1.本发明属于资源环境技术领域，具体涉及一种象草套作紫云英免耕修复重金属污染农田的方法。


背景技术：

2.近年来随着工业及城市化进程发展，我国农田土壤面临的污染风险越加突出，并受到越来越多的关注。其中土壤重金属污染由于有害重金属在土壤环境中能持久存在，并可通过生物食物链积累、传递，对人类健康造成有害影响而受到特别的关注，对于重金属污染农田土壤的修复具有重要意义。
3.植物提取是一种利用植物将土壤中重金属转移到相对容易处理的地上部分的技术。它以太阳能为动力，与其他修复方法相比，具有成本低、二次污染少、可大规模应用的优点，已成为修复镉污染土壤的主流方法。然而，在实际应用中，植物提取修复效率相对较低，如何提高植物对重金属的的修复效率，成为了亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种象草套作紫云英免耕修复重金属污染农田的方法，本发明提供的方法能够强化重金属污染的修复效果，年镉移除量能够达到29.09g/ha。
5.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.本发明提供了一种象草套作紫云英免耕修复重金属污染农田的方法，包括：种植象草，套作紫云英。
7.优选的，所述重金属包括镉；所述污染农田中镉的浓度为0.6～1.2mg/kg。
8.优选的，所述套作紫云英的方式包括播种紫云英种子。
9.优选的，所述紫云英种子的播种量为2.0～3.0kg/亩。
10.优选的，所述种植象草的株距为40～50cm，行距为50～60cm。
11.优选的，在种植象草的同时施加基肥。
12.优选的，种植象草前，还包括旋耕整地；所述旋耕的深度为20～25cm。
13.优选的，所述基肥的施加量为30～50kg/亩。
14.优选的，还包括种植象草20～30天后，追施尿素10～15kg/亩。
15.优选的，还包括当年象草成熟后收割留茬，次年将成熟紫云英翻入耕作层，得到越冬再生象草后，在原种植地再次套作紫云英进行重金属移除，也可将越冬再生象草分茬移栽于另外的重金属污染农田利用。
16.本发明提供了一种象草套作紫云英免耕修复重金属污染农田的方法，包括种植象草，套作紫云英的步骤。本发明以象草套作紫云英，象草具有较大生物量、镉移除能力和广泛的后续处理途径，同时可对紫云英生芽起到遮阴保湿作用；紫云英的套作可固定土壤养分、抑制杂草、促进象草越冬。
17.进一步的，本发明将紫云英锄入土层，可向土壤提供养分、增加可溶性有机碳
(doc)，利用越冬象草对农田进行再次修复，越冬再生象草年干生物量和年镉移除量分别可达60.60t/ha、29.09g/ha，且象草体内镉含量低于中国饲料卫生标准限值。
18.另外的，本发明旋耕移栽象草幼苗不会破坏土壤的耕层结构，能够固定土壤养分，并且通过限定基肥和追肥的用量，在保证象草正常生长的同时，减少了肥料的投入量，降低了成本和环境风险。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。
20.图1为象草越冬期间土壤温度变化图；
21.图2为象草种植翌年生长情况，左侧图(na)象草种植地未套作紫云英；右侧图(a)象草种植地套作了紫云英；
22.图3-1为免耕补栽象草+紫云英模式下(sng)象草根的形态；
23.图3-2为旋耕移栽象草+紫云英模式下(tng)象草根的形态；
24.图3-3为越冬再生象草+紫云英模式下(rng)象草根的形态；
25.图4为不同耕作模式各时期象草地上部的干生物量图；
26.图5为不同耕作模式各时期象草地上部的镉含量图；
27.图6为不同耕作模式各时期象草地上部的镉移除量图；
28.图7为不同耕作模式各时期土壤中有效cd(dtpa-cd)的含量图；
29.图8为不同耕作模式各时期土壤溶液cd(sse-cd)的含量图。
具体实施方式
