封面文章 | 黄土高原采煤沉陷对土壤微生物群落的影响

原创陈浮土壤学报

作者：马静，卢永强，张琦，李肖肖，肖栋，陈浮

单位：中国矿业大学低碳能源研究院；中国矿业大学环境与测绘学院；中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室

卷期：《土壤学报》2021年第58卷第5期

采矿活动对地表生态系统干扰极大，全国累积损毁土地超800万hm²。如此大规模的损毁仅靠人工修复几乎无法实现，近自然恢复是唯一可行办法。半干旱受损矿山往往缺水、土壤贫瘠、环境污染严重，植被重建、地形改造和土壤改良等工程离不开微生物，否则生态恢复潜力受限，恢复效果和速率差。探索微生物种群间互作关系、寻找适应沉陷环境的关键类群、厘清矿山微生物群落分布的主控因素，对重建矿山生态系统自恢复力至关重要。

为此，中国矿业大学陈浮教授团队选取黄土高原东坪煤矿、大柳塔煤矿采矿沉陷区作为研究区，利用Illumina测序和生态网络分析方法，探索特定环境条件下矿山沉陷区土壤微生物种群发育与适应性、微生物种群与环境之间互作及互馈机制，寻找对生态自恢复起关键作用的功能类群。研究表明：

（1）沉陷环境对土壤微生物群落多样性、结构和分布模式影响显著，二者土壤主要菌门相似，放线菌门（Actinobacteria）最为丰富，但其丰度明显不同。此外，东坪较大柳塔多了2个优势菌门，即硝化螺旋菌门（Nitrospira，2.2%）和蓝细菌门（Cyanobacteria，1.7%）。东坪所有样本中相对丰度大于1%的属有RB41（2.5%）、Solirubrobacter（1.9%）、Roseiflexus（1.8%）、Gaiella（1.4%）和Lysobacter（1.1%），而大柳塔所有样本中相对丰度大于1%的属有Nocardioides（3.3%）、RB41（2.9%）、Solirubrobacter（2.1%）和Roseiflexus（1.2%）。

（2）东坪分子生态网络互作关系较大柳塔更复杂、网络节点和连接数更多。东坪煤矿区土壤关键菌群属于放线菌门、绿弯菌门（Chloroflexi）和奇古菌门（Thaumarchaeota），而大柳塔煤矿区土壤关键菌群属于变形菌门（Proteobacteria）和放线菌门。东坪网络各节点间正相关关系优势明显，说明该区土壤微生物为应对沉陷造成的养分贫瘠时趋向相互合作。大柳塔网络中模块减少，模块间连接线也少。一些模块内正相关关系优于负相关，说明该区微生物对抗外界干扰的抗性不断增强，有助于提升土壤的自恢复能力。

（3）网络结构与土壤性状之间存在显著相关性。土壤微生物OTUs与多环境因子存在显著性相关，且驱动微生物演替的主控因子组合明显不同，说明矿山土壤微生物群落变化不是单一因子驱动的，受多重环境因子叠加作用驱动。网络中具有高连接度的环境因子与占支配地位的放线菌门、变形菌门、酸杆菌门和绿弯菌门之间的连接相对较多。为适应矿山土壤营养贫瘠，微生物种群间更偏向相互合作，其中Holophagae与Aquabacterium为优势关键菌，可助力矿山植被土壤恢复。

本研究为脆弱矿山生态系统生态修复提供了一种新思路，未来进一步加强功能网络研究，丰富对自恢复机制的理解，为黄土高原矿山生态恢复和绿色矿山建设服务。