生物炭及炭基肥對油麥菜生長及吸收重金屬的影響

劉 沖，劉曉文，吳文成，蔡信德，梁 嘯，李云標，南忠仁（.環境保護部華南環境科學研究所，廣東廣州 50655；.蘭州大學資源環境學院，西部環境教育部重點實驗室，甘肅省環境污染預警與控制重點實驗室，甘肅蘭州 730000）

生物炭及炭基肥對油麥菜生長及吸收重金屬的影響

劉 沖1,2，劉曉文1*，吳文成1，蔡信德1，梁 嘯1，李云標1，南忠仁2（1.環境保護部華南環境科學研究所，廣東廣州 510655；2.蘭州大學資源環境學院，西部環境教育部重點實驗室，甘肅省環境污染預警與控制重點實驗室，甘肅蘭州 730000）

以水稻土和油麥菜為供試對象，通過盆栽試驗研究了水稻秸稈生物炭和炭基肥對農田土壤物理化學性質，油麥菜生長及吸收Cd， Cu，Pb和Zn的影響.結果表明，稻桿炭及其炭基肥的施入可改善土壤理化性質，除銨態氮外各項指標均明顯提高，油麥菜地上部生物量呈增加趨勢.油麥菜各部位Cd， Cu， Pb和Zn的含量均隨處理水平呈遞減趨勢，且根系＞莖葉，其中，高劑量炭基肥處理降低效果最佳，油麥菜莖葉Cd， Cu，Pb和Zn最高可分別降低34.78%、29.37%、46.59%和40.95%；油麥菜各部位對Cd， Cu， Pb和Zn的富集隨處理水平呈遞減趨勢，而莖葉對Cd， Cu和Zn的轉運系數呈增加趨勢，稻稈炭及其炭基肥的施用均能顯著減少油麥菜可食部位對Cd， Cu， Pb和Zn的吸收.

生物炭；改良；重金屬；修復；固定

農田土壤重金屬污染由于關系到農業生產、人類健康等越來越受到廣泛關注［1-3］.研究發現我國耕地重金屬污染程度總體良好，重點區域重金屬污染風險較大［1］.如何在保證農產品安全生產并改善農業生態環境的前提下對重金屬中輕度污染農田土壤進行修復，從而實現我國農業的高效、安全和可持續發展［1］是當前急需解決的課題之一.

20世紀中葉，亞馬遜黑土（Terra preta）的發現揭開了生物炭研究的序幕［4］.自發現生物黑炭對農藥的良好吸附效果之后，關于生物炭對污染物質在土壤環境中的遷移、歸趨以及生物有效性影響的研究逐漸受到關注.生物炭對重金屬污染土壤的修復過程不會造成二次污染，修復后的土地不易產生污染反彈現象［5］.然而，生物炭礦質養分含量低，其直接養分作用有限.生物質炭和肥料混施或復合施用時，生物質炭延長肥料養分的釋放期［6-7］，降低養分損失［8］，減少化肥施用量［9］，與此同時肥料亦消除了生物質炭養分不足的缺陷.

將生物炭及炭基肥作為一種土壤改良劑施入受污染農田土壤，不僅為農林廢棄生物質資源化利用提供新的思路，而且對防治農田土壤養分流失、緩解農業面源污染具有重大的現實意義

［10］.本文采用室內盆栽試驗研究了稻桿生物炭及其炭基肥對油麥菜生長及吸收累積Cd、Cu、Pb和Zn的影響，以期為生物炭及炭基肥修復重金屬污染農田土壤提供借鑒.

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤取自廣東省清遠市漢沖村農田耕作層（0～20cm）水稻土，剔除石塊與植物殘體，風干并過5mm尼龍篩.

稻桿炭為限氧裂解法制備的生物炭.將水稻秸稈烘干后粉碎過2mm篩，置于氣氛箱式電阻爐，以流速 500mL/min通入氮氣30min形成良好的限氧環境，然后以5℃/min的加熱速率升溫至350℃熱解2h.熱解結束后，繼續通入氮氣使制備的生物炭自然冷卻至室溫.

