褐煤粉塵對(duì)礦區(qū)復(fù)墾土壤有機(jī)碳礦化及細(xì)菌群落的影響

王浩1,2，王偉1,2，薄慧娟1,2，張旭龍3，李澤瑾1,2，王海波1,2，張強(qiáng)1,2*，靳東升1,2* 1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 2.土壤環(huán)境與養(yǎng)分資源山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院

摘要:煤粉塵沉降至地表后能夠顯著提高土壤有機(jī)碳含量，改變土壤理化性質(zhì)和土壤微生物群落結(jié)構(gòu)。通過(guò)添加褐煤粉塵的土壤培養(yǎng)試驗(yàn)，探究煤粉塵輸入的有機(jī)碳對(duì)土壤有機(jī)碳礦化效果及細(xì)菌群落的影響。結(jié)果表明：在褐煤粉塵影響下，土壤CO2礦化量和礦化速率較對(duì)照組最大提升55.02%和54.58%（第5天）；土壤易氧化有機(jī)碳和土壤微生物生物量碳含量在培養(yǎng)結(jié)束后較最大值分別降低40.75和141.39 mg/kg。添加褐煤粉塵導(dǎo)致變形菌門的相對(duì)豐度顯著降低，而酸桿菌、放線桿菌和厚壁菌門的相對(duì)豐度升高。褐煤粉塵輸入的有機(jī)組分能夠在短期內(nèi)產(chǎn)生激發(fā)效應(yīng)，其自身被土壤細(xì)菌分解的過(guò)程也能促進(jìn)土壤CO2的礦化累積，并且提高土壤細(xì)菌群落的多樣性和變異程度。褐煤粉塵中的有機(jī)碳極大程度參與了土壤有機(jī)碳庫(kù)周轉(zhuǎn)過(guò)程。關(guān)鍵詞:褐煤粉塵 / 礦化過(guò)程 / 活性有機(jī)碳 / 官能團(tuán)結(jié)構(gòu) / 土壤細(xì)菌群落 

煤粉塵是細(xì)小的煤炭顆粒，物質(zhì)組成包括有機(jī)組分和無(wú)機(jī)組分，其所含有機(jī)組分隨煤化程度的不同可以占到煤炭質(zhì)量的20%~85%[1-3]。煤粉塵經(jīng)擾動(dòng)形成揚(yáng)塵后再沉降至地表，能夠顯著提高該區(qū)域土壤總有機(jī)碳含量[4-5]，并且這部分有機(jī)碳能夠在土壤中持續(xù)保留數(shù)十年[6-7]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者將土壤中來(lái)源于煤的這部分有機(jī)碳稱為黑炭（black carbon，BC）[8-9]或地質(zhì)成因有機(jī)碳（geogenic organic carbon，GOC）[10]。除提高土壤有機(jī)碳含量外，煤粉塵對(duì)土壤的其他理化性質(zhì)也存在一定影響。聶小軍等[11]發(fā)現(xiàn)煤粉塵在土壤內(nèi)部的積累可以改善表層土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)性狀。這是由于煤粉塵在團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成中充當(dāng)了有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)，這部分煤顆粒細(xì)小且伴生著伊利石等硅酸鹽黏土礦物，因此使土壤團(tuán)粒表現(xiàn)出比表面積大、親水性強(qiáng)、表面負(fù)電性強(qiáng)等膠體特性[12]。煤粉塵顆粒具有疏松多孔的特點(diǎn)，能夠提高土壤孔隙度并降低土壤容重，改善土壤空氣流通和水分保持能力[13-14]。Spencer等[15]研究表明煤粉塵沉降的土壤表層全氮含量與煤粉塵量呈正相關(guān)關(guān)系，而劉平等[16]研究顯示土壤表層全氮含量與降塵量和煤粉塵量之間并沒(méi)有明顯的相關(guān)性，二者結(jié)論上的差異可能與煤粉塵中氮含量及煤炭發(fā)育程度有關(guān)。

