生物質炭對棉花生長發育及地上部各器中鎘富集的影響

王金剛，田 甜，王海江，朱永琪

(石河子大學 農學院，新疆石河子 832000)

土壤是人類賴以生存和發展的物質基礎，隨著社會經濟建設的快速發展以及農業現代化進程的加快，土壤重金屬污染問題日益嚴重[1]，其中，Cd具有較強的蓄積性、遷移能力和生物可積累性，是最有毒性的無機污染物之一[1-2]。 據2017年環保部的數據顯示，中國土壤Cd污染的點位超標率達7%， 遠高于汞(1.6%)、砷(2.7%)、鉛(1.5%)等其他重金屬元素[3]。研究表明，由于化學肥料的大量使用、殘膜等白色污染在農田中的積累，中國已經超過13萬km2的耕地被鎘、鉛等重金屬污染，包含11個省市，25個地區[4]。近年來，土壤Cd污染造成的作物的Cd超標現象引起了社會的極大關注。因此，針對日益嚴重的土壤和作物Cd污染問題，為了保證農業的質量安全和可持續發展，降低作物中吸附的重金屬Cd污染變得尤為重要。

生物質炭是一類富含炭的生物質[5]，且富含植物所需要的一些營養元素，可以為植物提供大量的養分物質[6]。從而為作物提供良好的生長環境[7-8]。Kuzyakov等[9]研究發現，生物質炭可以使酸性淋溶土的酸度降低，使蘿卜的干物質量有了顯著的增加。另一方面，生物質炭中還含有一定的微量營養元素，能夠使水稻的根系鮮質量增加，改良根系形態特征，從而增強水稻的生理功能，還能增加土壤中有機質含量[10-11]。研究顯示，施用生物質炭可以提高作物產量，降低土壤Cd的生物有效性，減少作物對土壤 Cd 的吸收[12-13]。對于重金屬復合污染的作物，采用可以吸附污染植物的重金屬[14]，從而達到重金屬對植物污染的改良和降低作物對重金屬的吸收的目的。張小凱等[15]研究結果表明，施用生物質炭可以吸附土壤中的重金屬，有效地降低土壤重金屬的生物有效性和在環境中的遷移能力。但也有學者做有關黑麥草的試驗發現，當施用生物質炭27.8和55.6g·kg-1時，它的干物質積累量能增加到20% 和52%(與對照相比)，但施用生物質炭達到93和185g·kg-1時，較對照反而降低8% 和30%[16]。Rondon 等[17]研究表明，當施用生物質炭的量為30和60g·kg-1時，可顯著增加大豆產量，但當施用生物質炭量增至90g·kg-1時，較對照相比，大豆產量會出現下降趨勢，這表明施加適量的生物質炭可以明顯的促進作物生長發育，但施用過量反而抑制作物的生長發育。

棉花是新疆農業種植的特色經濟作物，棉花種植面積、單位面積產量、總產量一直居全國首位[18-19],其產量占全國棉花生產總量的比重則高達70%左右[20]，棉花的主要產物是棉纖維，副產品是棉籽，棉籽具有非常高的營養價值，并且棉仁中含有的30%～45%蛋白質、20%～45%的油分，是重要的優質食用油資源和潛在的蛋白質食物來源。但是，隨著新疆棉花的長期連作，化肥、農藥、農膜的大量使用，農田土壤重金屬的積累日益增多[21-22]，作物對重金屬的吸收造成重金屬在植株各器官中累積[21]，導致產品品質下降，而且會通過食物鏈對動物和人類健康造成危害[23]，富含重金屬Cd的秸稈返還會造成棉田的二次Cd污染。綜上所述，生物質炭的施入可以減少作物對重金屬Cd的富集，但在生物質炭施入土壤的時間維度上，重金屬對棉花生長發育以及各器官富集的研究較少，因此，本研究采用盆栽試驗，研究重金屬Cd污染條件下生物質炭施入在時間尺度上對棉花生長發育的影響，探究施入生物質炭對棉花地上部各器官中Cd的富集，為新疆棉田土壤重金屬污染治理以及棉花種植的健康發展提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗設在石河子大學農學院試驗站，棉花秸稈取自試驗站棉田，生物質炭由棉花秸稈在 450 ℃下限氧6 h制得。供試土壤取自石河子大學試驗站長期連作(1993年開始種植，連作25 a)棉田，土壤類型為灰漠土，土壤質地為壤土，具體土壤理化特性見表1。

