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，尤其涉及重金屬鎘重度污染鈣質(zhì)農(nóng)田的榆樹固定修復(fù)方法。
背景技術(shù)：
根據(jù)環(huán)境保護(hù)部土壤狀況調(diào)查結(jié)果，我國(guó)中重度污染耕地面積大體在5000萬畝左右，其面積約占2012年國(guó)土資源部公布的我國(guó)現(xiàn)有耕地面積20.27億畝的2.47%。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、水蝕作用帶來二次污染，同時(shí)還會(huì)威脅到我國(guó)18億畝耕地紅線。若全面進(jìn)行修復(fù)，由于我國(guó)耕地土壤修復(fù)目前均處于“示范工程”階段，還無法大面積推廣；另外，按照示范工程中修復(fù)一畝耕地企業(yè)平均40萬元的報(bào)價(jià)，5000萬畝耕地全面修復(fù)將耗費(fèi)20萬億元，這無疑給國(guó)家財(cái)政帶來巨大的負(fù)擔(dān)。
另據(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%，污染以無機(jī)型為主，鎘（Cd）是首要污染物。具體來看，全國(guó)土壤Cd的點(diǎn)位超標(biāo)率為7%，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)性和生物有效性要遠(yuǎn)高于其他重金屬，因而Cd污染農(nóng)田土壤會(huì)帶來嚴(yán)重的人體及動(dòng)物健康風(fēng)險(xiǎn)。
植物固定修復(fù)是通過根系的吸收和富集、根表的吸附或者根區(qū)的沉淀作用將重金屬固定在土壤中。作為植物修復(fù)技術(shù)中一種重要的修復(fù)機(jī)制，植物固定修復(fù)能夠有效降低風(fēng)蝕、水蝕以及淋濾等作用誘發(fā)的土壤擴(kuò)散帶來的重金屬遷移風(fēng)險(xiǎn)。相比于傳統(tǒng)的物理、化學(xué)修復(fù)技術(shù)如客土、填埋和淋洗而言，植物固定修復(fù)具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)境友好、不會(huì)破壞土壤性質(zhì)、能夠恢復(fù)和提高土壤質(zhì)量等特點(diǎn)，是目前修復(fù)和管理土壤面源污染尤其是重金屬嚴(yán)重污染農(nóng)田的有效手段。榆樹具有發(fā)達(dá)根系，耐干旱貧瘠，尤其是部分樹種喜鈣，因而榆樹十分有利于管理重金屬重污染的鈣質(zhì)農(nóng)田。
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)施的重金屬鎘重度污染鈣質(zhì)農(nóng)田的榆樹固定修復(fù)方法。
為解決上述問題，本發(fā)明所述的重金屬鎘重度污染鈣質(zhì)農(nóng)田的榆樹固定修復(fù)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)行封閉管理；然后在污染土壤上按照1.5×2 m的株行距栽種榆樹幼苗，并按照常規(guī)方法進(jìn)行日常管理，構(gòu)建榆樹人工林管理體系；最后，根據(jù)用材林目的對(duì)榆樹人工林進(jìn)行更替即可。
所述榆樹為大果榆、家榆或春榆中的一種。
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)明所選取的榆樹是我國(guó)鄉(xiāng)土樹種，在我國(guó)南北方均有廣泛分布，其喜光，具有發(fā)達(dá)根系，耐干旱貧瘠，是我國(guó)干旱與水土流失地區(qū)生態(tài)建設(shè)中的首選樹種。
2、本發(fā)明所建立的榆樹人工林管理體系，其一方面能夠通過植被覆蓋有效降低風(fēng)蝕、水蝕作用誘發(fā)的污染土壤擴(kuò)散帶來的重金屬遷移風(fēng)險(xiǎn)；另一方面能夠通過其根區(qū)沉淀作用將Cd固定在土壤中，達(dá)到了基于風(fēng)險(xiǎn)控制的受污染農(nóng)田固定修復(fù)管理目的。
3、本發(fā)明所建立的榆樹人工林管理體系具有極高的邊際效應(yīng)，一方面由于Cd在榆樹地上部尤其是其木材中的含量極低，加之榆樹木材堅(jiān)重，可供高強(qiáng)度耐磨構(gòu)建、工藝美術(shù)品、體育器械以及模型等用材，因此具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值；另一方面在全球變暖背景下，榆樹人工林體系還兼具美化環(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
