炭基有機肥配施菌糠木醋液對污灌區土壤Cu形態及玉米吸收的影響

黃 菲，王効舉，程紅艷，李丹洋 ，郝千萍 ，常建寧 ，張國勝 ，閆 夢

（1.山西農業大學資源環境學院，山西太谷030801；2.日本埼玉環境科學國際中心，日本埼玉347-0115）

近年來，由于工業化的迅速發展，含有重金屬的廢水被大量排放到土壤中，造成了環境污染，影響人類健康等，土壤重金屬污染問題得到越來越廣泛的關注[1]。隨著研究的深入，人們已逐漸認識到，重金屬的遷移轉化規律除了與其總量有關外，更大程度上取決于其在環境介質中的形態和分布[2]，其中，以土壤中易被植物吸收利用的那部分重金屬作為評價重金屬污染程度的指標能更好地反映土壤的污染狀況及其對植物的危害[3-4]。木醋液是植物性原料炭化或干餾過程中具有熏臭味的赤褐色液體，含有酸、醛、酮、醇、酚等多種有機物，是一種廣泛施用的土壤改良劑[5]，已有研究表明，把不同稀釋倍數的木醋液灌施于土壤后有利于改善土壤的物理性質[6]，同時可調節土壤pH值[7-8]，提升土壤有機質[9]，其影響的程度與施用木醋液的濃度以及施用木醋液后的時間長短有關[10]。目前，我國對木醋液的研究主要集中在灌施或噴施后能增加植物營養吸收、促進植物生長、提高植物的抗病性等方面。炭基有機肥是以生物質炭為堆肥輔料生產出的有機肥，而生物質炭是由農作物廢棄秸稈在完全或部分缺氧情況下，經熱解炭化產生的一類高度芳香化的難熔性固態物質，將秸稈廢棄物由傳統的方式（漚還田、過腹還田、機械粉碎還田）轉變為炭化還田，并與養殖業廢棄物進行混合堆肥制成炭基有機肥，完成生物質炭還田應用[11]。生物質炭的礦質元素含量一般情況下較低，其直接提供養分非常有限。因此，可將生物質炭與肥料混合施用，抵消生物質炭養分低的弊端，而生物質炭又作為肥料養分的緩釋載體，從而既鈍化了重金屬又減少了化肥的施用。常見的土壤重金屬修復技術包括農業工程措施、生物治理法、化學修復法和物理修復法等[12]。其中，利用化學改良劑修復重金屬污染土壤成為當前的研究熱點，生物質炭、有機肥常常作為改良劑添加到土壤中，使土壤中可遷移性重金屬的含量降低。李江遐等[13]研究發現，施用生物質炭能顯著提高土壤pH值，由此降低Al，Cu，Fe等金屬可交換態的含量。李清飛等[14]研究發現，土壤中Cd，Pb有效態含量及油菜各組織重金屬含量均隨有機肥添加量的增加而降低。李文慶等[15]研究表明，施用有機肥會改變銅在不同形態間的分配。徐萬強等[16]研究表明，所有鈍化劑組合處理土壤有效態Pb和Cd含量均明顯降低。而炭基有機肥與菌糠木醋液是否仍具有修復重金屬污染土壤的作用尚不明確，且在國內外報道極少。

本研究以污灌區銅污染土壤為供試對象，研究不同用量炭基有機肥配施菌糠木醋液對污灌區土壤Cu的形態分布及玉米對Cu吸收的影響，以期為炭基有機肥與木醋液在修復重金屬污染土壤和降低Cu的生物有效性方面提供數據支撐，這對生態、資源和農業的可持續發展具有重要意義。

1 材料和方法

1.1 供試材料

盆栽培養試驗于2017年6—10月在山西農業大學資源環境試驗站溫室大棚進行。供試土壤采自山西省晉中市祁縣某污灌區土壤，土樣風干后，過2 mm篩，充分混勻，分別進行土壤盆栽試驗和土壤基本理化性質的測定。土壤基本理化性質為：pH值7.85，電導率 0.197 dS/m，有機質 29.9 g/kg，速效氮57.6 mg/kg，速效磷 95.8 mg/kg，速效鉀 282 mg/kg，全量銅447 mg/kg，有效銅12.1 mg/kg。

