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人工与自然修复在秦岭矿区重金属污染治理中的效能对比及生态机制研究。通过分析植被多样性、土壤理化性质与重金属污染的耦合关系，发现人工修复显著提升植被覆盖但加剧土壤有机质等养分流失，其表面水重金属超标倍数（Pb 127.76，Cd 136.40，As 20.54，Ni 5.46）低于自然修复但土壤污染更严重。研究揭示了两种修复模式在短期生态响应中的差异化路径：人工修复侧重植被快速恢复，自然修复侧重土壤生态稳定性重建。结构方程模型显示土壤属性对重金属的调控效应在自然修复中更强，验证了自然修复的适应性优势。
高思伟|刘正尧|王月|陈军|庞新艳|刘玉峰|耿月琪|陈秦|黄晓燕|董志宝|李晓云
陕西师范大学地理与旅游学院，中国西安710119
摘要：
采矿活动虽然促进了经济发展，但严重破坏了秦岭地区的生态环境，其中潜在有毒元素（PTEs）的污染尤为突出。本研究通过整合PTEs污染、植被多样性和土壤物理化学性质，比较了人工恢复和自然恢复的效果。结果表明，恢复后地表水污染依然严重——铅（Pb）、镉（Cd）、砷（As）和镍（Ni）的浓度分别超标127.76倍、136.40倍、20.54倍和5.46倍；而在土壤中，只有镉（4.40-19.82倍）和砷（1.30-2.80倍）超标。此外，人工恢复的地表水重金属污染指数（HPI）（8304）显著低于自然恢复（11222）（P < 0.01），虽然植被多样性更高，但植被演替偏离了自然规律。两种方法在土壤恢复效果上没有显著差异，但土壤物理化学性质（总菌落数、土壤有机质、氮含量、土壤有机碳含量、含水量）的平均值低于自然恢复。这些发现反映了两种恢复方法的短期阶段性差异：人工恢复侧重于植被覆盖的恢复，而自然恢复则更注重土壤生态系统的稳定。相关性分析、岭回归和结构方程模型表明，人工恢复区的植被多样性与PTEs污染呈正相关，且土壤性质对PTEs的调节作用弱于自然恢复，表明自然恢复具有更高的适应性，而人工恢复在植被选择上存在不足，需要与自然恢复结合使用。
引言
秦岭山脉位于中国地理中心，被誉为中国的“中央水塔”和“祖先之脉”（Peng等人，2023；Wang等人，2024），在生态功能（如水资源保护、气候调节和生物多样性维持）中发挥着重要作用（Peng等人，2023a；Wang等人，2024）。除了生态价值外，秦岭地区矿产资源丰富，已发现近1000个矿床，其中468个仍在运营（Wang等人，2024）。该地区成为中国重要的资源基地，供应能源矿产（如石煤）、金属矿产（如铅锌矿）和非金属矿产（如石棉和砂岩矿）（Chen等人，2016）。值得注意的是，30种矿产资源在中国的排名前十，54种矿产资源占该省总矿产资源的85%以上（Wang等人，2024）。这些资源为国家经济的建设和发展做出了巨大贡献。然而，采矿活动不可避免地导致环境污染，影响周边水、土壤和空气质量（Li等人，2014；Zhang等人，2023）。特别是这些地区的潜在有毒元素（PTEs）污染（如镍、铜、锌、镉、铬、铅和砷）严重，对周边生态系统和人类健康构成威胁（Li等人，2024；Luo等人，2024；Rouhani等人，2024）。
控制采矿区PTE污染的方法有多种，包括物理化学修复技术（如稳定化和固化）、使用有机剂改性的化学修复以及通过植被或微生物进行的生态修复（Escot-Espinoza等人，2024）。其中，生态修复是一种广泛采用的方法，用于修复受污染的废弃土地（Liu和Liu，2015），因为它具有投资低、效率高、实施容易、成本效益高和操作简单等优点。此外，生态修复不仅避免了二次污染，还带来了多重好处。例如，在短期内受各种因素影响较小，长期来看可以净化土壤和水体，逐步恢复生态系统功能，甚至通过创造景观价值来抵消修复成本或产生额外收益（Guo等人，2023；Liu和Liu，2015）。更重要的是，生态修复增强了碳封存潜力，改善了表层土壤和植被状况，丰富了生物多样性，减缓了气候变化，促进了环境和经济的可持续性（Chen等人，2024）。
