本发明涉及基于风险控制的重金属复合污染农田的处理方法，尤其涉及一种利用榆树处理重金属铜、铅复合污染钙质农田的方法。
背景技术：
据《全国土壤污染状况调查公报》（2014年）显示，我国土壤总的超标率为16.1%，污染类型以无机型为主，主要包括8种重金属/类金属元素，铜（Cu）和铅（Pb）是其中超标率相对较高的2种元素，其点位超标率分别为2.1%和1.5%。就耕地而言，其点位超标率为19.4%，污染以无机型为主。从土壤污染的现实情况来看，污染类型多以复合污染为主，其中多种重金属元素的复合污染是最为常见的污染情形。相较于单一污染，复合污染下元素之间存在交互作用，其会影响元素在土壤－植物系统中的环境行为。
钙质土壤区约占全球陆地总面积的41%，其上供养着占全球 > 38%的人口。基于钙质土壤区干旱少雨的气候特征以及土地盐碱化、沙化、荒漠化的加剧，钙质土壤区有限的可耕种土地一旦受到重金属的污染，将会带来极为严重的后果。首先，继续在受污染土地上耕种，其生产出的粮食产品将会带来潜在的人体健康风险。其次，为寻求更为清洁的土地，大面积的森林将会被砍伐，其不仅会破坏极为脆弱的干旱区生态环境，造成生物多样性的降低以及水土流失的加剧，又会释放出更多的温室气体，加剧全球变暖的趋势。再有，未受污染土地上的农业活动将会加剧，为寻求更高的产量，就会投入更多的化肥和农药，而它们中含有的重金属副产品将会被输入土壤，进而又会造成更大面积的土地污染。
植物处理就是通过对土壤－植物系统的调控进而控制重金属元素在环境中的流动性与生物有效性，并最终建成基于风险控制的受污染土壤处理体系。对重金属复合污染农田而言，利用植物进行修复是目前最为有效的手段之一，但是由于重金属超富集植物通常只对某一种金属具有超富集的能力，加之干旱地区发现的超富集植物的种类仍然较少，因而利用植物固定修复技术是处理重金属复合污染钙质农田较为有效的手段。
植物固定修复的本质是通过根系的吸收和富集、根表的吸附或者根区的沉淀作用将重金属固定在土壤中。作为植物修复技术中一种重要的修复机制，植物固定修复能够有效降低风蚀、水蚀以及淋滤等作用诱发的土壤扩散带来的重金属迁移风险。相比于传统的物理、化学修复技术如客土、填埋和淋洗而言，植物固定修复具有经济、环境友好、不会破坏土壤性质、能够恢复和提高土壤质量等特点，是目前修复和处理土壤面源污染尤其是重金属复合污染农田的有效手段。榆树具有发达根系，耐干旱贫瘠，尤其是部分树种喜钙，因而榆树十分有利于处理重金属复合污染的钙质农田。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种简单、易于实施的利用榆树处理重金属铜、铅复合污染钙质农田的方法。
为解决上述问题，本发明所述的一种利用榆树处理重金属铜、铅复合污染钙质农田的方法，其特征在于：该方法是指首先对重金属铜、铅复合污染钙质农田进行封闭处理；然后在污染土壤上按照1.5×2 m的株行距栽种榆树幼苗，并按照常规方法进行日常管理，构建榆树人工林处理体系；最后，根据用材林目的对榆树人工林进行更替即可。
所述榆树为大果榆、家榆或春榆中的一种。
所述钙质农田是指黄土为其成土母质，盐分含量不高于0.5%。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明所选取的榆树是我国重要的乡土树种，在我国南北方均有广泛分布，其具有发达根系，耐干旱贫瘠，尤其喜钙，因而是我国钙质土壤区生态建设中的首选树种。
2、本发明所建立的榆树人工林处理体系，其一方面能够通过植被覆盖有效降低风蚀、水蚀作用诱发的污染土壤扩散带来的重金属迁移风险；另一方面能够通过根区沉淀作用将Cu和Pb固定在土壤中，达到了基于风险控制的复合污染农田处理目的。
3、本发明所建立的榆树人工林处理体系具有极高的边际效应，一方面由于Cu和Pb在榆树地上部尤其是木材中的含量极低，加之榆树木材坚重，韧性强，耐磨损，抗腐，花纹美丽，可供车辆、农具等用材，因此具有重要的经济价值；另一方面在全球变暖和干旱区生态环境极为脆弱背景下，榆树人工林体系还兼具美化环境、防止水土流失以及生物固碳的生态环境功能。
