干旱区尾矿库生态修复60年：植物金属元素积累策略与生态系统再生机制

《Science of The Total Environment》：Dryland ecosystem regeneration and plant metal(loid) accumulation strategies 60 years after revegetating a mine tailings pond

本研究针对干旱区采矿废弃地生态修复难题，以美国西南部半干旱区成功修复60年的铜钼尾矿库为研究对象，通过整合野外植被调查、植物-土壤生化分析和遥感技术，揭示了不同演替阶段植物群落与基质特性的对应关系，发现部分物种对Cu、Se、Re的（超）积累能力（分别高达~750、~80和~90 mg·kg?1），并利用标本馆样本XRF扫描建立了元素积累基准。研究成果为干旱区矿山生态修复的物种选择提供了科学依据。

　　

在全球范围内，人为活动导致的土地退化是一个严峻的挑战，约有33%的全球陆地表面受到土地退化和荒漠化的影响。硬岩开采对此贡献巨大，亟需基于科学的创新缓解措施来修复受采矿影响的土地。在干旱生态系统中，建立持久的植被覆盖是风险导向的植物管理——特别是植物稳定化——的核心，被广泛用于修复受采矿影响的土地。然而，干旱区矿山尾矿库的植被恢复面临诸多挑战，包括基质恶劣（如低pH值、盐碱化、金属含量高）、气候胁迫（极端温度、干旱）以及我们对耐旱金属植物的了解不足。这些因素共同阻碍了在许多受采矿影响的干旱土地上建立自我维持的持久生态系统。

尽管关于植物金属组（植物体内的金属含量）的研究已有不少，但大多数基于短期评估，而对植被恢复数十年后已建立的植物群落进行长期评估的数据集却十分罕见。这类长期信息对于选择适合植物管理的植物物种至关重要，但在干旱和半干旱环境中尤其有限。美国西南部是一个生物多样性热点地区，也是矿产商品的主要供应地，该地区拥有超过16万个废弃矿址，凸显了填补上述知识空白并制定科学驱动的植被恢复战略的迫切性。

在此背景下，由Tomasz Wlodarczyk、Alicja Babst-Kostecka等研究人员组成团队，在《Science of The Total Environment》上发表了一项研究，旨在调查美国西南部半干旱地区一个罕见的成功修复的铜钼尾矿库，以增进我们对植物定殖的驱动因素和障碍的理解。

为了开展这项研究，研究人员采用了一种多方面的综合方法。首先，他们在尾矿库内和邻近未受干扰的自然区域进行了传统的野外植被调查，评估植物群落结构和组成，并收集植物和基质样本。实验室分析旨在识别金属排斥者、指示者和积累者物种，并评估植物驱动的基质质量改善。调查时间限定在早春和季风后季节，以捕捉对沙漠植物多样性有重要贡献的短生命周期一年生植物。其次，他们利用无人机激光雷达进行了机载遥感探测，以评估相同样地内的地上植被结构。第三，对于识别出的最有前景的金属积累者物种（可能在植物采矿技术中找到应用），研究人员采用了一种强大但未充分利用的方法：对来自多个自然且地理相近地点的大量现有标本馆标本进行X射线荧光扫描，旨在为在尾矿植物中观察到的金属吸收模式建立基准。

研究主要围绕几个关键问题展开：哪些植被特征和基质生物物理化学特性反映了植被恢复60多年后生态系统的高级恢复与不良恢复？尾矿库样地内的植被结构和组成在多大程度上不同于邻近未受干扰的土地？在这个成功恢复的样点上存在的物种是否表现出不同的金属吸收策略？某些物种的高金属吸收是地点特异性还是物种广谱性特征？

研究结果揭示了尾矿库内植被恢复成功存在显著的空间异质性。根据地表土壤层厚度和生化特性，基质样本可分为四个主要组别。第1组（自然样地和P3样地地表层）条件最佳，有机质含量、养分浓度和微生物生物量最高。第3组（P4样地地表层和P1样地尾矿层）则最具挑战性，地表层极薄或缺失，金属浓度升高，植被极其稀疏。遥感衍生的植被结构指标与野外观察结果一致，确认P3样地的植被覆盖度最高（18%的灌木和树木），裸土比例最低（0.4%），而P4样地裸土比例高达96%。自然样地的灌木和树木覆盖度（52%）远高于P3样地，反映了更高级的演替阶段。

在尾矿库共鉴定出40种植物，隶属20科。物种丰富度最高的是P1样地（24种），最低的是P4样地（12种）。只有10个物种与邻近自然样地重叠，其中P3样地与自然样地共享的物种数最多（8个），表明其植物群落正朝着接近自然条件的方向发展。

植物元素分析显示，植物的元素组成模式紧密反映了基质的异质性。根据元素谱进行层次聚类分析，将植物分为三个主要组别。植物组3（主要包含草本植物，很少有草类和树种）几乎完全局限于P4样地（基质组3），显示出对多种元素（尤其是Cu和Mn）的相对吸收最高。十个物种被识别为“高吸收植物”。

引人注目的是，一些物种表现出对Cu、Se和Re的显著积累能力。Pseudognaphalium canescens 和 Xanthisma gracile 在P4样地的个体叶片中铜浓度超过了全球超积累阈值（300 mg kg^-1），分别达到约750 mg kg^-1和约400 mg kg^-1，表明它们是新的铜超积累物种。此外，Boechera perennans、Neltuma velutina（绒毛豆科灌木）和 Tamarix chinensis（柽柳）等物种也积累了超过100 mg kg^-1的铜。Senegalia greggii（猫爪金合欢）表现出高铼积累（约64 mg kg^-1）和中等铜积累。Isocoma acradenia 的硒积累接近超积累水平。这些发现扩展了干旱环境下潜在金属超积累物种的名单。

为了评估这些高吸收物种的金属积累特性是地点特异性还是物种广谱性，研究人员对识别出的10个高吸收物种的标本馆标本进行了便携式X射线荧光光谱分析。结果显示，来自各种（推测未受污染的）自然生境的标本馆植物也经常超过植物组织中多种元素（Cu、Mn、Se、Fe、Re、Zn）的最大最适浓度，尽管未达到各自的超积累阈值。这表明所识别的物种具有固有的大量积累各种元素的能力，这种能力可能有助于它们在金属污染场址的定殖。

通过偏最小二乘回归模型分析发现，土壤pH值对植物铜浓度有最强的负向影响，而总钼含量、可提取铜和硫则是显著的正向预测因子。P4样地条件与植物中较高的铜浓度有很强的正相关。这表明基质特性，特别是pH值和特定元素的有效性，在塑造植物金属积累模式方面起着主导作用。

综上所述，这项研究通过整合遥感、野外采样和标本馆pXRF分析，提供了一个评估干旱区尾矿库植被恢复成功和当地植物群植物修复潜力的新颖框架。研究发现，植被恢复成功与地表土壤层的厚度和生化特性密切相关，空间异质性显著。研究鉴定出了新的Cu、Se和Re的（超）积累植物物种，特别是Pseudognaphalium canescens 和 Xanthisma gracile 显示出极高的铜超积累潜力。通过标本馆标本的广泛筛选，证实了某些物种固有的金属积累能力，同时揭示了这种特性在种群间存在显著变异。这些发现深化了我们对修复后的矿山尾矿中植物适应、金属积累和生态系统再生的理解，为指导未来干旱区遗留矿场的植被恢复工作、提高其可持续性提供了 robust 的科学依据。研究成果对干旱半干旱地区矿业废弃地的生态修复实践和潜在的植物采矿应用具有重要的指导意义。