本發(fā)明涉及基于風(fēng)險(xiǎn)控制的重金屬重度污染農(nóng)田的處理方法，尤其涉及一種利用小葉楊處理重金屬鎘重度污染鈣質(zhì)農(nóng)田的方法。
背景技術(shù)：
據(jù)《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》（2014年）顯示，我國(guó)耕地土壤點(diǎn)位超標(biāo)率為19.4%，污染以無(wú)機(jī)型為主，鎘（Cd）是首要污染物。具體來(lái)看，全國(guó)中重度污染耕地面積大體在5000萬(wàn)畝左右，其中Cd重度污染土壤的點(diǎn)位超標(biāo)率為0.5%。然而，Cd目前仍以每年0.004 mg/kg的速率向農(nóng)田土壤中輸入，加之Cd在土壤中的流動(dòng)性要遠(yuǎn)高于其他重金屬，因而Cd污染農(nóng)田土壤會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的人體及動(dòng)物健康風(fēng)險(xiǎn)。
對(duì)于重金屬重污染耕地，繼續(xù)種植農(nóng)作物會(huì)威脅到農(nóng)產(chǎn)品的安全。若簡(jiǎn)單的棄耕，土壤中的重金屬會(huì)隨風(fēng)蝕、水蝕作用帶來(lái)二次污染，同時(shí)還會(huì)威脅到我國(guó)18億畝的耕地紅線。若全面進(jìn)行修復(fù)，由于我國(guó)耕地土壤修復(fù)技術(shù)目前仍處于“示范工程”階段，還無(wú)法大面積推廣；另外，按照示范工程中修復(fù)一畝耕地企業(yè)平均40萬(wàn)元的報(bào)價(jià)，5000萬(wàn)畝耕地全面修復(fù)將耗費(fèi)20萬(wàn)億元，這無(wú)疑給國(guó)家財(cái)政帶來(lái)巨大的負(fù)擔(dān)?？梢姡臀覈?guó)國(guó)情來(lái)說(shuō)，將這些重金屬重污染耕地全部進(jìn)行修復(fù)或棄之不用顯然是不現(xiàn)實(shí)的。
調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，種植生物能源類植物是重金屬重污染耕地實(shí)現(xiàn)安全高效利用的有效途徑之一?；阝}質(zhì)土壤區(qū)干燥少雨的氣候特征以及重污染土壤重金屬毒性強(qiáng)的特點(diǎn)，耐旱、耐堿、耐貧瘠、對(duì)重金屬脅迫耐性高及對(duì)重金屬富集能力強(qiáng)的楊樹是鈣質(zhì)土壤區(qū)重金屬重污染農(nóng)田土壤修復(fù)與利用所需的理想植物材料。同時(shí)，楊樹可用于建筑用材、制漿造紙、纖維素乙醇的原料，樹葉還可用于動(dòng)物飼料；楊樹還能通過生物固碳作用減緩由CO2等溫室氣體誘發(fā)的全球變暖?？梢?，楊樹同時(shí)兼具重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和生態(tài)環(huán)境功能。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種簡(jiǎn)單、易于實(shí)施的利用小葉楊處理重金屬鎘重度污染鈣質(zhì)農(nóng)田的方法。
為解決上述問題，本發(fā)明所述的一種利用小葉楊處理重金屬鎘重度污染鈣質(zhì)農(nóng)田的方法，其特征在于：該方法是指首先對(duì)重金屬鎘重度污染鈣質(zhì)農(nóng)田進(jìn)行封閉處理；然后在污染土壤上按照1.5×2 m的株行距栽種小葉楊幼苗，并按照常規(guī)方法進(jìn)行日常管理，構(gòu)建小葉楊人工林處理體系；最后，當(dāng)小葉楊人工林步入生長(zhǎng)衰退期后按照前述方法進(jìn)行更替即可。
