本发明属于复垦还田技术领域，涉及一种修复重金属pb和cd污染土壤的方法，具体涉及一种空心菜联合有机基质修复重金属pb和cd污染土壤的方法。
背景技术
根据2014年4月发布的全国土壤污染状况调查公报显示，全国土壤环境状况总体不容乐观，污染类型以无机污染为主，超标点位数占全部超标点位数的82.8％。从污染物超标情况看，pb和cd两种无机污染物点位超标率分别为7.0％、1.5％，居于重金属污染前列。
土壤重金属pb、cd通过食物链等方式进入人畜体内后，往往对人畜健康造成不可逆转的伤害。如pb中毒对全身各系统和器官均产生危害，对免疫、骨骼系统和儿童的生长发育也有一定的毒害作用。cd的过量摄入影响酶系统的活力，对人体肾、肺、肝、脑、骨骼和血液产生一系列损伤，对中枢神经系统损害作用明显，引起贫血以及致癌、致畸等毒性作用，并能在人体内长期累积。也有研究表明，重金属离子pb(ii)和cd(ii)均能促进强致癌物n-亚硝基二甲胺(ndma)的形成。由于受矿业类型、采矿及选矿工艺影响，矿区污染土地多存在重金属pb、cd复合污染，进而引发复杂的环境问题。
目前针对重金属污染土壤的治理方法繁多，但在实际应用上往往都存在某些局限。植物修复重金属污染土壤技术是一种环境友好、经济、高效的土壤环境修复技术，但对于污染严重地区而言，植物通常处于极端生境，且土壤理化性质极差，从而造成传统的实验室试验成功的植物难以在复杂、恶劣的环境中定居并发挥其修复功能，因此很难应用到实际中，经济效果不显著、见效慢、修复效果不稳定，再加上受到气候、土壤环境的限制，使得这些植物对重金属的积累量有限，从而在其应用上受到限制。
技术实现要素：
针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种空心菜联合有机基质修复重金属pb和cd污染土壤的方法，克服现有修复方法对重金属污染土壤的修复效率低、修复效果不稳定的缺陷。
为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：
空心菜联合有机基质修复重金属pb和cd污染土壤的方法，该方法采用空心菜联合有机基质吸附、富集受污染土壤中的pb和cd离子。
本发明还具有如下技术特征：
具体的，所述有机基质按重量份数计，由以下原料制成：7～10份泥炭土、1～2份蛭石、1～2份珍珠岩、1～2份秸秆、1～2份碳化谷物、1～2份酒渣。
具体的，所述的空心菜联合有机基质修复重金属pb和cd污染土壤的方法，该方法具体包括以下步骤：
步骤一：将有机基质加入受污染土壤中，然后将表层土壤翻耕，使有机基质与土壤充分混合，静置一周进行稳定化；
步骤二：平整步骤一中稳定后的土地，将土地整理成田块，在田块两侧起垄；
步骤三：在步骤二中的田块上打造种植穴，每穴3颗空心菜种，穴播后覆土；
步骤四：在空心菜生长过程中监测空心菜生长状况，待空心菜生长3个月后，刈割空心菜地上部分，之后，每隔1～2月，刈割新长出的空心菜地上部分，待刈割3～4茬后，将空心菜连根拔起，晾干后烘干焚烧；
步骤五：将焚烧的空心菜灰烬混入沙子、水泥、石灰中，加入定量的水，制成水泥砖块，用于路面硬化，最终稳定重金属。
可选地，所述步骤一中，有机基质与受污染土壤的质量比为1/200～1/50；
所述步骤二中，田块的尺寸长×宽为20m×1m；
所述步骤三中，每行种植穴的行距为30cm，每列种植穴之间的间距为25cm。
可选地，所述步骤五中，空心菜灰烬、沙子、水泥和水按照10：630：388：190的重量比，制成水泥砖块。
可选地，所述空心菜的品种为大叶空心菜。
本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：
