基于社区的植物修复多金属土壤技术：超产效应与微生物的调控作用

《Journal of Environmental Management》：Community-based phytoremediation of multi-metal soils: Overyielding effects and microbial mediation

复合毒性元素土壤修复中，超积累植物Pteris vittata与Nurse植物Medicago sativa及先锋植物Parthenocissus semicordata的间作模式显著提升生物修复效率，其地上部元素积累量（As 1861.36 mg/m2，Cd 48.01 mg/m2）远超单作系统，且微生物群落结构变化通过调控土壤元素含量间接增强修复效果。

　　本研究探讨了在重金属污染土壤中，通过种植富集植物、护根植物和先锋植物的混合种植系统，如何提升植物对潜在有毒元素（PTE）的修复效率。研究团队包括胡仁志、周子涵、吴晨润、黄燕玲、陈德茜、秦桂梅、刘志博和宋博，他们来自桂林理工大学环境科学与工程学院。通过分析生态位理论和压力梯度假说，研究者认为，具有较高生物多样性的植物群落可能增强整体生产力，并更有效地从土壤中提取PTE。为了验证这一假设，研究选择了三种植物：Pteris vittata（富集植物，E）、Medicago sativa（护根植物，M）和Parthenocissus semicordata（先锋植物，P），并设置了七种不同的种植模式，包括单一种植和混合种植（E、M、P、EM、EP、MP、EMP），以评估其对PTE复合污染的原位修复效果。

研究发现，所有混合种植的植物群落均表现出增产效应，即单位面积植物地上部分对PTE的累积量均高于单一种植的群落。其中，EM种植模式的增产效应最为显著，且主要由互补效应主导。在EM种植模式中，P. vittata的地上部分生物量比单一种植模式高出3.04倍，显示出其在混合种植中的竞争优势。此外，EM种植模式中，植物地上部分对PTE的累积量显著高于其他种植模式，尤其是对砷（As）和镉（Cd）的累积量分别达到1861.36和48.01毫克/平方米。这表明，在混合种植系统中，不同植物种类之间能够有效协同，从而提升PTE的提取效率。

研究还关注了根际土壤中的微生物群落变化。在EM、EP和EMP种植模式中，根际土壤中的微生物（如Candidatus Solibacter、Candidatus Udaeobacter、Nitrosovibrio、Kaistobacter、Thiobacillus等）在营养循环中的作用显著增强，其丰度远高于单一种植模式。这一现象表明，微生物群落与土壤中PTE含量的相互作用，可能在一定程度上调节植物修复效率。通过结构方程模型的分析，研究者进一步揭示了根际微生物群落结构和功能，以及土壤中PTE含量如何影响植物修复效率。研究结果为PTE污染土壤的原位生物修复提供了新的理论依据和实践方向。

在重金属污染土壤的修复过程中，单一植物修复往往存在局限性，难以同时处理多种PTE污染。因此，研究者认为，增加修复植物的种类多样性可能是提升修复效果的关键。压力梯度假说（SGH）指出，在高环境压力下，植物群落的竞争关系减弱，而正向的相互作用增强。这一假说同样适用于PTE污染环境。例如，在铅锌尾矿库中种植Ficus tikoua，可以显著提高其他植物的生存率和生长速度。然而，在同一地区，由于生态位重叠和化感作用，不同植物之间可能会出现强烈的资源竞争、生长抑制和排斥现象。因此，如何优化植物种类的搭配，以增强其共生关系，是提升植物修复效率的重要课题。

Pteris vittata L. 是最早被发现能够富集砷的植物之一，其在富集、护根和先锋植物中的作用已被广泛研究。实验表明，当P. vittata与玉米、Morus alba L.、大蒜、Sedum alfredii Hance和Hylotelephium spectabile（Boreau）等植物混合种植时，其对砷、镉和铅的富集能力显著提高。然而，目前关于P. vittata在田间用于修复PTE复合污染土壤的研究仍较为有限。例如，P. vittata与桃树和玉米的混合种植，可以显著增强其生长、光合作用和砷的吸收能力。但与Citrus reticulata Blanco的混合种植并未带来显著的生物量和砷提取率的提升，而与Boehmeria nivea L.的混合种植甚至导致P. vittata的生物量减少，但并未提高砷的富集能力，这一结果与盆栽实验的发现相矛盾。因此，P. vittata作为核心植物的修复群落展现出巨大的潜力，而选择合适的间作植物种类则是关键。

护根植物Medicago sativa L.因其丰富的根系分泌物和较强的适应能力，常被用于镉和铅污染土壤的修复。研究表明，与M. sativa混合种植可以提高相邻植物根系和叶片中的氮和叶绿素含量，从而增强其对PTE的抗性。先锋植物Parthenocissus semicordata（Wall.）则具有较强的地面攀援能力和生命力，能够有效抑制杂草生长，并展现出对镉、铜和锌的显著富集潜力，使其在坡面稳定和尾矿污染土壤修复中具有广阔的应用前景。

研究者假设，将P. vittata（富集植物）与M. sativa（护根植物）和P. semicordata（先锋植物）混合种植，可以借助互补效应和微生物促进作用，提高PTE的原位修复效率。为此，研究团队在广西某铅锌尾矿附近的农田中，建立了包含P. vittata、M. sativa和P. semicordata的多种植物群落，以评估其对复合污染的修复效果。研究的主要目标包括：（1）分析不同修复群落配置下的生态效应和种间关系；（2）探讨修复群落配置差异对PTE富集能力的影响；（3）研究修复群落配置与土壤微生物之间的相互作用；（4）揭示互补效应和功能微生物如何促进生物修复效率的提升。研究结果不仅为PTE污染土壤的生态修复理论提供了支持，也为生态修复技术的开发和应用提供了新的思路。

