?生物炭基調理劑對土壤鎘生物有效性的影響

摘 要：研究采用木屑和市政污泥混合物制備的生物炭與石灰石、沸石混配成鎘污染土壤調理劑，連續兩季施用于鎘污染稻田。通過對土壤中生物有效態鎘及水稻中鎘的檢測，探討生物炭基調理劑連續施用的降鎘效果及其對水稻吸收鎘的影響。結果表明：施用該生物炭使土壤中生物有效性鎘降低，與石灰石、沸石混配能進一步降低土壤中有效態鎘含量;兩季試驗有效態鎘最大降低幅度分別為27.8%和22.9%;施加沸石、生物炭及兩者混配均能提高水稻千粒重，最高達24.2%;混配施用生物炭與石灰石、沸石比單獨施用該生物炭能進一步降低水稻根和米中鎘含量，與空白對照相比，兩季中根鎘最大降幅為29.1%，稻米中鎘含量降低48.8%。

關鍵詞：生物炭;調理劑;土壤;鎘

中圖分類號：X53 文獻標識碼：A 文章編號：1006-060X（2018）10-0048-04

Effect of Biochar Based Conditioners on Available Cadmium in Soil

LUO Hui-li1，ZHOU Si1，ZHOU Jing-ru1，WANG Yu-lin1，JIANG Liang-jun2，MA Gui-quan2，

JIANG Liang-zheng2，CAI Jia-yi1

（1. College of Resources and Environment， Hunan Agricultural University， Changsha， 410128; 2. Hunan Dingjiu

Energy Environment Scientific Ltd.， Changsha， 410005）

Abstract： Biochar was first prepared from wood chips and municipal sludge， and then mixed with limestone and zeolite to form cadmium contaminated soil conditioner.The soil conditioner was applied in cadmium contaminated paddy fields for two crops. The effect on decrease of available Cd and absorption of rice had been probed in the continuous application of the biochar-based conditioner by detecting the content of available Cd in soil and total Cd in rice. The results showed that available Cd in soil decreased by using biochar and a further decreasing obtained when it mixed using with limestone and zeolite. The most decrease rate of available Cd in two crops was 27.8% and 22.9% respectively. The 1000-grain weight of rice was increased by applying zeolite， biochar or the mixture of both as the increase rate was high to 24.2%. Total Cd in rice roots was also further decreased by using the mixture of biochar， zeolite and limestone. And compared to blank group， the top decrease of Cd content in two crops was 29.1% in rice root and 48.8% in rice.

Key words： biochar; conditioner; soil; cadmium

土壤中鎘的來源主要歸因于自然和人為活動，前者來源于巖石和土壤的背景值，后者則來源于工業“三廢”和含鎘肥料的應用[1]。農田土壤鎘污染隨著現代工業的快速發展變得越來越嚴峻，據調查農田土壤鎘污染面積超過20×104 hm2[2]，鎘含量超標的農產品年產量為14.6×108 kg。部分污染地區農產品中的鎘含量已超過國家食品衛生標準，表明土壤鎘污染已危及我國食品安全，治理任務已經迫在眉睫。

鎘在土壤—植物系統中的遷移與積累，受土壤中鎘的形態和濃度以及植物的特征和種類的影響[3-4]。植物也會產生多種防御重金屬鎘毒性的耐受機制，特別是當鎘濃度較低時，植物產量反而有所提高[5]。張國平等[6]研究表明，鎘濃度較高時小麥干物質積累和分葉的影響顯著，不同品種及不同器官對鎘的吸收積累也有一定的差異。雖然土壤鎘污染不會直接與人體接觸造成危害，但污染土壤中的鎘可通過食物鏈進入人體，間接對人體造成危害。

當前對土壤重金屬原位修復的研究較多[7-9]，主要是運用化學修復措施中的鈍化修復材料，通過沉淀、氧化絡合、離子交換吸附等作用降低其遷移性[10]和生物有效性[11]。運用較為廣泛的土壤穩定劑有含磷材料[12]、硅鈣物質[13]、黏土礦物[14]、生物炭[15-16]，有機物料等[17]。

