废弃矿区生态修复新策略：基于SWAT模型的柳枝稷种植对水文及水质改善效应评估

推荐：本研究针对美国50万处废弃矿区(AMLs)引发的环境与健康风险，创新性地采用土壤和水评估工具(SWAT)模型，评估柳枝稷(Panicum virgatum)作为生物能源作物在AMLs修复中的综合效益。结果表明，10%流域面积种植柳枝稷可使总悬浮固体(TSS)减少18.1%，总氮(TN)和总磷(TP)分别降低7.6%和6.2%，同时实现8.62-9.16吨/公顷的生物量产出，为矿区生态修复与清洁能源开发提供科学依据。

　　

在美国阿巴拉契亚地区，数十万公顷的废弃矿区(AMLs)像大地上的伤疤，不仅造成景观破坏，更持续释放重金属和酸性矿山排水(AMD)，威胁着数百万周边居民的健康。这些土地因土壤贫瘠、酸性强等特性，传统植被恢复成本高达每公顷24.7万美元，且生态效益有限。面对这一环境治理难题，俄亥俄州立大学(The Ohio State University)食品、农业与生物工程系的研究团队独辟蹊径，将生物能源作物柳枝稷引入矿区修复，通过先进的流域建模技术，首次系统评估了这种"生态-能源"双赢策略的科学可行性。

研究团队采用经过严格校准的土壤和水评估工具(SWAT)模型，对马斯金格姆河流域(MRB)20,855平方公里范围内的AMLs进行系统分析。模型整合了2022年ESA Sentinel-2遥感数据、网格气象数据(gridMET)和数字高程模型(DEM)，创建了12,083个水文响应单元(HRUs)。通过SUFI-2算法进行多站点校准验证，确保模型在模拟流量(Q)、总悬浮固体(TSS)、总氮(TN)和总磷(TP)方面的可靠性。研究设计了8种柳枝稷种植情景(S1-S8)，从单纯AMLs修复到整合低产农田的规模化种植，系统评估了不同方案的环境效益。

研究结果显示，柳枝稷在贫瘠的AMLs上展现出惊人的适应力。即使在未施肥条件下，平均生物量仍达8.62-9.16吨/公顷，与中西部肥沃农田的产量相当。当种植面积扩展至流域10%时(S8)，环境改善效应尤为显著：年径流量减少3.1%，TSS负荷降低18.1%，TN和TP输出分别下降7.6%和6.2%。这种改善主要归功于柳枝稷发达的根系系统——其根深可达3米，能有效固定土壤颗粒、吸收溶解性养分。研究还发现，柳枝稷与废弃煤矸石混燃可降低燃料灰分含量，使传统认为的"废弃物"转化为可用能源。

这项发表在《Agricultural Water Management》的研究具有多重创新价值：首次在流域尺度量化了柳枝稷对AMLs修复的水文影响；建立了整合遥感与水文模型的评估框架；提出了"修复-生产"协同的新型矿区治理范式。尽管当前模型在模拟多年生草本植物生长过程存在局限，但研究成果为政策制定者提供了科学依据——将AMLs修复纳入生物能源发展战略，不仅能改善生态环境，还可创造每年16-190万吨的生物质能源潜力，加速碳中和目标的实现。该研究也为全球其他矿区生态修复提供了可借鉴的技术路线，特别是在土壤退化严重的发展中国家，这种低投入、高回报的绿色修复模式更具推广价值。