《Environmental Chemistry and Ecotoxicology》：Comprehensive chemical leaching, phytoremediation, organic amendment and nitrification inhibitor enhancing tailing soil remediation and ecosystem multifunctionality
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本刊推荐：针对稀土开采导致的土壤Pb污染问题，研究团队通过整合化学淋洗（柠檬酸/EDTA-2Na）、植物修复（黑麦草）、有机改良（油茶壳）和硝化抑制剂（DCD/DMPP）技术，发现柠檬酸淋洗+油茶壳+DCD组合可显著降低有效态Pb含量15.7-18.4%，提升土壤微生物网络稳定性及生态系统多功能性，为矿区生态修复提供创新方案。
稀土元素作为推动科技发展的战略资源，其不合理的开采和挖掘已对农业生产和当地生态造成严重威胁，尤其是重金属污染问题。矿区活动显著提高了土壤铅（Pb）含量，某些堆积点土壤总Pb含量甚至高达10,400 mg·kg-1。铅作为毒性最强的金属之一，具有高生物累积潜力和持久毒性，会在植物的根、茎、叶等部位积累，严重威胁作物产量、食品安全和公共健康。因此，寻求有效的调控策略，特别是结合多种修复技术来降低土壤中总Pb和有效态Pb含量至关重要。
化学淋洗因其高效和周期短而被广泛应用于重金属污染修复，但可能显著改变土壤pH值和有机质含量，影响重金属的形态转化和生物有效性，并可能导致养分流失，对土壤肥力产生负面影响。现有研究主要集中在降低重金属总浓度，而忽视了化学淋洗对土壤肥力的影响。为了弥补这一空白，有必要将化学淋洗与植物修复相结合，在降低重金属含量的同时，提高土壤肥力，促进土壤生态功能和服务。
黑麦草（Lolium perenne L.）因其生长快、生物量高而被广泛用于重金属污染土壤的修复。油茶果壳作为一种农业废弃物，可以改善土壤碳（C）和氮（N），同时增强微生物群落结构和多样性。有机改良可能通过络合和吸附作用固定重金属，并为微生物提供碳源，从而有效改变土壤养分含量，刺激微生物活性，增强植物修复效果。土壤氮在调节植物生长和影响植物修复性能方面起着基础性作用，而土壤氮损失主要受硝化作用的影响和调节。硝化抑制剂作为一种有效技术，在农业和林业生产中越来越多地被用于提高氮利用效率和减少土壤氮损失。同时，硝化抑制剂的应用也可以改变植物对重金属的吸收。此外，微生物结构、多样性和酶活性在降低土壤有效态重金属含量方面具有重要作用，微生物生物网络稳定性和微生物功能潜力在评估土壤质量和肥力方面也具有不可或缺的作用。然而，关于化学淋洗、植物修复、有机改良和硝化抑制剂对重金属含量影响及其可能机制的研究较少，特别是在化学淋洗处理下，有机改良剂和硝化抑制剂同步进行植物修复和重金属去除的知识存在空白。
本研究从废弃铅锌矿区采集土壤样品，研磨后用EDTA-2Na和柠檬酸进行淋洗。使用黑麦草进行植物修复，并施用油茶壳和硝化抑制剂双氰胺（DCD）与3,4-二甲基吡唑磷酸盐（DMPP）分别作为有机改良剂和氮管理措施。研究旨在：（i）探讨化学淋洗是否可以通过影响土壤性质促进有机改良剂对重金属的固定；（ii）评估有机改良剂和氮管理对黑麦草生长、重金属Pb含量和土壤生态系统多功能性的辅助效应；（iii）阐明化学淋洗、黑麦草植物修复、有机改良和氮管理下土壤性质、微生物与Pb生物有效性之间的耦合机制。
