西部煤礦區(qū)生物土壤結(jié)皮的生態(tài)修復(fù)作用及其碳中和貢獻(xiàn)

畢銀麗，郭 蕓，劉 峰，李璞寧，彭蘇萍

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.西安科技大學(xué) 西部礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)研究院，陜西 西安 710054；3.中國(guó)煤炭學(xué)會(huì),北京 100013)

煤炭是我國(guó)的主體能源，其能源主體地位在未來(lái)一定時(shí)期內(nèi)不會(huì)改變。隨著我國(guó)煤炭資源開(kāi)發(fā)的戰(zhàn)略性西移，西部煤炭開(kāi)采將在我國(guó)未來(lái)能源發(fā)展中處于不可或缺的重要地位。我國(guó)當(dāng)前煤炭產(chǎn)量的60%以上來(lái)自西部地區(qū)，西部地區(qū)位于內(nèi)陸，其水資源占有量?jī)H占全國(guó)的3.9%，屬于干旱半干旱地區(qū)。西部地區(qū)規(guī)?；禾块_(kāi)采不可避免地引起原生地表?yè)p傷，開(kāi)采沉陷致使地形地貌更加支離破碎、生態(tài)退化碳匯能力大幅下降。我國(guó)對(duì)世界做出“30·60”雙碳目標(biāo)承諾，作為雙碳目標(biāo)的主戰(zhàn)場(chǎng)，能源產(chǎn)業(yè)的減碳、降碳是我國(guó)雙碳工作的重點(diǎn)方向，大面積的生態(tài)修復(fù)是主動(dòng)踐行綠色低碳開(kāi)采的必然選擇，因此，在“碳中和”目標(biāo)背景下，探索一種可柔性貼合地形起伏的快速?gòu)?fù)綠方法、適生性廣、抗逆性強(qiáng)的礦區(qū)生態(tài)修復(fù)+碳匯技術(shù)變得尤為重要和刻不容緩。

生物土壤結(jié)皮(Biological soil crust)作為生態(tài)修復(fù)的先鋒植物，是由隱花植物如藍(lán)藻、真核藻類、地衣、苔蘚植物和其他細(xì)菌、真菌等土壤微生物與土壤表層顆粒膠結(jié)而成的復(fù)雜有機(jī)體，號(hào)稱“荒漠生物地毯”和“生態(tài)工程師”，在受損地表系統(tǒng)的修復(fù)與采煤區(qū)生態(tài)環(huán)境的重建領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。生物土壤結(jié)皮的存在改善土壤養(yǎng)分狀況，改變土壤表面的微地形和水熱狀況，增加大氣降水的快速入滲，延緩或減少?gòu)搅鞯陌l(fā)生，影響菌類和土壤動(dòng)物的生存和繁衍、植物的萌發(fā)與定居及土壤種子庫(kù)動(dòng)態(tài)，同時(shí)，生物土壤結(jié)皮是陸地生態(tài)系統(tǒng)中重要的碳匯，全球土壤藻類每年大約吸收C為3.6 Pg，相當(dāng)于陸地植被凈初級(jí)生產(chǎn)量的6%。目前，已對(duì)喀斯特石漠化地區(qū)、沙質(zhì)荒漠化地區(qū)以及退耕還林還草工程實(shí)施后的黃土高原地區(qū)的生物土壤結(jié)皮的生態(tài)修復(fù)功能及現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，而對(duì)煤礦開(kāi)采影響下生物土壤結(jié)皮的相關(guān)報(bào)道較少，有必要結(jié)合我國(guó)煤炭產(chǎn)量的主產(chǎn)區(qū)(西部地區(qū))生態(tài)修復(fù)所面臨的主要問(wèn)題，在“碳中和”目標(biāo)背景下，綜述生物土壤結(jié)皮的生態(tài)修復(fù)功能及碳匯貢獻(xiàn)。因此，筆者從最基礎(chǔ)的土壤改良和生物恢復(fù)角度，揭示出生物土壤結(jié)皮影響土壤養(yǎng)分、土壤水文、風(fēng)蝕水蝕、植物萌發(fā)與生長(zhǎng)等過(guò)程及生態(tài)功能，闡述生物藻結(jié)皮對(duì)沙地沙塵控制、采煤沉陷地裂縫增容減蒸修復(fù)、生物土壤結(jié)皮與喬灌草植物立體配置修復(fù)等生態(tài)修復(fù)新模式，提出人工苔蘚結(jié)皮與菌根真菌聯(lián)合最佳配比固碳方法、生物土壤結(jié)皮與喬灌草立體組合增加固碳量、生物土壤結(jié)皮對(duì)土壤長(zhǎng)期固碳累積作用等方式對(duì)煤礦區(qū)碳中和的利用潛力和貢獻(xiàn)，旨在為碳中和背景下西部煤礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)提供多元化的研究思路和方法，充分利用自然界本地生物的適生優(yōu)勢(shì)，積極主動(dòng)地應(yīng)用于礦山生態(tài)修復(fù)，從理論方法、技術(shù)手段和應(yīng)用模式上為綠色低碳的煤炭行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供一種新的生物修復(fù)材料。

