施用秸稈炭對黃壤上小白菜生長及鎘吸收的影響

王 芳，劉林峰，冉秋霞，楊金禮，羅 洋

(1.貴州師范學院 地理與資源學院，貴州 貴陽 550018； 2.曲靖師范學院 物理與電子工程學院，云南 曲靖 655011)

1 引言

近年來由于礦業開采、汽車尾氣排放、農藥化肥濫用以及污水灌溉等，使得大量鎘等有害重金屬不斷進入到農業生產環境中，對農作物造成了不同程度的污染[1]。我國土壤鎘污染形勢日漸嚴峻，目前我國耕地被鎘污染的已超過13萬km2，其中包含11個省市，25個地區[2]，污染范圍逐漸擴大，對人們賴以生存的生態環境構成了巨大的威脅。根據調查得知，西南地區是重金屬污染最嚴重地區之一，其中鎘污染物從東北到西南呈逐漸升高的地理分布態勢[3]。重金屬鎘是“五毒”元素之一，具有很強的毒性、不可逆性和遷移性，因此鎘極易被作物吸收富集[4]。鎘是人體非必需的微量元素，具有較強的致癌、致畸及致突變作用，當農作物在鎘污染土壤上進行種植時，會導致鎘在農作物體內累積，一旦被動物或人類食用，可能會通過食物鏈的方式進入人體，對人體健康造成極大危害[5]。

生物炭能改善土壤的理化性質與微生態環境，使其降低重金屬在土壤中的活性以及有效含量，從而減少重金屬對作物生長發育的影響[6]。秸稈炭是一種生物質炭，具有孔隙結構發達、吸附性強、透氣性好、比表面積大等特點，在控制污染及重金屬修復等方面均有良好的應用前景[7]。通過添加水稻秸稈炭開展對玉米植株鎘累積的影響，結果表明：施用秸稈炭能有效的減少鎘的生物可利用態含量，降低了玉米植株中的生物有效性，從而減小玉米植株對重金屬Cd的富集，抑制植株根部Cd向地上部分的轉運[8]；通過添加秸稈炭對水稻植株中鎘遷移累積的影響，結果表明：施用秸稈炭能使土壤中酸溶態鎘向還原態轉化，從而降低鎘的生物有效性，減少了鎘在水稻中的累積[9]。

據全國土壤重金屬調查顯示，鎘在貴州土壤中的平均值高達0.659 mg/kg，明顯超出對農業生產用地的標準，使食品安全問題受到威脅[10]。有研究結果表明：鎘是貴州省土壤中主要污染物之一，其單因子污染指數達到了4.05，說明貴州省屬于鎘的重污染區[11]。黃壤是貴州省面積最大的土壤類型，占全省土壤總面積的46.4%，大多分布貴州中部和北部。開展黃壤重金屬鎘污染的治理工作對貴州省糧食、蔬菜、水果等作物的安全生產和人民身體健康具有重要意義。因此，本研究以黃壤為供試土壤，用貴州本地產出較多的農業廢棄物水稻秸稈和辣椒秸稈制備生物炭，開展盆栽試驗，通過測定模擬鎘污染黃壤上小白菜的株高、生物量和鎘含量等數據，探討秸稈炭對鎘污染黃壤上小白菜生長及鎘吸收的影響，為貴州鎘污染黃壤的修復工作和農作物的安全生產提供參考。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

供試土壤：采自貴陽市烏當區貴州師范學院對面的空地農田0～20 cm表土層，土壤類型為黃壤。用“S”型多點取樣法進行取樣，將土壤用編織袋裝好后帶回實驗室陽臺自然風干，并挑出其中的石塊和木棍等雜物，用研缽磨細過2 mm尼龍篩，裝入自封袋備用。

供試植物：小白菜(學名：普通白菜)，拉丁學名：BrassicacampestrisL. ssp. ，別稱：青菜、瓢兒菜。具有抗病、抗濕和耐熱等品質，網上購買。

供試秸稈炭：采集于貴州省豐富而廉價的水稻和辣椒秸稈，自然晾干后用粉碎機粉碎。再于實驗室控溫馬弗爐中限氧熱解，將溫度升至400 ℃度時保持2 h，冷卻后用鉗子取出瓷坩堝，用研缽磨細，過100目尼龍篩，編號裝袋備用。秸稈中未檢測出重金屬鎘。

