《Environmental Research》：Effects of combined humic- microbial amendment on the growth of pakchoi and soil improvement for coal mine subsided area
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矿井沉降土壤修复中腐殖酸微生物协同改良剂（CHA）的减肥增效机制及作物响应研究。
何欢|毛文清|衡西同|程娟|曹明军|曹庆和|周志林|陶秀香|戈尔达娜·梅杜尼奇|黄在兴
中国矿业大学化学工程学院，教育部煤炭加工与高效利用重点实验室，中国徐州221116
摘要
煤炭开采引起的地面沉降会破坏土壤生态系统并降低农业生产力，因此需要有效的修复策略。虽然褐煤提取的腐殖酸和微生物接种剂各自都显示出改善土壤特性的潜力，但腐殖酸-微生物改良剂（CHA）的联合应用仍缺乏研究，尤其是在减少无机肥料投入的情况下。本研究评估了CHA在修复受沉降影响的土壤和促进Brassica chinensis L.（小白菜）生长方面的效果，重点关注土壤-植物-微生物之间的相互作用。结果表明（P<0.05），CHA使无机肥料的使用量减少了50%。最佳CHA处理（IFHA）使土壤尿素酶和蔗糖酶的活性分别增加了14.84%和67.46%，促进了小白菜对氮和磷的吸收，并使生物量产量增加了87.6%。此外，与对照组相比，蛋白质和可溶性糖的含量分别增加了22.06%–79.94%。微生物分析显示，CHA对细菌数量的影响很小，但改变了真菌群落。主要菌门包括子囊菌门（含有有益的青霉菌，可增强氮的矿化作用）和 Mortierellomycota（有助于土壤养分的转化），以及参与碳循环的链霉菌。这些微生物的变化与土壤养分可用性的提高和作物表现的改善相关，有助于缓解采矿相关的退化现象。我们的发现表明，CHA为煤矿沉降土壤的可持续修复提供了一种有前景的方法，并为其他受采矿影响的土壤提供了潜在的应用途径。
引言
虽然煤炭开采推动了工业发展，但也导致了严重的生态退化，尤其是在长期沉降区域（Gopinathan等人，2023年；Xiong等人，2026年）。这些地区的土壤面临多重挑战，包括结构破坏（如压实、渗透性降低）、由于表土流失导致的低有机质（SOM）耗竭、重金属污染以及养分失衡（Vishwakarma等人，2020年；Bai等人，2022年）。位于中国徐州的Jiawang煤矿沉降区就是一个典型的例子。该地区占地23,000公顷，有机质含量极低（<0.8%，而全国平均水平为1.86%），并且存在历史性的镉（Cd）污染，这凸显了有效修复的必要性（Hu等人，2018年；Yang等人，2018年）。恢复这里的土壤功能需要同时增强有机质、固定重金属并改善养分可用性的策略——这是植被恢复和农业再利用的基本前提。
提高有机质是矿山土壤修复的基石，因为它决定了养分的保持、土壤结构和微生物活性（Fernandez等人，2023年；Meng等人，2023年）。富含腐殖质前体的褐煤是一种有前景的改良剂。其腐殖酸（HA）成分可以增加有机质含量，固定重金属，并作为生物刺激剂（Ampong等人，2022年）。同时，特定的微生物，尤其是降解褐煤的菌类，会分泌酶将褐煤分解为可利用的腐殖质，同时为土壤引入其他有益功能（Coban等人，2022年；Bai等人，2022年；Ghani等人，2021年；Sobolczyk-Bednarek等人，2021年）。尽管褐煤HA或微生物接种剂的单独效益已经得到证实（Khan等人，2018年；Zhou等人，2024年；Yan等人，2021年），并且我们之前的工作表明混合微生物群落可以将褐煤提取的HA产量提高25–30%（Cheng，2021年），但这种“腐殖酸-微生物”方法的实际应用仍需进一步探索。
