城市固体废弃物堆肥对潜在有毒元素污染土壤功能与生物多样性的长期修复效应研究

推荐：本研究针对废弃矿区土壤中潜在有毒元素(PTEs)污染问题，通过长期(6年)田间试验探究城市固体废弃物堆肥(MSWC)对土壤功能及生物多样性的修复效果。结果显示MSWC显著提升微生物呼吸(最高达5.1倍)、酶活性(脱氢酶12倍)及细菌α多样性(Shannon指数)，并促进耐PTE植物群落形成，为污染土壤生态修复提供可持续解决方案。

　　

在矿产资源开发遗留的废弃矿区，潜在有毒元素（Potentially Toxic Elements, PTEs）如锑(Sb)、铅(Pb)、锌(Zn)等通过尾矿长期释放，导致土壤生态功能退化、微生物群落失衡和植被覆盖丧失。尽管短期实验室研究表明有机改良剂（如城市固体废弃物堆肥MSWC）可降低PTEs生物有效性，但其长期田间效应仍是未知领域。意大利撒丁岛的前Argentiera银铅锌矿区正是这类典型污染场地，其土壤中Sb(416 mg·kg^?1)、Pb(2653 mg·kg^?1)和Zn(7666 mg·kg^?1)含量远超法定限值，亟需探索可持续修复策略。

针对这一科学问题，来自意大利萨萨里大学等机构的研究团队开展了为期6年的田间试验，系统评估不同MSWC添加量（0%、1.5%、3.0%、4.5% w/w）对PTEs污染土壤的生物化学功能、微生物群落结构和植物多样性的长期影响。研究发现MSWC通过多重机制实现土壤生态功能的持久恢复，相关成果发表在《Applied Soil Ecology》上，为矿区生态修复提供了重要实践依据。

研究采用的关键技术包括：1) 基于16S rRNA基因V4-V5区的扩增子测序分析细菌群落结构；2) 土壤酶活性检测（脱氢酶、β-葡萄糖苷酶和脲酶）；3) 微生物基础呼吸测定；4) 植物群落调查采用点样方法定量分析；5) 非度量多维尺度分析(NMDS)和PERMANOVA统计方法评估组间差异。

3.1 土壤呼吸与生化活性
MSWC处理显著提升土壤生物活性，其中4.5%添加量(T3)使微生物呼吸增加408%，脱氢酶、β-葡萄糖苷酶和脲酶活性分别提高12.5倍、11.2倍和3.5倍。这种效应归因于MSWC增加土壤有机质(OM)、溶解性有机碳(DOC)和养分含量，同时通过形成PTEs-有机复合物降低Sb、Pb等元素的生物有效性（如Sb水溶态降低45%）。

3.2 细菌群落结构变化
PCoA分析显示MSWC处理显著改变细菌群落组成（P<0.01），Shannon指数随添加量递增（T0=5130 ASVs vs T3=8464 ASVs）。标志性菌群分析揭示：未改良土壤以耐PTEs的钩端螺旋菌目(Leptospirillales)和硝化螺菌门(Nitrospirota)为主；而改良土壤中，1.5%MSWC处理富集广适性的芽单胞菌门(Gemmatimonadota)，4.5%处理则特异性增加捕食性细菌Bdellovibrionota，其丰度与土壤pH升高(7.23)和Sb有效性降低显著相关。

3.3 植物群落重建
56种植物在试验区被记录，其中61%为适应地中海气候的一年生植物（短命植物）。NMDS分析显示MSWC处理显著改变植物组成（Pperm=0.012），促进多年生耐PTE物种如黄苜蓿(Lotus cytisoides)和意大利蜡菊(Helichrysum italicum)的建植，使裸地比例从45%降至<15%。SIMPER分析识别出5个关键物种，其中MSWC使L. cytisoides覆盖率提升3倍，而盐生植物Frankenia hirsuta因竞争劣势减少。

这项历时6年的研究证实，单次施用MSWC可通过"有机质补充-微生物激活-植被重建"的级联效应，持久改善PTEs污染土壤的生态功能。其科学价值体现在：1) 首次证实MSWC的长期（>5年）修复有效性；2) 揭示Bdellovibrionota等特殊菌群作为Sb污染修复的生物标志物潜力；3) 筛选出L. cytisoides等适生植物用于矿区植被恢复。该成果为发展"以废治废"的循环经济型土壤修复技术提供了关键证据，但作者也指出需在不同气候带和污染类型场地开展验证研究，以评估该技术的普适性。