(ⅰ)本发明的空心菜联合有机基质修复重金属pb和cd污染土壤的方法，采用空心菜联合有机基质吸附、富集受污染土壤中的pb和cd离子，通过植物联合有机基质原位修复技术对土壤中的pb和cd等重金属具有显著的富集和转移效果，对于pb和cd混合污染土壤的原位修复成本低、花费时间少、操作简单，修复率高，经过3～4季空心菜种植刈割后，土壤可恢复至土壤环境质量三级标准，稳定效果较好，且可以实现废物再利用。
(ⅱ)本发明的有机基质中，泥炭土中有机质含量极高，有利于改善土壤质量，提高土壤肥力和透气性，为空心菜的生长提供良好生活环境，为空心菜吸附重金属提供营养和肥力保障。土壤有机质中的溶解性有机质(dom)通过与土壤重金属离子和有机物之间的离子交换、吸附、氧化还原等反应，可以改变土壤重金属活性和形态，在固定重金属离子的同时有利于空心菜对土壤中重金属元素的吸收作用；
蛭石属于2：1型的层状镁(铝)硅酸盐矿物，在蛭石晶层间具有永久性的负电荷，由于层间离子的可交换性，使得蛭石具有较强的阳离子交换能力，对土壤营养保障具有极大作用，能够为空心菜生长提供肥力保障，能够有效促进空心菜植物根系生长和幼苗的稳定发育，其自身所特有的结构能够长期为空心菜的生长提供水分及养分；
珍珠岩的多孔特性，一方面对空心菜生长提供了足够的养分和水分，另一方面可以防止土壤板结，疏松土壤内部结构，防止作物倒伏，保障土壤水、气、肥的正常交换，对空心菜的生长具有非常重要的作用；
碳化谷物是在真空条件下制备而成，其结构孔隙率高，吸附能力较强，采用谷物秸秆等生物质为原料，可以充分利用资源，由于其具有比表面积大，孔道丰富等特征，可以有效固持水分和养分，为空心菜的生长持续提供肥力；
酒渣中含有类多量大的微生物，通过以酒渣以及泥炭土中有机质为“食物”，大量繁殖的微生物可以显著改善土壤质量、促近空心菜根系生长，对于空心菜对重金属的吸附作用具有十分显著的效益。土壤微生物通过各种代谢活动产生的多种低分子有机酸，可以直接或者间接溶解重金属，促近空心菜有效吸收土壤中的重金属元素；土壤中的重金属通过微生物的代谢作用、氧化还原作用及对重金属的溶解作用，可以改变重金属在土壤中的存在形态，有利于重金属的植物吸收。
(ⅲ)本发明向pb和cd等重金属复合污染土壤中添加一定量的有机基质，有机基质不仅能够引入多种植物必须的营养元素和有益微生物，改善土体条件，促进空心菜的生长发育，而且能够对土壤中的pb和cd等重金属起到吸附、富集的作用。具体的，有机基质首先改善了土壤的通气和水肥条件，同时能够促进污染土壤中的pb和cd重金属形态发生变化，使其多数变成能够被植物吸收和转移的可交换态，只有少数变成溶解态，从而既能保证植物吸收的有效性，又不会对植物生长造成伤害。
(ⅳ)矿区土地多因矿渣的混入使容重较大，养分条件较差，给植物的生长造成一定的损害甚至造成植物死亡，本发明采用的空心菜在我国分布广泛，生命力顽强，对生存环境的适应能力较强，对水肥土等条件要求不高，空心菜抗病虫害能力较强，种植成本低，易于管理，其地上部分生长速度快，地上部分生物量较大且能够刈割，可以高效的将土壤中重金属转移到空心菜茎叶中，对土壤中的pb和cd等重金属具有显著的富集和转移效果。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。
下述各实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；
下述各对比例中所述的市售有机基质由以下原料制成：草炭、锯末和牛粪，其中有机质含量≥40％。
