SEH研究论文 | 大叶相思定植促进铁尾矿类土基质团聚体结构发展和有机质固持

土壤与环境健康SEH · 公众号 · · 2024-10-29 20:30

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导读

澳大利亚昆士兰大学黄隆斌团队在Soil and Environmental Health（SEH, 《土壤与环境健康》）期刊发表题为“本土大叶相思定植促进铁尾矿类土基质团聚体发展和有机质固持（Water-stable aggregation and organic matter stabilization by native plant Acacia auriculiformis in an early Technosol eco-engineered from Fe-ore tailings; 2024，2(4): 100115）”的研究论文。

尾矿是一种典型的工业固废。为了满足全球工业化和城镇化发展对钢铁材料的需求，大量铁矿石被开采，与此同时形成了堆积如山的尾矿库。这些尾矿不仅压占大量土地，而且通过水蚀、风蚀等方式威胁着人类以及周围生态环境健康。由于磁铁矿尾矿的矿物组成与当地成土母质较为相似，我们认为可通过一定的生态工程措施促进原生矿物的风化和有机质的累积，使其发展成类似土壤的基质（eco-engineered Technosol）。我们十几年的实践经验也证明这是一种经济、可持续、有前景的复垦方式。其中，水稳定团聚体的形成和有机质的固持是“生态工程类土基质”形成的关键过程。前期研究发现，新排磁铁尾矿由于其高盐碱、紧实、低肥力的特性，只能支持部分先锋植物定植，如禾本科草本植物。豆科植物具有固氮功能，本土豆科木本植物的定植将会进一步促进尾矿中可持续生态系统的建立。有机质和矿物之间的相互作用是土壤团聚体形成的基础，而团聚体的形成又可以降低有机质矿化速率。关注Technosols内部团聚体形成机制可以对早期阶段土壤形成和土壤肥力发展提供见解。本研究利用盆栽实验比较了本土豆科植物Acacia auriculiformis在初步改良的磁铁矿尾矿类土基质中的定植及对尾矿水稳定团聚体发展和有机质固持过程的影响，并模拟了实地复垦中存在的水分和磷营养限制对该过程的影响，以期将豆科植物纳入磁铁矿尾矿实地复垦方法，为实现可持续生态修复提供依据。

图文摘要（Graphic abstract）

主要内容

本研究利用盆栽实验，在水分充足/短缺以及加磷肥/不加磷肥条件下，在经植物生物质和先锋植物初步改良的尾矿（前期试验发现未改良磁铁矿尾矿中A. auriculiformis不能存活）中种植A. auriculiformis，并设置不种植物对照。培养结束后分析了植物生长、结瘤固氮，以及尾矿中水稳定团聚体和有机质固持等指标。

研究发现A. auriculiformis能够在初步改良的磁铁矿尾矿中定植，并进一步促进了水稳定团聚体的发展。大团聚体和微团聚体的比例变化不同，前者在水分充足的条件下增加，后者在水分短缺的条件下增加（图1）。A. auriculiformis定植增加了大团聚体中矿物保护有机质组分的氮含量，降低了其C: N（图2）。总体而言，A. auriculiformis定植增加了Technosol中团聚体内矿物保护有机质组分中的氮含量（图3），这一过程与植物根系结瘤量密切相关。基于同步辐射的C 1s NEXAFS揭示了植物定植显著增加了大团聚体内矿物保护有机质组分中富含Carboxyl的有机碳含量（表1）。水分和磷亏缺通过影响A. auriculiformis生长和根系功能（包括根生长、结瘤和根系分泌物）影响水稳定团聚体形成和有机质固持。

图1 不同处理Technosols的水稳定大团聚体（MaA, a）、微团聚体（MiA, b）、<53 μm组分（c）分布和尾矿平均加权重径（MWD）。注：“-A-P+W” 和 “+A-P+W” 分别代表缺磷和不干旱条件下不种植物和种植物处理；“-A+P+W” 和 “+A+P+W” 分别代表加磷和不干旱条件下不种植物和种植物处理；“-A-P-W” 和 “+A-P-W”分别代表缺磷和干旱条件下不种植物和种植物处理；“-A+P-W” 和 “+A+P-W”分别代表加磷和干旱条件下不种植物和种植物处理。数据为每个处理的四个重复的平均值和标准误差。经最小显著性差异检验，不同字母表示处理间差异显著（P < 0.05）。子图右上方的星号表示经三因素方差分析的A. auriculiformis 植物定植（A）、水分条件（W）、施磷肥（P）的相互作用，显著性水平分别为P < 0.001(***)、P < 0.01(**)或P < 0.05(*)。

