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工程中心在在重金属复合污染的生态修复上取得新进展
2024/01/03 16:21:37 发布人:管理员

亮点
•    施用修复剂十年后,土壤微生物群落和细菌α多样性发生了显著变化。
•    磷灰石和石灰改良土壤下的微生物网络由稀有类群主导。
•    土壤多功能性是由土壤pH值和微生物网络稳健性共同驱动的。
•    磷灰石的施用特别是其剂量的增加可促进土壤的多功能性的提升。

研究进展

单次施用低成本的土壤重金属修复剂如石灰、凹凸棒土、磷灰石(Ap)、蒙脱石(M)目前被广泛用于农田土壤重金属污染的大面积修复中。这些修复剂主要通过如共沉淀、吸附重金属以及调节土壤物理结构和作物营养平衡等方式来实现对受污染土壤的修复和保育。但目前多数研究集中在修复剂投入初期较短时间内土壤健康指标的变化,而关于土壤修复剂长期作用性能及其生态效应的评估还存在空白。农田生态体系中,土壤环境容易受到干湿交替、大气沉降和作物类型的影响,这些生物或非生物的因素可以造成被修复剂所固定的重金属重新活化,从而降低重金属修复效率,增加修复成本和食品安全风险。因此,有必要在长期时间尺度上全面评估重金属修复剂的效能,了解其在复杂土壤环境中稳定/固定重金属的能力和生态效应。本研究利用江西贵溪因受Cd和Cu复合污染而废弃的稻田,一次性施用凹凸棒土(At)、磷灰石(Ap)、蒙脱石(M)和石灰(L)后,经自然恢复10年后,对土壤肥力、重金属风险、植物多样性及土壤微生物群落进行评估,以探究重金属修复剂的长期稳定能力及其对土壤健康的影响程度。

 
图1 摘要图

施用四种修复剂十年后,实验区域土壤仍具有较高重金属污染风险,其土壤中原生植被主要为狗尾草-海州香薷。与CK相比,四种重金属修复剂对高风险Cd(除Ap3和L3外)和低风险Cd(除M1外)含量及其比例(除At1和L1外)均无显著影响(p>0.05);而Ap、M和L(除L1外)的施用则显著增加了高风险Cu的含量,使其分别上升了102.3-123.2%、47.1-143.7%和22.0-152.1%(p<0.05)。说明使用四种修复剂十年后土壤Cd污染风险没有得到有效控制,但Ap、M和L增加了土壤Cu污染的风险,这可能是区域大气重金属沉降、土壤淋洗及修复剂、土壤微生物和植物相互作用等综合因素的结果。
 


图2一次性施用土壤重金属修复剂10年后大田中原生植物生长模式
A.仅狗尾草 B.海州香薷 C.狗尾草-海州香薷共生

 


 图3一次性施用土壤重金属修复剂10年后土壤重金属(Cd和Cu)总浓度、风险等级及其比率的差异和变化

鉴于重金属修复剂物理化学特征可能对土壤细菌和真菌存在显著影响,本研究构建了每种重金属修复剂下细菌-真菌的共现网络,并计算了其拓扑属性。结果显示,四种修复剂处理十年后土壤微生物网络鲁棒性、模块化、平均路径长度(APL)和网络大小具有较大差异(图4)。与At(0.28,1810)和M(0.27和1839)相比,Ap和L具有更高的鲁棒性(0.32和0.34)和网络大小(2788和2370),而APL和模块化指数则在At(0.48和3.56)和M(0.36和3.42)处理中较高。本研究利用zi-pi方法确定了细菌-真菌网络中的关键物种,发现在At和M处理下,关键物种具有较高丰度(>1%)。而Ap和L处理下的关键物种丰度较低(<1%)。
 


图4. 一次性施用土壤重金属修复剂10年后,微生物共现性网络模式、拓扑性质和关键类群的相对丰度的变化。

本研究评估了一次性施用土壤重金属修复剂10年后对土壤多功能(包括植物性状、生物量、植被覆盖度、土壤有机质SOM和速效养分SAN、SAP和SAK)的长期影响。结果表明,修复剂具有明确的剂量依赖性效果。较高剂量的At、Ap和L处理使土壤多功能性显著增加58%、68%和64%(p<0.05)。此外,与CK相比,Ap(除Ap1外)、L(除L2外)和At(除At3外)以及M(除M1外)处理均显著提高了土壤多功能性(p<0.05)。随机森林模型显示,pH、微生物网络稳健性和HM保留能力(高风险和低风险Cd/Cu比率)是调节土壤多功能性的关键因素(图5B)。线性模型(总R2 = 58.21%)进一步估计了这些关键因素的相对重要性,发现pH是影响最大的因素,其次是微生物网络稳健性和Cd/Cu固存能力(图5C)。因此,Ap和L可以改善土壤多功能性,这主要取决于土壤pH和微生物网络稳健性。此外,这些关键因素可用于预测土壤多功能性,预测值与实测值之间的相关系数大于0.9(p<0.01;图5D)。这表明pH、微生物网络稳健性和Cd/Cu保留能力可用于准确估计土壤多功能性。这些因素被整合到拟合良好的SEM中,以区分它们的途径和相互作用(图6)。
 


图5 .土壤改良剂一次性施用10年后土壤生态系统多功能性的响应。
A.土壤多功能性变化(柱状图中不同大小写字母表示相同土壤改良剂(包括CK)中剂量间和所有处理间的差异)。B. 基于随机森林模型,镉/铜固定能力、真菌和细菌关键类群以及网络拓扑属性对土壤多功能性变化的相对重要性(红色表示基于999次随机排列的置换检验的p<0.05显著性水平)。C. 基于CRA模型,随机森林测试对土壤多功能性产生显著影响的次要因素。D. 通过随机森林预测土壤多功能性的四个关键因素(微生物网络稳健性、pH值以及镉/铜保留能力)。

结构方程模型SEM解释了土壤多功能性变异的57.3%,并显示土壤多功能性直接受pH(0.696;P<0.01)和微生物网络稳健性(-0.301;P<0.01)调节。因此,在研究的Cd/Cu复合污染土壤中,土壤pH和微生物网络稳健性控制着土壤多功能性。
 


图6 .土壤重金属修复剂一次性施用10年后pH值、网络鲁棒性和Cd/Cu固持能力关系的结构方程模型(SEM)。

本研究基于野外大田实验揭示了土壤重金属修复剂在土壤健康和多功能性方面的长期影响,特别是碱性修复剂对土壤pH、微生物群落及其网络稳健性的长期调控效应。就改良剂类型和剂量而言,本研究发现高剂量的磷灰石和石灰对提高土壤pH值、稳健性和多功能性更有效。此外,微生物稳健性抵消了通过改良剂介导的pH值的积极影响。一些本土原生植物(如黄金狗尾草)可作为未来优化修复铜污染土壤的候选资源。此外,及时采取刈割原生植物可能是清除重金属污染土壤重金属总量的可行手段。另一方面,应当重视重金属修复作业中修复剂对地下微生物的长期影响。上述发现对于提高重金属污染农业生态系统的功能,以及在重金属污染农田的修复过程中进一步制定长期生态安全管理策略。

中心主任姚东瑞研究员和常务副主任崔键研究员为共同通讯作者。本研究得到国家自然科学基金(41977333)等项目的资助。