30.本发明提供了一种修复重金属污染农田的方法，包括种植象草，套作紫云英的步骤。在本发明中，所述重金属优选包括镉。本发明所述污染农田中镉的浓度优选为0.6～1.2mg/kg，进一步优选为0.8～1.0mg/kg。
31.本发明在重金属污染农田种植象草，套作紫云英。本发明种植象草前，优选进行旋耕整地。本发明所述旋耕的深度优选为20～25cm，进一步优选为22～24cm。本发明所述整地优选为分厢整地，开厢沟和排水沟。本发明所述厢的宽度优选为1.2～1.4m。本发明所述厢沟的宽度优选为35～45cm，进一步优选为40cm；所述厢沟的深度优选为15～25cm，进一步优选为20cm。本发明所述排水沟的宽度优选为40cm，所述排水沟的深度优选为30cm。本发明雨期前清理排水沟，确保排水通畅。本发明旋耕整地后种植象草不会破坏土壤的耕层结构，能够固定土壤养分。
32.在本发明中，种植象草时，象草的株距优选为40～50cm，进一步优选为42～48cm，更优选为45～46cm；所述象草的行距优选为50～60cm，进一步优选为52～58cm，更优选为54～56cm。本发明所种植的象草优选为去除顶端叶片的带根幼苗。本发明所述带根幼苗的高度优选为30～40cm，进一步优选为32～38cm，更优选为34～36cm。本发明种植象草的时间优选为气温稳定15℃以上，进一步优选为春季。本发明所述象草具有较大生物量、镉移除能力和广泛的后续处理途径。
33.本发明优选在种植象草的同时施加基肥。本发明所述基肥的施加量优选为30～
50kg/亩，进一步优选为36～38kg/亩。本发明所述基肥中总养分的含量优选≥51wt.％，所述基肥优选为氮磷钾复合肥。本发明所述氮磷钾的质量比优选为18～26：10～18：15～17，进一步优选为25︰10︰16。本发明所述氮的质量以n计，所述磷的质量以p2o5计，所述钾的质量以k2o计。本发明所述基肥的施加方式包括撒施或穴施。本发明基肥用量低，在保证象草正常生长的同时，降低了成本和环境风险。
34.本发明在种植象草的过程中，对象草进行管理。本发明所述管理的方式优选包括：象草种植的0～10天，保持田间持水量65～75％，进一步优选为70％；象草种植20～30天后，施加追肥。本发明所述追肥的施加量优选为10～15kg/亩，进一步优选为12～14kg/亩；所述追肥的施加方式优选为撒施；所述追肥优选为尿素。本发明优选对象草蔸周围10cm以内区域土壤施加所述追肥。本发明所述追肥能促进象草分蘖和壮苗。本发明所述管理的方式还包括当象草高度为1～2m时，进行1～2次中耕和除草。本发明对所述中耕和除草的方式没有严格要求，常规操作即可。本发明进行一次追肥，减少了肥料的投入量，降低了成本和环境风险。
35.本发明套作紫云英时，优选于9～10月套作紫云英。本发明所述套作紫云英的方式优选为在所述厢上播撒紫云英种子，进一步优选为在所述象草周围播撒紫云英种子。本发明所述紫云英种子的播种量优选为2.0～3.0kg/亩，进一步优选为2.5kg/亩。本发明套作紫云英能适应严冬环境，可在1月低温时提高土壤温度，并且具有较高的固氮能力和快速的生物量积累特性，可固定土壤养分、抑制杂草、促进象草越冬，象草可对紫云英起到遮阴保湿作用，促进紫云英生芽。
36.象草成熟后，本发明收割象草并留茬，翌年将成熟紫云英锄入耕作层，再结合利用越冬再生象草对重金属污染农田进行再次修复。本发明所述留茬的高度优选为5～15cm，进一步优选为10cm。本发明所述紫云英锄入耕作层的深度优选为0～20cm，进一步优选为5～15cm，更优选为8～12cm。本发明翌年将成熟紫云英锄入耕作层可向土壤提供养分、增加可溶性有机碳(doc)，并且抑制了杂草的生长，利用越冬再生象草可简化田间管理，避免因留种、育苗与移栽产生的管理成本，并且具有更强大的根系、较多的分蘖数，从而具有较高的生物量和镉移除能力。紫云英锄入土层情况下的越冬再生象草年干生物量和镉移除量分别可达60.60t/ha、29.09g/ha，且象草体内镉含量低于中国饲料卫生标准限值(1mg/kg，gb 13078-2017)。本发明优选在原种植地再次套作紫云英或者将越冬再生象草分茬移栽于另外的重金属污染农田利用。
