通过添加铁尾矿的污泥堆肥处理及植物定殖来促进稳定型技术性土壤（Technosols）的形成

土壤退化与污染威胁生态安全与农业可持续性，Technosols（人工土壤）作为废弃物再生材料备受关注。本研究提出铁尾矿与污泥共堆肥结合先锋植物定植技术，通过有机质矿化、矿物表面有机吸附及微生物协同作用，显著提升Technosols的水稳团聚体含量（27–51%）、矿物结合有机碳比例（429–528%）并降低电导率（15–38%），光谱与宏基因组分析揭示有机-矿物复合机制及微生物群落对碳封存的调控作用。

　　

李青怡|张宇|陈泽旭|杨博远|蔡思颖|彭思伟|张建波|张伟军

中国地质大学环境科学学院，武汉430074，湖北，中国

摘要

土壤是一种对环境可持续性和粮食生产至关重要的不可再生资源。密集的人类活动消耗了大量土地资源，促进了技术土壤（Technosols）的发展——这种土壤类似的材料是由有机和矿物废弃物制成的。然而，大多数技术土壤的结构稳定性和碳封存能力有限。在这里，我们提出了一种通过铁尾矿（IT）和污泥的共堆肥，随后进行先锋植物定植来形成稳定技术土壤的方法，并研究了其背后的机制。污泥中的新鲜有机成分在堆肥过程中促进了水稳性大团聚体的形成，而铁尾矿提供了含铁/铝的矿物以增强结构稳定性。先锋植物的定植刺激了根际微生物活动，进一步增强了团聚体的形成。因此，这些技术土壤的水稳性团聚体增加了27–51%，与矿物相关的有机碳含量增加了429–528%，电导率降低了15–38%。光谱学和高分辨率质谱分析显示，芳香族、氧化态和富含氮的有机物质的转化得到了增强，有利于碳和氮的保存。微生物分析表明，与矿物风化、顽固碳转化和植物生长促进相关的微生物群落得到了富集，这些都与团聚体稳定性的提高有关。这些发现为废物资源回收和稳定技术土壤的形成提供了一种有前景的方法，对土壤利用具有重要的意义。

引言

土壤是一种对粮食供应、生态调节和环境至关重要的不可再生资源（Heimsath等人，1997年）。最近，人类对土地的占用（如城市化、工业扩张）导致了全球范围内的土壤退化和污染，威胁到了生态系统的稳定性和农业的可持续性（Smith等人，2024年）。这些问题使许多地区接近甚至超过了其生态红线——即维持基本生态系统功能和粮食供应所需的最低土壤面积。因此，恢复土壤质量和重建退化土地已成为生态红线管理的关键组成部分（Peng等人，2025年）。在这种情况下，技术土壤作为一种主要由有机和无机废弃物在人为调控下制成的类似土壤的产品，引起了广泛关注，被用于恢复退化的采矿用地（Azevedo-Lopes等人，2024年；Wu等人，2023a；Wu等人，2023b）。技术土壤的利用不仅为缓解自然土壤的持续退化提供了一种替代方案，也为大规模废物回收提供了有效途径。

技术土壤的制备通常涉及将无机固体废弃物（如建筑垃圾和工业副产品）与有机废弃物（如污水污泥、农业和林业残余物）结合。然而，目前大多数方法仅依赖于无机和有机成分的简单混合。例如，Deeb等人通过将建筑垃圾与堆肥混合来制备用于城市绿化的技术土壤（Deeb等人，2016a；Deeb等人，2016b），而其他人则加入了生物炭或富含硅酸盐的副产品，如煤矸石、粉煤灰和钢渣（Ariluoma等人，2021年；Haque等人，2021年）。尽管这种方法可以暂时模拟自然土壤的组成和肥力，但由于缺乏内在的稳定过程，往往导致团聚体不稳定、水稳性低以及二次污染物的释放（Miguel等人，2020年）。这种方法导致在土地利用过程中碳/养分迅速流失，限制了它们作为可持续碳汇的功能（Deeb等人，2020年；Haynes等人，2022年；Shchepeleva等人，2017年）。因此，开发一种能够增强结构稳定性和养分保留的可靠技术土壤制备方法是必要的。通过有机物（OM）、活性矿物和微生物之间的相互作用形成的团聚体是控制水分保持、抗侵蚀性和碳稳定的基本结构单元（Kan等人，2022年；van den Bergh等人，2024年）。因此，促进有效的有机-矿物关联并加速稳定团聚体的形成是将原始废物混合物转化为稳定功能技术土壤的关键因素（Deeb等人，2016a；Deeb等人，2016b）。