2.2 試驗設計

試驗在貴州師范學院溫室大棚進行。采集未受鎘污染的清潔黃壤，通過添加CdCl2溶液的形式制備模擬污染土壤。試驗共設計5個處理，具體情況見表1。

將制備好的模擬污染土壤裝入圓形塑料盆中，每盆裝土1.8 kg，室溫下平衡7 d后，水稻和辣椒秸稈炭按比例與模擬鎘污染土充分混勻，每個處理重復3次。將小白菜種子(25粒)均勻播種在每個盆中并覆土，15 d后即小白菜生長至兩片真葉時間苗，在盆栽中挑選12株長勢較均勻的小白菜作為試驗對象。在植株生長期間澆去離子水，并注意觀察生長情況，定期除去雜草。在平衡至收獲期間均保持土壤的水分為田間持水量的70%，且不添加任何肥料。

盆栽試驗進行44 d后收獲，對地上部植株進行采集，用自來水洗去粉塵雜質和蒸餾水潤洗3次，晾干后對植株的株高及鮮重進行測量。再于105 ℃下殺青30 min，80 ℃下烘干至恒重，用研缽磨細，過100目尼龍篩，裝袋備用。植株收獲后用不銹鋼土鉆取200 g土壤樣品，自然風干后，以四分法取60 g土壤，研缽磨細，過100目尼龍篩，裝入自封袋備用。其中原始土壤鎘含量為0.03 mg/kg；pH值為7.20；有機質含量為38.42 g/kg。

2.3 測定項目及方法

土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定；土壤pH值采用去離子水浸提(土水比1∶2.5)，精密pH計(雷茲PHS-3C)測定；上述指標具體測定步驟均參考文獻鮑士旦中的方法[12]。

小白菜地上部Cd含量采用HNO3-HClO4體系消解，土壤全Cd含量采用HCl：HNO3(4∶1)的混合酸液消煮，利用原子吸收光譜儀法測定鎘含量。測試過程均設置空白對照，實驗所用試劑均為優級純。

2.4 數據分析

本試驗通過Microsoft Excel 2010和IBM SPSS Statistics 22.0軟件進行數據整理及計算，單因素方差分析顯著性水平設置為P<0.05。

3 結果與分析

3.1 秸稈炭施用對土壤pH的影響

在水稻秸稈炭處理組中，土壤pH值隨著添加量的增多與對照相比分別增加了0.09、0.22個單位，達到顯著水平(P<0.05)(圖1)。在辣椒秸稈炭處理組中，土壤pH值也隨著添加量的增多而增加，與對照相比分別增加了0.12和0.29個單位，達到顯著水平(P<0.05)。在0.5%的添加量條件下，水稻和辣椒秸稈炭之間無顯著差異。在2.5%的添加量條件下，辣椒秸稈炭處理組土壤pH值比水稻秸稈炭顯著增加了0.07個單位。

圖1 不同處理的土壤pH值

3.2 秸稈炭施用對土壤有機質含量的影響

在水稻秸稈炭處理組中，土壤的有機質含量隨著添加量的增多與對照相比分別增加41.41%和64.19%，在0.5%～2.5%用量范圍內均達顯著水平(P<0.05)(圖2)。在辣椒秸稈炭處理組中，土壤有機質含量隨著添加量的增多與對照相比分別增加了38.14%和53.49%，在0.5%和2.5%處理水平上達顯著水平(P<0.05)，土壤有機質含量隨秸稈炭施用量的增加而顯著增加。在兩種秸稈炭的0.5%水平中，土壤有機質并無顯著差異。而在兩種秸稈炭的2.5%水平中，水稻秸稈炭比辣椒秸稈炭顯著增加了29.87%(P<0.05)。

圖2 不同處理的土壤有機質含量

3.3 秸稈炭施用對小白菜生長的影響

從圖3得知，在水稻秸稈炭處理組中，小白菜的株高隨著添加量的增多與CK(14.17 cm)相比分別增加26.00%和33.22%，在0.5%和2.5%兩個用量水平下均呈升高趨勢(P<0.05)。小白菜地上部鮮重隨著添加量的增多與對照(5.64 g)相比分別是對照組的4.95和6.66倍，統計結果顯示與對照相比均達顯著水平。在辣椒秸稈炭處理組中，小白菜的株高隨著添加量的增多與對照相比分別顯著增加了31.08%和35.06%，地上部鮮重分別是對照組的5.47和7.17倍。但同一用量水平下，水稻和辣椒兩種秸稈炭處理之間的小白菜的生長情況無顯著性差異。

