钒(V)是生命体的必需元素,但过量的V会抑制微生物和植物的发育,威胁人体健康。堆积的尾矿是区域环境的重要威胁,而植被恢复则是降低尾矿库环境威胁的良好解决方案。此外,植被恢复还有助于增强土壤固碳(C)潜力,助力全球C中和达标。然而,钒钛磁铁矿尾矿库植被恢复过程中V的迁移转化机理、植被和土壤发育状况以及尾矿植被恢复的限制因素并不清楚。尾矿库区V的迁移与尾矿库植被恢复的相互影响和机理也仍有待研究。为此,本文以四川省攀枝花市马家田钒钛磁铁矿尾矿库为研究区,通过植被调查,样品采集,结合室内淋滤实验,结合酶活性分析,酶矢量模型,欧洲共同体标准物质局连续提取法(BCR)和薄膜扩散梯度技术(DGT)等多种方法,分析了V在尾矿库多种环境介质中的分布特征;评估了钒钛磁铁矿尾矿堆积的环境风险;揭示了V在尾矿库区的迁移转化机理;解析了钒钛磁铁矿尾矿库植被恢复过程中的植被和土壤发育规律;破译了尾矿库植被恢复的限制因子;阐明了土壤V积累对尾矿库植被恢复过程土壤发育的潜在影响及其影响机制。本文的主要结果和结论如下: (1)明确了尾矿堆积的环境风险;揭示了尾矿库区V的迁移转化机理;探讨了植被恢复对尾矿库区V的迁移转化的影响。尾矿的持续堆积以及自上而下的风吹扩散是尾矿库区V积累的主要原因。由于其低有效性,尾矿和土壤中的V难以通过雨水淋溶和水蚀等方式迁移至周边水体,尾矿库区土壤V也并不存在显著的生态风险。土壤总V浓度驱动了醋酸提取态V(VHAc)浓度的变化,土壤性质对土壤VHAc浓度的调节则十分微弱。与之相反,薄膜扩散梯度技术提取态V(VDGT)主要受到土壤性质的调控,而几乎不受土壤总V浓度的影响。尾矿库植物不同组织V浓度差异显著。与其他典型V污染场地植物相比,尾矿库植物V浓度较低。植被恢复主要通过减缓下伏尾矿的风化以及抑制尾矿和覆土的风吹扩散,而非通过植物对V的大量积累和对土壤性质的改变影响V在尾矿库区的迁移和转化。 (2)确定了覆土后淋滤活动中尾矿和土壤V的淋失量和地球化学动态。土壤和尾矿释放的V低于总V含量的0.01%。尾矿中的V很少被淋溶,也很难迁移至上覆土壤。上覆土壤体积对尾矿中V的迁移和释放没有影响。与浸出前的尾矿和土壤相比,浸出后尾矿和土壤中的可还原组分和可氧化组分分别表现出更高的V浓度,表明在浸出实验过程中淋滤柱中发生了重吸收现象。这可以归因于尾矿中的金属(氢)氧化物和土壤中的有机物对V的高亲和力。 (3)掌握了植被恢复过程中的土壤发育规律;确定了尾矿库植被恢复的主要限制因子;解析了土壤V的积累对尾矿库植被恢复过程中土壤发育的影响及其机制。随着恢复年限的增加,土壤有机质、有机碳(SOC)、全氮(TN)、微生物生物量N和土壤胞外酶活性等指标显著增加,表明了土壤质量的改善。然而,植被恢复后土壤总磷(TP)含量有所降低,土壤微生物在恢复过程中也一直受到P的限制。这主要是由雨水淋溶和植物对P的吸收所导致的。此外,在恢复过程中,土壤微生物生物量C熵不断降低,相对微生物C限制不断加剧。冗余分析结果表明土壤微生物生物量C熵与SOC显著负相关,这反映出土壤C的质量而非C的数量是决定土壤微生物C利用效率的主要因素。土壤容重,土壤水分,土壤SOC∶TN比和土壤V浓度是影响土壤相对微生物C限制的主要因素。其中,土壤物理性质的影响力最大,其次为土壤V和土壤养分计量比。此外,结构方程模型结果还表明,土壤理化性质主要通过直接作用而非通过对土壤V的调节影响土壤相对微生物C限制。因此,土壤P的降低、土壤有效C的缓慢积累以及土壤V的积累是尾矿库植被恢复的主要限制因子。土壤V的积累抑制了土壤微生物生物量C的增长,导致了土壤相对微生物C限制的加剧,也进而抑制了恢复土壤C的积累。未来需更加注意土壤V的迁移对植被恢复过程中土壤微生物的不利影响。 (4)揭示了植被恢复过程中的植被发育规律;筛选出了适宜于干热河谷地区钒钛磁铁矿尾矿库植被恢复的植物组合。马家田尾矿库恢复植被以草本和小型灌木为主。其中,黄茅、车桑子、剑麻、木豆和猪屎豆分布最为广泛。黄茅生长能力极强,在能适应恶劣的土壤环境的同时也能在短时间内达到高达70%以上的盖度。猪屎豆和木豆等豆科植物能很好地适应干热河谷地区干旱少雨的气候和植被恢复初期贫瘠的土壤条件。此外,这些植物均能耐受土壤高V浓度。因此,木豆/猪屎豆+黄茅的植物组合能快速实现尾矿库的护坡稳定,改善生态景观,展现出作为先锋植物组合应用于钒钛磁铁矿尾矿库乃至其他富V矿山的植被恢复的巨大潜力。 本研究为V在表生生态系统中的地球化学行为提供了重要参考,同时也为快速实现钒钛磁铁矿矿山的植被恢复提供了科学依据和理论支撑。