煤粉塵進(jìn)入土壤后也會(huì)對(duì)土壤微生物產(chǎn)生諸多影響。Cohen等[17]制作了含有褐煤粉塵的固體培養(yǎng)基，在相同試驗(yàn)條件下培養(yǎng)多孔菌（Polyporus versicolor）和臥孔菌（Poria monticola），結(jié)果表明這2種真菌在生長(zhǎng)過(guò)程中可以將固體褐煤粉塵降解為液體狀態(tài)，并據(jù)此提出煤粉塵作為微生物生長(zhǎng)基質(zhì)的可能性。劉平等[16]通過(guò)分析煤粉塵沉降區(qū)域土壤，發(fā)現(xiàn)土壤中真菌和放線菌的數(shù)量隨著煤粉塵量的增加而增加，細(xì)菌數(shù)量則無(wú)顯著變化。Mukasa-Mugerwa等[18]提出土壤微生物對(duì)無(wú)煙煤的分解過(guò)程同時(shí)依靠了植物和根際真菌，二者合力將無(wú)煙煤中的有機(jī)組分轉(zhuǎn)化成了腐殖酸的形式。也有研究表明煤粉塵對(duì)土壤微生物還存在著一些負(fù)面效應(yīng)，如煤粉塵中廣泛存在的重金屬元素和多環(huán)芳烴對(duì)土壤部分微生物有顯著的毒害作用[19]，這些重金屬元素破壞微生物的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，甚至導(dǎo)致一些敏感種群的消失[20-21]。上述研究結(jié)論的差異也可能與煤粉塵及相應(yīng)土壤的性質(zhì)有較大關(guān)系。本研究基于課題團(tuán)隊(duì)對(duì)煤粉塵沉降的研究基礎(chǔ)[7,16,22-23]，將中國(guó)北方煤礦復(fù)墾區(qū)的褐煤粉塵及土壤作為供試材料，開(kāi)展土壤添加褐煤粉塵的培養(yǎng)試驗(yàn)，分析褐煤粉塵添加后土壤有機(jī)碳礦化率和活性有機(jī)碳組分的變化，探討土壤細(xì)菌群落對(duì)褐煤粉塵的響應(yīng)關(guān)系，以期為礦區(qū)煤粉塵利用及土壤保護(hù)與質(zhì)量提升提供理論支撐。

1. 材料與方法                           

1.1材料與前處理

供試土壤取自山西省古交市屯蘭礦區(qū)的煤礦復(fù)墾區(qū)長(zhǎng)期定位平臺(tái)，該區(qū)域年均降水量為460 mm，年均氣溫為9.5 ℃，土壤類型為黃綿土，土壤基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。供試土壤在培養(yǎng)試驗(yàn)前經(jīng)自然風(fēng)干后過(guò)2 mm篩，并去除其中的根莖與石子等雜物。

褐煤材料取自內(nèi)蒙古錫林郭勒勝利煤田，工業(yè)分析與元素分析如表2所示。為模擬自然狀態(tài)的煤粉塵細(xì)顆粒，試驗(yàn)開(kāi)始前將供試煤炭自然風(fēng)干，打碎過(guò)2 mm篩后，使用行星式球磨機(jī)粉碎并過(guò)0.053 mm篩。

1.2土壤培養(yǎng)試驗(yàn)

土壤培養(yǎng)試驗(yàn)在25 ℃恒溫條件下進(jìn)行，分3個(gè)處理。褐煤粉塵添加量從低到高依次為5.62、14.26和22.89 g，HMA代表添加5.62 g褐煤粉塵的處理，HMB代表添加14.26 g褐煤粉塵的處理，HMC代表添加22.89 g褐煤粉塵的處理，設(shè)置3次重復(fù)。將不添加褐煤作為對(duì)照處理（CK）。土壤培養(yǎng)裝置如圖1所示，將混合均勻的供試土壤（200 g）和褐煤粉塵裝入250 mL培養(yǎng)瓶，保持水分為田持的60%，平衡1周，每個(gè)培養(yǎng)瓶旁放置1 mol/L的NaOH溶液100 mL，用于收集培養(yǎng)期間的土壤CO2累積礦化量。