重金屬鎘重度污染鈣質(zhì)農(nóng)田的榆樹固定修復(fù)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)行封閉管理；然后在污染土壤上按照1.5×2 m的株行距栽種榆樹幼苗，并按照常規(guī)方法進(jìn)行日常管理，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)凋落物的收集與處置，從而構(gòu)建榆樹人工林管理體系；最后，根據(jù)用材林目的對(duì)榆樹人工林進(jìn)行更替即可。
其中：榆樹為大果榆、家榆或春榆中的一種。
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，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)榆樹人工林，榆樹品種為大果榆，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)型榆樹人工林。采用隨機(jī)采樣的方法，并按照樹齡將榆樹劃分為11年、16年和23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)選擇相同樹齡的榆樹3棵進(jìn)行采樣，非根際土壤亦隨機(jī)選擇3處林間空地進(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備用。
⑴榆樹人工林體系對(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，榆樹人工林體系對(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)土壤本身擁有很強(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)抑制植物生長(zhǎng)，甚至造成植物因脫水而死亡。比較大果榆根際和非根際土壤的EC，發(fā)現(xiàn)大果榆能夠有效降低其根區(qū)土壤中的鹽分，11年、16年和23年生的大果榆其根際土壤中EC分別下降了24.45%、28.85%和19.51%。
表1 榆樹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)。具體來看，大果榆能夠顯著提高其根際土壤中DOC的含量，其中11年生的增加最顯著，其相較于非根際土壤提高了12.13%。SOM在23年生的根際土壤中略高于對(duì)照，但11和16年生的根際土壤中SOM反而是低于對(duì)照，分別下降了12.41%和14.70%。這種現(xiàn)象可能與榆樹的生長(zhǎng)周期有密切的關(guān)系，11~16年期間是榆樹生長(zhǎng)較為旺盛的時(shí)期，其對(duì)土壤養(yǎng)分的需求較高，而研究區(qū)的土壤養(yǎng)分貧乏，所以榆樹會(huì)通過分解土壤固有SOM，進(jìn)而釋放出植物生長(zhǎng)所需的N、P等營(yíng)養(yǎng)元素，被分解釋放出的碳一部分以DOC的形式存在于土壤當(dāng)中?；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)而會(huì)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)而限制植物的吸收。然而，隨著樹齡的增加，大果榆能夠顯著降低根際土壤中CaCO3的含量，11年、16年和23年生的榆樹其根際土壤中CaCO3的含量與非根際土壤相比分別下降了12.38%、22.12%和26.19%，其進(jìn)而誘發(fā)Cd重新從土壤固相釋放到土壤溶液中，可能會(huì)促進(jìn)Cd的遷移和植物吸收。
⑵不同樹齡榆樹對(duì)Cd的富集特征（參見表2）：
從表2中可以看出，Cd在大果榆不同器官的分配在3個(gè)樹齡間均表現(xiàn)為樹皮 > 樹葉 > 樹枝 > 樹干木質(zhì)部的順序?？梢钥吹剑瑯涓墒谴蠊艿厣喜可锪?jī)?chǔ)存Cd的主要部位，尤其是隨著樹齡的增加，分配到樹皮中的Cd會(huì)越多，但是其并不會(huì)進(jìn)入食物鏈。相反，樹干木質(zhì)部中Cd的含量很低，這反而保證了榆樹作為用材林的安全。
表2 榆樹人工林體系中Cd在大果榆各器官的分配特征
大果榆屬于多年生落葉喬木，因此其樹葉凋落后可能會(huì)誘發(fā)潛在的生態(tài)環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)。具體來看，SOM隨樹齡增加對(duì)Cd的固定作用與CaCO3隨樹齡減小對(duì)Cd的釋放作用相互博弈，其結(jié)果反而使榆樹樹葉中Cd的含量始終保持在一個(gè)較低的水平上，這極大的降低了利用榆樹進(jìn)行固定修復(fù)的風(fēng)險(xiǎn)。
