摘要
采煤沉陷损伤了矿区土壤系统，导致土壤肥力下降、微生物群落结构与功能改变、碳汇功能丧失。传统的矿区土地复垦耗时长、投入大、恢复效果差，亟需引入新的修复技术方法，破解复垦土壤肥力低下、稳定性差以及微生物区系发育弱等难题。生物炭作为一种环境友好材料，含碳量高，稳定性强，并具有巨大的比表面积和强大的吸附能力，不但可以提高复垦土壤肥力、改善土壤质地，还可以促进土壤团聚体形成、固碳增汇。然而，目前生物炭应用主要集中于农田土壤和污染场地修复，但矿区生态修复作为美丽中国建设的重中之重，系统修复迫在眉睫。因此，将生物炭引入矿区生态修复十分必要，且潜力巨大。那么，生物炭添加对矿区复垦土壤有何作用？如何影响复垦土壤微生物群落结构和功能以及固碳潜力？这些问题亟待科学回答。 为此，本研究利用盆栽实验，将水稻、小麦、玉米三种秸秆原料制备的生物炭添加到矿区复垦土壤中，测定生物炭添加对复垦土壤有机碳组分、碳库动态以及酶活性的影响，利用高通量测序技术检测土壤微生物群落结构与功能以及固碳功能基因等的变化，并利用分析、结构方程模型等揭示变化的驱动因素与影响途径。主要结论如下： （1）生物炭添加显著改善了复垦土壤理化性质和酶活性，改变了土壤有机碳组分。①三个处理组土壤pH上升，由酸性改良为中性，达到7.50左右，电导率、铵态氮、硝态氮、有效磷和有效钾含量均有所增加。②生物炭添加增加β-葡萄糖苷酶（BG）、纤维二糖苷酶（C1）和亮氨酸氨基肽酶（LAP）的活性，降低β-N-乙酰基氨基葡萄糖苷酶（NAG）的活性。但更多的生物炭添加并不能持续促进酶活性提高。③生物炭添加显著增加有机碳（SOC）及颗粒有机碳（POC）含量，且与生物炭添加量比例成正比。不同秸秆生物炭对土壤微生物量碳（MBC）影响有差异，但低添加时均表现为增加趋势。不同秸秆生物炭对溶解性有机碳（DOC）的影响有显著差异。 （2）生物炭添加对复垦土壤微生物群落影响显著，微生物群落结构、组成、共现性分子生态网络结构及相关功能均发生明显变化。①生物炭添加增加了细菌的多样性，提高了细菌中变形菌门（Proteobacteria）和绿弯菌门（Chloroflexi）的相对丰度，降低了放线菌门（Actinobacteriota）的相对丰度。生物炭添加降低了真菌中子囊菌门（Ascomycota）的相对丰度，显著提高了担子菌门（Basidiomycota）的相对丰度，对细菌α多样性影响明显高于真菌。②三种生物炭处理显著提升了细菌网络的正相关边数、平均度、和平均聚类系数，从而增强了细菌网络的复杂性，使得细菌群落之间联系更加紧密，组织有序性更高；但生物炭添加降低了细菌群落模块性系数，一定程度上降低了细菌网络抗外界干扰能力。与细菌共现网络相比，真菌网络并未表现出一致性显著变化。③细菌群落主要代谢功能群落为碳循环相关的化能异养、芳香化合物降解、需氧化能异养。三种生物炭处理均提高了细菌群落的碳、氮、硫循环等相关功能菌群丰度。其中玉米秸秆生物炭处理组的相关功能菌群丰度提升最明显。真菌群落的主要功能类群是腐生营养型，水稻和玉米秸秆生物炭提高了真菌群落相关功能菌功能丰度，小麦秸秆生物炭处理则显著降低。④生物炭添加促进了环境因子与微生物群落之间的紧密关系，真菌群落受环境因子变化的影响要小于细菌群落。 （3）生物炭添加显著改变了复垦土壤碳库管理指数和固碳功能基因丰度。①水稻秸秆生物炭、小麦秸秆生物炭、玉米秸秆生物炭处理的土壤碳库管理指数分别提升了4.7%、4.8%、24.0%。相关性分析显示微生物碳量是表征土壤碳库的重要因子。②相比于对照组，秸秆生物炭处理组的固碳功能基因CBBL绝对丰度均显著提高。此外，玉米秸秆生物炭处理组的固碳功能基因PMOA绝对丰度显著提高。③生物炭添加显著提高了环境因子与固碳功能基因、碳库管理指数的相关性，土壤酶活性是最主要影响因素。④微生物群落、碳循环相关的功能菌群、酶活性以及土壤微生物碳量操控了固碳功能基因的丰度与碳库的变化。生物炭添加显著影响了复垦土壤微生物碳固定潜力与途径。
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