生物炭和雞糞對鎘低積累油菜吸收鎘的影響

王 林,徐應明,梁學峰,孫約兵,林大松,董如茵 (農業部環境保護科研監測所,污染防治研究室,農業部產地環境質量重點實驗室,天津市農業環境與農產品安全重點實驗室,天津 300191)

生物炭和雞糞對鎘低積累油菜吸收鎘的影響

王 林,徐應明*,梁學峰,孫約兵,林大松,董如茵 (農業部環境保護科研監測所,污染防治研究室,農業部產地環境質量重點實驗室,天津市農業環境與農產品安全重點實驗室,天津 300191)

采用田間試驗,研究在污灌菜地上施用生物炭和雞糞對鎘低積累油菜生長和鎘吸收的影響,并通過重金屬形態分析探討其作用機理.結果表明,施用添加劑可提高油菜地上部產量,高劑量生物炭和雞糞復配處理增產效果最佳,最大增產率為174%.施用添加劑可顯著降低油菜地上部鎘含量,其中,高劑量生物炭和雞糞復配處理降低效果最佳,最大降低率為72.0%,使所有供試品種地上部鎘含量滿足食品安全標準要求.施用添加劑可顯著降低土壤TCLP提取態鎘含量,最大降低率為36.5%.施用生物炭和雞糞促進土壤鎘由活性高的可交換態向活性低的有機結合態或殘渣態轉化,從而顯著降低鎘的生物有效性和可遷移性.以上結果表明,種植鎘低積累品種同時施用生物炭和雞糞可以滿足油菜在鎘污染土壤上安全生產的需要.

生物炭；雞糞；油菜；鎘低積累品種；鈍化修復

由于污灌、污泥農用和施用鎘(Cd)含量超標肥料等活動的影響,我國菜地土壤Cd污染形勢日趨嚴峻.有調查表明,我國菜地土壤樣本Cd超標率高達24.1%[1].在所有農作物中,蔬菜最易受到土壤Cd污染危害,累積在蔬菜中的Cd易通過食物鏈對人體造成嚴重毒害[2].因此,菜地土壤Cd污染的修復已迫在眉睫.然而我國人口眾多,農業生產的壓力大,不可能將農田大規模休耕而進行污染治理,而且土壤污染現狀還不是很明確,針對性的修復工作只是在局部展開,許多Cd含量超標的農田還在進行農業生產.因而有必要探尋有效途徑,以盡量減少蔬菜中Cd積累,保障蔬菜安全生產.

近年來,作為解決上述問題的有效途徑,選育和應用Cd低積累蔬菜品種已成為研究熱點.許多具有低量累積Cd能力的蔬菜品種被選育出來,它們在中輕度污染土壤上種植時可食部位的Cd含量低于食品安全標準的限量值,從而保障了農產品的安全生產[3-5].然而,由于作物對重金屬的吸收累積不僅取決于基因型,而且還受到土壤環境因素的影響,因此輔以高效、安全的調控措施,降低土壤Cd的有效性,進一步減少作物Cd累積,就成為Cd低積累品種推廣應用的必要條件.研究表明,添加石灰、磷肥以及有機肥等鈍化劑,可以通過提高土壤pH值或與土壤中的Cd發生吸附、沉淀、絡合等物理化學反應,改變土壤中Cd的賦存形態,從而降低Cd的生物有效性,減少低積累品種的Cd吸收[6-7].

生物炭是生物質在缺氧條件下熱裂解形成的穩定富碳產物,具有比表面積大、負電荷多、官能團豐富等優點[8].有研究表明,生物炭對Cd、Pb、Cu、Ni等重金屬離子具有較強的吸附固定能力,對重金屬污染土壤有較好的鈍化修復效果[9-10].然而,將生物炭應用在Cd低積累品種安全生產調控上的研究還未見報道.本課題組在前期研究基礎上[11],選擇5個Cd低積累油菜品種和1個普通品種,通過大田實驗,研究生物炭、雞糞及其復配處理對不同品種油菜生長和Cd吸收的影響,探討其作用機理,以期獲得效果較好的鈍化措施.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

