煤矿区复垦农田土壤微生物组的演替特征与组装过程及其生态功能重建机制

这篇研究揭示了煤矿区复垦农田土壤微生物群落的动态演替规律，通过16S rDNA/ITS测序和零模型分析，阐明了复垦10年后土壤有机质（SOM）、氮磷钾养分及β-葡萄糖苷酶（BG）等酶活性显著提升的机制。研究发现细菌多样性（Shannon/Chao1指数）持续上升，而真菌呈"先降后升"趋势；网络分析显示复垦6年时细菌枢纽类群（Bacillota为主）达峰值，真菌枢纽类群（Ascomycota主导）则持续增加。群落组装中细菌以异质性选择（heterogeneous selection）等确定性过程主导，真菌则受扩散限制（dispersal limitation）等随机过程调控，为矿区生态修复提供了微生物组调控的理论依据。

　　

1 引言
煤矿开采导致的土地退化严重威胁我国1.2亿公顷耕地红线。东部黄土高原复垦农田生态脆弱，传统客土回填方式常导致土壤微生物群落均质化、功能抑制。微生物作为驱动养分循环的核心，其群落演替规律与组装机制是生态功能恢复的关键指标。现有研究多聚焦植被重建，而对微生物网络结构、枢纽类群响应等深层机制探索不足。黄土高原煤矿区特有的干旱气候与钙质褐土环境，使得微生物组装过程可能显著区别于沿海复垦区，亟需系统性研究。

2 材料与方法
研究选取潞安集团采煤沉陷区复垦0/1/6/10年及未扰动农田（NL）土壤样本，测定pH、有机质（SOM）、速效磷（AP）等理化指标及β-葡萄糖苷酶（BG）等水解酶活性。通过338F/806R（细菌V3-V4区）和ITS1F/ITS1R（真菌）引物扩增测序，利用LEfSe鉴定指示物种，基于MENA构建共现网络（|r|>0.75），并通过βNTI和RC_bray指数量化确定性/随机性组装过程。

3 结果与分析
3.1 土壤理化与酶活性演变
复垦10年使SOM、TN、AP、AK分别提升2.1倍、1.3倍、1.5倍和0.4倍，BG、NAG、LAP酶活性激增17倍、8.7倍和1.8倍。这种"养分-酶活性"协同增长模式为微生物定殖创造了有利条件。

3.2 微生物多样性动态
细菌Shannon指数从R0的5.2持续增至R10的6.8，而真菌呈现"V型"曲线（R1最低4.1，R10恢复至5.9）。PCoA显示细菌群落变异度41.68%由PC1解释，显著高于真菌的29.42%，暗示环境筛选对细菌影响更强烈。LEfSe分析发现R0期以Bacillota（如Clostridium）为标志，R6期Gemmatimonadetes崛起，NL区则以Acidobacteriota和Sphingomonas为特征种。

3.3 网络结构与枢纽类群
细菌网络复杂度在R6年达峰（节点数187，模块度0.65），枢纽类群从R0的7个（Bacillota占43%）演变为R6的10个（含Proteobacteria和Acidobacteria）。真菌网络则持续强化，R10年枢纽类群中Ascomycota占比达60%。FAPROTAX预测显示细菌化能异养（chemoheterotrophy）功能提升2.3倍，FUNGuild揭示真菌腐生（saprotroph）功能增长4.1倍。

3.4 群落组装机制
细菌βNTI绝对值>2（R10年达3.8），表明异质性选择主导；真菌βNTI在-2~2间波动，R0年随机过程占比91.3%。PLS-PM模型显示，复垦土壤通过酶活性间接调控细菌多样性（路径系数0.38），而NL土壤中组装过程对多样性的直接调控增强（R²=0.77）。

4 讨论
4.1 枢纽类群更替规律
早期贫营养条件下Bacillota凭借快速碳代谢优势成为先锋类群；随着SOM积累，Proteobacteria（固氮）和Acidobacteria（多糖降解）逐步接管；R6年后Bacteroidetes通过降解高分子聚合物确立优势。真菌中Ascomycota始终主导，但Mortierellomycota（解磷）和Basidiomycota（氮循环）在R1年后显著增加，形成"细菌功能迭代，真菌功能叠加"的独特模式。

4.2 网络稳定性构建
细菌网络在R6年呈现最高模块化结构，模块间连接减少但模块内连接增强，这种"蜂窝式"结构提升抗干扰能力。真菌网络则随复垦年限呈现"蛛网式"扩张，R10年平均度中心性达8.7，显著高于R0年的3.2，表明功能冗余度持续增强。

4.3 组装过程分异
黄土高原干旱环境导致真菌组装始终维持高随机性（>70%），不同于沿海复垦区常见的确定性主导模式。细菌则通过"环境过滤-功能优化-网络固化"的三阶段演替，最终在NL土壤形成确定性占比98.4%的稳定群落。

5 结论
研究构建了"细菌定向调控-真菌自然恢复"的复垦策略：前期通过有机质改良引导细菌功能群有序更替，中期接种Mortierellomycota等关键真菌类群，后期利用作物-微生物互作强化网络稳定性。该成果为矿区土壤生态功能定向重建提供了理论框架和技术路径。