堆肥是一种人工强化的生物过程，可以在几周内将有机废弃物转化为腐殖化产品，其速度比自然土壤系统快10–20倍（Hu等人，2022年）。因此，这项技术有潜力加速技术土壤的发展。然而，单独的堆肥产品在结构上较为松散，容易发生快速的有机矿物化（Bruun等人，2016年；Raheem等人，2018年），限制了其长期有效性。我们之前的研究发现，添加铁尾矿的污泥堆肥增强了堆肥的土壤化过程（如团聚体和发芽指数）（Zhang等人，2026年）。这些结果表明，矿物输入可以通过提供活性含铁/铝的相来补偿堆肥的结构缺陷，从而稳定有机物。此外，先锋植物的定植通过引入根系产生的碳并刺激根际过程来增强团聚体的形成（Li等人，2022年；Li等人，2024a；Li等人，2024b；Wu等人，2019年；Wu等人，2026年）。因此，将矿物改良的堆肥与植物定植相结合可能是加速技术土壤形成并建立可持续类似土壤系统的一种可行途径。在这种框架下，堆肥提供了腐殖化的有机粘合剂，铁尾矿提供了活性矿物表面以促进有机-矿物关联，植物根系和根际微生物进一步增强了团聚体的巩固。这种整合不同于通过物理混合制备的传统技术土壤，为可持续碳封存提供了机制基础。

剩余污泥是废水处理的主要副产品，年产量超过9000万吨（干物质）（Gu等人，2024年）。铁尾矿是一种大量产生的工业废弃物，来源于矿物加工（每年200亿吨）（Han等人，2023年），富含可以结合有机物的铁/铝氧化物（Bao等人，2022年；Ruiz等人，2023年；Wu等人，2019年）。本研究评估了通过铁尾矿改良的堆肥生物固体结合先锋植物定植（Composting-IT&P）来制备技术土壤的可行性。使用来自嗜热或成熟阶段的堆肥生物固体进行了90天的Composting-IT&P实验，以研究有机物类型对技术土壤形成的影响。我们研究了（1）由有机物类型、铁尾矿添加和植物定植驱动的团聚体形成和稳定；（2）有机物的分子转化及其与含铁/铝矿物的关联；（3）溶解有机物（DOM）动态和长期碳稳定的微生物调控。高分辨率光谱学、矿物学和微生物分析相结合，阐明了技术土壤形成和碳稳定的生物-非生物耦合过程，为工程化稳定和可持续的人工土壤提供了机制基础。

部分摘录

使用好氧堆肥制备有机组分

从中国南京的一家市政污水处理厂收集了含水量为80%的废弃活性污泥。铁尾矿（IT）来自中国武汉的一家铁矿石矿。堆肥原料由污泥和粉碎的玉米秸秆按2:1（重量比）混合而成。原料和铁尾矿的基本特性在补充材料中提供。如图1所示，为了研究不同类型有机物（嗜热阶段堆肥含有新鲜有机物，成熟堆肥含有

物理化学和结构特性

铁尾矿显著降低了堆肥生物固体在土壤化之前的初始pH值（p

结论

本研究表明，将污水污泥与铁尾矿共堆肥，并结合先锋植物定植，可以有效将废物混合物转化为稳定的技术土壤。Composting-IT&P方法通过生物-非生物耦合增强了团聚体的形成和碳的稳定。含铁/铝的矿物提供了活性表面，促进了有机-矿物复合，而微生物群落的演替在介导矿物风化和顽固碳的降解过程中发挥了关键作用

未引用的参考文献

Jordán等人（2020年）。

CRediT作者贡献声明

李青怡：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，形式分析，数据管理。张宇：资源获取。陈泽旭：研究，形式分析。杨博远：验证。蔡思颖：方法学。彭思伟：资源获取。张建波：资源获取，撰写 – 审稿与编辑，概念化，资金筹集。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（U24A20193；52270141）、湖北省技术创新计划项目（2024BCA006）以及中国地质大学武汉分校的基本研究基金（122-G1323522145）的财政支持。