生物炭是生物質在完全或部分缺氧條件下所產生的一種高碳固體殘渣[18]。生物炭主要依靠表面吸附重金屬離子，有效去除溶液和土壤中的重金屬離子[19-20]。研究表明，生物炭不僅能夠通過提高土壤的pH值來降低重金屬生物有效性，還可以通過陽離子吸附作用降低土壤重金屬遷移率[21]，同時生物炭可以改善和提高土壤肥力從而降低重金屬對植物的毒害。

試驗通過在鎘污染稻田中施用生物炭、石灰石、沸石及其混配材料，研究連續兩季種植中生物炭及混配材料對土壤中有效鎘含量和水稻吸收鎘含量的影響，分析生物炭及不同配合輔料對土壤中有效鎘的清除作用，以及對水稻吸收鎘的抑制作用，為生物炭基調理劑在農田土壤重金屬污染修復和安全生產中實際應用中提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗土壤為長沙縣青山鋪潴育型水稻土，土壤pH值7.13，陽離子交換量（CEC）為17.69 cmol/kg，有機質為29.74 g/kg，土壤總鎘含量1.4 mg/kg。

生物炭為木屑和市政污泥混合物經600℃高溫處理，含碳量60%以上，pH值為8.72，由湖南鼎玖公司提供?；炫涫┯玫氖沂癁?00目粉，pH值7.54;沸石為天然沸石350目細粉，pH值10.86。

供試早稻品種為兩優819，晚稻品種為泰優390。

1.2 試驗設計

將田塊劃分為5 m×10 m試驗小區，各小區之間分隔不串流?；炫渖锾炕{理劑施用配比和試驗設置見表1。CK為空白對照，處理C-1至C-4為混配材料施用對照組，每組調理劑施用量為120 kg/667m2;處理B-1至B-5為生物炭基調理劑試驗組，每組調理劑施用量為280 kg/667m2。其中B-2至B-5各配比設置中石灰石和沸石的量與C-1至C-4中對應一致。

1.3 采樣與預處理

第一季水稻試驗采用25 d移栽苗，栽培期為75 d，在修復期按5、15、30、50和75 d取土樣。第二季采用15 d移栽苗，栽培期90 d，在修復期按5、15、30、50、75和90 d取土樣。

采集的土樣過20目篩，晾干密封保存待處理。以水稻為試驗作物，在移栽期（5 d）、抽穗期（30 d）、收獲期（75 d）測定植株的生長狀況。水稻成熟后整株采回，將植株根、莖、籽粒分離后烘干裝袋，做好標記待處理。

1.4 檢測分析

土壤有效態鎘用DTPA浸提法處理后測定。稱取通過2 mm尼龍篩的風干土5 g放入150～180 mL的塑料瓶中，加入DTPA浸提劑50.0 mL，在20～25℃溫度下震蕩2 h后過濾，濾液進石墨爐測定鎘含量。

土壤總鎘按照國標方法（GB/T17141—1997）進行消解后，經石墨爐原子吸收法測定。

水稻根和米中鎘含量用HNO3-HCLO4消化法處理后經石墨爐原子吸收法測定。

葉綠素由葉綠素測定儀（浙江托普，TYS-A）進行測定。

2 結果與分析

2.1 土壤有效態鎘變化

由圖1可知，空白對照樣CK在栽種期間土壤有效態鎘含量基本無變化，而施加炭基調理劑后土壤中有效態鎘均有所減少，且第一季施用效果好于第二季，栽種中后期（30～50 d）對土壤有效態鎘穩定效果較好。第一季土壤中有效態鎘降低幅度（50 d）為16.2%～27.8%，第二季土壤中有效態鎘降低幅度（30 d）為16.1%～22.9%。

比較施入等量石灰石和沸石的處理組C-1和C-4的試驗結果，表明單獨施用石灰石和沸石均能降低土壤中鎘的有效性。C-1在試驗期30 d時效果好于C-4，但后期50 d效果C-4好于C-1，表明沸石的持續作用效果強于石灰石。

單獨施用生物炭的試驗組B-1第一季50 d和第二季30 d有效態鎘降低幅度分別為20.5%和17.2%。將石灰石和沸石按比例與木屑制備的生物炭混配后施用，試驗組B-4對有效態鎘的降低效果最好，兩季試驗中B-4試驗組有效態鎘降低幅度分別為27.8%和22.9%。