三个关键的知识空白阻碍了其在实际土壤修复中的应用：（1）CHA在多胁迫条件下的煤矿土壤（特征为低有机质、养分缺乏）中的剂量-响应关系尚不清楚，这阻碍了最佳施用率的确定（Maciejewska等人，2024年）。（2）尚不清楚CHA是否可以与减少无机肥料（IF）结合实现“减少肥料使用而不降低产量”的目标——这是可持续农业的关键目标（Szewczuk-Karpisz等人，2024年）。（3）在多胁迫条件下，CHA施用与土壤功能改善（如养分循环、酶活性）和植物生长之间的机制联系尚不明确。
为了解决这些空白，我们假设：（1）CHA以剂量依赖的方式提高Jiawang土壤的肥力和植物生长，最佳剂量可以最大化有机质、养分可用性和酶活性；（2）最佳CHA与半剂量IF的结合将优于单独使用全剂量IF，这是由于CHA介导的有机质调节和IF提供的养分供应之间的协同效应，由微生物驱动的腐殖质释放和养分激活所促进。
为了验证这些假设，我们使用Jiawang地区的土壤和小白菜（Brassica chinensis L.）进行了盆栽实验——这是一种生长迅速且对土壤敏感的模型作物（Liu等人，2018年）。具体目标是：（1）评估不同CHA剂量（低/中/高）对有机质、可利用养分（N/P/K）和土壤酶活性的影响；（2）评估最佳CHA剂量与半剂量IF结合的协同潜力，并将其与全剂量IF和未处理的对照组进行比较；（3）阐明CHA引起的土壤改善与小白菜生长之间的联系，以揭示潜在机制。本研究旨在优化CHA在矿山土壤修复中的应用策略，支持退化沉降区域的可持续农业再利用。
部分摘要
煤炭开采虽然推动了工业发展，但也导致了严重的生态退化，特别是在长期沉降区域（Gopinathan等人，2023年；Xiong等人，2026年）。这些地区的土壤面临多重挑战，包括结构破坏（如压实、渗透性降低）、由于表土流失导致的低有机质（SOM）耗竭、重金属污染以及养分失衡（Vishwakarma等人，2020年；Bai等人，2022年）。中国徐州的Jiawang煤矿沉降区就是一个典型的例子。该地区面积为23,000公顷，有机质含量极低（<0.8%，而全国平均水平为1.86%），并且存在历史性的镉（Cd）污染，这突显了有效修复的必要性（Hu等人，2018年；Yang等人，2018年）。在这里恢复土壤功能需要同时增强有机质、固定重金属并改善养分可用性的策略——这是植被恢复和农业再利用的基本前提。
提高有机质是矿山土壤修复的基石，因为它决定了养分的保持、土壤结构和微生物活性（Fernandez等人，2023年；Meng等人，2023年）。富含腐殖质前体的褐煤是一种有前景的改良剂。其腐殖酸（HA）成分可以增加有机质含量，固定重金属，并作为生物刺激剂（Ampong等人，2022年）。同时，特定的微生物，特别是降解褐煤的菌类，会分泌酶将褐煤分解为可利用的腐殖质，同时为土壤引入其他有益功能（Coban等人，2022年；Bai等人，2022年；Ghani等人，2021年；Sobolczyk-Bednarek等人，2021年）。尽管褐煤HA或微生物接种剂的单独效益已经得到证实（Khan等人，2018年；Zhou等人，2024年；Yan等人，2021年），并且我们之前的工作表明混合微生物群落可以将褐煤提取的HA产量提高25–30%（Cheng，2021年），但这种协同的“腐殖酸-微生物”方法的实际应用仍需进一步探索。