大田試驗于2012年在天津市某污灌菜地進行.該試驗點位于天津市北排污河灌區,曾長年使用受Cd、Pb、Hg、Cu、Zn等多種重金屬污染的污水進行灌溉,土壤Cd污染較為嚴重[12].試驗點土壤為湖沼相沉積物發育的潮土,其基本理化性質為:pH值7.61,陽離子交換量15.8cmol/kg,黏粒24.9%,砂粒22.1%,粉粒53.0%,有機質3.22%,全氮1.46g/kg,速效磷45.4mg/kg,速效鉀109mg/kg,總Cd 2.47mg/kg.

供試的油菜(Brassica chinensis)品種如下:5個Cd低積累品種,包括川田惠子、早華冠、華綠2號、華駿2號以及青茯苓,依次編號為:L1、L2、L3、L4、L5;1個在當地廣泛栽種的普通品種:寒綠,編號為C1.

生物炭是由山東東信新能源科技有限公司提供,是利用棉花秸稈在缺氧條件下550～600℃熱解6～8h,再過0.15mm篩制成;其基本理化性質為: pH值10.24,比表面積為64.32m2/g, C、H、N、O元素的含量分別為78.01%、2.46%、1.18%和18.26%, Cd未檢出.雞糞是由石家莊市希星肥業科技有限公司提供,其基本理化性質為:pH值6.19,有機質含量為64.51%,N、P、K含量分別為17.0、6.3和7.6g/kg,Cd含量為0.57mg/kg.

1.2 試驗設計

本試驗采用雙因素隨機區組設計.其中,油菜品種共有6個處理,分別為1個普通品種和5個Cd低積累品種.而鈍化措施也設有6個處理,分別為:(1)對照(CK),不施用添加劑;(2)單一雞糞處理(M),雞糞添加量為2.25kg/m2;(3)低劑量生物炭處理(B1),生物炭添加量為0.56kg/m2;(4)高劑量生物炭處理(B2),生物炭添加量為1.12kg/m2;(5)低劑量生物炭與雞糞復配處理(B1+M),生物炭和雞糞添加量分別為0.56, 2.25kg/m2; (6)高劑量生物炭與雞糞復配處理(B2+M),生物炭和雞糞添加量分別為1.12, 2.25kg/m2.每處理設3次重復,共計108個小區,每個小區面積為10m2,按隨機區組排列,采用覆塑料薄膜(埋深20cm)的田埂分隔,外設保護區.

于2012年3月,采用人工撒施方法將鈍化材料均勻施入小區,然后翻耕混勻(深度20cm)并澆水.4月下旬開始種植油菜,栽培管理措施和當地正常生產一致,在油菜播種前施用1000kg/hm2復合肥(N, P2O5, K2O含量分別為:12%, 7%, 6%)作為基肥,在油菜生長期間追施225kg/hm2尿素(N含量為46%).油菜生長35d后收獲.

1.3 樣品采集和分析方法

油菜收獲時,在每個小區取2個0.5m2樣方,采集地上部,稱量鮮重測產;測產后采用均分法選取部分樣品,依次用自來水和去離子水洗凈,稱量鮮重,然后在烘箱中70℃烘干至恒重,稱量干重,粉碎備用.分別在施用添加劑前和油菜收獲后,采用”S”形采樣法,在每個小區采集5個點的耕層(0～20cm)土樣,混勻后作為小區土樣,風干、研磨后分別過1和0.15mm篩,備用.

