《Environmental Pollution》：Comprehensive effects of different restoration modes on the ecological environment of abandoned land in typical Qinling mining areas: a systematic study based on PTEs pollution-vegetation-soil conditions
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人工與自然修復(fù)在秦嶺礦區(qū)重金屬污染治理中的效能對比及生態(tài)機制研究。通過分析植被多樣性、土壤理化性質(zhì)與重金屬污染的耦合關(guān)系，發(fā)現(xiàn)人工修復(fù)顯著提升植被覆蓋但加劇土壤有機質(zhì)等養(yǎng)分流失，其表面水重金屬超標倍數(shù)（Pb 127.76，Cd 136.40，As 20.54，Ni 5.46）低于自然修復(fù)但土壤污染更嚴重。研究揭示了兩種修復(fù)模式在短期生態(tài)響應(yīng)中的差異化路徑：人工修復(fù)側(cè)重植被快速恢復(fù)，自然修復(fù)側(cè)重土壤生態(tài)穩(wěn)定性重建。結(jié)構(gòu)方程模型顯示土壤屬性對重金屬的調(diào)控效應(yīng)在自然修復(fù)中更強，驗證了自然修復(fù)的適應(yīng)性優(yōu)勢。
高思偉|劉正堯|王月|陳軍|龐新艷|劉玉峰|耿月琪|陳秦|黃曉燕|董志寶|李曉云
陜西師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院，中國西安710119
摘要：
采礦活動雖然促進了經(jīng)濟發(fā)展，但嚴重破壞了秦嶺地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，其中潛在有毒元素（PTEs）的污染尤為突出。本研究通過整合PTEs污染、植被多樣性和土壤物理化學(xué)性質(zhì)，比較了人工恢復(fù)和自然恢復(fù)的效果。結(jié)果表明，恢復(fù)后地表水污染依然嚴重——鉛（Pb）、鎘（Cd）、砷（As）和鎳（Ni）的濃度分別超標127.76倍、136.40倍、20.54倍和5.46倍；而在土壤中，只有鎘（4.40-19.82倍）和砷（1.30-2.80倍）超標。此外，人工恢復(fù)的地表水重金屬污染指數(shù)（HPI）（8304）顯著低于自然恢復(fù)（11222）（P < 0.01），雖然植被多樣性更高，但植被演替偏離了自然規(guī)律。兩種方法在土壤恢復(fù)效果上沒有顯著差異，但土壤物理化學(xué)性質(zhì)（總菌落數(shù)、土壤有機質(zhì)、氮含量、土壤有機碳含量、含水量）的平均值低于自然恢復(fù)。這些發(fā)現(xiàn)反映了兩種恢復(fù)方法的短期階段性差異：人工恢復(fù)側(cè)重于植被覆蓋的恢復(fù)，而自然恢復(fù)則更注重土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。相關(guān)性分析、嶺回歸和結(jié)構(gòu)方程模型表明，人工恢復(fù)區(qū)的植被多樣性與PTEs污染呈正相關(guān)，且土壤性質(zhì)對PTEs的調(diào)節(jié)作用弱于自然恢復(fù)，表明自然恢復(fù)具有更高的適應(yīng)性，而人工恢復(fù)在植被選擇上存在不足，需要與自然恢復(fù)結(jié)合使用。
引言
秦嶺山脈位于中國地理中心，被譽為中國的“中央水塔”和“祖先之脈”（Peng等人，2023；Wang等人，2024），在生態(tài)功能（如水資源保護、氣候調(diào)節(jié)和生物多樣性維持）中發(fā)揮著重要作用（Peng等人，2023a；Wang等人，2024）。除了生態(tài)價值外，秦嶺地區(qū)礦產(chǎn)資源豐富，已發(fā)現(xiàn)近1000個礦床，其中468個仍在運營（Wang等人，2024）。該地區(qū)成為中國重要的資源基地，供應(yīng)能源礦產(chǎn)（如石煤）、金屬礦產(chǎn)（如鉛鋅礦）和非金屬礦產(chǎn)（如石棉和砂巖礦）（Chen等人，2016）。值得注意的是，30種礦產(chǎn)資源在中國的排名前十，54種礦產(chǎn)資源占該省總礦產(chǎn)資源的85%以上（Wang等人，2024）。這些資源為國家經(jīng)濟的建設(shè)和發(fā)展做出了巨大貢獻。然而，采礦活動不可避免地導(dǎo)致環(huán)境污染，影響周邊水、土壤和空氣質(zhì)量（Li等人，2014；Zhang等人，2023）。特別是這些地區(qū)的潛在有毒元素（PTEs）污染（如鎳、銅、鋅、鎘、鉻、鉛和砷）嚴重，對周邊生態(tài)系統(tǒng)和人類健康構(gòu)成威脅（Li等人，2024；Luo等人，2024；Rouhani等人，2024）。
