本发明创造属于重金属污染土壤的植物修复技术和农产品质量安全技术领域，尤其涉及一种在中重度重金属(cd和pb)污染农田替代轮作种植红薯和油菜的安全生产方法。
背景技术：
土壤重金属污染是近几十年来主要的环境污染问题之一。耕地土壤中重金属经农作物木质部吸收储存在韧皮部，可通过食物链进入人体和畜禽中，对人体和畜禽器官如肾脏具有严重的危害。调查显示，镉(cd)、汞(hg)、砷(as)、铜(cu)、铅(pb)、铬(cr)、锌(zn)和镍(ni)8种重金属污染点位超标率分别为7.0％、1.6％、2.7％、2.1％、1.5％、1.1％、0.9％、4.8％和0.9％。就cd而言，轻微、轻度、中度和重度污染点位超标率分别为5.2％、0.8％、0.5％和0.5％，相较其他重金属，其污染程度最为严重，给农作物种植带来巨大风险。当前，耕地cd污染常伴随其他重金污染同步存在，例如pb，因此，有效治理耕地重金属cd、pb污染，降低农作物中cd、pb含量，实现cd、pb污染耕地安全利用是一个迫在眉睫的问题。
对于控制cd、pb向农作物中转移，达到安全生产的目的，目前主要从两方面着手：一方面是通过化学固定降低土壤中cd、pb的活性，例如调控土壤的ph、施用土壤调理剂(如石灰石、沸石、磷酸盐类、生物炭等)；另一方面从污染土壤安全利用考虑，种植重金属抗性强、低累积型的农作物品种。不同农作物类型对重金属累积存在显著差异，同一种农作物的不同品种之间对重金属累积差异也很显著，如，小麦、莴苣、玉米和向日葵等作物均存在显著的种间和种内重金属累积差异。
对于重金属中重度污染农田，常规的技术方法往往很难实现安全利用，而可利用耕地资源是有限的，无法对广大中重度污染农田进行闲置或抛荒，因此进行种植结构调整或替代种植成为可行的技术方法。轮作是我国广大区域存在的农业种植模式，不同作物之间的合理搭配，可最大发挥农田的经济效益，且不产生土壤毒害，另外前茬种植农作物的根际效应，也会对后茬作物产量、重金属累积量等方面产生影响。
技术实现要素：
鉴于上述背景，本发明创造旨在提出一种在中重度cd、pb污染农田替代种植红薯和油菜轮作的安全生产方法，使红薯和油菜的可食部位重金属含量低于标准限定值，解决中重度重金属污染农田农产品重金属超标问题，实现污染农田安全利用。
本发明采用的技术方案如下：一种用于重金属污染农田替代轮作种植红薯和油菜的安全生产方法，在cd、pb中重度污染土壤上，将夏季作物红薯和越冬作物油菜轮作，具体包括：
(1)种植时间：红薯种植期为6月-10月，油菜种植期为10月-次年5月；
(2)农田整理：根据种植需要、田块面积进行农田除草、除杂、开沟、平整工作；
(3)施入土壤调理剂：在红薯种植前施用土壤调理剂，施用量为：中度重金属污染稻田150-300kg/亩，重度重金属污染稻田300-600kg/亩；
(4)种植重金属低累积品性红薯：红薯品种为湘薯98、商薯19、苏薯24和渝薯98，移栽种植；
(5)红薯收获和茎叶移除：红薯成熟后机械收获或人工收获，并将地上茎叶移除离田、集中回收处理；
(6)种植重金属低累积品性油菜：油菜品种为沣油823、油研2013、湘杂油631和富油杂108，撒播种植；
(7)油菜收获和秸秆移除：油菜成熟后采用机械收获或人工收获，并将地上秸秆全部移除离田、集中回收处理。
进一步地，所述土壤调理剂为石灰石、海泡石、沸石、羟基磷灰石中的一种或多种的组合，其中，石灰石(碳酸钙)，白度>90，粒度>200目，沉降体积(2.4-2.8ml·g-1)；海泡石成分>80％，沉降值800-850，水分<1.5％，粒度>200目；沸石成分>65％，水分<1.5％，粒度>200目；羟基磷灰石，钙含量为22％～27％，磷含量为9％～12％，粒度>200目。