試驗(yàn)于2023年1月8日啟動(dòng)，在開(kāi)始培養(yǎng)第5、15、30、50、75、120天進(jìn)行破壞性取樣，為減少檢測(cè)CO2礦化量時(shí)可能出現(xiàn)的誤差，破壞裝置的同時(shí)立即測(cè)定土壤CO2累積礦化量。取樣后將一部分土壤樣品自然風(fēng)干，另一部分土壤鮮樣放在−80 ℃冰箱保存?zhèn)溆谩�為了避免不同時(shí)期取土而對(duì)土培產(chǎn)生人為的擾動(dòng)，每個(gè)處理在6個(gè)取樣時(shí)期均有各自專屬的培養(yǎng)裝置，將培養(yǎng)瓶從裝置中取出后收集土壤樣品，所剩的土壤不再繼續(xù)參與培養(yǎng)過(guò)程。裝置數(shù)量共計(jì)72個(gè)（3梯度×6時(shí)期×3重復(fù)+18個(gè)CK）。

1.3測(cè)定指標(biāo)與方法

土壤CO₂礦化量的測(cè)定采用堿液吸收法。培養(yǎng)期間土壤釋放的CO₂被裝置中的1 mol/L NaOH溶液吸收后用堿液稀釋至250 mL定容，取30 mL液體并加入10 mL的1 mol/L BaCl₂和2滴酚酞指示劑，再用0.5 mol/L的HCl溶液滴定并計(jì)算土壤CO₂礦化量。

土壤易氧化有機(jī)碳（readily oxidation carbon，ROC）的測(cè)定使用高錳酸鉀氧化法。取含有15~30 mg碳的土壤樣品（<0.25 mm），加入333 mmol/L的KMnO₄溶液25 mL，依次振蕩、離心和稀釋后在紫外分光光度計(jì)上于565 mm波長(zhǎng)下比色。根據(jù)KMnO₄的消耗量可計(jì)算出土壤ROC含量。

土壤微生物生物量碳（microbial biomass carbon，MBC）的測(cè)定采用氯仿熏蒸法。取20 g新鮮土壤樣品經(jīng)氯仿熏蒸24 h后，加入80 mL 0.5 mol/L K2SO4浸提，再加入16.666 mmol/L K2Cr2O7溶液和濃硫酸，消煮后用0.05 mol/L的FeSO4溶液滴定，根據(jù)K2Cr2O7消耗量減去未熏蒸土壤的 K2Cr2O7消耗量計(jì)算土壤MBC含量。MBC的轉(zhuǎn)換系數(shù)（Kec）為0.38。土壤有機(jī)碳官能團(tuán)的紅外光譜采用傅里葉紅外光譜儀（Thermos Scientific Nicolet，美國(guó)）溴化鉀壓片法測(cè)定。稱取土壤樣品2 mg和純KBr 200 mg，放入瑪瑙研缽中充分研磨均勻，置于模具中壓成透明薄片后放入紅外光譜儀中測(cè)試，波長(zhǎng)范圍為400~4 000 cm−1，掃描次數(shù)為32次，分辨率為4 cm−1，空氣作為背景，掃描時(shí)自動(dòng)扣除背景光譜。土壤細(xì)菌群落測(cè)定使用16S rDNA高通量測(cè)序技術(shù)。使用Qubit 4.0 DNA試劑盒從土壤中收集DNA樣本并保存在−80 ℃冰箱。土壤細(xì)菌在V3~V4區(qū)域使用引物（341F：5'-CCTACGGGNGGCWGCAG-3'和805R：5'-GACTACHVGGGTATCTAATCC-3'）進(jìn)行PCR擴(kuò)增，擴(kuò)增產(chǎn)物經(jīng)純化和定量后形成測(cè)序文庫(kù)。測(cè)序采用Illumina Miseq PE300測(cè)序平臺(tái)（Illumina，Inc.，CA，美國(guó)），由生工生物工程（上海）公司完成。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

使用SPSS 27.0軟件進(jìn)行方差分析；運(yùn)用Origin 2021軟件繪制圖表；使用Canoco 5.0軟件進(jìn)行RDA冗余分析；使用在線分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析通道對(duì)土壤細(xì)菌進(jìn)行可視化操作，結(jié)合基因文庫(kù)GTDB繪制細(xì)菌相對(duì)豐度圖像。