为开展本研究，研究人员采用了多种关键技术方法。首先，从废弃铅锌矿区采集土壤样本并进行预处理。研究设计了四种化学淋洗处理（双蒸水、EDTA-2Na、柠檬酸以及EDTA-2Na+柠檬酸混合淋洗）和五种修复处理（空白对照、黑麦草修复、黑麦草+油茶壳、黑麦草+油茶壳+DCD、黑麦草+油茶壳+DMPP），共20个处理组合。通过原子吸收光谱法系统测定了土壤中不同形态（总Pb、有效态Pb、酸提取态Pb、可还原态Pb、可氧化态Pb、残渣态Pb）的Pb含量以及植物体内的Pb含量。同时，分析了土壤理化性质（如pH、总N、P、K、NH4+-N、NO3--N、溶解性有机碳等）和酶活性（β-葡萄糖苷酶、脲酶等）。采用高通量测序技术（Illumina Miseq平台）对土壤细菌群落进行测序，分析了微生物群落结构、多样性、共现网络拓扑特征及功能基因预测（PICRUSt2）。并综合多项指标计算了土壤生态系统多功能性指数，运用统计方法（如方差分析、Pearson相关、路径分析）揭示了各因素间的相互关系。
3.1. 黑麦草生长和Pb植物提取
研究发现，在黑麦草未能存活的EDTA-2Na和EDTA-2Na+柠檬酸淋洗组中，未见黑麦草生长或Pb植物提取的迹象。在柠檬酸淋洗组中，RS、RSDC和RSDM处理的黑麦草株高（分别为22.3、22.0和20.3 cm）显著高于RP处理（11.5±0.5 cm），增幅分别达93.9%、91.3%和76.5%。在双蒸水淋洗组中，RSDM处理的Pb植物提取量（266±123 kg hm-2）显著高于PR处理（101±10 kg hm-2），增幅达163.4%；在柠檬酸淋洗组中，RSDM处理的Pb植物提取量（134±29 kg hm-2）是PR处理（65±14 kg hm-2）的2.06倍。
3.2. 土壤不同Pb含量
相对于CK处理，在双蒸水和柠檬酸淋洗组中，RP、RS、RSDC和RSDM处理的土壤总Pb含量显著下降。在柠檬酸淋洗组中，RS、RSDC和RSDM处理的土壤有效态Pb含量显著低于CK处理（49±5 mg kg-1），降幅分别为15.7%、17.5%和18.4%。在四个淋洗组中，RS、RSDC和RSDM处理的土壤酸提取态Pb含量均显著低于CK处理。然而，在双蒸水和柠檬酸淋洗组中，RS、RSDC和RSDM处理的土壤可还原态和可氧化态Pb含量显著高于CK处理。在双蒸水、柠檬酸和EDTA-2Na淋洗组中，其他四个处理的土壤残渣态Pb含量显著高于CK处理。
3.3. 土壤理化性质、酶活性和多功能性
重要的是，在所有四个淋洗组中，RSDM处理的土壤pH值和总N含量均显著高于CK和RP处理。四个淋洗组中CK处理的土壤NH4+-N含量显著低于RS、RSDC和RSDM处理。在EDTA-2Na和柠檬酸淋洗组中，CK处理的溶解性有机碳含量显著低于RS、RSDC和RSDM处理。在双蒸水淋洗组中，RS、RSDC和RSDM处理的土壤蔗糖酶活性低于CK处理（112±7 mg kg-1h-1）。CK和RP处理的土壤β-葡萄糖苷酶和脲酶活性显著低于其他三个处理。显著的是，与柠檬酸淋洗组中CK的多功能性值（0.27±0.01）相比，RS、RSDC和RSDM处理的土壤多功能性分别显著提高了115%、130%和141%。
3.4. 土壤细菌群落
在双蒸水淋洗组中，RS、RSDC和RSDM处理的土壤变形菌门（Proteobacteria）比例分别是CK处理（0.29±0.06）的2.13、2.14和2.45倍。同时，在四个淋洗组中，RS、RSDC和RSDM处理的土壤厚壁菌门（Firmicute）比例显著高于CK处理。在EDTA-2Na、柠檬酸和柠檬酸-EDTA-2Na淋洗组中，RS、RSDC和RSDM处理的土壤细菌香农多样性指数显著提高。在EDTA-2Na+柠檬酸淋洗组中，RP、RS、RSDC和RSDM处理的细菌ACE丰富度估计值是CK处理（495±192）的2.11、1.86、1.82和2.01倍。在柠檬酸和EDTA-2Na+柠檬酸淋洗组中，RP处理的生物群落α多样性显著高于CK处理。在四个淋洗组中，RS、RSDC和RSDM处理的生物群落β多样性显著低于CK和PR处理。
3.5. 土壤细菌群落共现网络和功能基因
