生物質炭、有機肥和鈣鎂磷肥對三七（Panax Notoginseng）Cd含量的影響

陳建清，郭棟，陳德，李戀卿*，潘根興

（1.南京農業(yè)大學農業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境研究所，南京210095；2.無限極（中國）公司，廣州510623）

生物質炭、有機肥和鈣鎂磷肥對三七（Panax Notoginseng）Cd含量的影響

陳建清1，郭棟2，陳德1，李戀卿1*，潘根興1

（1.南京農業(yè)大學農業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境研究所，南京210095；2.無限極（中國）公司，廣州510623）

選擇生物質炭、鈣鎂磷肥、有機肥三種改良劑，在云南三七主產區(qū)進行田間試驗，比較不同改良劑對降低五加科人參屬三七（Panax Notoginseng）Cd含量的效果。結果表明，生物質炭和鈣鎂磷肥處理均顯著降低了三七主根、剪口、莖、葉的Cd含量，降低幅度分別為25.4%～43.6%、40.2%～40.9%、34.3%～51.2%和33.0%～33.5%，且生物質炭、鈣鎂磷肥處理下三七主根干重較對照分別顯著提高48.7%和50.4%；生物質炭和鈣鎂磷肥處理土壤有效Cd含量分別減少56.1%和58.1%，表明生物質炭和鈣鎂磷肥能有效降低土壤Cd生物有效性、抑制三七Cd吸收。這與生物質炭和鈣鎂磷肥處理通過降低土壤酸性、提高土壤CEC及有機質含量有關。有機肥處理三七植株生物量和三七各部位Cd含量與對照相比均無顯著差異。此外，生物質炭和鈣鎂磷肥處理顯著降低了三七主根、剪口、莖、葉Cd的富集系數(shù)（Accumulation coefficient，AF），對三七Cd轉移系數(shù)（Transfer coefficient，TF）影響則不顯著，而有機肥處理對三七Cd的AF與TF均無影響；各處理三七須根Cd的AF在2.84～4.64之間，顯著高于其他部位，而三七主根、剪口、莖、葉等部位Cd的AF和TF均小于1，表明三七須根對土壤Cd富集能力較強而轉移能力較差，Cd易集中于三七地下部，Cd污染土壤中施用生物質炭與鈣鎂磷肥能有效降低Cd在三七體內的富集。

生物質炭；三七；土壤；有效態(tài)Cd

隨著我國中草藥應用越來越廣泛，中藥材種植過程中的重金屬污染引起了社會的普遍關注。韓小麗、趙連華等［1-2］通過對我國30個產地的259種中藥材的調查發(fā)現(xiàn)，Pb、Cd、Hg、As和Cu等重金屬的污染率分別達到9.66%、26.35%、13.00%、9.32%、16.09%，其中Cd元素超標率最大。五加科人參屬三七（Panax Notoginseng）是我國特有的一種多年生珍稀中藥草，具有活血化瘀、消腫止痛等功效，對人體多種系統(tǒng)具有特殊生理活性［3］。一方面，三七因生長特性而局限種植于云南省文山州、紅河州等少數(shù)中高海拔地區(qū)，其種植地匱乏；另一方面，三七存在嚴重的連作障礙［4］，而近幾年又出現(xiàn)了三七重金屬污染的報道［5-7］。馮光泉等［8］研究發(fā)現(xiàn)，采自云南主產區(qū)的48個三七樣品中，As、Pb、Hg、Cd含量均出現(xiàn)超標，且三七植株對Cd表現(xiàn)出一定的富集作用。陳璐等［9］分析文山、馬關等6個三七種植區(qū)30個土壤和植株樣本發(fā)現(xiàn)，三七主根、須根、莖、葉樣本中Cd含量超標率分別為13.3%、40%、20%、6.6%，土壤樣本Cd含量超標率達60%。三七Cd污染可能是由于其種植地土壤Cd背景含量偏高造成的［10］，也可能與種植區(qū)礦山開發(fā)帶來的工業(yè)重金屬污染相關聯(lián)［11］。目前，對三七的重金屬污染成因、分布狀況的調查研究較多，但有關三七種植過程中降低Cd吸收的技術措施研究報道還較少。