植物樣品Cd含量分析采用HNO3-HClO4法(體積比3:1)消解.土壤Cd含量分析采用HCl-HNO3-HF-HClO4法消解;可提取態Cd分析采用TCLP法浸提,浸提液pH值為2.88 ± 0.05,土水比為 1: 20,以30r/min在常溫下振蕩18h,離心,過濾[13];土壤Cd形態分析采用Tessier等提出的分級提取方法浸提,分為5個形態:交換態、碳酸鹽結合態、鐵錳氧化物結合態、有機結合態以及殘渣態[14].上述待測液中的重金屬含量均采用原子吸收光譜儀(Solaar M6, Thermo Fisher Scientific, USA)測定.采用中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所提供的土壤成分標準物質GBW07401[Cd (4.3±0.4)mg/kg]作為土壤樣品Cd含量分析的質量控制樣品,測定其Cd含量為(4.5 ±0.3) mg/kg;采用波蘭核化學與技術學院提供的東方巴斯馬煙葉INCT-OBTL-5[Cd(2.64± 0.14)mg/kg]作為植物樣品Cd含量分析的質量控制樣品,測定其Cd含量為(2.53±0.22) mg/kg.土壤與鈍化材料的pH值采用去離子水浸提(土水比1: 2.5), pH計(PB-10, Sartorius)測定.土壤基本理化性質按照土壤農化常規分析方法測定[15].

1.4 數據處理

試驗數據采用Excel 2010和SPSS 11.5軟件進行統計分析.采用單因素和雙因素方差分析以及最小顯著差數法(LSD法)對不同處理間的差異顯著性進行分析.

2 結果與討論

2.1 施用添加劑對油菜產量的影響

如圖1所示,不同品種的地上部產量對添加劑的響應可以分為3類.普通品種C1以及低積累品種L1和L2為第一類,與對照相比,這3個品種在單一雞糞以及單一生物炭處理下產量沒有顯著變化,而高劑量生物炭和雞糞復配處理則使它們的產量顯著提高(P<0.05),增幅為27.0%～90.8%.低積累品種L3和L4屬于第二類,除了低劑量生物炭處理外,其余鈍化處理都顯著提高了這2個品種的地上部產量,最大增幅為174%.低積累品種L5為第三類,與對照處理相比,所有鈍化處理均未能顯著提高其地上部產量.總的來看,高劑量生物炭和雞糞復配處理對這6個品種的增產效果最佳,可以顯著提高絕大部分品種的地上部產量.

Park等[16]研究表明,在重金屬Cd、Cu、Pb復合污染土壤上施用生物炭,通過減少重金屬毒害、提供養分和微量元素以及改善土壤物理和生物性狀等作用,可以有效促進印度芥菜生長.本研究中施用的生物炭含有N元素,同時顯著降低了土壤可交換態Cd含量,因此可以通過提供養分和減少土壤Cd毒害的作用來促進油菜生長.而供試的雞糞作為一種有機肥料,含有豐富的有機質和氮磷鉀養分,也可以顯著提高油菜產量.

2.2 施用添加劑對油菜Cd含量的影響

由表1可知,施用生物炭和雞糞可以顯著降低6個供試品種的地上部Cd含量,降低效果不僅與鈍化處理有關,而且和油菜品種有關.就鈍化處理來看,各處理對油菜地上部Cd含量抑制率順序為:B2+M > B1+M ≥ M ≥ B2 ≥B1,添加劑復配處理降低油菜地上部Cd吸收的效果明顯優于單一處理;除了低積累品種L3以外,高劑量生物炭與雞糞復配處理降低油菜地上部Cd含量的效果都是最佳的,最大降幅為72.0%.而就油菜品種來看,不同鈍化處理下各品種地上部Cd含量的大小順序為:C1 > L1, L2 > L3, L4, L5, 5個低積累品種地上部Cd含量始終顯著低于普通品種.

圖1 不同鈍化處理下油菜地上部產量Fig.1 Shoot yields of B. chinensis under different immobilization treatments

表1 不同鈍化處理下油菜地上部Cd含量 (mg/kg)Table 1 Shoot Cd concentration (fresh weight basis) of B. chinensis under different immobilization treatments (mg/kg)

雙因素方差分析表明,鈍化處理、品種以及二者的交互作用這3個因素對油菜地上部Cd含量的影響都是極顯著的(P < 0.01);而就衡量各因素作用大小的平方和(SS)來看,品種因素的影響最大,其次為鈍化處理以及二者的交互作用,這表明不同品種油菜的Cd吸收特征主要受基因型控制,受土壤環境影響較小.