所述鈣質(zhì)農(nóng)田是指黃土為其成土母質(zhì)，鹽分含量不高于0.5%。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1、本發(fā)明所選取的植物小葉楊是我國(guó)鄉(xiāng)土樹種，在我國(guó)已有兩千多年的栽培歷史，廣泛分布于我國(guó)鈣質(zhì)土壤區(qū)，其耐鹽、耐干旱，對(duì)重金屬脅迫耐性高，是處理鈣質(zhì)土壤區(qū)重金屬污染農(nóng)田的優(yōu)良鄉(xiāng)土植物。
2、本發(fā)明所建立的小葉楊人工林處理體系，除了通過植被覆蓋能夠有效降低重污染土壤在風(fēng)蝕、水蝕作用下帶來(lái)的重金屬擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)，更重要的是在小葉楊生長(zhǎng)期內(nèi)其能夠持續(xù)穩(wěn)定的去除土壤中的Cd，達(dá)到了既降低風(fēng)險(xiǎn)又修復(fù)土壤的雙重目的。采用本發(fā)明方法年均土壤Cd去除率可達(dá)0.96%。
3、本發(fā)明所建立的小葉楊人工林處理體系除了能修復(fù)受重金屬Cd嚴(yán)重污染的土壤外，在全球變暖背景下還兼具美化環(huán)境、防止水土流失以及生物固碳的生態(tài)環(huán)境功能。
4、本發(fā)明方法簡(jiǎn)單、易于實(shí)施。
具體實(shí)施方式
一種利用小葉楊處理重金屬鎘重度污染鈣質(zhì)農(nóng)田的方法，該方法是指首先對(duì)重金屬鎘重度污染鈣質(zhì)農(nóng)田進(jìn)行封閉處理；然后在污染土壤上按照1.5×2 m的株行距栽種小葉楊幼苗，并按照常規(guī)方法進(jìn)行施肥、灌溉、除草以及除蟲等日常管理，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)凋落物的收集與處置，從而構(gòu)建小葉楊人工林處理體系；最后，當(dāng)小葉楊人工林步入生長(zhǎng)衰退期后按照前述方法進(jìn)行更替即可。
其中：鈣質(zhì)農(nóng)田是指黃土為其成土母質(zhì)，鹽分含量不高于0.5%。
應(yīng)用實(shí)例1 試驗(yàn)地點(diǎn)位于甘肅省白銀市東大溝流域的上游地區(qū)。東大溝源于白銀市區(qū)西北約13 km 的白銀公司深部銅礦，自北向南穿過白銀市區(qū)東側(cè)并最終匯入黃河，全長(zhǎng)約38 km。沿途主要匯集了白銀有色集團(tuán)股份公司所屬深部礦業(yè)公司、第三冶煉廠、西北鉛鋅冶煉廠、銅冶煉廠和銀光化學(xué)工業(yè)公司等20 余家大中小型企業(yè)的工業(yè)廢水，以及市區(qū)東部城市生活污水。自上個(gè)世紀(jì)60 年代以來(lái)，基于當(dāng)?shù)馗珊瞪儆甑臍夂驐l件，東大溝沿線的農(nóng)田普遍采用了排洪溝中的污水進(jìn)行灌溉，污灌歷史長(zhǎng)達(dá)40 年，本世紀(jì)初才停止污灌。據(jù)估計(jì)，東大溝沿線受重金屬污染的農(nóng)田面積達(dá)1330 公頃，其中1/3的農(nóng)田受到了Cd的嚴(yán)重污染。
試驗(yàn)樣地屬于重金屬重污染農(nóng)田轉(zhuǎn)楊樹人工林，小葉楊人工林種植密度為1.5×2 m。目前該樣地未進(jìn)行人工灌溉，屬于雨養(yǎng)型楊樹人工林。采用隨機(jī)采樣的方法，并按照樹齡將小葉楊劃分為7年、13年和28年三類進(jìn)行采樣。