37.在本发明中，再次套作紫云英时，由于前一年成熟紫云英的种子进入农田后会再次萌发，减少了紫云英播种量。本发明再次套作紫云英时，相比前述紫云英播种量2.0～3.0kg/亩，减少0.5kg/每亩。再次套作紫云英后，优选重复进行象草收割留茬-越冬象草再生-次年成熟紫云英翻入耕作层-套作紫云英的步骤。本发明通过多次重复套作能够实现对重金属污染农田的重复修复；
38.在本发明中，所述将越冬再生象草分茬移栽于另外的重金属污染农田利用是指在原位地块上确定需要保留的象草苗数之后将多余的象草分茬成单个幼苗移栽至另外的重金属污染农田。本发明所述的分茬移栽方式能够充分保留苗源，减少了栽培的时间。
39.为了进一步说明本发明，下面结合附图和实施例对本发明提供的修复重金属污染农田的方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
40.实施例1
41.1.整地
42.2019年4月，对镉金属含量为0.6mg/kg的农田进行旋耕，深度以20～25cm为宜。按照每厢宽1.2～1.4m分厢整地，开厢沟，厢沟宽40cm，深20cm；按沟宽40cm，深30cm开排水沟；雨期前清沟，确保排水通畅。
43.2.象草移栽
44.2019年4月(气温稳定在15℃以上)，选取高度30～40cm的带根单株幼苗，去除顶端叶片，按照每厢栽植2行，株间距40～50cm，行距50～60cm的规格移栽，同时伴以复合肥(总养分≥51％，复合肥中氮含量以纯氮计，磷含量以p2o5计，钾含量以k2o计，质量比n：p2o5：k2o＝25：10︰16，复合肥的施用量为30～50kg/亩)穴施作为基肥。
45.3.田间管理
46.(1)水分管理
47.象草栽种后10天内保持土壤湿润，但无渍水现象，之后根据墒情适时补水灌溉。象草生育期保证排水通畅，特别是移栽及幼苗时期田间不宜过湿(以田间持水量70％为宜)。
48.(2)杂草防除
49.象草株高1～2m时利用锄头进行1～2次中耕和除杂草。
50.(3)肥料追施
51.象草移栽20～30天后，以撒播至象草蔸周围10cm以内区域土壤的方式追施尿素(10～15kg/亩)。
52.4.紫云英套作
53.2019年10月，此时象草未收获，按照撒播量2.5kg/亩，将紫云英种子人工撒播至厢面。
54.5.象草收获
55.2019年12月将象草留茬10cm左右收割，测定镉含量以进行后续利用。
56.对比例1
57.同实施例1，区别在于不套作紫云英，直接收割象草。
58.测试例1-1
59.2020年1月1日～2020年4月1日，将土壤温度监测仪探头分别插入实施例1(套作紫云英组)和对比例1(未套作紫云英组)农田，监测农田土壤温度，记录频次为1次/小时。实施例1(套作紫云英组)和对比例1(未套作紫云英组)农田1～4月的土壤温度土壤温度变化如图1所示。
60.由图1数据可知，套作紫云英的土壤温度在2月中下旬到4月份的温度与未套作紫云英的土壤温度相同，在1月份到2月中上旬温度较低的季节温度较明显的高于未套作紫云英地块土壤温度，1月份套作紫云英的土壤平均温度为9.33℃，1月份未套作紫云英的土壤为7.51℃，说明套作紫云英有利于象草越冬。
61.测试例1-2
62.2020年4月1日，观察并测定实施例1(套作紫云英组)和对比例1(未套作紫云英组)象草残茬越冬情况、紫云英与杂草生物量及氮、磷、钾、镉的累积量。紫云英与杂草的生物量及元素累积量测定结果如表1，象草残茬越冬生长情况如图2所示：
63.表1紫云英与杂草的生物量及元素累积量
[0064][0065]
注：元素提取量＝元素的浓度
×
生物量
[0066]