2.結(jié)果與分析

2.1褐煤粉塵添加的復(fù)墾土壤有機(jī)碳礦化特征 

整個(gè)培養(yǎng)周期內(nèi)各處理土壤CO2礦化量與礦化速率如圖2所示。土壤CO2礦化量在培養(yǎng)0~15 d內(nèi)迅速升高，而后呈緩慢上升的趨勢(shì)，培養(yǎng)120 d后土壤CO2礦化量為362.3~401.8 mg/kg。培養(yǎng)第120天時(shí)，HMA、HMB、HMC處理在培養(yǎng)末期的CO2礦化量分別比CK處理提高了4.41%、4.82%和7.47%，從高到低排序?yàn)?/span>HMC>HMB>HMA>CK。添加褐煤粉塵的3個(gè)處理的CO2礦化量在培養(yǎng)周期內(nèi)與CK處理相比差異顯著（P<0.05）；而3種煤粉塵處理之間只有培養(yǎng)初始時(shí)具有顯著的差異，隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，HMA、HMB與HMC之間差異逐漸減弱。所有處理土壤CO2礦化速率均表現(xiàn)為先升高后逐漸降低的趨勢(shì)，培養(yǎng)第15天時(shí)土壤CO2礦化速率達(dá)到峰值，HMA、HMB、HMC和CK 4個(gè)處理分別達(dá)到24.97、25.03、25.51和21.37 mg/（kg·d）。培養(yǎng)周期內(nèi)，3個(gè)褐煤粉塵處理與CK處理的土壤CO2礦化速率均存在顯著差異，而煤粉塵處理之間只在培養(yǎng)第5天時(shí)互相表現(xiàn)出顯著的差異。

2.2褐煤粉塵添加的復(fù)墾土壤活性有機(jī)碳含量變化 

培養(yǎng)周期內(nèi)土壤ROC含量變化如圖3（a）所示。添加褐煤粉塵能夠直接提高土壤ROC含量，添加量越高ROC含量也越大，且隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸降低。經(jīng)過(guò)120 d培養(yǎng)后，HMA、HMB、HMC和CK處理的土壤ROC含量分別比培養(yǎng)第5天減少了14.06、22.27、35.08和6.57 mg/kg，較培養(yǎng)初始時(shí)分別降低85.3%、78.9%、77.6%和84.8%。在整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程中，3個(gè)煤粉塵處理之間以及與CK處理間始終存在著顯著差異。培養(yǎng)周期內(nèi)土壤MBC含量變化如圖3（b）所示。整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程中土壤MBC含量隨培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。在培養(yǎng)初期（0~15 d），褐煤粉塵能夠在短期內(nèi)使土壤MBC含量迅速提高，并且與CK處理之間形成顯著差異。而在培養(yǎng)中期（30~50 d），3個(gè)煤粉塵處理的MBC含量均出現(xiàn)明顯下降，直到第80天時(shí)下降至與CK處理水平基本一致，之后各處理間的差異也不再顯著。