⑶不同樹齡榆樹對(duì)土壤中Cd的固定修復(fù)機(jī)制（參見表3）：
從表3中可以看出，大果榆根際土壤中Cd的含量隨樹齡是逐漸增加的。具體來看，與非根際土壤相比，11年和16年生的大果榆根際土壤中Cd的總量增加并不顯著，而23年生的卻顯著增加了26.73%。分析其背后的原因，可能是因?yàn)?1~16年期間是榆樹的快速生長(zhǎng)期，其生物量積累是大果榆修復(fù)Cd污染鈣質(zhì)土壤的主要機(jī)制，而到23年時(shí)，生物量積累速率放緩，根區(qū)沉淀是其修復(fù)Cd的主要機(jī)制。
表3 榆樹人工林體系對(duì)土壤中Cd的固定作用
另外，從可提取態(tài)Cd的含量來看，根際土壤中Cd的含量隨樹齡是逐漸增加的，其中16年和23年生的分別較非根際土壤提高了58.14%和107%。這一方面與榆樹根區(qū)土壤中Cd的總量增加有關(guān)，另外一方面還與榆樹根系活動(dòng)誘發(fā)的活化作用有關(guān)，這也是保證樹葉中Cd含量隨樹齡不減的主要原因（表2）。具體分析樹葉對(duì)Cd的富集作用，可以看到樹葉對(duì)Cd的生物富集系數(shù)（BCF）在11年、16年和23年生時(shí)分別為0.066、0.060和0.055，其值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1?？梢?，植物固定是大果榆修復(fù)重金屬Cd嚴(yán)重污染鈣質(zhì)農(nóng)田土壤的主要機(jī)制。通過植物固定作用，大果榆將Cd沉淀在其根區(qū)范圍內(nèi)，防止了由風(fēng)蝕、水蝕作用引起的土壤擴(kuò)散帶來的Cd的遷移風(fēng)險(xiǎn)。
應(yīng)用實(shí)例2 試驗(yàn)地點(diǎn)同應(yīng)用實(shí)例1。秋季榆樹落葉后，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。所有樹齡的大果榆均任選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的含量隨樹齡呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)，這表現(xiàn)為一種隨樹齡增加的生物濃縮效應(yīng)，其可能與多年生落葉喬木在落葉期之前對(duì)養(yǎng)分元素向樹干的返還有密切的關(guān)系。返還的凈結(jié)果造成了有毒害作用的重金屬元素的相對(duì)富集，進(jìn)而通過樹葉凋落的方式將重金屬帶出植物體，達(dá)到減毒的作用。另外，盡管枯葉中Cd在同一樹齡下均是顯著高于生長(zhǎng)期的樹葉，但是與土壤中Cd的總量相比，其BCF值11年、16年和23年生的分別為0.14、0.15和0.13，均遠(yuǎn)小于1，這表明大果榆對(duì)Cd的修復(fù)機(jī)制主要是通過植物固定作用來完成的。
表4 榆樹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）
β-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，β-葡糖苷酶的活性在不同樹齡間的差異是不顯著的，但根際土壤中的β-葡糖苷酶活性均是顯著低于非根際土壤的，平均下降比例為18.66%。這種抑制作用一方面表明凋落物中的Cd對(duì)β-葡糖苷酶的活性有抑制作用，其可能在一定程度上抑制了土壤固有SOM的分解，加之榆樹根系的分泌，最終造成了高樹齡榆樹根際土壤中SOM的增加，進(jìn)而在全球變暖背景下達(dá)到了提高土壤肥力和生物固碳的作用。另一方面，β-葡糖苷酶的活性受到抑制會(huì)減緩凋落物的分解速率，若通過人工方式加強(qiáng)對(duì)凋落物的收集與管理，則可大大提高利用榆樹固定修復(fù)管理重金屬Cd重污染鈣質(zhì)農(nóng)田的目的。
綜合來看，大果榆是通過根區(qū)沉淀作用實(shí)現(xiàn)對(duì)Cd重污染鈣質(zhì)農(nóng)田土壤的固定修復(fù)。土壤中SOM與碳酸鹽的博弈使得大果榆地上部尤其是葉中Cd的含量始終保持在一個(gè)較低的水平。根際土壤中β-葡糖苷酶活性的降低對(duì)凋落物分解的抑制作用減緩了Cd重新從樹葉向土壤中的釋放?；谕寥乐休^高的Cd含量，因此利用大果榆管理Cd重污染的鈣質(zhì)農(nóng)田必須加強(qiáng)對(duì)凋落物的收集，同時(shí)對(duì)修復(fù)農(nóng)田進(jìn)行封閉管理。