近年來，生物質炭作為生物質廢棄物循環(huán)利用的有效措施成為研究熱點。生物質炭是生物質廢棄物在限氧條件下通過熱裂解產生的含碳豐富、難溶、穩(wěn)定、高度芳香化的固體物質［12-13］，其表面含有豐富的-COOH、-COH和-OH等含氧官能團及磷酸、碳酸鹽等礦物組分，具有較大的比表面積、較高的化學和生物學穩(wěn)定性［14-15］。施用生物質炭可提高土壤pH值、增加土壤的CEC及有機質含量［16］，有效降低土壤中重金屬和農藥對植物的毒害，還可以調節(jié)土壤的孔隙度和提高其保水能力，促進土壤養(yǎng)分循環(huán)和植物生長［17］。生物質炭用于抑制污染農田糧食作物重金屬的吸收已有較多的報道［18］，但對中藥材重金屬吸收及其對中藥材生長影響的研究還少有報道。因此，本研究通過田間試驗，采用生物質炭作為土壤改良劑，以有機肥、鈣鎂磷肥兩種傳統(tǒng)改良劑［19］為對比，探究不同改良劑對三七重金屬吸收的影響，以期為保障重金屬污染土壤中三七的質量安全提供有效途徑。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

于2013年12月18日在云南省某三七種植區(qū)布置了田間試驗。試驗點位于亞熱帶高原地區(qū)，受西南季風控制，具明顯的低緯度山地季風氣候，年平均氣溫14.7℃，年平均降雨量1500 mm，海拔2180 m。試驗前茬作物為玉米。試驗地土壤類型為紅壤，pH4.95（土水比1∶2.5）、CEC 16.60 cmol·kg-1、有機質（SOM）含量52.19 g·kg-1、總Cd含量7.99 mg·kg-1。

1.2 試驗材料

試驗用生物質炭購自河南商丘三利新能源有限公司，是小麥秸稈在連續(xù)豎式炭化窖爐經350～450℃限氧熱裂解制得的麥秸炭，其pH值為9.19（炭水比1∶20）［20］、CEC為92 cmol·kg-1、有機碳含量680.5 g·kg-1、速效磷1.30 g·kg-1、全鉀108.32 g·kg-1、碳酸根26.40 cmol·kg-1、二氧化硅813.08 mg·kg-1、比表面積29.97 m2·g-1。有機肥為采購于南京六合區(qū)市場普通有機肥，其主要原料為畜禽糞便，pH 5.43（土水比1∶2.5），CEC為7.34 cmol·kg-1；鈣鎂磷肥采購于南京江寧區(qū)某肥料批發(fā)市場，P2O5＞15%，pH 9.46（土水比1∶2.5）。

1.3 試驗設計

田間試驗設置4個處理。對照處理（CK）：以不施用改良劑處理為對照；生物質炭處理（BC）：小麥秸稈炭的施用量為15 t·hm-2；有機肥處理（M）：有機肥的施用量為750 kg·hm-2；鈣鎂磷肥處理（P）：鈣鎂磷肥施用量為300 kg·hm-2。此外，各處理均按當?shù)胤N植習慣施用等量化肥。小區(qū)面積為2 m2（1 m×2 m），每個處理3個重復，共12個小區(qū)并隨機排列，小區(qū)間以30 cm間隔作為保護行防止互滲。改良劑在2014年1月

7日三七移栽前一周一次性均勻施入土壤，與0～20 cm耕層土壤充分混勻。挑選健康、長勢均一的三七苗移栽種植，種植密度和管理模式與常規(guī)種植相同。于2015年10月在三七收獲前測量株高，并分別采集主根、須根、莖、葉等部位及0～15 cm耕層土壤樣品。1.4試驗測定項目及方法

植株樣品先用自來水反復沖洗，再用超聲清洗，然后用去離子水淋洗多次，置于烘箱中105℃殺青30 min，60℃烘干至恒重稱算生物量，然后用不銹鋼粉碎機粉碎過60目尼龍篩備用。根際土壤樣品在自然風干后，挑出其中的動植物殘體和石礫等非土壤物質，過20目尼龍篩后部分用作土壤含水量、有效Cd含量、土壤pH、土壤CEC等理化性質的測定；另取10～20 g土壤樣品用瑪瑙研缽磨碎過100目尼龍篩，用于測定土壤總Cd、土壤SOM等理化性質的測定。土壤及植株樣品分析采用魯如坤［21］常規(guī)分析方法。土壤pH按土水質量比1∶2.5，用pH計測定；土壤有機質用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定；CEC采用乙酸銨法測定；三七植株Cd含量采用4∶1硝酸-高氯酸消煮，土壤總Cd采用硝酸-高氯酸-氫氟酸全量分解法消解，土壤有效Cd采用土水比1∶10的CaCl2（0.01 mol·L-1）浸提液振蕩2 h后過濾，上述所有Cd測定均采用原子吸收分光光度法測定（北京普析通用儀器有限責任公司，A3），并采用標準物質做回收試驗以控制試驗精準度，標準物質回收率均在85%～115%允許誤差范圍內。

