《Journal of Environmental Sciences》：Organic-inorganic amendment efficiently immobilizes soil heavy metals by synergistically regulating physicochemical properties and microbial ecological networks
编辑推荐：
重金属固定化|喀斯特土壤|有机无机复合改良|微生物群落网络|土壤生态健康
黄晓芳|秦玲石|姜国莲|李全增|崔若琪|王琴|刘克辉|刘宗宝
中国教育部濒危物种生态与环境保护重点实验室及广西师范大学漓江流域景观资源保护与可持续利用重点实验室，桂林541004，中国
摘要
在受污染的喀斯特农田中固定重金属（HMs）对于土壤修复和生态恢复至关重要。本研究评估了石灰（CA）、有机肥料（F）及其组合（F-CA）对铅（Pb）、镉（Cd）、锌（Zn）和铜（Cu）固定效果，以及这些处理对土壤物理化学性质和微生物群落的影响，实验地点为铅锌矿区受污染的农田。60天的野外培养实验结果表明，CA和F-CA显著降低了Pb、Cd、Zn和Cu的生物可利用性。具体而言，CA使DTPA提取的Pb、Cd、Zn和Cu分别降低了50%-87.2%、97.8%-98.3%、89.4%-92%和8.7%-66.5%；而F-CA则使这些金属分别降低了77.4%-92.5%、70.6%-90.6%、61.8%-71.6%和22.5%-66.9%（P<0.05）。重金属的固定主要归因于土壤pH值、电导率以及可交换钙（Ca）和镁（Mg）含量的增加。与抑制微生物多样性并富集潜在致病真菌的CA处理不同，F-CA处理增强了细菌和真菌的多样性，促进了更复杂稳定的微生物网络，丰富了有益的关键类群，并改善了氮、硫和铁的循环过程。Mantel检验、随机森林和PLS-PM分析证实，虽然非生物固定作用也对重金属固定有所贡献，但生物过程的总效应比非生物因素更强，突显了微生物调控的主导作用。总体而言，F-CA改良方法通过整合非生物和生物途径有效稳定了喀斯特农业土壤中的重金属，提高了修复效率和土壤生态健康，为改进改良辅助的生物修复提供了机制上的见解。
引言
近年来，大规模的采矿、冶炼和加工活动严重污染了矿区周围的农田，导致重金属（HMs）大量积累，严重影响了当地居民的生产和生计（Bempah和Ewusi，2016；Huang等人，2024a；Liu等人，2018）。土壤中的重金属污染具有隐蔽性、长期性和不可逆性，对土壤生态系统、植物生长、食品安全和人类健康构成明显威胁（Lin等人，2022；Li等人，2024）。因此，如何高效安全地利用和修复受重金属污染的农田土壤成为一个亟待解决的问题。
原位土壤修复因其低成本、高效率和快速实施而受到广泛关注（Cheng等人，2022；Qin等人，2024；Zhao等人，2022）。该方法主要通过添加土壤改良剂来降低重金属的移动性，从而促进其吸附和沉淀（Deng等人，2025；Fang等人，2024）。土壤的物理化学性质在决定重金属移动性和稳定性方面起着关键作用，如pH值、有机质含量、阳离子交换容量（CEC）和氧化还原电位等参数会显著影响金属的形态、吸附和沉淀（Liu等人，2024a）。例如，较高的pH值和CEC可通过促进稳定氢氧化物和碳酸盐沉淀物的形成来增强金属固定效果，而有机质的增加有助于金属的络合和吸附。无机改良剂如石灰因其能提高土壤pH值而得到广泛应用，有利于金属氢氧化物和碳酸盐的形成；有机肥料则通过络合作用和提供额外的吸附位点来促进金属固定（Shi等人，2019；Zhang等人，2019）。尽管单独使用某些改良剂已显示出效果，但在具有独特pH值和养分动态的喀斯特土壤中，它们的联合应用仍知之甚少。石灰和有机肥料组合对重金属固定的潜在协同效应是一个重要的研究空白。
此外，目前大多数研究集中在重金属固定的物理化学机制上，而对土壤微生物的贡献研究较少（Joshi等人，2023）。土壤微生物在调节pH值、养分循环（碳、氮、磷）以及通过螯合作用、共沉淀和生物矿化直接解毒重金属方面发挥着不可或缺的作用（Joshi等人，2023；van der Voort等人，2016）。重金属胁迫会破坏微生物群落结构，但改良剂可以恢复其多样性和功能（Chen等人，2020；Liu等人，2024b）。鉴于这些动态，微生物在重金属修复中的调控作用至关重要，不容忽视。重要的是，重金属固定是一个复杂的长期过程，依赖于微生物群落内物种间的协同作用（Cheng等人，2022）。微生物共生网络分析为揭示这些复杂相互作用提供了有力手段，因为关键类群无论是单独还是共同作用，都会显著影响群落结构和功能结果（Yang等人，2024）。因此，研究微生物网络并识别关键物种对于阐明微生物介导重金属固定的机制至关重要。