三个关键的知识空白阻碍了其在实际土壤修复中的应用：（1）CHA在多胁迫条件下（特征为低有机质、养分缺乏）的剂量-响应关系尚不清楚，这阻碍了最佳施用率的确定（Maciejewska等人，2024年）。（2）尚不清楚CHA是否可以与减少无机肥料（IF）结合实现“减少肥料使用而不降低产量”的目标——这是可持续农业的关键目标（Szewczuk-Karpisz等人，2024年）。（3）CHA施用与土壤功能改善（如养分循环、酶活性）和植物生长之间的机制联系尚不明确。
为了解决这些空白，我们假设：（1）CHA以剂量依赖的方式提高Jiawang土壤的肥力和植物生长，最佳剂量可以最大化有机质、养分可用性和酶活性；（2）最佳CHA与半剂量IF的结合将优于单独使用全剂量IF，这是由于CHA介导的有机质调节和IF提供的养分供应之间的协同效应，由微生物驱动的腐殖质释放和养分激活所促进。
为了验证这些假设，我们使用Jiawang地区的土壤和小白菜（Brassica chinensis L.）进行了盆栽实验——这是一种生长迅速且对土壤敏感的模型作物（Liu等人，2018年）。具体目标是：（1）评估不同CHA剂量（低/中/高）对有机质、可利用养分（N/P/K）和土壤酶活性的影响；（2）评估最佳CHA剂量与半剂量IF结合的协同潜力，并将其与全剂量IF和未处理的对照组进行比较；（3）阐明CHA引起的土壤改善与小白菜生长之间的联系，以揭示潜在机制。本研究旨在优化CHA在矿山土壤修复中的应用策略，支持退化沉降区域的可持续农业再利用。
土壤和煤炭样本
从中国江苏省徐州的Jiawang煤矿沉降区采集了表层土壤（0-20厘米，100公斤）。土壤在室温下风干，去除石块、砾石和植物根系残余物，然后粉碎并通过5毫米筛子筛选，用于盆栽实验。初始土壤性质如下：pH 8.66，有机质9.8克/千克，碱解氮24.5毫克/千克，有效磷23.14毫克/千克，有效钾216毫克/千克。褐煤
土壤性质
图1展示了不同处理对小白菜生长后土壤物理化学性质和酶活性的影响。所有施肥处理显著促进了土壤微聚集体（M）向大聚集体（SM）的转化，增加了SM的比例，但不同处理之间的SM比例没有显著差异（图1A）。只有无机肥料（IF）和CHA的联合应用（IFHA处理）
土壤性质
土壤pH值、电导率（EC）、团聚体结构和养分动态是作物养分吸收和土壤质量的基础，因为它们调节根系-微生物相互作用和生化过程（Graf等人，2016年）。本研究表明CHA有效调节了这些性质。与未种植的土壤（OS）相比，CHA使小团聚体（SM）的比例增加了35%–41%，这可能是由于根系引起的颗粒重排和腐殖酸的矿物结合能力
结论
本研究证实，基于煤炭的腐殖酸-微生物改良剂（CHA）和无机肥料（IF）的协同应用可以有效修复退化的土壤并提高作物生产力。一个关键发现是CHA使无机肥料的使用量减少了50%，同时显著改善了土壤和植物参数。在最佳处理（IFHA）下，土壤大团聚体的比例比未处理的土壤（OS）增加了35%–41%。植物对碱解氮和有效磷的吸收增加了
CRediT作者贡献声明
毛文清：方法学。何欢：写作——审阅与编辑，撰写——初稿，项目管理，概念构思。黄在兴：写作——审阅与编辑。戈尔达娜·梅杜尼奇：写作——审阅与编辑。陶秀香：项目管理。周志林：数据管理。曹庆和：概念构思。曹明军：方法学。程娟：正式分析。衡西同：调查
未引用参考文献
Graf-Rosenfellner等人，2016年；Guo等人，2022年；Huang，2022年；Liu，2020年；Pang等人，2017年；Verma和Kuila，2019年；Wang等人，2020年；Wang等人，2020年；Xu等人，2024年。
资助
本工作得到了国家关键研发计划（2023YFF1306003）的支持。
利益冲突声明
? 作者声明以下财务利益/个人关系可能被视为潜在的利益冲突：
何欢报告称获得了中华人民共和国科技部的财政支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