土壤根據(jù)距離樹干遠(yuǎn)近分為根際和非根際土壤，其中根際土壤是利用土鉆在距離樹干1 m半徑內(nèi)任選3處采集，非根際土壤是利用土鉆在林間空地上采集，均采集0~20 cm的土壤。植物樣品分為樹干木質(zhì)部、樹皮、樹枝和樹葉4部分，利用樹木生長(zhǎng)錐采集胸徑處的樹干，將其分為樹干木質(zhì)部和樹皮；利用高枝剪采集不同高度的樹枝，混合后作為一個(gè)混合樣；利用高枝剪分別采集距離樹干近端、中端和遠(yuǎn)端的樹葉，混合后作為一個(gè)混合樣。根際土壤和植物樣均隨機(jī)選擇相同樹齡的楊樹3棵進(jìn)行采樣，非根際土壤亦隨機(jī)選擇3處進(jìn)行采樣。土壤樣品風(fēng)干過2 mm篩后備用，植物樣品烘干后粉碎混合后備用。
⑴楊樹人工林體系對(duì)農(nóng)田土壤理化性質(zhì)的影響（參見表1）：
從表1中可以看出，小葉楊人工林體系對(duì)鈣質(zhì)農(nóng)田土壤的pH影響并不顯著，這可能的原因是鈣質(zhì)土壤本身?yè)碛泻軓?qiáng)的酸堿緩沖能力。電導(dǎo)（EC）反映的是土壤中鹽分含量的高低，EC過高會(huì)造成植物無(wú)法生長(zhǎng)而死亡。研究表明，當(dāng)土壤鹽分含量高于0.5%時(shí)小葉楊的生長(zhǎng)就會(huì)受到限制，往往會(huì)形成“小老頭樹”。比較小葉楊根際和非根際土壤的EC，發(fā)現(xiàn)小葉楊能夠有效降低其根系范圍內(nèi)土壤的鹽分，其中7年生的小葉楊根際土壤的EC下降幅度最大，達(dá)到了18.68%。
表1 小葉楊人工林體系的土壤理化性質(zhì)
溶解性有機(jī)碳（DOC）與土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）隨樹齡的變化呈現(xiàn)出兩種截然相反的趨勢(shì)。與非根際土壤相比，7年和13年生的小葉楊能夠顯著提高SOM的含量，DOC的含量略有下降但并不顯著；相反，28年生的小葉楊根際SOM顯著下降17.19%，DOC的含量卻顯著提高9.75%。對(duì)于高樹齡的小葉楊而言，其根際土壤DOC的顯著增加可能與土壤固有SOM的分解有關(guān)?；贒OC具有較強(qiáng)的流動(dòng)性，同時(shí)還能與Cd形成Cd—DOC絡(luò)合物，進(jìn)而提高Cd在鈣質(zhì)土壤中的流動(dòng)性和生物有效性。碳酸鈣能夠吸附Cd并能與其形成CdCO3的沉淀，降低Cd在鈣質(zhì)土壤中的流動(dòng)性，進(jìn)而限制了植物的吸收。然而，隨著樹齡的增加，小葉楊能夠顯著降低根際土壤中CaCO3的含量，誘發(fā)Cd重新從土壤固相釋放到土壤溶液中，進(jìn)而促進(jìn)植物的吸收。
⑵不同樹齡楊樹對(duì)Cd的富集特征（參見表2）：
表2 小葉楊人工林體系中Cd在楊樹各器官的分配特征
從表2中可以看出，Cd在小葉楊不同器官的分配隨樹齡均表現(xiàn)為一致的趨勢(shì)，即樹葉 > 樹皮 > 樹枝 > 樹干木質(zhì)部。樹葉中的Cd含量最高，這表明葉是小葉楊富集Cd的主要部位，同時(shí)基于葉的生物量占楊樹地上部生物量的5%以上，因此葉的凋落去除作用也是小葉楊修復(fù)Cd的主要機(jī)制。另外，隨著樹齡的增長(zhǎng)，樹干木質(zhì)部和樹皮中的Cd均是降低的，其主要原因是由于楊樹生物量增加帶來(lái)的稀釋作用所致。而對(duì)于樹枝和樹葉，13年生的楊樹下降最顯著，與7年生的相比分別下降了31.47%和9.69%，這主要與小葉楊在這一時(shí)期處于快速生長(zhǎng)期有密切的關(guān)系。對(duì)28年生的小葉楊而言，其樹枝和樹葉中Cd的含量相較于13年生的反而出現(xiàn)了增加趨勢(shì)，并且其與7年生的相比差異也并不顯著，這反映出小葉楊在其緩慢生長(zhǎng)期對(duì)Cd的富集能力并不會(huì)減弱。結(jié)合表1分析其背后深層次的原因，這可能與28年生的小葉楊根際土壤中SOM的分解、DOC的增加以及碳酸鈣的降低等因素共同作用有關(guān)。
⑶不同樹齡楊樹對(duì)土壤中Cd的去除作用（參見表3）：
表3 小葉楊人工林體系對(duì)土壤中Cd的去除作用
