本发明涉及重金属污染土壤修复领域，具体涉及一种降低多年连作设施土壤重金属超标风险的方法。
背景技术
随着我国种植业结构的优化与调整，设施蔬菜得到迅速发展。据统计，2016年度全国各类设施蔬菜面积已达390万hm2，主要集中分布在山东、辽宁、河北、江苏、浙江等地。尤其是在我国的北方地区，设施蔬菜提高了蔬菜周年生产与均衡供应的水平，缩小了蔬菜价格的季节差，已成为许多地方的支柱产业，在农业增效、农民增收及推动农村经济发展中发挥了十分重要的作用。我国是世界第3大蔬菜出口国，目前全国蔬菜总产量达550.7×106t，人均蔬菜占有量313.0kg，已超过世界平均水平。随着出口量增加和人们生活质量的提高，蔬菜安全生产问题已逐渐成为制约其快速发展的重要因素。
设施蔬菜种植中存在高复种指数、高集约化和高投入等现象，因此设施土壤是一类利用强度大、投入和产出高、受人类活动影响大的农业土壤。相比其它土地利用类型，设施土壤受重金属污染的风险更大，这与设施土壤经常处于高温、高湿、无雨水淋溶的环境条件，长期实行高投入、高产出及单一化栽培的生产模式，以及施用较多的农药、化肥等有关。尽管从全国总体上看，我国设施菜地环境质量较好，但局域土壤存在重金属富集或部分元素的超标现象，具有不同程度的污染风险与生态风险。已有报道指出，随着设施土壤种植年限的增加，设施土壤中cd、cu等重金属总量、有效态含量均有不同程度的增加，在剖面上的变化具有“表聚化”等特点，表明人为活动导致表层土壤重金属显著累积。近年来，随着无公害有机蔬菜的推广和集约化畜禽养殖业的发展，蔬菜生产中有机肥施用量和比例显著增加，也在一定程度上加大设施菜地中重金属的累积风险。同时，设施土壤连作还会引发一系列不同程度的土壤障碍问题，如次生盐渍化、酸化等，土壤质量发生明显退化。这不仅影响到设施蔬菜的高产、高效及优质生产，而且影响蔬菜的质量安全，成为设施蔬菜可持续发展的关键制约因素。
随着人们对蔬菜质量安全越来越重视，设施土壤重金属超标状况及安全利用研究备受关注。目前，土壤重金属污染的治理途径主要有物理修复、化学修复、生物修复等。物理修复是通过农艺措施降低土壤污染物含量，从而降低蔬菜重金属累积风险。化学修复是根据土壤和重金属性质，向土壤中施加合适的改良剂来实现的，具有成本低廉、易于实施、对土壤扰动小、改良剂来源范围广等优点。植物修复被认为是环境友好型且可持续的一种技术手段，它可以在修复污染土壤的同时最大程度地保护土壤的生物多样性。这些技术手段各有优缺点，适用区域及条件各不相同。因此，针对设施土壤重金属分布特征与风险评估，研发化学改良/调理剂，结合农艺修复措施、生物修复措施等技术手段，形成可降低设施土壤重金属超标风险的综合技术，对于保障多年连作设施土壤的安全利用具有重要意义。
现有设施土壤或菜地相关专利中，主要关注次生盐渍化、硝酸盐污染、连作障碍等问题，而针对重金属风险防控方面的较少。公开号cn104998898a的发明“一种玉米秸秆协同风化煤原位钝化设施土壤重金属的方法”中公开了一种玉米秸秆协同风化煤原位钝化设施土壤重金属的方法，将玉米秸秆经过风干和粉碎后得到秸秆原料，通过em菌液喷施、风化煤混合等步骤，有效降低设施土壤中有效态重金属含量，具有操作简单、成本低等优点。公开号cn102180749a的发明“一种降低轻度污染菜地蔬菜镉铅含量的复混肥及制备方法”中公开了一种降低轻度污染菜地蔬菜镉铅含量的复混肥及制备方法，将尿素、氯化铵、硝酸铵、磷酸二铵、硝酸磷钾肥、钙镁磷肥、氯化钾、海泡石、高岭土、膨润土和电厂炉渣按比例配制，有效降低土壤活性态镉铅与蔬菜镉铅含量。以上方法均以化学修复为主，主要针对有效态重金属的钝化，不涉及物理、植物修复措施。