供試作物為玉米，品種為晉單78，生育期為124 d，選取5顆大小一致的種子進行播種。

供試木醋液為靈芝菌糠木醋液，pH值為4.03，全氮 12.3 g/kg，全磷 0.24 g/kg，全鉀 0.002 6 g/kg，電導率3.612 dS/m。供試炭基有機肥的有機質含量為45%，全氮 18.5 g/kg，全磷 8.5 g/kg，全鉀 16.6 g/kg。

1.2 試驗設計

將土壤風干過篩后分別裝入直徑25 cm、高40 cm的盆缽中，每盆裝土10 kg，桶底鋪玻璃珠透氣。將不同用量炭基有機肥與土壤混勻裝盆后置于溫室大棚中，定時補充土壤水分為田間持水量的70%，平衡7 d后進行播種，并將1 mL菌糠木醋液稀釋500倍灌入盆中。生長期間定時定量澆水，統一管理，統一收獲。在玉米不同生育期，每盆以對角法用土鉆采集土壤樣品（0～20 cm）3點，風干，除雜，磨細過篩混勻后備用。

本試驗采取完全隨機試驗設計，設置7個處理，每個處理重復3次，共21盆。具體處理列于表1。

表1 處理設置

1.3 測定項目及方法

土壤常規理化性質均采用《土壤農化分析》中的方法測定[17]。土壤pH的測定采用玻璃電極法；使用電導儀測定電導率；土壤中的Cu形態的分級采用Tessier[18]五步連續提取，提取液中的Cu均采用原子吸收法分光光度法測定；植物全量銅的測定采用硝酸、高氯酸氫氟酸消煮-ICP法測定[17]。

植物轉移系數（TF）、富集系數（EC）的計算公式如下。

1.4 數據分析

使用Microsoft Excel（2010）進行數據處理；使用SPSS數據處理系統（α＝0.05）進行顯著性分析；用Excel軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 炭基有機肥配施菌糠木醋液對土壤pH值的影響

pH值通過改變重金屬的吸附位點和吸附穩定性來影響土壤中重金屬的化學行為[18]，決定重金屬的溶解度和重金屬離子在土壤固相-液相之間的分配與平衡，從而影響重金屬的化學形態和遷移性，并改變重金屬的生物有效性和毒性[19]。從圖1可以看出，不同用量炭基有機肥配施菌糠木醋液對土壤pH值的影響不同，與CK相比，幼苗期不同處理水平下的pH值均顯著下降；抽穗期各處理與CK間均無顯著差異；成熟期各處理pH值較CK升高，其中，O100與MO100效果顯著，分別升高了0.4，0.45。幼苗期到成熟期CK的pH無明顯變化，其余處理pH值逐漸升高，不同處理水平下的土壤pH值隨著炭基有機肥施用量的增加而降低，100 g的炭基有機肥配施菌糠木醋液對土壤pH值的提高效果最好。幼苗期不同處理水平下的土壤pH值均下降，是因為炭基有機肥中富含有機酸，土壤添加有機酸后會降低土壤pH值[20]，隨著玉米的生長，有機酸的作用減小，炭基有機肥中的生物炭開始起主要作用，土壤pH值開始逐漸上升；幼苗期和抽穗期配施木醋液的處理pH值略微降低是因為本試驗施入土壤的靈芝菌糠木醋液是以醋酸為主要成分的pH值為3的酸性液體，具有調節土壤pH的功效[8]，濃度較低，所以對pH值的影響并不明顯，這與李忠徽等[7]的研究結果一致。

2.2 炭基有機肥配施菌糠木醋液對土壤Cu形態的影響

2.2.1 炭基有機肥配施菌糠木醋液對土壤可交換態Cu的影響 從圖2可以看出，玉米幼苗期，不同處理水平下的土壤可交換態Cu含量隨炭基有機肥施用量的增加而增加，但各處理間無顯著性差異；抽穗期，各處理可交換態Cu含量均低于CK，O100，MO100，MO200與CK間有顯著性差異；成熟期，除O300外，其余處理均顯著低于CK，MO100與各處理均有顯著性差異，比CK降低了25.11%。不同處理水平下幼苗期土壤中可交換態Cu的含量增加，隨著玉米的生長，土壤中可交換態Cu含量在幼苗期到抽穗期大幅下降，抽穗期到成熟期繼續下降，炭基有機肥配施木醋液后對可交換態銅含量的降低效果更好。

