本发明涉及污染土壤的植物修复技术，尤其涉及利用河北杨修复干旱区重金属镉污染土壤的方法。
背景技术：
据最新的《全国土壤污染状况调查公报》显示，我国土壤总的超标率为16.1%，耕地土壤点位超标率为19.4%，污染以无机型为主，镉（Cd）是首要污染物，其点位超标率为7.0%。然而，Cd目前仍以每年0.004 mg/kg的速率向农田土壤中输入，加之Cd在土壤中的流动性要远高于其他重金属，因而即使在极低的含量下也会带来严重的人体及动物健康风险。
对于重金属污染农田，继续种植会威胁到农产品的安全。若简单地弃耕，土壤中的重金属会随风蚀、水蚀作用带来二次污染，同时还会威胁到我国18亿亩的耕地红线。若全面地进行修复，由于我国农田土壤修复技术的研发目前仍停留在实验室里，仅在个别地区有“示范工程”，还无法大面积的推广。重金属污染业已严重威胁到我国的粮食安全与食品安全。研发适合不同区域重金属污染农田防控与修复的技术是当前农业环境科学领域亟待解决的难点和热点问题。
旱地面积占全球陆地面积的41%，却供养着占全球38%的人口。由于干旱区拥有丰富的矿产资源，在矿产资源开发过程中，颗粒物的沉积、工业废弃物与尾矿的堆积以及废水灌溉等导致了干旱区有限的可耕种土地普遍受到了重金属的污染。然而在全球变暖背景下，降水格局的改变加剧的风蚀和水蚀作用还将不断扩大受污染土地的面积。基于干旱区干燥少雨的气候特征以及被污染土壤重金属毒性强的特点，耐旱、耐碱、耐贫瘠、对重金属胁迫耐性高以及对重金属富集能力强的植物是干旱区重金属污染土壤修复与利用所需的理想植物。杨树作为一种重要的生物能源类植物，其抗旱、耐盐碱，同时在我国南北方均有分布，其种数多达100余种，因而从中可以筛选出适合修复干旱区重金属Cd污染土壤的理想乡土植物。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种既能修复土壤又能带来经济效益的利用河北杨修复干旱区重金属镉污染土壤的方法。
为解决上述问题，本发明所述的利用河北杨修复干旱区重金属镉污染土壤的方法，其特征在于：该方法是指首先在干旱区重金属镉污染土壤上按照2×2 m的株行距栽种一年生河北杨幼苗，构建河北杨人工林体系；然后按照常规方法进行日常管理，并对凋落物进行收集与管理；最后，当所述河北杨生长到10年后进行采伐，期间同时进行根蘖林的定向培育；所述干旱区重金属镉污染土壤是指黄土是其成土母质，海拔介于900~1300 m，盐分含量不高于0.1%。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明所采用的修复植物河北杨主要分布在黄河中游地区，能够在高海拔和高盐分土壤上正常生长，尤其是在阴坡、半阴坡中下部湿滩地和坡积黄土平缓坡地上生长良好，因此其是修复黄土高原区重金属污染土壤的优良乡土植物。
2、本发明所采用的修复植物河北杨属于乔木，根具有很强的分蘖能力。在河北杨人工林修复体系建立过程中，可以进行根蘖林定向培育，降低每轮修复期满后河北杨皆伐重新种植幼苗带来的经济成本，大大提高河北杨人工林修复体系的边际效益。
3、本发明所建立的河北杨人工林修复体系除了能修复受重金属镉污染的土壤外，还能作为用材林安全利用，另外也兼具防止水土流失和生物固碳的生态环境功能。
具体实施方式
利用河北杨修复干旱区重金属镉污染土壤的方法，该方法是指首先在干旱区重金属镉污染土壤上按照2×2 m的株行距栽种一年生河北杨幼苗，构建河北杨人工林体系；然后按照常规方法进行施肥、灌溉等日常管理，并对凋落物进行收集与管理；最后，当河北杨生长到10年后进行采伐，期间同时进行根蘖林的定向培育。
其中：干旱区重金属镉污染土壤是指黄土是其成土母质，海拔介于900~1300 m，盐分含量不高于0.1%。
应用实例1 试验地点位于甘肃省白银市东大沟流域的上游地区。东大沟起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市区东侧，经郝家川、梁家窑，于白银区四龙镇汇入黄河，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污染的农田面积达1330 公顷，其中重污染农田的比例约为三分之一。
