利用采石场产生的生物炭恢复土壤真菌群落的动态

《Journal of Environmental Sciences》：Dynamics of soil fungal communities restored with biochar from a quarry site

本研究通过24个月田间试验，评估在九龙湾采石场接种本土树种（Castanopsis fissa和Cyclobalanopsis edithiae）并添加生物炭对土壤肥力及真菌群落的影响。结果表明生物炭显著提升土壤有机碳（+120%）、有效磷（+31%）和钾（+12%），增强阳离子交换能力。真菌多样性分析显示，接种C. fissa的土壤中子囊菌门（Ascomycota）和担子菌门（Basidiomycota）相对丰度分别增加24%和47%；而接种C. edithiae的土壤在24个月后真菌群落结构差异显著。研究证实生物炭能有效改善采石场土壤质量，促进本土植被恢复，为复杂退化土地修复提供新策略。

　　

廖家欣|Pui San So|Sanandam Bordoloi|郭浩文|Billy Chi Hang Hau|胡丽文|Charles Wang Wai Ng

中国科学院广州能源转换研究所，中国广州，510640

摘要

由于人口扩张，采石活动日益加剧，导致景观退化和生态破坏。在香港，采石场恢复通常是强制性的。尽管生物炭被用于可持续的土壤改良，但其对改善质量较差的采石场土壤的有效性却很少被研究。本研究进行了一项为期24个月的野外实验，评估使用本地物种（即Castanopsis fissa和Cyclobalanopsis edithiae）和生物炭改良来恢复采石场生态的可行性。结果表明，24个月后，由于生物炭具有更高的阳离子交换能力和促进植物生长的作用，植被土壤中的有机碳、磷和钾含量分别增加了至少120%、31%和12%。当种植C. fissa时，子囊菌门和担子菌门的相对丰度分别增加了24%和47%，这可能与养分循环和土壤肥力的改善有关。尽管在裸露的土壤中添加生物炭会增加真菌共现网络的复杂性，但在植被覆盖的采石场土壤中，生物炭的应用仅增加了真菌多样性，但通常降低了其丰富度。此外，植被覆盖土壤中的真菌共现网络变得不那么复杂，表明生物炭可能有助于植物形成特定的有益真菌群落。这种效应在种植C. edithiae的土壤中最为明显，24个月后的真菌群落结构与其他恢复时期有显著差异。本研究确定了生物炭在采石场土壤中增强的关键真菌门类，并为退化土地（尤其是采石场）的恢复和管理提供了有效策略。

引言

由于城市扩张对花岗岩作为建筑材料的日益需求，采石活动变得更加频繁，导致采石场过度开采（Prikryl, 2021）。通常，花岗岩资源的开采过程会破坏采石场及其周边地区的生态完整性（Oberle et al., 2019）。随着对可持续性的关注增加，将生态恢复措施纳入人类活动不仅对环境保护至关重要，也对城市发展具有重要意义（Temperton et al., 2019）。许多国家都有严格的规定，要求将脆弱的栖息地（尤其是采石场）恢复到原始生态状态（Prikryl, 2021）。在香港（中国），开采花岗岩骨料后必须进行生态恢复（Millis et al., 2019）。过去，Jim（2001）尝试通过种植本地豆科植物来恢复香港的一个采石场，但结果导致植物死亡率很高。失败的主要原因是土壤颗粒大小过大，阻碍了水分保持，从而抑制了植物生长。一些已经停止开采150年的采石场，其土壤养分和有机质含量仍然低于自然土壤。这些地区的植被主要由中营养型草类组成，而非本地植物（Lane et al., 2020）。在香港，恢复退化区域通常依赖引入外来物种，因为它们具有强大的根系、耐旱性和在贫瘠土壤中生存的能力（Zhang et al., 2013）。有时，采石场会用外来土壤替换岩坑以促进植物生长。然而，外来植物种植导致植被结构简化，资源利用效率和生物多样性下降（Zhang and Chu, 2011），而且替代土壤通常是沙质的，缺乏微生物和植物所需的养分（Zhao et al., 2019）。因此，应探索可持续的解决方案来改善土壤质量，从而促进本地植物的生长，实现采石场的有效生态恢复。

为了确保生态系统功能并减轻采石场退化，土壤微生物群落被认为是提高土壤质量的关键因素之一（Kubartová et al., 2012）。通常，土壤微生物负责分解植物残余物，促进养分循环，并稳定土壤结构（Harris, 2009）。大多数研究集中在采石场环境中环境参数与土壤细菌群落之间的相互作用上（Zhang and Chu, 2013）。例如，在表面添加堆肥的采石场土壤中，细菌群落与pH值和C/N比率呈正相关，而包括Taibaiella和Pseudomonas在内的细菌类群在恢复土壤的碳循环中起关键作用（Rodríguez-Berbel et al., 2021）。尽管土壤真菌在抑制植物病原体和矿化氮、磷和碳化合物等养分方面起着重要作用（Burke et al., 2011; Ng et al., 2023），但真菌群落对采石场恢复的影响尚不清楚。Dai等人（2021）的最新研究表明，真菌群落可以通过分解复杂的有机物质（如纤维素和木质素）将其转化为细菌可利用的形式来调节细菌群落的组成。他们还提出，担子菌门和子囊菌门的真菌类群可能是这种效应的原因。与土壤细菌不同，真菌群落对土壤水分含量的变化更为敏感，并对这些变化反应更快（Kaisermann et al., 2015）。它们的组成也受到土地利用方式和存在的植物种类的显著影响（Yamashita and Hijii, 2006）。鉴于采石场土壤通常贫瘠且水分含量低，只有某些植物群才能在这种环境中繁衍。因此，真菌群落在决定土壤质量方面可能比细菌群落更为重要，从而对采石场的生态恢复成功产生更大影响。在实施替代恢复方案时，真菌群落的发展可能会更加复杂。为了评估恢复工作的效果，有必要在应用这些替代方法后研究真菌群落的变化。

