生物炭对离子型稀土尾矿土壤中黑麦草生长和微生物多样性的影响

应用玉米秸秆生物炭改善离子稀土尾ings土壤酸性和养分有效性，促进黑麦草生长，并发现生物炭通过改变有益菌（如Sphingomonas）丰度和抑制病原菌（如Rhodanobacter）显著提升土壤肥力与微生物群落结构。

　　

王慧娟|郭安|肖新金|黄瑾|谢芳芳|葛柳生|邓阳武|刘晓萍

江西离子型稀土工程研究有限公司，国家离子型稀土工程技术研究中心，中国赣州341000

摘要

离子型稀土尾矿由于引发了一系列土壤退化问题而备受关注。生物炭因其良好的吸附能力和潜在的营养供应能力，被广泛用于土壤修复。然而，关于离子型稀土尾矿中的土壤微生物群落与生物炭改良之间的关系却鲜有研究。本研究系统地探讨了生物炭对黑麦草生长和微生物群落的影响。结果表明，生物炭对黑麦草的生长有显著的促进作用，这可能是由于提高了土壤pH值和养分有效性。生物炭的应用使土壤有机质含量显著增加，比对照组高出8.7至26.3倍。微生物分析显示，植物病原菌（Rhodanobacter和Ralstonia）的相对丰度显著下降，而Sphingomonas和Arthrobacter的丰度增加，这可能有助于提高植物对磷的吸收。基于FAPROTAX和FUNGuild分析，3%-5%的生物炭施用通过提高土壤pH值、增强养分有效性以及促进有益的磷释放细菌的生长，显著促进了黑麦草的生长。本研究的结果有助于揭示生物炭在离子型稀土尾矿土壤中的生物和非生物响应机制。

引言

稀土元素（REEs）包含17种具有战略意义的金属，对现代高科技和清洁能源产业至关重要（Wang等人，2022年）。中国是全球稀土供应的主要来源，其独特的离子型稀土矿石中，稀土以水合离子的形式吸附在粘土上，是中重稀土的主要来源（Liu等人，2020年；Xu等人，2023年）。使用传统技术开采离子型稀土会产生大量尾矿，导致土壤酸化、结构破坏、侵蚀、肥力下降以及微生物数量和多样性的减少（Wang等人，2022年）。尾矿中高浓度的稀土可能会抑制种子发芽，降低植物生物量，并通过食物链对居民健康构成潜在风险（Li等人，2024年）。此外，土壤酸度的增加会显著影响土壤微生物群落并提高重金属的可用性（Naz等人，2022年）。因此，修复离子型稀土尾矿对于钝化重金属和改善土壤性质至关重要。

植物提取是一种利用超积累植物从受污染土壤中去除目标金属的技术（Yan等人，2024年）。尽管使用超积累植物的植物提取是一种可行的修复方法，但离子型稀土尾矿的极端条件通常需要土壤改良剂来促进植物生长。由于尾矿的酸化和贫瘠，必须在植被建立之前添加土壤改良剂（Dai等人，2022年）。其中，生物炭因其高吸附能力、高阳离子交换能力和丰富的营养成分而被广泛用于修复离子型稀土尾矿。先前的研究表明，生物炭的效果因原料和施用率的不同而有所差异（Chen等人，2023a）。已经证实，生物炭可以改善土壤的物理化学性质，如pH值、养分含量和有效性以及阳离子交换能力。例如，Pandian等人（Pandian等人，2021年）发现生物炭使土壤pH值提高了8%-11%，并使植被生物量增加了26%-30%。此外，生物炭的原料对其性能有很大影响，牛粪制成的生物炭和芦苇秸秆制成的水炭分别显著增加了或减少了植被生物量（Yin等人，2022年）。然而，单独施用生物炭也可能抑制植物生长，因为其生产过程中不可避免会产生有毒化合物。因此，有研究提出将生物炭与堆肥结合使用以减轻这些不利影响（Mikajlo等人，2024年）。从添加剂的类型来看，单独使用生物炭的效果不如与其他材料结合使用（Dai等人，2022年；Wang等人，2022年）。研究表明，生物炭改良可以增加细菌多样性，同时减少真菌多样性，从而显著影响土壤有机质分解和养分动态，进而影响植物对养分的吸收（Dangi等人，2020年）。

