人工生物土壤结皮的形成对高海拔坡地基底结构、碳封存以及细菌群落组成的影响

《Journal of Environmental Management》：Effects of artificial biological soil crust establishment on spoil substrate structure, carbon sequestration, and bacterial community assembly on a high-altitude slope

　　

摘要

建设工程产生的 engineering spoil 构成一个脆弱的生态系统，极易发生退化并引发次生地质灾害。人工生物土壤结皮（BSCs）为改善退化基质提供了一种基于自然的策略；然而，其作用机制尚不明确。在本研究中，我们在高海拔的废弃物坡地上进行了一项人工 BSC 建立的现场实验。我们使用了不同的苔藓-藻类和苔藓-蓝细菌组合来评估它们对废弃物基质的影响。结果表明，人工 BSCs 增加了水分含量和养分可利用性，降低了容重和 pH 值，并促进了有机碳（SOC）的积累，包括颗粒有机碳（ROC）、可氧化有机碳（POC）、总有机碳（TOC）和溶解有机碳（DOC）。傅里叶变换红外光谱（FTIR）和扫描电子显微镜（SEM）分析表明，BSC 的建立增强了EPS的积累，增加了有机胶结物质，加强了颗粒间的结合，并形成了更稳定的结皮结构。BSC 的建立还提高了参与碳和氮转化的酶的活性，尤其是过氧化氢酶和硝酸盐还原酶。此外，BSC 处理增加了细菌的多样性，扩展了可检测的微生物群落（ASV）范围，改变了群落组成的相对比例，尽管随机因素仍占据主导地位。在 BSC 处理和未处理的土壤中，随机因素都主导了群落的形成，但 BSC 的建立改变了随机因素的相对贡献，使得非随机因素和扩散限制变得更加明显。偏最小二乘法（PLS-PM）分析表明，BSC 的建立通过改善结皮性质、提供养分和促进酶活性间接促进了碳的积累，其中酶的作用最为直接。这些发现为优化工程扰动区域的废弃物坡地 BSC 基础修复策略提供了依据。

引言

在高原地区，基础设施建设（如道路、隧道、水力和采矿工程）过程中通常会产生大量的 engineering spoil（Yang 等，2024）。这些废弃物材料一旦堆积，往往会形成暴露且不稳定的表面，极易受到环境退化和次生地质灾害的影响（Hu 等，2025）。由于其结构脆弱、养分含量低且不适宜生物定居（Jambhulkar 等，2019），它们的生态恢复尤为困难。在高原环境的恶劣条件下，包括低温、强辐射和频繁的风扰动，这些限制因素进一步加剧，使得废弃物修复成为一项长期挑战（Lu 等，2025）。

生物土壤结皮（BSCs），也称为生物壳层，是由蓝细菌、藻类、苔藓植物、真菌和相关的矿物颗粒组成的群落，它们在土壤表面形成（Warren 等，2021）。通过丝状结构、根状体和外源性聚合物物质将颗粒粘合在一起，BSCs 可以增强表面稳定性并减少侵蚀（Wang 等，2023）。同时，它们有助于有机物质的积累、养分转化和微生物栖息地的形成（Witzgall 等，2024）。由于 BSCs 能够耐受养分贫乏和环境压力较大的条件，因此越来越被认可为一种有前景的基于自然的土地修复方法，尤其是在干旱、寒冷和贫瘠的环境中（Tucker 等，2020）。

由于自然形成的 BSC 在严重受扰动的环境中生长缓慢（Ayuso 等，2017），因此提出了人工建立 BSC 的方法来加速地表稳定化和早期生态系统的发展（Zhou 等，2024）。可以选择性地繁殖和接种先锋生物（如蓝细菌、藻类和苔藓）以促进结皮的形成（Zhou 等，2020）。在这个过程中，藻类和蓝细菌对于初始的颗粒粘合和表面巩固很重要，而苔藓可以进一步提高表面覆盖度、水分保持能力和有机物质输入（Wang 等，2024；Yang 等，2019）。因此，这些群体在结皮形成过程中可能发挥互补作用。然而，尽管先前的研究表明人工 BSC 可以改善受损的基质，但不同苔藓-藻类/蓝细菌组合调节基质改善和微生物组装的机制仍不完全清楚，尤其是在高原废弃物环境中。这一知识空白限制了对机制的理解和基于 BSC 的修复策略的优化。

章节摘录

研究地点

研究地点位于中国四川省康定市鲁城镇的 MJG 废弃物处置场（图 1a）。该地点位于贡嘎山国家级自然保护区实验区和贡嘎山国家级风景名胜区三级保护区的交界处，代表了一个典型的亚高山寒冷湿润森林生态系统。海拔范围在 3264 至 3337 米之间。该地区具有明显的高山气候特征，

废弃物物理化学性质的变化

不同处理方法的废弃物基质的物理化学性质存在差异（图 2）。总体而言，BSC 处理在不同程度上改善了土壤的水分保持能力、养分含量和结构条件。在所有处理方法中，X1 在多个关键性质上表现出最大的变化。与对照组（CK）相比（水分含量：5.33±1.53%，容重：1.54±0.1 g/cm3），X1 的水分含量增加了 2.35 倍，容重降低到 CK 的 0.84 倍（p<0.05；图 2a–h），表明

生物土壤结皮对土壤物理结构的影响

土壤的物理结构反映了土壤颗粒的空间排列和孔隙系统的特性，是决定水分、气体和热量传输以及根系生长条件的关键因素，因此是废弃物基质稳定性和生态恢复潜力的基础（Tripathi 等，2025）。在本研究中，BSC 接种改善了废弃物基质的物理结构，其中 X1（Anabaena azotica 与 ... 组合使用）

结论

本研究评估了不同 BSC 处理对土壤物理化学性质、有机碳组分、酶活性、结皮结构特征和细菌群落的影响。结果表明，BSC 处理通过增加水分含量、提高养分可利用性、降低容重和 pH 值以及促进有机碳组分的积累，改善了废弃物基质的表面性质。

作者贡献声明

He Ruizhi: 规念制定、数据管理、正式分析、调查、软件应用、可视化、初稿撰写、审阅与编辑。Li Qi: 规念制定、资金获取、方法论设计、项目管理、监督、审阅与编辑。Wei Renjie: 正式分析、可视化、初稿撰写、审阅与编辑。Hu Chengbo: 调查、方法论设计、监督、审阅与编辑。Tang Jiahao: 调查

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了以下项目的支持：新疆维吾尔自治区 key R&D 项目（项目编号：2023B03011-3）；四川省自然资源厅科技项目（项目编号：ZDKJ-2026-003）；生态环境部土壤与水污染协同控制与联合修复重点实验室开放基金（项目编号：GHBK-2024-14）；天府永兴实验室组织研究项目资金（项目编号：2023KJGG05）；以及独立资金

He Ruizhi | Li Qi | Wei Renjie | Hu Chengbo | Tang Jiahao | Gan Lian | Zhang Ke | Wang Binghe | Pei Xiangjun成都工业大学地质灾害预防与地球环境保护国家重点实验室，中国成都，610059