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本研究探讨丛枝菌根真菌（AM fungi）接种对露天煤矿排土场土壤微生物群落结构和团聚体稳定性的影响。结果表明，接种显著提升细菌多样性（P<0.05）、菌丝体密度及Giomalin相关土壤蛋白水平，通过增强有机无机胶体结合作用提高团聚体稳定性（MWD提升2.36倍，GMD提升1.69倍）。该机制涉及AM真菌菌丝网络构建与分泌功能，为干旱半干旱矿区植被重建提供微生物调控新策略。
杜新鹏|毕音丽|田乐轩|尹克静|曹勇
中国矿业大学（北京）煤炭资源精细勘探与智能开发国家重点实验室，北京100083，中国
摘要
露天煤矿废料堆中的土壤受到重型机械的严重破坏，导致土壤结构、微生物群落和种子库遭到破坏，这阻碍了植物的重新定殖。丛枝菌根（AM）真菌可以通过根外菌丝和与葡聚糖相关的土壤蛋白质来促进宿主植物的生长和土壤团聚体的稳定性，但它们在矿场废料堆中重塑土壤的作用仍不清楚。本研究调查了AM真菌接种对在四年龄露天矿场废料堆上种植的Amorpha fruticosa的土壤微生物群落结构和团聚体稳定性的影响。结果表明，AM真菌增加了微生物的丰富度，改变了群落组成，并显著提高了细菌多样性。AM真菌接种显著增加了根际的菌丝密度、与葡聚糖相关的土壤蛋白质水平以及土壤有机质含量，从而提高了土壤团聚体的稳定性。此外，这种改善与菌丝密度、与葡聚糖相关的土壤蛋白质和土壤有机质含量密切相关。AM真菌通过影响细菌和真菌群落的多样性间接影响了土壤团聚体的稳定性。这些发现表明，AM真菌接种在早期生态恢复过程中能够促进土壤团聚体的形成，加速团聚体的形成，提高稳定性，并促进微生物群落的恢复。这种方法为恢复干旱和半干旱地区的露天煤矿废料堆提供了一种有前景的策略。
引言
中国是主要的煤炭生产国，煤炭占其总能源消耗的56.8%（Xiao等人，2022年；Yang等人，2022年）。煤炭开采对经济社会发展至关重要（Chen等人，2021年；Xiao等人，2020年）。由于其高效率、低成本、良好的回收率和大规模开采能力，露天开采被广泛采用，但这也导致了严重的生态破坏，形成了大量的土壤废料堆，破坏了植被和土壤结构（Tian等人，2014年；Neugirg等人，2016年）。这些废料堆占据了大面积的土地，破坏了表层土壤，并由于土壤压实以及微生物群落和种子库的破坏而阻碍了植物的重新定殖（Abu-Hamdeh，2003年；Kim等人，2010年）。因此，改善土壤条件对于成功恢复植被至关重要（Simmons等人，2008年）。
土壤团聚体是土壤的基本结构单位（Davinic等人，2012年；Ranjard和Richaume，2001年）；不同的土壤团聚体为植物根系和微生物的生长提供了微尺度的异质栖息地（Caravaca等人，2004年；Gupta和Germida，2015年）。露天开采严重破坏了土壤团聚体结构，增加了土壤的压实度和容重，同时降低了孔隙度、孔隙连续性、水分可用性和通气性（Scanlan和Hinz，2010年；Yang等人，2015年；Jensen等人，1996年；Breland和Hansen，1996年）。这些变化改变了微生物群落和生态系统功能（Grigal，2000年）。矿场废料堆的自然恢复过程缓慢，因此土地复垦和植被重建对于加速恢复至关重要（Nunez-Mir等人，2015年）。在植被恢复过程中，通过有机-无机胶体、微生物、植物和动物的活动以及水分运动，土壤团聚体会逐渐形成并重新构建（Buyer等人，2019年；Teng等人，2018年）。这一过程为生物创造了栖息地，并形成了能够保持水分和养分的孔隙网络。因此，团聚体的组成和稳定性是评估露天煤矿废料堆土壤改善状况的重要指标。
土壤团聚体的组成和稳定性受到多种生物和非生物因素的影响，包括微生物（Chenu和Stotzky，2001年；Lehmann等人，2017年；Tisdall，1994年）、土壤动物（Ayuke等人，2011年；Lee和Foster，1991年）、植物凋落物、根系形态（Baumert等人，2018年；Poirier等人，2018年）、环境变化（如冻融循环和干湿循环（Gispert，2013年；Lavee等人，1996年；Six等人，1998年）以及无机结合剂（如粘土矿物、氧化物和多价阳离子（Denef和Six，2005年）。生物因素，特别是微生物，在团聚体形成中的重要性最早由Tisdall（Tisdall，1994年）提出，并得到了广泛认可（Degens，1997年；Gupta和Germida，2015年）。细菌和真菌在土壤团聚过程中都起着重要作用（Frey，2005年；Gupta和Germida，2015年）。它们通过产生有机酸（例如草酸、柠檬酸）、分泌细胞外聚合物物质来粘合颗粒，以及通过真菌菌丝物理连接土壤成分来促进土壤团聚（Husson，2013年；Deng等人，2015年；Degens，1997年）。细菌和真菌群落在促进土壤物理和化学团聚方面的互补作用已被广泛认可（Leifheit等人，2015年；Siddiky等人，2012年）。微生物群落的多样性是衡量土壤微生物群落发育的关键指标（Han等人，2018年；Wang等人，2018年）。在露天煤矿废料堆中，由于重建的土壤通常来自深层母质，微生物的分布最初较为稀少。在生态恢复过程中，微生物群落会迅速响应环境变化，微生物多样性的变化可能会直接或间接影响这些重建系统中的土壤团聚体形成。
