Seasonal freeze–thaw action has been shown to influence the behaviors of heavy metals in soil by changing soil aggregate formation, stabilization, and breakdown. Using rare earth oxides tracing method, this study conducted in-situ seasonal freeze–thaw experiments to examine the links between aggregate turnover behaviors and cadmium (Cd) release kinetics in black soil. Higher stability and longer turnover time of soil aggregates after spring freeze–thaw process than those just experienced autumn freeze–thaw process were found. Changes of the Cd distribution in different aggregates during the freeze–thaw process were mainly driven by soil aggregate transformations. Autumn freeze–thaw events increased the exchangeable Cd amounts in bulk soil and ≥ 0.25 mm aggregates, while no difference was found for the soils subjected to spring freeze–thaw events. The freeze–thaw process decreased the amounts of Cd released from soil, and the lowest amounts were found in the spring snow-removed treatment. Redundancy analysis indicated that the exchangeable, reducible, and residual Cd fractions accounted for most of the variations in Cd release. This study is the first to apply rare earth oxides as an approach to uncover the role of soil aggregate turnover dynamics in explaining the environmental behaviors of heavy metals in seasonal freeze–thaw regions.

Groundwater numerical modeling is a crucial scientific tool for understanding groundwater circulation and supporting regional water resource planning and management. The effectiveness of these models depends largely on the accuracy of hydrogeological parameters within aquifers, which are often spatially heterogeneous and randomly distributed due to complex geological and tectonic factors. Traditional modeling approaches frequently overlook this randomness, compromising the precision and resolution of groundwater simulations. This study focuses on a section of the Qingshui River in the Huaihe River Basin. Using field and laboratory data, probability distribution functions for key parameters like hydraulic conductivity, specific yield, and specific storage were developed. These functions were integrated into the groundwater model to reflect the inherent stochastic nature of aquifer properties. This integration significantly enhanced model accuracy, reducing the root mean square error of simulated water levels from 0.47–1.43 m to 0.13–0.16 m and improving the Nash-Sutcliffe efficiency coefficients (NSE) from −2.96–0.73 to 0.94–0.98. Additionally, the model facilitated analysis of the interactions between river and groundwater, particularly in the hyporheic zone, under various scenarios. It identified spatial and temporal variations in groundwater recharge dynamics and delay effects at different distances from the river channel. For instance, recharge rates at 50 m and 150 m from the river were 0.295 m/day and 0.015 m/day, respectively, indicating stronger recharge closer to the river. The study also assessed the impact of varying river flows, riverbed permeability, and irrigation practices on water exchanges between the river and groundwater. These factors were found to significantly influence the intensity of water exchange, seepage, and groundwater reserves. This research provides valuable insights for managing river-groundwater interactions and analyzing the ecological environment of surrounding groundwater systems, underscoring the importance of incorporating stochastic characteristics into groundwater modeling.

Microbial remediation is a viable and eco-friendly approach for decontaminating pollution. However, its effectiveness can be limited by the microorganisms' survival and growth in changing environments. Hydrochar materials have been utilized in this study to increase the growth and atrazine degradation capabilities of Paenarthrobacter sp. KN0901, a strain capable of atrazine biodegradation. Acid-modified hydrochars exhibited a higher carbonation rate, specific surface area, and number of defect sites compared to raw hydrochar. Following three days of incubation at 15 °C, the atrazine degradation rate increased from 90.7 % to 98.2 % when utilizing H3PO4-modified hydrochar (PHC). Additionally, the addition of PHC resulted in an increase in both bacterial concentration and cell viability of strain KN0901, by 1.6 and 1.4 times, respectively. Under various conditions, including temperatures of 4 ºC and 35 ºC, as well as pH levels of 5 and 9, and dd·H2O media, PHC exhibited a significant enhancement in atrazine degradation and cell viability of strain KN0901. Furthermore, PHC demonstrated the ability to sustain high proliferation and viability of strain KN0901 over five cycles, indicating its remarkable stability and biocompatibility. This study offers a new perspective on the development and application of bioremediation approaches in restoring atrazine-polluted environments, even under challenging conditions.