印度戈达瓦里河谷煤矿区植物重金属积累与转运模式的物种特异性研究及其在生态修复中的应用

《Journal of Engineering and Technology Management》：Variation in heavy metal accumulation and translocation patterns in plant species utilized for reclamation of coal mine spoils in the southern Godavari Valley coalfield, India

本文系统评估了八种先锋植物（如余甘子、田菁等）对煤矿废弃堆（OBD）中重金属（HMs）的修复潜力。研究通过生物富集因子（BCF）和转运因子（TF）揭示了物种特异性积累模式，明确了植物提取（Phytoextraction）与植物稳定（Phytostabilization）的互补作用，并强调土壤pH值、电导率（EC）等理化性质显著影响重金属有效性。该研究为矿区生态修复的植物物种选择提供了科学依据。

　　

研究亮点

复垦覆盖层土壤的理化性质

复垦煤矿覆盖层堆放地（OBD）土壤样品的理化性质如表2所示。记录到小于2毫米的细颗粒比例较低，这反映了采矿作业产生的粗碎屑、卵石和石块相对丰富。在印度的OBD土壤中，粘土含量通常为30-40%，远低于未受干扰土壤的60-70%。在季风季节（6月至9月），土壤侵蚀风险加剧，年土壤流失量估计在30-50吨/公顷之间。土壤pH值在4.2至8.7之间变化（平均6.4），表明土壤呈酸性至中性反应。电导率（EC）值在98.4至580.0 μS/cm之间（平均271.6 μS/cm），表明盐度水平较低。有机碳（OC）含量范围为0.2%至1.8%（平均约0.8%），反映了OBD土壤中有机质普遍贫乏。土壤质地分析显示，砂粒（> 50 μm）占主导地位（65.2-82.4%），其次是粉粒（2-50 μm，12.5-25.8%）和粘粒（< 2 μm，5.1-9.0%），这与该地区典型的砂质壤土至壤砂土质地一致。高比例的粗颗粒物质导致土壤容重（BD）较高（1.52-1.89 g/cm3，平均1.68 g/cm3），孔隙度较低（28.7-42.6%，平均35.8%），进而影响水分入渗、根系发育和养分保持能力。

地上部生物富集因子（BCF_S）

采用BCF_S来评估生长在JVR煤矿复垦OBD上的八种植物物种（田菁属物种、酸豆、余甘子、水黄皮、团花、毗黎勒、白花合欢和蓝桉）地上部对重金属的积累效率（图5）。对九种重金属（As, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, Zn）的BCF_S值进行了评估，揭示了物种间积累能力的显著差异，以及不同物种在植物提取性能上的显著不同。详细的BCF_S值范围总结在表S2中。总体而言，大多数物种对重金属的BCF_S值较低（< 1.0），表明这些金属主要被限制在根部，限制了它们向地上部的转运。然而，某些物种对特定金属表现出增强的积累能力。例如，余甘子对砷（As）的BCF_S值最高（6.72），表明其具有将砷有效转运到枝条的能力。田菁属物种和酸豆对铅（Pb）和镉（Cd）表现出相对较高的BCF_S值（> 0.5），表明它们对这些金属具有一定的植物提取潜力。相比之下，团花和毗黎勒对铬（Cr）、铜（Cu）和钴（Co）的BCF_S值始终较低（< 0.3），表明这些金属被有效地固定在根部，限制了向地上部的易位，这符合植物稳定的策略。

植物根中重金属与pH和EC的相关性

进行了相关性分析，以研究重金属与关键土壤理化性质（pH和EC）之间的关系，以及它们在植物组织中的积累。Shapiro–Wilk检验表明数据不服从正态分布（p < 0.05）；因此，应用了非参数Spearman相关系数。在根组织中（图8a），观察到镍（Ni）和钴（Co）之间（r = 0.86）、铬（Cr）和钴（Co）之间（r = 0.81）以及铜（Cu）和铬（Cr）之间（r = 0.71）存在强正相关，这与它们在土壤中的共同来源和相似的化学行为一致。土壤pH值与根中镉（Cd）（r = -0.45）、镍（Ni）（r = -0.38）和铬（Cr）（r = -0.32）的积累呈负相关，表明酸性条件促进了这些金属的吸收。相反，土壤EC与根中钴（Co）（r = 0.41）、铬（Cr）（r = 0.36）和镍（Ni）（r = 0.33）的积累呈正相关，而与砷（As）（r = -0.24）和铜（Cu）（r = -0.40）的积累呈负相关，表明盐度条件差异性地调节了金属在土壤中的移动性和植物吸收。

结论

本研究评估了JVR煤矿复垦OBD上引入植物物种在生态修复方面的潜力，重点在于物种特异性的重金属积累和转运模式。复垦OBD土壤呈酸性至中性pH、有机碳含量低、容重高、重金属水平升高，显示出显著的污染，其中锌（Zn）、铅（Pb）和铜（Cu）通过其生物有效部分构成了生态风险。在所评估的植物物种中，余甘子在砷（As）积累方面表现优异（BCF_R = 22.4），而田菁属物种和酸豆对铅（Pb）和镉（Cd）显示出有效的植物提取潜力（TF ≥ 1.0）。团花和毗黎勒有效地将铬（Cr）、铜（Cu）和钴（Co）稳定在根部（BCF_R > 3.5；TF < 0.5），表明具有植物稳定潜力。相关性分析揭示了根中Ni–Co、Cr–Co和Cu–Cr，以及地上部中Ni–Co和Ni–Cr，还有土壤中Ni–Co和Pb-Cd之间的强正相关关系，表明存在同步吸收和移动。土壤pH值显著影响重金属有效性，酸性条件增强了镉（Cd）、镍（Ni）和铬（Cr）的吸收，而中性pH（> 6.5）有利于砷（As）的移动。土壤EC增加了钴（Co）、铬（Cr）和镍（Ni）的有效性，同时降低了砷（As）和铜（Cu）的有效性，表明碱性条件差异性地调节土壤中的金属移动性。这些发现强调了植物提取器和稳定剂在设计可持续的OBD复垦策略中具有物种特异性和互补作用。