进一步地，土壤调理剂施用方法为：田块除草、除杂后，将土壤调理剂抛洒在田块土壤表面，再进行田块的旋耕，直至调理剂与土壤混合均匀，土壤调理剂施用后保持土壤含水率在60％以上，平衡培养3-7d。
进一步地，步骤(4)中，红薯种植前，施用基肥并在田块最后一次旋耕时施入；将上述已施用土壤调理剂、基肥并湿润熟化后的土壤，按垄面宽70-80cm、垄高30-40cm，起垄，成梯形状，然后于垄上种植红薯苗，株间距30-40cm，在红薯种植期内水肥、除草、病虫害防治与当地红薯种植管理相同。
进一步地，所述基肥为复合肥，复合肥中n:p:k＝15:15:15，施用量为50kg/亩。
进一步地，步骤(6)中，将收获红薯后的田块旋耕、平整、开沟，沟深15-20cm，油菜种植前施用有机肥做基肥并施用0.5-0.75kg/亩的硼肥，种子用量按400-500g/亩，撒播种植油菜，当油菜苗长至株高20-30cm时，按密度不低于8000株/亩、行距30-40cm间苗，间苗时保大弃小，留壮去弱，在油菜种植期内水肥、除草、病虫害防治与当地油菜种植管理相同。
进一步地，所述有机肥中有机质≥45％，腐殖酸≥17％，施用量为50-80kg/亩。
进一步地，油菜收获时间为：油菜开花结束后30-40d且70％-80％果荚变黄后收获。
本发明的工作原理为：种植低累积品性红薯和油菜，通过品种自身的低累积特性，使得可食部位重金属含量较低；通过土壤调理剂施用降低土壤中重金属有效态含量，进而降低其生物有效性，使得农作物可食部位重金属含量进一步降低，低于国家限量标准，从而达到安全生产；红薯茎叶、油菜秸秆中累积了一定量的重金属，通过移除离田，可保障农田土壤重金属总量不增加，并实现逐年减少的效应。
在本发明中，选用的红薯、油菜均是我国大宗种植经济作物，种植区域广泛，种植方法简单；土壤调理剂由石灰石、海泡石、羟基磷灰石、沸石混合制成，原材料经济实惠，制作和施用方式简便，具有推广应用的可能性和意义。
相对于现有技术，本发明所述的一种在中重度重金属(cd和pb)污染农田，红薯和油菜轮作的替代种植方法，具有以下优势：
(1)解决了中重度重金属污染农田土壤种植食用农产品存在食用农产品不符合质量安全标准及农用地土壤污染风险高的问题。采用此方法种植的红薯块芯、油菜籽粒cd、pb含量低于《食品安全国家标准食品中污染物限量(gb2762-2017)》中限定值；
(2)本发明所述替代种植红薯和油菜轮作技术，种植方法简便，投入成本经济，对环境无不良影响，同时红薯和油菜没有重金属毒害现象，均能正常生长，产量达到正常水平；
(3)本发明所述红薯茎叶和油菜秸秆均累积了一定量的重金属，通过秸秆移除离田、集中回收，送往发电站燃烧发电的方式进行后续处置，可达到土壤cd、pb总量逐年减少的效应，有利用污染农田的边生产边修复。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施案例1：
2017-2018年，在湖南北部某重金属中重度污染农田开展田间种植。该地区位于亚热带季风湿润气候区，年平均气温为17.5℃，年降水量为1400至1700mm，无霜期约为275天。土壤类型为红壤。种植前土壤基本理化性质如下：
表1土壤基本理化性质
种植过程如下：
(1)农田整理：将农田人工除草、除杂、开沟、平整，按3m×4m设置样方，每个处理重复3次。
