生物资源改良促进富铵稀土尾矿的早期矿化和硝化恢复

《Bioresource Technology》：Bioresource amendment promotes early mineralization and nitrification recovery in ammonium-rich rare earth tailings

　　

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  有机改良剂促进了稀土尾矿中硝化作用的恢复。
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  早期矿化先于氨氧化的重新激活。
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  功能耦合将底物周转与硝化恢复联系起来。
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  amoABC和hao仅在OM处理中被检测到，且古菌和细菌amoA丰度更高。

引言

稀土元素（REEs）是清洁能源、电子和国防技术的基础，中国南方的离子吸附型黏土矿床供应了全球90%以上的重稀土（X. Liu等，2022）。这些矿床通常采用基于铵盐浸出液的原位浸出法开采，其中NH₄⁺与黏土吸附的REE³⁺进行交换（Ou等，2023）。硫酸铵因其低成本和有效浸出而被广泛使用，据报道风化壳型矿石的稀土总提取率可达80%，最高值达84.12%（Ou等，2022）。然而，原位浸出后尾矿土壤可残留高达899 mg kg^?1的NH₄⁺-N（C. Liu等，2022）。即使采用钙黄腐酸盐淋洗，也只能去除表层土壤中部分残余的NH₄⁺-N（M. Wang等，2023b），而深层土壤中的NH₄⁺-N仍可达196.40 mg kg^?1，对地下水构成威胁（Ou等，2023；M. Wang等，2023b）。这种残余氮负荷以及持续淋洗还会酸化表层土壤，制约植被恢复，延缓生态恢复进程（Ou等，2023）。随着对氨氮的监管日趋严格以及矿区水和土壤累积负荷的增加，硫酸镁的应用日益增多（Xiao等，2018）。然而，硫酸镁会降低浸出效率并增加尾水中的镁负荷，从而增加盐度和永久硬度（Tolonen等，2015）。因此，去除残余NH₄⁺-N仍然是平衡铵盐浸出效率与稀土矿区生态恢复的主要障碍。

畜禽粪便在农业中被广泛应用，因为它能提供活性有机碳和氮、调节土壤酸度、增加阳离子交换量（CEC），并改善持水性和土壤结构（Pan等，2025）。其碱性及分解过程中产生的酸中和作用也可能缓解硝化作用的酸性限制（Lin等，2025）。农业土壤中的研究报告表明，施用粪肥后硝化速率提高、amoA丰度增加、NH₄⁺周转加快，尽管这些响应因施用量、C/N比、水分和通气条件而异（Cheng等，2025；Wang等，2023c）。除了直接提供养分外，堆肥粪便还能提供有利于微生物氮转化的条件。在稀土尾矿土壤中是否发生相同响应尚不确定。残余NH₄⁺-N仍然偏高、低pH值、有机质耗竭以及受扰动的微生物群落都可能限制氮循环。尽管这些土壤中持续存在硫酸铵残留和低pH值，粪肥在促进NH₄⁺-N去除方面的能力鲜有评估。

针对富铵酸性土壤的研究已记录了微生物组成和氮循环能力的显著变化（Liu等，2021）。在施用尿素的酸性稻田中，硝酸盐产生以自养氨氧化为主。氨氧化菌保持活性，但其组成与中性土壤不同，且完全氨氧化贡献甚微（Gao等，2024）。土壤pH强烈调节硝化作用以及氨氧化古菌和细菌的相对优势，硝化作用通常随pH升高至中性而增强（Wang等，2019）。CaCO₃通常逐渐提高土壤pH，其效果往往仅停留在表层（Conyers等，2003；Liao等，2021；M. Wang等，2023a）。CaO可迅速提高土壤pH，但相关的pH升高可能显著增强NH₃挥发，每升高0.1个pH单位损失约3.3 kg N ha^?1（Smith等，2009）。MgO水合生成氢氧化镁，在含Al/CO₂的土壤中可形成类水滑石相，提供更强的缓冲能力；有报道称应用后土壤pH从约5.3提高至10.3（M. Wang等，2023a）。在稀土矿区土壤中，MgO/Mg(OH)₂释放的温和OH^–已被证明可缓解对硝化微生物的抑制并促进硝化（M. Wang等，2023b）。