控制采礦區(qū)PTE污染的方法有多種，包括物理化學(xué)修復(fù)技術(shù)（如穩(wěn)定化和固化）、使用有機劑改性的化學(xué)修復(fù)以及通過植被或微生物進行的生態(tài)修復(fù)（Escot-Espinoza等人，2024）。其中，生態(tài)修復(fù)是一種廣泛采用的方法，用于修復(fù)受污染的廢棄土地（Liu和Liu，2015），因為它具有投資低、效率高、實施容易、成本效益高和操作簡單等優(yōu)點。此外，生態(tài)修復(fù)不僅避免了二次污染，還帶來了多重好處。例如，在短期內(nèi)受各種因素影響較小，長期來看可以凈化土壤和水體，逐步恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)功能，甚至通過創(chuàng)造景觀價值來抵消修復(fù)成本或產(chǎn)生額外收益（Guo等人，2023；Liu和Liu，2015）。更重要的是，生態(tài)修復(fù)增強了碳封存潛力，改善了表層土壤和植被狀況，豐富了生物多樣性，減緩了氣候變化，促進了環(huán)境和經(jīng)濟的可持續(xù)性（Chen等人，2024）。
人工恢復(fù)和自然恢復(fù)是生態(tài)修復(fù)的兩種主要方法。自然恢復(fù)是指生態(tài)系統(tǒng)在沒有人為干預(yù)的情況下通過自然演化進行恢復(fù)的過程。它是生態(tài)系統(tǒng)對干擾的內(nèi)部響應(yīng)，具有更高的穩(wěn)定性和適應(yīng)性（Lei等人，2024），通常受氣候、水文和土壤條件等區(qū)域特定因素的影響（Liu等人，2023）。此外，本地物種有機會自然定居和繁殖，有助于保護當?shù)厣锒鄻有院途S持物種的生態(tài)平衡（Liu等人，2019）。然而，自然恢復(fù)往往需要幾十年甚至更長時間才能實現(xiàn)（Lei等人，2024；Liu等人，2023）。由于環(huán)境條件惡劣和土壤養(yǎng)分積累緩慢，植被恢復(fù)和生物多樣性發(fā)展面臨重大障礙，難以建立穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)（Du等人，2021）。因此，僅依賴自然恢復(fù)機制不足以滿足礦山生態(tài)修復(fù)的迫切需求。人工恢復(fù)是一項關(guān)鍵且廣泛使用的技術(shù)，在防止土壤進一步退化和恢復(fù)受干擾的生態(tài)系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用。與自然恢復(fù)相比，人工恢復(fù)可以加速生態(tài)演替，縮短恢復(fù)周期，在后期顯著增加生物量和植被群落多樣性，并促進植被覆蓋的快速生長（Bi等人，2020；Liu等人，2023）。在土壤方面，人工恢復(fù)已被證明可以顯著加速養(yǎng)分元素的積累和土壤性質(zhì)的改善，為植被生長提供更好的條件，并通過人工培育促進植被群落的發(fā)展（Lei等人，2024）。然而，這種方法也有缺點。例如，由于其高生產(chǎn)力和養(yǎng)分儲存能力，人工恢復(fù)可能會過度消耗土壤水分，降低土壤滲透率和有機質(zhì)含量（Du等人，2021）。在修復(fù)過程中引入非本地物種可能導(dǎo)致與本地物種的競爭，降低本地物種的多樣性和密度，破壞當?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)的生物多樣性平衡（Liu等人，2019）。在這些方面，人工恢復(fù)可能不如自然恢復(fù)。因此，人工恢復(fù)和自然恢復(fù)的相對有效性仍存在爭議，相關(guān)研究較少。