(2)施入土壤调理剂：土壤调理剂由碳酸钙和海泡石按质量比2:1进行混合均匀制备而成。碳酸钙，白度>90，粒度>200目，沉降体积(2.4-2.8ml·g-1)；海泡石成分>80％，沉降值800-850，水分<1.5％，粒度>200目。土壤调理剂在红薯种植前施用，具体操作步骤是：除草、平整、翻耕土壤，耙除前茬作物根和茎秆；然后将土壤调理剂(每亩150kg量)均匀抛洒在土壤表面，多次旋耕，直至耕作层土壤(0-20cm)中土壤调理剂与土壤充分混合均匀，然后浇水保持土壤湿润，熟化培养5d；最后起垄种植红薯苗。
(3)种植红薯：低累积红薯品种为湘薯98，以苏薯16为对照组。移栽种植时间为6月1日-10月2日。种植前施用基肥(硫酸钾复合肥n:p:k＝15:15:15，总养分≥45％，每亩50kg量)，在田块最后一次旋耕时施入。将上述已施用土壤调理剂、基肥并湿润熟化后的土壤，按垄底宽1m、垄面宽0.7m、垄高0.4m，起垄，然后于垄上种植红薯苗2排，株间距0.3m。8月3日追施钾肥(硫酸钾复合肥n:p:k＝15:15:15，总养分≥45％，每亩15kg量)。
(4)红薯收获和茎叶移除：红薯成熟后采用人工收获，并将地上茎叶全部移除离田。
(5)种植油菜：低累积品种为沣油823，以中双11为对照组。撒播种植时间为10月7日-5月3日。将收获红薯后田块旋耕、平整、开沟，沟深20cm。油菜种植前施用有机肥做基肥(有机质≥45％，腐殖酸≥17％，按每亩80kg量)，并施用0.5kg硼肥(硼砂)。种子用量按500g/亩，撒播种植油菜，当油菜株高30cm时，按株距30cm×40cm间苗。在1月16日追施薹肥(尿素，每亩15kg)。
(6)油菜收获和秸秆移除：油菜开花结束后30d后且80％果荚变黄，人工收获，并将地上秸秆全部移除离田。
化学分析方法：红薯和油菜成熟时，每样方按5点法取样5株及其根际土壤，红薯分根、茎叶、皮、块芯4部分，油菜分根、茎、果荚和籽粒4部分。分析土壤、植株各部位重金属含量。
实施结果：
(1)红薯、油菜各部位中重金属含量及产量：
由表2可知，在土壤cd总量为3.60mg/kg、pb总量为129mg/kg的污染农田中，ck处理中湘薯98块芯cd和pb含量分别低于苏薯16块芯cd和pb含量的51.9％和54.0％，2种红薯块芯cd和pb含量均大于《食品安全国家标准食品中污染物限量(gb2762-2017)》对块根和块茎类蔬菜cd和pb含量限定值(cd≤0.1mg·kg-1，pb≤0.2mg·kg-1)，不符合安全种植要求。实施安全种植技术方法处理，按照150kg/亩施用土壤调理剂后，就湘薯98而言，与ck相比，块芯cd含量降低了23.1％，降低为0.10mg/kg，块芯中pb含量显著降低43.5％，降低为0.13mg/kg，均低于标准限定值，符合安全生产要求。
表2不同处理土壤重金属含量、红薯的重金属含量及红薯产量
注：数据结果为3个平行的平均值±标准偏差表示。表中不同字母表示差异显著。
后期轮作种植油菜沣油823和中双11(设为对照组ck)。由表3可知，相比于中双11，沣油823根、茎、果荚和籽粒具有较低的cd、pb含量，其籽粒中cd含量0.07mg/kg，低于中双11的0.13mg/kg。参照《食品安全国家标准食品中污染物限量(gb2762-2017)》对油脂类食品花生中cd、pb含量限定值(cd≤0.5mg/kg，pb≤0.2mg/kg)，2种油菜籽粒含量均符合标准要求，且沣油823油菜籽粒更安全。
表3不同处理土壤重金属含量、油菜的重金属含量及油菜产量
注：数据结果为3个平行的平均值±标准偏差表示，表中“—”表示未检出。表中不同字母表示差异显著。
(2)土壤ph及重金属有效态含量
