有机改良剂对半干旱矿区尾矿植物水分利用效率与养分吸收策略的调控作用

《Plant and Soil》：Response of field-grown native plant species to a combined amendment for phytomanaging metal(loid)-mine tailings

本研究针对半干旱矿区金属尾矿植被重建难题，通过田间试验探究了生物炭与城市有机固体废物联合改良剂对六种本地植物生理生态响应的影响。研究发现改良剂显著提升土壤肥力与植物生物量，并揭示了C3树木与灌木在水分利用效率(δ13C)和养分获取策略(δ15N)上的显著分异，为优化尾矿植物修复的物种配置提供了理论依据。

　　

在西班牙卡塔赫纳-拉乌尼翁矿区的广袤土地上，废弃的金属尾矿堆如同巨大的伤疤裸露在地表。这些由硫化物矿物加工残余物组成的基质，不仅富含砷、铅、锌等重金属元素，更面临着土壤贫瘠、持水能力差等严峻挑战。在年降水量仅250-300毫米的半干旱气候下，如何建立稳定的植被覆盖层，成为遏制金属污染物扩散和恢复生态功能的关键难题。

传统上，植物稳定化技术通过筛选耐逆物种来固定尾矿中的污染物。然而，单纯依赖物种耐性往往忽略了植物在极端环境下的生理适应机制。特别是在水分和养分双重胁迫的半干旱矿区，植物如何协调水分利用效率与养分获取策略，直接影响植被重建的成败。西班牙卡塔赫纳理工大学的研究团队在《Plant and Soil》发表的最新研究中，创新性地将稳定同位素技术应用于尾矿植物修复评估，揭示了有机改良剂调控下植物生理生态响应的物种特异性规律。

研究团队在废弃40年的尾矿场建立了为期18个月的田间试验区，采用生物炭与城市有机固体废物(MOSW)按1.8:1比例混合的改良剂（施用量44吨/公顷），对比分析了六种本地植物（四灌木二乔木）的生长响应。通过测定生物量、叶片元素组成（As、Cd、Cu、Mn、Pb、Zn、N、P、K等）及稳定同位素特征（δ¹³C、δ¹⁵N、δ¹⁸O），系统评估了改良剂对植物生理生态策略的影响。

关键技术方法包括：1）田间试验设计（设置改良/未改良对照区，监测6种植物生长响应）2）土壤与植物样品元素分析（ICP-MS/OES测定金属含量，离子色谱分析养分）3）稳定同位素测定（同位素比值质谱分析δ¹³C、δ¹⁵N、δ¹⁸O）4）统计学分析（t检验、MANOVA、相关性分析等）。

植物生物量

改良剂显著提升了五种植物的生物量（最高增加33倍），仅马登木（Maytenus senegalensis）地下生物量未显著增加。值得注意的是，在未改良条件下，C4植物地中海滨藜（Atriplex halimus）的地上生物量是C3植物的三倍以上，而改良后五叶牛角花（Dorycnium pentaphyllum）生物量尤为突出。方差分析表明改良剂对生物量的影响（F值~114）远大于物种因素（F值~22）。

叶片元素组成

改良剂使马登木、淡紫鼠李（Rhamnus lycioides）、地中海松（Pinus halepensis）和方骨柏（Tetraclinis articulata）的叶片磷含量提升两倍，但未显著改变氮含量。特别值得注意的是，方骨柏在改良条件下叶片钙、钠含量降低70%，暗示其水分运输策略改变。方差分析显示物种对所有养分含量均有显著影响，而改良剂仅对磷含量有显著作用。

金属积累特征

各物种叶片金属含量均未超过植物毒害阈值，锌含量普遍偏高（C3植物179-393 mg kg^-1）。改良剂使五叶牛角花铜含量、方骨柏铅和砷含量显著降低。C4植物地中海滨藜表现出特殊的金属富集能力，锌含量高达1200 mg kg^-1，这可能与其盐生植物特性相关的离子共转运机制有关。

稳定同位素示踪

δ¹³C与δ¹⁸O的显著正相关（p<0.01）揭示了植物水分利用策略的内在联系。

两种乔木（地中海松和方骨柏）表现出更高的δ¹³C值（-28.9‰至-29.0‰），反映保守型水分利用策略；而三种灌木（五叶牛角花、马登木、淡紫鼠李）的较低δ¹³C值（-30.3‰至-31.0‰）则对应奢侈型水分利用策略。特别值得注意的是，方骨柏在改良条件下δ¹⁸O显著升高（31.4‰）且钙含量降低，表明其通过气孔调节减少蒸腾的强可塑性。

δ¹³C/δ¹⁸O与叶片氮含量的负相关（p<0.01）

，以及δ¹³C与磷含量的正相关（p<0.01），揭示了水分-养分协同调控机制。改良剂使地中海松和方骨柏的碳磷比(C/P)降低50%，表明磷限制解除后植物从磷利用效率转向水分利用效率的适应性转变。

讨论与结论

本研究通过多指标联用揭示了半干旱尾矿植物修复的深层机制。改良剂通过提升土壤有机质（总氮增加3倍，有机碳增加10倍）有效改善了尾矿基质的肥力状况，但植物响应呈现显著的物种特异性。乔木物种（特别是方骨柏）表现出通过严格气孔调控实现水分高效利用的保守策略，而灌木物种则通过高蒸腾作用促进养分吸收的奢侈策略。这种生态策略分异对植被配置具有重要指导意义：保守型物种更适合长期干旱耐受，奢侈型物种则有利于快速建立植被覆盖。

研究创新性地将δ¹⁸O与δ¹³C耦合分析应用于尾矿植物生理研究，证实了方骨柏等物种在改良条件下的气孔调节可塑性。同时，δ¹⁵N信号的变化揭示了不同物种（固氮植物、菌根植物）对改良剂氮源的差异化利用策略。这些发现强调了在植物修复中需同时考虑物种的养分-水分耦合适应特性，而非简单依赖生物量或金属积累指标。

该研究为半干旱矿区尾库的生态恢复提供了重要实践指导：通过低剂量改良剂（44吨/公顷）应用即可实现土壤改良与植物生长的平衡，避免过度竞争；方骨柏和地中海松等乔木适合作为长期稳定植被的骨架物种，而灌木物种可加速早期地表覆盖。研究结果对全球类似气候条件下的矿山生态修复具有示范意义，特别是在实现联合国可持续发展目标中的陆地生态恢复方面具有应用价值。