鈣鎂磷肥購自湖北鐘祥市磷肥廠.分別按照設定的比例稱取一定質量的生物炭和鈣鎂磷肥，然后混合均勻制得炭基肥.供試材料基本理化性質見表1.

表1 供試材料基本性質Table 1 Physical and chemical properties of test material

供試植物為油麥菜（Lactuca sativa. L），種子購自廣東省農業科學院蔬菜研究所.

1.2 試驗設計

生物炭的處理水平分別為0，1.5%，3%，鈣鎂磷肥的處理水平分別為0，0.4%，0.8%.進行生物炭、鈣鎂磷肥單施與復配處理，每個處理設3個重復，不加材料的污染土壤為對照（由11表示），12、13分別表示生物炭的添加量均為0，鈣鎂磷肥的添加量分別為0.4%、0.8%.R21、R22、R23表示生物炭的添加量均為1.5%，鈣鎂磷肥的添加量分別為0、0.4%、0.8%，以此類推.

每個塑料盆（高18.0cm，口徑20.0cm，底徑13.0）中加入2.5kg的供試土壤，按照試驗設計施用一定質量的材料并與土壤混合均勻.加水使得土壤含水率為田間持水量的60%，穩定30d后播入油麥菜種子，三葉期后間苗至3株.油麥菜生長約40d后收獲，并采集土壤樣品和植物樣品.土壤樣品自然風干后以四分法取50g研磨并過尼龍篩，裝袋備用.植物樣品分為地上部分和地下部分，用自來水沖洗干凈后再用去離子水反復沖洗，經105℃殺青0.5h，75℃烘干至恒重后粉碎，過60目尼龍篩，裝袋備用.

1.3 樣品分析

土壤及生物炭理化指標測試采用土壤農業化學常規分析方法［11］測定.土壤重金屬采用HNO3-HF-HClO4三酸法消解［12］，植物樣品用GB/T5009規定的HNO3-HClO4混合酸法消解，并采用Pin AAcle 900T原子吸收光譜儀（PerkinElmer）測定.

試驗中均采用20%平行樣、土壤成分分析標準物質（GSS9-16）和標準植物樣品（GSB-26）進行質量控制，誤差控制在5%以內.試劑均為優級純，試驗器皿在使用前均用10%硝酸浸泡24h以上.

1.4 數據處理與分析

數據采用Microsoft Excel 2010及SPSS19. 0進行統計分析、作圖等.

2 結果與分析

2.1 土壤物理化學性質

不同處理水平下土壤理化性質的變化情況見表2.隨著鈣鎂磷肥添加量的增加，土壤各項理化指標除有機質、銨態氮、速效鉀外均呈遞增趨勢.生物炭及其炭基肥的施用使土壤各理化指標除銨態氮外均增加，這與眾多學者研究結果一致［13-15］.與對照相較，土壤pH、電導率、有效磷含量在所有處理水平下均差異顯著（P＜0.05）.土壤有機質、速效鉀含量在生物炭添加量為1.5%時差異顯著（P＜0.05），而陽離子交換量在生物炭添加量為3%時差異顯著（P＜0.05）.與對照相較，土壤銨態氮含量在除0.4%鈣鎂磷肥處理外均差異顯著（P＜0.05），且其含量隨處理水平的變化呈遞減趨勢，這與Chen等［16］的研究結果一致.

相關性分析表明，在本實驗處理水平下，土壤pH值與電導率（R=0.874， P＜0.01）、陽離子交換量（R=0.941， P＜0.01）、有機質（R=0.698， P＜0.05）、有效磷（R=0.674， P＜0.05）、速效鉀（R=0.698， P＜0.05）均呈顯著正相關，而與銨態氮（R=-0.907， P＜0.01）則呈顯著負相關.土壤有機質與電導率（R=0.712，P＜0.05）、陽離子交換量（R=0.876，P＜0.01）、速效鉀（R=0.984，P＜0.01）均顯著正相關，這與祖元剛等［17］的研究結果基本一致.以上結果顯示，土壤pH值與電導率、陽離子交換量、有機質、有效磷和速效鉀等，有機質與陽離子交換量、速效鉀之間存在直接或間接的相互影響.