广西壮族自治区（中国）被誉为“有色金属之乡”，拥有丰富的矿产资源，以独特的喀斯特地貌为特征，尤其是铅锌矿储量丰富。在佛子冲铅锌矿区，由于早期采矿活动监管不足，导致周边农田受到严重重金属污染。尽管石灰和有机肥料单独使用已被证明可以降低重金属的生物可利用性，但关于它们在喀斯特土壤中的联合应用，尤其是微生物介导的协同机制的研究仍较为有限。
为填补这些知识空白，本研究在田间条件下进行了盆栽实验，评估了石灰、有机肥料及其组合对喀斯特农田中Pb、Cd、Zn和Cu固定的影响。进一步研究了土壤微生物群落及其共生网络对重金属固定的贡献。通过阐明石灰和有机肥料组合在喀斯特土壤中的协同效应，本研究为优化土壤修复策略和提升土壤生态功能提供了新的理论依据。
部分内容摘录
研究区域描述
佛子冲铅锌矿区是中国广西壮族自治区最大的铅锌生产基地，成立于1966年。该地区位于东经111°08′00″至111°15′00″、北纬23°00′00″至23°08′00″之间，气候湿润多雨，年平均温度在20.6至21.9°C之间，年降水量在846至1966毫米之间。降雨主要集中在4月至8月期间。
改良剂对土壤重金属生物可利用性和物理化学性质的影响
不同处理方法和修复时间下，DTPA提取的重金属浓度存在显著差异（图1）。与对照组相比，CA处理使DTPA-Pb、Cd、Zn和Cu分别降低了50%-87.2%、97.8%-98.3%、89.4%-92%和8.7%-66.5%（P<0.05）。F-CA处理使这些金属分别降低了77.4%-92.5%（Pb）、70.6%-90.6%（Cd）、61.8%-71.6%（Zn）和22.5%-66.9%（P<0.05）。F处理仅显著降低了DTPA-Cd和Zn的浓度，而对Pb的影响不明显。
改良剂对重金属的非生物固定机制
改良剂可通过改变土壤物理化学性质来调节重金属浓度（Fang等人，2024）。本研究表明，CA和F-CA的重金属固定能力更强，pH值也更高（见图1和附录A表S3）。这一结果与Huang等人（2024b）和Zhang等人（2019）的研究结果一致。先前的研究也证实，改良剂可通过提高土壤pH值来促进重金属的固定（Cheng等人，2022；Zhou等人，2018）。结论
本研究显示，有机-无机联合改良剂在60天内实现了最高的重金属固定效率，使喀斯特农田土壤中Pb、Cd、Zn和Cu的DTPA提取浓度分别降低了77.4%-92.5%（Pb）、70.6%-90.6%（Cd）、61.8%-71.6%（Zn）和22.5%-66.9%（P<0.05），优于单独使用石灰或有机肥料的处理方法。F-CA不仅提高了土壤pH值和可交换钙（Ca）及镁（Mg）的含量，还增强了细菌和真菌的活性。
作者贡献声明
黄晓芳：撰写-初稿、审稿与编辑、概念构建、数据可视化、数据分析。秦玲石：撰写-审稿与编辑、实验设计。姜国莲：实验设计。李全增：实验设计。崔若琪：实验设计。王琴：实验设计。刘克辉：撰写-审稿与编辑、方法学研究、软件应用、实验监督。刘宗宝：撰写-审稿与编辑、资金筹集、项目管理、资源协调。
附录A 补充数据
补充数据
未引用的参考文献
Cui等人，2024；He等人，2018；Huang等人，2021b；Li等人，2017；Behr等人，2024；Luo等人，2023；Olesen等人，2007；Riaz等人，2022；Yin等人，2021
作者贡献声明
黄晓芳：撰写-初稿、数据可视化、软件应用、方法学研究。秦玲石：撰写-初稿、数据可视化、方法学研究。姜国莲：撰写-初稿、数据可视化、方法学研究。李全增：数据可视化、软件应用、方法学研究。崔若琪：数据可视化、资源协调。王琴：撰写-初稿、数据可视化。刘克辉：撰写-审稿与编辑、项目监督、资金筹集、概念构建。刘宗宝：撰写-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
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号32360039和41661077）、广西壮族自治区自然科学基金（粤桂联合基金项目，项目编号2022GXNSFDA080008）以及广西壮族自治区科技基地和人才专项项目（项目编号2022AC21335）的支持。