由表4可知，安全种植方法在红薯种植前向土壤施用调理剂150kg/亩，与不施用处理(ck)相比，红薯根际土壤ph增大0.47-0.79个单位，有效态cd降低37.0-42.9％，有效态pb降低了15.2-25.9％。土壤调理剂的施用，很好的钝化了土壤中游离的重金属，从源头降低了重金属的生物有效性，使得农作物吸收累积的重金属更少。
表4不同处理田块红薯根际土壤ph和重金属有效态含量
注：数据结果为3个平行的平均值±标准偏差表示。表中不同字母表示差异显著。
后期轮作种植油菜，由表5可知，与ck相比，安全种植方法处理田块土壤ph显著高出0.62-0.86个单位，土壤有效态cd显著低出18.0％-28.6％，土壤有效态pb显著低出23.8％-27.1％，可见，在种植红薯前施用的土壤调理剂对油菜种植阶段土壤重金属的生物有效性仍然有着显著的降低效应。
表5不同处理田块油菜根际土壤ph和重金属有效态含量
(3)通过秸秆移除的重金属量
红薯、油菜地上部分茎叶中累积了大量的重金属，由表2可知，红薯茎叶中cd和pb含量均大于1mg/kg，按照平均亩产茎叶干重500kg计算，一茬种植红薯，通过地上茎叶移除离田，可从农田移除的cd和pb总量均为0.5g/亩。由表3可知，施用土壤调理剂轮作种植沣油823，油菜茎杆中cd、pb含量分别为0.85mg/kg和0.42mg/kg，按照平均每亩油菜秸秆干重1000kg计算，一茬种植油菜，通过地上茎杆移除离田，可从农田移除的cd和pb总量分别为0.85g/亩和0.42g/亩。将红薯和油菜轮作种植，则一年可移除cd和pb总量分别为1.35g/亩和0.92g/亩，可达到农田土壤重金属总量的逐年减少。
实施案例2：
2018-2019年，在湖南北部某重金属cd、pb重度污染农田开展田间种植。该地区位于亚热带季风湿润气候区，年平均气温为17.5℃，年降水量为1400-1700mm，无霜期约为275天。土壤类型为红壤。种植前土壤基本理化性质如下：
表6土壤基本理化性质
红薯种植时间为6月4日-10月7日，油菜种植时间为10月10日-5月15日，种植过程如下：
(1)农田整理：将农田人工除草、除杂、开沟、平整。按3m×4m设置样方，每个处理重复3次。
(2)施入土壤调理剂：土壤调理剂由碳酸钙和海泡石，按质量比2:1进行制备并混合均匀。碳酸钙，白度>90，粒度>200目，沉降体积(2.4-2.8ml·g-1)；海泡石成分>80％，沉降值800-850，水分<1.5％，粒度>200目。土壤调理剂在红薯种植前施用，具体操作步骤是：除草、平整、翻耕土壤，耙除前茬作物根和茎秆；然后将土壤调理剂(每亩300kg量)均匀抛洒在土壤表面，多次旋耕，直至耕作层土壤(0-20cm)中土壤调理剂与土壤充分混合均匀，然后浇水保持土壤湿润，熟化培养5d；最后起垄种植红薯苗。
(3)种植红薯：低累积品种为湘薯98，以苏薯16为对照组，移栽种植，种植时间为6月4日-10月7日。种植前施用基肥(硫酸钾复合肥n:p:k＝15:15:15，总养分≥45％，每亩50kg量)，在田块最后一次旋耕时施入。将上述已施用土壤调理剂、基肥并湿润熟化后的土壤，按垄底宽1m、垄面宽0.7m、垄高0.4m，起垄，然后于垄上种植红薯苗2排，株间距0.3m。8月15日追施钾肥(硫酸钾复合肥n:p:k＝15:15:15，总养分≥45％，每亩15kg量)。
(4)红薯收获和茎叶移除：红薯成熟后采用人工收获，并将地上茎叶全部移除离田。
(5)种植油菜：低累积品种为沣油823，以中双11为对照组，撒播种植，种植时间为10月10日-5月15日。将收获红薯后田块旋耕、平整、开沟，沟深20cm。油菜种植前施用有机肥做基肥(有机质≥45％，腐殖酸≥17％，按每亩80kg量)，并施用0.5kg硼肥(硼砂)。种子用量按500g/亩，撒播种植油菜，当油菜株高30cm时，按株距30cm×40cm间苗。在1月21日追施薹肥(尿素，每亩15kg)。