4、本发明方法简单、易于实施。
具体实施方式
一种利用榆树处理重金属铜、铅复合污染钙质农田的方法，该方法是指首先对重金属铜、铅复合污染钙质农田进行封闭处理；然后在污染土壤上按照1.5×2 m的株行距栽种榆树幼苗，并按照常规方法进行日常管理，同时加强对凋落物的收集与处置，从而构建榆树人工林处理体系；最后，根据用材林目的对榆树人工林进行更替即可。
其中：榆树为大果榆、家榆或春榆中的一种。
钙质农田是指黄土为其成土母质，盐分含量不高于0.5%。
应用实例1 试验地点位于我国以Cu冶炼为主的工矿型城市甘肃省白银市的东大沟流域。东大沟源于白银市区西北约13 km 的白银公司深部铜矿，自北向南穿过白银市区东侧并最终汇入黄河，全长约38 km。沿途主要汇集了白银有色集团股份公司所属深部矿业公司、第三冶炼厂、西北铅锌冶炼厂、铜冶炼厂和银光化学工业公司等20 余家大中小型企业的工业废水，以及市区东部城市生活污水。自上个世纪60 年代以来，基于当地干旱少雨的气候条件，东大沟沿线的农田普遍采用了排洪沟中的污水进行灌溉，污灌历史长达40 年，本世纪初才停止污灌。据估计，东大沟沿线受重金属复合污染的农田面积达1330 公顷，其中Cu/Pb复合污染是主要的污染类型。
试验样地属于重金属污染农田转榆树人工林，榆树品种为大果榆，种植密度为1.5×2 m。目前该样地未进行人工灌溉，属于雨养型榆树人工林。采用随机采样的方法，并按照树龄将榆树划分为11年、16年和23年三类进行采样。
土壤根据距离树干远近分为根际和非根际土壤，其中根际土壤是利用土钻在距离树干1 m半径内任选3处采集，非根际土壤是利用土钻在林间空地上采集，均采集0~20 cm的土壤。植物样品分为树干木质部、树皮、树枝和树叶4部分，利用树木生长锥采集胸径处的树干，将其分为树干木质部和树皮；利用高枝剪采集不同高度的树枝，混合后作为一个混合样；利用高枝剪分别采集距离树干近端、中端和远端的树叶，混合后作为一个混合样。根际土壤和植物样均随机选择相同树龄的榆树3棵进行采样，非根际土壤亦随机选择3处林间空地进行采样。土壤样品风干过2 mm筛后备用，植物样品烘干后粉碎备用。
⑴榆树人工林体系对农田土壤理化性质的影响（参见表1）：
从表1中可以看出，土壤pH的变化并不显著，这可能的原因是钙质土壤本身拥有很强的酸碱缓冲能力。电导（EC）反映的是土壤中盐分含量的高低，其值过高会抑制植物的生长。比较大果榆根际和非根际土壤的EC，发现大果榆能够有效降低其根区土壤中的盐分，11年、16年和23年生的大果榆其根际土壤中EC分别下降了24.45%、28.85%和19.51%。
表1 榆树人工林体系的土壤理化性质
溶解性有机碳（DOC）与土壤有机质（SOM）随树龄的变化呈现出两种截然相反的趋势。具体来看，大果榆能够显著提高其根际土壤中DOC的含量，其中11年生的增加最显著，其相较于非根际土壤提高了12.13%。SOM在23年生的根际土壤中略高于对照，但11和16年生的根际土壤中SOM反而是低于对照，分别下降了12.41%和14.70%。这种现象可能与榆树的生长周期有密切的关系，11~16年期间是榆树生长较为旺盛的时期，其对土壤养分的需求较高，基于研究区贫瘠的土壤，榆树会通过分解土壤固有SOM，进而释放出植物生长所需的N、P等营养元素，被分解的碳一部分以DOC的形式储存于土壤当中。由于DOC具有较强的流动性，同时还能与重金属形成金属—DOC络合物，进而可能会提高重金属在钙质土壤中的流动性和生物有效性。
碳酸钙能够吸附重金属并能与其形成碳酸盐的沉淀，降低重金属在钙质土壤中的流动性，进而限制植物的吸收。然而，随着树龄的增加，大果榆能够显著降低根际土壤中CaCO3的含量，11年、16年和23年生的榆树其根际土壤中CaCO3的含量与非根际土壤相比分别下降了12.38%、22.12%和26.19%，其进而诱发重金属重新从土壤固相释放到土壤溶液中，可能会促进重金属的迁移和植物吸收。