技术实现要素：
本发明提供了一种降低多年连作设施土壤重金属超标风险的方法，能够有效降低设施菜地表层土壤中cd、cu等重金属的总量及有效性，同时提高土壤通气透水性，改善土壤次生盐渍化、酸化等现象。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种降低多年连作设施土壤重金属超标风险的方法，适宜选择6月上旬至9月下旬设施温室歇茬期进行，优选夏季高温时段。
(1)土壤深翻：
将上茬蔬菜收获后，彻底清除病残根和田间杂草，对大棚进行通风晾晒，在土壤表面均匀洒水，使土壤含水量在15％～30％之间，然后用翻耕机或人工对设施菜地土壤进行深翻，使上下土层土壤疏松、破碎并充分混合，要求翻耕深度在25～35cm之间；
(2)重金属钝化剂施用：
重金属钝化剂包括秸秆生物炭、沸石和膨胀蛭石，按重量比(8～10)：(5～10)：(3～5)的比例混合均匀，在翻耕后的设施土壤表面均匀撒施重金属钝化剂，施用量为每亩300kg～500kg，具体根据土壤性状、重金属分布以及连作年限等确定；然后用旋耕机旋耕1～2次，耙碎、平整上层0～15cm土壤，使钝化剂在表层土壤中均匀分布；
其中，所述秸秆生物炭由小麦、水稻、玉米农作物秸秆制成，限氧条件下热解，热解终温为300～500℃；所述秸秆生物炭、沸石粒径在40～60目，膨胀蛭石粒径在10～20目。
(3)水分调控：
进行表面洒水，使土壤的含水量达到60％～70％，然后覆盖塑料薄膜以保持水分，再盖上棚膜，以利于土壤中钝化剂达到稳定平衡状态；覆膜密封15～20天后，揭膜通风晾晒5～7天；
(4)填闲作物种植：
根据设施菜地条件及区域特点，选择玉米或高粱作为填闲作物，播种量为每亩0.8～1.5kg，开穴种植，生长期间不施用任何肥料，定期进行灌溉、除草等管理措施；生长60～100天后收获，其中高梁生长期较短，在45～60天，适时收割可收获2茬，收获后将填闲作物地上部连同根系移除出棚，大棚扣棚育苗，开始下一茬蔬菜种植。
本发明的优点在于：
(1)本发明制备的重金属钝化剂以秸秆生物炭、沸石和膨胀蛭石为原料。生物炭和沸石具有钝化效果明显、材料来源广泛、成本低廉等优点。膨胀蛭石一般用做培养基质，具备良好的阳离子交换性和吸附性，其含有的硅(铝)羟基基团有利于络合吸附重金属离子。将膨胀蛭石与生物炭、沸石配施，除了能够通过吸附、提高ph值等多种途径固定土壤重金属外，还提供k、mg、ca、fe等多种养分元素，并提高土壤的透气性和含水性，一定程度上改善设施土壤酸化、盐渍化等问题；
(2)本发明在施用重金属钝化剂时对菜地土壤采取先翻耕25～35cm再旋耕的方式，这一措施除了将上层重金属超标风险较大的土壤与下层清洁土壤混合，以降低表层土壤重金属含量及有效性外，还有利于疏松土壤，扩大耕深，对深根系蔬菜如番茄、茄子等的生长有利；
(3)本发明使用高粱或玉米作为填闲作物，这两种作物具有生长迅速、耐重金属、适应性强、生物量大、根系深等特点，能够有效地改变土壤中重金属或养分的分布、改良土壤结构和土壤生物学环境，对下茬作物根系生长产生友好影响。既可作为重金属污染土壤的修复植物，也可用于阻控设施土壤硝酸盐的累积。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明进行进一步说明。
实施例1
(1)重金属钝化剂制备：将水稻秸秆切碎成3cm左右的小段、洗净后自然风干，放入真空管式炉中热解，热解终温为500℃，保温1h后取出，自然冷却至室温，制得秸秆生物炭，ph值和ec分别为9.68和3.21ms/cm；沸石和膨胀蛭石购自市场，ph值分别为8.73和6.91，ec分别为0.06和0.17ms/cm。三种原料分别过40目或10目筛后，按重量比10:8:4混合均匀；
