生物炭復配調(diào)理劑對鎘污染土壤性狀和小白菜鎘吸收及其生理特性的影響

金睿 劉可星 艾紹英 李林峰 唐明燈 王艷紅 李超 寧建鳳

摘要：【目的】研究生物炭復配調(diào)理劑（由生物炭與泥炭、石灰混合配制而成）修復中輕度鎘（Cd）污染農(nóng)田土壤的可行性，為其在中輕度Cd污染農(nóng)田土壤上的應用提供科學依據(jù)?！痉椒ā吭诰W(wǎng)室進行生物炭復配調(diào)理劑的盆栽試驗，設4個不同的用量梯度，分別為0（對照）、80、160、240 g/盆，分別用H0、H1、H2和H3表示，每盆用土4 kg，每處理4次重復，研究不同生物炭復配調(diào)理劑用量對土壤性狀、小白菜Cd吸收及其生理特性的影響?！窘Y果】生物炭復配調(diào)理劑能顯著提高土壤pH、土壤微生物氮（MBN）含量和脲酶活性（P<0.05，下同），同時顯著降低土壤有效態(tài)Cd（DTPA-Cd）（最大降幅37.1%）、微生物碳（MBC）含量和酸性磷酸酶活性。生物炭復配調(diào)理劑能有效降低小白菜Cd吸收量（最大降幅85.7%），小白菜細胞中丙二醛（MDA）含量及超氧化歧酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）活性等抗逆性指標明顯下降，同時小白菜Cd含量可降至0.10 mg/kg，符合食品安全標準；低用量（2%）的生物炭復配調(diào)理劑可使小白菜增產(chǎn)，高用量則不利于小白菜生長?！窘Y論】生物炭復配調(diào)理劑可有效鈍化土壤重金屬Cd，改善土壤生化性狀，顯著減少小白菜對Cd的吸收，可應用于中低Cd污染農(nóng)田土壤的修復，其最佳施用量宜為20～40 g/kg。

關鍵詞： 生物炭；鎘脅迫；微生物碳/氮；抗氧化酶

中圖分類號： S156.2 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1191（2016）09-1480-08

Abstract：【Objective】The present study was conducted to study the feasibility of utilization of biochar complex conditioner （biochar， peat and lime） in repairing light cadmium（Cd） contaminated farmland soil， in order to provide a scientific basis for its utilization on light Cd contaminated farmland. 【Method】A pot experiment was carried out in net house to investigate effects of biochar complex conditioner. Four treatments namely four dosage of biochar complex conditioner including 0（CK）， 80， 160 and 240 g/pot were applied in this experiment. The four treatments were indicated as H0， H1， H2 and H3 respectively. Each treatment had one pot fitted with 4 kg soil and was repeated four times in a bid to study effects of different-proportion biochar complex conditioners on soil characteristics， Cd uptake of Brassica chinensis and physiological parameters. 【Result】Biochar complex conditioner significantly improved soil pH， microbial nitrogen（MBN） content and urease activity（P<0.05， the same below）， and reduced soil available Cd concentration（up to 37.1%）， soil microbial carbon（MBC） content and acid phosphatase activity. In addition， biochar complex conditioner reduced Cd concentration（up to 85.7%）， malondialdehyde（MDA） accumulation as well as activity of superoxide dismutase（SOD）， catalase（CAT）， peroxidase（POD） activity in plant of B. chinensis. Cd content of B. chinensis was down to 0.10 mg/kg， which met food safety standards. It was found that low dosage（2%） of biochar complex conditioner can increase yield of B. chinensis while high dosage had negative effect. 【Conclusion】Biochar complex conditioner is effective in reducing soil Cd activity and improving soil conditions as well as inhibiting Cd uptake of plant. It means that biochar complex conditioner can be applied to remediation of Cd contaminated soil and the most appropriate dosage is 20-40 g/kg.

