《Environmental Pollution》：Toxic Element Contamination from Tailings Dam Failure Disrupts Seedling Emergence Dynamics and Soil Seed Bank Resilience in Riparian Ecosystems
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本研究评估了2019年Brumadinho尾矿溃坝对巴西Paraopeba河流域土壤种子库韧性的长期影响。通过202天的种子萌发实验和地化学分析，发现受污染土壤中Fe、Sb、Cr、Ni、Mn等潜在有毒元素浓度显著升高，导致种子萌发数量（NES）减少，发芽速度指数（EVI）和平均萌发时间（MET）延迟，表明重金属毒性抑制了生态恢复，强调需针对性修复策略。
Maíra Rodrigues da Silva | Jerusa Schneider | Jefferson de Lima Pican?o
坎皮纳斯大学地球科学研究所地质与自然资源系，巴西圣保罗州坎皮纳斯市13083-855
摘要
涉及释放富含潜在有毒元素（PTEs）的尾矿的环境灾难对河岸生态系统的生态完整性和恢复能力构成了重大威胁。本研究旨在评估大坝坍塌对土壤种子库恢复力的长期影响，重点关注幼苗出土动态及其与土壤化学性质之间的关系。在受影响区域和未受影响的参考区域进行了为期202天的种子库出土实验。结果表明，受尾矿影响的区域出土幼苗的数量明显减少。关键指标如出土速度指数（EVI）和平均出土时间（MET）显示，受污染土壤中的发芽过程延迟且不那么同步。地球化学分析显示，受影响土壤中特定有毒元素（Fe、Sb、Cr、Ni和Mn）的浓度显著升高，尤其是在距离破裂点最近的区域。相关性分析和主成分分析（PCA）表明，Fe、Sb、Cr、Ni和Mn浓度的升高与幼苗出土受阻之间存在强烈关联，表现为MET延长、EVI降低和NES减少。这些发现突显了金属毒性在延缓发芽和限制幼苗建立过程中的关键作用。受污染区域土壤种子库恢复力的下降凸显了制定有针对性的修复策略和基于生态系统的恢复干预措施的紧迫性，以重建生态功能并确保河岸生物多样性的长期恢复。
引言
土壤种子库是陆地生态系统的重要组成部分，在人类活动干扰后对植物群落动态起着至关重要的作用（Lennon等人，2021；Lou等人，2023；Li等人，2025）。种子库的形成和发展受到多种因素的影响，包括地上植被、化学元素浓度、土壤物理化学条件以及捕食者和病原体的存在（Ali等人，2015；Mahé等人，2020；Li等人，2022）。
生态恢复力是指生态系统从干扰中恢复的能力，通常在最近被改造的景观中比长期改变的区域更高（Arroyo-Rodríguez等人，2017）。河岸带作为陆地和水生生态系统之间的过渡区，对于维持环境质量并提供各种生态系统服务至关重要（Cole等人，2020；Riis等人，2020）。
河岸土壤及其周边环境受到潜在有毒元素（PTEs）的污染是一个严重的全球环境问题，因为这些元素会持续存在并对生态系统和公共健康构成重大风险（Wang等人，2015；Pecina等人，2020；ATSDR，2022；Hou等人，2025）。土壤的整体化学组成和肥力是决定这些污染物对植物生理和发育的生物可利用性和最终毒性的关键因素（Bauddh和Singh，2015；Novak等人，2021）。
2019年Brumadinho尾矿坝坍塌等灾难性事件导致大量含有PTEs（包括铅（Pb）、镉（Cd）和砷（As）的尾矿急性释放（Thompson等人，2020；Vergilio等人，2020；Arcadis，2020；CPRM，2019）。这些尾矿进入Paraopeba河流域的河岸带后，直接影响了土壤、水和沉积物的质量，危及当地生态系统的健康（Wang等人，2015；Pecina等人，2020；Bolyd等人，2021；AEDAS，2020；Silva等人，2021；Mota等人，2022；Pereira等人，2024）。这些广泛的影响凸显了受灾地区迫切需要采取环境恢复措施。