一种可持续修复采石场的潜在方法是使用成本效益高的生物炭改良土壤（Anakhu et al., 2023）。生物炭是一种富含碳的多孔材料，通过在低氧条件下热解有机废物产生（Pardo et al., 2019）。用生物炭改良沙质土壤可以提高土壤的水分保持能力和养分有效性（Hussain et al., 2020），这对于克服采石场环境中促进植物生长的挑战至关重要。然而，生物炭对土壤微生物的影响复杂，且因土壤类型而异。对于农业土壤，生物炭对微生物群落既有正面影响也有负面影响。Wang等人（2020）发现，0.5%的生物炭改良可以在养分贫瘠的土壤中产生有益效果，而1%的改良可能会对这些群落产生负面影响。相比之下，Wong等人（2019）报告称，在垃圾填埋场覆盖层中应用10%的花生壳生物炭可以显著提高细菌群落的多样性，因为其高孔隙率为微生物提供了附着和生存的场所。同样，Yu等人（2020）得出结论，3%的玉米生物炭可以通过提供稳定的碳源和改善土壤结构来增加养分贫瘠土壤中的微生物生物量和活性。此外，Laird等人（2010）证明，2%的粪便生物炭改良可以减少养分淋溶并提高养分保持能力，从而提高土壤肥力和微生物活性。尽管生物炭在农业和垃圾填埋场覆盖土壤中得到了广泛研究，但这些发现可能不直接适用于采石场恢复。采石场土壤通常含有更多的沙粒，颗粒大小分布也不同，导致肥力较低，水分保持能力较差（Hassan, 2022）。这种差异可能导致真菌群落对生物炭应用的反应不同。

在这项研究中，进行了一项野外实验，评估在种植有两种本地壳斗科植物C. fissa和C. edithiae的采石场中，应用生物炭24个月对真菌群落的影响。假设生物炭的应用可以改善采石场土壤的不良性质，从而促进植物生长，并增强真菌群落的结构，进而促进采石场的恢复。测量了采石场土壤的化学性质，包括总有机碳（TOC）、有效磷（P）和钾（K）含量以及阳离子交换能力（CEC），以评估土壤质量的时间变化。通过高通量焦磷酸测序内部转录间隔区（ITS）来追踪改良土壤中真菌群落的变化。分子生态网络被用来分析生物炭应用持续时间如何影响采石场这些真菌群落的复杂性。这项野外研究的新颖之处在于提供了一种使用本地植物物种恢复采石场的新方法和指导。它还将有助于深入理解生物炭如何改善土壤质量和真菌群落动态，从而促进采石场的生态恢复。

实验地点描述和设计

实验在中国香港屯门的Lam Tei采石场进行（22°41′42.89′′N, 113°99′53.22′′E）。该地区具有典型的亚热带季风气候，年平均温度约为23°C，年平均降水量约为2214毫米。Lam Tei采石场实验的详细设计见附录A图S1。总结了土壤和木质生物炭的性质，如pH值、电导率（EC）和CEC

不同修复期间生物炭对土壤性质的影响

图1显示了生物炭对各种土壤性质随时间的变化，包括pH值、EC、TOC、TN、P和CEC。在添加了生物炭的土壤（WB）中，pH值在修复过程中稳步下降（图1a），因为生物炭可以为微生物（特别是真菌）提供栖息地。这改善了微生物活性，产生了更多的有机酸，如草酸和柠檬酸，从而降低了土壤pH值（Arwidsson et al., 2010; Kim et al., 2006）。

结论

这项野外研究表明，生物炭改良是一种可行且有效的策略，可以改善退化采石场的生态恢复。在24个月的时间里，生物炭的应用显著改善了关键土壤性质，如TOC、CEC和P。这种改善促进了在通常肥力较低的采石场土壤中的植物生长和建立。除了化学性质外，生物炭在重塑土壤真菌群落方面也发挥了重要作用。

作者贡献声明

廖家欣：概念构思、数据管理、数据分析、资金获取、调查、初稿撰写。Pui San So：概念构思、数据管理、方法研究、审稿与编辑。Sanandam Bordoloi：概念构思、调查。郭浩文：概念构思、调查、撰写、审稿与编辑。Billy Chi Hang Hau：概念构思、调查、资源提供、撰写、审稿与编辑。胡丽文：概念构思、调查、撰写

作者贡献声明

廖家欣：初稿撰写、调查、资金获取、数据分析、概念构思。Pui San So：审稿与编辑、方法研究、数据管理、概念构思。Sanandam Bordoloi：方法研究、概念构思。郭浩文：审稿与编辑、调查、概念构思。Billy Chi Hang Hau：审稿与编辑、资源提供、调查、概念构思。胡丽文：审稿与编辑、调查

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

第一作者感谢中国国家重点研发计划（编号2023YFC3905800）的支持。作者感谢香港特别行政区研究资助委员会（RGC）提供的财务支持（编号AoE/E-603/18）。第三作者感谢FINNCERES旗舰项目和终身职位基金（编号91160169（TT/Bordoloi）的支持。我们感谢香港特别行政区土木工程与发展部门允许我们进行这项实验。