Key words： biochar； cadmium stress； microbial carbon（MBC）/microbial nitrogen（MBN）； antioxidant enzyme

0 引言

【研究意義】2014年，國家環(huán)保部與國土資源部聯(lián)合發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報（2014）》顯示，全國土壤總的點位超標率為16.1%，其中鎘（Cd）、汞、砷、銅、鉛、鉻、鋅、鎳8種無機污染物點位超標率分別為7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%和4.8%，其中Cd超標率最高。Cd在土壤—作物系統(tǒng)中的遷移性很強，易在作物體內(nèi)富集，并通過食物鏈威脅人類健康。據(jù)報道，我國受Cd污染的耕地面積接近1.33萬ha，造成糧食減產(chǎn)1000多萬t，受污染糧食多達1200多萬t，合計經(jīng)濟損失至少200億元（章家恩，2007）。因此，選取合適方法修復土壤Cd污染，可降低土壤Cd生物有效性，恢復其正常的農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)價值，使農(nóng)產(chǎn)品達到國家食品衛(wèi)生標準要求；同時可促進對有限耕地資源的高效利用，緩解人口增長與耕地減少的矛盾，有利于社會穩(wěn)定發(fā)展。調(diào)理劑修復Cd污染土壤作為一種常見的土壤重金屬修復方式，具有成本低廉、操作簡單、見效迅速等特點，且對土壤正常生產(chǎn)影響較??；也是重金屬污染土壤修復技術的一個研究熱點?！厩叭搜芯窟M展】近年來，泥炭、石灰等土壤調(diào)理劑被廣泛應用于土壤重金屬修復。蘇天明等（2008）研究證實泥炭可促進重金屬有機結合態(tài)的形成，減少菜心的Cd含量；石灰能顯著提高土壤pH，同時Ca2+與Cd2+半徑相接近，能與土壤中的Cd2+競爭作物根系的吸收點位，從而減少小白菜對Cd2+的吸收和運輸（閔海麗等，2012）；郭利敏等（2010）研究發(fā)現(xiàn)，單施石灰可顯著降低土壤有效態(tài)Cd（DTPA-Cd），減少小白菜對Cd的吸收。長期施用泥炭或石灰均會給土壤帶來不利影響，泥炭的礦化分解會使土壤中的有機酸含量上升，導致土壤DTPA-Cd含量增加（Iksong Ham et al.，2009），長期施用石灰則容易引起土壤板結（李有兵等，2015）。生物炭是一種由生物殘體在高溫厭氧條件下產(chǎn)生的難溶且具有穩(wěn)定物理化學性質(zhì)的新型材料，已被廣泛應用于多個領域，其中包括土壤重金屬污染修復方面。Jiang等（2012）在酸性土壤中添加秸稈生物炭，發(fā)現(xiàn)隨著生物炭用量的增加，土壤淋洗液中的Cd2+和Pb2+濃度分別減少19.7%～100.0%和18.8%～77.0%；Beesley等（2010）通過污染土培試驗，發(fā)現(xiàn)生物炭可使土壤間隙水的Cd濃度減少10倍，有效降低Cd的生物有效性。此外，生物炭還為土壤微生物生長提供更多載體（Chen et al.，2012），有利于微生物數(shù)量和活性的增加（Anderson et al.，2014）?！颈狙芯壳腥朦c】目前，關于生物炭在土壤重金屬污染修復的研究多集中于生物炭的單獨施用，將生物炭與其他土壤重金屬修復技術（如添加土壤調(diào)理劑）相結合的研究較少。【擬解決的關鍵問題】采用生物炭復配調(diào)理劑進行盆栽試驗，分析生物炭復配調(diào)理劑對土壤性狀及小白菜生理特性的影響，為其在重金屬污染土壤修復中的應用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1. 1 試驗材料