显然，四个淋洗组的土壤细菌群落共现网络如图所示。值得注意的是，与柠檬酸淋洗组中CK的值（120±20）相比，RP、RS、RSDC和RSDM处理的共现网络节点数分别显著提高了23.3%、28.3%、35.0%和29.2%。在EDTA-2Na+柠檬酸淋洗组中，RP、RS、RSDC和RSDM处理的共现网络边数分别是CK（1288±360）的2.36、2.84、2.86和2.85倍。同时，在柠檬酸和EDTA-2Na+柠檬酸淋洗组中，RP、RS、RSDC和RSDM处理的生物群落网络稳定性显著高于CK处理。
在双蒸水、EDTA-2Na和柠檬酸淋洗组中，RS、RSDC和RSDM处理的碳循环sdhB和sdhC基因比例低于CK处理。在双蒸水淋洗组中，RS、RSDC和RSDM处理的氮循环ureA、ureC和nirD基因比例高于CK和RP处理。在EDTA-2Na淋洗组中，RS、RSDC和RSDM处理的磷循环pstC和pstB基因以及硫循环sat基因的相对丰度显著高于CK处理。在EDTA-2Na淋洗组中，RS和RSDM处理的土壤细菌功能潜力高于CK（-0.33±0.11）处理。
3.6. 所有指标的关系
在双蒸水和EDTA-2Na淋洗组中，土壤pH、溶解性有机碳、多功能性以及厚壁菌门（Firmicute）和疣微菌门（Verrucomicrobiota）的相对丰度与土壤有效态Pb含量呈负相关。在柠檬酸淋洗组中，土壤pH（-0.85）、NH4+-N（-0.86）、蔗糖酶（-0.63）、β-葡萄糖苷酶（-0.82）、多功能性（-0.88）、香农多样性指数（-0.80）和厚壁菌门（-0.73）与土壤有效态Pb含量呈显著负相关。
生物群落α多样性与EDTA-2Na+柠檬酸淋洗组中的土壤β-葡萄糖苷酶（0.519）和脲酶（0.522）呈显著正相关，生物群落β多样性在四个淋洗组中与土壤pH、NH4+-N、β-葡萄糖苷酶和脲酶活性呈显著正相关。在柠檬酸淋洗组中，生物群落网络稳定性与土壤pH（0.596）、NH4+-N（0.643）、溶解性有机碳（0.553）、蔗糖酶（0.552）、β-葡萄糖苷酶（0.626）和脲酶（0.541）呈显著正相关。在EDTA-2Na淋洗组中，土壤细菌功能潜力与土壤pH（0.532）、NH4+-N（0.601）、溶解性有机碳（0.560）、β-葡萄糖苷酶（0.639）和脲酶（0.554）呈显著正相关。
路径分析（χ2 = 2.080, df = 1, P = 0.149）表明，土壤理化性质（-0.636）和生物群落网络稳定性（-0.547）对有效态Pb含量有显著的负向影响，这意味着增强土壤理化性质和生物群落网络稳定性可以降低土壤有效态Pb含量。
本研究通过综合分析表明，考虑到重金属去除与修复植物生长之间的关键权衡，柠檬酸是从尾矿土壤中提取Pb的最佳淋洗剂。油茶壳和硝化抑制剂的添加显著促进了双蒸水和柠檬酸淋洗组中黑麦草的生长。尽管黑麦草在EDTA-2Na和EDTA-2Na+柠檬酸淋洗组中未能存活，但油茶壳和硝化抑制剂的联合添加显著提高了土壤细菌群落的香农多样性指数和网络稳定性。黑麦草、油茶壳和硝化抑制剂的共存显著降低了柠檬酸淋洗组中的土壤有效态Pb含量，同时提高了生物群落网络稳定性。这是通过促进土壤pH、脲酶、β-葡萄糖苷酶、微生物群落多样性以及厚壁菌门（Firmicute）和放线菌门（Actinobacteriota）的相对丰度等多种土壤参数实现的，同时还增强了土壤多功能性。研究发现，柠檬酸淋洗+黑麦草植物修复+有机油茶壳+DCD的组合是刺激修复植物生长、降低重金属风险和提高生态系统多功能性的最佳有效措施。因此，这项研究为酸淋洗、黑麦草植物修复、有机油茶壳和硝化抑制剂在废弃尾矿土壤中的功能和相互作用机制提供了新的见解，对矿区生态修复实践具有重要的指导意义。该研究发表于《Environmental Chemistry and Ecotoxicology》。
