鐵改性生物質(zhì)炭對(duì)鎘污染土壤中小白菜鎘吸收及產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

林昌華，馬崇堅(jiān)，丘勇飛

（1.韶關(guān)學(xué)院英東農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 韶關(guān) 512005；2.韶關(guān)市農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心，廣東 韶關(guān) 512000）

【研究意義】 隨著工礦業(yè)及城市工業(yè)的快速發(fā)展，大量的重金屬鎘（Cd）進(jìn)入農(nóng)田土壤并持續(xù)累積，污染面積逐年增加。而土壤中鎘不能被生物降解，其有效態(tài)易被作物富集吸收、進(jìn)入食物鏈，對(duì)人體健康具有潛在風(fēng)險(xiǎn)[1-3]。土壤鎘累積量越高其生物可利用性越高，可顯著影響植株葉綠素合成并抑制光合作用，進(jìn)而降低植物根系對(duì)養(yǎng)分和水分的吸收，最終導(dǎo)致作物品質(zhì)下降[4-6]。【前人研究進(jìn)展】 盡管前人應(yīng)用各種方法嘗試治理土壤重金屬污染，但在實(shí)際運(yùn)用中成效甚微[7-8]。近年來(lái)，利用土壤鈍化劑使鎘在土壤中的有效性和移動(dòng)性降低從而降低植株對(duì)鎘吸收風(fēng)險(xiǎn)的研究日益增多，其中生物炭的應(yīng)用已逐漸成為重要的研究方向，在華南紅壤區(qū)尤為突出。生物炭是生物質(zhì)通過(guò)熱裂解的方法在缺氧或者低氧條件下制備的一種富含孔隙結(jié)構(gòu)、含碳量高的碳化物質(zhì)[9]，其在土壤酸堿度改良、作物增產(chǎn)提質(zhì)等方面的作用與應(yīng)用已被廣泛研究[10-11]，如生物質(zhì)炭可直接或間接地降低土壤中重金屬的生物有效性[5,12]，還可直接吸附或固持土壤中重金屬離子，甚至可以通過(guò)影響土壤持水性能、pH、CEC等理化性質(zhì)來(lái)降低重金屬的移動(dòng)性和有效性，減少其向植物體內(nèi)遷移，降低對(duì)植物的毒性風(fēng)險(xiǎn)[13-14]。【本研究切入點(diǎn)】 盡管生物炭的應(yīng)用能夠產(chǎn)生良好的農(nóng)用和環(huán)境效益，但對(duì)于最優(yōu)施用條件、最佳施用量及相關(guān)機(jī)理沒(méi)有明確定論，其發(fā)揮作用的用量范圍仍不穩(wěn)定[15]；不同作物、不同地域、不同基質(zhì)、不同管理?xiàng)l件等可能表現(xiàn)出不一樣的結(jié)果；生物炭對(duì)重金屬等污染物的作用是絡(luò)合、螯合、吸附還是沉淀等皆不明確。本研究利用廣東韶關(guān)地區(qū)鎘污染嚴(yán)重的蔬菜土壤為基質(zhì)，以小白菜為研究材料，通過(guò)添加不同量的生物炭，探討生物炭對(duì)土壤鎘有效性及對(duì)小白菜鎘吸收、品質(zhì)、代謝酶活性的影響。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】 明確鎘脅迫條件下抑制蔬菜鎘吸收的生物炭最佳施用量，以期為華南鎘污染農(nóng)田土壤修復(fù)利用與保障農(nóng)產(chǎn)品安全提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2014年3月28日至5月25日在植物營(yíng)養(yǎng)溫室進(jìn)行。供試小白菜為黑葉葵扇小白菜（Brassica campestris L.ssp.chinensis Makino）。供試生物炭（以稻殼為原材料，在300～800℃、厭氧條件下制備所得，制備過(guò)程中加入2%硫酸亞鐵，形成鐵改性生物質(zhì)炭材料）來(lái)自廣東省生態(tài)環(huán)境與土壤研究所，其理化性質(zhì)如下：pH值6.89，有機(jī)碳457 g/kg，全氮5.30 g/kg，全磷3.40 g/kg，全鎘0.02 mg/kg，全鉛2.70 mg/kg。供試土壤采自廣東韶關(guān)礦區(qū)附近受鎘污染的蔬菜農(nóng)田土壤，質(zhì)地為粘壤土，pH值5.60，有機(jī)質(zhì)40.52 g/kg，速效鉀67.54 mg/kg、水解氮250.01 mg/kg，有效磷9.03 mg/kg，總鎘含量14.31 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)5個(gè)耕層土壤生物炭施用量（W/W）處理：（1）0（CK），生物炭施用量為 0 kg/hm2；（2）0.1%（FeB1），生物炭施用量為1 725 kg/hm2；（3）0.3%（FeB2），生物炭施用量 5 175 kg/hm2；（4）0.5%（FeB3），生物炭施用量8 625 kg/hm2；（5）1%（FeB4），生物炭施用量17 250 kg/hm2。每個(gè)處理8次重復(fù)。基肥施用尿素0.15 g/kg、過(guò)磷酸鈣0.13 g/kg、氯化鉀0.06 g/kg。土壤自然風(fēng)干，過(guò)2 mm篩，每盆土壤用量3 kg，將風(fēng)干土壤、生物炭、基肥混合均勻，裝入盆中。小白菜種子經(jīng)消毒后，于營(yíng)養(yǎng)土中育苗，經(jīng)15 d后選取大小一致、生長(zhǎng)良好的幼苗移栽，每盆移栽4株。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