根據三七植株各部位Cd含量，分別計算各部位Cd的富集系數(shù)（Accumulation coefficient，AF）和轉移系數(shù)（Transfer coefficient，TF），計算公式如下：

富集系數(shù)（AF）=植物體或某器官中某元素的含量/該元素在土壤中的含量［22］

轉移系數(shù)（TF）=植株地上部某元素含量/根系該元素含量［23］

1.5 數(shù)據處理與統(tǒng)計分析

數(shù)據采用SPSS 16.0和Microsoft Excel 2013進行統(tǒng)計分析，處理間差異顯著性（P＜0.05）用單因素方差分析進行計算，并采用最小顯著差數(shù)法（LSD）進行多重比較，所有數(shù)據均以平均值±標準差的形式列出（n=3）。

2 結果與討論

2.1 不同處理對三七生物量的影響

三種改良劑對三七生物量的影響見表1。不同處理間三七株高和須根重均無顯著差異；生物質炭、鈣鎂磷肥處理下三七主根干重較對照顯著性提高48.7%與50.4%；鈣鎂磷肥處理與有機肥處理三七剪口、莖、葉生物量較對照均無顯著性差異，而生物質炭處理下三七剪口、莖、葉干重較對照、鈣鎂磷肥處理、有機肥處理相比分別顯著提高30.3%～36.5%、21.6%～35.4%和19.6%～35.8%。關于生物質炭促進作物生長、提高玉米、水稻等農作物產量的報道較多［24］。這可能是由于生物質炭具有多孔結構和較大比表面積，從而提高土壤孔隙度、降低土壤容重和密度，為三七根系提供了良好的生長環(huán)境［25］；同時，生物質炭自身含有大量離子、堿性物質以及多種官能團，可以提高土壤養(yǎng)分含量，降低土壤酸性，其較強的吸附能力能夠提高對土壤中養(yǎng)分的吸附保蓄能力，減少養(yǎng)分流失，為三七生長提供充足的營養(yǎng)物質［26］。

表1 不同改良劑處理對三七株高及單株植株生物量的影響Table 1 Effect of amendments on growth of Panax Notoginseng（dry weight）

2.2 不同處理對三七植株各部位Cd吸收的影響

三七植株不同部位Cd含量見圖1。生物質炭處理三七主根、剪口、莖、葉Cd含量較對照分別顯著下降25.4%、40.9%、34.3%、33.0%，但須根中Cd含量與對照相比無顯著差異。鈣鎂磷肥處理下三七主根、剪口、莖、葉、須根Cd含量較對照分別顯著降低43.6%、40.2%、51.2%、33.5%、48.1%，但生物質炭與鈣鎂磷肥處理相比，三七各部位Cd含量無顯著差異。有機肥

處理下三七植株各部分Cd含量較對照均無顯著性差異。

三七生長過程通過須根吸收土壤中的Cd并不斷向地上部轉移，三七植株Cd的富集系數(shù)（AF）見表2。三七須根Cd的富集系數(shù)較高，AF值變化范圍為2.84～4.64，其他部位Cd的AF值均在0.29～0.65，表明三七須根中Cd的富集強度遠大于其他部位。這與羅春玲等［27］研究的大多數(shù)植物吸收的重金屬主要積累在根系而地上部含量較低的結果一致，可能是植物根系通過使Cd主要分布在質外體，或形成磷酸鹽、碳酸鹽沉淀，或與細胞壁結合將Cd沉積于須根根尖細胞壁上，從而阻止Cd進入細胞原生質以減輕其毒害［28］。生物質炭和鈣鎂磷肥處理較對照均顯著降低了三七主根、剪口、莖、葉Cd的AF值，降低幅度分別為25.4%～43.6%、40.2%～40.9%、34.3%～51.2%和32.9%～33.5%，但鈣鎂磷肥與生物質炭處理相比，三七各部位Cd的AF值差異不顯著。有機肥處理下三七各部位Cd的AF值較對照均無顯著性差異。由表2可知，三七主根、莖、葉片和剪口Cd的TF分別為0.10～0.12、0.11～0.15、0.10～0.13和0.07～0.13，各處理間Cd的TF值均無顯著差異。一般將TF＞1的作物稱為對該元素轉移能力強的作物［29］，三七各部位TF值均小于1，說明三七植株中的Cd從地下部向地上部的轉移能力較弱。陳璐等［9］研究也表明，三七中Cd的自下而上的轉移能力較差，較易集中于三七根部，而三七主根作為主要藥用部位。因此，降低三七根部Cd的吸收對三七藥品質量安全十分重要。