图2 不同处理Technosols的水稳定大团聚体内矿物保护有机质组分（Ma-MAOM）、微团聚体内矿物保护有机质组分（Mi-MAOM）的有机碳（OC）、氮（N）和C:N。

图3 不同处理固持在每千克Technosols的Ma-MAOM组分和Mi-MAOM组分的有机碳和氮含量。

表1 基于同步辐射C 1s NEXAFS的不同处理固持在Ma-MAOM组分和Mi-MAOM组中富含不同官能团的有机碳含量。

总结与展望

本研究表明，本土豆科树种（A. auriculiformis）可作为生物驱动因子，通过促进铁尾矿中水稳定团聚体的发展和矿物保护有机质组分中N含量的增加，促进铁尾矿类土基质期Technosols的进一步发展。另外，我们发现A. auriculiformis的成功结瘤对于增加团聚体百分比以及大团聚体中矿物保护有机质组分N累积具有重要作用。在水分短缺条件下，早期Technosols中外源磷肥的添加可以进一步增加生物固氮对提高大团聚体中矿物保护有机质组分中N累积的积极作用。A. auriculiformis的定殖通过增加富含羧基的有机质输入促进团聚体的发展以及团聚体中矿物保护有机质组分中N的累积。根据这些发现，建议在实地修复生态工程过程中加入耐受性较强的豆科植物，如A. auriculiformis，以促进早期Technosols土壤的发育。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.seh.2024.100115

作者简介

第一作者简介：

李贞：华南师范大学环境学院特聘副研究员，中国农业大学与澳大利亚昆士兰大学联合培养博士，主要研究方向为固废土壤化与生态修复，目前以第一作者在Environmental Science & Technology，Soil and Environmental Health, Geoderma, Plant and Soil, Pedosphere等期刊发表论文10篇。

共同作者简介：

伍松林：中国科学院生态环境研究中心研究员，国家海外高层次青年人才基金获得者，中科院“百人计划”入选者，昆士兰大学可持续矿山研究中心荣誉研究员，国际期刊“Plant and Soil”区域编辑(section editor), Environmental Geochemistry and Health副主编，欧洲地球化学学会会员，澳大利亚土壤学会会员，国际菌根协会会员等。主要从事土壤生态修复及尾矿治理技术方面的研究。目前已发表论文60余篇，其中以第一作者及通讯作者在环境地球科学主流期Environmental Science & Technology, New Phytologist, iScience (Cell 系列期刊), npj Materials Sustainability (Nature系列期刊), Chemical Geology, Environmental Science: Nano, Journal of Hazardous Materials, ACS Earth and Space Chemistry, Soil and Environmental Health, Science of the Total Environment等发表论文30余篇。

黄隆斌：教授，昆士兰大学可持续矿物研究中心矿山生态工程团队负责人(https://researchers.uq.edu.au/researcher/1341)，数十年来一直从事尾矿可持续修复理论与技术研究。在国际上首次提出通过系统生态工程措施将尾矿转化成类土基质，以达到矿山可持续性生态重建的目的。黄隆斌教授与澳洲多个大型矿业企业达成了合作伙伴关系，已申请到数千万澳元的基金，用于系统性研究可持续矿山修复技术，帮助企业解决实际问题。黄教授已发表文章100多篇，包括Environmental Science & Technology, Chemical Geology, plant and soil, Journal of Hazardous Materials, ACS Earth and Space Chemistry等，引用5000余次(Google), H因子35，同时为多个期刊(Plant and Soil; Environmental Geochemistry and Health; Environmental Pollution; Journal of Hazardous Material)的副主编或客座编辑。

Soil & Environmental Health是由朱利中院士、朱永官院士和马奇英教授担任主编、浙江大学与Elsevier合作出版的全英文开放获取国际学术期刊。自2022年12月以来，期刊出版了来自16个国家的60篇优秀文章；期刊CiteScoreTracker 2024 为4.8，目前已被DOAJ、Scopus和CAS数据库收录。