有较高的分布比例,而在其它类群中的分布比例差异较大。SL系列中的真菌主要来自Ascomycota和Basidiomycota门中的9个目,所占比例比例较高的有三个目是Ascomycota门的Hypocreales、Eurotiales和Pezizales,比例分别是43.6％、16.7％和11.5％。TZ系列中的真菌也是主要来自Ascomycota和Basidiomycota门中的9个目,所占比例比例较高的有四个目,分别是Ascomycota门的Saccharomycetales、Eurotiales、Hypocreales和Pezizales,比例分别是52.1％、17.7％、12.5％和10.4％。尽管CK系列中的真菌在目一级的分类级上只有7个,却分布于三个门类(Ascomycota、Basidiomycota和Zygomycota),其中所占比例较高的有三个目,分别是来自Basidiomycota门中的Agaricales和Tremellales及Ascomycota门的Hyoocreales,分别占34％、30.1％和15.5％。对古菌的三个文库分析发现L系列中的序列全部属于Euryarchaeota,而TZ和V系列中的克隆子绝大部分属于Crenarchaeota,其所占比例分别82％和96％。
4)对七个系列中反映的土壤动物和土壤微生物多样性和生物量的参数综合分析发现,土壤生物类群从两个裸地系列到三个结皮系列至有草本植物类群出现的两个系列在整体上呈现逐渐发展趋势。在三个结皮系列中反映土壤生物多样性及生物量的指标由高到低依次是Z、TZ和T。而选做演替后期对照点的CK系列的综合生物指标显著高于六个尾矿系列,V系列与其它系列也均存在显著差异；结皮系列中除T系列外其它两个系列也与两个裸地系列的土壤生物指标存在显著差异(p<0.05)。通过土壤生物参数与理化性质参数间的相关分析发现,土壤中铜含量是控制土壤生物定居的最主要因素。
本论文研究结果表明,铜尾矿原生演替过程中土壤生物类群的多样性及生物量在总体上逐渐提高。在土壤结皮出现前土壤生物类群是一个缓慢发展的过程；在草本植物类群出现时,由于土壤生物与结皮或草本植物的相互促进作用,这两个时期是土壤生物快速发展期,同时也是土壤理化性质的快速改良阶段。土壤理化性质(起主导作用的是土壤铜浓度)主要是通过对土壤结皮和草本植物类群的定居和生长而间接地对土壤生物的分布产生影响。