随着我国社会经济的发展,环境污染和生态破坏问题日益突出,能源结构调整势在必行。近年来,贵州省加大煤矿关闭整合力度,然而由于对煤矿废弃地缺乏必要的环境修复措施,区域内大量农田受酸性废水和重金属污染而弃耕抛荒,严重影响粮食安全和农业基础的稳定。因此,开展煤矿废弃地重金属污染评价及生态修复措施研究,具有重要的应用价值和实践意义。本文以矿区生态环境健康发展为前提,以生态修复理论为指导,结合贵州省煤矿废弃地生态恢复的实际情况,选取贵阳市花溪区枫香树煤矿、金田煤矿、银洞煤矿、贵安煤矿废弃地作为研究对象,探讨了采用蜈蚣草和苎麻两种矿区废弃地优势植物进行重金属污染修复的效果,同时探索了在天然表面活性剂茶皂素的作用下,苎麻在重金属Cd污染土壤中的生长发育、生理特性以及苎麻对重金属Cd的富集效应和转运能力,旨在为煤矿废弃地植物修复提供材料选择和技术参考。主要研究结果如下：(1)对贵州省贵阳市花溪区枫香树煤矿、金田煤矿废弃地农田复垦区、矸石山复垦区的土壤化学性质进行了分析测试。结果表明,煤矿排污口排放的酸性废水和矸石中伴生的硫铁矿与空气中的氧气发生氧化反应产生的酸性物质,在雨水冲刷和地表径流的作用下,导致煤矿废弃地土壤pH值普遍较低,甚至有部分区域土壤呈强酸性状态。煤矿废弃地保肥能力差异较大,农田复垦区保肥能力为中等水平,阳离子交换量介于10～20cmol/kg之间；矸石山复垦区土壤保肥能力较弱,除个别区域外,大部分区域阳离子交换量低于10cmol/kg。农田复垦区较矸石山复垦区土壤熟化程度好,土壤有机质含量高于矸石山复垦区。煤矿废弃地土壤N、P、K全量处于中等偏下水平。由于研究区土壤呈酸性,有效态N、P、K含量普遍较低,尤其是有效态P严重匮乏,其形态以难溶性铝磷和铁磷为主。(2)对枫香树煤矿废弃地农田复垦区、矸石山复垦区和金田煤矿废弃地占压地、荒地、农田的重金属含量及形态进行了分析。结果表明,研究区土壤中重金属Cu、Zn、Pb、Cd含量均超过贵州省土壤背景值。其中,重金属Cu的含量超过了我国《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)中的二级标准(50mg/kg);农田复垦区土壤中的Cd含量达到了《土壤环境质量标准》中的一级标准(0.20mg/kg)的2倍,超过了二级标准(0.30mg/kg);煤矿废弃地重金属Pb的含量虽有一定程度的积累,超过了贵州省土壤背景值,部分区域超过《土壤环境质量标准》中的一级标准(35mg/kg),但远低于二级标准(250mg/kg); Zn和Cr的含量均低于二级标准,处于清洁水平。(3)对枫香树煤矿废弃地重金属污染水平进行了评价。结果表明,农田复垦区土壤重金属单因子污染指数(Pi)表现为：Cd>Cu>Pb>Zn>Cr,可见农田复垦区土壤中重金属Cd的积累是最严重的,单因子污染指数最高为3.38；内梅罗综合污染指数(P综)评价结表明,农田复垦区五块样地的综合污染指数为2.11-2.81,污染程度为Ⅳ等级,呈中度污染水平。矸石山复垦区土壤重金属单因子污染指数(Pi)表现为：Cd>Cu>Pb>Zn>Cr;矸石山复垦区土壤中重金属Cd的积累明显,其单因子污染指数最大值为3.75；从内梅罗综合污染指数(P综)评价结果来看,五块样地的综合污染指数为2.41-3.07,整体处于中度污染水平。金田煤矿废弃地占压地、荒地、农田土壤重金属单因子污染指数(Pi)从大到小的排列顺序为：Cd>Pb>Cu>Zn>Cr,均处于中污染和轻污染水平；内梅罗综合污染指数(P综)评价结果显示：占压地>农田>荒地,分别2.13、1.83、1.58,处于中污染和轻污染状态。