尾矿生态恢复中碳、氮、磷循环及其微生物调节机制

The restoration of ecosystem structure and function is one of the core problems in ecological restoration of mine wastelands. Establishment of a stable, safety and self-maintainable ecosystem and restoration of ecosystem structure and function have not only become a hot spot of current research, but must also been the final goal of ecological restoration. We will carry out an ecological restoration project by adding carbon (C), nitrogen (N) and phosphorus (P) in a representative metalliferous mine tailings to examine the carbon, nitrogen and phosphorus cycles and the related mechanisms. Base on this, we are going to determine the effects of C, N and P on vegetation development, the transfer of heavy metals, soil nutrient cycling as well as soil microbial community composition and function. As a whole, we try to elucidate soil evolution driven by C、N and P and the related mechanisms between soil evolution and vegetation development and microbial characteristics, which will offer scientific evidence and technical support to accelerate the ecological restoration of mine wastelands by assisted natural remediation.

生态系统结构与功能的恢复是重金属矿业废弃地生态恢复的核心问题之一。在重金属尾矿废弃地上建立稳定、安全与自维持的生态系统，关注生态系统结构与功能的恢复是当前国际的研究热点，也是生态恢复的终极目标。本项目拟选取典型的矿业废弃地——重金属尾矿作为研究对象，通过开展野外田间实验，在重金属尾矿废弃地上建立添加碳(C)、氮(N)、磷(P)源的生态恢复小区，分析添加C、N、P源改良尾矿对植物群落、重金属迁移、营养元素循环以及土壤微生物群落结构与功能的影响。并在此基础上探究C、N、P驱动的土壤学过程与地上植被过程和地下微生物过程的耦合机制，揭示尾矿生态系统恢复中C/N/P循环转化过程及其微生物调节机制，为采取人工辅助手段加快重金属矿业废弃地的生态恢复提供科学依据和技术支持。

本项目在国家自然科学基金地区科学基金（41561076）资助下，围绕矿山土壤生态恢复中碳、氮、磷循环及其微生物调节机制开展了系统的研究。首先，全面调查了湘西矿区的植被资源，筛选重金属耐性植物。结果显示，湘西矿区现有高等植物35种，隶属32个属，15个科；其中，野菊、鸭趾草、商陆、日本看麦娘、狗尾草、马唐具有重金属蓄积特征，可用于重金属轻度污染土壤的修复；空心莲子草、鬼针草、加拿大飞蓬、狗牙根、魁蒿具有重金属规避特征，可用于重金属重度污染土壤的修复。其次，分别在铅锌尾矿库、酸性排土场开展野外田间实验，添加不同碳氮磷源改良剂对矿山土壤进行改良修复。结果表明：添加不同碳氮磷源改良剂促进了植物在尾矿上的定居和生长；增加了尾矿营养元素含量，提高了土壤酶活性，降低了尾矿中重金属有效性和植物体内重金属含量；提高了土壤微生物OTU数，微生物多样性指数，微生物活性、微生物生物量，改变了微生物群落组成。Person相关性分析表明，植被盖度、生物量与尾矿营养元素和土壤酶活性呈显著正相关，与尾矿重金属有效态含量呈显著负相关；植物地上部分重金属含量与尾矿重金属有效态含量、营养元素和土壤酶活性相关性不明显。同时，基质改良有效地抑制了排土场土壤中金属硫化物的氧化产酸过程，土壤pH值显著性提高，净产酸潜力逐渐降低，酸中和能力逐渐升高。pH和净产酸潜力直接影响着土壤微生物的群落结构和功能。重金属含量对土壤微生物具有显著性抑制作用，营养元素促进了微生物的生长及活性。以上成果将有助于在矿山废弃地上构建人工植物群落，修复废弃地的生态环境，为矿山废弃地的重金属污染控制和生态环境修复提供全面的理论和技术支撑。.在本项目实施的四年中，课题组取得了显著成绩，在相关领域主流杂志正式发表学术论文9篇，授权发明专利1项。培养博士后1人，博士研究生1人、硕士研究生2人，本科生30人。通过本课题的实施，建立了一支在矿山生态修复方面科研能力强的研究团队。