《Agronomy》：Effects of Sheep Manure Cake Addition on Surface-Soil Carbon Accumulation and Microbial Carbon Fixation Potential in Reclaimed Soils of the Muli Mining Area
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摘要：提升表层土壤碳累积对于恢复高寒矿区复垦土壤具有重要意义。研究人员在中国青海木里矿区评估了九种处理：一个对照（CK）和八种羊粪砖施用量（0.025–0.060 m3·m?2）。研究测定了土壤总有机碳（TOC）、颗粒有机碳（POC）、微生物生物量碳（MBC）
摘要：提升表层土壤碳累积对于恢复高寒矿区复垦土壤具有重要意义。研究人员在中国青海木里矿区评估了九种处理：一个对照（CK）和八种羊粪砖施用量（0.025–0.060 m3·m?2）。研究测定了土壤总有机碳（TOC）、颗粒有机碳（POC）、微生物生物量碳（MBC）、可溶性有机碳（DOC）、0–10 cm土壤有机碳（SOC）储量、碳库管理指数（CPMI）、固碳基因（cbbL和cbbM）以及微生物群落测序图谱。羊粪砖显著增加了所测定的碳组分和CPMI。SM3处理下0–10 cm SOC储量最高（75.82 ± 3.52 Mg C·ha?1），其次为SM4（65.99 ± 3.49 Mg C·ha?1），而CK仅为20.74 ± 1.52 Mg C·ha?1。cbbL和cbbM基因拷贝数在SM2（0.030 m3·m?2）处理下达到峰值，分别为1.51 × 10?和1.91 × 10? copies·g?1。在预设的等准则层权重下，TOPSIS评价将SM2列为第一；但敏感性分析表明，当准则层权重改变时，领先处理会发生变化。因此，SM3–SM4展现出最强的实测表层碳累积效果，而SM2仅在所采用的TOPSIS权重方案内排名最高。
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一、研究背景与问题
土壤是陆地生态系统最大的活性碳库，其有机碳的储存与周转过程直接关系土壤肥力维持、生态系统稳定性及全球气候调节。青藏高原作为中国重要生态安全屏障，其高寒气候、低温和短生长季限制了土壤发育和有机质积累，严重干扰后生态系统恢复极为困难。木里煤田长期露天开采形成了大量弃渣和废石堆，对原生植被、土壤结构及水热过程造成严重破坏。复垦基质以煤矸石、泥岩、砂岩及其风化产物为主，普遍存在颗粒组成异质、养分有效性低、水肥保持能力差等问题，制约了植被定植和土壤碳库恢复。因此，矿区生态修复不仅应关注地表植被重建，还需促进土壤有机碳的累积、稳定和生物调控，以提升复垦生态系统长期固碳能力。
已有研究表明，有机改良剂施用可增加土壤碳输入、促进团聚体形成并调控活性碳组分，但不同施用量的效果受改良剂性质、施用量、土壤特性和恢复时长强烈调控。羊粪砖是高寒牧区由羊粪经践踏、降水并与土壤混合形成的本地有机资源，富含有机质和氮磷等养分，具有就地获取、环境适应性强等优点。前期在木里矿区的研究主要关注植被恢复、土壤养分、酶活性和微生物群落组成，但不同施用量对土壤有机碳组分、碳库管理指数（CPMI）、固碳功能基因（cbbL和cbbM）及其与细菌、真菌群落耦合关系的影响仍不清楚。此外，土壤微生物不仅是有机碳的分解者，也是微生物残体和稳定有机碳的重要来源，其群落组成和代谢策略共同调控土壤碳周转与固持过程。仅凭微生物分类组成不足以表征土壤碳循环功能，需要功能基因作为关键生态过程的指示。为此，研究人员设计了田间原位实验，系统评估羊粪砖施用量梯度对复垦土壤表层碳累积和微生物固碳潜力的影响。
二、主要技术方法
研究在青海省天峻县木里煤田聚乎更矿区开展，海拔3800–4200 m，属高寒多年冻土区。实验采用单因素设计，设9个处理：CK（0 m3·m?2）和SM1–SM8（0.025–0.060 m3·m?2），每处理3次重复，共27个5 m×6 m样方。2022年6月施入羊粪砖并翻入0–20 cm土层，随后混播四种禾本科牧草。2025年8月采集0–10 cm表层土壤样品。测定了总有机碳（TOC）、颗粒有机碳（POC）、微生物生物量碳（MBC）、可溶性有机碳（DOC），基于容重计算0–10 cm土壤有机碳（SOC）储量；通过Illumina高通量测序分析细菌16S rRNA V3–V4区和真菌ITS1区；利用实时荧光定量PCR（qPCR）测定cbbL和cbbM基因绝对拷贝数；计算碳库管理指数（CPMI）；采用分层等权TOPSIS模型对处理进行综合评价，并进行敏感性分析。
