土壤中的重金属及其化学计量关系在不同恢复年份影响着铜尾矿区域的土壤微生物群落特征

《Ecological Engineering》：Soil heavy metals and stoichiometry drive soil microbial community characteristics at different restoration years in copper tailings area

　　

钱阳|张月|郑梦瑶|贾海霞|董凯|贾彤

中国山西省大同市山西大学黄土高原研究所黄土高原生态修复重点实验室，邮编030031

摘要

为了探究铜矿区土壤生态化学计量特性和微生物群落结构背后的驱动机制，本研究选取了山西省一个铜矿尾矿池的土壤样本，这些土壤的修复时间各不相同（>40年、15–40年和<15年），同时设置了一个未受干扰的对照样地。通过野外采样和实验室分析，测定了土壤的物理化学性质、酶活性以及重金属浓度，并利用宏基因组测序技术分析了细菌、真菌和古菌的群落结构。结果表明，随着修复时间的延长，土壤pH值、含水量和总氮含量逐渐增加，而碳氮比显著降低（P<0.05）。土壤酶的化学计量比与土壤化学计量比之间存在显著的正相关关系（P<0.05）。土壤微生物群落的丰富度指数在修复初期有所增加，随后逐渐下降。不同修复阶段下，细菌和古菌群落结构以及优势物种（放线菌、壳孢菌门和古菌）的相对丰度存在显著差异（P<0.05）。冗余分析和Mantel检验表明，总磷（TP）、硝酸盐氮和重金属（Zn、Cu和As）是影响土壤微生物群落特性的关键因素。共现网络分析显示，长期修复（>40年）显著提高了细菌、真菌和古菌群落的网络连通性和复杂性。生态化学计量特性通过调节微生物资源分配和种间相互作用，驱动了微生物群落结构和功能的演化。长期修复进一步增强了微生物网络的稳定性和恢复力。本研究为矿山生态系统的恢复提供了科学依据。

引言

铜作为一种重要的战略金属，推动了铜矿资源的持续开采，产生了大量的尾矿。这些尾矿的堆积消耗了大量土地资源，同时有害物质（包括重金属、酸性矿井排水和粉尘）会进入大气、土壤和地下水，引发严重的生态和环境问题（Huang等人，2025年）。此外，矿产资源开采破坏了土壤结构，降低了土壤肥力，并恶化了土壤的物理化学和生物性质，导致矿区生态严重受损（Zheng等人，2018年）。最近的研究表明，在自然恢复和人工干预的情况下，矿区微生物能够在重金属胁迫下促进植物生长，并提高植物对重金属的固定和吸收能力（Shi等人，2019年），从而有助于尾矿土壤的逐步生态恢复。这一过程的关键在于恢复土壤养分循环和微生物群落结构。土壤微生物群落在土壤养分循环、有机物降解和污染物转化中起着重要作用（Zhang，2025年）。在重金属污染环境中，微生物群落结构常常发生显著变化。研究表明，重金属污染水平是影响真菌丰度和细菌多样性的关键因素，对细菌、真菌和古菌群落结构有显著影响（Liu，2025年）。因此，研究铜矿区土壤微生物群落的演替特征对于评估矿区生态恢复的效果至关重要。

土壤中的碳（C）、氮（N）和磷（P）是植物和微生物生长所需的必需养分，其分布受植物活动、微生物代谢和土壤生态化学计量比的影响（Chang等人，2025年）。在土壤生态学中，化学计量比（C:N、C:P、N:P）反映了土壤中养分供需的平衡以及微生物的生长状态（Wang等人，2013年）。近年来，关于酶的生态化学计量学的研究深化了对微生物代谢策略的理解（Cui等人，2018年；Yang等人，2020年）。与碳、氮和磷循环相关的胞外酶（包括β-葡萄糖苷酶（BG，C的获取）、β-1,4-N-乙酰葡糖胺酶（NAG，N的获取）和碱性磷酸酶（AP，P的获取）的活性比（BG:NAG、BG:AP、NAG:AP）与微生物的能量和养分分配策略密切相关（Li等人，2025年）。在全球范围内，土壤生态酶的化学计量比平衡反映了微生物代谢的平衡状态（Tapia-Torres等人，2015年）。然而，在重金属污染环境中，微生物会调整其胞外酶的投入策略以维持稳态，导致酶的化学计量比偏离正常值。因此，进一步研究铜矿尾矿土壤的生态化学计量学有助于明确矿区土壤生态系统恢复的主要限制因素，揭示矿区微生物的适应机制，并为提高铜矿尾矿的生态修复效率提供科学基础。

尽管已有大量关于土壤化学计量特性的研究，但这些特性与铜矿区微生物群落结构之间的耦合机制仍不明确。特别是，不同修复年限下土壤微生物群落的动态响应模式需要进一步阐明。目前，关于土壤化学计量与土壤微生物群落相关性的研究主要集中在森林和草地等生态系统（Xie，2021年）。针对有色金属矿区（尤其是铜矿尾矿生态系统）的研究仍然有限。因此，本研究选择了山西省的一个铜矿尾矿池作为研究地点。通过结合野外调查和实验室分析，系统地研究了不同修复年限下土壤物理化学性质、重金属含量、土壤生态化学计量比和酶化学计量比的动态变化。此外，还利用宏基因组测序技术解析了土壤细菌、真菌和古菌群落的组成和多样性。本研究旨在探讨以下科学问题：（1）铜矿区不同修复阶段中土壤生态化学计量比和微生物群落特性的演化是否存在差异；（2）土壤化学计量特性与微生物群落特性（结构和多样性）之间的关系及其背后的驱动机制是什么？本研究旨在阐明铜矿区土壤生态修复过程中土壤和酶化学计量与微生物群落的协同演化模式，并确定控制这些过程的关键生态因素。

章节片段

研究区域和样本采集

本研究在中国山西省的一个铜矿区进行。该地区是华北地区最大的地下非煤矿开采作业区，每年产生约700万吨铜尾矿。尾矿坝建于1969年，占地面积200万平方米，储量为1.25亿立方米，坝高85米（Jia等人，2020年）。该地区属于暖温半干旱大陆性季风气候，平均

土壤物理化学性质和生态化学计量比

不同修复年限的子坝间土壤物理化学性质存在显著差异（表S1）。随着修复时间的延长，土壤pH值逐渐降低，从弱碱性变为中性。土壤水分含量（SWC）和总氮（TN）含量逐渐增加。硝酸盐氮和铵氮的含量先下降后上升，最高值分别为1.91 mg kg^-1和19.36 mg kg^-1

土壤物理化学性质和生态化学计量比的动态变化

本研究显示，随着修复时间的延长，土壤pH值从弱碱性逐渐变为中性。这一趋势可能归因于有机物的积累、输入和腐殖化作用，这些过程可以降低土壤的碱性（Wick等人，2009年）。特别是在A1区域，修复时间超过40年后，硝酸盐氮含量显著升高（1.91 mg kg^-1），表明长期修复改善了氮循环功能。氨氧化菌的活性增强

作者贡献声明

钱阳：方法学设计、数据整理、初稿撰写。张月：正式数据分析。郑梦瑶：研究指导。贾海霞：数据整理。董凯：数据可视化、软件处理。贾彤：研究指导、资金申请、审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了以下机构的财政支持：国家自然科学基金（32171524）、山西省基础研究计划（202503021211064）、山西省归国华侨基金会（2021018）、山西省研究生教育创新计划（2024YZ05）、山西省基础研究计划（20220302122125）、山西省高质量通识教育课程项目（2024）、山西省精品课程开发计划。