土壤pH采用pH計(jì)測(cè)定，有機(jī)碳采用重鉻酸鉀容量法，全氮采用半微量開(kāi)氏法，全磷采用硫酸-高氯酸消煮法，速效鉀采用醋酸銨-火焰光度計(jì)法，水解氮采用堿解擴(kuò)散法，有效磷采用Olsen法[16]，水溶態(tài)鎘、交換態(tài)鎘和總鎘含量參照GB/T 5009-2003中石墨爐原子吸收光譜法檢測(cè)[17]。

小白菜植株培養(yǎng)42 d后，利用抖土法收集根際土壤與非根際土壤，附著根系的土壤為根際土壤，陰干后以木錘研磨并過(guò)0.25 mm篩淘去須根；用去離子水清洗根系后，用剪刀將小白菜莖葉與根分開(kāi)，稱取30 g莖葉樣品測(cè)定硝酸鹽、Vc及可溶性糖含量，取葉片去葉脈樣品10 g測(cè)定過(guò)氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）活性。剩余樣品稱鮮重后用去離子水清洗，80 ℃恒溫殺青30 min，60℃烘干至恒重，稱重，粉碎，過(guò)0.5 mm篩后，放入封口樣品袋，干燥處保存，測(cè)定鎘含量。植株莖葉樣品的維生素C（Vc）含量測(cè)定采用2,6-二氯靛酚滴定法[18]，可溶性糖含量測(cè)定采用氰化鹽-碘量法[18]，硝酸還原酶（NR）活性測(cè)定采用磺胺顯色法測(cè)定[19]，POD活性測(cè)定采用愈創(chuàng)木酚氧化比色法[20]，SOD活性測(cè)定采用氮藍(lán)四唑光還原比色法[21]，可溶性蛋白質(zhì)含量采用考馬斯亮藍(lán)法[22]，硝酸鹽含量采用分光光度法[23]，Cd含量測(cè)定采用石墨爐原子吸收光譜法[24]。

2.3 真實(shí)的情境下考查社會(huì)責(zé)任和生命觀念 真實(shí)的情境是運(yùn)用生物學(xué)知識(shí)分析和解決實(shí)際問(wèn)題的載體。將測(cè)試試題嵌入在具有啟發(fā)性和過(guò)程性、真實(shí)、有意義的情境之中，適度呈現(xiàn)有一定的信息量、不同陌生度的問(wèn)題情境，讓學(xué)生在真實(shí)情境中運(yùn)用知識(shí)，表現(xiàn)自己的真實(shí)水平，促進(jìn)生物學(xué)知識(shí)向真實(shí)生活情境的再認(rèn)識(shí)和適度遷移。真實(shí)的答題情境可來(lái)源于科學(xué)技術(shù)與社會(huì)的聯(lián)系，可來(lái)源于科學(xué)研究的過(guò)程和成果，可來(lái)源于真實(shí)的現(xiàn)實(shí)生活[2]。在真實(shí)情境中考查社會(huì)責(zé)任是學(xué)業(yè)水平測(cè)試試題的靈魂。

配合光線進(jìn)行拍攝是為照片注入生命力的關(guān)鍵。你要考慮光線的方向和強(qiáng)度，以及光線顏色對(duì)敘事的影響。無(wú)論是暖色的金光、冷藍(lán)色的晨光，還是正午醒目的陰影，都會(huì)以不同的方式影響著敘事的氛圍，那么就利用它們來(lái)敘事吧。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對(duì)根際與非根際土壤水溶態(tài)鎘、交換態(tài)鎘含量的影響

由表 4可知，生物炭添加處理顯著提高了小白菜體內(nèi)NR、POD和SOD活性，且均隨生物炭用量的增加呈先增后降的變化趨勢(shì)，在生物炭添加量0.5%時(shí)最高。其中，NR活性增幅為14.17%～28.33%，POD活性增幅為5.06%～26.09%，SOD活性提高6.57%～25.76%。

