在经过51年恢复的废弃钒钛磁铁矿尾矿池中，本地植物对钒和镉的积累机制存在显著差异

《Journal of Environmental Sciences》：Divergent phytoaccumulation mechanisms of vanadium and cadmium by native plants in a 51-year-restored legacy vanadium-titanium magnetite tailings pond

研究四种本土植物在钒和镉共污染矿渣地的累积模式，发现钒累积能力低，而Dodonaea viscosa和Agave sisalana对镉有显著富集潜力，提出分阶段修复策略。

　　

作者：龙志杰、 Bing海健、 朱贺、 吴艳红

中国四川省成都市，四川师范大学地理资源科学学院，教育部西南地区土地资源评价与监测重点实验室（邮编：610066）

摘要

本地植物在修复含金属废弃物方面展现出巨大潜力，但目前关于采矿生态系统中钒（V）和镉（Cd）同时积累的调控机制仍缺乏充分研究。本研究考察了四种本地植物（Heteropogon contortus、Agave sisalana、Crotalaria pallida 和 Dodonaea viscosa）在了一个已修复51年的钒钛磁铁矿尾矿池中的V和Cd积累模式及其植物修复潜力。我们还探讨了土壤性质对V和Cd积累的影响，并提出了针对性的辅助修复策略。所有物种的V修复能力均较低，因为其根部和地上部分的V含量均低于40 mg/kg和30 mg/kg。然而，D. viscosa的根、茎和叶中的Cd浓度分别超过了土壤平均值的1.71倍、2.29倍和1.00倍，表明其在Cd植物积累方面具有潜力。A. sisalana的地上部分积累了高浓度的Cd，并且具有高效的转运能力（转运因子=4.72），这支持了其在Cd植物积累中的应用。鉴于H. contortus和C. pallida的Cd积累特性、环境适应性和土壤改良能力，它们适合作为早期生态修复的先锋物种。植物的V积累主要受植物生理机制控制，而Cd的吸收则很大程度上取决于土壤中Cd的生物可利用性和物理化学性质。因此，V的植物修复需要筛选合适的植物稳定剂，而Cd的植物修复则可以通过优化土壤性质（如pH值和有机质含量）来提高。我们的研究结果为多金属污染环境中的物种特异性修复策略提供了依据。未来的研究将重点关注植物中V和Cd积累的生理机制。

引言

近几十年来，采矿和矿物加工活动在全球范围内产生了大量的含金属废弃物（Yang等人，2024年；Hou等人，2023年；Macklin等人，2023年）。这些退化区域成为多金属污染的来源，破坏了生态系统的恢复力并加速了土地退化（Ma等人，2024年；Chamba等人，2016年）。这些区域的固有地质技术不稳定、养分缺乏和高金属毒性共同抑制了自然生态恢复（Díaz等人，2025年；Cross和Lambers，2017年）。钒（V）是一种广泛分布的过渡金属，主要来源于采矿和冶炼活动（Zhang等人，2025年；Long等人，2024a年）。过去二十年间，全球V的产量翻了一番多（Schlesinger等人，2017年），其在土壤中的高浓度对生态系统构成了严重威胁，使得土壤V污染成为一个日益严重的问题（Zhang等人，2023年；Shaheen等人，2019年）。与此同时，由于矿石开采及相关人为活动，镉（Cd）在含金属废弃物中容易被富集（Hosseinniaee等人，2023年；Xing等人，2020年）。这些过程使得含金属废弃物特别容易受到V和Cd的共污染，这两种金属会在邻近区域积累并形成持久的多污染物库（Long等人，2021a，2024a，2024b；Huang等人，2024年；Hu等人，2005年）。V和Cd的显著植物毒性和生态毒性是植被恢复和功能生态系统重建的主要障碍（Long等人，2024c；Ng等人，2023年）。因此，开发实用的技术来减轻V和Cd的毒性并恢复土壤功能是含金属废弃物生态修复的紧迫任务。