在实验过程中，研究团队选择了位于桂林市南部的农田作为研究区域，其地理坐标为东经110°13′至110°40′，北纬24°38′至25°04′。该区域土壤中的砷、镉、铅、铜和锌含量均超过了国家土壤环境质量标准中的风险筛查值（GB 15618-2018）。实验区域具有平坦的地势、良好的灌溉条件、较少的干扰因素、土壤肥力一致且分布均匀。这些条件为研究提供了稳定的实验环境，有助于准确评估不同植物群落对PTE污染的修复效果。

研究发现，P. vittata在混合种植系统中表现出明显的主导地位，其单位植物地上部分生物量和单位面积地上部分生物量均显著高于M. sativa和P. semicordata。在EM种植模式中，P. vittata的生物量显著增加，单位植物生物量达到单一种植模式的3.04倍，显示出其在混合种植中的竞争优势。此外，P. semicordata在与M. sativa和P. vittata混合种植时，其生物量也显著增加，表明不同植物种类之间的协同作用能够促进整体生物量的提升。

在讨论部分，研究者指出，生态位理论认为，生态位分离有助于物种共存。混合种植系统能够减少植物在资源利用上的生态位重叠，从而扩大群落的功能空间，提高资源利用效率。在EM种植模式中，虽然存在一定的竞争关系，但互补效应更为显著，这有助于提升群落的整体生产力和修复能力。此外，研究者强调，植物修复群落的结构和功能需要与土壤微生物群落进行协同优化，以提高PTE的修复效率。

研究团队认为，构建修复植物群落是实现PTE污染土壤高效修复的关键。通过实验发现，所有混合种植的植物群落均表现出增产效应，其中P. vittata和M. sativa的混合种植模式对群落生长的促进作用最为显著，其单位面积地上部分生物量比单一种植模式提高了208.10%。这一结果表明，混合种植不仅可以提高植物的生物量，还能增强其对PTE的富集能力。此外，混合种植模式中的PTE累积量均高于单一种植模式，尤其是在As和Cd的富集方面，显示出其在修复复合污染中的优势。

研究者还指出，修复植物群落的结构和功能需要与土壤微生物群落进行协同优化。在EM、EP和EMP种植模式中，根际土壤中的微生物群落表现出更高的丰度，这可能与PTE的积累和迁移有关。通过结构方程模型的分析，研究者进一步揭示了微生物群落结构和功能如何影响植物修复效率。研究结果表明，微生物群落的多样性与功能对于PTE的修复具有重要作用，而植物群落的结构和功能也需要与微生物群落进行协调，以实现更高效的修复效果。

此外，研究者认为，植物修复群落的结构和功能需要与土壤环境进行动态调整。在混合种植系统中，不同植物种类之间的互补效应和竞争关系可能影响群落的整体修复能力。例如，P. vittata与M. sativa的混合种植能够显著增强P. vittata的生长和光合作用能力，而与P. semicordata的混合种植则可能促进其对PTE的富集能力。因此，如何选择合适的植物种类进行混合种植，是提升修复效率的重要因素。

研究者还提到，植物修复群落的构建需要考虑其对土壤环境的适应性。在混合种植系统中，植物种类的搭配不仅影响其自身的生长和修复能力，还可能影响土壤微生物群落的结构和功能。例如，M. sativa的根系分泌物可以为P. vittata提供更多的氮素，从而增强其对PTE的富集能力。此外，P. semicordata的攀援能力和生命力能够有效抑制杂草生长，从而减少对修复植物的竞争压力。因此，植物修复群落的构建需要综合考虑植物种类的搭配、土壤环境的适应性以及微生物群落的相互作用，以实现更高效的修复效果。

研究团队认为，修复植物群落的构建不仅是提高植物生物量和PTE富集能力的关键，也是提升生态系统生产力和降低PTE生态风险的重要手段。在混合种植系统中，不同植物种类之间的协同作用可以显著增强其对PTE的修复能力。例如，P. vittata与M. sativa的混合种植能够显著提高其对As、Cd和Pb的富集能力，而与P. semicordata的混合种植则可能增强其对Cd、Cu和Zn的富集能力。因此，如何优化植物种类的搭配，以实现互补效应的最大化，是提升修复效率的重要课题。

研究者还指出，修复植物群落的构建需要考虑其对土壤环境的长期影响。在混合种植系统中，植物种类的搭配不仅影响其短期的修复效果，还可能影响土壤微生物群落的结构和功能，从而影响土壤的生态稳定性。例如，M. sativa的根系分泌物可以促进土壤微生物的生长，从而增强其对PTE的分解和转化能力。因此，修复植物群落的构建需要与土壤微生物群落进行协同优化，以实现更高效的修复效果。

综上所述，本研究通过构建包含P. vittata、M. sativa和P. semicordata的混合种植系统，探讨了其对PTE复合污染土壤的修复效果。研究结果表明，混合种植不仅能够提高植物的生物量和PTE富集能力，还能通过微生物群落的促进作用，增强修复效率。因此，构建多样化的修复植物群落，选择合适的植物种类进行间作，是提升PTE污染土壤修复效果的重要策略。研究团队认为，这一发现不仅为PTE污染土壤的生态修复提供了新的理论依据，也为生态修复技术的开发和应用提供了实践指导。