2.3褐煤粉塵添加的復(fù)墾土壤有機(jī)碳官能團(tuán)結(jié)構(gòu)組成變化 

3個(gè)梯度的褐煤粉塵處理具有相似的紅外圖譜（圖4），但主要吸收峰的強(qiáng)度又存在著明顯的差異，這表明褐煤粉塵改變了土壤有機(jī)碳官能團(tuán)的種類和數(shù)量。3種煤粉塵處理在3 695和3 622 cm−1處的振動(dòng)分別表示醇羥基和酚羥基的存在，前者富含沒(méi)有形成氫鍵的自由羥基，后者比前者具有更穩(wěn)定的氫鍵結(jié)構(gòu)[24]。3 415 cm−1處的振動(dòng)說(shuō)明了氨基的存在，褐煤粉塵的氨基大部分來(lái)源于煤炭形成過(guò)程中，古植物體內(nèi)的蛋白質(zhì)殘留物在經(jīng)過(guò)部分熱解和碳化后保留穩(wěn)定的有機(jī)氮化合物。位于1 637和1 618 cm−1的雙峰則是芳香族化合物典型的紅外光譜特征[25]，標(biāo)志著芳香族中C=C鍵的振動(dòng)。在1 031 cm−1處發(fā)生的振動(dòng)也來(lái)自于羥基，結(jié)合上述苯環(huán)的存在，褐煤粉塵帶來(lái)的醇類化合物更有可能是化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的苯酚。912 cm−1處主要是非氫和含氫單鍵的振動(dòng)，包括C—O、C—N和C—H，534 cm−1處的吸收峰也表明了苯環(huán)的振動(dòng)[26]。從圖4可以看出，褐煤粉塵輸入的有機(jī)碳中大部分是性質(zhì)穩(wěn)定的芳香族化合物，連接在苯環(huán)周圍的官能團(tuán)則以單鍵居多，長(zhǎng)鏈的脂肪族化合物數(shù)量有限[24]。

2.4褐煤粉塵添加的復(fù)墾土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)變化 

2.4.1 土壤細(xì)菌群落α多樣性指數(shù) 通過(guò)對(duì)培養(yǎng)120 d后的土壤進(jìn)行高通量測(cè)序，得到不同處理細(xì)菌群落的α多樣性指數(shù)，結(jié)果如表3所示。與CK處理相比，褐煤粉塵進(jìn)入土壤后均顯著提高了土壤細(xì)菌群落分布的豐度和多樣性；在3組褐煤粉塵處理中，HMB的細(xì)菌群落豐度提升最大，HMC的細(xì)菌群落多樣性變異最大。褐煤粉塵添加量的提升，一定程度上能對(duì)土壤細(xì)菌群落產(chǎn)生正向的效果。

2.4.2土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成分析 通過(guò)使用統(tǒng)計(jì)學(xué)分析大于1%門水平的細(xì)菌，觀測(cè)各處理細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)組成（圖5）。細(xì)菌在門水平上主要包括變形菌（Proteobacteria）、酸桿菌（Acidobacteriota）、放線桿菌（Actinobacteriota）、擬桿菌（Bacteroidota）、金針菌（Gemmatimonadota）、浮游菌（Planctomycetota）、綠霉菌（Chloroflexi）、疣狀菌（Verrucomicrobiota）、泉古菌（Cernarchaeota）等菌門，上述幾種菌門占土壤中細(xì)菌總數(shù)的80%以上。

變形菌門是所有處理中最優(yōu)勢(shì)的細(xì)菌，在CK、HMA、HMB和HMC處理中相對(duì)豐度分別為52.6%、38.5%、41.8%和38.2%。HMA和HMB處理排在第2位的是酸桿菌門，占比分別為14.5%和10.1%；HMC處理中排第2位的是放線桿菌門，占比為11.5%；CK處理中排第2位的是擬桿菌門，占比為13.1%。這一數(shù)據(jù)表明，褐煤粉塵進(jìn)入土壤后降低了占主導(dǎo)優(yōu)勢(shì)的變形菌門，提高了放線桿菌和酸桿菌等細(xì)菌群落的相對(duì)豐度。

2.5土壤細(xì)菌群落與有機(jī)碳組分相關(guān)性分析

土壤中ROC和MBC 2種形態(tài)的活性有機(jī)碳、土壤有機(jī)碳（SOC）及其礦化量與土壤細(xì)菌群落的冗余分析如圖6所示。土壤中有機(jī)碳組分與土壤CO₂礦化量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。在對(duì)土壤有機(jī)碳礦化過(guò)程的影響中，土壤MBC較土壤ROC具有更強(qiáng)的影響能力。從土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)（門水平）與環(huán)境因子的相關(guān)性來(lái)看，排名前10的優(yōu)勢(shì)菌門中，放線菌、酸桿菌、金針菌、綠霉菌、泉古菌、厚壁菌與土壤MBC、ROC和SOC含量之間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系；而變形菌、擬桿菌、疣狀菌和浮游菌則與土壤有機(jī)碳組分呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3.討論