圖1 不同處理下三七各部位Cd含量Figure 1 Cd contents in different parts of Panax Notoginseng in different treatments

表2 各處理下三七Cd富集系數(shù)及轉移系數(shù)Table 2 Comparison of Cd transfer coefficient and accumulation coefficient between different treats of Panax Notoginseng

2.3 土壤有效Cd含量的變化及其影響因素

三種改良劑處理下土壤有效Cd含量的變化結果見圖2A。與對照相比，鈣鎂磷肥和生物質炭處理土壤有效Cd含量分別顯著性降低了56.1%和55.4%，而有機肥處理土壤有效Cd含量較對照差異不顯著。相關分析結果表明，三七剪口、莖、葉部位Cd含量與土壤有效Cd均呈顯著正相關關系，相關系數(shù)分別為0.960、0.979和0.983（表3）。這與龔偉群等［30］指出的土壤-植株體系中Cd的遷移與積累取決于土壤中的有效Cd含量的研究結果一致。Chen等［31］研究也表明，水稻籽粒中鎘的含量與土壤有效Cd含量顯著相關。由此可見，生物質炭和鈣鎂磷肥降低土壤Cd有效性是減少三七各部位Cd吸收的關鍵。圖2C與圖2D表明，生物質炭處理土壤有機質含量與CEC較其他3個處理分別顯著提高27.6%～29.7%和8.2%～8.6%。生物質炭降低Cd有效性的效應可能與其提高土壤有機質含量以及CEC有關［32-33］：土壤有機質作為

可吸附態(tài)Cd的吸附位點與螯合劑，為土壤中可吸附態(tài)Cd提供有效載體，從而減少土壤有效Cd含量；土壤CEC的提高為可吸附態(tài)Cd提供更多吸附位點，進一步降低Cd的生物有效性。

圖2 各處理對土壤基本理化性質的影響Figure 2 Effects of amendments on basic physico-chemical properties of tested soils

表3 三七Cd含量與土壤理化性質相關性分析Table 3 Correlation coefficients of Cd uptake of Panax Notoginseng with basic physico-chemical properties of tested soil

此外，許多研究表明，施用生物質炭和鈣鎂磷肥在一定時期內均可顯著提高土壤的pH［34-35］，土壤pH的提高一方面促使Cd離子水解為吸附作用更強的Cd（OH）+并被土壤膠體及相關官能團吸附螯合，降低土壤有效Cd含量［36］；另一方面通過增強土壤膠體負電荷性、減弱H3O+競爭作用，使得有機質、錳氧化物等載體與重金屬結合更牢固［37］，達到降低土壤Cd生物有效性的效果。本研究中生物質炭與鈣鎂磷肥處理的土壤pH與對照相比沒有顯著差異（圖2B），可能由于土壤樣品是在改良劑施用近兩年后采集，生物質炭與鈣鎂磷肥中的堿性物質部分淋失［38］，對土壤的石灰效應會隨時間的推移而逐漸減弱［31］。鈣鎂磷肥對土壤中Cd有效性的影響一方面與其水解產生的Ca2+、Cd2+的共沉淀，有利于交換態(tài)Cd向碳酸鹽結合態(tài)Cd轉

變有關；另一方面，磷酸根與Cd2+作用形成在土壤中較為穩(wěn)定的溶解度較低的化合物，達到降低土壤有效Cd含量的作用效果［39］。有機肥對土壤重金屬有效性的作用機制較復雜，主要通過改變土壤pH值或腐殖化過程中產生的腐殖質與金屬離子的絡合來影響重金屬的活性。李平等［40］研究發(fā)現(xiàn)，施用有機肥120 d后顯著降低了交換性鎘的含量，能夠使土壤重金屬由有效態(tài)向某些潛在有效態(tài)或無效態(tài)轉變；但章明奎等［38］研究結果表明，施用有機肥3年后對水溶性鎘沒有顯著影響，有機改良劑對土壤重金屬的穩(wěn)定效果隨時間推移、有機物質的逐漸降解而下降。本研究中有機肥對土壤中Cd的鈍化效果不顯著，雖然有機肥能增加土壤Cd的吸附位點，但其吸附態(tài)Cd主要以活性非緊密型有機結合態(tài)為主［41］，有機肥分解過程中部分結合態(tài)Cd又被釋放成為有效Cd［42］，從而降低了有機肥對Cd污染土壤的改良效果。

3 結論

（1）生物質炭與鈣鎂磷肥具有促進三七生長的作用，施用有機肥對三七植株生物量無影響。

（2）生物質炭與鈣鎂磷肥處理的改良效果較好：生物質炭和鈣鎂磷肥處理三七主根、剪口、莖、葉的Cd含量均顯著降低。相關分析結果表明，三七剪口、莖、葉部位Cd含量與土壤有效Cd均呈顯著正相關關系。生物質炭與鈣鎂磷肥處理通過提高土壤CEC及有機質含量為土壤有效Cd提供穩(wěn)定載體，降低Cd生物有效性，從而減少了三七植株Cd含量。有機肥處理土壤有效Cd含量及三七Cd的吸收較對照均無顯著差異。

（3）三七須根Cd富集系數(shù)范圍在2.84～4.64，主根、剪口、莖、葉等部位Cd的富集系數(shù)和轉移系數(shù)均小于1，三七須根具有富集土壤Cd的效應，且Cd在三七中的轉移能力較差，易集中于三七地下部，施用生物質炭和鈣鎂磷肥均可降低土壤Cd的生物有效性，確保三七藥用質量安全。

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Influences of biochar，calcium magnesium PhosPhate and manure on Cd accumulation in Panax Notoginseng

CHEN Jian-qing1，GUO Dong2，CHEN De1，LI Lian-qing1*，PAN Gen-xing1
（1.Institute of Resource，Ecosystem and Environment of Agriculture，Nanjing Agricultural University，Nanjing 210095，China；2.Infinitus，Guangzhou 510623，China）

A field trial was conducted to investigate the effects of biochar，calcium magnesium phosphate and manure on Cd uptake and accumulation by Panax Notoginseng in Yunnan Province.The results showed that biochar and calcium magnesium phosphate significantly increased the taproot biomass by 48.7%and 50.4%compared with control.Biochar and calcium magnesium phosphate significantly decreased Cd concentration in taproot，rhizome，leaf and stem by 25.4%～43.6%，40.2%～40.9%，34.3%～51.2%and 33.0%～33.5%.It may be attributed to the decreased acidy of soil，the increased soil organic matter and CEC，which resulted in decreased soil exchangeable Cd，with the application of biochar and calcium magnesium phosphate.The changes of biomass and Cd accumulation of Panax Notoginseng in manure treatment are not significantly compared to CK.The accumulation coefficients（AF）of Cd in Panax Notoginseng were decreased by addition of biochar and calcium magnesium phosphate，respectively，but the Cd transfer coefficient（TF）of each part of Panax Notoginseng were not significant in biochar and calcium magnesium phosphate treatments.The AF of fibril root is about 2.84～4.64 in all treatments，but the AF and TF of any parts of Panax Notoginseng are less than 1.0 except fibril root.It means that the fibril root can accumulate Cd from contaminated soil easily，but it’s difficult to transport the accumulated Cd from fibril root to other parts.The application of biochar and calcium magnesium phosphate could be an environmentally friendly and efficient way to remediate Cd contaminated acidic soils and improve the safety of Panax Notoginseng.

biochar；Panax Notoginseng；soil；available Cd

X503.23

A

1672-2043（2016）10-1909-08

10.11654/jaes.2016-0353

陳建清，郭棟，陳德，等.生物質炭、有機肥和鈣鎂磷肥對三七（Panax Notoginseng）Cd含量的影響［J］.農業(yè)環(huán)境科學學報，2016，35（10）：1909-1916.

CHEN Jian-qing，GUO Dong，CHEN De，et al.Influences of biochar，calcium magnesium phosphate and manure on Cd accumulation in Panax Notoginseng［J］.Journal of Agro-Environment Science，2016，35（10）:1909-1916.

2016-03-17

國家自然科學基金項目（41371298）；農業(yè)科技成果轉化資金項目（2013GB23600666）

陳建清（1991—），男，湖南岳陽人，碩士研究生，主要從事土壤重金屬原位鈍化修復研究。E-mail：cjqing8177@sina.com

*通信作者：李戀卿E-mail：lqli@njau.edu.cn