植物定殖有助于有机物的腐殖化、铁矿物的转化以及煤矸石修复过程中微生物群落的重组

《Environmental Pollution and Management》：Plant colonization facilitates organic matter humification, iron mineral transformation, and microbial community restructuring in coal gangue remediation

煤矸石生态修复中，先锋植物（黑麦草和大豆）通过根际微环境调控促进有机质腐殖化及铁矿物转化，微生物群落功能代谢重塑，揭示植物策略差异对铁吸收的影响，为可持续土地复垦提供依据。

　　本研究聚焦于煤炭开采与洗选过程中产生的大量煤矸石对生态环境的威胁。煤矸石的堆积不仅占据了大量土地，还可能通过重金属的淋溶和粉尘的排放对周围环境造成严重影响。随着全球对生态环境保护的重视，煤矸石的生态修复已成为亟待解决的问题之一。植物定植作为一种生态修复手段，能够将煤矸石转化为类似土壤的基质，从而支持可持续的植被生长。然而，关于有机质（OM）的腐殖化过程以及铁矿物转化机制的研究仍较为有限。因此，本研究旨在通过两种代表性植物——多年生黑麦草（*Lolium perenne* L.）和紫花苜蓿（*Medicago sativa* L.）的定植，探讨煤矸石中有机质的变化、铁矿物的转化及其对微生物群落结构的影响。

煤矸石的堆积面积已超过70平方公里，占中国耕地总面积的6.79%。其主要成分包括铝、硅和铁等氧化物，这些成分与自然土壤相似，但缺乏功能性土壤结构和可利用的有机质。由于煤矸石中的有机质主要由惰性、煤类成分构成，其生物可利用性极低，难以支持生态系统的基本物质和能量循环。而土壤有机质（SOM）中的溶解有机质（DOM）则被认为是推动土壤形成的关键因素。外部有机质的输入，如玉米秸秆，可以快速形成初始的DOM池，为微生物提供营养来源，进而促进土壤碳稳定化和铁矿物的转化。微生物代谢和死亡有机质的分解是DOM生成的重要内源途径，而先锋植物的定植则成为DOM积累与转化的核心驱动力。植物通过根系活动吸引具有特定功能的微生物（如变形菌门和放线菌门），改善养分循环。同时，植物根系分泌的小分子有机酸能够加速矿渣中生物白云母的风化，释放铁（III）和硅。此外，根系分泌的芳香族和羧酸类化合物作为高效的有机胶结剂，通过有机-矿物相互作用促进初始土壤团聚体的形成，特别是与次生铁矿物（如赤铁矿）的结合。

煤矸石中初级铁矿物的风化及其后续次生矿物的形成是其向土壤样基质转化的重要前提。例如，植物分泌的柠檬酸能够促进赤铁矿的溶解，而腐殖酸则可以作为电子供体，驱动赤铁矿的异化还原。铁作为地壳中一种红ox敏感的金属，是微生物呼吸过程中的关键替代性终末电子受体。微生物将铁（III）还原为铁（II）的过程，如由*Shewanella oneidensis*催化，不仅提高了铁的生物可利用性，还在调节有机质分解和碳储存-释放动态中发挥着核心作用。植物的铁获取策略与铁的氧化还原形态共同决定了其铁吸收效率。例如，策略I植物如秋枫（*Bischofia polycarpa* Oliv.）能够诱导赤铁矿的还原溶解，但由此产生的次生铁矿物可能会限制铁的进一步吸收。这些次生铁（氧）氢氧化物通过与含铝/硅矿物和有机官能团的络合作用，促进土壤团聚体的形成。由于煤矸石中初级矿物的主导地位，导致次生矿物相和有机质腐殖化过程的缺乏。因此，将采矿废弃物转化为功能性土壤样基质的关键路径在于：（1）增强初级矿物的转化，以促进次生矿物的形成；（2）通过植物定植激活有机质腐殖化过程。

尽管先锋植物在基质改良和铁-碳相互作用方面的作用已被广泛研究，但煤矸石中有机质腐殖化与铁矿物转化过程之间的机制关系仍不明确。本研究旨在阐明先锋植物在煤矸石生态修复过程中所发挥的生物地球化学机制，特别是其如何驱动有机质腐殖化和铁矿物转化。为此，我们开展了一项盆栽实验，研究多年生黑麦草和紫花苜蓿这两种先锋植物对煤矸石生物地球化学变化的差异化影响。通过整合生物地球化学分析，我们应用了多种微光谱技术，包括激发-发射矩阵与平行因子分析（EEM-PARAFAC）、衰减全反射-傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）和X射线衍射（XRD）以分析矿物学变化，同时结合同步辐射X射线吸收精细结构（XAFS）光谱技术。我们假设（1）先锋植物的根际微环境能够促进煤矸石中DOM的腐殖化，具体表现为增加类腐殖质成分的相对丰度；（2）由植物-微生物相互作用驱动的根际中铁（氧）氢氧化物的还原溶解，导致铁（II）矿物的形成，这一矿物转化过程因植物种类而异；（3）根际中铁矿物种类的变化和植物来源碳的输入将重塑微生物群落结构，从而推动煤矸石的土壤化过程。

