晋陕蒙接壤区煤矿新构土体-植物系统中Pb和Cd的迁移转化

The aim of this project is to study the migration and transformation of Pb and Cd in the newly constructed coal mine soil made of different proportions of loessal soil and coal fly ash at the Heidaigou opencast coal mine in the Jin-Shaan-Meng contiguous area, and to assess the potential risk of heavy metal contamination when applying coal fly ash to loessal soil amendment. The project will be carried out by performing field work in combination with greenhouse pot experiment. The effects of rhizosphere pH and carboxylates exudation on speciation transformation of Pb and Cd will be investigated by comparing the concentrations of different speciations of Pb and Cd and their phytoavailability between the non-rhizosphere and rhizosphere soil. By studying the distribution patterns of Pb and Cd and their speciations in different plant organs, in combination with investigating the subcelluar distribution patterns of Pb and Cd, and determining the concentrations of non-protein thiols including glutathione and phytochelatins, the mechanisms for Pb and Cd tolerance, accumulation and detoxification of different plants will be clarified. Based on responses of plant growth, photosynthetic capacity and mineral nutrition status, the contribution of coal fly ash to improvement of loessal soil fertility will be assessed, the optimum proportions of loessal soil and coal fly ash will be established. Results of this project will provide scientific basis for speeding up the ecological restoration progress on coal mine waste dumps in the Jin-Shaan-Meng contiguous area.

采用野外调研实测和室内盆栽试验相结合的方法，研究晋陕蒙接壤区黑岱沟露天煤矿矿区黄土性土壤和矿口电厂粉煤灰以不同比例混合后新构土体-植物系统中Pb和Cd的迁移转化规律，评价利用粉煤灰改良黄土性土壤潜在的重金属污染风险。通过比较根际土壤和非根际土壤不同赋存形态的Pb和Cd含量及植物有效性，明确根际pH值改变和有机酸分泌对Pb和Cd赋存形态转化的影响。从Pb和Cd在植物不同器官中的分布和赋存形态及其亚细胞分布角度出发，结合测定不同器官中谷胱甘肽和植物螯合肽等非蛋白巯基含量，阐明不同植物对Pb和Cd的耐性、累积和解毒机理。根据不同植物的生长和光合能力响应、以及矿质元素平衡情况，衡量利用粉煤灰改良黄土性土壤对提高土壤肥力的贡献，确定黄土性土壤与粉煤灰的最佳混合比例，为加速晋陕蒙接壤区煤矿排土场的生态恢复进程提供科学依据。

采用野外调研实测和盆栽试验相结合的方法，研究了晋陕蒙接壤区煤矿排土场新构土体–植物系统中Pb和Cd的迁移转化，对利用粉煤灰改良黄土性土壤潜在的重金属污染风险进行了评价。主要研究内容和研究结果包括以下几个方面：（1）通过对黑岱沟煤矿东排土场新构土体和植物中Pb和Cd的含量进行分析，并将其与未受煤矿开采扰动的土壤和植物中Pb和Cd的含量进行比较，研究了煤矿开采和土体重构对土壤–植物系统中Pb和Cd迁移转化的影响，结果显示煤矿开采和土体重构没有导致该区域土壤和植物中的Pb和Cd含量升高。（2）将黄土性土壤和粉煤灰以不同比例混合开展为期两年的盆栽试验，研究结果表明：在黄土性土壤中加入5%、10%、20%的粉煤灰均对植物生长一直表现为显著的促进作用，加入40%的粉煤灰对植物生长先表现为抑制作用后表现为促进作用，加入80%的粉煤灰对植物生长表现为显著的抑制作用。添加粉煤灰并没有使植物地上部的Pb含量升高，但地上部的Cd含量随粉煤灰添加比例升高而升高。在第一个生长季中，添加粉煤灰对植物地下部Pb和Cd含量的影响不显著，但在第二个生长季中，添加粉煤灰使植物地下部的Pb和Cd含量升高。地下部的Pb和Cd含量均高于地上部的Pb和Cd含量。添加粉煤灰使植物地上部的P、Mo、B和Se含量升高，但使K、Cu和Zn的含量降低。（3）粉煤灰添加比例对土壤中可交换态和碳酸盐结合态、有机物结合态、铁锰氧化物结合态的Pb含量，以及可交换态和碳酸盐结合态的Cd含量的影响显著。土壤培育时间和植物生长对土壤中Pb和Cd的形态转化没有显著影响。利用粉煤灰改良黄土性土壤不会造成Pb污染风险，但有造成Cd污染的潜在风险。在实际应用中，粉煤灰添加比例不宜超过5%，以避免造成Cd污染和植物缺K、Cu和Zn，以及因Mo、B和 Se含量过高而使植物受到毒害。本项目的研究结果将为揭示新构土体–植物系统中Pb和Cd的迁移转化规律、促进粉煤灰的资源化利用和加速晋陕蒙接壤区煤矿排土场的生态恢复进程提供理论基础。