丛枝菌根（AM）真菌接种剂是恢复退化生态系统（包括沙漠和废弃场地）的有效策略（Orowska等人，2010年；Tracy等人，2011年）。大约70%的植物根系可以与AM真菌形成共生关系，从而形成菌根。细长且高度分枝的菌根菌丝可以调节根系结构并改变植物的养分获取策略（He和Zhong，2012年；Shen等人，2020年）。这些广泛的地下网络通过向根系输送水分和养分，帮助植物利用有限的土壤资源。AM真菌还影响根系生物量及其形态（Chen等人，2018年），进而通过改变土壤碳输入的空间分布来影响土壤团聚体（Carter等人，1994年；Degens，1997年）。细根通过黏液和分泌物直接有助于大土壤团聚体的稳定性（Brax等人，2020年）。AM真菌通过菌丝缠绕和分泌与葡聚糖相关的土壤蛋白质（GRSP）来影响土壤团聚体的形成（Son等人，2024年）。AM真菌和菌根的共同作用重塑了根际环境，可能影响微生物群落结构（Marschner和Timonen，2005年）。对于细菌而言，AM菌丝的分泌物可以刺激细菌生长（Toljander等人，2007年），而某些细菌物种则会影响AM真菌孢子的萌发和菌丝的发育，从而调节植物-真菌的相互作用（Artursson等人，2006年）。在真菌群落中，AM真菌可能会与其他物种竞争，有时会产生负面影响（Monokrousos等人，2020年）。
在露天煤矿废料堆中，土壤压实的情况下，植物根系很难依靠自身能力突破土壤的限制。接种AM真菌已被证明是一种有效的修复措施，并取得了一定的生态修复效果。因此，我们推测在土壤压实的情况下，接种AM真菌可能对根际土壤团聚体的形成和微生物群落的变化产生积极影响。我们的发现将有助于解决这些受干扰环境中植被恢复缓慢的问题，并为在生态恢复中应用微生物-植物联合修复技术提供理论基础。
研究区域
研究区域
该研究在鄂尔多斯市准格尔旗薛家湾镇的海岱沟露天煤矿内进行（东经111°13'?111°20'，北纬39°43'?39°49'）（图1）。该地区属于半干旱温带大陆性气候，年平均降水量约为400毫米，蒸发量约为2000毫米。研究地点位于2018年建造并修复的废料堆上，2018年4月在那里种植了Amorpha fruticosa。设置了两个试验地块：一个接种了AM真菌
土壤团聚体的稳定性特征
Amorpha fruticosa根系的生长和AM真菌的接种显著影响了土壤团聚体的稳定性（图2）。接种组的MWD和GMD明显高于对照组（图2a，b）（P<0.05）。具体来说，AM-R组的MWD是AM-B组的2.36倍，GMD是AM-B组的1.69倍。根际土壤和 bulk 土壤之间的MWD和GMD没有显著差异（P>0.05），表明AM真菌显著增强了团聚体的形成
菌根和AM真菌对微生物群落多样性的影响
在干旱和半干旱的采矿区，微生物群落在生态恢复过程中对环境变化非常敏感（Bastida等人，2017年）。在本研究中，植物根系对土壤细菌和真菌的多样性有明显影响（图5、6、8、9），这与先前的研究结果一致（Barea等人，2005年；Rodriguez-Caballero等人，2017年）。在露天矿场废料堆土壤中，重建过程中的压实减少了可用的孔隙空间（Yang等人，2015年），限制了微生物的定殖。结论
在露天煤矿废料堆中，AM真菌接种显著重塑了土壤微生物群落并提高了土壤团聚体的稳定性。根系和AM真菌的协同作用增加了土壤中细菌和真菌的丰富度，并重新组织了群落组成，尤其是对细菌多样性有显著影响。AM真菌接种还提高了根际土壤中的GRSP水平，并通过调节T-GRSP间接影响了土壤有机质（SOC）的含量。菌丝及其分泌物起着重要作用
作者贡献声明
毕音丽：写作 – 审稿与编辑、资源管理、方法论、调查、资金获取。杜新鹏：写作 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、软件使用、资源管理、数据整理。曹勇：资源管理、验证。尹克静：方法论、数据分析、概念化。田乐轩：写作 – 审稿与编辑、资源管理、方法论、资金获取
未引用的参考文献
Gispert等人，2013年；中国科学院南京土壤研究所，1980年；Or?owska等人，2010年；Rodríguez-Caballero等人，2017年；Rozmo?等人，2022年；Teng ZeDong等人，2018年；Tláskal等人，2021年。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响研究的财务利益或个人关系。
数据可用性声明
支持本研究的所有数据均包含在论文中，或可根据合理要求从相应作者处获取。
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
本研究得到了国家自然科学基金（52394195）、新疆维吾尔自治区重大科技专项（2025A01004-3）、国家重点研发计划（2022YFF1303304）以及黄河流域生态保护与高质量发展联合研究计划（2022-YRUC-01-0304）的资助。