1 生物土壤結(jié)皮的形成、演替及分布

生物土壤結(jié)皮是沙漠重要的地表覆蓋植被類型，是由隱花植物如藍(lán)藻、綠藻、苔蘚、地衣和其他土壤微生物通過(guò)菌絲體、假根和分泌物等與土壤表層顆粒膠結(jié)而成的復(fù)合體。生物土壤結(jié)皮的形成是多種環(huán)境因素共同作用的結(jié)果，主要包括雨滴擊打、大氣沉降等物理作用，光合作用、氮固定等化學(xué)作用，枯落物分解、微生物分泌物等生物作用。在干旱半干旱環(huán)境中，大氣降塵中存在的二氧化硅、碳酸硅等物質(zhì)對(duì)土壤顆粒具有黏結(jié)效應(yīng)，降雨擊打后，土壤表面水分含量提高，溫度下降，碳酸鈣向土壤深層入滲，之后土壤表面溫度回升，碳酸鈣將降塵膠結(jié)硬化后在土壤表面形成了結(jié)皮復(fù)合體；此外，二氧化硅在這種特殊的水熱環(huán)境下也會(huì)出現(xiàn)分解和重新聚合沉積，對(duì)土壤表層的土壤顆粒也會(huì)起到一定的聚合作用，從而形成了相對(duì)穩(wěn)定的表層結(jié)構(gòu)，這層結(jié)構(gòu)通常被稱為無(wú)機(jī)結(jié)皮。隨著高等維管植物的侵入及枯落物的分解作用，結(jié)皮厚度逐漸增加，同時(shí)在土壤微生物和雨滴沖擊共同作用下，產(chǎn)生了褶皺不平的微地表，進(jìn)而演變成藻結(jié)皮。研究表明，絲狀藍(lán)藻中的微鞘藻屬()和裂須藻屬()是光合作用主要的土壤定殖者，負(fù)責(zé)最初的生物土壤結(jié)皮的形成。由于絲狀藍(lán)藻的能動(dòng)性，它們聚集成一捆捆的“繩子”，從而形成“網(wǎng)”，通過(guò)與細(xì)胞外鞘的接觸，有助于穩(wěn)定土壤顆粒(圖1)，這種過(guò)程形成的藍(lán)藻被稱為“淺”藻，隨后非移動(dòng)性異形囊胞()藍(lán)藻定殖，由于這類藍(lán)藻富含有防曬色素，被稱為“深”藻，其中該過(guò)程中反射率和結(jié)皮表面溫度的變化可能反過(guò)來(lái)影響群落組成。

圖1 絲狀藍(lán)藻穩(wěn)定土壤顆粒示意

基于“深”藻的生長(zhǎng)發(fā)育，逐漸累積的養(yǎng)分和適宜的土壤濕、溫度環(huán)境為地衣和苔蘚的定殖和發(fā)育提供了基礎(chǔ)，產(chǎn)生所謂的地衣和苔蘚結(jié)皮。

通常采用“時(shí)空替代”方法來(lái)推斷生物土壤結(jié)皮的演替序列。這種“時(shí)空替代”方法包括不同發(fā)展階段的生物土壤結(jié)皮類型，在大多數(shù)情況下分為藍(lán)藻為主的結(jié)皮(早期的稱為“淺藻”和發(fā)育較成熟的稱為“深藻”)、地衣結(jié)皮和苔蘚結(jié)皮。大多數(shù)情況下，給予足夠的時(shí)間，結(jié)皮將按“淺藻結(jié)皮→深藻結(jié)皮→地衣結(jié)皮→苔蘚結(jié)皮”的順序演替(圖2)。然而，生物土壤結(jié)皮的演替模式及速率，取決于氣候條件、人為干擾及土壤基質(zhì)等各種因素。LI等在荒漠生態(tài)系統(tǒng)的研究結(jié)果表明，降雨在很大程度上決定了藍(lán)藻結(jié)皮和苔蘚結(jié)皮的物種豐富度和覆蓋度，土壤質(zhì)地對(duì)地衣結(jié)皮的影響更大。生物土壤結(jié)皮的演替速度受到人為干擾的影響較大，高強(qiáng)度的干擾(例如，機(jī)械的碾壓、長(zhǎng)期的耕作)使生物土壤結(jié)皮的演替需要更長(zhǎng)的時(shí)間。生物土壤結(jié)皮在質(zhì)地優(yōu)良的土壤條件下演替速度較快。研究表明，在良好、穩(wěn)定的土壤條件下，生物土壤結(jié)皮發(fā)育的初始過(guò)程中可以忽略以藍(lán)藻為主的土壤穩(wěn)定演替階段，而直接發(fā)育成以苔蘚為主的生物土壤結(jié)皮演替階段。生物土壤結(jié)皮演替的過(guò)程中，土壤性質(zhì)發(fā)生變化，土壤養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)含量增加。隨著生物土壤結(jié)皮演替至成熟階段，生物土壤結(jié)皮對(duì)細(xì)的土壤顆粒產(chǎn)生截留，同時(shí)也會(huì)對(duì)現(xiàn)有的土壤基質(zhì)產(chǎn)生風(fēng)化作用，使得結(jié)皮土壤中的粉粒和黏粒含量增加，表層土壤含水量也隨之增加。土壤水熱條件的變化更有利于生物生存與有機(jī)質(zhì)累積，有利于土壤的改良提質(zhì)。

注：以上生物土壤結(jié)皮景觀圖形拍攝于陜西省神木市大柳塔微生物復(fù)墾試驗(yàn)示范區(qū)，該示范區(qū)創(chuàng)建于2012年，圖(a)于2021年9月拍攝于沙棘復(fù)墾區(qū)，圖(b)～(f)于2020年7月拍攝于紫穗槐復(fù)墾區(qū)。