1.2 試驗方案

研究采用盆栽試驗， 供試棉花品種為魯研棉24號，試驗設4個重金屬Cd水平，分別為施加0、1、2、4 mg·kg-1(施入劑量按照國家三級標準的4倍污染水平計)，以H0、H1、H2和H3表示。生物質炭施加設3個水平，分別為0、15 g·kg-1、30 g·kg-1，以C0、C1、C2表示。試驗每盆裝土12 kg，添加生物質炭和基肥，先讓土壤中的養分和水分等平衡一周，然后添加重金屬Cd，繼續靜置，平衡7周后進行播種[24-28]，共12個處理，為了滿足棉花生育期取樣，每個處理設置5次重復，共60盆。試驗每盆施肥量按照當地大田棉花種植施用量進行換算，磷、鉀肥在播種前一次性施入做基肥，氮肥全部隨水追施，棉花整個生育期共灌水9次，灌水周期為7～12 d，使其田間持水量保持在的70%～80%。

1.3 采樣方法及測試指標

1.3.1 樣品的采集 待棉花出苗后，在其生育期30 d、60 d、90 d、120 d、150 d取地上部植株樣品和土壤樣品，植株分葉片、莖稈、蕾鈴器官待測各指標。

1.3.2 測試指標 分別對各處理棉花生長發育狀況進行定期觀測，并詳細記錄棉花生育時期，采集植株樣品，測定棉花干物質積累量、株高、產量，棉花莖、葉、蕾鈴中 Cd 的全量采用微波消解-石墨原子吸收分光光度法測定，具體為準確稱取烘干后的植株(莖，葉片和蕾鈴)0.5 g，用硝酸∶高氯酸(體積比2∶1)密封消解樣品，而后測定莖、葉和蕾鈴中的Cd全量[29]。各器官重金屬鎘的分配系數計算如下式[30]：

分配系數=(各器官Cd積累量/地上部總Cd積累量)×100%

1.4 數據分析方法

采用Excel 2010、 Sigma Plot 12.5和 SPASS 17軟件對試驗數據進行處理分析。

2 結果與分析

2.1 生物質炭對Cd污染條件下棉花生長發育的影響

2.1.1 棉花株高 由圖1可知，棉花株高隨著生育期的延續呈現前期增長快，后期慢的趨勢，施用生物質炭對棉花的株高具有一定的促進作用。相同重金屬處理水平下，C1處理和C2處理較對照C0對棉花的株高有一定的促進作用，且C2處理較C1處理對棉花株高的促進作用更明顯。H0水平下，培養90 d時，C2H0棉花株高為47.38 cm，C1H0棉花株高為46.68 cm, 較對照C0H0增高5.96%和7.6%；在H1水平下，培養30 d和90 d時，C1和C2處理棉花株高顯著高于對照C0(P<0.05)，30 d的C1H1、C2H1處理的株高為11.71、12.15 cm，90 d的C1H1、C2H1處理的株高為47.68、48.38 cm，較對照C0H1增高了 13.48%、17.85%、8.24%、9.83%。H3水平下，C1H3、C2H3在生育期30 d的株高分別為10.71 cm和11.15 cm，90 d的株高分別為43.68 cm和46.38 cm，較對照C0H3增高了15.02%、 19.76%、3.86%、10.26%。在培養期60 d、120 d和150 d，生物質炭的施入對棉花株高的影響不顯著，C1H3處理和C2H3處理較對照C0H3處理數值有一定的提升，且C2H3處理下更明顯。

同組數據不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)，下圖同

The different lowercase letters after the same group data indicate the significant difference between different treatment(P<0.05),the same below

圖1 生物質炭處理下不同Cd污染水平的棉花株高
Fig.1 Cotton plant height with different Cd pollution levels under biochar treatment

2.1.2 棉花單株干物質積累量 由表2可以看出，隨著棉花生育期的延長，棉花干物質積累量也在不斷地增加，且在相同重金屬處理水平下，與對照C0相比，添加生物質炭使棉花干物質積累量有明顯的增加。對棉花同一生育期不同處理間進行方差分析發現，30 d時，C2水平與C1水平的棉花干物質積累量顯著大于對照C0，且C1與C2之間的差異顯著，C2H3處理下的單株干物質量為6.08 g，與對照C0H3相比高出36.63%。60 d時，C1和C2水平與對照C0相比，生物質炭對棉花干物質的積累有顯著的影響，但C1和C2之間沒有顯著的差異，最大積累量為C2H0處理下的8.9 g， 與對照相比干物質積累量增加了 41.05%。在90 d的H0水平下，C1和C2處理與對照C0相比差異顯著(P<0.05)，H1水平下，C1和C2處理顯著高于對照，但兩處理之間差異不顯著。生育期120、150 d，C1處理較對照C0差異不顯著，C2處理積累量顯著高于對照(P<0.05)，其中C2H0、C2H3處理棉花的最大單株積累量為70.57 g和70.56 g，較對照增加了 20.44%，20.62%。相同生物質炭添加量，不同重金屬Cd污染濃度間各生育期棉花干物質積累量差異均不顯著，表明在本研究中Cd污染濃度小于4 mg·kg-1時，土壤Cd質量分數對棉花干物質積累量影響不顯著。

注：數據為5個重復的平均值，同列數據后不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)，下同。

Note: Data are the average of 5 replicates. The different lowercase letters after the same column data indicate the significant differences among different treatments(P<0.05), the same below.