重金属污染的修复方法包括物理、化学和生物方法。然而，物理和化学修复技术成本高昂，可能损害土壤肥力，并有产生二次污染的风险（Li等人，2024年；Ng等人，2023年）。相比之下，植物修复具有明显优势，如减少现场干扰、改善景观美观度以及获得广泛的社会认可（Cary等人，2021年；Wu等人，2021a年）。例如，由于植物修复在建立后的维护需求较低，其成本大约是工程方法的十分之一（Marques等人，2009年）。Diamond等人（1999年）还证明，原位植物修复在抑制污染物扩散方面比物理处理更有效。成功实施植物修复依赖于识别能够耐受恶劣土壤条件、积累目标金属并产生高生物量的植被（Long等人，2024c；Xing等人，2020年；Chamba等人，2016年）。与引入的替代物种相比，本地物种更能适应特定的采矿压力，包括复杂的土壤、特殊的气候和多金属毒性（Galahitigama等人，2025年；Xiao等人，2018年）。使用本地物种还可以降低成本、加快生态系统恢复速度并消除入侵风险（Xing等人，2020年）。这些物种的植物修复潜力可以通过物种特异性的金属积累模式和植物积累因子进行定量评估。这些因子包括生物浓缩因子（BCF）、转运因子（TF）和生物积累系数（BAC）（Galahitigam等人，2025年；Li等人，2024年；Chamba-Eras等人，2022年）。然而，关于本地物种在采矿环境中同时积累V和Cd的系统研究仍然有限。因此，本地植物在修复同时受V和Cd污染的场地方面的具体潜力尚未得到充分开发。

V主要通过根系以H?VO??等氧阴离子形式被植物吸收（Zhang等人，2023年；Chen等人，2021年）。其积累受到低吸收和转运效率的限制。例如，在一个V冶炼场附近，Bothriochloa ischaemum（L.）、Eleusine indica（L.）和Cenchrus echinatus（L.）的BCF和TF值均低于0.3（Zhang等人，2025年）。由于植物中V的积累量通常较低，迄今为止尚未发现超积累物种（Zhang等人，2023年；Wu等人，2021b年；Aihemaiti等人，2020年）。植物中的V积累受关键土壤性质的影响，包括V的生物可利用性、pH值和土壤有机质（SOM）。V的生物可利用性直接影响根系吸收，pH值调节V的形态和溶解度，而SOM可以通过络合作用降低V的生物可利用性，尽管溶解的有机质有时会增强其迁移（Aihemaiti等人，2020年；Shaheen等人，2019年）。此外，植物中的V积累还受到内部生理机制的控制，包括根系排斥和液泡隔离。这些机制在减轻V毒性方面起着关键作用，是植物中V积累的主要调节因素（Praja等人，2025年；Wu等人，2021b年；Yang等人，2017a年）。相比之下，Cd主要通过根系以Cd2?的形式被吸收，活跃的木质部介导的运输促进了其在地上组织的转移（Xia等人，2025年；Wu等人，2023年）。因此，Cd的BCF值通常高于共存的金属（如Pb、Zn和Cu）（Li等人，2024年；Hosseinniaee等人，2023年；Xing等人，2020年）。这种高效的吸收和转运过程使得植物地上部分能够积累大量Cd，从而发现了多种Cd积累植物（如Populus属植物、Phytolacca americana和Cichorium intybus）（Xia等人，2025年；Li等人，2024年；Wu等人，2023年），以及经过验证的超积累植物，包括Sedum alfredii、Viola baoshanensis和Solanum nigrum（Wu等人，2023年；Ng等人，2023年；Liu等人，2004年）。这些积累动态受到关键土壤参数的强烈影响，特别是Cd的生物可利用性、pH值、SOM、土壤质地和Fe/Al（氢）氧化物（Nouri和Hashempour，2023年；Long等人，2022年）。它们还受到植物生理特性的调节（Nouri和Hashempour，2023年；Xiao等人，2018年）。与关于Cd积累的广泛研究相比，关于植物中V积累的研究不足。更重要的是，关于V和Cd从根系吸收到地上部分转运的积累过程及其在共存植物物种中的不同调节机制的比较分析仍然了解不足。鉴于现有研究中报道的V和Cd的植物积累因子存在显著差异，以及它们在化学行为上的多样性（Xia等人，2025年；Ng等人，2023年；Chen等人，2021年；Aihemaiti等人，2020年），推测在含金属废弃物中定殖的本地植物采用了不同的V和Cd调节机制和积累策略。