供試植物：小白菜（Brassica chinensis），購自廣州市廣東省農(nóng)業(yè)科學院種子市場。供試土壤：取自汕頭市郊一塊Cd污染農(nóng)田，通過外源添加CdCl2并充分老化，使土壤的Cd濃度滿足試驗需要。供試土壤的基本理化性狀如下：pH 6.00，有機質(zhì)含量26.40 g/kg，全氮含量1.46 g/kg，全Cd含量3.57 mg/kg，土壤有效態(tài)Cd 2.410 mg/kg。生物炭購自河南商丘三利公司，其原材料為花生殼，熱解溫度500 ℃，基本性狀詳見表1。泥炭購自新疆雙龍腐植酸有限公司，其有機碳含量424.00 g/kg，全Cd含量0.046 mg/kg。石灰購自廣州建材市場，pH 9.76，全Cd未檢出。

1. 2 試驗設計

試驗于2015年10～12月在廣東省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所網(wǎng)室進行。根據(jù)本研究前期試驗（王艷紅等，2013）及預實驗結果，將生物炭、泥炭、石灰等3種材料按照6∶5∶1的質(zhì)量比混勻，制成生物炭復配調(diào)理劑；每個盆栽用土4 kg，生物炭復配調(diào)理劑的用量分別為0（對照）、80、160、240 g，對應4個處理分別用H0、H1、H2和H3表示，每處理4次重復。供試土壤與生物炭復配調(diào)理劑混勻后裝盆，加水至田間持水量的70%左右，平衡3 d后直播小白菜種子，15 d后定苗，每盆3穴，每穴3棵。試驗期間根據(jù)天氣和作物生長情況適當澆水，按N 0.20 g/kg、P2O5 0.08 g/kg和K2O 0.16 g/kg的施肥量施用尿素、磷酸氫二銨和硫酸鉀。整個生育期追肥3次，先后按肥料總用量的30%、35%和35%溶于水后澆施。待蔬菜可上市后收割，同時采集盆栽土壤（部分保存于4 ℃的冰箱），以便進行各項指標的測定。

1. 3 測定項目及方法

植物樣品測定：小白菜的生物量采用直接稱重法、丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法、超氧化歧化酶（SOD）活性采用NBT光化學還原法、過氧化物酶（POD）活性采用愈創(chuàng)木酚法、過氧化氫酶（CAT）活性采用紫外吸收法（鄒琦，2000）、小白菜的Cd含量采用HNO3-HClO4消解—石墨爐原子吸收分光光度法進行測定。

土壤樣品測定：微生物碳、氮采用氯仿熏蒸—硫酸鉀浸提法（吳金水等，2006）、土壤有效態(tài)Cd采用DTPA浸提火焰原子吸收分光光度法、脲酶及酸性磷酸酶活性采用靛酚藍比色法和磷酸苯二鈉比色法（嚴昶升，1988）進行測定。

1. 4 統(tǒng)計分析

采用Excel 2010進行數(shù)據(jù)整理，使用SPSS 19.0進行統(tǒng)計分析（LSD法），使用Origin 9.1制圖。

2 結果與分析

2. 1 生物炭復配調(diào)理劑對土壤pH和DTPA-Cd的影響

從圖1-A可以看出，土壤pH隨著生物炭復配調(diào)理劑用量的增加而上升，并在H3處理達最高值，較對照上升3.35。各處理間土壤的pH差異顯著（P<0.05，下同），表明生物炭復配調(diào)理劑對土壤pH有很好的提升效果。從圖1-B可以看出，隨著生物炭復配調(diào)理劑用量的增加，土壤DTPA-Cd含量明顯下降，在H2處理達最佳鈍化效果，與對照相比下降37.1%；H1、H2和H3處理均顯著低于對照，但H3處理與H2處理的差異不顯著（P>0.05，下同）。