表2 不同處理水平下土壤物理化學性質Table 2 Physical and chemical properties of soil under different treatments

2.2 不同處理對油麥菜生物量的影響

油麥菜生物量（鮮重）隨處理水平的變化見圖1.隨鈣鎂磷肥添加量的增加，油麥菜各部位生物量呈遞增趨勢.與對照相較，所有處理水平下油麥菜地下部生物量均無顯著差異（P＜0.05）.隨生物炭及炭基肥的添加油麥菜地上部生物量呈先增后減的趨勢，與對照相較，油麥菜地上部生物量僅在R22、R32處理下差異顯著（P＜0.05）.生物炭及炭基肥對作物的增產作用已有大量報道［18］，炭基肥能提高肥料利用率，緩釋肥效，減少養分淋失［19］.然而，本文研究發現單一施用稻桿炭對油麥菜增產效應不明顯，與高海英等［20］研究結果一致.由圖1可知，R22和R32處理油麥菜生物量顯著高于對照，而R23及R33處理下油麥菜生物量顯著（P＜0.05）低于單一施加鈣鎂磷肥處理，這可能是由于較高劑量的生物炭能夠大幅提高土壤pH值以及植物對生物炭中的碳氫化合物、重金屬產生的化感作用［21］所致.同時，Asai等［22］研究發現無外源N條件下，隨著生物炭用量的增加，C/N值升高，土壤中N有效性降低從而導致作物減產.

圖1 不同處理水平下油麥菜的生物量Fig.1 Biomass of lettuce under different treatments

2.3 油麥菜對重金屬的吸收和分布

不同處理下油麥菜各部位的重金屬含量見表3.由表3可知，油麥菜各部位Cd、Cu、Pb和 Zn含量均隨處理水平變化呈遞減趨勢.與對照相較，油麥菜根系Cd、Cu、Pb和Zn含量在所有處理水平均差異顯著（P＜0.05）， 油麥菜地上部分Cd含量在除0.4%鈣鎂磷肥處理外均差異顯著（P＜0.05），Cu含量在添加稻桿炭處理下均差異顯著（P＜0.05），Zn在所有處理水平均差異顯著（P＜0.05），而Pb則在所有處理水平均無顯著差異.

與對照相較，油麥菜地下部Cd、Cu、Pb和Zn在1.5%生物炭處理下分別降低47.60%、53.81%、29.31%與60.19%，在3.0%生物炭處理下分別降低57.21%、69.33%、28.09%與71.89%；而在炭基肥處理下油麥菜地下部Cd、Cu、Pb和Zn最高可分別降低64.71%、71.88%、55.86%與81.21%.油麥菜地上部Cd、Cu、Pb和Zn在1.5%生物炭處理下分別降低26.09%、17.25%、14.51%與25.22%，在3.0%生物炭處理下分別降低31.88%、18.57%、19.80%與25.75%；而在炭基肥處理下油麥菜地上部Cd、Cu、Pb和Zn最高可分別降低34.78%、29.37%、46.59%與40.95%.

表3 不同處理下油麥菜各部位的重金屬含量（mg/kg）Table 3 Concentration of heavy metals in different plant tissues of lettuce （mg/kg）

2.4 油麥菜對重金屬的富集和轉運

為了更準確地表征生物炭及炭基肥對重金屬在油麥菜體內富集和轉運的影響，本研究采用生物富集系數（BCF）和轉運系數（TF）來描述重金屬從土壤向油麥菜體內的轉移累積特性，表4和表5分別給出了不同處理水平下油麥菜對Cd、Cu、Pb和Zn的生物富集系數及轉運系數.油麥菜地下部、地上部的富集系數分別以BCF地下部和BCF地上部表示，地上部的轉運系數以TF表示.