下述对比例中的植物选菠菜和苋菜作为对比的原因：菠菜、苋菜与本发明中的空心菜均属常见叶菜类，此类植物生育周期短，菠菜为人工栽培种植蔬菜，苋菜为常见野生蔬菜，且有研究表明二者均具有一定的重金属修复效果，因而选择二者作为对比。
需要说明的是，以下实施例中的土壤来自陕西省潼关金矿区某废弃堆渣区土壤，经测定重金属pb和cd含量分别为2000mg/kg和10mg/kg，高于《土壤环境质量标准》(gb15618-1995)的三级标准。
实施例1：
本实施例给出一种空心菜联合有机基质修复重金属pb和cd污染土壤的方法，该方法采用空心菜联合有机基质吸附受污染土壤中的pb和cd离子，其中，有机基质按重量份数计，由以下原料制成：8份泥炭土、1份蛭石、1份珍珠岩、1份秸秆、1份碳化谷物、1份酒渣；该方法包括以下步骤：
步骤一：按照有机基质：土壤重量比为1：100的比例将有机基质加入受污染土壤中，然后将表层土壤翻耕，使有机基质与土壤充分混合，静置一周进行稳定；
步骤二：平整土地，将土地整理成长×宽为20m×1m的田块(可根据实际情况整理田块)，在田块两侧起垄；
步骤三：按照25cm/穴的株距，30cm的行距种植空心菜，每穴3颗空心菜种，穴播后覆土；
步骤四：在空心菜生长过程中监测空心菜生长状况，待植物生长3个月后，刈割空心菜地上部分，之后，每隔1月，刈割新长出的空心菜地上部分，待刈割3茬后，将空心菜连根拔起，晾干后烘干焚烧。
实施例2：
本实施例和实施例1中土壤样品完全相同，采用和实施例1相同的方法去除土壤样品中的重金属pb和cd，不同之处为本实施例的有机基质按重量份数计，由以下原料制成：泥炭土：7份；蛭石：1份；珍珠岩：1份；秸秆：1份；碳化谷物：1份；酒渣：1份。
实施例3：
本实施例和实施例1中土壤样品完全相同，采用和实施例1相同的方法去除土壤样品中的重金属pb和cd，不同之处为本实施例的有机基质按重量份数计，由以下原料制成：泥炭土：9份；蛭石：1份；珍珠岩：1份；秸秆：1份；碳化谷物：1份；酒渣：1份。
实施例4：
本实施例和实施例1中土壤样品完全相同，采用和实施例1相同的方法去除土壤样品中的重金属pb和cd，不同之处为本实施例的有机基质按重量份数计，由以下原料制成：泥炭土：10份；蛭石：1份；珍珠岩：1份；秸秆：1份；碳化谷物：1份；酒渣：1份。
实施例5：
本实施例和实施例1中土壤样品完全相同，采用和实施例1相同的方法去除土壤样品中的重金属pb和cd，不同之处为本实施例的有机基质按重量份数计，由以下原料制成：泥炭土：8份；蛭石：1份；珍珠岩：1份；秸秆：1份；碳化谷物：1份；酒渣：2份。
实施例6:
本实施例和实施例1中土壤样品完全相同，采用和实施例1相同的方法去除土壤样品中的重金属pb和cd，不同之处为本实施例的有机基质按重量份数计，由以下原料制成：泥炭土：8份；蛭石：2份；珍珠岩：2份；秸秆：2份；碳化谷物：2份；酒渣：2份。
实施例7：
本实施例和实施例1中土壤样品完全相同，采用和实施例1相同的方法去除土壤样品中的重金属pb和cd，不同之处为本实施例中按照有机基质：土壤重量比为1：200的比例将有机基质加入受污染土壤中。
实施例8：
本实施例和实施例1中土壤样品完全相同，采用和实施例1相同的方法去除土壤样品中的重金属pb和cd，不同之处为本实施例中按照有机基质：土壤重量比为1：50的比例将有机基质加入受污染土壤中。
对比例1：
本对比例和实施例1中土壤样品完全相同，不同之处为本对比例中的受污染土壤中没有添加有机基质，将土地整理成长×宽为20m×1m的田块，在田块两侧起垄；按照25cm/穴的株距，30cm的行距种植空心菜，每穴3颗空心菜种，穴播后覆土；在空心菜生长过程中监测空心菜生长状况，待植物生长3个月后，刈割空心菜地上部分，之后，每隔1月，刈割新长出的空心菜地上部分，待刈割3茬后，将空心菜连根拔起。