2. 2 生物炭復配調(diào)理劑對土壤酶活性及微生物碳氮的影響

2. 2. 1 對脲酶活性和酸性磷酸酶活性的影響 從圖2-A可以看出，土壤脲酶活性隨著生物炭復配調(diào)理劑用量的增加而明顯上升；對照的土壤脲酶活性較低，其他3個處理的土壤脲酶活性分別較對照提高了40%、200%和470%，且各處理間均達顯著差異水平。從圖2-B可以看出，各處理間土壤酸性磷酸酶活性的變化規(guī)律與脲酶活性相反，隨著生物炭復配調(diào)理劑用量的增加而逐漸下降，且各處理間均達顯著差異水平。

2. 2. 2 對土壤中微生物碳（MBC）和微生物氮（MBN）含量的影響 從圖3-A和圖3-B可看出，MBC含量隨著生物炭復配調(diào)理劑用量的增加而下降，并呈極顯著負相關（n=16，r=-0.941，P<0.01，下同），H1、H2和H3處理與對照相比分別下降36.6%、50.0%和76.7%，達顯著差異水平。MBN含量的變化規(guī)律與MBC相反，其與生物炭復配調(diào)理劑的用量呈極顯著正相關（n=16，r=0.838），H2和H3處理的MBN含量與對照相比分別提高9.5和24.9 mg/kg，達顯著差異水平。

2. 3 生物炭復配調(diào)理劑對小白菜生物量及其Cd含量的影響

2. 3. 1 對小白菜生物量的影響 從圖4-A可看出，H0～H3處理的小白菜生物量隨生物炭復配調(diào)理劑用量的增加呈先上升后下降的變化趨勢，其中H1處理的生物量最高，比對照提高38.8%，且差異顯著，H2和H3處理與對照相比無顯著差異。

2. 3. 2 對小白菜Cd含量的影響 從圖4-B可看出，H1、H2和H3處理小白菜的Cd含量均顯著低于對照，其中H2和H3處理的小白菜Cd含量分別為0.15和0.10 mg/kg，符合國家食品安全標準（GB 2762-2012）。

2. 4 生物炭復配調(diào)理劑對小白菜生理特性的影響

2. 4. 1 對MDA含量的影響 從圖5-A可以看出，各處理小白菜的MDA含量隨生物炭復配土壤調(diào)理劑用量的增加呈下降趨勢，其中，H3處理的MDA含量下降至0.37 μmol/gFW，比對照下降21.3%，且差異顯著。

2. 4. 2 對SOD活性的影響 從圖5-B可以看出，各處理小白菜的SOD活性隨生物炭復配土壤調(diào)理劑用量的增加呈下降趨勢，H1、H2和H3處理分別比對照下降20.0%、23.5%和41.7%，且差異顯著。

2. 4. 3 對POD活性的影響 從圖5-C可以看出，各處理小白菜的POD活性隨生物炭復配土壤調(diào)理劑用量的增加呈下降趨勢，其中，H1處理的POD活性比對照下降156.50 U/gFW（23.3%），且差異顯著；H2、H3與H1處理的POD活性差異不顯著。

2. 4. 4 對CAT活性的影響 從圖5-D可以看出，各處理小白菜的CAT活性與POD活性變化規(guī)律相似，均隨生物炭復配土壤調(diào)理劑用量的增加呈下降趨勢，其中，H1處理的CAT活性比對照下降2.51 U/gFW（13.5%），且差異顯著，H2處理比H1處理的CAT活性略有下降，H3處理比H2處理的CAT活性略有上升，但差異均不顯著。

2. 5 小白菜Cd、DTPA-Cd含量與其他因素的相關性分析

對小白菜Cd、DTPA-Cd含量分別與調(diào)理劑用量、小白菜生物量、SOD活性、CAT活性、POD活性、MDA含量、pH、土壤脲酶活性、酸性磷酸酶活性、MBC及MBN含量等指標進行相關性分析。從表2可看出，小白菜Cd含量與調(diào)理劑用量、pH、脲酶活性、MBN含量呈顯著（P<0.05，下同）或極顯著（P<0.01，下同）負相關，但與DTPA-Cd含量、SOD活性、CAT活性、POD活性、MDA含量、酸性磷酸酶活性、MBC含量呈顯著或極顯著正相關；DTPA-Cd與調(diào)理劑用量、pH、脲酶活性、MBN含量呈顯著或極顯著負相關，但與小白菜Cd含量、SOD活性、CAT活性、POD活性、MDA含量、土壤酸性磷酸酶活性、MBC呈顯著或極顯著正相關。