表1 生物炭對(duì)根際與非根際土壤水溶態(tài)鎘、交換態(tài)鎘含量的影響Table 1 Effect of biochar on the contents of soluble cadmium and exchangeable cadmium in rhizosphere and non-rhizosphere soil

2.2 生物炭對(duì)鎘污染土壤小白菜生長(zhǎng)的影響

生物炭孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、比表面積大，表面呈負(fù)電荷狀態(tài)，陽(yáng)離子交換量高，對(duì)增加土壤重金屬離子的靜電吸附量有顯著的作用，從而可影響其在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化。而生物炭表豐富的能與重金屬形成穩(wěn)定的金屬絡(luò)合物的含氧官能團(tuán)，能發(fā)揮對(duì)重金屬持久的專性吸附[25]。本試驗(yàn)研究同樣發(fā)現(xiàn)，鐵改性生物質(zhì)炭能較大幅度地降低小白菜根際、非根際土壤中水溶態(tài)鎘含量，但根際土壤交換態(tài)鎘含量與非根際土壤交換態(tài)鎘含量差異未達(dá)顯著水平，這與已有報(bào)道[26-28]不一致，可能是由于華南地區(qū)酸性土壤鎘主要被土壤膠體或有機(jī)質(zhì)吸附且量較大、生物炭添加對(duì)交換性鎘影響較小所致。

表2 生物炭對(duì)鎘污染土壤小白菜生物量的影響Table 2 Effect of biochar on the biomass of Chinese cabbage in Cd contaminated soil

2.3 生物炭對(duì)鎘污染土壤小白菜品質(zhì)的影響

由表3可知，Vc、可溶性糖與可溶性蛋白質(zhì)含量均隨生物炭用量的增加呈先增后降的變化趨勢(shì)，均以生物炭添加量5%時(shí)最高；硝酸鹽含量隨生物炭添加量增加呈先降后增的變化，以生物炭添加量0.5%時(shí)最低。與CK相比，各添加生物炭處理的小白菜硝酸鹽含量依次降低5.21%、9.50%、17.81%、15.19%，Vc含量依次提高47.05%、70.59%、117.65%、76.47%，可溶性糖含量依次提高8.82%、16.67%、29.41%、21.57%，可溶性蛋白質(zhì)含量依次提高5.24%、16.19%、31.43%、9.76%。

表3 生物炭對(duì)鎘污染土壤小白菜品質(zhì)的影響Table 3 Effects of biochar on the quality of Chinese cabbage under Cd Stress

2.4 生物炭對(duì)鎘污染土壤小白菜體內(nèi)酶活性的影響

從表1可以看出，與CK相比，添加生物炭顯著降低了根際土壤水溶態(tài)鎘含量，所有生物炭處理與CK根際土壤水溶態(tài)鎘含量差異均達(dá)極顯著，且生物炭添加量為0.5%時(shí)水溶態(tài)鎘含量最低，此時(shí)根際土壤水溶態(tài)鎘含量為CK的58.55%。但是，無(wú)論在根際土壤還是非根際土壤中，水溶態(tài)鎘和交換態(tài)鎘的含量并未隨生物炭施用量的增加而呈現(xiàn)特定的規(guī)律性。

2.5 生物炭對(duì)鎘污染土壤小白菜體內(nèi)鎘吸收積累的影響

如表5所示，小白菜地上部分、地下部分的鎘含量以CK最高，添加生物炭能顯著降低小白菜體內(nèi)的鎘含量，但各生物炭添加處理間小白菜地上部的鎘含量無(wú)顯著差異。隨著生物炭的添加量增加小白菜地下部鎘含量呈先降后增的變化，在生物炭添加量0.5%時(shí)最低，此時(shí)小白菜地下部鎘累積量也最低，僅為CK的88.38%。由此可見(jiàn)，生物炭添加處理能降低小白菜體內(nèi)的鎘含量，抑制小白菜地下部分對(duì)土壤中鎘的吸收和累積。

表4 生物炭對(duì)小白菜體內(nèi)酶活性的影響Table 4 Effects of biochar on the enzyme activity of Chinese cabbage under Cd stress

表5 生物炭對(duì)小白菜鎘吸收積累的影響Table 5 Effect of biochar on Cd uptake of Chinese cabbage under Cd stress

