《Frontiers in Plant Science》：Leguminous green manure enhances soil quality and plant productivity in coal mine reclaimed lands: a decade-long field study
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摘要：绿肥种植是资源受限农业生态系统中常用的环境友好型可持续农田管理措施。然而，绿肥对煤矿复垦农生态系统中土壤质量及植物生产的影响尚不清楚。研究人员开展了为期十年的豆科植物栽培试验，评估其对土壤团聚体结构、养分、微生物多样性及植物生产力的影响。试验设于山西农业
摘要：绿肥种植是资源受限农业生态系统中常用的环境友好型可持续农田管理措施。然而，绿肥对煤矿复垦农生态系统中土壤质量及植物生产的影响尚不清楚。研究人员开展了为期十年的豆科植物栽培试验，评估其对土壤团聚体结构、养分、微生物多样性及植物生产力的影响。试验设于山西农业大学古交长期监测点，设3个处理：自然恢复（对照）、紫花苜蓿（Medicago sativa，Alfalfa）种植和毛叶野豌豆（Vicia villosa Roth，Villose vetch）种植。与对照相比，豆科种植——尤以紫花苜蓿——显著增加了植物生物量及土壤有机碳（Soil Organic Carbon, SOC）和全磷（Total Phosphorus, TP）的积累；其中0–20 cm土层在紫花苜蓿处理下SOC和TP分别增加23.84%和47.17%。此外，紫花苜蓿种植使湿筛法＞0.25 mm团聚体比例提高36.56%，连续豆科牧草栽培显著改善土壤团聚体稳定性。紫花苜蓿处理还提高了细菌多样性，刺激木质素衍生化合物积累，并使酸–甲醛比（acid–formaldehyde ratio）达最高，表明其增强木质素降解能力并为复垦土壤提供有益养分。方差分解分析（Variance Partitioning Analysis, VPA）显示土壤理化性质和微生物群落结构共同驱动植物生物量变化。上述结果阐明豆科栽培改善土壤质量、提升微生物多样性及增加生物量生产的机制，支持将豆科绿肥作为煤矿土地复垦的自然解决方案（Nature?based Solution, NbS），有助于改善土壤质量并促进采矿后生态系统的可持续发展。
论文解读：豆科绿肥改善煤矿复垦地土壤质量与植物生产力的十年田间研究
一、研究背景与意义
煤矿开采造成表土剥离、基质压实及养分耗竭，复垦土地利用潜力取决于土壤质量的恢复程度。绿肥特别是豆科作物可通过生物固氮（Biological Nitrogen Fixation, BNF）和有机质归还改良土壤，但其在煤矿复垦农生态系统中对土壤团聚体稳定性、木质素（lignin）积累、微生物多样性及植被生产力的综合作用机制尚不明确。该研究以山西农业大学古交长期定位试验基地为依托，经十年连续田间试验比较自然恢复、紫花苜蓿（Alfalfa, RAF）和毛叶野豌豆（Vicia villosa Roth, VVR，文中称Villose vetch/VVR）种植对复垦土壤的影响，旨在揭示豆科绿肥提升土壤质量的途径，为基于自然的解决方案（Nature?based Solution, NbS）在复垦中的应用提供依据。论文发表于《Frontiers in Plant Science》。
二、主要技术方法概述
研究依托2013年起设立的长期定位田间试验，位于古交（37°53′ N, 112°06′ E），属温带大陆性半干旱气候。采用随机区组设计，3个处理——自然恢复（CK）、紫花苜蓿连作（RAF）、毛叶野豌豆连作（VVR），各3次重复，小区15 m × 6 m。2023年10月按五点取样法采集0–20 cm和20–40 cm土层原状及混合土样，PVC管取原状土测定团聚体。测定指标及方法包括：干筛与湿筛分五级粒径计算平均重量直径（Mean Weight Diameter, MWD）；重铬酸钾外加热法测SOC，凯氏定氮法测全氮（Total Nitrogen, TN），钼锑抗比色法测全磷（TP）；CuO氧化─气相色谱─质谱（Gas Chromatography–Mass Spectrometry, GC–MS）定量木质素酚类（对羟基H、香草醛V、丁香醛S、肉桂醛C）及酸─甲醛比；16S rRNA（引物338F/806R）和ITS（引物ITS5/ITS2）基因高通量测序分析细菌与真菌α多样性（Chao1、Shannon等）；1 m × 1 m样方收获测定植物地上生物量。单因素方差分析（One?way ANOVA）、冗余分析（Redundancy Analysis, RDA）、Pearson相关热图及方差分解分析（VPA）用于统计解析。
三、研究结果
3.1 Biomass（生物量）