3 討論

本研究結果表明，隨著生物炭復配調(diào)理劑用量的增加，調(diào)理劑中的生物炭、泥炭、石灰等堿性材料使土壤的pH明顯上升，從而使土壤中陽離子與氫氧根離子的積增大，更容易形成Cd的碳酸鹽結合態(tài)、鐵錳結合態(tài)及氫氧化物沉淀，降低Cd在土壤中的有效性和遷移能力，與陳宏（2003）的研究結果一致。同時，生物炭和泥炭均含有大量的有機官能團（羰基、羥基和醌基），可提高土壤陽離子交換量（陳紅霞等，2011）；土壤陽離子交換量越大，對Cd2+的靜電吸附作用也越強（寧皎瑩等，2016），且活性官能團可與Cd2+發(fā)生絡合作用，形成有機結合態(tài)Cd，增加Cd2+的專性吸附，使其更多地被吸持在顆粒表面而存留在土壤中，起到降低Cd有效性的作用（陳同斌和陳志軍，2002）。此外，生物炭對Cd2+有吸附、固持作用（張振宇，2013），石灰中Ca2+的離子半徑與Cd2+相近，容易發(fā)生同晶代替作用（吳烈善等，2015）。這些因素均對生物炭復配調(diào)理劑鈍化土壤Cd起到重要作用，但生物炭、泥炭、石灰三者混合時，起主導作用的鈍化機理尚未明確，仍需進一步研究。

土壤DTPA-Cd的下降對土壤酶活性有顯著影響。土壤酶活性可反映土壤重金屬污染程度（和文祥等，2000），其中脲酶活性可作為評定土壤Cd污染和制定臨界含量的指標（華銀鋒和陸貽通，2003；陸文龍和李春月，2010）。孟慶峰等（2012）指出Cd對脲酶的活性有較大影響，兩者呈顯著負相關。在本研究中，脲酶的活性隨生物炭復配調(diào)理劑用量的增加而上升，與DTPA-Cd呈極顯著負相關（n=16， r=-0.728， P<0.01），各處理均達顯著差異水平，與上述研究結果一致。生物炭復配調(diào)理劑對土壤中的Cd起鈍化作用，減少重金屬對土壤微生物的脅迫，促進土壤微生物的生長和繁殖，增加體內(nèi)酶的合成與分泌，最終導致脲酶活性上升（于壽娜等，2008）。因此，脲酶活性的增強間接表明生物炭復配調(diào)理劑對土壤Cd有明顯的鈍化效果。也有學者提出，酸性磷酸酶的活性與鉛、鋅、銅、Cd的含量間存在顯著或極顯著相關（滕應等，2008）；崔紅標等（2011）利用納米羥基磷灰石修復土壤重金屬污染土壤，證實土壤中Cd與酸性磷酸酶的活性呈負相關。但本研究中的酸性磷酸酶活性卻與DTPA-Cd呈顯著正相關，可能與生物炭造成酸性磷酸酶的活性下降有關。趙軍等（2016）指出，生物炭會提高耕層土壤的水含率，使土壤的透氣性變差，進而造成土壤堿性磷酸酶活性下降；另一方面，酸性土壤環(huán)境更利于酸性磷酸酶的酶促反應，但土壤pH隨著生物炭復配調(diào)理劑用量的上升而上升，抑制了酸性磷酸酶的活性（戰(zhàn)厚強等，2015），也可能是磷酸酶活性下降所致。

