本文以湘潭锰矿污染区治理为研究对象,致力于探索重金属污染场地生态修复涉及的理论与工程技术问题。通过野外调查和样品采集,分析了锰矿渣堆积区基质的理化性质与重金属污染程度,统计了区内分布的本土植物种类,分析了其重金属耐受和积累特性,选出了 16种生态-经济型修复植物。采用矿渣作为基质开展了盆栽试验,测试分析了筛选植物耐受复合重金属污染的机理,检验了专用有机菌肥改良根际土壤的效果。结合盆栽试验,构建了中试模拟场地试验装置,对比了复合与单一植物模式的修复效应。基于上述研究,以泡桐和栾树为建群植物,采用专用有机菌肥改良根际土壤微生态环境来代替常规的覆土方法,成功地在湘潭锰矿污染区建立了面积为4 hm2的生态修复示范区。示范区建成后5年里,通过采样、监测,比较了泡桐和栾树5年生长量和重金属积累特性,分析了逐步形成的植物群落结构和其重金属吸收的季节变化效应。结合运用物理化学与生态学原理,建立了用以描述重金属污染修复区状态的生态系统热力学方程,测试分析了不同植物群落模式的Gibbs自由能和不同物种的化学势。本研究为指导生态修复工程实践和评价污染区生态修复效果提出了新的理论依据与实用参数。主要研究结果如下:(1)湘潭锰矿渣基质保水性差,氮、磷含量低,不利于植物生长。基质中最高Mn含量可达24727.73 mg/kg,Pb、Cd、Cu、Zn的平均含量也远超过湖南省和全国的背景值。污染指数、地累积指数和潜在生态风险指数评价结果表明,试验点属多重金属重度污染区,存在极大的潜在生态风险。矿区本土植物共63种29科,多为草本植物。盆栽筛选试验中,泡桐、乌桕、蓖麻、栾树、小叶女贞、红麻、夹竹桃成活率均达100%,7种植物中,泡桐和栾树生长速度最快,泡桐、栾树、红麻、夹竹桃的Mn、Pb积累量大,专用有机菌肥显著增大了植物生物量和锰吸收量,含20%有机菌肥基质处理的成本效益最高。(2)中试模拟试验中,复合植物模式的生物量、Mn积累量、持水量分别是单一植物模式的1.6、7.5、1.5倍,有机菌肥能增大群落重金属吸收量,提高基质保水能力,降低重金属污染扩散量。模拟降雨淋失试验中,有机菌肥处理提高了土壤水溶性Mn含量,但降低了其络合性重金属含量,系统水土流失和随其带走的重金属量随模拟降雨强度增大而增大。要控制污染扩散,必须拦截阻隔降雨时期污染区的水土流失。复合植物-有机菌肥处理的植物覆盖度、生物量、重金属积累量最大,生态修复效果最好,形成的乔-灌-草空间结构具有生物多样性丰富,保水力强和水土流失量低的综合特点。(3)生态修复示范区中,专用有机菌肥处理区栽种的泡桐和栾树的成活率大于83%,利用其速生特点,能快速恢复污染区植被景观。3至5年树龄的泡桐平均树高、胸径、生物量、重金属积累量均大于栾树。两种植物重金属积累量随树龄显著增大,在植体内的分布规律为茎>根>叶。两种植物的Mn、Pb含量随树龄的变化不大,在植体内的分布规律为叶>根>莖。复合植物群落的密度、盖度、丰富度、多样性指数的季节变化显著,规律为夏>秋与春>冬。由于落叶和草本植物的消亡,植物群落地上部生物量和重金属吸收量随季节变化的规律为秋>夏>冬≈春。处理区根际土壤Mn水溶性季节规律为夏、秋和冬大于春季,土壤微生物数量和种类数为秋和夏大于春和冬季。植物的生长量和锰积累量与土壤重金属有效性和工程区植物多样性呈正相关。(4)监测的植物修复模式中,复合植物群落模式的覆盖度、丰富度、多样性指数、均匀度最大。不同模式植物的平均年生物量增长率为:复合植物-有机菌肥>单一草坪-覆土>单一栾树-覆土>对照;植物锰吸收量为:复合植物-有机菌肥>单一栾树-覆土>对照>单一草坪-覆土。复合植物-有机菌肥模式的群落层次丰富度和多彩美景度最高,景观效果最好。(5)本研究定义的转运量系数TQ和积累量系数BQF可定量描述植物的重金属转运和去除能力,而建立的生态系统Gibbs自由能方程可用以确定工程区生态系统的状态和评价修复的效果。植物群落自由能和化学势描述的生态修复效应与相关生态学指标反映的基本趋势一致,复合植物-有机菌肥模式的锰吸收量的Gibbs自由能值最高、富集锰元素的势能最强。自由能G包含了系统生产力和生物多样性信息,化学势μ能反映植物生长势、元素吸收能力及其相关的生态学特性。与传统指标相比,G和μ可从热力学角度分析生态系统与立地环境的相关性,因此,建立的热力学方程在指导生态修复工程实践和评价修复效果中具有一定的应用价值。本文主要的创新点为:(1)采用用材树种为建群物种,发展了新的用以修复重金属污染场地的植物群落模式技术。(2)应用了具有解毒和供肥功能的含有耐性菌株的有机菌肥。(3)建立了用以确定生态修复工程区植物群落自由能和化学势的热力学方程。