Majiatian尾矿池是位于中国西南部攀枝花市的一个代表性钒钛磁铁矿尾矿处置场地。自1971年投入使用以来，实施了全面的基于植被的修复措施以减少尾矿扩散。在土壤覆盖后立即引入了Heteropogon contortus、Agave sisalana、Crotalaria pallida和Dodonaea viscosa等本地物种。实地调查显示，这四种植物在尾矿池中广泛分布，且出现频率最高（Long，2022年）。此外，尽管土壤中检测到V和Cd污染（Long等人，2022年，2024a年），但这些植被没有表现出明显的植物毒性症状（如黄化、坏死或死亡；Jin等人，2024年；Long等人，2024c年）。这种生理耐受性表明这些物种非常适合在V和Cd共污染的含金属废弃物中进行生态修复。因此，为了填补知识空白，本研究针对这四种物种系统地调查了（1）这四种本地物种中V和Cd的积累模式和植物积累指标；（2）调控植物V和Cd积累的不同机制；以及（3）V和Cd的物种特异性植物修复潜力及每种金属的针对性实施策略。

研究区域和样本采集

Majiatian尾矿池位于中国西南部攀枝花市的一个峡谷斜坡上（坐标：26°05′N-27°21′N，101°08′E-102°15′E；附录A 图S1a）。该地区的年平均温度和降水量分别为21.7°C和692.4毫米（PMPG，2021年）。尾矿池距离市中心3公里。在植被恢复之前，尾矿上覆盖了30-50厘米的当地来源的贫瘠坡地材料（粉质壤土和粘质淤泥）。详细的地质和地理特征记录在

土壤性质

土壤的物理化学性质如下（平均值±标准差）：pH值7.26 ± 0.671，SOM 5.57% ± 1.24%，粘土含量3.88% ± 1.62%，Fe?? 33.5 ± 22.3 mg/kg，Al?? 9.41 ± 3.62 mg/kg（n = 78）（附录A 图S1c）。V、V_HAc和V_DGT的平均值（±标准差）分别为266 ± 72.3 mg/kg（范围：119-404 mg/kg）、1.02 ± 0.802 mg/kg（范围：0.149-3.84 mg/kg）和3.82 ± 2.24 μg/L（范围：0.830-10.1 μg/L），Cd、Cd_HAc和Cd_DGT的平均值分别为0.346 ± 0.201 mg/kg（范围：

本地植物的V和Cd积累模式

与我们的假设一致，研究中的植物物种表现出不同的V和Cd积累模式。V的积累量有限，组织中的浓度低于土壤平均水平。V的BCF和BAC值也始终低于1。这一现象与植物中V的普遍低积累量相符（Zhang等人，2023年；Aihemaiti等人，2020年），这可能是由于土壤中V的生物可利用性较低（V_HAc：V = 0.38%）。V在化学上相对不活跃

结论

尾矿池中的本地植被在V和Cd的积累方面表现出不同的策略。植物的V积累量有限，表现为植物组织中的V浓度较低（根系V < 40.0 mg/kg；地上部分V < 30.0 mg/kg），且植物积累指标值普遍低于1。这种低效率表明这些物种在V植物修复方面的潜力较低。植物能够有效积累和转运Cd，这一过程主要受土壤中Cd的生物可利用性的控制

作者贡献声明

龙志杰：调查、正式分析、概念构建、初稿撰写、审稿与编辑、资金筹集。Bing海健：验证、审稿与编辑、监督、资金筹集。朱贺：调查、数据可视化。吴艳红：审稿与编辑、监督。

CRediT作者贡献声明

龙志杰：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、调查、资金筹集、正式分析、概念构建。Bing海健：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、资金筹集。朱贺：数据可视化、调查。吴艳红：撰写 – 审稿与编辑、监督。

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工作。

致谢

本研究得到了四川省青年基金项目（编号：2025ZNSFSC1165）、教育部西南地区土地资源评价与监测重点实验室国际合作基金（编号：TDSYS202418）、四川省科技计划（编号：2025ZNSFSC0290）以及武汉理工大学关键非金属矿产资源绿色利用重点实验室开放基金（编号：KFJJ202501）的支持。