2.2.2 炭基有機肥配施菌糠木醋液對土壤碳酸結合態Cu的影響 從圖3可以看出，與CK相比，幼苗期各處理碳酸鹽結合態Cu含量均降低，除O100，O300處理外，其余處理均顯著低于CK；抽穗期各處理顯著高于CK；成熟期，除O100，O200處理外，其余處理含量均顯著高于CK。幼苗期到成熟期，CK的含量逐漸升高，其余處理在幼苗期到抽穗期大幅升高，抽穗期到成熟期下降，總體呈升高趨勢。配施木醋液使碳酸鹽結合態Cu含量成熟期增加。

2.2.3 炭基有機肥配施菌糠木醋液對土壤鐵錳氧化態Cu的影響 從圖4可以看出，幼苗期各處理鐵錳氧化態Cu含量均低于CK，其中，O100，MO200，MO300與CK間差異顯著；抽穗期各處理與CK間均無顯著差異；成熟期各處理均低于CK，其中，O300，MO300顯著低于CK，高用量炭基有機肥可以顯著降低鐵錳氧化態Cu含量。玉米整個生育期鐵錳氧化態Cu未呈現出明顯的變化規律，表明這種形態的Cu具有明顯的過渡特性，既具有一定的穩定性，同時也保持著一定的活性，一方面，活性較強的可交換態Cu會被吸附、絡合并向鐵錳氧化態Cu轉化；另一方面，鐵錳氧化態可部分被作物利用，也會進一步向殘渣態轉化[21]。

2.2.4 炭基有機肥配施菌糠木醋液對土壤有機結合態Cu的影響 從圖5可以看出，3個生育時期各處理水平下的有機結合態Cu含量均低于CK，其中，幼苗期MO100顯著低于CK；抽穗期各處理均顯著低于 CK；成熟期 O200，O300，MO200，MO300處理顯著低于CK。有機結合態Cu的含量隨炭基有機施用量的增加而降低，CK中有機結合態含量逐漸下降，其余處理呈現出先下降后上升的變化趨勢，有機結合態與鐵錳氧化態一樣，既具有一定的穩定性，同時也保持著一定的活性[22]，土壤中的大量有機物可以與土壤中的Cu通過鰲合作用形成相對穩定的有機結合態，穩定的有機結合態Cu也會隨著有機質腐解過程中釋放的有機酸的活化重新進入到土壤當中[22]，是一個互逆的過程，受土壤環境變化的影響。

2.2.5 炭基有機肥配施菌糠木醋液對土壤殘渣態Cu的影響 從圖6可以看出，3個生育時期各處理殘渣態Cu含量均顯著高于CK，殘渣態Cu含量整體變化趨勢為隨炭基有機肥施用量的增加而減少，經過玉米整個生育期后，O100，O200，O300，MO100，MO200，MO300處理殘渣態Cu含量分別較CK升高了82.34%，74.42%，44.13%，97.69%，77.82%，62.97%，說明不同用量炭基有機肥及其配施木醋液后均可以顯著增加土壤中殘渣態Cu的含量，有效促進Cu的各個形態向殘渣態的轉化，且含量的變化與炭基有機肥的施用量及是否配施木醋液有關，其中，100 g/盆炭基有機肥配施木醋液100 g/盆效果最好。