2 生物土壤結(jié)皮在煤礦區(qū)生態(tài)修復(fù)中的作用

基于中國(guó)知網(wǎng)，檢索到近5 a的308篇生物土壤結(jié)皮相關(guān)研究文獻(xiàn)，檢索式為：篇名=“生物土壤結(jié)皮”，文獻(xiàn)類型為期刊，檢索時(shí)間截止到2021-11-04。利用NoteExpress文獻(xiàn)管理軟件中的詞云圖(圖3)分析可知，我國(guó)近5 a來(lái)有關(guān)生物土壤結(jié)皮的主要研究區(qū)為黃土高原、風(fēng)沙土區(qū)及荒漠生態(tài)系統(tǒng)，研究的主要關(guān)注點(diǎn)集中在提高微生物數(shù)量和活性、促進(jìn)維管植物種子萌發(fā)及生長(zhǎng)、提高土壤養(yǎng)分、抵抗風(fēng)蝕水蝕方面，而對(duì)生物土壤結(jié)皮的人工培養(yǎng)及其在礦山生態(tài)修復(fù)應(yīng)用方面的報(bào)道很少，僅檢索到5篇文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞。生物土壤結(jié)皮作為生物修復(fù)材料，其開(kāi)發(fā)與生態(tài)應(yīng)用，將對(duì)加快煤礦區(qū)生態(tài)修復(fù)和增加固碳具有重要指導(dǎo)意義和開(kāi)發(fā)價(jià)值，對(duì)于加快礦區(qū)生態(tài)重建模式，增加生物多樣性有相當(dāng)大的研究空間和開(kāi)發(fā)潛力。

注：圖中的詞為近5 a生物土壤結(jié)皮相關(guān)文獻(xiàn)中的關(guān)鍵詞，字體越大，表示該關(guān)鍵詞在近5 a的文獻(xiàn)中出現(xiàn)的頻率越高，反之則越低。

2.1 生物土壤結(jié)皮改善土壤養(yǎng)分

我國(guó)西部煤礦區(qū)主要地類為黃土地和沙地。煤炭開(kāi)采造成了該區(qū)地形地貌的改變，加速了土地荒漠化的進(jìn)程，同時(shí)，養(yǎng)分貧瘠是限制西部煤礦區(qū)植物生長(zhǎng)的重要因素之一。生物土壤結(jié)皮的形成使沙面固定，為富集養(yǎng)分創(chuàng)造了條件，并以其特有的生活、代謝方式影響并改善著沙丘土壤性質(zhì)。在沙地研究發(fā)現(xiàn)，生物土壤結(jié)皮層的土壤全氮、全磷、速效氮的含量均高于對(duì)照樣本(沒(méi)有生物土壤結(jié)皮覆蓋的沙土層)，且隨著生物土壤結(jié)皮的發(fā)育，土壤pH顯著降低。在黃土地的研究也發(fā)現(xiàn)，生物土壤結(jié)皮的形成顯著提高了土壤有機(jī)質(zhì)、全碳、全氮、全磷含量，且生物土壤結(jié)皮的發(fā)育使結(jié)皮層土壤養(yǎng)分呈表聚現(xiàn)象，并能夠形成生物土壤結(jié)皮層的“肥島”現(xiàn)象，增加0～10 cm表土層的養(yǎng)分含量。此外，有研究認(rèn)為，生物土壤結(jié)皮對(duì)土壤養(yǎng)分更重要的貢獻(xiàn)在于可防止大面積土壤侵蝕從而避免了土壤養(yǎng)分的流失。因此，在沙漠區(qū)與黃土區(qū)生物土壤結(jié)皮能提高土壤養(yǎng)分基本得到了專家共識(shí)，即生物土壤結(jié)皮的形成不僅具有較好的固沙效果，而且有增加土壤肥力的功能，對(duì)西部煤礦區(qū)土壤養(yǎng)分改善具有積極作用。

2.2 生物土壤結(jié)皮增加固定大氣氮

西部煤礦區(qū)土壤貧瘠，氮是生態(tài)恢復(fù)的主要限制因素之一。生物土壤結(jié)皮是地球上年固氮量?jī)H次于豆科植物和根瘤菌結(jié)合體的固氮生物，在氮循環(huán)過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。生物土壤結(jié)皮可通過(guò)生物固定和粉塵捕獲為主要氮輸入來(lái)源，又經(jīng)過(guò)溶解、氣溶和侵蝕等途徑損失氮，從而促進(jìn)了強(qiáng)烈的氮轉(zhuǎn)化。研究表明，生物土壤結(jié)皮中的藍(lán)藻分化而來(lái)的異形胞體內(nèi)多存在具有固氮作用的固氮酶，能夠顯著地提高土壤中氮素含量，據(jù)IPCC的報(bào)告，由生物土壤結(jié)皮1 a輸入的氮素可達(dá)26 Tg左右，約占全球氮固定量的一半。不同發(fā)育階段的生物土壤結(jié)皮氮固定結(jié)果表明，固氮酶活性隨著結(jié)皮發(fā)育程度的增加而降低，其中藻結(jié)皮固氮酶活性高于地衣結(jié)皮。