3 討論

從表2可以看出，添加生物炭處理能顯著提高小白菜地上部的鮮重，且隨著生物炭添加量的增加，小白菜地上部鮮重呈先增加后降低的趨勢(shì)；同時(shí)，添加生物炭也能顯著提高小白菜地下部的鮮重，但是在4個(gè)生物炭添加水平之間，地下部鮮重?zé)o顯著性變化；在生物炭添加量為0.5%時(shí)，小白菜的總生物量最高，此時(shí)地上部、地下部生物量分別為CK的132.91%、138.94%。說(shuō)明添加生物炭能夠顯著促進(jìn)鎘污染土壤小白菜的生長(zhǎng)。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2004進(jìn)行前期處理，用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件方差分析，用LSD法進(jìn)行多重比較分析和差異性檢驗(yàn)。

2)粉煤灰脫硫活性評(píng)價(jià)試驗(yàn)工況設(shè)定。2 g粉煤灰裝入石英反應(yīng)管中，溫度70 ℃，進(jìn)口SO2質(zhì)量濃度為500 mg/m3，O2含量為6%，增濕水量為5%，分別測(cè)試裝入不同粉煤灰樣品工況下的出口SO2濃度c，樣品脫硫率x計(jì)算式為x=(c-500)/500×100%。

在Cd脅迫下，植物細(xì)胞內(nèi)活性氧轉(zhuǎn)化為H2O和O2的生化反應(yīng)會(huì)受到影響，導(dǎo)致植物細(xì)胞內(nèi)的活性氧大量生成。而SOD和POD則是存在于植物細(xì)胞中重要的保護(hù)酶，它們的主要功能是減少具有毒性、高活性超氧化物自由基的形成，從而減少對(duì)植物細(xì)胞的毒害[29]。本試驗(yàn)中，在鎘污染土壤中添加鐵改性生物質(zhì)炭能提高SOD和POD的活性，從而提高清除自由基的能力，顯著提高小白菜Vc和可溶性蛋白質(zhì)的含量，緩解Cd脅迫對(duì)小白菜的傷害。硝酸還原酶是一類含巰基的酶，Cd與硝酸還原酶的巰基結(jié)合，可破壞該酶的活性中心，使酶失活。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，添加鐵改性生物質(zhì)炭能提高硝酸還原酶的活性，從而降低小白菜體內(nèi)硝酸鹽含量，改善小白菜品質(zhì)[30]。可溶性糖是參與細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)的重要物質(zhì)之一，其積累能提高植物細(xì)胞滲透濃度，對(duì)提高植物抗逆性具有重要作用[31]。在本試驗(yàn)中，生物炭的添加能促進(jìn)小白菜體內(nèi)可溶性糖含量增加，緩解Cd脅迫對(duì)小白菜的傷害。但在分析鐵改性生物質(zhì)炭的使用量、根際鎘含量、SOD和POD的活性時(shí)，并未發(fā)現(xiàn)相互間呈現(xiàn)線性或明顯的相關(guān)性，推測(cè)在根際土樣分離時(shí)仍不夠嚴(yán)格而致使差異不夠顯著，或取樣時(shí)間點(diǎn)不足夠難以呈現(xiàn)脅迫后響應(yīng)的全過(guò)程動(dòng)態(tài)變化。

首先，與傳統(tǒng)膠片相比，數(shù)碼照片以馬賽克形式存在，更加容易修改而不易察覺(jué)，更加可操控而成為作者的同謀。這給傳統(tǒng)攝影致命一擊——真實(shí)性或客觀性受到廣泛質(zhì)疑。里奇不無(wú)擔(dān)憂地寫道：

由此可見(jiàn)，通過(guò)施加生物炭來(lái)降低植物對(duì)鎘的吸收風(fēng)險(xiǎn)是可行的，但施用量不能過(guò)高，以生物炭添加量0.5%為最佳，對(duì)華南紅壤鎘脅迫下小白菜產(chǎn)量和品質(zhì)具有明顯促進(jìn)和改善作用，同時(shí)降低小白菜對(duì)鎘的吸收風(fēng)險(xiǎn)，但依據(jù)土壤的酸堿性特點(diǎn)仍須進(jìn)行系統(tǒng)的施用量研究試驗(yàn)。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，在鎘污染土壤中添加0.5%的生物炭既能降低小白菜根際與非根際土壤中水溶態(tài)鎘含量，提高小白菜植株體內(nèi)的SOD、POD和NR活性，從而提高小白菜Vc和可溶性蛋白質(zhì)的含量、降低硝酸鹽含量、降低小白菜地上部和地下部鎘含量，添加生物炭能明顯提高小白菜地上部和地下部生物量，改善小白菜品質(zhì)，但添加量不宜過(guò)大。而且華南酸性土壤中鎘因被土壤膠體或有機(jī)質(zhì)吸附，生物炭對(duì)交換性鎘影響較小，如何使生物炭在大田酸性土壤中發(fā)揮更大作用，并為小白菜等蔬菜的安全生產(chǎn)提供決策依據(jù)，還有待進(jìn)一步深入研究。