另外,對照處理下普通品種C1和低積累品種L1地上部Cd含量均超過《食品中污染物限量GB2762-2012》[17]規定的葉菜類蔬菜Cd含量限定值0.2mg/kg.在高劑量生物炭或高劑量生物炭與雞糞復配處理下,普通品種C1的地上部Cd含量分別降至0.194,0.176mg/kg,符合食品安全標準要求;而所有鈍化處理均可使低積累品種L1的地上部Cd含量低于0.2mg/kg.其余4個低積累品種無論是在對照處理還是在鈍化處理下,地上部Cd含量都大幅低于該限定值.

2.3 施用添加劑對土壤pH值和可提取態Cd含量的影響

土壤pH值是影響重金屬有效性的一個關鍵因素.由圖2可知,施用添加劑對土壤pH值的影響與供試品種無關,種植不同品種的小區土壤pH值變化規律一致.施用雞糞顯著降低土壤pH值,與對照相比降幅為0.25～0.31.而施用生物炭則顯著提高土壤pH值,與對照相比增幅為0.04～0.29.低劑量生物炭和雞糞復配處理使土壤pH值顯著降低,最大降幅為0.28;而高劑量生物炭與雞糞復配處理則對土壤pH值沒有顯著影響.由于供試土壤pH值為7.61,呈弱堿性,而添加的雞糞pH值為6.19,呈酸性,添加的生物炭pH值為10.24,呈強堿性,因此添加雞糞會降低土壤pH值,而施用生物炭則提高土壤pH值.在復配處理中,生物炭施用量為雞糞的1/4和1/2,因此對土壤pH值的影響,在低劑量生物炭和雞糞復配處理中雞糞發揮主要作用,而在高劑量生物炭和雞糞復配處理中二者的作用基本相當.

TCLP法是美國法定的重金屬污染評價方法,近年來國內外已將其廣泛用于重金屬污染土壤修復效果的評價,即通過該方法分析修復后土壤重金屬元素的溶出量,評價重金屬生物可利用性和環境可遷移性的變化[13,18].由表3可知,施用添加劑均可在不同程度上降低土壤TCLP提取態Cd含量.其中,生物炭和雞糞復配處理的降低效果最佳,除了低積累品種L4,均使土壤TCLP提取態Cd含量顯著低于對照處理,最大降幅為36.5%;而在施用單一添加劑時,每個處理下均有4個品種土壤TCLP提取態Cd含量與對照相比沒有顯著差異.總的來看,添加劑復配處理對土壤TCLP提取態Cd含量的降低效果明顯優于單一處理.

圖2 不同鈍化處理下土壤pH值Fig.2 pH values of the soil under different immobilization treatments

2.4 施用添加劑對土壤Cd形態變化的影響

為了揭示生物炭和雞糞鈍化修復Cd污染土壤的作用機理,選擇普通品種C1和低積累品種L3,選取代表性處理Ck、M、B2以及B2+M,采用Tessier分級提取法分析修復過程中土壤Cd形態的變化.

表2 不同鈍化處理下土壤TCLP提取態Cd含量 (mg/kg)Table 2 Extractable Cd concentrations by TCLP under different immobilization treatments (mg/kg)

圖3 不同鈍化處理下土壤的Cd形態Fig.3 Speciation of Cd in the soil under different immobilization treatmentsCK M B2B2+M