2.3 生物土壤結(jié)皮提高西部礦區(qū)水分入滲

西部煤礦區(qū)氣候干旱缺水，生態(tài)修復(fù)難度大。生物土壤結(jié)皮對(duì)水分入滲影響程度與研究區(qū)氣候、土壤類型及生物土壤結(jié)皮組分等相關(guān)。生物土壤結(jié)皮對(duì)水分入滲的影響因素是多方面的(圖4)，生物土壤結(jié)皮可以通過(guò)其覆蓋度和物種組成的不同直接影響水分入滲，也可以通過(guò)改變地表粗糙度、土壤質(zhì)地等因素間接影響水分入滲。研究表明，生物土壤結(jié)皮自身在濕潤(rùn)條件下會(huì)膨脹，從而改變微地形增加表面糙度，增加水分在土壤表面的滯留時(shí)間提高水分入滲率，同時(shí)，生物土壤結(jié)皮的存在會(huì)增加土壤團(tuán)聚體，創(chuàng)造大孔隙從而增加水分入滲；生物土壤結(jié)皮分泌的大量胞外多糖會(huì)吸收大量的水分，增加了土壤的孔隙。生物土壤結(jié)皮能夠捕獲細(xì)顆粒及自身吸水膨脹和分泌胞外多糖(EPS)，從而堵塞土壤孔隙從而降低水分入滲，生物土壤結(jié)皮能夠封閉土壤表層的孔隙，相對(duì)于下層土壤來(lái)說(shuō)形成了無(wú)孔層，這是生物土壤結(jié)皮阻礙水分入滲的另一個(gè)方面。

圖4 生物土壤結(jié)皮對(duì)水分入滲影響的因素

土壤質(zhì)地、降雨強(qiáng)度和干擾活動(dòng)強(qiáng)烈地影響地表滲透性，并受生物土壤結(jié)皮存在的影響(圖4)。當(dāng)土壤質(zhì)地為粉黏粒，生物土壤結(jié)皮的存在可維護(hù)表層生物孔隙的完整性可增加水分入滲，并通過(guò)維持大團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)促進(jìn)近表層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，而當(dāng)土壤質(zhì)地為黏土(具有強(qiáng)烈的收縮膨脹性)，盡管地表有生物土壤結(jié)皮的覆蓋，但這些土壤顆粒的膨脹會(huì)限制水分的入滲。砂質(zhì)土壤通常具有較快的入滲速率，但生物土壤結(jié)皮的覆蓋會(huì)造成孔隙堵塞反而增加徑流、降低入滲。在低強(qiáng)度降雨時(shí)，生物土壤結(jié)皮表面的微洼地可暫時(shí)聚集雨水，減緩坡面徑流，從而增加了入滲，與裸露土壤相比，可降低徑流連通性，但在中高強(qiáng)度降雨條件下，這些微洼地迅速填滿，生物土壤結(jié)皮與裸露土壤的產(chǎn)流量相近甚至更低。在半干旱地區(qū)，未受干擾的生物土壤結(jié)皮呈峰狀或者起伏狀，此類結(jié)皮不但具有較高的生物量，而且土壤表面的粗糙度高，可增加水分入滲，減少?gòu)搅鳌?/p>

2.4 生物土壤結(jié)皮增強(qiáng)抗風(fēng)蝕和水蝕逆境

西部礦區(qū)生態(tài)脆弱，風(fēng)蝕與水蝕交替進(jìn)行，生物土壤結(jié)皮在增加土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、減少或避免土壤侵蝕的發(fā)生方面均起著關(guān)鍵作用。有關(guān)生物土壤結(jié)皮防治土壤侵蝕方面的研究大多集中于其抗風(fēng)蝕方面。藻結(jié)皮在生長(zhǎng)過(guò)程中分泌的多糖可以通過(guò)藻絲體固定松散沙粒，提高土壤的團(tuán)聚體，從而增強(qiáng)土壤抗侵蝕能力，同時(shí)，發(fā)育至穩(wěn)定期的蘚結(jié)皮和地衣結(jié)皮即使在缺少高等植物的情況下也能完全抵抗風(fēng)蝕。生物土壤結(jié)皮主要通過(guò)改變2個(gè)途徑來(lái)有效降低風(fēng)蝕：一是提高土壤風(fēng)摩擦速度閾值；二是顯著增加地表粗糙度，在局部范圍內(nèi)降低風(fēng)速，減少風(fēng)蝕。

生物土壤結(jié)皮作為一種水平方向穩(wěn)定性極強(qiáng)的層狀結(jié)構(gòu)體，像鋪在地表的地毯一樣，可減輕降雨動(dòng)能，降低雨滴對(duì)土壤的直接擊打力，具有較強(qiáng)的抗水蝕能力。生物土壤結(jié)皮的發(fā)育不僅可改變地表微地形降低徑流量及徑流速度，還可以通過(guò)提高有機(jī)質(zhì)含量增加土壤團(tuán)聚體，從而增加土壤的抗水和風(fēng)蝕作用。苔蘚結(jié)皮定殖階段的土壤抗侵蝕能力顯著高于藍(lán)藻結(jié)皮，在生物土壤結(jié)皮發(fā)育的早期，藍(lán)藻結(jié)皮對(duì)徑流侵蝕的抗性發(fā)揮著主要作用，其抗性與藍(lán)藻生物量呈正相關(guān)，隨著生物土壤結(jié)皮演替發(fā)育至苔蘚結(jié)皮覆蓋度較高的階段，其土壤水蝕的控制能力越強(qiáng)，其蓋度閾值達(dá)到35%以上即可完全防止水土流失。此外，生物土壤結(jié)皮的外部形態(tài)對(duì)水流速度影響較大。在炎熱的沙漠和溫帶地區(qū)，藍(lán)藻結(jié)皮使土壤表面光滑平坦，增加了水的流速，相比之下，在寒冷沙漠地區(qū)發(fā)現(xiàn)許多生物土壤結(jié)皮都有一個(gè)由凍結(jié)形成的極其粗糙的土壤表面，這種粗糙的表面大大減慢了水的流速。水流速和生物土壤結(jié)皮的粗糙度間相互作用沒(méi)有量化研究，有待于后期進(jìn)一步探索研究。