2.1.3 棉花產量 由表3可以看出，施加生物質炭能夠有效增加棉花的單鈴質量和單株鈴數，從而顯著增加棉花的產量。H0水平下，C1處理較對照C0單鈴質量差異不顯著， C2處理較對照C0顯著增加了13.04%，H1、H2處理與H0表現出類似的趨勢，H3水平下，C1、C2處理的單鈴質量與對照相比差異顯著。H0、H1、H2和H3水平，C1和C2處理與對照C0相比蕾鈴數有顯著的增加，蕾鈴數最多的為C2H3處理，為6.5個，與對照C0H3相比蕾鈴數增加了25%； H1水平下，C1、C2處理與對照C0相比蕾鈴數顯著增加了12%和18%，但C1和C2處理間沒有顯著的差異。由不同Cd污染條件下棉花單鈴質量和蕾鈴數來看，外源Cd的添加對棉花的單鈴質量和蕾鈴數均沒有顯著的影響。施加生物質炭對棉花產量有顯著的增產效果，C0、C1、C2處理間差異顯著，C2施用量棉花單株產量最高，C2H0、C2H1、C2H2、C2H3棉花單株產量分別為32.24、34.22、32.33和35.75 g。

2.2 生物質炭對棉花地上部Cd富集的影響

2.2.1 生物質炭施入對Cd富集的差異性比較 由表4、表5和表6可以看出，隨著向土壤中施入重金屬Cd的質量分數越多，棉花地上部分各器官對重金屬的吸收越多，且棉花葉片中的Cd質量分數最高，莖稈、蕾鈴質量分數較低；在C0H3處理下，棉花葉片中的Cd質量分數在其生育期90 d達到最大為0.799 2 mg·kg-1，莖在120 d達到最大為0.083 9 mg·kg-1，蕾鈴與莖、葉相比Cd質量分數最低，在90 d達到最大為 0.066 0 mg·kg-1。施入生物質炭可以明顯地減少棉花地上部各器官對重金屬Cd的富集，在H0水平下，與對照相比，生物質炭的施入對棉花地上部各器官中Cd的積累沒有顯著影響；H1、H2水平下， 在90、120和150 d時生物質炭處理C1、C2對棉花地上部器官中Cd的積累較對照顯著降低(P<0.05)，H3水平下，生物質炭的添加在各生育時期均顯著低于對照C0。施入生物質炭能夠降低棉花地上部各器官Cd的質量分數，即生物質炭可以通過吸附土壤中的重金屬Cd，降低重金屬的生物有效性，從而減少棉花對 Cd 的吸收[31]。在時間尺度上則表現出未添加生物質炭處理隨著生育期延續，棉花葉片、莖稈、蕾鈴Cd質量分數呈現略微增加的趨勢，施入生物質炭處理C1、C2均表現出生育后期低于生育前期，且隨著Cd污染濃度的增大，生物質炭對地上部各器官Cd質量分數的降低幅度也越大。

表3 生物質炭處理下不同Cd污染水平的棉花產量及構成因子Table 3 Cotton yield composition factors of different Cd pollution levels under treatment of different biomass charcoal

表4 生物質炭處理下不同Cd污染水平的棉花葉片Cd富集Table 4 Cd enrichment of cotton leaves with different Cd pollution levels under biochar treatment mg·kg-1

表5 生物質炭處理下不同Cd污染水平的棉花莖Cd富集Table 5 Cd enrichment of cotton stems with different Cd pollution levels under biochar treatment mg·kg-1

表6 生物質炭處理下不同Cd污染水平的棉花蕾鈴Cd富集Table 6 Cotton bud bell Cd enrichment with different Cd pollution levels under biochar treatment mg·kg-1