(6)油菜收获和秸秆移除：油菜开花结束后35d后且80％果荚变黄，人工收获，并将地上秸秆全部移除离田。
实施结果如下：
(1)红薯、油菜各部位重金属含量及产量
由表6可知，在土壤cd总量为3.73mg/kg、pb总量为228mg/kg的重度污染农田中。不实施安全种植方法(ck)种植红薯，湘薯98块芯cd和pb含量分别低于苏薯16块芯cd和pb含量的26.7％和56.6％，2种红薯块芯cd和pb含量均大于《食品安全国家标准食品中污染物限量(gb2762-2017)》对块根和块茎类蔬菜cd和pb含量限定值(cd≤0.1mg·kg-1，pb≤0.2mg·kg-1)，不符合安全种植要求。按照300kg/亩施用土壤调理剂后，就湘薯98而言，与ck相比，块芯cd含量降低了36.4％，降低为0.07mg/kg，块芯pb含量显著降低43.5％，降低为0.13mg/kg，均低于标准限定值，符合安全种植。
表7不同处理田块土壤重金属含量、红薯的重金属含量及红薯产量
注：数据结果为3个平行的平均值±标准偏差表示。表中不同字母表示差异显著。
后期轮作种植沣油823和中双11，中双11设为对照组。由表8可知，实施安全种植方法后，沣油823油菜各部位cd、pb显著低于中双11号，籽粒cd含量为0.08mg/kg，低出57.9％。参照《食品安全国家标准食品中污染物限量(gb2762-2017)》对油脂类食品花生中cd含量限定值(cd≤0.5mg·kg-1，pb≤0.2mg·kg-1)，2种油菜籽粒重金属含量均符合标准要求，且沣油823油菜籽粒更安全。
表8土壤重金属含量、油菜的重金属含量及油菜产量
注：数据结果为3个平行的平均值±标准偏差表示，表中“-”表示未检出。
(2)土壤ph及重金属有效态含量
由表9可知，实施安全种植方法需要在红薯种植前向土壤施用调理剂300kg/亩，与不实施处理(ck)相比，红薯根际土壤ph显著增大0.91-0.94个单位，有效态cd降低23.1％-32.9％，有效态pb降低了31.8％-32.4％。针对重度污染土壤，土壤调理剂的施用，可显著降低土壤cd和pb的生物有效性，从而使得农作物吸收累积的重金属更少。
表9不同处理田块红薯根际土壤ph和重金属有效态含量
后期轮作种植油菜，由表10可知，与不ck相比，实施安全种植方法中施用土壤调理剂的田块土壤ph显著高出0.63-0.89个单位，土壤有效态cd显著低出17.5％-33.3％，土壤有效态pb显著低出18.1％-32.4％，可见，在种植红薯前施用的土壤调理剂对油菜种植阶段土壤重金属的生物有效性仍然有着显著的降低效应。
表10不同处理田块油菜根际土壤ph和重金属有效态含量
(3)通过秸秆移除的重金属量
在重金属重度污染农田种植红薯、油菜，作物地上部分茎叶中累积了大量的重金属，由表7可知，红薯茎叶中cd含量为0.71mg/kg，pb含量3.18mg/kg，按照平均亩产茎叶干重500kg计算，一茬种植红薯，通过地上茎叶移除离田，可从农田移除的cd和pb总量分别为0.36g/亩和1.59g/亩。由表8可知，施用土壤调理剂轮作种植沣油823，油菜茎杆中cd、pb含量分别为0.95mg/kg和1.16mg/kg，按照平均每亩油菜秸秆干重1000kg计算，一茬种植油菜，通过地上茎杆移除离田，可从农田移除的cd和pb总量分别为0.95g/亩和1.16g/亩。将红薯和油菜轮作种植，则一年可移除cd和pb总量分别为1.31和2.75g/亩，可达到农田土壤重金属总量的逐年减少。