2.3 炭基有機肥配施菌糠木醋液對玉米各部位Cu含量的影響

從表2可以看出，與CK相比，MO100根部Cu含量降低了 2.47 mg/kg，O100，O200，O300，MO200，MO300根部Cu含量分別增加了3.55，8.72，15.19，1.74，10.20 mg/kg，其中，O300，MO300 與 CK間有顯著性差異，隨著炭基有機肥施用量的增加，根部Cu含量增加，配施木醋液后含量降低，可能是由于炭基有機肥施入土壤增加了土壤微生物的數量，從而增加了根系活力，促進植物根系對土壤重金屬的吸收[23]，施用木醋液抑制了根部對銅的吸收。與CK相比，地上部（莖、葉、穗）中Cu的含量均有不同程度的降低，O200，O300，MO200，MO300 莖中 Cu 含量與CK間有顯著差異，其中，MO200和MO300降低效果較好，分別比CK低33.24%，40.57%；MO100，MO300葉中Cu含量與CK間有顯著差異，分別降低了21.03%，36.21%，其余處理與CK間無顯著差異，單施炭基有機肥對葉中重金屬Cu含量沒有顯著影響；O200，MO200，MO300 穗中 Cu 含量與 CK間有顯著差異，分別比CK降低了23.08%，28.80%，20.81%。炭基有機肥配施木醋液后，對莖、葉、穗吸收Cu的抑制效應更好。結果表明，不同用量炭基有機肥及是否配施木醋液對玉米不同部位Cu含量影響有所不同，高施用量的炭基有機肥配施菌糠木醋液后對莖、葉、穗中Cu含量的降低效果最顯著，對根中Cu含量增加效果最顯著。

表2 不同處理玉米成熟期不同部位Cu含量 mg/kg

2.4 炭基有機肥配施菌糠木醋液對玉米富集系數和轉移系數的影響

從表3可以看出，不同處理的轉移系數和地上部富集系數均小于CK，除O100處理外，其余處理均與CK間有顯著性差異，其中，MO300處理與其余處理間均有顯著性差異，對轉移系數和地上部富集系數的降低最明顯，轉移系數比CK降低了0.147，降低35.17%，地上部富集系數比CK降低了0.027，降低32.93%。隨著炭基有機肥施用量的增加，轉移系數和地上部富集系數降低明顯，配施木醋液后促進了這種效應。

表3 不同處理玉米成熟期轉移系數與富集系數的影響

地下部富集系數除MO100處理外，其余處理均大于CK，其中，O300與MO300的地下部富集系數與CK間有顯著性差異，分別較CK提高了17.36%，11.64%；地下部的富集系數隨著炭基有機肥施用量的增加，升高較明顯，配施木醋液后抑制了這種效應。轉移系數的降低與地下部富集系數的升高說明施用炭基有機肥和木醋液后，玉米吸收的Cu多被固定在地下部，向地上部的轉移減少，從而降低重金屬Cu對玉米地上部的毒害作用。研究表明，MO300處理對玉米轉移系數和地上部富集系數降低效果最好，O300處理對地下部富集系數提高效果最好，促進了根部對土壤重金屬Cu的固定，其次是MO300處理。