如圖3所示,在種植兩個供試品種的土壤中,Cd形態在不同鈍化處理下的變化規律基本一致.在未施用添加劑的污染土壤中,Cd主要以可交換態、碳酸鹽結合態以及鐵錳氧化物結合態存在,三者占全量的質量分數超過77%.施用添加劑后,土壤可交換態Cd含量較對照處理顯著降低,降幅為8.4%～14.7%;碳酸鹽結合態Cd含量有所升高,但是變化并不顯著;添加雞糞使鐵錳氧化物結合態Cd含量顯著降低,降幅為4.7%～6.4%,而其余鈍化處理則對該形態Cd含量沒有顯著影響;雞糞單一處理以及生物炭和雞糞復配處理使有機結合態Cd含量較對照處理顯著升高,增幅為6.0%～9.9%,而生物炭單一處理則對該形態Cd含量沒有顯著影響;各鈍化處理都使土壤殘渣態Cd含量較對照有所升高,其中在種植普通品種的土壤中,生物炭單一及復配處理使該形態Cd含量顯著升高,增幅分別為6.5%和7.7%,而在種植低積累品種L3的土壤中,雞糞和生物炭單一處理使殘渣態Cd含量顯著升高,增幅分別為4.3%和8.1%.總的來看,施用生物炭會顯著降低土壤可交換態Cd含量,顯著提高殘渣態Cd含量,使碳酸鹽結合態Cd含量有所升高,對鐵錳氧化物結合態以及有結合態Cd含量沒有明顯影響;而施用雞糞可以顯著降低土壤可交換態以及鐵錳氧化物結合態Cd含量,顯著提高有機結合態Cd含量,使殘渣態Cd含量有所升高,對碳酸鹽結合態Cd含量沒有顯著影響.

由于本身的堿性,施用生物炭可以顯著提高土壤pH值.而眾多研究表明, pH值是影響土壤Cd生物有效性和植物Cd吸收的關鍵因素,提高pH值會增加土壤膠體上的負電荷量,促進土壤膠體對Cd的吸附,同時也會促進CdCO3和Cd(OH)2沉淀的生成[19-20].另外生物炭通過表面負電荷的靜電吸附作用、表面含氧官能團的絡合作用以及表面吸附陽離子的離子交換作用等[16,21-22],可以有效促進污染土壤中的Cd由活性較高的可交換態向活性低的殘渣態轉化,從而降低Cd的活性和遷移性.對于雞糞,由于富含有機質,施入土壤后經微生物分解會產生大量的腐植酸如胡敏酸,這些腐植酸含有豐富的官能團,如-COOH、-OH、-C=O、-NH2以及-SH等,對Cd離子及其水合氧化物有較強的螯合作用,可以形成不溶性腐植酸-Cd螯合物[23-25],進而使得土壤中的Cd由活性較高的可交換態和鐵錳氧化物結合態向活性較低的有機結合態轉化,從而顯著降低Cd的生物有效性,減少油菜Cd吸收.

2009年Dickson等[26]提出了”植物阻隔修復(phytoexclusion)”的概念,即通過種植重金屬低積累作物/品種以減少農作物對污染土壤重金屬的吸收,從而達到治理和安全利用重金屬污染土壤的目的.作為一種低成本、易于推廣且環境友好的修復技術,近幾年來多位學者推薦其用于重金屬中輕度污染農田土壤的修復與治理[27-28].本研究中,種植低積累品種的對照處理即為應用植物阻隔修復技術,而種植普通品種的鈍化處理即為應用化學鈍化修復技術.對比這兩種技術的修復效果可知,在降低油菜Cd吸收方面,5個低積累品種中有4個無需施用添加劑,其地上部Cd含量就比國家食品安全標準限值低29%以上,而普通品種只有在施用大量生物炭時地上部Cd含量才能滿足食品安全標準要求;在降低土壤重金屬生物有效性和可遷移性方面,施用生物炭和雞糞通過改變土壤理化性質以及促進土壤中的Cd由活性高的形態向活性低的形態轉化,可以顯著降低土壤可提取態和可交換態Cd含量,從而減輕Cd污染對油菜的毒害,提高油菜產量,同時減少土壤Cd溶出遷移的風險,而單獨種植低積累品種則沒有上述效果.當將這兩種技術聯合應用時,即在種植低積累品種同時施用添加劑,不僅可以使油菜地上部Cd含量進一步顯著降低,提高油菜產量,而且也降低了土壤Cd的生物有效性和可遷移性,從而減少了土壤Cd污染對下茬作物和周圍環境的影響.因此聯合應用植物阻隔和化學鈍化兩種修復技術,可以更好地保障葉用油菜在中輕度Cd污染土壤上的安全生產,有助于污染土壤的綜合利用.