2.5 生物土壤結(jié)皮影響植物群落

西部煤礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵是促植被生長(zhǎng)發(fā)育，維持重建生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定，建立起永久的植被覆蓋是重點(diǎn)內(nèi)容之一。在我國(guó)西部干旱半干旱生態(tài)系統(tǒng)中，生物土壤結(jié)皮與草本和木本植被呈鑲嵌分布格局，與周圍的維管植物共同構(gòu)成一個(gè)小的生態(tài)系統(tǒng)。生物土壤結(jié)皮通過(guò)對(duì)土壤養(yǎng)分、土壤結(jié)構(gòu)、土壤水文過(guò)程及表面粗糙度等方面的不同影響作用，影響著與其共生的維管植物的種子萌發(fā)及生長(zhǎng)發(fā)育。種子萌發(fā)需要在適宜的溫度下吸收水分，增加種子代謝活性，胚根生長(zhǎng)出芽。生物土壤結(jié)皮層為種子生長(zhǎng)提供了適宜的水熱微環(huán)境，有利于顆粒較小、形態(tài)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的植物種子萌發(fā)，但對(duì)顆粒大、形態(tài)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的植物種子萌發(fā)有所不利，主要是因?yàn)榇笮徒Y(jié)構(gòu)復(fù)雜的植物種子很難吸收到生物土壤結(jié)皮隔離層下土壤的水分和養(yǎng)分，最終死亡，而體積小或具有特殊構(gòu)造的植物種子，不會(huì)受到生物土壤結(jié)皮層的阻隔作用，相反還會(huì)在生物土壤結(jié)皮所提供的相對(duì)穩(wěn)定的微環(huán)境中得到庇護(hù)，進(jìn)而萌發(fā)生長(zhǎng)。

在生物土壤結(jié)皮發(fā)育的最早期，外界環(huán)境條件惡劣，土壤基質(zhì)不穩(wěn)定，生物土壤結(jié)皮的假根及其分泌物能有效的固結(jié)土壤顆粒，使不穩(wěn)定的土壤變的穩(wěn)定下來(lái)；生物土壤結(jié)皮之間的空隙可保障有效降水的入滲和吸收，并可為草種的萌發(fā)提供適宜的種子床，提供有效的溫度和水分條件以及一定的沙埋作用，防止風(fēng)蝕的破壞；使土壤表面不斷地形成有機(jī)腐殖質(zhì)層，增加了土壤的肥力，為草本植物的侵入和生長(zhǎng)創(chuàng)造了條件。而植物的生長(zhǎng)繁衍和覆蓋遮陰，又能抵抗風(fēng)沙，使近地面風(fēng)速減弱，創(chuàng)造了塵埃物理沉降的外部條件，為微生物、低等隱花植物的繁衍和生命活動(dòng)建立了必要的條件。此時(shí)，生物土壤結(jié)皮與維管束植被之間表現(xiàn)為相互促進(jìn)生長(zhǎng)。在我國(guó)沙漠地區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，生物土壤結(jié)皮對(duì)光滑的植物種子如雙穗麻黃()的發(fā)芽率沒(méi)有影響，但對(duì)有附屬物的種子如白梭梭()的萌發(fā)有抑制作用。秦福雯等的研究表明，生物土壤結(jié)皮的演替增加了禾本科植物比例，減少了雜草類比例，增加了植物群落的高度、生物量和多樣性。莊偉偉等對(duì)古爾班通古特荒漠生物土壤結(jié)皮的研究表明，去除生物土壤結(jié)皮的處理提高了草本植物群落的高度、多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)，但是降低了植物群落的密度、蓋度和地上生物量，表明生物土壤結(jié)皮改變了荒漠草原植物群落的結(jié)構(gòu)，在防風(fēng)固沙、穩(wěn)定沙面方面具有重要生態(tài)作用。

3 西部煤礦區(qū)生物土壤結(jié)皮生態(tài)修復(fù)技術(shù)

西部煤礦區(qū)干旱、貧瘠及風(fēng)蝕水蝕嚴(yán)重，生態(tài)修復(fù)不易，生物土壤結(jié)皮具有耐干旱，可快速增加土壤穩(wěn)定性，抵抗水土侵蝕，恢復(fù)受損表面的潛力，生物土壤結(jié)皮可作為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)的一種較好生物修復(fù)材料。人工培養(yǎng)生物土壤結(jié)皮的方法和技術(shù)將成為礦山生態(tài)修復(fù)的一種新生物技術(shù)與研究熱點(diǎn)，生物土壤結(jié)皮與喬灌草立體組合修復(fù)模式將會(huì)極大地提高礦區(qū)生態(tài)修復(fù)效率。依據(jù)自然生態(tài)系統(tǒng)的藻結(jié)皮和苔蘚結(jié)皮的生長(zhǎng)特性研發(fā)出生物土壤結(jié)皮的人工培育生產(chǎn)方法、施用條件和產(chǎn)品規(guī)格，將會(huì)對(duì)礦區(qū)生態(tài)修復(fù)改土提質(zhì)、促進(jìn)水分入滲和降低地表蒸發(fā)，增加生物多樣性等方面提供一個(gè)新的發(fā)展方向，具有潛在的開(kāi)發(fā)潛力和應(yīng)用價(jià)值。