從表3中可以看出，隨著樹齡的增加，小葉楊根際土壤中Cd的含量是逐漸降低的，與非根際土壤相比分別下降了6.93%、9.90%和31.68%，年均下降速率為0.99%、0.76%和1.14%。可見，小葉楊對(duì)鈣質(zhì)農(nóng)田土壤中Cd的去除作用顯著。從土壤中可提取態(tài)Cd含量的變化來(lái)看，小葉楊根際土壤中提取態(tài)Cd的含量與非根際土壤相比均是增加的，即可供植物吸收的Cd含量是增加的，尤其是28年生的小葉楊其根際土壤中提取態(tài)Cd的含量是非根際土壤中的2.16倍?？梢?，小葉楊能夠有效活化鈣質(zhì)土壤中的Cd，進(jìn)而保證植物對(duì)Cd的吸收不會(huì)隨著樹齡的增加而降低。
應(yīng)用實(shí)例2 試驗(yàn)地點(diǎn)同應(yīng)用實(shí)例1。秋季楊樹落葉后，在距離樹干1 m半徑內(nèi)多點(diǎn)收集樹葉，混合均勻后作為一個(gè)混合樣。同時(shí)利用土鉆在距離樹干1 m半徑內(nèi)任選3處采集0~20 cm的根際土壤，混合后作為一個(gè)混各樣；在林間空地采集0~20 cm的非根際土壤。所有樹齡的小葉楊均任選3棵進(jìn)行采樣，非根際土壤任選3處進(jìn)行采樣。凋落物帶回實(shí)驗(yàn)室烘干粉碎后備用，土樣風(fēng)干過2 mm篩后備用。
⑴凋落物中Cd含量隨樹齡的變化（參見表4）：
從表4中可以看出，凋落物（枯葉）中Cd的含量均接近或大于100 mg/kg，這一數(shù)值達(dá)到了Cd超富集植臨界含量標(biāo)準(zhǔn)的要求。可見，小葉楊對(duì)Cd具有極強(qiáng)的富集能力。另外，比較生長(zhǎng)期的小葉楊樹葉與凋落后的樹葉，其葉中Cd的含量與土壤中的比例生長(zhǎng)期的樹葉7年生的為0.37，13年生的為0.34，28年生的為0.45；凋落物中的相應(yīng)比例分別為1.16、1.24和1.44?？梢姡S著小葉楊樹葉的凋落，在其生長(zhǎng)期末有一個(gè)快速集中的富集過程，且其富集系數(shù)均大于1，表明小葉楊確實(shí)是Cd的超富集植物，對(duì)Cd具有超強(qiáng)的提取修復(fù)潛能。
表4 小葉楊人工林體系中凋落物Cd含量及土壤酶活性隨樹齡的變化
⑵土壤酶活性隨樹齡的變化（參見表4）
b-葡糖苷酶參與了土壤中碳的轉(zhuǎn)化，其是纖維素轉(zhuǎn)化為葡萄糖的關(guān)鍵限速酶。從表4中可以看出，b-葡糖苷酶的活性隨樹齡的增加呈逐漸減小的趨勢(shì)，這可能與凋落物中高含量Cd的毒害與抑制作用有較大的關(guān)系。但與非根際土壤相比，7年生的小葉楊其根際土壤中b-葡糖苷酶的活性顯著增加，增幅達(dá)20.95%；13年和28年生的小葉楊其根際土壤中b-葡糖苷酶的活性則均是顯著降低的，降幅分別為18.09%和26.07%。這種變化趨勢(shì)與SOM的變化正好一致，表明b-葡糖苷酶通過參與土壤碳的轉(zhuǎn)化進(jìn)而誘發(fā)土壤中Cd生物有效性的改變，并最終作用于植物對(duì)Cd的吸收。
綜合來(lái)看，小葉楊是通過葉的超富集作用實(shí)現(xiàn)對(duì)鈣質(zhì)農(nóng)田土壤中Cd的去除作用，土壤中SOM、DOC以及碳酸鹽的綜合變化是保障小葉楊對(duì)Cd持續(xù)吸收的重要機(jī)制。b-葡糖苷酶活性隨樹齡的降低抑制了凋落物的分解，減緩了Cd重新從樹葉向土壤中的釋放。基于樹葉中高含量的Cd存在一定的環(huán)境和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，因此利用小葉楊的提取修復(fù)功能處理Cd重污染的鈣質(zhì)農(nóng)田必須加強(qiáng)對(duì)凋落物的收集，并對(duì)修復(fù)農(nóng)田進(jìn)行封閉處理。