3.1添加褐煤粉塵對(duì)土壤有機(jī)碳礦化過(guò)程的促進(jìn)效果 

培養(yǎng)周期內(nèi)的褐煤粉塵處理在土壤CO2礦化量和礦化速率的方面表現(xiàn)出了與CK處理相同的趨勢(shì)，但其處理間的差異與褐煤粉塵添加量有關(guān)。褐煤粉塵添加量越高，土壤CO2礦化量和礦化速率也越高，這一現(xiàn)象與外源有機(jī)物料輸入的有機(jī)碳能夠促進(jìn)土壤有機(jī)碳的CO2礦化過(guò)程相似[27-28]，即褐煤粉塵對(duì)土壤有機(jī)碳產(chǎn)生正向的激發(fā)效應(yīng)，其進(jìn)入土壤后顯著提高土壤SOC分解礦化的能力，并且添加量越高對(duì)這一效果的促進(jìn)也越強(qiáng)。除上述對(duì)土壤有機(jī)碳的激發(fā)效應(yīng)外，煤粉塵本身也可能發(fā)生礦化進(jìn)一步釋放CO2，從而對(duì)土壤CO2礦化量產(chǎn)生影響[29]。煤粉塵參與礦化的過(guò)程可描述為：當(dāng)褐煤粉塵進(jìn)入土壤后，其輸入的有機(jī)碳在微生物作用下被分解礦化后向環(huán)境中釋放CO2氣體。對(duì)這一過(guò)程的研究表明，褐煤粉塵能夠被土壤真菌分泌的胞外酶分解，分解后的產(chǎn)物可以被細(xì)菌所利用[30-31]。因此，認(rèn)為褐煤粉塵提高土壤CO2礦化效果由2個(gè)部分構(gòu)成：一是通過(guò)激發(fā)效應(yīng)促進(jìn)了土壤原來(lái)有機(jī)碳的礦化分解；二是通過(guò)土壤微生物的活動(dòng)分解了煤粉塵中有機(jī)組分，進(jìn)而提高土壤CO2礦化量。

3.2添加褐煤粉塵對(duì)土壤活性有機(jī)碳檢出量的影響 

結(jié)合圖2與圖3（a）得知，土壤ROC含量降低趨勢(shì)與土壤CO2礦化累積量增長(zhǎng)趨勢(shì)并不能直接關(guān)聯(lián)，土壤ROC的下降并不能表明其參與了土壤有機(jī)碳礦化過(guò)程。分析認(rèn)為產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能由檢測(cè)方式所致，本研究中測(cè)定土壤ROC的辦法是經(jīng)333 mmol/L的KMnO4溶液氧化后，使用紫外分光光度計(jì)測(cè)定。而有研究表明，KMnO4在煤化工領(lǐng)域中常用于煤炭脫硫作用，經(jīng)其氧化后可以降低煤中芳香結(jié)構(gòu)的數(shù)量并提高煤炭的甲烷產(chǎn)出率[32-33]。上述方法使用的是濃度為0.05~0.25 mol/L的KMnO4溶液，而本試驗(yàn)中所使用的333 mmol/L的KMnO4溶液濃度明顯要超過(guò)這一范圍，過(guò)高濃度的KMnO4提取短鏈脂肪族上的碳及其側(cè)鏈上的基團(tuán)，并且由于煤炭中存在的多核芳烴和雜芳族結(jié)構(gòu)亦會(huì)遭到破壞而解構(gòu)[34-35]。因此對(duì)受煤粉塵影響土壤的ROC含量測(cè)定還需要尋找更合適的檢測(cè)方式。