在实验中，我们选择了来自安徽省淮南矿业集团的煤矸石样本，并从当地矿区采集了土壤样本。玉米秸秆作为农业固体废弃物，来源于中国吉林省四平市梨树县。所有样本均经过自然风干、手动粉碎并使用2毫米钢筛进行筛分。植物种类方面，我们选择了多年生黑麦草和紫花苜蓿进行盆栽实验。实验结果显示，经过10周的培养，玉米秸秆处理的黑麦草（GSR）和紫花苜蓿（GSA）的地上部和地下部生物量均低于未添加玉米秸秆的对照组（GNR和GNA）。具体而言，与GNR相比，GSR中黑麦草的地上部和地下部生物量分别减少了14.24%和10.53%，而GSA中紫花苜蓿的地上部和地下部生物量分别减少了17.01%和6.25%。在铁吸收方面，GSR的铁吸收量是GSA的1.8倍，这表明黑麦草在铁获取方面具有更高的效率。

植物定植显著提升了煤矸石中有机质和溶解有机碳（DOC）的含量，同时推动了DOC组成从蛋白类向类腐殖质物质的转变。这一变化标志着煤矸石向土壤样基质的成土过程的启动。植物通过根系分泌作用将外部有机质引入煤矸石，这一过程包括根细胞的死亡和裂解、可溶性化合物的分泌等。根系分泌的有机质不仅为微生物提供了营养来源，还促进了碳的稳定化和铁矿物的转化。通过根系分泌的小分子有机酸，植物能够加速煤矸石中生物白云母的风化，释放铁（III）和硅。同时，根系分泌的芳香族和羧酸类化合物作为高效的有机胶结剂，通过有机-矿物相互作用促进初始土壤团聚体的形成，特别是在与次生铁矿物（如赤铁矿）的结合过程中。

在铁矿物转化方面，同步辐射X射线吸收精细结构（XAFS）光谱技术揭示了赤铁矿和绿泥石类矿物向菱铁矿类矿物的转化过程。这一转化不仅反映了铁矿物的化学形态变化，还可能对煤矸石的土壤化过程产生深远影响。此外，植物的铁获取策略与其对铁氧化还原形态的偏好共同决定了其铁吸收效率。例如，策略I植物通过还原溶解初级铁矿物（如赤铁矿）来获取铁，而策略II植物则通过直接吸收铁（II）来实现铁的获取。这种差异可能影响煤矸石中铁矿物的转化路径，进而影响微生物群落的组成和功能。

研究还预测了微生物群落代谢途径的变化。例如，微生物的光合自养作用、烃类降解和铁呼吸等特定代谢途径可能受到植物定植的显著影响。这些代谢途径的变化不仅反映了微生物对环境条件的适应性，还可能对煤矸石的土壤化过程产生积极影响。植物根系分泌的有机质为微生物提供了丰富的营养来源，从而促进了微生物群落的多样性和功能的增强。同时，微生物的代谢活动可能进一步促进有机质的腐殖化和铁矿物的转化，形成一个正向反馈循环，推动煤矸石向功能性土壤样基质的转化。

通过本研究，我们希望为煤矸石的生态修复和可持续矿地恢复提供科学依据。植物定植不仅能够克服传统方法（如物理覆盖和化学改良）的局限性，还能主动引导煤矸石堆向自维持生态系统的方向发展。这为实现非污染性的生态修复目标提供了新的思路和方法。此外，研究结果也为农业废弃物的资源化利用提供了参考，特别是在促进土壤形成和碳循环方面。通过合理选择植物种类，可以有效提升煤矸石的生态修复效果，实现环境与资源的双重效益。

本研究的发现表明，植物-微生物相互作用在煤矸石的土壤化过程中具有关键作用。植物通过根系活动和分泌物，不仅为微生物提供了生存和代谢所需的环境条件，还通过改变根际微环境，影响微生物群落的组成和功能。这种相互作用可能在一定程度上缓解煤矸石对生态环境的威胁，同时为矿区的生态恢复提供可行的解决方案。此外，研究还强调了植物定植在促进有机质腐殖化和铁矿物转化方面的独特优势，这为未来在煤矸石生态修复中的植物选择和应用提供了理论支持。

在实际应用中，煤矸石的生态修复需要综合考虑多种因素，包括植物种类的选择、微生物群落的调控以及有机质和铁矿物的转化过程。不同植物种类可能对煤矸石的修复效果产生显著差异，因此在实践中应根据具体环境条件和目标选择合适的植物。同时，微生物群落的组成和功能对煤矸石的修复过程具有重要影响，因此可以通过调控微生物群落来进一步提升修复效果。此外，有机质的腐殖化过程不仅影响煤矸石的土壤化，还可能对碳循环和养分供应产生积极影响，因此需要在修复过程中充分考虑这一因素。

综上所述，本研究揭示了植物定植在煤矸石生态修复中的重要作用，特别是在促进有机质腐殖化和铁矿物转化方面。通过合理的植物选择和管理，可以有效提升煤矸石的生态修复效果，推动其向功能性土壤样基质的转化。这不仅有助于缓解煤矸石对生态环境的威胁，还为实现可持续的矿地恢复提供了新的思路和方法。同时，研究结果也为农业废弃物的资源化利用提供了参考，特别是在促进土壤形成和碳循环方面。通过进一步的研究和实践，植物定植有望成为煤矸石生态修复中的重要工具，为实现环境与资源的双重效益做出贡献。