针对多种环境管控措施在多大程度上限制了工矿城市土壤中人类活动排放主导的铅和镉的积累这一关键科学问题，四川师范大学西南土地资源评价与监测教育部重点实验室青年教师龙治杰与中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所吴艳宏研究员合作，以中国攀枝花市马家田钒钛磁铁矿尾矿库近50年的植被恢复土壤序列为研究对象，近期取得了以下系列研究成果。

（1）钒钛磁铁矿尾矿库植被恢复期间土壤钒的生物有效性和活化动态

钒具有持久的生物毒性，钒钛磁铁矿尾矿库植被恢复过程中土壤钒的生物有效性深刻影响着尾矿库的生态安全。但尾矿库植被恢复过程中土壤钒的生物有效性和动态补给的变化仍然难以捉摸。我们利用薄膜扩散梯度技术（DGT）和DGT诱导通量模型（DIFS），研究了马家田尾矿库48年植被恢复序列中土壤-水界面中钒的生物有效性和活化动态及其关键动力学参数（图1）。结果表明，在植被恢复序列中，DGT提取态钒浓度较低，表明土壤钒的生物有效性较低。低供应系数（R=0.25）表明从固相到土壤溶液的钒的释放较为有限。然而，随着恢复时间的增加，由于固相结合态钒，特别是与有机质和黏土结合的钒向土壤溶液钒的动态补给，钒的生物有效性逐渐增强。在植被恢复过程中，钒的动力学补给过程及其关键调控参数具有阶段性。土壤中不稳定钒库的大小决定了早期和晚期钒的快速供应，而较低的固相钒的解吸速率主导了植被恢复中期缓慢的钒的动态供给。研究结果强调了长期监测尾矿库土壤钒有效性的重要性，因为植被恢复过程中钒的生物有效性和钒的动态供应均有所增加。

图1 马家田尾矿库土壤钒有效性（DGT提取态）及由DIFS模型推导出的土壤中钒供应能力（R值）时间依赖性的最佳曲线动态变化示意图

（2）49年植被恢复时间序列中土壤细胞外酶活性和化学计量的变化模式及其驱动因素

植被恢复通过改变土壤性质来对土壤细胞外酶活性（EEAs）及其化学计量比（EEES）具有深远的影响。然而，EEAs和EEES对金属矿区长期植被恢复序列中各种土壤性质变化的响应仍有待揭示。我们的研究结果显示，EEAs在恢复早期（植被恢复后0-15年）呈上升趋势，在晚期（植被恢复后16-49年）持续处于高水平或进一步增加。结果还表明，酶C：P比随时间呈线性增加，而酶C：N比在早期逐渐减少，后期逐渐增加。土壤有机碳、总氮和微生物生物量主要控制EEAs的变化，重金属污染和有机碳主导酶C：P比（图2）。土壤有机碳和总氮在早期对酶C：N比的变化有很大的调节作用，而在后期，重金属污染则对酶C：N比的变化有很大的调节作用。研究表明，植被恢复过程中土壤可能同时存在潜在的微生物氮和磷限制，这是由于恢复初期氮和磷有效性较低造成的。同时，研究还强调了治理土壤重金属污染对减少后期微生物碳代谢限制的重要性。

图2 马家田植被恢复过程中中影响土壤细胞外酶活性和化学计量比的因素的冗余分析（RDA）（a）以及重金属污染和DGT提取物中重金属浓度的对土壤细胞外酶化学计量（b）的影响

（3）植物地上生物量在49年的植被恢复时间序列中驱动了土壤质量的恢复年份依赖性

土壤质量对于维持植被恢复的可持续性至关重要。然而，金属矿山废弃地长期恢复过程中土壤质量的变化和关键驱动因素需要进一步探索。方法本研究使用最小数据集土壤质量指数（MDS-SQI）方法，通过分析多种土壤物理、化学和生物学性质以及植物生物量，确定了钒钛磁铁矿尾矿库49年植被恢复序列中土壤质量的变化及其主要驱动因素。结果表明，磷酸酶（AP）、土壤有机碳（SOC）、重金属污染（PLI）、粘土和总磷（TP）可作为反映土壤质量的关键指标。由于AP活性和SOC含量的升高，土壤质量在恢复后的前13年显着增加（p < 0.01）。它们在接下来的恢复阶段内保持在相对较高的稳定水平，这归因于AP活性和SOC含量的缓慢增加以及PLI值的不断增加（图3）。地上植物生物量主要通过影响土壤（微生物）养分周转来驱动土壤质量的恢复年龄依赖性。我们的研究强调了将土壤重金属污染变化纳入金属矿山废弃地植被恢复后土壤质量监测的必要性。此外，结果还表明地上植物生物量可以反映土壤质量对长期植被恢复过程的响应。

图3 马家田尾矿库土壤质量动态变化及其关键评价参数示意图

 以上成果相继发表在Science of The Total Environment（一篇，中科院一区，IF=8.3）、Plant and Soil（两篇，中科院二区Top，IF=3.9）上，DOI：https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.167507；https://doi.org/10.1007/s11104-024-06511-2；https://doi.org/10.1007/s11104-024-06946-7。该研究得到四川省重点科技计划项目（2018SZDZX0022）、中国科学院“西部青年学者”A类计划、中国科学院“青年创新促进会”人才计划（2023391）的支持。

撰稿：龙治杰

审核：杨存建

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