对比例2：
本对比例和对比例1的区别在于，用菠菜代替空心菜，在相同的土壤样品上种植相同的量的菠菜，种植时间相同。
对比例3：
本对比例和对比例1的区别在于，用苋菜代替空心菜，在相同的土壤样品上种植相同的量的苋菜，种植时间相同。
对比例4：
本对比例和实施例7中土壤样品完全相同，按照有机基质：土壤重量比为1：200的比例将有机基质加入受污染土壤中，采用和实施例7相同的方法去除土壤样品中的重金属pb和cd，不同之处为本对比例中用菠菜代替空心菜，在相同的土壤样品上种植相同的量的菠菜，种植时间相同。
对比例5：
本对比例和实施例7中土壤样品完全相同，按照有机基质：土壤重量比为1：200的比例将有机基质加入受污染土壤中，采用和实施例7相同的方法去除土壤样品中的重金属pb和cd，不同之处为本对比例中用苋菜代替空心菜，在相同的土壤样品上种植相同的量的苋菜，种植时间相同。
对比例6：
本对比例和实施例1中土壤样品完全相同，按照有机基质：土壤重量比为1：100的比例将有机基质加入受污染土壤中，采用和实施例1相同的方法去除土壤样品中的重金属pb和cd，不同之处为本对比例中用菠菜代替空心菜，在相同的土壤样品上种植相同的量的菠菜，种植时间相同。
对比例7：
本对比例和实施例1中土壤样品完全相同，按照有机基质：土壤重量比为1：100的比例将有机基质加入受污染土壤中，采用和实施例1相同的方法去除土壤样品中的重金属pb和cd，不同之处为本对比例中用苋菜代替空心菜，在相同的土壤样品上种植相同的量的苋菜，种植时间相同。
对比例8：
本对比例和实施例8中土壤样品完全相同，按照有机基质：土壤重量比为1：50的比例将有机基质加入受污染土壤中，采用和实施例8相同的方法去除土壤样品中的重金属pb和cd，不同之处为本对比例中用菠菜代替空心菜，在相同的土壤样品上种植相同的量的菠菜，种植时间相同。
对比例9：
本对比例和实施例8中土壤样品完全相同，按照有机基质：土壤重量比为1：50的比例将有机基质加入受污染土壤中，采用和实施例8相同的方法去除土壤样品中的重金属pb和cd，不同之处为本对比例中用苋菜代替空心菜，在相同的土壤样品上种植相同的量的苋菜，种植时间相同。
对比例10：
本对比例和实施例7中土壤样品完全相同，按照有机基质：土壤重量比为1：200的比例将有机基质加入受污染土壤中，采用和实施例7相同的方法去除土壤样品中的重金属pb和cd，不同之处为本对比例中采用市售有机基质代替本发明中的有机基质。
对比例11：
本对比例和实施例7中土壤样品完全相同，按照有机基质：土壤重量比为1：200的比例将有机基质加入受污染土壤中，采用和实施例7相同的方法去除土壤样品中的重金属pb和cd，不同之处为本对比例中采用市售有机基质代替本发明中的有机基质；本对比例中用菠菜代替空心菜，在相同的土壤样品上种植相同的量的菠菜，种植时间相同。
对比例12：
本对比例和实施例7中土壤样品完全相同，按照有机基质：土壤重量比为1：200的比例将有机基质加入受污染土壤中，采用和实施例7相同的方法去除土壤样品中的重金属pb和cd，不同之处为本对比例中采用市售有机基质代替本发明中的有机基质；本对比例中用苋菜代替空心菜，在相同的土壤样品上种植相同的量的苋菜，种植时间相同。
对比例13：
本对比例和实施例1中土壤样品完全相同，按照有机基质：土壤重量比为1：100的比例将有机基质加入受污染土壤中，采用和实施例1相同的方法去除土壤样品中的重金属pb和cd，不同之处为本对比例中采用市售有机基质代替本发明中的有机基质。
对比例14：