從表4可知，油麥菜各部位對Cd、Cu、Pb和Zn的生物富集系數均隨處理水平呈遞減趨勢，表明生物炭及炭基肥的施用均有效減少了土壤重金屬在植物體內的富集.與對照相較，油麥菜根系對Cd的富集系數在除3%生物炭處理外均差異顯著，Cu則在除1.5%生物炭處理外均差異顯著，而Pb、Zn在所有處理水平下均差異顯著（P＜0.05）；油麥菜莖葉對Cd的富集系數在所有生物炭及炭基肥處理下均差異顯著，Zn在除單一生物炭處理外均差異顯著，而Cu、Pb則在所有處理下均無顯著差異（P＜0.05）.

從表5可知，油麥菜地上部對Cd、Cu和Zn的轉運系數隨處理水平呈遞增趨勢.與對照相較，油麥菜地上部對的Cd轉運系數僅在R22、R31差異顯著，Cu在3%生物炭及炭基肥處理下差異顯著，Zn在所有處理水平下均差異顯著，而Pb在所有處理水平下均無顯著差異（P＜0.05）.上述結果表明生物炭及炭基肥的施用均促進了土壤Cd、Cu和Zn由油麥菜根部向莖葉的轉運，這可能由于生物炭及炭基肥對土壤理化性質的改善從而改變了油麥菜的生理特性所致.研究發現，生物炭與化肥互作可提高作物生長關鍵生育期的凈光合速率和蒸騰速率，而較高的蒸騰速率可作為重金屬向油麥菜地上部轉運的驅動力［7］.同時，亦有研究發現，生物炭能夠通過改變土壤微生物數量、群落結構及功能等提高植物根系活力.［23］，從而促進重金屬向植物地上部分的轉運與分配.

表4 油麥菜對重金屬的富集系數Table 4 Bioaccumulation factor values of heavy metals in lettuce

表5 油麥菜對重金屬的轉運系數Table 5 Translocation factor values of heavy metals in lettuce

3 討論

3.1 生物炭對土壤的改良

生物炭具有堿性、多孔結構［24］、豐富的表面含氧官能團［25］等特有的理化性質和結構，施入土壤中能夠增強土壤保肥、保水能力并促進作物增產［26］.生物炭因其灰分中富含礦物質元素Ca、Mg及其氧化物或碳酸鹽等一般呈堿性，其堿性物質的主要賦存形態為碳酸鹽及生物炭表面豐富的-COO-（-COOH）和-O-（-OH）等含氧官能團［27］.生物炭表面豐富的陰離子［28］以及芳香族碳的氧化和羧基官能團的形成［29］是生物炭提高土壤陽離子交換量的原因之一.

本文研究發現，稻桿炭NH4+-N含量較低，這是由于熱解時有機質中的多種結構N凝聚形成惰性的雜環氮結構，其不能直接用于植物生長，因此供植物生長的礦質氮含量甚微［30］.生物炭施入土壤后銨態氮含量呈遞減趨勢，可能由于NH4+在堿性土壤中易揮發所致.隨著生物炭及鈣鎂磷肥添加量的增加，酸性水稻土中OH-逐漸增加，NH4+與OH-反應生成NH3和H2O.同時，銨態氮在通氣好的土壤中可以轉化成硝態氮，造成土壤銨態氮含量降低.

亦有研究發現，生物炭攜帶大量的表面負電荷對NH4+具有較強的吸附和固定作用［31］導致土壤中大量的NH4+被生物炭所吸附，因此能夠抑制酸性土壤中陽離子的淋失.研究發現，較低的制備溫度和較高的pH值能夠提高生物炭吸附NH4+的能力［32-33］，這主要是由于熱解溫度和pH值會影響生物炭的陽離子交換能力（CEC），而生物炭的CEC直接決定了其對NH4+的吸附能力［34］. Gai等［35］研究發現低溫制備的小麥秸稈生物炭具有較高的CEC，且對NH4+的吸附量較高.

3.2 生物炭及炭基肥對重金屬生物有效性的影響

土壤中不同形態的重金屬處于不同的能量狀態，其在土壤中的遷移性不同，有不同的遷移率和生物利用率，從而表現出不同的生物活性與毒性［36-37］，并能決定其對環境影響的生態毒理學意義［36］.重金屬的生物有效性為重金屬可被受體細胞（植物、微生物等）吸收利用的一部分.Sarwar等［38］將土壤中可被植物吸收的重金屬稱之為有效態重金屬，為植物可吸收利用的主要形態［39］.