根据观察表1和图2测定结果可以看出，套作紫云英组和未套作紫云英组两个区域的象草越冬率均为100％，但翌年4月时套作过紫云英的越冬象草分蘖数较未套作紫云英的区域更多且叶片更绿，分蘖数分别为5～8和2～4。翌年4月时套作紫云英区基本无杂草，对照区杂草覆盖度近100％。紫云英对氮的累积量较高，为137.61g/ha。
[0067]
实施例2
[0068]
实施例1残茬越冬后的象草再生，2020年4月1日将紫云英锄入耕作层20～25cm，按实施例1施复合基肥，水分管理和杂草防除，不进行追肥，后续同样按照实施例1的方式在再生象草的周围套作紫云英，再次留茬收获象草。
[0069]
对比例2
[0070]
同实施例2，区别在于不套作紫云英。
[0071]
对比例3
[0072]
在实施例1留茬之后，将杂草和象草残茬移除离田，按实施例1的步骤整地，与实施例2同时期种植经过保种和培育后的象草幼苗，具体保种方法为：
[0073]
1.坑藏地准备
[0074]
选择地下水位低、地势较高的地方挖坑，坑底呈斜坡状，坡上部深约80cm，坡下部约100cm，坑占地面积视种茎数量而定；坑四周挖宽20cm、深25cm的排水沟。
[0075]
2种茎堆放
[0076]
2019年12月(初霜前10～20天)，将象草砍下，去掉叶片和叶梢，连续晒2～5天去掉40％～60％水分，将干叶铺入坑底，厚度10～15cm，再将种茎20～30根打捆逐层堆在坑内，堆层顶部呈中间高两边低的屋顶状，顶部高于坑面20～30cm。
[0077]
3覆盖
[0078]
在种茎堆上覆盖10～15cm干叶，5～10cm土，盖上地膜，四周及顶部用土或秸秆压紧。天晴掀开两端通风，暴雨天做好周边排水。
[0079]
具体育苗方法为：2020年3月上旬气温稳定在13～20℃时，选择地下水位低、较肥沃的地块旋耕，深度以超过15cm为宜。按照每厢1.2～1.4米分厢整地，开厢沟，沟宽40cm，深20cm；开排水沟，沟宽40cm，深30cm；在雨期前利用人工清沟。生根粉与水按质量比1：1000配制成溶液。将保存完好的象草种茎用闸刀切成10～15cm的小段，每小段保存一个完好茎节，在生根粉溶液中浸泡30分钟后以10
×
10cm的密度扦插到厢上，茎节扦插于土面下3cm为宜。扦插完后用透光地膜和竹片在厢上覆盖地膜，提高幼苗成活率和生长速度。
[0080]
对比例4
[0081]
同对比例3，区别在于不套作紫云英。
[0082]
对比例5
[0083]
在实施例1留茬之后，将杂草和象草残茬移除离田，不进行旋耕，人工对原有的厢沟和排水沟进行疏通清理，与实施例2同时期，选取高度30～40cm的带根单株未经越冬的象草幼苗，去除顶端叶片，直接移栽至移除残茬原穴中。
[0084]
对比例6
[0085]
同对比例5，区别在于不套作紫云英。
[0086]
测试例2-1
[0087]
将实施例2处理方式记为rng组(越冬再生象草+紫云英)；对比例3处理方式记为tng组(旋耕移栽象草+紫云英)；对比例5记为sng组(免耕补栽象草+紫云英)；运用根系扫描仪调查了象草根的形态分布，结果如表2和图3-1～图3-3所示，其中图3-1为免耕补栽象草+紫云英模式下象草根的形态分布，其中图3-2为旋耕移栽象草+紫云英模式下象草根的形态分布，图3-3越冬再生象草+紫云英模式下象草根的形态分布。
[0088]
表2不同幼苗建立方式象草的根系形态参数。
[0089][0090]
由表2和图3可知，越冬再生象草总根长、总根表面积、根体积、根平均直径、根尖数都显著高于其他两种方式，较旋耕移栽象草和免耕补栽象草总根长分别增加了1.45和1.76倍，总根表面积分别增加了1.42和2.04倍，根体积分别增加了1.68和2.36倍，根平均直径分别增加了0.11倍，根尖数分别增加了0.81和1.28倍。而由于越冬再生象草较高的根干重，其根比表面积显著低于其他两种方式，较旋耕移栽象草和免耕补栽象草分别降低了0.41和0.35倍。
[0091]
测试例2-2