圖3 不同處理的小白菜生長情況

3.4 秸稈炭施用對小白菜鎘含量的影響

由圖4可知，小白菜在施用秸稈炭的鎘污染黃壤上生長44 d后，其地上部鎘含量隨著秸稈炭的施用量增加有著不同程度的降低。在水稻秸稈炭處理組中，小白菜地上部鎘含量隨著添加量的增多與對照相比分別降低了15.67%和23.92%，達顯著水平(P<0.05)。在辣椒秸稈炭處理組中，小白菜地上部鎘含量隨著添加量的增多與對照相比分別降低了15.88%和21.65%(P<0.05)。在鎘污染土壤上水稻和辣椒秸稈炭都隨施用量的增加而顯著降低鎘含量，但兩者在同一施用量時的鎘含量降低程度無明顯差異。

圖4 不同處理的小白菜鎘含量

4 討論

通過試驗結果得知，兩種秸稈炭的施用顯著升高了土壤pH值，并且均隨添加量的增多而升高。原因是生物炭本身含有一定量的堿性物質，同時生物炭中的鉀、鈉、鎂等鹽基離子降低了土壤的交換性鋁離子水平，使得土壤pH值提高[13]。此外，本試驗施用了水稻秸稈炭和辣椒秸稈炭，兩種秸稈炭均提高了土壤有機質含量，且都隨添加量的增多而增加。可能是秸稈中的有機物質在缺氧狀態下，對其有控制的進行高溫分解，所制得的炭具有一定的養分含量及穩定性，在一定程度上能促進土壤對養分的吸收[14，15]。不同秸稈炭對土壤pH值和有機質的響應不同[16]，本試驗中主要用了水稻和辣椒秸稈炭，在施用量為2.5%時，土壤pH值和有機質在兩種秸稈炭之間均有顯著性差異，其他指標無明顯區別。可能是由于秸稈炭的鈍化作用除了與土壤中鎘濃度有關外，還受環境和污染類型等因素的影響[17]。

在本研究中，兩種秸稈炭的施入均促進了小白菜生長，可能是因為一方面秸稈炭提高了土壤有機質含量及pH值、增加了土壤肥力、改善了土壤通氣性等理化性質，從而促進作物生長[18]。另一方面秸稈炭能與土壤中的微生物、無機和有機組分之間相互作用，在秸稈炭表面形成有機-礦質-生物覆膜，增加秸稈炭表面官能團數量，加快秸稈炭對重金屬鎘的鈍化，降低了鎘對作物的危害[19]。水稻秸稈炭和辣椒秸稈炭的施用均降低了小白菜地上部的鎘含量，原因可能是秸稈炭能夠與土壤中鎘發生絡合、吸附、離子交換等一系列反應，從而減少鎘在植物中的遷移，降低了鎘在作物的富集[20]。土壤pH值的升高降低了鎘在植株中的移動性，減少植株根系對鎘的吸收，因此降低了重金屬鎘在植株中的有效含量[21]。

本研究通過向土壤中添加兩種類型不同用量的秸稈炭，開展了盆栽實驗，探索了不同類型秸稈炭及不同秸梯度處理中，對鎘污染黃壤上小白菜生長及鎘吸收的影響。從試驗結果來看有一定成效，但仍需從野外試驗、不同秸稈炭之間的配比、秸稈炭施用對微生物的影響、土壤鎘形態等方面開展進一步的探索，以多角度地評價其施用效果和解釋有關作用機制。

5 結論

(1)秸稈炭的施用明顯改善了土壤的理化性質，隨著秸稈炭施用量的增加，土壤pH值、有機質都有著不同程度的增加。

(2)施用一定量的秸稈炭能明顯促進小白菜的生長，當兩種秸稈炭在用量為0.5%和2.5%水平時，與對照相比極大提高了小白菜地上部鮮重。其中在水稻秸稈炭處理組中，地上部鮮重隨著添加量的增多與對照相比分別是對照組的4.95和6.66倍；在辣椒秸稈炭處理組中，地上部鮮重隨著添加量的增多與對照相比分別是對照組的5.47和7.17倍。

(3)秸稈炭施用明顯降低了小白菜地上部鎘含量。在水稻秸稈炭處理組中，鎘含量隨著添加量的增多與對照相比分別降低了15.67%和23.92%；在辣椒秸稈炭處理組中，鎘含量隨著炭添加量的增多與對照相比分別降低了15.88%和21.65%。