2.2.2 棉花地上部器官重金屬Cd的分配系數 Cd的分配系數是隨作物發育進程變化的一個動態參數，能夠精確表征Cd向莖、葉和儲存器官的積累與分配規律。通過圖2、圖3、圖4和圖5可以看出棉花葉片中Cd的分配系數最高，莖中Cd的分配系數次之，蕾鈴中Cd的分配系數最小。生物質炭的施加對棉花地上部分各器官Cd的分配系數沒有顯著影響， 如C2H2處理下，棉花生育期150 d葉片的分配系數為0.869 1，較對照C0H2差異不顯著。生物質炭施入對棉花葉片和蕾鈴的分配系數有略微下降趨勢，而莖稈的分配系數有略微的提高，隨著Cd質量分數的增大，莖稈和蕾鈴的Cd分配系數在減小，而葉片的Cd分配系數有增大趨勢，如棉花莖稈和蕾鈴在其生育期90 d時C0H3較C0H0 Cd分配系數分別降低了 63.5%和48.3%，葉片卻升高了11.78%。葉片的Cd分配系數隨著生育期的延長略微降低，而莖稈和蕾鈴卻有所提升，如棉花葉片的Cd分配系數在C0H3處理下由生育期60 d到生育末期150 d降低了1.3%，莖稈和蕾鈴升高了2.2%和 1.3%。Cd分配系數與地上部各器官Cd積累量和地上部總Cd積累量有關，這與Cd在植物體內的轉運機制有關[32]，而生物質炭施入對Cd的積累和分配并沒有直接影響。因此，棉花體內各器官Cd的運輸與積累等生理過程并不因為加入生物質炭而發生改變。

圖2 棉花生育期60 d時Cd的分配系數Fig.2 Distribution coefficient of cadmium in cotton at 60 days of growing period

圖3 棉花生育期90 d時Cd的分配系數Fig.3 Distribution coefficient of cadmium at 90 days of cotton growth period

3 討 論

3.1 生物質炭對Cd污染條件下棉花生長發育的影響

本研究通過生物質炭施入對棉花生長發育的影響發現，生物質炭的添加對棉花的生長發育有一定的促進作用，在未添加外源Cd污染H0水平下，培養90 d時，C2處理較對照C0株高、干物質量、單鈴質量、單株蕾鈴數和產量分別增加了 7.6%、 21.74%、13.04%、16.98%和32.24%；王欣欣等[33]在以竹材廢棄物為原料制成的生物質炭較對照顯著増加了水稻產量，李正東等[34]在麥田土壤中的研究也表明，6種生物質炭復合肥均顯著提高小麥產量，增幅達20.0%～35.4%。生物質炭的之所以對棉花的生長發育有促進作用，主要是因為生物質炭含有大量的有機質和一定量養分元素，施入土壤后不僅可以為作物生長發育提供養分，而且顯著促進了作物對氮、磷等元素的吸收[35]，從而通過協調土壤養分供應進而影響作物生長發育。本研究中重金屬Cd的添加對棉花生長發育和產量沒有顯著影響(P<0.05)，重金屬Cd為1 mg·kg-1和2 mg·kg-1時，對棉花的生長有稍微的促進作用，但是目前針對低濃度Cd對植物生長發育的促進作用的具體機理尚不清楚，可能是低濃度的Cd通過加速植物體內某些生理生化反應，進一步促進植物的生長發育[36]。有關研究[37-38]發現棉花生長發育最好的濃度是1 mg·kg-1，在高濃度(5 mg·kg-1和10 mg·kg-1)的情況下，生長狀況都要差于對照組，這說明低濃度的Cd對棉花的生長有促進作用，而高濃度的Cd對棉花的生長有抑制作用；本研究發現生育初期30 d時，棉花株高由C0H0的10.306 7 cm 到高濃度Cd處理C0H3的9.306 67 cm，降低了10.75%，高濃度Cd對棉花的株高有一定的抑制作用，但是隨著生育期的延長，到120 d，株高由C0H0的55.675 cm 到C0H3的55.675 cm，前后基本沒有變化，說明這種抑制作用逐漸減弱。陳悅等[39]在研究Cd污染條件下發現高濃度Cd 對棉花生長發育的影響主要表現在生育前期，到生育后期影響較小，與本研究結果一致。這可能是因為生育前期，幼苗對Cd的適應能力弱，Cd的濃度過高，對棉花有一定毒害作用，隨著生育的延長，棉花對 Cd 的適應能力增強，對棉花的影響減小，所以影響不顯著，但是高濃度Cd處理下棉花在生育前期受到比較嚴重的損壞，影響同化產物和養分的運輸，抑制棉花發育，使得棉花鈴質量、單株鈴數和產量稍微有些下降[40-41]。

圖4 棉花生育期120 d時Cd的分配系數Fig.4 Distribution coefficient of cadmium at 120 days of cotton growth period