人工恢复和自然恢复是生态修复的两种主要方法。自然恢复是指生态系统在没有人为干预的情况下通过自然演化进行恢复的过程。它是生态系统对干扰的内部响应，具有更高的稳定性和适应性（Lei等人，2024），通常受气候、水文和土壤条件等区域特定因素的影响（Liu等人，2023）。此外，本地物种有机会自然定居和繁殖，有助于保护当地生物多样性和维持物种的生态平衡（Liu等人，2019）。然而，自然恢复往往需要几十年甚至更长时间才能实现（Lei等人，2024；Liu等人，2023）。由于环境条件恶劣和土壤养分积累缓慢，植被恢复和生物多样性发展面临重大障碍，难以建立稳定的生态系统（Du等人，2021）。因此，仅依赖自然恢复机制不足以满足矿山生态修复的迫切需求。人工恢复是一项关键且广泛使用的技术，在防止土壤进一步退化和恢复受干扰的生态系统中起着关键作用。与自然恢复相比，人工恢复可以加速生态演替，缩短恢复周期，在后期显著增加生物量和植被群落多样性，并促进植被覆盖的快速生长（Bi等人，2020；Liu等人，2023）。在土壤方面，人工恢复已被证明可以显著加速养分元素的积累和土壤性质的改善，为植被生长提供更好的条件，并通过人工培育促进植被群落的发展（Lei等人，2024）。然而，这种方法也有缺点。例如，由于其高生产力和养分储存能力，人工恢复可能会过度消耗土壤水分，降低土壤渗透率和有机质含量（Du等人，2021）。在修复过程中引入非本地物种可能导致与本地物种的竞争，降低本地物种的多样性和密度，破坏当地生态系统的生物多样性平衡（Liu等人，2019）。在这些方面，人工恢复可能不如自然恢复。因此，人工恢复和自然恢复的相对有效性仍存在争议，相关研究较少。
在采矿区的生态修复过程中，自然或人工陆地生态系统的养分循环（如碳、氮和硫循环）主要由植物和相关微生物调节（Liu等人，2019）。植被覆盖度或多样性的增加将导致枯落物的积累，进一步促进土壤质量的改善，包括土壤微生物生物量、活性和群落结构（Liu等人，2019；Xu等人，2022b）。此外，植物根系在改善土壤水分保持和整体土壤健康方面起着关键作用（Liu等人，2019）。一项研究还表明，人工修复后土壤养分含量（如总有机碳、生物量、有机质、总氮、可提取磷、总钾）显著增加（Liu等人，2019），这表明修复种植可以改善土壤质量，从而加速植被生长和生物量积累（Liu等人，2019；Wang等人，2023）。然而，目前关于人工恢复和自然恢复的研究主要集中在植被多样性、土壤物理化学性质、PTEs污染和生态风险的个别影响上，缺乏对这些因素的耦合分析，这阻碍了根据当地污染条件制定有针对性的生态系统恢复措施（Lei等人，2016），以及短期修复后的及时监测和策略调整。
因此，本研究系统地分析了人工恢复和自然恢复方法在解决秦岭矿区废弃土地地表水和土壤中PTEs污染方面的差异，同时探讨了与植被和土壤物理化学性质相关的潜在因素。本研究的目标是：1）评估不同矿区废弃土地地表水和表层土壤中PTEs污染的生态恢复效果；2）比较人工恢复和自然恢复在PTEs污染、植被多样性和土壤物理化学性质恢复方面的影响差异；3）通过PTEs污染、植被类型和表土物理化学性质之间的关系，对人工恢复和自然恢复进行系统和深入的比较分析。本研究的结果将为通过人工和自然方法恢复废弃矿区的生态提供理论基础和实际建议。
章节片段
采矿区和采样点
秦岭地区位于陕西省中部和南部，拥有丰富的铅锌矿、金矿和其他矿产（如铁矿、汞矿和锑矿）资源，主要分布在主要深断裂带，形成集群和带状分布。本研究区域位于陕西省南部的秦岭山脉（105°41′02.93″E–109°52′53.02″E，33°57′41.52″N–34°31′7.63″N），属于亚热带季风气候。
地表水和表层土壤中的PTEs污染状况
首先，通过将不同类型废弃矿区生态修复后的PTEs浓度与中国《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）进行比较，评估了地表水中PTEs的污染状况。具体而言，这些浓度与标准中III类水体的限值进行了对比。结果显示，经过3-7年的生态修复后，铜（Cu）的平均浓度仍超标
结论
本研究阐明了秦岭山区废弃矿区生态修复的有效性。结果表明，采矿区的地表水和土壤污染问题仍然存在。铅（Pb）、镉（Cd）和砷（As）是地表水的主要污染物，而表层土壤中的镉（Cd）和砷（As）含量尤为突出，共同构成了区域污染的主要来源。
此外，本研究还比较了PTEs污染状况和植被多样性
作者贡献声明
高思伟：撰写——初稿、软件使用、调查、数据分析、概念化。刘正尧：调查、资金获取、数据分析、数据管理。董志宝：撰写——审稿与编辑、资金获取。李晓云：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资源协调、资金获取、数据分析、概念化。庞新艳：调查、数据管理。刘玉峰：验证、调查。王月：验证
利益冲突声明
作者声明他们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。
利益冲突声明
? 作者声明他们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
本研究得到了中国国家自然科学基金（42177202、42241110）、中央高校基本科研业务费（GK202501007）、国家科技基础资源调查计划（2022FY202304）和陕西省自然科学基础研究计划（2024JC-YBQN-0364）的支持。