土壤MBC和MBN作為土壤養(yǎng)分轉化的活性庫，可部分反映土壤微生物活動的強弱和養(yǎng)分轉化速率的快慢，是土壤微生物活動變化的靈敏指標之一。本研究中DTPA-Cd隨著調(diào)理劑用量的增加而下降，MBN含量則隨之上升，與王秀麗（2003）和陳承利（2006）的研究結果一致；MBC卻隨著調(diào)理劑用量上升而下降，二者呈負相關，與王秀麗（2003）和陳承利（2006）的研究結果不一致。黃超等（2011）指出，過量的生物炭會固定土壤中的低分子有機物質(zhì)，降低土壤的微生物碳含量，因此在其生物質(zhì)炭對黑麥草生長的影響試驗中，添加200 g/kg生物炭的處理出現(xiàn)MBC下降的結果；游東海（2012）研究指出，高用量的生物炭會降低土壤MBC含量的水平。本研究結果與上述結果一致，可能是土壤被氯仿熏蒸后釋放出來的小分子有機碳被生物炭吸持，因此出現(xiàn)測定的MBC偏小，且隨著生物炭復配調(diào)理劑用量的上升而下降。這部分研究結果還需進一步試驗證實。

植物在重金屬脅迫下其體內(nèi)的活性氧（ROS）會大量增加，導致代謝紊亂，植物體細胞出現(xiàn)脂質(zhì)過氧化損傷，產(chǎn)生大量的MDA。植株為防止脂質(zhì)過氧化損傷，體內(nèi)一些應對機制會被激活，通過加速生理生化活動，產(chǎn)生大量的代謝物與重金屬締結以達到解毒效果（雷冬梅等，2009），SOD、POD、CAT等各種抗氧化酶的活性會明顯提高，以保證植物體內(nèi)ROS產(chǎn)生和清除的動態(tài)平衡（王志坤等，2006；劉碩和周啟星，2008）。本研究中，生物炭復配調(diào)理劑對土壤中Cd的鈍化效應使土壤DTPA-Cd含量下降，植株遭受的Cd脅迫有所緩解，可減少小白菜細胞的脂化過氧化損傷，植株的MDA含量及SOD、CAT、POD活性均隨之下降。同時，生物炭復配調(diào)理劑中的石灰含有大量的Ca2+，可促進植物體合成氨基酸和多胺（Gao et al.，2011）；氨基酸和多胺等可直接清除ROS或通過調(diào)節(jié)植物體內(nèi)抗逆酶活性清除ROS，從而緩解滲透脅迫引起的膜脂過氧化（Fiscaletti et al.，2013），也可能是MDA含量及SOD、CAT、POD活性等指標下降所致。

本研究中，H1處理的小白菜生物量較對照明顯上升，除與Cd的鈍化效果有關外，也與土壤的保水性、透氣性等因素有關。王浩等（2015）研究表明，隨生物炭添加比例增加，土壤吸濕系數(shù)、凋萎濕度、田間持水量、飽和水含量、土壤毛管孔隙和總孔隙度呈增加趨勢；勾芒芒和屈忠義（2013）也指出添加生物炭可使土壤的毛細持水量增大，可促進番茄根系的發(fā)展和產(chǎn)量的提高。但本研究結果表明，隨著生物炭復配調(diào)理劑用量進一步增加，小白菜的生物量反而下降，可能是土壤養(yǎng)分變化所導致。李昌見等（2014）指出土壤中堿解氮、速效鉀、速效磷含量均隨生物炭施用量的增加而呈先增大后減小的趨勢，故本研究中的H2和H3處理的土壤養(yǎng)分可能因為生物炭復配調(diào)理劑添加量過高而導致養(yǎng)分下降，進而導致生物量下降。

4 結論

生物炭復配調(diào)理劑可有效鈍化土壤重金屬Cd，改善土壤生化性狀，顯著減少小白菜對Cd的吸收，可應用于中低Cd污染農(nóng)田土壤的修復，其最佳施用量宜為20～40 g/kg。

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（責任編輯 鄧慧靈）