在采礦區(qū)的生態(tài)修復(fù)過程中，自然或人工陸地生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)（如碳、氮和硫循環(huán)）主要由植物和相關(guān)微生物調(diào)節(jié)（Liu等人，2019）。植被覆蓋度或多樣性的增加將導(dǎo)致枯落物的積累，進一步促進土壤質(zhì)量的改善，包括土壤微生物生物量、活性和群落結(jié)構(gòu)（Liu等人，2019；Xu等人，2022b）。此外，植物根系在改善土壤水分保持和整體土壤健康方面起著關(guān)鍵作用（Liu等人，2019）。一項研究還表明，人工修復(fù)后土壤養(yǎng)分含量（如總有機碳、生物量、有機質(zhì)、總氮、可提取磷、總鉀）顯著增加（Liu等人，2019），這表明修復(fù)種植可以改善土壤質(zhì)量，從而加速植被生長和生物量積累（Liu等人，2019；Wang等人，2023）。然而，目前關(guān)于人工恢復(fù)和自然恢復(fù)的研究主要集中在植被多樣性、土壤物理化學(xué)性質(zhì)、PTEs污染和生態(tài)風險的個別影響上，缺乏對這些因素的耦合分析，這阻礙了根據(jù)當?shù)匚廴緱l件制定有針對性的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)措施（Lei等人，2016），以及短期修復(fù)后的及時監(jiān)測和策略調(diào)整。
因此，本研究系統(tǒng)地分析了人工恢復(fù)和自然恢復(fù)方法在解決秦嶺礦區(qū)廢棄土地地表水和土壤中PTEs污染方面的差異，同時探討了與植被和土壤物理化學(xué)性質(zhì)相關(guān)的潛在因素。本研究的目標是：1）評估不同礦區(qū)廢棄土地地表水和表層土壤中PTEs污染的生態(tài)恢復(fù)效果；2）比較人工恢復(fù)和自然恢復(fù)在PTEs污染、植被多樣性和土壤物理化學(xué)性質(zhì)恢復(fù)方面的影響差異；3）通過PTEs污染、植被類型和表土物理化學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系，對人工恢復(fù)和自然恢復(fù)進行系統(tǒng)和深入的比較分析。本研究的結(jié)果將為通過人工和自然方法恢復(fù)廢棄礦區(qū)的生態(tài)提供理論基礎(chǔ)和實際建議。
章節(jié)片段
采礦區(qū)和采樣點
秦嶺地區(qū)位于陜西省中部和南部，擁有豐富的鉛鋅礦、金礦和其他礦產(chǎn)（如鐵礦、汞礦和銻礦）資源，主要分布在主要深斷裂帶，形成集群和帶狀分布。本研究區(qū)域位于陜西省南部的秦嶺山脈（105°41′02.93″E–109°52′53.02″E，33°57′41.52″N–34°31′7.63″N），屬于亞熱帶季風氣候。
地表水和表層土壤中的PTEs污染狀況
首先，通過將不同類型廢棄礦區(qū)生態(tài)修復(fù)后的PTEs濃度與中國《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838-2002）進行比較，評估了地表水中PTEs的污染狀況。具體而言，這些濃度與標準中III類水體的限值進行了對比。結(jié)果顯示，經(jīng)過3-7年的生態(tài)修復(fù)后，銅（Cu）的平均濃度仍超標
結(jié)論
本研究闡明了秦嶺山區(qū)廢棄礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的有效性。結(jié)果表明，采礦區(qū)的地表水和土壤污染問題仍然存在。鉛（Pb）、鎘（Cd）和砷（As）是地表水的主要污染物，而表層土壤中的鎘（Cd）和砷（As）含量尤為突出，共同構(gòu)成了區(qū)域污染的主要來源。
此外，本研究還比較了PTEs污染狀況和植被多樣性
作者貢獻聲明
高思偉：撰寫——初稿、軟件使用、調(diào)查、數(shù)據(jù)分析、概念化。劉正堯：調(diào)查、資金獲取、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)管理。董志寶：撰寫——審稿與編輯、資金獲取。李曉云：撰寫——審稿與編輯、驗證、監(jiān)督、資源協(xié)調(diào)、資金獲取、數(shù)據(jù)分析、概念化。龐新艷：調(diào)查、數(shù)據(jù)管理。劉玉峰：驗證、調(diào)查。王月：驗證
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的財務(wù)利益或個人關(guān)系可能影響本文的研究結(jié)果。
利益沖突聲明
? 作者聲明他們沒有已知的財務(wù)利益或個人關(guān)系可能影響本文的研究結(jié)果。
致謝
本研究得到了中國國家自然科學(xué)基金（42177202、42241110）、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費（GK202501007）、國家科技基礎(chǔ)資源調(diào)查計劃（2022FY202304）和陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃（2024JC-YBQN-0364）的支持。