圖5 棉花生育期150 d時Cd的分配系數Fig.5 Distribution coefficient of cadmium at 150 days of cotton growth period

3.2 生物質炭對棉花地上部Cd富集的影響

3.2.1 生物質炭施入對Cd富集的差異性比較 重金屬脅迫下植物的生長和生理特性會受到明顯影響，施用土壤改良劑能夠有效的減輕重金屬對植物的毒害作用，促進植物的生長發育[42]。本研究中，重金屬Cd在棉花地上部各器官的富集情況為棉花葉片中的Cd質量分數最高，莖稈、蕾鈴質量分數較低，這與任秀娟等[43]研究的結果一致。葉片中累積的Cd最高，可能是由于葉片葉柄屬于維管束組織，在維管束中有載體蛋白的存在，如螯合蛋白[44]，可以與Cd形成復合物來減輕傷害，進而阻止Cd向其他部位轉運，所以棉花營養器官葉片Cd積累量遠高于莖稈和蕾鈴[45]。在相同Cd水平下， 施入生物質炭對棉花地上部各器官Cd的富集明顯降低，且隨著棉花生育時期的延長，棉花地上部分各器官的Cd的富集明顯降低，這與劉阿梅等[46]在研究Cd脅迫下施用不同處理的生物質炭能夠吸附降解蔬菜中重金屬Cd的積累、提高蔬菜產量結果一致；另有研究表明生物質炭在1%、2% 以及 4% 的施用量下，土壤可交換態Cd降低了28.5%～59.4%，對水稻Cd積累量的降幅為 2.7%～23.8%[47]，這些都說明生物質炭能夠通過表面陽離子的交換、官能團絡合作用、增加土壤 pH 以及碳酸鹽、磷酸鹽等無機鹽質量分數從而與土壤中的重金屬離子進行結合、吸附、沉淀，最后減少植物對重金屬Cd的吸收[48-52]。

3.2.2 分配系數 分配系數體現了重金屬總量在地上部各個器官中的分配情況，是評估植物重金屬積累和富集情況的重要指標，本研究發現不同地上部各器官Cd分配系數與積累Cd質量分數順序是一致的，葉片分配系數遠高于莖稈和蕾鈴。有研究表明，重金屬Cd在水稻、小麥根系周圍質量分數較多[53]，但是，對有些雙子葉植物而言，在營養生長旺盛的部位(綠葉)往往Cd質量分數較高，而營養物質的貯存器官(根系、蕾鈴等) Cd質量分數較低，如棉花葉的Cd質量分數較根系高[45]，這可能與Cd在棉花中的存在形態和運輸機制有關。隨著Cd濃度的增大，莖稈和蕾鈴的Cd分配系數在減小，而葉片的Cd分配系數有增大趨勢，但是葉片的Cd分配系數隨著生育期的延長略微降低，而莖稈和蕾鈴卻有所提高，這可能是因為隨著生育期的延長，棉花的生長發育由的營養生長向生殖生長轉化，Cd也會隨著各類載體向生長旺盛的地方進行少量轉移[54]。生物質炭對棉花地上部各器官 Cd 的分配系數影響不顯著，隨著生育期的延長，各器官Cd的分配系數無顯著差異，但是整體有稍微的上升趨勢。赫天一[55]研究發現生物質炭對棉花各個器官的Cd分配系數沒有顯著影響。Cd在地上部分各器官累積分配是一個很復雜的過程[56]，大量研究表明，植物主要通過與細胞壁的結合、液泡的區域化以及與某些有機物的螯合等途徑積累Cd，進行自我解毒作用[57]，而有研究發現Cd在植物體內的分配累積主要表現在兩個方面：首先從細胞水平來講，Cd在植物體內的積累過程主要是在液泡及質外體中；從組織水平上講，此過程表現為Cd在植物的表皮細胞以及亞表皮細胞中累積分配[58]，而跟是否添加生物質炭沒有直接的關系。

4 結 論

生物質炭對棉花的株高、干物質積累、單鈴質量、蕾鈴數和棉花產量有顯著的促進作用，且施入3%較1.5%促進作用更明顯。

土壤中Cd(小于等于4 mg·kg-1)對棉花的干物質積累、鈴質量、鈴數和單株產量的影響均不顯著(P>0.05)；重金屬Cd在棉花地上部各器官的富集情況為棉花葉片>莖>蕾鈴，施入生物質炭對棉花地上部各器官Cd的富集明顯降低，時間尺度上表現出生育前期降幅較快，后期趨于 穩定。

施入生物質炭對棉花地上部各器官Cd的分配系數影響不顯著，各生育時期分配系數差異也不大。