在有机废弃物的短期培养中，总氮矿化在第16天内达到峰值，随后下降（Quan等，2016）。一项为期12年的田间研究报告表明，参与氮循环的微生物群落及氮循环基因存在明显差异，同时gdhA和hao与植物更高的氮吸收量和氮利用效率相关联（Li等，2025）。因此，底物供给的时机及其与微生物功能的相互作用可能会塑造硝化轨迹。对于稀土尾矿土壤而言，关键问题不仅是NH₄⁺-N是否被去除，而是底物周转、氨氧化菌变化及局部土壤条件是否以允许氨氧化重启的方式发展。为解决这些空白，本研究围绕三个关键科学问题展开：（1）粪肥改良能否加速矿区尾矿土壤中的氨氧化？（2）粪肥改良下，哪些底物供给、土壤条件和微生物通路的变化与硝化恢复相关？（3）哪些微生物功能和环境因子与可提取NH₄⁺-N的下降相关？

本研究结合时序采样与多种分析方法来解决上述问题。首先，采用分阶段采样的对照处理设计，跟踪各处理随时间的变化。其次，表征粪肥组成和关键土壤性质，提供理化背景。第三，利用qPCR和鸟枪法宏基因组学追踪氨氧化菌动态及与氮循环相关的更广泛功能变化。最后，采用多元统计和结构方程模型（SEM）考察底物供给、微生物功能、土壤环境条件和实测氮库之间的关联。综合以上分析，刻画了稀土尾矿土壤在OM处理下实测氮库、底物周转和微生物功能的变化。

章节摘要

土壤采集与改良

土壤采集自中国福建省长汀县何田一处废弃的离子吸附型稀土矿尾矿场（25°52′10″-25°52′45″ N；116°45′05″-116°45′50″ E）。2019年10月开始原位浸出，采样在闭矿两年后进行。采集0至20 cm表层土壤，风干后过2 mm筛。理化性质见表1。所采峰值土壤在闭矿后经历了强烈淋溶，留下了

粪肥施用加速铵氧化

与CK和MgO相比，粪肥改良显著减少了土壤中可提取NH₄⁺-N（图1A）。在CK和MgO中，NH₄⁺-N在整个培养期间始终维持在约270–290 mg kg^?1的高水平。在OM处理中，NH₄⁺-N在前7天保持稳定，随后在第84天相对于初始培养值下降了88.3%，表现为可提取NH₄⁺-N的表观净减少。仅OM处理显示出明显的氧化态无机氮积累（图1B）。NO₃^–-N在第42天增加了3.40倍，

粪肥激活硝化作用并驱动稀土尾矿土壤中的铵减少

在酸性土壤中，低pH通常通过限制氨的可用性和氨氧化菌的建立来制约硝化作用（Wang等，2019）。在本稀土尾矿土壤中，OM处理在7天后进入活跃硝化阶段，而MgO处理尽管提高了pH，但基本未发生变化且未能启动硝化（图1A）。氨氧化的起始步骤是主要瓶颈（Lan等，2013）。与此一致，氨氧化标志物（amoABC和hao）在

结论

本研究证明，粪肥作为生物资源改良剂，促进了富铵稀土尾矿土壤中可提取NH₄⁺-N的表观净减少，在84天内相对于初始培养值实现了88.3%的降幅。粪肥改良下参与硝化作用的功能得到恢复，表现为检测到amoABC和hao，以及古菌和细菌amoA的增加。在培养早期，粪肥促进了表观净氮矿化，使

CRediT作者贡献声明

罗云潇：撰写 – 初稿，方法学，调查研究，数据整理。林永新：方法学，调查研究。陈治标：资金获取，数据整理。林加江：撰写 – 审阅与编辑，监督指导，项目管理，资金获取。Gary Owens：撰写 – 审阅与编辑。陈祖良：撰写 – 审阅与编辑，监督指导，概念构思。

伦理声明

作者声明本研究不涉及人类或动物受试者。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

感谢福建省创新团队建设计划（Y0720409B06）和福建师范大学人才建设基金（编号：Z0210509）的资助。

罗云潇|林永新|陈治标|林加江|Gary Owens|陈祖良