RAF和VVR处理鲜、干生物量均显著高于CK，RAF＞VVR＞CK，表明豆科绿肥尤其是紫花苜蓿可有效促进复垦地植被生产力恢复。
3.2 Soil physicochemical properties（土壤理化性质）
0–20 cm土层RAF处理SOC和TP较CK分别增加23.84%和47.17%，C:N比增6.93%；VVR处理分别增7.58%、6.85%和3.91%。20–40 cm土层RAF使SOC增25.41%、TP增5.19%。TN在VVR处理的0–20 cm层最高（增2.94%）。说明豆科绿肥—尤其紫花苜蓿—提升表层SOC与TP最为显著。
3.3 Distribution and stability of soil aggregates（土壤团聚体分布与稳定性）
湿筛结果显示，0–20 cm层RAF使＞0.25 mm团聚体比例提高36.56%，0.25–2.00 mm粒级比例提高196.46%；VVR使0.25–2.00 mm粒级比例提高332.35%。两处理MWD分别提高24.49%和24.73%。20–40 cm层RAF使＞0.25 mm团聚体和MWD分别提高41.55%和29.21%。干筛亦有类似趋势，RAF深层（20–40 cm）＞0.25 mm团聚体比例增33.74%，MWD增23.26%。表明连续豆科栽培显著促进大团聚体形成并提高团聚体稳定性，紫花苜蓿深层改良效果更突出。
3.4 Microbial diversity indices（微生物多样性指数）
0–20 cm土层RAF处理细菌Shannon指数较CK升约0.45%，VVR使细菌Chao1指数升4.40%。真菌方面RAF Shannon略降7.90%但仍维持较高多样性；VVR使真菌Chao1降13.10%而Shannon升5.10%。说明豆科绿肥总体提升或维持细菌多样性，对不同真菌类群丰度与均匀度影响各异。
3.5 Heatmap analysis of the correlation between lignin content and physicochemical and biological properties（木质素含量与理化及生物学性状相关性热图分析）
0–20 cm土层RAF处理木质素H、V、S型酚类含量显著高于其余处理，深层降低但趋势一致。相关性显示细菌群落主导下木质素H组分与植物生物量、SOC、TP显著正相关；V、S组分与TN及细菌Good's coverage显著负相关；C组分及酸─甲醛比与MWD正相关，与SOC、TN、TP负相关。真菌群落主导下有相似格局，H组分与生物量及真菌Pielou均匀度指数正相关。表明豆科─尤其紫花苜蓿─促进木质素积累并参与调控土壤碳稳定与微生物过程。
3.6 Redundancy analysis（RDA）of soil physicochemical properties and microbial diversity indices（土壤理化性质与微生物多样性指数冗余分析）
细菌群落RDA轴1上SOC和TN与Chao1、Shannon指数紧密关联，C:N比亦显著影响细菌分布。真菌群落RDA显示N:P比与Shannon、Chao1及Observed species显著相关，Pielou均匀度与N:P关联密切。证实土壤养分状况是驱动细菌和真菌群落结构变化的重要因素。
3.7 Correlation heatmaps and VPA（相关热图与方差分解分析）
细菌群落中SOC与Chao1、Shannon显著正相关，酸─甲醛比与细菌多样性负相关；真菌群落中SOC、TN与Simpson、Shannon显著正相关。VPA显示：含细菌群落模型中土壤化学性质＋细菌群落联合解释生物量变异37.80%，土壤理化＋细菌群落联合解释33.00%；真菌群落模型中土壤理化单独解释95.90%，土壤化学＋真菌群落联合解释53.80%，真菌群落单独解释仅0.10%。说明土壤理化性质与微生物（尤细菌）共同驱动复垦地植被生物量积累。
四、讨论与结论总结（翻译结论部分）
基于长期田间试验，本研究从土壤理化性质、微生物群落结构、木质素含量及植物生物量多视角综合评价了豆科绿肥在煤矿复垦区土壤质量恢复中的作用。结果表明，豆科绿肥栽培显著提高土壤全氮与全磷含量，改善土壤结构并促进团聚体形成，提升整体土壤理化特征。此外，木质素积累与微生物群落活化的协同作用是稳定固碳的基本机制。通过将此功能途径整合入土地修复的核心战略框架，本研究凸显豆科植物作为可持续自然解决方案（NbS）在退化采矿区长期生态修复中的潜力。豆科代表绿肥物种经由生物固氮、养分补给、结构改良、微生物活化、碳固存及生物量提升等多条生态途径，显著促进煤矿复垦区土壤生态功能的全面恢复。综上，应将绿肥植物及其功能机制整合入未来矿山复垦与土地整治实践的核心战略框架，以实现退化土地的系统性、长期性及可持续性生态修复。