3.1 西部煤礦區(qū)人工藻結(jié)皮沙塵控制的生態(tài)修復(fù)技術(shù)

西部煤礦區(qū)生態(tài)修復(fù)難點(diǎn)是土質(zhì)沙化，春秋風(fēng)沙大，沙塵控制難。藻結(jié)皮對(duì)表土的穩(wěn)定、增肥、保濕，其他微生物和植物的定殖及生態(tài)系統(tǒng)演替進(jìn)化都具有重要作用，關(guān)鍵在于其可大量分泌胞外多糖，黏結(jié)沙粒具有控制沙塵潛力。筆者在西部煤礦區(qū)土壤樣品中利用BG11培養(yǎng)基提取藍(lán)藻結(jié)皮，在適宜的溫度、光照和pH條件下擴(kuò)大培養(yǎng)制備成藻液。考慮礦區(qū)偏遠(yuǎn)藻液不宜長(zhǎng)期儲(chǔ)存且運(yùn)輸不便等問(wèn)題，將培養(yǎng)24 d(生物量最大且胞外多糖含量快速釋放)的藻液經(jīng)離心、40 ℃下干燥制成藻粉(圖5)。該人工培育的藻粉作為了生態(tài)修復(fù)的生物材料，低成本高效地發(fā)揮了人工藻結(jié)皮促進(jìn)礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)的優(yōu)勢(shì)和作用，可快速地膠結(jié)沙?？刂粕硥m，從而實(shí)現(xiàn)生態(tài)有序恢復(fù)。

圖5 人工藻結(jié)皮研制

3.2 西部采煤沉陷裂縫地人工藻結(jié)皮保水提肥生態(tài)修復(fù)技術(shù)

采煤沉陷造成地表沉陷裂縫發(fā)育，拉斷植物根系或者使根系被暴露在空氣中，且深度裂隙會(huì)使土壤深層水分迅速散失，導(dǎo)致土壤含水量下降、營(yíng)養(yǎng)元素滲漏及植物根系枯死，而借助工程復(fù)墾和植被重建的方法來(lái)修復(fù)沉陷地裂縫難度大成本高。采用不同濃度人工培育的生物藻結(jié)皮噴灑接種到裂縫處及裂縫兩側(cè)，大量的藻類絲狀體及其分泌的胞外聚合物通過(guò)不斷向四周延伸、擴(kuò)展，一方面可提高土壤的持水能力和水分有效性，增加裂縫及兩側(cè)土壤表面水分的入滲并降低蒸發(fā)，另一方面也可促進(jìn)裂縫表面營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的富集，為土壤生物的繁殖和草本植物的拓殖創(chuàng)造水熱及營(yíng)養(yǎng)條件，從而推動(dòng)了礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定的良性循環(huán)。進(jìn)一步深入探討不同濃度的人工藻結(jié)皮對(duì)采煤沉陷裂縫的影響程度，量化不同尺度沉陷裂縫的修復(fù)程度，探索接種藻液后裂縫及兩側(cè)土壤水分的入滲和蒸發(fā)規(guī)律特征(圖6)，揭示其生態(tài)修復(fù)作用。

圖6 人工藻結(jié)皮修復(fù)采煤沉陷裂縫示意

3.3 生物土壤結(jié)皮與喬灌草立體組合修復(fù)技術(shù)

西部煤礦區(qū)生態(tài)修復(fù)依靠自然力恢復(fù)需要較長(zhǎng)時(shí)間，人工修復(fù)與自然修復(fù)相結(jié)合才能以最小的成本獲得最大的生態(tài)修復(fù)效應(yīng)。生物物種優(yōu)選與組合是當(dāng)前恢復(fù)生態(tài)學(xué)研究的一個(gè)重要領(lǐng)域。

生物土壤結(jié)皮作為生態(tài)恢復(fù)的先鋒植物，在生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展和演替中扮演重要角色。WEI等研究表明，生物土壤結(jié)皮與草灌的立體配置，使得水蝕風(fēng)險(xiǎn)下降90%以上，人為破壞生物土壤結(jié)皮，土壤流失風(fēng)險(xiǎn)徒增30倍以上。生物土壤結(jié)皮與高等植物立體修復(fù)模式，可因地制宜地建立不同類型的結(jié)皮(藻類、地衣和苔蘚)→草本植物→灌木→喬木(成熟林、頂級(jí)林)四位一體的穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)。該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于：① 生物土壤結(jié)皮在植物行間(株間)應(yīng)用，可以彌補(bǔ)植被種植后無(wú)法完全覆蓋沙面的不足，起到完全控制風(fēng)蝕的作用，提高修復(fù)效果；② 生物土壤結(jié)皮的形成可以加快土壤形成過(guò)程，提高土壤肥力，加快煤炭開(kāi)采區(qū)土壤改良效應(yīng)；③ 生物土壤結(jié)皮和高等植物在生長(zhǎng)和生存環(huán)境方面相互促進(jìn)和彌補(bǔ)，從空間角度立體提高了物種多樣性。因此，為實(shí)現(xiàn)煤炭開(kāi)采區(qū)生態(tài)恢復(fù)的可持續(xù)發(fā)展，生物土壤結(jié)皮與高等植物立體修復(fù)模式及其組合方式成為礦山生態(tài)修復(fù)的重要研究?jī)?nèi)容和方向。

