封闭式露天煤矿区生物结皮的生理生化特性：中国内蒙古的一项研究

研究人员针对露天煤矿开采导致的土地退化问题，以内蒙古灵泉封闭煤矿为研究对象，通过分析生物结皮（biocrust）的理化性质、微生物特征及其与土壤养分的互作机制，揭示了生物结皮通过富集固碳菌（Actinobacteriota）、解磷菌（Acidobacteriota）等功能微生物，显著提升土壤AP、AN、TN等养分含量，为矿区生态修复提供了低成本可持续的解决方案。

　　

露天煤矿开采在为能源生产做出贡献的同时，也造成了严重的土地退化和生态破坏。中国内蒙古等干旱半干旱地区的露天煤矿，由于植被破坏、表土移除和地形改变，导致土壤结构恶化、养分流失和侵蚀加剧。传统修复方法成本高昂且效果有限，而自然界中广泛存在的生物结皮（biocrust）——由蓝藻、藻类、苔藓和微生物组成的复杂表层群落——展现出强大的生态功能，包括固碳固氮、稳定土壤和促进植被恢复。然而，关于生物结皮在封闭煤矿区的自然形成机制及其对极端环境的适应策略，仍缺乏系统研究。

针对这一科学问题，中国矿业大学的研究团队在内蒙古灵泉封闭露天煤矿展开调查。该矿区关闭于2017年，地处年均温-0.7℃的严寒环境，研究团队采集了矿坑底部不同发育阶段的生物结皮样本，通过高通量测序、荧光定量PCR等技术，结合土壤理化分析和苔藓生理指标测定，系统解析了生物结皮对矿区土壤的改良机制。研究成果发表在《Environmental Technology》期刊上。

研究采用分层采样法获取0-3 cm生物结皮层（BC）和3-8 cm下层土壤（UBC），以无结皮裸土（SS/USS）为对照。关键技术包括：1）16S rRNA基因V3-V4区扩增测序分析微生物群落；2）钾 dichromate氧化法测定有机质（OM）；3）荧光分光光度法量化苔藓叶绿素a；4）冗余分析（RDA）揭示环境因子与菌群的关联性。

研究结果揭示：

1. 生物结皮对土壤理化性质的影响
   BC层的速效磷（AP）、速效钾（AK）和有机质（OM）含量较UBC层提升1.5-3倍，其中AP从22.86 mg/kg增至65.23 mg/kg。裸土SS与USS层则无显著差异，证实生物结皮能有效富集养分。

2. 苔藓生理特性与结皮覆盖度的关联
   高覆盖度（45.35%）样本的叶绿素a（3.14 mg/g?FW）和可溶性蛋白（234.76 mg/g?FW）含量显著高于低覆盖度（14.37%）样本，而丙二醛（MDA）含量从33.93 μmol/g升至83.93 μmol/g，表明氧化应激会抑制苔藓生长。

3. 微生物群落结构变化
   BC层中放线菌门（Actinobacteriota）相对丰度达34.76%，较裸土提升12.23%。假节杆菌属（Pseudarthrobacter）在BC层占比25.67%，其分泌的抗生素和生长激素促进了土壤肥力提升。

4. 环境因子驱动机制
   RDA分析显示AP（解释度55.02%）是影响菌群的首要因子，固碳菌（Chloroflexi）与TP、OM呈正相关，而鞘氨醇单胞菌（Sphingomonas）与所有养分指标负相关。

该研究首次证实：自然形成的生物结皮可通过"微生物-养分-苔藓"正向循环，在严寒矿区实现自我维持的生态修复。放线菌（Actinobacteriota）和酸杆菌（Acidobacteriota）作为核心功能菌群，分别通过分解有机质和溶解难溶磷，持续改善土壤微环境。这一发现为露天煤矿的生态恢复提供了新思路——利用本土生物结皮的自我组装能力，可大幅降低人工修复成本，尤其适用于干旱、寒冷等极端环境。未来研究可进一步优化人工接种策略，加速生物结皮在退化矿区的定殖进程。