利用苔藓（Ceratodon purpureus）促进采矿污染岩地树木建植的生态恢复策略研究

本文创新性地提出基于自然演替原理的生态恢复策略，通过移植耐金属苔藓（Ceratodon purpureus）垫层改善采矿污染岩地微环境，显著提升杰克松（Pinus banksiana）幼苗建植率（12% vs 对照4%），为重金属污染地区（Cu/Pb/Cd）植被重建提供了低成本、可持续的生物修复（Bioremediation）方案。

　　

引言

采矿活动导致生态系统退化，形成金属污染荒地。岩溶露头等资源贫乏生态系统对采矿退化更为敏感，其自然再生因土壤侵蚀、资源缺乏和土壤酸化而面临挑战。冶炼厂排放大量重金属（如铜、铅、镉）在周边土壤中积累，并通过二氧化硫排放导致土壤酸化，增加金属生物有效性和毒性。传统干预方法如土壤移植和大规模植树成本高昂，而被动恢复通过保护天然幼苗或小范围播种可能更有效地恢复生物多样性。

自然演替知识可为退化土地恢复提供指导。寒冷气候下的重新 colonization 第一阶段通常涉及地衣和苔藓垫层的建立。苔藓层通过创造微地形和微气候条件保持水分、减少温度变化，起到种子苗圃的作用。在重金属污染背景下，某些苔藓物种如紫色角齿藓（Ceratodon purpureus）是有效的植物提取物，能够抵抗和积累金属。因此，苔藓可能启动退化生态系统的恢复。

方法

研究区域位于加拿大魁北克鲁安-诺兰达地区的加拿大盾构区，以浅层土壤和众多天然岩溶露头为特征。这些露头自然支持森林，杰克松和纸皮桦是丰富的早期演替树种，东方白柏是晚期演替优势树种，绿桤木通过固氮可能改善土壤肥力。

霍恩冶炼厂 associated 附近的铜矿从1927年运营至1976年，导致周边岩溶露头森林退化和再生失败。研究选择五个基岩或英安岩露头，三个靠近冶炼厂（≤3公里），两个较远（>20公里），沿西-东轴考虑西风带污染物传输影响。站点周围环境各异，三个被森林包围。

2022年夏季建立60个实验单元，每个1平方米，填充3厘米沙层平整基质。三种处理随机分配：苔藓处理使用从无污染地区采集的C. purpureus垫层；对照处理使用当地土壤；石灰处理使用当地土壤混合200克白云石石灰。2022年7月底播种四种树种各100粒种子/平方米。2022年9月初计数发芽种子，2023年8月初计数建成幼苗。

土壤测量包括pH、阳离子交换容量（CEC）、碳氮比（C/N）和金属含量（铜、铅、镉）。植被样品分析金属含量。额外测量风力和太阳辐射 exposure。统计分析使用广义线性混合模型，因只有杰克松建成数量足够分析。

结果

土壤金属浓度显示，靠近冶炼厂的两个站点（CS和CC）铜铅浓度高达其他站点的200倍（铜787和1394毫克/千克，铅281和743毫克/千克）。这些站点也更暴露于风力， due to 缺乏附近森林覆盖。植被中金属浓度在靠近站点更高，苔藓层金属浓度比草本和灌木层高46倍。

土壤理化特性证实，被森林包围的站点碳氮比更高，高金属含量土壤CEC更高。森林包围的实验单元太阳辐射暴露较低。所有处理增加土壤pH，石灰处理增加最大（达2.5），苔藓处理居中。

杰克松建立最有效，2022年发芽1655粒，2023年建成431株幼苗。其他物种建立极少。平均靠近站点建成3.4株/单元， distant 站点12.9株/单元。苔藓处理 yield 更多发芽种子和建成幼苗，存活率36.5%高于其他处理（19.2%和18.2%）。但苔藓处理 positive effect 因站点特征而异。

统计模型显示，包含风力暴露的模型最佳（边际伪r²=0.59），包含铜浓度的模型最差。苔藓处理建成成功率高于石灰和对照，风力暴露减少幼苗建立。模型预测显示苔藓处理 positive effect，但风力暴露在较高（>3米/秒）风速下掩盖此效应。预期建成幼苗数在零风速下分别为苔藓38株、石灰15株、对照9株。

讨论

苔藓处理在低风速条件下对杰克松建立有 positive effect。苔藓保持水分可能对高太阳暴露站点关键。2023年冬末观察到对照和石灰处理单元有冰针，苔藓处理无，保护作用可能贡献建立成功。苔藓处理增加基质pH也可能 benefit 幼苗，但非唯一解释因石灰处理增加pH更多。苔藓处理是低影响、成本效益高的恢复选项， inspired by 自然演替，可用于 reintroduce 小植被斑块 native tree species，促进自然演替、再生和生物多样性。

风力暴露 negative impact 可能因强风损伤植物。粉尘磨损损伤种子和成年植物，高风力暴露引起水分胁迫减少植物生长和生产力。这些影响可能是其他三种物种建立成功有限的主因。杰克松因快速根发育和气孔行为在荒地表层可能优于其他物种。种子可能被风吹出实验单元。风力测量显示与露头荒地表面积相关，附近森林覆盖的风保护在恢复背景下可能相关。

未能确认重金属污染对恢复成功的 negative impact，可能因风力暴露在短时间尺度掩盖此效应。风力暴露对种子和幼苗有立即影响，金属暴露是累积过程取决于时间可用性和数量。靠近站点金属浓度可能达到毒性水平，铜浓度与萨德伯里类似， negative impact 已证实。铅对植物根影响出现在10毫克/千克，远低于测量值。预先存在植被可能 play a role in 金属可用性，例如站点CF（森林包围）植被金属浓度高但土壤低，金属可能从土壤转移到植被。

结果限于早期树木建立阶段，苔藓处理可能长期无效。例如站点浅层土壤可能一旦树木过幼苗阶段提供不足生根 material，尤其强风下。类似研究测试苔藓草皮用于种子发芽，发现便利效应未持续过建立阶段。其他生态系统苔藓和树苗竞争 documented，表明苔藓效应可能非纯粹便利。尽管苔藓积累重金属潜力，是否显著减少其可用性和毒性在重度污染站点长期 unclear。需要长期研究苔藓处理，关注风力暴露、重金属浓度和污染物吸收 interplay。