3 討論

本試驗通過Tessier提取法測定不同處理土壤中各形態Cu含量，結果表明，不同處理土壤中各形態Cu之間的相互轉化受炭基有機肥施用量、是否配施木醋液和培養時間的變化影響較大。通常認為，土壤中交換態和碳酸鹽結合態銅與土壤的結合較弱，遷移性和生物活性較強，鐵錳氧化物結合態容易受土壤氧化還原點位的影響，有機結合態容易在土壤強氧化條件下發生分解變化，是土壤中使銅保持非交換態的主要物質；殘渣態銅是最穩定的存在礦物晶格內的銅以及部分很難被外界影響的有機結合態銅，生物活性最低[24]。本研究表明，施用炭基有機肥在幼苗期增加了土壤中可交換態Cu的含量，隨著玉米生育期的變化，土壤中可交換Cu含量到抽穗期大幅下降，到成熟期繼續下降。有研究表明，生物質炭的添加可以降低重金屬在土壤中的遷移能力[25]，有機質可以增強土壤對重金屬的吸附，有機產物也可與重金屬形成難溶性沉淀，降低自由離子活度系數，由于炭基有機肥中含有大量生物質炭和有機質，施入土壤一段時間后開始加強對土壤中可交換態Cu的固定和轉化，同時在抽穗期作物生長旺盛，促進作物根系對可交換態銅的吸收[26]，所以，抽穗期可交換態Cu含量出現顯著下降，配施木醋液后效果更顯著，同時，土壤中可交換態Cu含量與土壤pH值呈現出負相關關系，其含量隨著pH值的增加而降低，與王康等[25]的研究結果一致。重金屬的碳酸鹽結合態對農田土壤環境中的pH最為敏感，pH值下降時易重新釋放出來進入農田環境中，相反，pH值升高有利于碳酸鹽的生成[27]。本研究中，幼苗期含量下降可能是因為pH的變化影響了碳酸鹽的形成和溶解[28]，當pH值較低時，Cu2+由于碳酸鹽的溶解而釋放，根際代謝產物HCO3-以及其他酸性物質使根際的pH值降低，促進了植物對碳酸鹽結合態Cu的吸收利用[29]，幼苗期到抽穗期，土壤pH值的升高促進了Cu+與土壤中的碳酸根之間反應生成碳酸鹽沉淀[27]。土壤中氧化還原條件變化對鐵錳氧化物結合態有重要影響，可能是由于土壤中氧化還原電位的下降引起鐵錳氧化態的降低。有機結合態含量的下降可能是因為施用有機肥增加了土壤中腐殖質的含量，從而對土壤中可交換態銅的絡合增強，而可交換態銅含量的降低又促進了土壤與礦物質結合態銅的溶解[15]；還有可能是因為隨著炭基有機肥施用量增加，土壤有機質增加，腐植酸活化性能增強，隨著有機物的分解使得有機結合態重金屬逐漸釋放[30]。本研究表明，玉米整個生育期Cu的有機結合態所占比例最大，相對百分含量在46.6%～59.7%；其次分別是鐵錳氧化態、殘渣態、碳酸鹽結合態；最小的是可交換態Cu的含量，相對百分數量在0.8%～2.0%，土壤中可交換態和碳酸鹽結合態銅在土壤中的遷移性和生物活性較強，所以，在土壤中所占比列最小。土壤中Cu形態的轉化規律為可交換態、鐵錳氧化態和有機結合態轉化為碳酸鹽結合態和殘渣態，上述結果符合有機物料的施用對重金屬從有效態和潛在有效態向無效態轉化的機制[31]，低量炭基有機肥配施木醋液施用效果較好。

施用炭基有機肥對土壤可交換態Cu含量、玉米不同部位Cu含量、玉米不同部位的富集系數的影響一致，說明不同處理通過降低可交換態Cu含量來降低玉米各部位對Cu的富集效應，從而減少玉米各部位的Cu含量，降低Cu的生物有效性。一方面，炭基有機肥中含有生物炭和有機肥，Cu與生物炭表面官能團發生絡合反應促進了生物炭對Cu+的專性吸附[32]；另一方面，炭基有機肥中含有較高含量的有機物質，其中的有機官能團能夠與Cu+絡合形成有機結合態，從而降低Cu的生物有效性[33]。配施木醋液后地上部、地下部對Cu的吸收以及Cu從地下部向地上部的轉移都有很好的抑制效果，與李治宇等[33]的研究結果一致。

4 結論

在本試驗中，經過玉米整個生育期，炭基有機肥與木醋液處理后的土壤pH值均有所提高，隨炭基有機肥施用量的增加而降低，添加木醋液無顯著影響。不同處理水平下Cu各形態含量發生了變化，但總體上仍是有機結合態>鐵錳氧化態>殘渣態>碳酸鹽結合態>可交換態。低量炭基有機肥對土壤中可交換態含量降低、殘渣態含量升高及Cu向殘渣態轉化的施用效果較好，配施木醋液可以促進這種效果。

本試驗還表明，各用量炭基有機肥配施菌糠木醋液均不同程度地抑制了玉米的莖、葉、穗對Cu的吸收，同時降低了Cu的地上部富集系數及轉移系數，其中，MO300顯著降低了玉米莖、葉、穗中Cu的含量，分別較CK降低了40.57%，36.21%，20.81%，顯著降低了轉移系數和地上部富集系數，分別較CK降低了35.17%，32.93%，且MO300顯著提升根部Cu的含量和富集系數，促進了根部對Cu的固定，有效地降低了Cu的生物有效性，施用效果最佳。可以考慮將炭基有機肥和木醋液配施作為修復Cu污染土壤的改良劑，但2種材料配施的最佳用量還有待進一步研究。