[0092]
将实施例2处理方式记为ar组(紫云英+越冬再生象草)；对比例2记为nar组(无紫云英+越冬再生象草组)；对比例3处理方式记为at组(紫云英+旋耕移栽象草)；对比例4记为nat组(无紫云英+旋耕移栽象草)；对比例5记为as组(紫云英+免耕补栽象草)；对比例6记为nas组(无紫云英+免耕补栽象草)。于2020年12月象草收获时，测定6组耕作模式各时期象草的生长性状，测定结果如下表3。
[0093]
表3不同耕作模式象草收获时的性状
[0094][0095]
由表3可以看出，越冬再生象草(ar和nar)的分蘖数显著高于其他耕作模式，分别为其他耕作模式的2.07～2.35倍、2.01～2.28倍。免耕补栽象草(as和nas)的茎高显著低于其他种植制度。旋耕移栽象草(at和nat)的茎直径显著高于其他种植制度。
[0096]
测试例2-3
[0097]
(1)测定实施例2-2中6组耕作模式各时期象草地上部的干生物量、镉含量和镉移除量，结果如表4～6和图4～6。
[0098]
表4不同耕作模式各时期象草地上部的干生物量
[0099][0100]
表5不同耕作模式各时期象草地上部的镉含量
[0101][0102]
表6不同耕作模式各时期象草地上部的镉移除量
[0103][0104][0105]
注：镉移除量＝镉含量
×
干生物量
[0106]
由表4～6和图4～6可以看出，紫云英施入能提高象草生物量及象草地上部的镉含量，增大镉移除量。越冬再生象草-紫云英套作模式能获得较大的干生物量及镉移除量，分别可达60.60t/ha、29.09g/ha，且地上部cd含量不超过饲料原料标准。
[0107]
(2)测量实施例2-2中6组耕作模式各时期土壤中有效cd的含量(dtpa-cd)和土壤溶液cd(sse-cd)的含量，测定结果如图7和图8。
[0108]
由图7可以看出，施入紫云英时(4月)，不同耕作模式下的dtpa-cd无显著差异，dtpa-cd为0.150～0.153mg
·
kg-1
。表明，初始的土壤扰动(旋耕移栽和免耕补栽)对耕作层土壤cd有效性无显著影响。但各耕作模式的dtpa-cd均呈现先增加后减少的趋势，且不低于4月份。dtpa-cd以6月最高，为0.158～0.174mg
·
kg-1
，较4月上升4.22％～15.44％；同时生育期at、ar和as的dtpa-cd均不低于其他种植制度，且at显著高于ar和as。本发明紫云英的施入可以提高土壤中cd的生物利用性，而旋耕可以加强这一效果。
[0109]
由图8可以看出，sse-cd的含量在生长期表现为nar》nat》nas。sse-cd和dtpa-cd随时间的变化趋势相同。6月的sse-cd最高，为0.075～0.084ug
·
l-1
，较4月上升了2.61％～
14.36％，说明6月可能是象草吸收cd的最佳时期。
[0110]
(3)测量实施例2-2中6组耕作模式各时期土壤氮磷钾及容重，测定结果如表7。
[0111]
表7 2020年4月与12月土壤氮磷钾及容重
[0112][0113][0114]
由表7可以看出，在未施入紫云英的情况下旋耕移栽象草、越冬再生象草、免耕补栽象草的土壤总氮含量分别下降了7.50％、17.50％、12.50％，而在施入紫云英的情况下分别仅下降4.26％、2.13％、2.13％，说明了种植象草会降低土壤总氮含量，紫云英的施入可以缓解这一下降趋势。种植1年象草土壤容重会恢复至免耕水平，体现了象草强大的固土能力。
[0115]
由以上实施例可知本发明提供的方法能够有效提高象草生物量及土壤镉生物有效性，越冬再生象草年干生物量和镉移除量分别可达60.60t/ha和29.09g/ha，且象草体内镉含量低于中国饲料卫生标准限值。肥料的投入量低，降低了成本和环境风险。
[0116]
尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。