4 生物土壤結(jié)皮在煤礦區(qū)碳中和貢獻(xiàn)

生物土壤結(jié)皮作為一種生態(tài)修復(fù)新材料，位于土壤與大氣之間致密的界面層，是保護(hù)干旱、半干旱地區(qū)生態(tài)環(huán)境的最后一道防線，顯著影響土壤和大氣的碳交換和碳平衡，對(duì)土壤碳循環(huán)有著重要影響。研究表明，由于生物土壤結(jié)皮如藍(lán)藻、地衣、苔蘚等均含有大量的葉綠素，一方面通過(guò)光合作用固定大氣中的CO，進(jìn)而增加土壤碳儲(chǔ)量；另一方面，生物土壤結(jié)皮在生長(zhǎng)演替過(guò)程中伴隨著分解分化、次生代謝物的產(chǎn)生(如蛋白質(zhì)、多糖等)以及結(jié)皮自身的死亡腐解等，成為土壤有機(jī)碳的主要貢獻(xiàn)者。此外，生物土壤結(jié)皮通過(guò)對(duì)土壤養(yǎng)分、土壤結(jié)構(gòu)、土壤水文過(guò)程及表面粗糙度等方面的不同影響，促進(jìn)與其共生的維管植物的生長(zhǎng)發(fā)育，生物土壤結(jié)皮影響下維管植物的定殖與發(fā)育也是煤礦區(qū)增加碳儲(chǔ)量的重要途徑。因此，在煤礦區(qū)損傷地表應(yīng)用生物土壤結(jié)皮進(jìn)行生態(tài)修復(fù)是煤炭企業(yè)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的重要技術(shù)措施之一。

4.1 人工苔蘚結(jié)皮與菌根真菌聯(lián)合配比固碳

苔蘚結(jié)皮可作為一種新型生態(tài)修復(fù)材料被運(yùn)用于退化生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)，其生態(tài)價(jià)值高、維護(hù)成本較低，具有發(fā)達(dá)的假根系統(tǒng)，有助于表土的穩(wěn)定和生物多樣性維持。自然界中苔蘚結(jié)皮多以孢子或莖葉碎片進(jìn)行繁殖,因此利用較易獲得的莖葉碎片進(jìn)行室內(nèi)培養(yǎng)與野外接種是可行的，并針對(duì)不同的苔蘚種類確定了適宜的溫度、濕度、光照、營(yíng)養(yǎng)液及基質(zhì)。目前進(jìn)行苔蘚結(jié)皮擴(kuò)繁的實(shí)踐中存在培育周期長(zhǎng)、培育后期易發(fā)生衰敗和退化等問(wèn)題，嚴(yán)重阻礙了擴(kuò)繁的速度與有效性。筆者將叢枝菌根真菌(AMF)與苔蘚結(jié)皮種子土3∶1～5∶1配比時(shí)蓋度增加36%，葉綠素a含量增加26%，有機(jī)碳含量增加107%，具有較好的固碳效應(yīng)(圖7)。后期將探索不同配比對(duì)煤礦區(qū)生態(tài)修復(fù)效應(yīng)及碳增匯，加速生態(tài)重建效率。

注：圖(a),(b)采用的苔蘚結(jié)皮種子土是于2020年7月從陜西省神木市大柳塔微生物復(fù)墾試驗(yàn)示范區(qū)采集的苔蘚結(jié)皮層，用植物粉碎機(jī)粉碎40 s制成。

4.2 喬灌草與土壤生物土壤結(jié)皮立體組合固碳

2020年9月，習(xí)近平主席在聯(lián)合國(guó)大會(huì)宣布：我國(guó)二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，力爭(zhēng)2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。碳中和的最終目標(biāo)為通過(guò)減排、植樹(shù)造林等方式抵消溫室氣體排放總量，實(shí)現(xiàn)二氧化碳“零排放”。如期實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，其中提升森林、草原、濕地、海洋、土壤和凍土等生態(tài)系統(tǒng)的固碳作用成為重要舉措之一。煤炭開(kāi)采過(guò)程中煤層氣(主要為CH)泄漏和采煤過(guò)程中碳排放是煤礦區(qū)主要的碳損失形式。礦區(qū)原生植被與土壤等主要碳匯要素受煤炭開(kāi)采影響，其碳匯能力大幅下降。如大同礦區(qū)忻州窯煤礦開(kāi)采導(dǎo)致植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)損失量為4 613.66 t，植被-土壤系統(tǒng)碳匯量減少6 166.40 t。開(kāi)展生態(tài)保護(hù)修復(fù)對(duì)鞏固提升陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力具有重大貢獻(xiàn)，相關(guān)研究表明，生態(tài)修復(fù)區(qū)域的碳匯有56%是由生態(tài)修復(fù)工程帶來(lái)的。以往的生態(tài)修復(fù)工作中往往只選擇單一物種進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，忽視了生態(tài)系統(tǒng)群落演替的時(shí)序格局和完整性，對(duì)區(qū)域范圍由多種類型構(gòu)成的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)修復(fù)略顯不足，同時(shí)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳匯狀況的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和系統(tǒng)評(píng)估也不夠完善。探討生物土壤結(jié)皮-草本-灌木-喬木立體修復(fù)技術(shù)，可全方位拓展固碳渠道。已在年均氣溫為7.3 ℃，年降雨量不足120 mm的庫(kù)布齊沙漠建立了生物土壤結(jié)皮與喬灌草結(jié)合的示范區(qū)，成功治理了200 hm的流沙，該項(xiàng)目成為了生物土壤結(jié)皮與喬灌草生態(tài)修復(fù)的典范。