3 結論

3.1 施用生物炭和雞糞對油菜生長有促進作用.高劑量生物炭和雞糞復配處理的增產效果最佳,可以顯著提高5個品種的地上部產量, 最大使其比對照處理增產174%.

3.2 在所有處理中低積累品種的地上部Cd含量始終顯著低于普通品種.施用生物炭和雞糞可以顯著降低供試品種的地上部Cd含量, 添加劑復配處理的降低效果明顯優于單一處理,其中高劑量生物炭和雞糞復配處理的降低效果最佳,最大可使地上部Cd含量比對照降低72.0%,使所有供試品種的地上部Cd含量都低于食品安全標準限值0.2mg/kg.

3.3 施用生物炭會顯著提高土壤pH值,而施用雞糞會顯著降低土壤pH值;施用生物炭和雞糞均可顯著降低土壤TCLP提取態Cd含量, 添加劑復配處理的降低效果明顯優于單一處理,最大使可提取態Cd含量比對照處理降低36.5%.

3.4 施用生物炭促進土壤中的Cd由活性高的可交換態向活性低的殘渣態轉化,從而降低Cd的活性和可遷移性;施用雞糞促進土壤中的Cd由活性較高的可交換態和鐵錳氧化物結合態向活性較低的有機結合態轉化,從而顯著降低Cd的生物有效性,減少油菜Cd吸收.

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Effects of biochar and chicken manure on cadmium uptake in pakchoi cultivars with low cadmium accumulation.

WANG Lin, XU Ying-ming*, LIANG Xue-feng, SUN Yue-bing, LIN Da-song, DONG Ru-yin (Key Laboratory of Original Agro-environmental Quality, Ministry of Agriculture, Tianjin Key Laboratory of Agro-environment and Agro-product Safety, Department of Pollution Control, Agro-environmental Protection Institute, Ministry of Agriculture, Tianjin 300191, China). China Environmental Science, 2014,34(11)：2851～2858

A field experiment was conducted to investigate the effects of biochar and chicken manure on the growth and cadmium (Cd) accumulation of low Cd accumulating Brassica chinensis grown in a vegetable farmland contaminated by sewage water irrigation, and the immobilization mechanism was elucidated through fractionation of cadmium in the tested soil. Results showed that addition of these additives increased the shoot yield of tested cultivars of Brassica chinensis. The effect of combined applications of high-dose biochar and chicken manure was the most significant, where the yield increased by 174% as compared with the control. The application of these additives significantly decreased shoot Cd concentration of tested cultivars. The effect of combined application of high-dose biochar and chicken manure was the most significant, where the shoot Cd concentration decreased by 72.0% compared with the control, and the shoot Cd concentration of all tested cultivars were lower than the maximum level permitted by the National Food Safety Standard of China (GB2762-2012). The application of these additives could significantly reduce extractable Cd concentration through toxicity characteristic leaching procedure (TCLP) with a maximal reduction rate of 36.5%. The use of biochar and chicken manure could promote transformation of exchangeable Cd into organic bound or residual fractions, resulting in significant reduction of Cd bioavailability and mobility. These data revealed that a combination of planting low Cd accumulating cultivars and applications of biochar and chicken manure could meet the requirement of safe production of Brassica chinensis in Cd polluted soils.

biochar；chicken manure；Brassica chinensis；low cadmium accumulating cultivar；immobilization remediation

X53

A

1000-6923(2014)11-2851-08

王 林(1980-),男,山東棗莊人,副研究員,博士,主要從事重金屬污染土壤修復研究.發表論文20余篇.

2014-02-27

國家自然科學基金項目(40901154,21177068,21107056);農業科技成果轉化資金項目(2012GB23260546);公益性行業(農業)科研專項(201203045);天津市自然科學基金項目(14JCYBJC30300)

? 責任作者, 研究員, ymxu1999@126.com