褐煤粉塵在培養(yǎng)初期顯著提高了土壤MBC含量，表明其中所含有機(jī)組分導(dǎo)致土壤有機(jī)碳發(fā)生了激發(fā)效應(yīng)，但這部分促進(jìn)有機(jī)碳礦化分解的過(guò)程并不能持續(xù)保持。研究表明，添加物料的C/N對(duì)土壤微生物活性影響存在明顯區(qū)別，外源添加的有機(jī)材料C/N不同，對(duì)土壤中微生物生物量碳和土壤CO2礦化過(guò)程的影響程度也不一致[36-37]。土壤微生物生命活動(dòng)的最適C/N為25∶1，高于這一數(shù)值時(shí)土壤微生物缺少生存必需的氮，而過(guò)低的C/N則缺乏其生存需要消耗的有機(jī)碳，因此高C/N的有機(jī)物料在土壤中的表現(xiàn)更加穩(wěn)定[38]。由表2可知，褐煤粉塵的C/N達(dá)到了61.28∶1，遠(yuǎn)超微生物生存最適的C/N，所以褐煤粉塵對(duì)土壤有機(jī)碳礦化的促進(jìn)效果只能短期內(nèi)出現(xiàn)卻無(wú)法長(zhǎng)久保持。 3.3 添加褐煤粉塵對(duì)土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的調(diào)整作用 對(duì)土壤細(xì)菌進(jìn)行高通量測(cè)序的結(jié)果表明，添加褐煤粉塵導(dǎo)致土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著的改變。褐煤粉塵進(jìn)入土壤后顯著提高土壤細(xì)菌群落的豐度、多樣性和變異程度（表3）；縮減了豐度較大的菌群占比，增加豐度較小的菌群占比（圖5），而土壤細(xì)菌對(duì)褐煤粉塵有機(jī)碳的利用在圖5中也能夠顯現(xiàn)，如厚壁菌門在HMA和HMB處理中的顯著增加，源自其中的芽孢桿菌對(duì)褐煤具有一定的生物溶解能力[39-40]，其在土壤有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化和分解中起到重要作用，也是形成土壤腐殖質(zhì)的關(guān)鍵細(xì)菌。

圖6也反映出相似的結(jié)論，排名前10的土壤細(xì)菌中與土壤有機(jī)碳礦化和活性組分呈正相關(guān)關(guān)系的占到了5種（放線菌、酸桿菌、金針菌、綠霉菌和泉古菌），這5種細(xì)菌的增量正好彌補(bǔ)了排名靠前的變形菌和擬桿菌在土壤內(nèi)的損失。研究表明，變形菌是土壤細(xì)菌中豐度最高的一個(gè)細(xì)菌門類，其在富含有機(jī)碳的土壤中相對(duì)豐度表現(xiàn)為有所降低[41]，但這一降低并沒(méi)有壓制變形菌的活性。而土壤中的有機(jī)碳能更顯著地促進(jìn)其他菌群的擴(kuò)增，例如有機(jī)碳能夠促進(jìn)放線菌門中紅球菌和酸桿菌門中節(jié)桿菌的增加[42-43]。因此可以認(rèn)為，土壤細(xì)菌群落在褐煤粉塵的影響下表現(xiàn)出有跡可循的變化，這些變化過(guò)程也證實(shí)褐煤粉塵中有機(jī)碳對(duì)土壤細(xì)菌群落活性存在著一定的促進(jìn)效果。

4.結(jié)論

（1）褐煤粉塵可以促進(jìn)土壤有機(jī)碳的礦化分解過(guò)程，并且在土壤微生物影響下分解部分自身所含的有機(jī)碳組分；其向土壤中輸入大量的芳香族化合物的同時(shí)提高土壤ROC、MBC 2種活性有機(jī)碳的含量，但上述效果會(huì)隨著時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸降低。

（2）褐煤粉塵進(jìn)入土壤后能夠改變土壤細(xì)菌群落的豐度和多樣性，其一方面整體擴(kuò)大了土壤細(xì)菌群落，另一方面提高土壤中占有優(yōu)勢(shì)或具備分解褐煤功能菌群的比例。

（3）褐煤粉塵輸入的有機(jī)碳組分能夠參與到土壤有機(jī)碳庫(kù)的周轉(zhuǎn)活動(dòng)中，但其過(guò)高的C/N超過(guò)土壤微生物的最適范圍，因此上述過(guò)程并不能持續(xù)維持。

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引用本文: 王浩，王偉，薄慧娟，等.褐煤粉塵對(duì)礦區(qū)復(fù)墾土壤有機(jī)碳礦化及細(xì)菌群落的影響[J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào)，2024，14（5）：1436-1443 doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20240210 文章來(lái)源：環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào)