生物炭和豬糞肥對銅污染土壤中蕹菜生長及銅形態(tài)的影響

陳　璇，郭雄飛，陳桂葵，黎華壽*，賀鴻志（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部華南熱帶農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，廣州510642；2.廣東省現(xiàn)代生態(tài)農(nóng)業(yè)與循環(huán)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，廣州510642）

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生物炭和豬糞肥對銅污染土壤中蕹菜生長及銅形態(tài)的影響

陳璇1，2，郭雄飛1，2，陳桂葵1，2，黎華壽1，2*，賀鴻志1，2
（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部華南熱帶農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，廣州510642；2.廣東省現(xiàn)代生態(tài)農(nóng)業(yè)與循環(huán)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，廣州510642）

摘要：采用盆栽試驗研究了5%質(zhì)量的生物炭、5%豬糞肥單獨或聯(lián)合施用于外源Cu污染（0、200、400 mg·kg-1）土壤，對蕹菜生長和5種形態(tài)Cu含量（Tessier提取法）的影響。結(jié)果表明：在養(yǎng)分含量不高的Cu污染紅壤中，施用豬糞肥能夠顯著提高蕹菜生物量（平均比CK提高56.4%），并促進蕹菜對Cu的吸收和累積；施用生物炭能降低蕹菜含銅量（平均比CK降低21.1%）；單施豬糞肥或聯(lián)合施用（5%豬糞肥+5%生物炭）的蕹菜含銅量比對照（CK）分別增加了40.2%、31.7%（200 mg·kg-1）和27.5%、38.8%（400 mg·kg-1）；未添加外源Cu污染時，土壤中銅的有機結(jié)合態(tài)＞鐵錳氧化態(tài)＞碳酸鹽結(jié)合態(tài)＞可交換態(tài)；各形態(tài)Cu含量隨處理不同差異顯著，其中單施豬糞肥的土壤中可交換態(tài)和有機物結(jié)合態(tài)Cu、單施生物炭的土壤中有機物結(jié)合態(tài)Cu、二者混施的土壤中碳酸鹽結(jié)合態(tài)和有機物結(jié)合態(tài)Cu與其他形態(tài)Cu含量相比均有明顯增長的趨勢。聯(lián)合施用豬糞肥及生物炭處理的蕹菜生物量雖比單施豬糞肥的蕹菜生物量略有降低，但與單施豬糞肥相比，鈍化土壤重金屬的作用明顯。

關(guān)鍵詞：銅污染土壤；蕹菜；生物炭；銅污染豬糞肥；化學(xué)形態(tài)

陳璇，郭雄飛，陳桂葵,等.生物炭和豬糞肥對銅污染土壤中蕹菜生長及銅形態(tài)的影響［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2016, 35（5）：913-918.

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銅是一種金屬元素，同時也是大多數(shù)生物所必需的微量營養(yǎng)元素，但過量的銅會嚴重損害動植物的生長發(fā)育。如今，銅污染是土壤污染和影響食品安全的主要重金屬污染之一。畜牧業(yè)為了提高飼料的利用率，促進畜禽生長發(fā)育，增強其抗病能力，飼料中往往添加銅、鋅、有機砷等制劑和獸藥［1］。特別是大量重金屬的超量添加，不僅可能使畜禽產(chǎn)品的重金屬含量殘留超標［2］，而且因動物的吸收率較低，反而造成畜禽糞便中重金屬的含量隨添加量的增加而顯著增加［3］，Cu 和Zn的直接排泄量占畜禽攝食吸入總量的95%以上［4］。畜禽糞便作為農(nóng)作物肥料利用是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)和現(xiàn)代生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)資源化利用的主要方式之一，長期施用可能導(dǎo)致土壤中重金屬的累積以及作物中重金屬含量的增加［5］。有研究表明，生物炭作為一種吸附劑，不僅能提高土壤肥力，調(diào)節(jié)土壤的pH和水、肥、氣、熱狀況［6］，還能吸附和鈍化土壤重金屬［7］及農(nóng)藥殘留，提高作物品質(zhì)。此外，生物炭可以延緩肥料養(yǎng)分的釋放，提高肥料利用率，降低肥料淋失［8］。當(dāng)生物炭與有機肥混合施用時，肥料消除了生物炭養(yǎng)分低的缺陷，而生物炭賦予肥料養(yǎng)分緩釋性能的互補和協(xié)同作用。

蕹菜（Ipomoeaaquatica Forsk），又名通心菜、空心菜，為南方普遍栽培蔬菜，味道鮮美，營養(yǎng)豐富，是居民餐桌上的一道常見菜，深受大眾喜愛，但關(guān)于銅影響蕹菜生長的研究在國內(nèi)報道較少，有關(guān)生物炭與糞肥混合施用實現(xiàn)既促進蔬菜生長又控制銅污染的研究也鮮見報道。鑒于此，在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，以自制Cu污染土壤為研究對象，通過盆栽試驗，探討單施豬糞肥（5%）、單施生物炭（5%）及混施（豬糞肥5%+生物炭5%）對蕹菜生長及土壤中Cu形態(tài)的影響具有重要意義。

1　材料與方法

1.1試驗材料

試驗于2015年5月至7月在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)農(nóng)場（113°21′E，23°9′N）進行。供試蕹菜為泰國空心菜，土壤為華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)場的紅壤，豬糞肥選自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)養(yǎng)豬場，生物炭來自商丘市三利新能源有限公司。其基本理化性質(zhì)見表1。

表1　試驗材料的基本理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical characters of soil，pig manure and biochar used in experiment

1.2試驗方法

試驗設(shè)置4個處理，分別為CK（不施肥）、5%質(zhì)量的豬糞肥、5%質(zhì)量的生物炭、5%豬糞肥+5%生物炭配合施用。另外每個處理設(shè)置3個銅水平，分別為0、200、400 mg·kg-1（均按純銅計算），所加的銅為分析純CuSO4·5H2O。溫室栽培試驗溫度條件為25～30℃，相對濕度為80%～90%。3個重復(fù)，共36盆。

將風(fēng)干的土壤磨細過2 mm篩后裝入塑料盆內(nèi)（高20 cm，直徑25 cm），每盆裝土4 kg，用純凈水配制試劑（CuSO4·5H2O化學(xué)純），使化合物充分溶解后，按設(shè)計銅污染劑量將含銅藥液施入盆栽土壤，同時攪拌土壤使之混合均勻，置于溫室中保持田間持水量老化15 d，再將豬糞肥、生物炭等加入不同處理的盆中，以供種植蕹菜幼苗。

選擇飽滿健壯、大小一致的蕹菜種子，催芽浸種后播種在洗凈的沙中，當(dāng)幼苗子葉展開時，將長勢一致的蕹菜幼苗分別移入各塑料盆中，每盆3株，在自然光照條件下培養(yǎng)3個月，定時定量澆水，保證灌溉水不外流，同時采收期分為第一茬（0～30 d）、第二茬（31～60 d）和第三茬（61～90 d）。第一次采收留基部芽節(jié)2節(jié)，第二次采收留基部芽節(jié)1節(jié)，第三次采收整株地上部，測定所需指標。

1.3指標及其測定

1.3.1蕹菜生物量測定

樣品干重分為地上部和根系，在105℃下殺青30 min，然后于75℃下烘干至恒重，測定其干物質(zhì)質(zhì)量以計算生物量。

1.3.2蕹菜組織與土壤中Cu含量測定

將植物地上部及根系烘干磨細，準確稱取植物樣品地上部0.500 0 g、根系0.200 0 g分別放于三角瓶中，加入HNO3和HClO4之比為4：1的混合酸8 mL，浸泡過夜后，于電熱板上消煮，至溶液接近無色透明且無油層，定容至25 mL；準確稱取土壤樣0.250 0 g，加5 mL硝酸，5 mL高氯酸，3 mL氫氟酸，最后加2mL水，于電熱板上消煮，至溶液接近無色透明且無油層，定容至25 mL。以上樣品中銅含量用原子吸收分光光度計測定。

1.3.3土壤中Cu的形態(tài)測定

土壤重金屬Cu形態(tài)分級采用Tessier連續(xù)提取法［9］，共分為交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機結(jié)合態(tài)和殘余態(tài)5種組分，各形態(tài)Cu含量用原子吸收分光光度計測定。提取試劑依次為0.01 mol·L-1Mg（NO3）2、pH為5的1 mol·L-1NaOAc、0.2 mol·L-1（NH4）2C2O4+0.2 mol·L-1H2C2O4+0.1 mol·L-1抗壞血酸（pH=3.3）和30%H2O2（pH=2）。經(jīng)過上述提取過程剩余的殘渣，經(jīng)HCl-HClO4三酸微波消解后用于測定殘余態(tài)Cu的濃度（三酸添加量分別為5 mL、5 mL和2 mL）。

1.4統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)用Excel軟件（2013版）進行處理，利用SPSS17.0的單因素方差分析（One-way ANOVA）對每個測定項目統(tǒng)計結(jié)果進行顯著性方差分析。

2　結(jié)果與分析

2.1生物炭和豬糞肥施用對銅污染土壤中蕹菜生長的影響

圖1結(jié)果表明，5%豬糞肥單獨施用及5%豬糞肥+5%生物炭混合施用處理，其3次采集的蕹菜地上部及根系的干重均顯著高于5%生物炭單獨施用及對照處理組（P＜0.05），且隨著外源Cu濃度的增加，其處理間差異達顯著水平（P＜0.05）。此外，第三茬（61～90 d）采集的蕹菜地上部干重高于第二茬（31～60 d）與第一茬（0～30 d）。由此可知，5%豬糞肥+5%生物炭混合施用既能促進蕹菜生長，亦能一定程度上緩解高濃度Cu脅迫對蕹菜毒害。

圖1　生物炭和豬糞肥對銅污染土壤中蕹菜生長的影響Figure 1 Effects of biochar and pig manure on growth of I. aquatica in copper-polluted soil

2.2生物炭和豬糞肥施用對銅污染土壤中蕹菜含銅量的影響

由圖2可見，單施豬糞肥（5%）或者混施（豬糞肥5%+生物炭5%）明顯提高了植物中Cu含量。第一茬、第二茬及第三茬采收的蕹菜中，單施豬糞肥的蕹菜地上部含銅量隨著外源Cu濃度的增加與對照相比分別增加了46.1%（200 mg·kg-1）和22.4%（400 mg·kg-1）、42.8%（200 mg·kg-1）和43.5%（400 mg·kg-1）及31.8% （200 mg·kg-1）和16.5%（400 mg·kg-1）；混施的蕹菜地上部含銅量隨著外源Cu濃度的增加與對照相比分別增加了46.1%（200 mg·kg-1）和21.3%（400 mg·kg-1）、35.8%（200 mg·kg-1）和36.2%（400 mg·kg-1）及13.3% （200 mg·kg-1）和58.9%（400 mg·kg-1）；單施生物炭的蕹菜地上部含銅量與對照相比雖有所降低，但無顯著差異。

由圖3可知，隨著外源Cu濃度的增加，蕹菜根系的含銅量呈上升的趨勢，且單施豬糞肥的蕹菜根系含銅量與對照相比分別增加了31.3%（200 mg·kg-1）、37.6%（400 mg·kg-1）；混施的蕹菜根系含銅量與對照相比分別增加了7.0%（200 mg·kg-1）、23.7%（400 mg· kg-1）；單施生物炭的蕹菜根系與對照相比分別降低了18.4%（200 mg·kg-1）、4.3%（400 mg·kg-1）。

2.3生物炭和豬糞肥施用對土壤重金屬Cu形態(tài)的影響

由圖4可見，有機態(tài)是土壤Cu存在的最主要形態(tài)。

單施豬糞肥（5%）與CK相比，除鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Cu有隨外源Cu濃度增加而下降的趨勢外，交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、有機物結(jié)合態(tài)Cu均呈現(xiàn)隨外源Cu濃度增加而增加的趨勢，其中交換態(tài)Cu的增加最為明顯，其次是有機物結(jié)合態(tài)Cu和碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cu。

單施生物炭（5%）與CK相比，除有效態(tài)Cu和鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Cu無顯著變化外，碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cu呈現(xiàn)隨外源Cu濃度增加先上升后下降的趨勢，有機物結(jié)合態(tài)Cu隨外源Cu濃度增加而增加。

混施（豬糞肥5%+生物炭5%）與CK相比，除碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cu和有機物結(jié)合態(tài)Cu呈現(xiàn)出隨外源Cu濃度的增加而增加的趨勢外，可交換態(tài)Cu隨外源Cu濃度的增加分別比CK降低了8.9%（200 mg·kg-1）和29.9%（400 mg·kg-1）；鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Cu隨外源Cu濃度的增加分別比CK降低了5.6%（200 mg·kg-1）和20.5%（400 mg·kg-1）。

圖2　生物炭和豬糞肥對銅污染土壤中蕹菜地上部含銅量的影響Figure 2 Effects of biochar and pig manure on copper content of aboveground part of I. aquaticain copper-polluted soil

圖3　生物炭和豬糞肥對銅污染土壤中蕹菜根系含銅量的影響Figure 3 Effects of biochar and pig manure on copper content in roots of I. aquatica in copper-polluted soil

3　討論

3.1生物炭和豬糞肥施用對銅污染土壤中蕹菜生長的差異分析

由圖1可知，外源Cu濃度是影響蕹菜生物量的關(guān)鍵因素之一。外源Cu濃度越高，蕹菜生物量越小。同時可以看出，豬糞肥促進植物的生長，究其原因，可能是有機肥料含有植物生長需要的大量營養(yǎng)成分，而且這些養(yǎng)分的供給較平緩而持久；同時有機肥在土壤中分解，還轉(zhuǎn)化形成各種腐植酸物質(zhì)，能促進植物體內(nèi)的酶活性、物質(zhì)的合成、運輸和積累［10］。生物炭明顯抑制植物的生長，其原因可能是施加5%的生物炭導(dǎo)致土壤有效態(tài)養(yǎng)分因生物炭的吸附作用而下降，進而影響植物生長［11］；混施的蕹菜生物量比CK及單施生物炭的生物量大，比單施豬糞肥的生物量小。這可能是因為混施中的豬糞肥起到提高養(yǎng)分的作用［10］，而混施中的生物炭又起到抑制蕹菜生長的作用［11］。

3.2生物炭和豬糞肥施用對銅污染土壤中蕹菜含銅量影響的差異分析

試驗中豬糞肥的施入明顯提高了蕹菜的含銅量。分析原因認為，豬糞肥能提高植物的含銅量除其本身攜入一定的Cu直接污染土壤外，還通過改變土壤中重金屬的存在形態(tài)，增加土壤中有效態(tài)Cu含量，從而影響蕹菜對重金屬的吸收和積累［12］；生物炭不僅可以直接吸附固持土壤中的重金屬離子，而且能引起土壤pH升高，使得重金屬陽離子水解，形成重金屬氧化物沉淀，降低了土壤中有效態(tài)重金屬含量，達到抑制植物吸收重金屬的目的［13］。這與本試驗中生物炭的施入致使蕹菜含銅量比對照有所降低的結(jié)果一致。

圖4　生物炭和豬糞肥對土壤重金屬Cu形態(tài)的影響Figure 4 Variations of copper fractions in soil under different treatments

3.3生物炭和豬糞肥施用對土壤重金屬Cu形態(tài)影響的差異分析

本研究中，污染土壤中各形態(tài)銅因處理和時間的變化而差異顯著?？山粨Q態(tài)Cu因其在土壤中活性最高［14-15］，故最易于被植物吸收利用［16-17］。相比于對照，單施豬糞肥處理的土壤中可交換態(tài)Cu濃度明顯上升，有研究表明，豬糞可明顯提高土壤水溶性物質(zhì)（DOM）含量［18］，而DOM在土壤膠體表面的強競爭性吸附會引起重金屬離子解吸作用［19］，提高重金屬的溶解性［20］和浸提性［21］，導(dǎo)致可交換態(tài)Cu濃度增加，加重銅污染土壤的危害性。還有研究表明，Cu隨有機肥施入土壤后，優(yōu)先與有機物結(jié)合，表現(xiàn)了Cu與有機質(zhì)有較強的親和力和穩(wěn)定性［22］。這些都與本試驗中豬糞肥提高土壤交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、有機物結(jié)合態(tài)Cu結(jié)果一致。Ippolito等［23］認為生物炭對Cu的吸附主要以有機化合物形態(tài)存在或以碳酸鹽形態(tài)存在，本研究中，從圖2和圖3也可以看出，施加生物炭后土壤中碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cu和有機物結(jié)合態(tài)Cu有明顯的變化，且各形態(tài)Cu含量隨處理不同有所差異，其中單施豬糞肥可增加土壤中可交換態(tài)和有機物結(jié)合態(tài)Cu、單施生物炭可增加土壤中有機物結(jié)合態(tài)Cu、二者混施可增加土壤中碳酸鹽結(jié)合態(tài)和有機物結(jié)合態(tài)Cu。

4　結(jié)論

單施5%質(zhì)量的含銅豬糞肥促進蕹菜的生長且提高蕹菜的生物量，但同時帶來含銅量增長的負效應(yīng)。單施5%質(zhì)量的生物炭雖阻礙蕹菜對土壤有效態(tài)Cu的吸收，減少Cu的生物有效性，控制土壤環(huán)境中Cu向蕹菜的遷移，但卻會抑制蕹菜的生長。聯(lián)合施用（5%豬糞肥+5%生物炭）后的蕹菜與單施豬糞肥相比，能夠達到降低蕹菜含銅量的作用；與單施生物炭相比，能夠起到供應(yīng)養(yǎng)分的作用。

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中圖分類號：X71

文獻標志碼：A

文章編號：1672-2043（2016）05-0913-06

doi:10.11654/jaes.2016.05.014

收稿日期：2015-11-06

基金項目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目（2013AA102402）；國家自然科學(xué)基金項目（41271469）；廣東省科技計劃項目（2013B020303001，2015B090903077）

作者簡介：陳璇（1992—），女，碩士研究生，主要從事污染生態(tài)學(xué)研究。E-mail：877046204@qq.com

*通信作者：黎華壽E-mail：lihuashou@scau.edu.cn

Effects of biochar and pig manure on ipomoea aquatica forsk growth and copper forms in copper-polluted soil

CHEN Xuan1,2, GUO Xiong-fei1,2, CHEN Gui-kui1,2, LI Hua-shou1,2*, HE Hong-zhi1,2
（1.Key Laboratory of Agro-Environment in the Tropics, Ministry of Agriculture, P.R. China, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China; 2.Guangdong Engineering Research Center for Modern Eco-agriculture and Circular Agriculture, Guangzhou 510642, China）

Abstract：A pot-culture experiment was carried out to compare the effects of biochar, copper（Cu）-containing pig manure, and their mixture on Ipomoea aquatica growth as well as the changes of total copper and various chemical forms in soil. Five chemical fractions of copper in soil were analyzed with Tessier sequential extraction procedure. Results showed that applications of pig manure promoted plant growth, and Cu absorption and accumulation of I. aquatica. Compared with the control, biochar amendments remarkably reduced I. aquatica biomass and soil exchangeable Cu concentrations, but increased soil residual Cu content. In control soil（0 mg Cu·kg-1addition）, the percentages of various chemical forms of copper was organic＞Fe-Mn oxides-bound＞carbonate-bound＞exchangeable forms. Adding pig manure significantly increased exchangeable Cu and organic Cu, while biochar applications increased organic Cu form gradually. Applying mixture of biochar and pig manure increased carbonate-bound Cu and organic Cu. Although applications of biochar reduced the biomass of I. aquatica, but promoted Cu immobilization in soil.

Keywords：Cu-polluted soil; Ipomoeaaquatica Forsk; biochar; Cu-containing pig manure; chemical form