试验样地属于坡积黄土坡地，种植前人为进行了平整。河北杨人工林种植密度为2×2 m，属于荒地造林。该样地并未引用东大沟的污水进行灌溉，为雨养型杨树人工林。因此，该样地土壤的污染主要是由大气降尘所致，其主要作用是防止水土流失、美化环境。
采用随机采样的方法，按照树龄采集样地土壤上生长的河北杨。根据树龄将河北杨划分为5年、10年和15年三类，利用根钻在距离树干1 m半径内任选3处采集植物根区土壤，同时采集凋落物。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韧皮部。将所有土壤和植物样品带回实验室进行处理和分析。
⑴杨树人工林体系对荒地土壤性质的影响（参见表1）：
表1 荒地河北杨人工林体系的土壤理化性质
从表1中可以看到，河北杨人工林体系对土壤pH的影响并不显著。尽管杨树根区的小分子有机酸等分泌物被证实会降低根区土壤的pH，但该样地位于我国黄土高原区，土壤偏碱性，具有极高的酸碱缓冲能力，因此杨树的种植并不会改变干旱区土壤的酸碱性。土壤电导率（EC）表征的是土壤盐分含量的高低，由于盐分会对植物的生长产生胁迫，因而高盐分条件下植物是无法正常生长的。试验样地裸地土壤的EC高达2685 mS/cm，但河北杨被证实具有一定的耐盐性，在含盐量低于0.1%的土壤上未见衰退或死亡。同时，随着河北杨树龄的增加，其还能有效降低根区土壤中的盐分含量。具体来看，5年生、10年生和15年生的河北杨根区土壤的EC较裸地土壤分别下降了25.36%、23.80%和23.20%。
DOC为溶解性有机碳，其是土壤活性有机碳的重要组成部分，其本身可以在土壤中进行迁移，其会和重金属形成金属—DOC络合物，进而提高重金属在土壤中的流动性和生物有效性。外源性DOC主要来源于凋落物的分解和植物根系分泌物的输入。在干旱区凋落物的分解速率通常较慢，因此根系分泌物的分解成为外源性DOC的主要来源。从表1中可以看出，树龄的增加可以提高DOC的含量，但是其增加幅度随着树龄的增加在减缓。具体来看，10年生和15年生的河北杨相较于5年生的其DOC总量分别增加了21.37%和28.24%，年均DOC增长率则仅为4.23%和2.82%。与裸地土壤相比，河北杨人工林体系下DOC总量的净变化在15年的生长期内却是降低的，降幅5年生的高达50.38%，10年生的为39.77%，15年生的为36.36%。可见，在荒地土壤上，河北杨人工林体系外源性DOC的输入反而会诱发土壤固有DOC的显著降低。
⑵ 杨树人工林体系对Cd的修复机制（参见表2）：
表2 荒地人工林土壤上Cd在河北杨各器官的分配特征
荒地土壤Cd的含量如表2所示，可以看到，该试验样地的土壤Cd含量在我国土壤环境质量标准（GB 15618-1995）的二级标准范围内，其污染程度较轻，表明其污染确为大气降尘所致。从河北杨不同器官对Cd的吸收来看，Cd在不同器官的分配表现为凋落物（树叶）> 树皮 > 树干木质部的顺序。树叶中积累了更多的Cd，其可视为杨树排毒的一种重要方式。由于河北杨属于多年生落叶乔木，积累在树叶中的Cd最终会以凋落物的形式重新返还给表层土壤。因此，采用河北杨人工林修复体系修复干旱区Cd污染土壤时应加强对凋落物的收集与管理。进入杨树根部的Cd会随着木质部汁液流在蒸腾作用的拉动下向杨树地上部迁移，Cd在流动过程中会通过径向的扩散作用向韧皮部分配，因而河北杨的树皮当中也积累了较多的Cd。相比之下，作为Cd运输通道的木质部Cd的含量却较低，这反而保证了河北杨作为修复植物的同时不影响其用材林的安全利用。整体来看，河北杨对Cd具有极强的修复能力，与5年生的相比，10年生和15年生的河北杨根区土壤中Cd的含量分别下降了25.42%和38.98%，年均去除率为5.08%和3.90%。
⑶ 杨树人工林体系对Cd的富集特征（参见表3）：
表3 荒地人工林土壤上Cd在河北杨各器官的富集特征