本对比例和实施例1中土壤样品完全相同，按照有机基质：土壤重量比为1：100的比例将有机基质加入受污染土壤中，采用和实施例1相同的方法去除土壤样品中的重金属pb和cd，不同之处为本对比例中采用市售有机基质代替本发明中的有机基质；本对比例中用菠菜代替空心菜，在相同的土壤样品上种植相同的量的菠菜，种植时间相同。
对比例15：
本对比例和实施例1中土壤样品完全相同，按照有机基质：土壤重量比为1：100的比例将有机基质加入受污染土壤中，采用和实施例1相同的方法去除土壤样品中的重金属pb和cd，不同之处为本对比例中采用市售有机基质代替本发明中的有机基质；本对比例中用苋菜代替空心菜，在相同的土壤样品上种植相同的量的苋菜，种植时间相同。
对比例16：
本对比例和实施例8中土壤样品完全相同，按照有机基质：土壤重量比为1：50的比例将有机基质加入受污染土壤中，采用和实施例8相同的方法去除土壤样品中的重金属pb和cd，不同之处为本对比例中采用市售有机基质代替本发明中的有机基质。
对比例17：
本对比例和实施例8中土壤样品完全相同，按照有机基质：土壤重量比为1：50的比例将有机基质加入受污染土壤中，采用和实施例8相同的方法去除土壤样品中的重金属pb和cd，不同之处为本对比例中采用市售有机基质代替本发明中的有机基质；本对比例中用菠菜代替空心菜，在相同的土壤样品上种植相同的量的菠菜，种植时间相同。
对比例18：
本对比例和实施例8中土壤样品完全相同，按照有机基质：土壤重量比为1：50的比例将有机基质加入受污染土壤中，采用和实施例8相同的方法去除土壤样品中的重金属pb和cd，不同之处为本对比例中采用市售有机基质代替本发明中的有机基质；本对比例中用苋菜代替空心菜，在相同的土壤样品上种植相同的量的苋菜，种植时间相同。
对比例19：
本对比例和实施例1中土壤样品完全相同，采用和实施例1相同的方法去除土壤样品中的重金属pb和cd，不同之处为本实施例的有机基质按重量份数计，由以下原料制成：泥炭土：8份；蛭石：1份；珍珠岩：1份；秸秆：1份；碳化谷物：1份。
对比例20：
本对比例和实施例1中土壤样品完全相同，采用和实施例1相同的方法去除土壤样品中的重金属pb和cd，不同之处为本实施例的有机基质按重量份数计，由以下原料制成：泥炭土：8份；珍珠岩：1份；秸秆：1份；碳化谷物：1份；酒渣：1份。
对比例21：
本对比例和实施例1中土壤样品完全相同，采用和实施例1相同的方法去除土壤样品中的重金属pb和cd，不同之处为本实施例的有机基质按重量份数计，由以下原料制成：泥炭土：8份；蛭石：1份；秸秆：1份；碳化谷物：1份；酒渣：1份。
对比例22：
本对比例和实施例1中土壤样品完全相同，采用和实施例1相同的方法去除土壤样品中的重金属pb和cd，不同之处为本实施例的有机基质按重量份数计，由以下原料制成：泥炭土：8份；蛭石：1份；珍珠岩：1份；碳化谷物：1份；酒渣：1份。
对比例23：
本对比例和实施例1中土壤样品完全相同，采用和实施例1相同的方法去除土壤样品中的重金属pb和cd，不同之处为本实施例的有机基质按重量份数计，由以下原料制成：泥炭土：8份；蛭石：1份；珍珠岩：1份；秸秆：1份；酒渣：1份。
将以上实施例和对比例表征如下：
采用石墨炉原子吸收分光光度法测定修复后的土壤和植物样品中pb和cd含量。
表1本发明的实施例和对比例的修复后土壤和植物样品中pb和cd含量
根据以上试验结果，可以看出：
(ⅰ)对比实施例1、实施例7和实施例8，控制有机基质的组分和含量相同、各试验条件相同，只改变有机基质与污染土壤的配比，从表1中可以得出，实施例1的植物茎叶中重金属含量即空心菜地上部分pb和cd累积量高于实施例7和实施例8，得到空心菜联合有机基质修复pb和cd复合污染土壤的最佳配比为有机基质：土壤的重量比为1：100。