作为地球生物多样性和土壤生态系统的重要组成部分，土壤微生物对于维持土壤的功能、健康和可持续性至关重要（Palansooriya等人，2019年）。土壤微生物群落是生态系统功能的基本驱动因素，多样性通过其在养分循环、有机质分解和病原体抑制中的互补作用支持多功能性（Zak等人，2003年）。特定的功能群直接影响植物生长：促进植物生长的根际细菌通过固氮和磷释放增加养分有效性；菌根真菌扩展植物对水和养分的吸收；而病原体抑制则维持植物健康（Bartelt-Ryser等人，2005年；Roesti等人，2006年）。在像稀土尾矿这样的退化系统中，恢复这些功能微生物属性对于成功的植物修复至关重要（Chen等人，2023b）。因此，有效的改良剂必须促进支持这些关键生态过程的微生物配置。除了细菌外，真菌对土壤的生态功能也至关重要，例如养分吸收和有机质分解。先前的研究发现，由于真菌对恶劣环境的适应性，它们在稀土尾矿的土壤修复中可能发挥更重要的作用（Li等人，2020年；Liao等人，2024a）。这一点在类似受压环境中得到了证实，例如垃圾填埋场土壤中，生物炭被证明显著影响真菌群落结构和功能，突显了它们在退化系统中的生态重要性（Liao等人，2024b）。然而，以往的研究主要集中在重金属污染场地，而对离子型稀土矿尾矿中土壤微生物的变化，特别是在生物炭修复过程中微生物群落的变化关注较少。

因此，为了填补这一知识空白，本研究系统地研究了生物炭、土壤性质以及离子型稀土尾矿中的微生物群落（包括细菌和真菌）之间的相互作用。本研究选择了玉米秸秆生物炭，因为玉米秸秆是中国广泛可用且可持续的农业废弃物。来自秸秆的生物炭已被广泛报道可以有效改善土壤结构、养分保持和微生物活性（Burrell等人，2016年；Pan等人，2016年）。此外，研究表明，像玉米秸秆生物炭这样的植物来源生物炭在促进植物生长和塑造土壤微生物群落方面比其他原料更有效（Liao等人，2024年）。我们假设玉米秸秆生物炭将通过两种机制促进黑麦草的生长：（i）非生物机制，通过直接改善土壤酸度和提高养分有效性；（ii）生物机制，通过选择性调节微生物群落结构，从而抑制植物病原体并丰富参与养分循环的有益菌类。为了验证这一假设，我们的目标如下：（1）量化玉米秸秆生物炭对离子型稀土尾矿土壤物理化学性质（如pH值、有机质、有效氮、磷、钾）的影响及其对黑麦草生长的后续影响；（2）确定生物炭改良如何改变这种独特土壤基质中细菌和真菌群落的多样性、组成和共现模式；（3）通过研究关键微生物类群及其对生物炭诱导的环境变化的预测生态功能的变化，阐明潜在的机制联系。

部分摘录

生物炭与土壤

玉米秸秆生物炭（在400°C下制备）购自南京志荣联科技有限公司，其典型的重金属含量（如砷、铅、镉）低于检测限（0.001%）。该生物炭是在氧气受限条件下通过缓慢热解在400°C下制备的，停留时间约为2小时。黑麦草种子购自中国赣州的种子市场，测试土壤则来自一个废弃的堆浸场

生物炭的特性

扫描电子显微镜和能量分散光谱用于观察生物炭的表面形态和结构特征。如图1所示，生物炭表面观察到一个多孔网络结构，这可能是由于木质纤维素本身的结构所致。据报道，生物炭的孔隙与其较高的持水能力有关（Gondim等人，2018年），这对植物生长起着关键作用。EDS光谱显示，碳（C）和氧（O）是

结论

总之，生物炭通过非生物-生物综合机制促进了离子型稀土尾矿土壤中黑麦草的生长。修复机制包括改善土壤酸度、提高养分（尤其是钾和磷）的有效性以及重塑微生物群落。这些非生物改善与生物变化相结合，包括抑制植物病原体、促进有益的磷释放细菌以及真菌群落的转变

未引用的参考文献

Liao等人，2024a；Liao等人，2025b；Zhaoyu等人，2024

CRediT作者贡献声明

王慧娟：撰写——原始草案、验证、方法学、调查、概念化。郭安：方法学。肖新金：方法学。黄瑾：方法学。谢芳芳：方法学。葛柳生：方法学。邓阳武：监督。刘晓萍：撰写——审阅与编辑、监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（编号2019YFC0605000和2021YFC2902201）、国家自然科学基金（编号42267050）、江西省重点研发计划（编号20181BBG78076和20203BBG73068）、江西省自然科学基金（编号20212BAB203017）以及赣州市重点研发计划（编号[2020]-60）的支持。