已有研究表明，苔蘚或地衣結(jié)皮的碳固定速率高于藻結(jié)皮，全球生物土壤結(jié)皮固碳能力約為3.6×10kg/a，全球草本植物的固碳能力約為5 050×10kg/a，全球森林固碳能力達(dá)到4 020×10kg/a。因此，構(gòu)建生物土壤結(jié)皮+草本+灌木+喬木的立體組合模式，是高效利用光合固碳作用增加煤礦區(qū)碳匯戰(zhàn)略的重要研究?jī)?nèi)容(圖8)。

圖8 生物土壤結(jié)皮與高等植物立體修復(fù)固碳模式

4.3 生物土壤結(jié)皮對(duì)生態(tài)修復(fù)長(zhǎng)期累積固碳效應(yīng)

生物土壤結(jié)皮是干旱半干旱地區(qū)重要的碳源，長(zhǎng)期生態(tài)修復(fù)后植被覆蓋可促進(jìn)生物土壤結(jié)皮的定殖與發(fā)育。生物土壤結(jié)皮的定殖又促使土壤細(xì)顆粒物質(zhì)增加，顯著影響土壤有機(jī)碳的分布。隨生物土壤結(jié)皮從初期藻結(jié)皮演替至苔蘚結(jié)皮，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量顯著增加，發(fā)育至10 a以上的苔蘚結(jié)皮土壤有機(jī)碳高達(dá)20.9 g/kg，是研究區(qū)農(nóng)田土壤的4～5倍。YANG 等的研究表明，苔蘚結(jié)皮顯著增加了土壤中有機(jī)碳的積累，降低了土壤易氧化碳、土壤易礦化碳的比例，從而增加了土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性。在大柳塔采煤沉陷地接種AMF生態(tài)修復(fù)后，苔蘚結(jié)皮層有機(jī)碳含量顯著高于藻結(jié)皮層，接種AMF區(qū)苔蘚結(jié)皮層有機(jī)碳含量顯著高于對(duì)照區(qū)，接種AMF區(qū)苔蘚結(jié)皮層和藻結(jié)皮層的可溶性有機(jī)碳和微生物生物量碳含量顯著高于對(duì)照區(qū)(圖9)。生物土壤結(jié)皮的光合固碳作用增加了土壤中有機(jī)碳含量，其儲(chǔ)存的有機(jī)碳是煤礦區(qū)土壤碳儲(chǔ)量的重要組成部分。據(jù)估算，我國(guó)煤炭開(kāi)采過(guò)程中的碳排放量為3.5×10g/a，生物土壤結(jié)皮的年固碳量為518.01 g/(m·a)，向土壤中的輸入量為114.92 g/(m·a)。雖然與煤炭開(kāi)采過(guò)程中的碳排放量相比，生物土壤結(jié)皮的年固碳量和向土壤中的輸入量較小，但對(duì)于干旱半干旱的煤礦區(qū)長(zhǎng)期有機(jī)碳固存和累積也具有重要意義，因此，有必要將采煤過(guò)程的影響納入進(jìn)來(lái)，進(jìn)一步從碳平衡的角度研究生物土壤結(jié)皮碳輸入和輸出的關(guān)系，為碳中和目標(biāo)下煤炭行業(yè)生態(tài)地質(zhì)修復(fù)提供理論基礎(chǔ)。

圖9 長(zhǎng)期生態(tài)修復(fù)后苔蘚結(jié)皮和藻結(jié)皮的有機(jī)碳、可溶性有機(jī)碳和微生物生物量碳的變化

5 結(jié) 語(yǔ)

生物土壤結(jié)皮是我國(guó)西部干旱半干旱區(qū)普遍存在的地被生物，其生長(zhǎng)發(fā)育在土壤生態(tài)水文過(guò)程、土壤生物過(guò)程和地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程以及生態(tài)修復(fù)過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。本文基于生物土壤結(jié)皮的特性，闡述了利用生物土壤結(jié)皮對(duì)西部煤礦區(qū)進(jìn)行沙塵控制修復(fù)、采煤沉陷裂縫修復(fù)、生物土壤結(jié)皮與草灌喬植物立體配置修復(fù)等新技術(shù)模式。通過(guò)試驗(yàn)得出，與藻結(jié)皮層相比，苔蘚結(jié)皮層有機(jī)碳含量顯著高于90.3%，叢枝菌根真菌與苔蘚結(jié)皮種子土3∶1～5∶1配比時(shí)有機(jī)碳含量增加107%。提出了叢枝菌根真菌與苔蘚結(jié)皮種子土3∶1～5∶1聯(lián)合最佳配比固碳、生物土壤結(jié)皮與草灌喬立體組合固碳技術(shù)、生物土壤結(jié)皮長(zhǎng)期累積固碳潛力等對(duì)煤礦區(qū)碳中和的貢獻(xiàn)，為雙碳目標(biāo)下西部煤礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)提供多方位、有針對(duì)性的方法和技術(shù)，對(duì)加速實(shí)現(xiàn)西部煤礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)的可持續(xù)發(fā)展提供新思路，具有重要應(yīng)用生態(tài)意義和價(jià)值。