从表3中河北杨不同器官对Cd的生物富集系数来看，树干木质部的BCF值是小于1的，这一方面说明木质部积累不是河北杨修复Cd的主要机制，另一方面也反映出利用河北杨修复干旱区Cd污染土壤并不影响其后续安全再利用。相反，树皮和凋落物对Cd具有极高的富集能力，表明河北杨对Cd具有很强的提取修复能力。另外，凋落物对Cd的BCF值平均高达40，达到了超富集植物的特征。由于凋落物分解后会重新释放出Cd，因此利用河北杨修复Cd污染土壤必须加强对凋落物的收集与管理，防止其重新向土壤返还Cd以及由于动物的误食带来的健康风险。在Cd轻度污染土壤上，综合不同器官对Cd的富集能力，10年生的河北杨对Cd具有较高的修复潜能。
应用实例2 试验地点位于甘肃省白银市东大沟流域的中游地区，该样地紧邻东大沟，有长期污水灌溉的历史。样地属于农田，土壤质地为砂质土壤。河北杨的最大胸径为24 cm，由于河北杨具有很强的根分蘖能力，因此本河北杨人工林属于蘖生林体系，人工林初期种植密度为2×2 m，蘖生林密度为1×1 m。根据树龄将河北杨划分为7年、10年、13年和23年四类，利用根钻在距离树干1 m半径内任选3处采集植物根区土壤。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韧皮部。将所有土壤和植物样品带回实验室进行处理和分析。
⑴ 杨树人工林体系对农田土壤性质的影响（参见表4）：
表4 河北杨人工林体系对农田土壤性质的影响
重金属Cd污染农田转河北杨人工林体系对农田土壤本身性质的影响如表4所示。由于试验样地地处黄土高原区，土壤偏碱性，具有很强的酸碱缓冲能力。可以看到，不同树龄的河北杨根区土壤的pH之间无显著差异，即河北杨人工林体系不会对农田土壤的酸碱性产生影响。相反，河北杨人工林能够显著的降低土壤的盐分含量，尽管河北杨本身具有一定的耐盐性。具体来看，10年生、13年生和23年生的河北杨根区土壤的EC值较7年生的分别下降了10.03%、10.99%和11.16%。
与荒地土壤不同，农田转杨树人工林后会显著提高农田土壤的DOC含量，其原因是凋落物在农田土壤中的分解能力要强于荒地土壤，当杨树树叶以凋落物的形式降落地表后，快速的分解能够为农田土壤提供较多的活性有机碳。可以看到，农田杨树人工林植物根区的DOC含量均要显著高于荒地土壤，且随着树龄增加DOC也呈逐渐增加的趋势，其中23年生的河北杨较7年生的其根区土壤DOC的含量增加了32.24%。然而，相较于7年生的河北杨，DOC的年均增长率却并不是随树龄增加的，其中10年生的最大，为8.6%，13年生和23年生的则分别仅为1.08%和2.02%。其可能的原因在于凋落物释放的Cd会对凋落物的分解带来抑制作用。
⑵ 杨树人工林体系对Cd的修复机制（参见表5）：
从表5中可以看出，河北杨根区土壤Cd的含量随树龄的增加呈现出先减小后增大的趋势。具体来看，与7年生的河北杨相比，10年生的其根区土壤Cd含量下降了18%；相反，13年生和23年生的反而分别增加了21%和23%。
表5 农田人工林土壤上Cd在河北杨各器官的分配特征
当树龄大于10年时，河北杨根区土壤Cd含量不降反升的现象与Cd在杨树不同器官的分配密切相关。换言之，河北杨对Cd的吸收去除作用与凋落物的释放返还作用之间的差值在树龄大于10年后是负的。因此，利用河北杨修复干旱区Cd污染土壤时树龄不宜超过10年。尽管树干木质部和树皮中的Cd含量是随着树龄的增加而增加的（表5），但这不是河北杨的主要修复机制，因为叶的富集作用要远大于其它器官。可见，利用河北杨人工林体系修复Cd污染土壤必需加强对凋落物的收集与管理。
⑶ 杨树人工林体系对Cd的富集特征（参见表6）：
表6 农田人工林土壤上Cd在河北杨各器官的富集特征
农田土壤上河北杨对Cd的富集特征如表6所示。由于蘖生林的郁闭度较大，密度较小，因此很难区分凋落物的归属，固未采集凋落物。从树干和树皮的富集特征来看，依然是树皮有较高的富集特征，并且在Cd污染较重的土壤上，其BCF值均是大于1的，表明河北杨确实对Cd具有很强的修复能力。另外，树干木质部Cd的BCF值均是小于1的，这表明Cd在树干木质部的分配不是河北杨的主要修复机制，但较低的Cd富集可为杨树完成修复目的后的安全再利用提供保障。从BCF值随树龄的变化来看，BCF值的变化会有一个峰值出现。以Cd的重要富集部位树皮来看，10年和13年的河北杨对Cd具有较高的富集能力，但是结合植物根区Cd含量的变化情况，10年应该是河北杨人工林修复干旱区Cd污染土壤最佳的采伐期限。