生物炭及炭基肥施入重金屬污染土壤后主要通過靜電、沉淀、絡合單一或者協同作用［40］影響重金屬形態及其生物有效性.Bian等［41］研究發現小麥秸稈生物炭添加量為40t /hm2時，水稻籽粒Cd含量降低了20%～90%，然而，Mackie等［42］研究發現硬木生物炭的施用對植物組織Cu含量、去除量均未產生影響.本文研究發現，高劑量生物炭基肥對油麥菜重金屬含量的去除效果強于生物炭，這是由于稻桿炭及鈣鎂磷肥中的OH-、可溶性鹽類等能與重金屬離子產生沉淀反應［43-44］，同時，生物炭豐富的表面負電荷及表面官能團［45］與陽離子交換量等能夠增加土壤表面的活性位點，從而提高土壤對重金屬離子的吸附作用.

4 結論

4.1 土壤pH值、電導率、陽離子交換量、有機質、有效磷及速效鉀均隨處理水平呈遞增趨勢，而銨態氮呈遞減趨勢.生物炭及炭基肥均能改善酸性水稻土的物理化學性質.

4.2 油麥菜地下部分與地上部分Cd、Cu、Pb和Zn含量均隨處理水平變化呈遞減趨勢.生物炭及炭基肥的施用均能顯著減少油麥菜對Cd、Cu、Pb和Zn的吸收.

4.3 油麥菜地下部分與地上部分對Cd、Cu、Pb和Zn的富集系數均隨處理水平變化呈遞減趨勢，而地上部對Cd、Cu和Zn的轉運系數則呈增加趨勢.生物炭及炭基肥能顯著減少油麥菜各部位對Cd、Cu、Pb和Zn的富集，增加Cd、Cu和Zn向地上部的轉運.

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Effect of biochar and biochar based fertilizer on growth of Lactuca sativa L. and absorption of heavy metals.

LIU Chong1,2， LIU Xiao-wen1*， WU Wen-cheng1，CAI Xin-de1， LIANG Xiao1， LI Yun-biao1， NAN Zhong-ren2（1.South China Institute of Environmental Science， Ministry of Environmental Protection， Guangzhou 510655，China；2.Key Laboratory of Western China's Environmental System （Ministry of Education）， Gansu Key Laboratory for Environmental Pollution Prediction and Control， College of Earth and Environmental Sciences， Lanzhou University， Lanzhou 730000， China）. China Environmental Science， 2016，36（10）：3064～3070

A pot experiment was conducted out for paddy soil and lettuce to study the effects of amendment of biochar and biochar based fertilizer on growth of lettuce and absorption of heavy metals. The results indicated that rice straw biochar and biochar based fertilizer could promote the growth of lettuce and improved soil physical and chemical properties except NH4+-N. Heavy metals content of various parts of lettuce decreased with treatment and the order of heavy metals content in different plant tissues was root＞shoot. There was a distinct reduce of heavy metals after the application of high dose of biochar based fertilizer and Cd， Cu， Pb and Zn content of lettuce leaf could be reduced by 34.78%， 29.37%，46.59% and 40.95%， respectively. Bioaccumulation factors of Cd， Cu， Pb and Zn in different plant tissues of lettuce showed a decreasing trend while transfer coefficient of Cd， Cu and Zn in shoot increased with treatment. Biochar and biochar based fertilizer could significantly inhibit the absorption and accumulation of heavy metals in lettuce in paddy soil.

biochar；amelioration；heavy metal；remediation；immobilization

X53

A

1000-6923（2016）10-3064-07

劉 沖（1990-），男，陜西扶風人，碩士研究生，研究方向為環境污染機理與控制修復.

2016-02-19

國家自然科學基金項目（51178209，91025015，41501337），中央高校基本科研業務費專項資金項目（lzujbky-2015-138，lzujbky-2015-214）

?責任作者， 教授級高級工程師， liuxiaowen@scies.org