本发明涉及基于风险控制的重金属重度污染农田的处理方法，尤其涉及一种利用小叶杨处理重金属镉重度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。具体来看，全国中重度污染耕地面积大体在5000万亩左右，其中Cd重度污染土壤的点位超标率为0.5%。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Cd污染农田土壤会带来严重的人体及动物健康风险。
对于重金属重污染耕地，继续种植农作物会威胁到农产品的安全。若简单的弃耕，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。若全面进行修复，由于我国耕地土壤修复技术目前仍处于“示范工程”阶段，还无法大面积推广；另外，按照示范工程中修复一亩耕地企业平均40万元的报价，5000万亩耕地全面修复将耗费20万亿元，这无疑给国家财政带来巨大的负担。可见，就我国国情来说，将这些重金属重污染耕地全部进行修复或弃之不用显然是不现实的。
调整种植结构，种植生物能源类植物是重金属重污染耕地实现安全高效利用的有效途径之一。基于钙质土壤区干燥少雨的气候特征以及重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及对重金属富集能力强的杨树是钙质土壤区重金属重污染农田土壤修复与利用所需的理想植物材料。同时，杨树可用于建筑用材、制浆造纸、纤维素乙醇的原料，树叶还可用于动物饲料；杨树还能通过生物固碳作用减缓由CO2等温室气体诱发的全球变暖。可见，杨树同时兼具重要的经济价值和生态环境功能。
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、易于实施的利用小叶杨处理重金属镉重度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小叶杨处理重金属镉重度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镉重度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的株行距栽种小叶杨幼苗，并按照常规方法进行日常管理，构建小叶杨人工林处理体系；最后，当小叶杨人工林步入生长衰退期后按照前述方法进行更替即可。
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、本发明所选取的植物小叶杨是我国乡土树种，在我国已有两千多年的栽培历史，广泛分布于我国钙质土壤区，其耐盐、耐干旱，对重金属胁迫耐性高，是处理钙质土壤区重金属污染农田的优良乡土植物。
2、本发明所建立的小叶杨人工林处理体系，除了通过植被覆盖能够有效降低重污染土壤在风蚀、水蚀作用下带来的重金属扩散风险，更重要的是在小叶杨生长期内其能够持续稳定的去除土壤中的Cd，达到了既降低风险又修复土壤的双重目的。采用本发明方法年均土壤Cd去除率可达0.96%。
3、本发明所建立的小叶杨人工林处理体系除了能修复受重金属Cd严重污染的土壤外，在全球变暖背景下还兼具美化环境、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
一种利用小叶杨处理重金属镉重度污染钙质农田的方法，该方法是指首先对重金属镉重度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的株行距栽种小叶杨幼苗，并按照常规方法进行施肥、灌溉、除草以及除虫等日常管理，同时加强对凋落物的收集与处置，从而构建小叶杨人工林处理体系；最后，当小叶杨人工林步入生长衰退期后按照前述方法进行更替即可。
其中：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 试验地点位于甘肃省白银市东大沟流域的上游地区。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污染的农田面积达1330 公顷，其中1/3的农田受到了Cd的严重污染。
试验样地属于重金属重污染农田转杨树人工林，小叶杨人工林种植密度为1.5×2 m。目前该样地未进行人工灌溉，属于雨养型杨树人工林。采用随机采样的方法，并按照树龄将小叶杨划分为7年、13年和28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杨树3棵进行采样，非根际土壤亦随机选择3处进行采样。土壤样品风干过2 mm筛后备用，植物样品烘干后粉碎混合后备用。
⑴杨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，小叶杨人工林体系对钙质农田土壤的pH影响并不显著，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，EC过高会造成植物无法生长而死亡。研究表明，当土壤盐分含量高于0.5%时小叶杨的生长就会受到限制，往往会形成“小老头树”。比较小叶杨根际和非根际土壤的EC，发现小叶杨能够有效降低其根系范围内土壤的盐分，其中7年生的小叶杨根际土壤的EC下降幅度最大，达到了18.68%。
