表土堆的深度依赖性异质性会影响植物与微生物的相互作用，以及干旱地区矿山复垦中的植被恢复成功率

《Science of The Total Environment》：Depth-dependent heterogeneity in topsoil stockpiles influences plant-microbe interactions and revegetation success in arid mine reclamation

铜矿尾ings堆土场不同深度土壤质量、微生物群落及植被恢复关系研究。通过非侵入式根系表型分析结合微生物测序，发现上层（0-10米）土壤pH中性、有机质含量高（0.93%-1.8%）、氮磷养分充足，支持Atriplex lentiformis植物发芽和生长（存活率最高达95%），而深层（>10米）因厌氧条件导致Fe/Mn毒性累积（Fe最高3940 mg/kg，Mn最高122 mg/kg），抑制发芽（最低20%），且微生物群落以产甲烷菌（Crenarchaeota）和硫酸还原菌为主。机器学习模型显示，真菌（Ascomycota/Basidiomycota）促进发芽，而 Chloroflexi、Firmicutes等细菌抑制生长。植物存在反馈效应，改善深层土壤氧化还原状态。建议优化堆土层混合和 amendments 策略以促进生态恢复。

　　在当今全球对自然资源需求不断上升的背景下，采矿活动频繁发生，给生态环境带来了显著的挑战。为了减轻这些影响并促进生态系统恢复，许多矿区采取了土地复垦措施。其中，覆盖矿渣堆以未受污染的土壤是一种常见的策略，旨在通过土壤覆盖来降低环境影响，同时为植被恢复创造有利条件。然而，这种做法在实践中存在一些问题，特别是当土壤被长期储存时，其物理、化学和微生物特性可能会发生变化，从而影响植被的恢复能力。本研究探讨了土壤健康指标与植被成功恢复之间的关系，特别是在半干旱生态系统中，对矿渣堆土壤中不同深度层的生物地球化学特性进行了评估。

矿渣堆的形成和管理对土壤健康和复垦潜力具有深远的影响。土壤储存时间的延长会改变其物理结构，例如土壤结构的稳定性、土壤压实程度以及土壤的水分保持能力。这些变化不仅影响土壤的养分可用性，还可能影响土壤中有机碳的含量。此外，随着深度的增加，土壤的pH值和氧气含量的变化也会影响土壤质量。这些因素共同作用，导致土壤微生物群落发生变化，从而影响营养循环和土壤健康。因此，了解土壤深度与土壤质量之间的关系，对于制定有效的复垦策略至关重要。

本研究采用了一种非侵入式的根系表型分析方法，通过使用含有不同深度土壤的塑料盒（rhizoboxes）来评估植物生长情况。研究选择了具有不同适应特性的两种植物基因型，分别来自非金属矿土壤和金属矿土壤，以测试不同土壤条件对植物生长的影响。通过这种方式，研究团队能够评估土壤深度对植物萌发和早期生长的潜在影响。结果显示，表层土壤（1–10米）对植物生长具有较高的支持性，而更深层的土壤则表现出显著的限制性。例如，最深层的土壤（25–28米）中的植物存活率接近于零，这可能是由于土壤中存在强烈的缺氧条件以及铁和锰的毒性增强所致。

微生物群落的组成对植物的生长和土壤健康起着至关重要的作用。研究发现，表层土壤中主要由真菌群落主导，而深层土壤则更倾向于出现古菌。这种变化可能与土壤中的氧气含量和养分可利用性有关。同时，土壤中的化学特性，如氮、磷、钾、钠、硫等元素的浓度，也对植物的生长产生了显著影响。研究团队利用机器学习模型整合了土壤特性、植物反应以及土壤微生物的DNA序列数据，以识别影响植物生长的关键指标。

研究结果表明，土壤质量在不同深度层之间存在显著的异质性。这种异质性主要由土壤中有机物质的含量、氧气的供应情况以及铁和锰的毒性水平决定。表层土壤中较高的有机物质含量和适宜的氮、磷、钾等养分浓度为植物提供了良好的生长环境，而深层土壤中由于氧气供应不足和养分可利用性降低，植物生长受到严重限制。此外，深层土壤中铁和锰的浓度显著增加，这可能对植物的生长产生抑制作用。

在植物萌发和早期生长阶段，土壤中的真菌群落起着关键作用。研究发现，真菌群落能够通过促进植物萌发和减少植物病原体的侵害来支持植物的生长。相反，深层土壤中的某些微生物群落可能对植物萌发产生负面影响，例如一些严格的厌氧菌和产甲烷菌可能产生抑制植物生长的代谢产物。这些发现为理解植物与土壤微生物之间的相互作用提供了重要的依据，同时也揭示了在复垦过程中，深层土壤可能成为复垦成功的障碍。

本研究还探讨了植物与土壤之间的反馈机制，即植物的生长如何影响土壤的生物地球化学特性。研究结果表明，植物的存在和持续灌溉可以显著改善土壤条件，例如提高土壤中的氮、磷、钾等元素的可用性，并促进土壤微生物群落的多样性。然而，这种改善可能只是短期的，深层土壤的长期恢复潜力仍需进一步研究。因此，制定有效的复垦策略，需要综合考虑土壤的物理、化学和微生物特性，并结合植物的适应性特征，以实现可持续的生态系统恢复。

综上所述，本研究通过分析不同深度矿渣堆土壤的生物地球化学特性，揭示了土壤质量与植物生长之间的复杂关系。研究结果不仅为矿渣堆土壤的复垦提供了科学依据，还强调了在复垦过程中需要考虑土壤的深度和异质性。此外，研究还提出了优化复垦策略的建议，例如通过混合不同深度的土壤来改善其均质性，以及通过添加特定的土壤改良剂来促进土壤的恢复。这些发现对于在半干旱生态系统中实现有效的土地复垦具有重要意义。