物种多样性在重金属尾矿生态恢复中的作用与机制

The revegetation-based ecological restoration has been frequently applied to deal with mine wastelands in many regions of the world. However, there is considerable evidence that the vegetation cover (the measure is positively related to many ecosystem functions such as productivity and control of soil erosion) in mine wastelands is still quite low (about 50%) after 5-10 years (even longer) of the implementation of ecological restoration. Therefore, the theories on ecological restoration of mine wastelands should be developed further for an enhanced efficiency of the technology. Given that the last two decades have seen convincing experimental evidence indicating that species diversity tends to increase ecosystem functions (including productivity, water-holding and nutrient-retention capacity), we will establish a series of plant communities (i.e. revegetations) of varying species diversity in a representitive metalliferous mine tailings to examine the potential roles of species diversity in ecological restoration of metalliferous mine tailings. Based on this, we are going to determine the effects of the species diversity of revegetation on the transfer of heavy metals, soil nutrient cycling as well as soil microbial diversity and community composition. As a whole, we try to elucidate some mechanisms underlying the potential roles of species diversity in ecological restoration of metalliferous mine tailings, prodiving scentific support for the potential use of species diversity in the future.

基于植被重建的生态恢复技术目前已经被诸多国家和地区较广泛地用于治理重金属尾矿等矿业废弃物。但有相当多的证据表明，经过5-10年甚至更长时间的生态恢复，重金属尾矿的植被覆盖度（该指标通常与生产力、控制水土流失等生态系统功能呈正相关关系）也只有50%左右。因此，重金属尾矿生态恢复的理论还有待发展完善，从而使得该技术的效率进一步提高。鉴于最近二十年大量研究已反复证明物种多样性有利于提高生态系统的功能（包括生产力、保肥持水能力等），本项目拟选取典型的矿业废弃物- - 重金属尾矿作为研究对象，通过开展野外田间试验，在尾矿上建立具有物种多样性梯度的植被，分析物种多样性对于重建生态系统的功能（包括植被覆盖度、生产力）的影响，并在此基础上探究物种多样性如何影响重金属迁移、营养元素循环以及土壤微生物群落结构，以揭示物种多样性影响重金属尾矿生态恢复的内在机理，为物种多样性在重金属尾矿生态恢复中的应用提供科学依据。

重金属尾矿的治理是世界性的难题，基于植被重建的重金属尾矿生态恢复具有经济、环保等优点，在世界范围内获得了广泛的认可。该技术的核心思想通过辅助措施，在重金属尾矿上重新建立植被，并促使它们逐步演替成为能自维持的、稳定的生态系统，从而实现将重金属污染长期固定在原地。但是如何在尾矿废弃地上建立能自维持的、稳定的生态系统仍然是一个亟待解决的重要科学问题。而大量实验已经反复证明：物种多样性有利于提高生态系统功能（包括生产力、保肥持水能力等）和稳定性，其作用机制主要是互补效应，包括物种间的生态位互补和正相互作用。因此，本项目在典型重金属尾矿废弃地上建立了不同物种多样性的植被群落（单种、4个物种、8个物种和16个物种），探究物种多样性在重金属尾矿生态恢复中的作用与机制。本项目获得以下主要研究结果：（1）植物物种多样性显著(P < 0.05)提高了尾矿新建植物群落的盖度和生产力，其主要作用机制可能是随着植物物种多样性的增加，随机带入高产物种的可能性随之增加，最终使整个植物群落的生产力产值提高，说明在植物群落建立初期物种多样性作用机制主要由选择效应引起的；但随着时间的推移多样性的互补效应显著增加。（2）植物物种多样性显著(P < 0.05)降低了尾矿重金属有效态含量及重金属在尾矿土壤−植物系统中的迁移和累积。其主要作用机制可能是植物群落生产力增加带来的生物量稀释作用。（3）植物物种多样性促进了尾矿土壤营养元素（C、N、P）的循环和累积(P < 0.05)。其主要作用机制很可能是植物多样性不仅提高了土壤微生物的多样性而且提高一些与土壤C、N、P循环相关的细菌和真菌的相对丰度。这些研究结果揭示物种多样性影响重金属尾矿生态恢复效率的内在机理，为物种多样性在重金属尾矿生态恢复中的应用提供重要的科学依据。