(2)选择某设施大棚蔬菜地作为试验对象，该设施菜地已连作5年，土壤ph值6.53，总cu、cd含量分别为120和0.48mg/kg。6月中旬收获上茬蔬菜后，彻底清除病残根和田间杂草，对大棚进行通风晾晒后，表面洒水，使土壤含水量在30％左右，然后使用翻耕机将菜地土壤深翻30cm；
(2)在翻耕后的土壤表面均匀撒施重金属钝化剂，施用量为每亩350kg，然后用旋耕机旋耕2次，耙碎、平整上层0～15cm土壤，使上下土层土壤与修复剂充分混合；
(3)翻耕后进行表面洒水，使土壤的含水量达到65％左右，然后覆盖塑料地膜和棚膜，密封15天后，揭膜通风晾晒5天；
(4)种植甜高粱(品种：大力士)作为填闲作物，播种量为每亩0.8kg，点播后覆土，生长期间不施用任何肥料，定期进行灌溉、除草等管理措施。生长60天后收获，将高粱茎叶连同根系移除出棚，准备下一茬蔬菜种植；
(5)对应用本发明方法后的菜地表层0～10cm土壤进行分析，结果见表1，发现表层土壤中总cu和总cd分别减少31.2％和25.0％，均低于国家土壤质量二级标准(gb15618-2008)限定的100和0.4mg/kg，有效态cu和有效态cd分别降低34.6％和38.5％，表明本发明方法能够有效降低设施土壤重金属超标的风险。
表1表层土壤cd总量及有效态的变化情况
由表2可见，应用本发明方法后的表层土壤ph值提高0.25个单位，土壤酸化现象有所缓解；电导率和容重分别降低20.0％和9.9％，总孔隙度提高16.0％，一定程度上改善土壤通气透水性和盐渍化现象。
表2表层土壤理化性质的变化情况
实施例2
(1)重金属钝化剂制备：生物炭、沸石和膨胀蛭石均购自市场，其中生物炭原料为小麦秸秆，采用连续竖式生物质炭化窑炉生产，热裂解炭化温度为500℃，ph值和ec分别为10.53和5.98ms/cm。沸石和膨胀蛭石的ph值分别为7.46和7.49，ec分别为11.1和17.0μs/cm。三种原料分别过60目或20目筛后，按重量比8:5:3混合均匀；
(2)选择某多年连作蔬菜基地作为试验对象，该设施菜地土壤ph值6.98，总cd含量为1.08mg/kg，超过国家土壤质量二级标准(gb15618-2008)的2.7倍。在上茬蔬菜收获后，彻底清除病残根和田间杂草，对大棚进行通风晾晒后，表面洒水使土壤含水量在20％左右，然后人工对菜地土壤深翻25cm；
(2)表面均匀撒施重金属钝化剂，施用量为每亩450kg，然后用旋耕机旋耕2次，耙碎、平整上层0～15cm土壤，使上下土层土壤与修复剂充分混合；
(3)翻耕后进行田间灌水，使土壤的含水量达到60％以上，然后覆盖塑料地膜和棚膜，密封20天后，揭膜通风晾晒7天；
(4)种植玉米(品种：皖玉9号)作为填闲作物，播种量为每亩1.5kg，穴播，生长期间不施用任何肥料，定期进行灌溉、除草等管理措施。生长100天后收获，将玉米茎叶连同根系移除出棚，准备下一茬蔬菜种植；
(5)对应用本发明方法后的菜地表层0～10cm土壤cd总量及有效态cd含量进行分析，由表1可知，表层土壤中总cd和有效态cd分别减少20.4％和38.1％，有效降低了该设施土壤重金属超标的风险。
表1表层土壤cd总量及有效态的变化情况
由表2可见，应用本发明方法后的表层土壤ph值提高0.16个单位，电导率和容重分别降低16.7％和10.6％，总孔隙度提高16.3％，一定程度上改善土壤通气透水性，缓解土壤酸化和盐渍化现象。
表2表层土壤理化性质的变化情况