研究区重金属Cd积累较为明显,单因子污染指数较高,存在潜在生态风险,从环境风险和食品安全方面考虑,应将Cd作为煤矿废弃地重点防治对象。(4)研究了蜈蚣草对强酸性土壤的耐性和对重金属污染环境的修复能力。结果表明,煤矿废弃地土壤均为酸性土壤,生物多样性较差,植被单一。其中,优势植物蜈蚣草具有较强的耐酸性,在研究区这种酸性程度较高的土壤中,蜈蚣草仍能正常生长。蜈蚣草的盖度随土壤pH值变化而变化,土壤pH值越小,区域内生物多样性减少,蜈蚣草盖度越低。金田、银洞、贵安煤矿废弃地Cd、Pb、Cr、 Cu、Zn存在不同程度的超标,其中重金属Cd含量比贵州省土壤背景值高出3倍之多。有效去除煤矿废弃地重金属污染是矿区生态修复和复垦工作的先决条件,盲目地在矿区废弃地种植农作物存在较大的食品安全风险。蜈蚣草对不同重金属元素的富集能力存在较大的差异。富集系数大小顺序为：Cd>Pb>Cr>Cu>Zn,对Cd、Pb的富集系数均大于1,其中对Cd的富集系数达4.3,因此可以考虑把蜈蚣草作为煤矿废弃地植物修复的首选植物。蜈蚣草对重金属的转移系数大小顺序为：Cu>Zn>Pb>Cd>Cr。三个试验区域除了金田煤矿由于土壤酸化严重,对Cu的转移系数小于1,其余两个区域蜈蚣草对Cu的转移系数均大于1,其中贵安煤矿废弃地达到了3.3。因此,蜈蚣草对重金属Cu污染土壤修复有一定的应用价值。(5)通过盆栽试验研究了不同浓度茶皂素溶液对苎麻生长的影响以及苎麻对重金属Cd的富集效应和转运能力。结果表明,在Cd污染土壤中,茶皂素对苎麻株高和茎粗的影响存在剂量效应。0.1mmol/L浓度的茶皂素会加剧重金属Cd对苎麻的毒害作用。0.5-5.0mmol/L浓度的茶皂素能减轻重金属Cd对苎麻的毒害作用。当茶皂素浓度达到2.5mmol/L时,茎粗达到最大值。低茶皂素浓度(0.1mmol/L)和高茶皂素浓度(5.0mmol/L)处理苎麻的叶片、籽粒和原麻干重均显著下降；在0.5～2.5mmol/L茶皂素浓度范围内,随着浓度的增加,苎麻的叶片、籽粒和原麻干重呈上升趋势。在2.5mmol/L浓度时苎麻的叶片、籽粒和原麻干重显著增加,说明该浓度茶皂素能有效淋洗土壤中重金属Cd,对苎麻干物质积累有一定促进作用。在0.5～2.5mmol/L茶皂素浓度范围内,苎麻根、茎、叶中重金属Cd的含量依次呈上升趋势；茶皂素的浓度介于2.5～5.0mmol/L之间时,苎麻根、茎、叶的重金属Cd含量依次呈下降趋势。因此,在实际矿区废弃地Cd污染土壤的治理中,2.5mmol/L的茶皂素溶液是最理想的浓度选择。低茶皂素浓度(0.1mmol/L)抑制苎麻的叶绿素a的合成；在0.5～2.5mmol/L茶皂素浓度范围,随着处理浓度的增加,苎麻的叶绿素a和叶绿素b含量增加,并在茶皂素浓度为2.5mmol/L时达到最大值。不同浓度茶皂素处理的叶绿素总量变化趋势与叶绿素a含量的变化趋势基本一致。在重金属Cd污染土壤中加入2.5mmol/L茶皂素溶液,可显著增加苎麻的叶绿素总量,提升苎麻光合性能。苎麻根、茎、叶对重金属Cd的富集系数随茶皂素浓度的增加而呈现先升高后降低的趋势。当茶皂素浓度为2.5mmol/L时,根、茎、叶对重金属Cd的富集系数都达到最高,表明在此浓度下,茶皂素能有效提高苎麻对重金属Cd的富集能力。茶皂素浓度在0.1～2.5mmol/L范围内,转移系数呈上升趋势,但上升的幅度未达到显著水平。当茶皂素浓度为2.5mmol/L时,苎麻对重金属Cd的转移系数为0.75,略高于其它浓度茶皂素处理。