(ⅱ)对比实施例1～实施例6，控制有机基质与污染土壤的配比为1：100，各试验条件相同，只改变有机基质中各组分含量，从表1中可以看出本发明实施例5修复后土壤中cd含量达到最低，对土壤中cd的处理效果最好；实施例6修复后土壤中pb含量最低，对土壤中pb的处理效果最好；实施例1的植物茎叶中重金属含量即空心菜地上部分cd累积量最高；实施例5的植物茎叶中重金属含量即空心菜地上部分pb累积量最高。
(ⅲ)对比例19～对比例23是在实施例1的基础上，减少有机基质中的组分，得到的修复后的土壤中的pb和cd的含量均比实施例中高，表明本发明实施例中的有机基质的各个组分相互促进、共同提高了对污染土壤的修复效率。
表2本发明的对比例修复后土壤中pb和cd含量
根据以上试验结果，结合表1和表2可以看出：
(ⅰ)对比例1～对比例3中，受污染土壤中没有添加有机基质，通过单纯种植作物修复污染土壤，修复后土壤中pb和cd含量较修复前污染土壤均有一定程度的降低，其中，空心菜较菠菜和苋菜的修复效果更显著。同时，对比例1修复后土壤中pb和cd含量比表1中实施例1～实施例6修复后土壤中pb和cd含量高，表明，本发明的实施例中空心菜联合有机基质的修复效果比单纯种植作物修复效果显著。
(ⅱ)将表1和表2中对比例4、对比例5和实施例7作对比，其有机基质与污染土壤的配比为1：200，实施例7中空心菜联合有机基质的修复效果比对比例4的菠菜和对比例5的苋菜要好。
将表1和表2中对比例6、对比例7和实施例1作对比，其有机基质与污染土壤的配比为1：100，实施例1中空心菜联合有机基质的修复效果比对比例6的菠菜和对比例7的苋菜要好。
将表1和表2中对比例8、对比例9和实施例8作对比，其有机基质与污染土壤的配比为1：50，实施例8中空心菜联合有机基质的修复效果比对比例8的菠菜和对比例9的苋菜要好。
(ⅲ)将表1和表2中对比例10～12和实施例7作对比，对比例10～12中市售有机基质与污染土壤的配比为1：200，实施例7中有机基质与污染土壤的配比也为1：200；对比例10中空心菜联合市售有机基质的修复效果比对比例11的菠菜和对比例12的苋菜要好；进一步的，实施例7中空心菜联合有机基质的修复效果比对比例10中空心菜联合市售有机基质的修复效果好。
将表1和表2中对比例13～15和实施例1作对比，对比例13～15中市售有机基质与污染土壤的配比为1：100，实施例1中有机基质与污染土壤的配比也为1：100；对比例13中空心菜联合市售有机基质的修复效果比对比例14的菠菜和对比例15的苋菜要好；进一步的，实施例1中空心菜联合有机基质的修复效果比对比例13中空心菜联合市售有机基质的修复效果好。
将表1和表2中对比例16～18和实施例8作对比，对比例16～18中市售有机基质与污染土壤的配比为1：50，实施例8中有机基质与污染土壤的配比也为1：50；对比例16中空心菜联合市售有机基质的修复效果比对比例17的菠菜和对比例18的苋菜要好；进一步的，实施例8中空心菜联合有机基质的修复效果比对比例16中空心菜联合市售有机基质的修复效果好。
综上，向pb和cd等重金属污染土壤中添加本发明的有机基质不仅能够引入多种植物必须的营养元素和有益微生物，改善土体条件，促进空心菜的生长发育，而且能够对土壤中的pb和cd等重金属起到吸附、聚集的作用，显著提高了对重金属污染土壤的修复效率。且空心菜生命力顽强，对生存环境的适应能力较强，对水肥土等条件要求不高，空心菜抗病虫害能力较强，种植成本低，易于管理，其地上部分生长速度快，地上部分生物量较大，且能够刈割，可以高效的将土壤中重金属转移到空心菜茎叶中。