⑵不同树龄榆树对Cu、Pb的富集特征（参见表2）：
表2 榆树人工林体系中Cu、Pb在大果榆各器官的分配特征
从表2中可以看出，Cu在大果榆不同器官的分配在3个树龄间均表现为树皮 > 树叶 > 树枝 > 树干木质部的顺序。Pb在11年生的大果榆不同器官中的分配与Cu一致，而16年和23年生的则表现为树叶 > 树皮 > 树枝 > 树干木质部的顺序。总体来看，榆树木材中Cu和Pb的含量均极低，这使得榆树在修复Cu/Pb复合污染土壤的同时还能安全生产木材，大大提高了榆树人工林处理体系的边际效益。
大果榆属于多年生落叶乔木，尽管树叶中Cu和Pb的含量随树龄增加均表现为逐渐下降的趋势，但是整体上树叶中的Cu和Pb依然保持了相对较高的水平，这可能是SOM随树龄增加对重金属的固定作用与CaCO3随树龄减小对重金属的释放作用相互博弈的结果所致。另外，随着树叶的凋落重金属会排出榆树体内，这可能是榆树的一种自我解毒机制。但是，凋落后的树叶被分解后会重新将重金属释放到表层土壤，这反而会诱发潜在的生态环境安全风险，因而利用榆树处理Cu/Pb复合污染土壤应该加强对凋落物的收集与处理。
⑶不同树龄榆树对土壤中Cu、Pb的固定修复机制（参见表3）：
从表3中可以看出，大果榆根际土壤中Cu和Pb的含量随树龄均是逐渐增加的。具体来看，与非根际土壤相比，11年、16年和23年生的大果榆根际土壤中Cu的总量分别增加了14.50%、29.25%和44.03%，Pb的含量分别增加了9.04%、38.00%和236.59%。另外，结合表2和表3，可以看到，11年、16年和23年生的大果榆树叶对Cu的富集系数（BCF）分别为0.14、0.11和0.085，对Pb的BCF分别为0.11、0.075和0.032。可见，BCF值均远小于1，表明植物固定是大果榆修复Cu/Pb复合污染钙质农田土壤的主要机制，其具体修复机理是通过根区沉淀来完成的。
表3 榆树人工林体系对土壤中Cu、Pb的固定作用
另外，随着树龄的增加，大果榆对Cu和Pb的根区沉淀效应越显著，加之大果榆建立起的植被覆盖体系以及榆树根系对土壤的固定作用，榆树人工林体系用于处理Cu/Pb复合污染钙质农田可有效防止由风蚀、水蚀作用引起的土壤扩散带来的重金属迁移风险。
应用实例2 试验地点同应用实例1。秋季榆树落叶后，在距离树干1m半径内多点收集树叶，混合均匀后作为一个混合样。所有树龄的大果榆均任选3棵进行采样。凋落物带回实验室烘干粉碎后备用。
表4 榆树人工林体系中凋落物Cu、Pb的含量随树龄的变化
从表4中可以看出，凋落物（枯叶）中Cu和Pb的含量随树龄增加均呈现出逐渐降低的趋势，但降低幅度均并不显著。相反，结合表2和表4可以看到，11年、16年和23年生的大果榆凋落物中Cu的含量分别是生长期树叶中的2.63、2.77和3.12倍，Pb的含量分别为4.21、4.63和4.37倍。这种树叶凋落后重金属含量增加的现象是一种重要的生物浓缩效应，其可能与多年生落叶乔木在落叶期之前对养分元素向树干的返还有密切的关系。返还的净结果造成了有毒有害作用的重金属元素的相对富集，进而通过树叶凋落的方式将重金属带出植物体，达到减毒的作用。凋落物分解后会造成Cu和Pb的重新释放，但钙质土壤区通常蒸发量远大于降水量，因此重金属渗滤的风险较小。若能加强对凋落物的收集与处理，则可大大提高榆树固定修复的能力。
综合来看，大果榆是通过根区沉淀作用实现对Cu/Pb复合污染钙质农田土壤的固定修复。土壤中SOM与碳酸盐的博弈使得大果榆地上部尤其是叶中Cu和Pb的含量始终保持在一个相对较高的水平。但基于钙质土壤区干旱少雨的气候特征，结合人工措施，如对修复农田进行封闭处理并加强对凋落物的收集，则可有效提高榆树处理Cu/Pb复合污染钙质农田的能力。加之榆树木材中Cu和Pb的含量极低，这使得榆树处理受污染的钙质农田既能改善生态环境，又能取得一定的经济效益。