这一急性事件最严重的影响之一是破坏了土壤种子库，而土壤种子库对自然生态系统再生至关重要。土壤中PTEs的存在会降低种子活力，改变物种组成，并损害生态系统的自然恢复能力（Luo等人，2023）。以往的研究主要集中在慢性重金属污染及其对土壤种子库的长期影响上（例如，Li等人，2025），强调了持续污染如何逐渐改变种子活力和植被恢复潜力。
相比之下，像Brumadinho尾矿坝坍塌这样的急性污染事件代表了突然的大规模干扰，对河岸生态系统产生了即时且严重的冲击。这一区别凸显了我们研究的新颖性，我们研究了突发性的PTEs输入如何破坏幼苗出土动态，体现在出土幼苗数量（NES）、出土速度指数（EVI）和平均出土时间（MET）上，并在灾后情景下影响土壤种子库的恢复力。然而，尽管认识到了这些威胁，但关于PTEs污染如何具体影响受影响河岸土壤种子库中的关键幼苗出土参数（如总体出土数量、速度和平均出土时间）的详细了解仍然是一个重要的知识空白。填补这一空白对于预测自然恢复潜力并指导有效的恢复工作至关重要。
土壤种子库分析为自然再生过程提供了宝贵的见解，揭示了生态系统在受到干扰后的恢复能力（Calegari等人，2013）。在之前对该受影响区域的评估基础上（Parente等人，2021），本研究通过分析一个严重受影响的河岸区域的幼苗出土动态，与一个未受影响的参考区域进行了对比，评估了PTE污染对种子库恢复力的长期影响。我们假设土壤中的有毒元素会不利地影响发芽率和幼苗发育模式，导致受污染区域的总体出土数量减少、出土速度变慢以及平均出土时间延长。此外，我们预计受污染土壤的独特化学性质会与改变的幼苗出土动态相关。
这项研究加深了对受人类活动强烈影响的地区自然再生机制的理解，为支持恢复策略和生物多样性保护工作提供了定量证据。这些发现为全球受有毒污染影响的河岸系统的恢复策略提供了可扩展的生态框架。
研究区域
研究区域
2022年3月，在一个采矿尾矿坝坍塌地点下游以及与主要支流Ferro Carv?o溪流汇合处进行了种子库采样。采样点包括：采样点1（P1）、采样点2（P2）、采样点3A（P3A）和采样点3B（P3B）。P3A位于最接近破裂点的位置；P1、P2和P3B位于受影响区域的下游。一个上游采样点（P4）作为未受影响的参考区域。
受影响和参考河岸区域的幼苗出土动态
在202天的实验期间，不同采样点的幼苗出土情况存在显著差异（图2；补充表1）。方差分析（ANOVA）结果证实，在所有时间点上，不同处理组之间的出土幼苗数量（NES）存在显著差异（p < 0.01），F5,12的范围从7.28（第45天）到313.7（第180天）（补充表1）。
位于未受影响的河岸森林中的P4点始终表现出最高的NES值，达到每天64 ± 4.0株幼苗/平方米（平均值±标准差）。
尾矿坝坍塌对土壤种子库和生态恢复的影响
2019年的尾矿坝坍塌在受影响的河流流域引发了一场前所未有的环境危机，释放了大量含有PTEs（包括Pb、Cd和As）的尾矿（Thompson等人，2020；Vergilio等人，2020；Arcadis，2020；CPRM，2019）。这些尾矿进入河岸带后，严重降低了土壤、水和沉积物的质量，从而损害了生态系统的健康和当地社区的福祉（Wang等人，2015；Pecina等人，
结论
尾矿坝坍塌严重损害了土壤质量和幼苗出土动态，限制了受影响河岸区域的自然恢复能力。恢复情况参差不齐，未受影响的森林表现出更强的恢复力，这突显了自然残余部分的生态重要性。土壤中的PTEs污染不仅对植被构成风险，也对生态系统功能和公共健康构成威胁，进一步强调了修复工作的紧迫性。
我们的研究结果强调了三个关键要点：
CRediT作者贡献声明
Jefferson de Lima Pican?o：撰写——审稿与编辑、验证、资源管理、项目协调、资金获取、数据分析。Jerusa Schneider：撰写——审稿与编辑、验证、监督、方法论设计、调查、数据分析、概念构建。Maíra Rodrigues da Silva：撰写——初稿撰写、数据可视化、方法论设计、调查、数据分析、数据管理
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者衷心感谢坎皮纳斯州立大学（UNICAMP）的教学、研究和推广支持基金（FAEPEX）以及高等教育人员培训协调委员会（CAPES）的财政支持。同时，也感谢地球科学研究所（IG）提供的车辆后勤支持。特别感谢UNICAMP研究副院长办公室（Pró-Reitoria de Pesquisa）提供的语言服务。