三、主要研究结果
（1）土壤有机碳组分变化：羊粪砖添加显著影响复垦土壤TOC、POC、MBC和DOC含量（p < 0.05），各碳组分随施用量增加呈先升后降趋势。SM3和SM4的TOC最高，分别为88.48和87.83 g·kg?1，较CK提高332%和322%；POC以SM3最高（14.84 g·kg?1），较CK提高264%；MBC在SM4达到最大值（959.09 mg·kg?1），较CK提高228%；DOC在SM3和SM4最高，分别为6669.33和6397.50 mg·kg?1，较CK提高331%和313%。0–10 cm SOC储量以SM3最高（75.82 ± 3.52 Mg C·ha?1），其次为SM4（65.99 ± 3.49 Mg C·ha?1），分别较CK（20.74 ± 1.52 Mg C·ha?1）提高265.60%和218.20%。
（2）碳库管理指数变化：所有羊粪砖处理均提高了非活性碳库（UA）和碳库指数（CPI），碳库活性指数（AI）变化较小（0.96–1.00）。CPMI从CK的42.50升至57.51–172.66，SM3最高，较CK提高306.26%，其次为SM4（提高297.74%）和SM7（提高202.05%）。
（3）碳固定功能基因变化：所有羊粪砖处理均显著提高cbbL和cbbM基因拷贝数（p < 0.05）。SM2的cbbL丰度最高，达1.51 × 10? copies·g?1；SM8和SM6次之。cbbM丰度同样以SM2最高（1.91 × 10? copies·g?1），为CK的7.3倍。这些qPCR数据表示固碳微生物的潜在功能容量，而非实际CO?固定速率。
（4）微生物群落变化：测序图谱显示，真菌门中Ascomycota读长最多，其次为Basidiomycota、Mortierellomycota和Glomeromycota；细菌门中Pseudomonadota读长最多，其次为Actinomycetota和Acidobacteriota，Cyanobacteriota读长较少。这些读长是测序描述指标，不代表绝对微生物丰度。
（5）相关性分析：基于27个样方的Pearson相关分析显示，TOC、POC、MBC、DOC和CPMI之间呈正相关；cbbL与cbbM显著正相关；微生物门水平读长与碳组分、基因拷贝数存在关联，但这些属于共变关系而非因果证据。
（6）TOPSIS综合评价：在预设等准则层权重（0.50/0.50）下，处理排序为SM2 > SM6 > SM8 > SM4 > SM7 > SM3 > SM5 > SM1 > CK，SM2的相对贴近度最高（0.778）。敏感性分析显示，排除CPMI不改变排序；但当基因准则层权重降至0.20–0.30时，SM4升至第一；基因层权重为0.40–0.80时SM2第一；等指标权重下SM4和SM3超过SM2。因此，SM2仅在特定权重方案内排名最高。
四、讨论与结论
讨论部分指出，羊粪砖添加显著增加各碳组分和SOC储量，SM3–SM4的强响应可能与外源碳输入、植物生长和微生物活动有关，但实验未直接测定碳分配机制。CPMI作为综合管理指数，其与TOC、MBC、DOC的相关性部分源于数学计算关系。cbbL和cbbM基因拷贝数最高值出现在SM2，而碳累积最强出现在SM3–SM4，表明基因丰度与实测碳累积并非同步响应。微生物测序图谱的处理间差异应视为群落组成变化，而非绝对丰度变化。TOPSIS排序对权重敏感，管理建议应结合修复目标。实际应用中，0.030–0.035 m3·m?2的施用量范围兼具较高的实测碳累积和基因型固碳潜力，可作为优先验证的候选区间。
研究结论为：（1）羊粪砖添加提高了TOC、POC、MBC、DOC、CPMI和0–10 cm SOC储量，SM3实测表层SOC储量最高（75.82 ± 3.52 Mg C·ha?1），但不能外推到10–20 cm未采样层或全剖面长期固碳量。（2）羊粪砖添加增加了cbbL和cbbM基因拷贝数，SM2最高，但该结果仅代表基因型潜在功能容量，不是实测固碳速率。（3）在预设等权TOPSIS框架下SM2排名最高，但敏感性分析显示权重改变后最优处理变化，因此0.030 m3·m?2只是在特定评价情景内的最高排名施用量。（4）生态修复实践中，0.030–0.035 m3·m?2可作为候选施用量范围优先开展持续田间验证，该建议仍属临时性，需通过多年重复监测、深层取样、改良剂完整表征以及植被-养分-微生物-碳储量响应的综合评估后，方可进行大规模工程应用。该研究发表于《Agronomy》。