試驗后75 d的土樣中有效鎘含量相比50 d時有所增加，但仍均低于同期空白土樣有效鎘含量。這是由于栽種后期水稻土落干，氧化還原電位提高，部分重金屬沉淀物又轉化為游離態，導致土壤有效態鎘含量有所回升。

2.2 對水稻生長影響

施入該生物炭和不同配比生物炭調理劑后水稻植株的株高及葉綠素含量見表2和表3。

各試驗組對水稻植株生長均產生有利影響，C-4、B-1和B-2，B-4試驗組在兩季試驗中明顯促進水稻生長，株高和葉綠素含量均較高，兩季試驗中分別高出空白18.1%～23.6%和14.3%～18.5%。生物炭混配組B-2至B-5也表現為促進水稻生長，收獲期水稻株高值接近，四組試驗結果兩季相差分別為4.01%和1.11%。表明該生物炭及其混配調理劑對水稻生長有一定促進作用。

施加混配調理劑后，各處理水稻千粒重變化如圖2所示。與對水稻株高和葉綠素的影響一致，施用石灰石和沸石及混配調理劑后，各試驗組水稻千粒重均有增加。其中C-4、B-1和B-5試驗組兩季均處于較高水平，第一季相比空白提高23.5%、23.6%和24.2%;第二季相比空白提高20.3%、16.2%和20.4%。這表明施加沸石、生物炭及兩者混配對水稻增產有明顯作用，但連續施用的增產效果略有下降，受到水稻品種及種植季節變化的影響，需要進一步探索研究。

2.3 對水稻鎘吸收量的影響

由圖3可知，空白組CK的水稻根鎘含量相比其他試驗組較高，第一季比第二季高出0.107 mg/kg，這主要受水稻品種影響。兩季試驗結果表明，施用該生物炭與石灰石混配的試驗組B-2對根吸收鎘的抑制要好于與沸石的混配組B-5，達到28.4%和17.3%。與對水稻的生長影響一致，反映沸石相比石灰石有利于水稻生長。石灰石與沸石混合后施用的C-2和C-3對降低根鎘含量的作用強于分別單純施用的C-1和C-4，石灰石、沸石與生物炭混配施用又進一步降低了水稻根鎘的含量，兩季中最大降幅為29.1%。

不同試驗組稻米鎘含量如圖4所示，施加該生物炭、石灰石、沸石混配的試驗組B-3在兩季試驗中均能降低稻米對中鎘含量，與空白相比降幅達到36.5%和48.8%。施用石灰石的C-1試驗組也能降低稻米中鎘含量，但連續施用效果不及與混配施用的B-2;試驗組B-5降低稻米中鎘含量的效果也好于單獨施用等量沸石的C-4，并且第二季的降鎘幅度要大于第一季8.7%～22.3%。

3.4 水稻鎘吸收與土壤有效態鎘的相關性

稻米鎘含量受土壤鎘含量，尤其是有效態鎘含量影響大[22]。

各試驗組稻米鎘含量與栽培期30和50 d土壤在有效態鎘含量呈顯著正相關關系，相關系數（Plt;0.05）為0.858 8和0.729 4。由此可見水稻栽種中后期土壤鎘有效性對水稻鎘吸收影響大，因此應施用具有長效性的調理劑及對水稻根吸收有較強抑制作用的材料有利于降低水稻對重金屬鎘的吸收。

4 結 論

將石灰石和沸石按比例與制備的生物炭進行混配后施用，試驗組B-4對有效態鎘的降低效果最好，兩季試驗有效態鎘降低幅度分別為27.8%和22.9%?；炫涮炕{理劑中沸石的持續作用效果強于石灰石。

施用石灰石和沸石及混配炭基調理劑后，各試驗組均提高。施加沸石、生物炭及兩者混配提高水稻千粒重數值最高達24.2%，但連續施用的增產效果略有下降。

施用生物炭與石灰石、沸石混配進一步降低了水稻根鎘的含量，兩季中最大降幅為29.1%。施加混配的試驗組B-3在兩季試驗中均能降低稻米對中鎘含量，與空白相比降幅達到36.5%和48.8%。

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