表1 小叶杨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。与非根际土壤相比，7年和13年生的小叶杨能够显著提高SOM的含量，DOC的含量略有下降但并不显著；相反，28年生的小叶杨根际SOM显著下降17.19%，DOC的含量却显著提高9.75%。对于高树龄的小叶杨而言，其根际土壤DOC的显著增加可能与土壤固有SOM的分解有关。基于DOC具有较强的流动性，同时还能与Cd形成Cd—DOC络合物，进而提高Cd在钙质土壤中的流动性和生物有效性。碳酸钙能够吸附Cd并能与其形成CdCO3的沉淀，降低Cd在钙质土壤中的流动性，进而限制了植物的吸收。然而，随着树龄的增加，小叶杨能够显著降低根际土壤中CaCO3的含量，诱发Cd重新从土壤固相释放到土壤溶液中，进而促进植物的吸收。
⑵不同树龄杨树对Cd的富集特征（参见表2）：
表2 小叶杨人工林体系中Cd在杨树各器官的分配特征
从表2中可以看出，Cd在小叶杨不同器官的分配随树龄均表现为一致的趋势，即树叶 > 树皮 > 树枝 > 树干木质部。树叶中的Cd含量最高，这表明叶是小叶杨富集Cd的主要部位，同时基于叶的生物量占杨树地上部生物量的5%以上，因此叶的凋落去除作用也是小叶杨修复Cd的主要机制。另外，随着树龄的增长，树干木质部和树皮中的Cd均是降低的，其主要原因是由于杨树生物量增加带来的稀释作用所致。而对于树枝和树叶，13年生的杨树下降最显著，与7年生的相比分别下降了31.47%和9.69%，这主要与小叶杨在这一时期处于快速生长期有密切的关系。对28年生的小叶杨而言，其树枝和树叶中Cd的含量相较于13年生的反而出现了增加趋势，并且其与7年生的相比差异也并不显著，这反映出小叶杨在其缓慢生长期对Cd的富集能力并不会减弱。结合表1分析其背后深层次的原因，这可能与28年生的小叶杨根际土壤中SOM的分解、DOC的增加以及碳酸钙的降低等因素共同作用有关。
⑶不同树龄杨树对土壤中Cd的去除作用（参见表3）：
表3 小叶杨人工林体系对土壤中Cd的去除作用
从表3中可以看出，随着树龄的增加，小叶杨根际土壤中Cd的含量是逐渐降低的，与非根际土壤相比分别下降了6.93%、9.90%和31.68%，年均下降速率为0.99%、0.76%和1.14%。可见，小叶杨对钙质农田土壤中Cd的去除作用显著。从土壤中可提取态Cd含量的变化来看，小叶杨根际土壤中提取态Cd的含量与非根际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年生的小叶杨其根际土壤中提取态Cd的含量是非根际土壤中的2.16倍。可见，小叶杨能够有效活化钙质土壤中的Cd，进而保证植物对Cd的吸收不会随着树龄的增加而降低。
应用实例2 试验地点同应用实例1。秋季杨树落叶后，在距离树干1 m半径内多点收集树叶，混合均匀后作为一个混合样。同时利用土钻在距离树干1 m半径内任选3处采集0~20 cm的根际土壤，混合后作为一个混各样；在林间空地采集0~20 cm的非根际土壤。所有树龄的小叶杨均任选3棵进行采样，非根际土壤任选3处进行采样。凋落物带回实验室烘干粉碎后备用，土样风干过2 mm筛后备用。
⑴凋落物中Cd含量随树龄的变化（参见表4）：
从表4中可以看出，凋落物（枯叶）中Cd的含量均接近或大于100 mg/kg，这一数值达到了Cd超富集植临界含量标准的要求。可见，小叶杨对Cd具有极强的富集能力。另外，比较生长期的小叶杨树叶与凋落后的树叶，其叶中Cd的含量与土壤中的比例生长期的树叶7年生的为0.37，13年生的为0.34，28年生的为0.45；凋落物中的相应比例分别为1.16、1.24和1.44。可见，随着小叶杨树叶的凋落，在其生长期末有一个快速集中的富集过程，且其富集系数均大于1，表明小叶杨确实是Cd的超富集植物，对Cd具有超强的提取修复潜能。
表4 小叶杨人工林体系中凋落物Cd含量及土壤酶活性随树龄的变化
⑵土壤酶活性随树龄的变化（参见表4）
b-葡糖苷酶参与了土壤中碳的转化，其是纤维素转化为葡萄糖的关键限速酶。从表4中可以看出，b-葡糖苷酶的活性随树龄的增加呈逐渐减小的趋势，这可能与凋落物中高含量Cd的毒害与抑制作用有较大的关系。但与非根际土壤相比，7年生的小叶杨其根际土壤中b-葡糖苷酶的活性显著增加，增幅达20.95%；13年和28年生的小叶杨其根际土壤中b-葡糖苷酶的活性则均是显著降低的，降幅分别为18.09%和26.07%。这种变化趋势与SOM的变化正好一致，表明b-葡糖苷酶通过参与土壤碳的转化进而诱发土壤中Cd生物有效性的改变，并最终作用于植物对Cd的吸收。
综合来看，小叶杨是通过叶的超富集作用实现对钙质农田土壤中Cd的去除作用，土壤中SOM、DOC以及碳酸盐的综合变化是保障小叶杨对Cd持续吸收的重要机制。b-葡糖苷酶活性随树龄的降低抑制了凋落物的分解，减缓了Cd重新从树叶向土壤中的释放。基于树叶中高含量的Cd存在一定的环境和生态风险，因此利用小叶杨的提取修复功能处理Cd重污染的钙质农田必须加强对凋落物的收集，并对修复农田进行封闭处理。