稻殼生物炭與肥料配施對稻田鎘鉛鉻砷的鈍化與肥效的影響

謝亞萍，張琳琳，郅惠博，孫明星，李應超，沈國清

(1. 上海交通大學 農業(yè)與生物學院，上海 200240；2. 上海出入境檢驗檢疫局，上海 200135；3. 上海孚祥生態(tài)環(huán)?？萍加邢薰荆虾?201315)

生物炭作為一種土壤改良與污染修復技術已經成為國內外研究熱點，已有研究表明，生物炭可以提高土壤肥力，促進作物生長并降低土壤重金屬的生物有效性，減少土壤污染風險．生物炭的這種多功能特性與其本身所具有的吸附性能密切相關．然而，生物炭本身缺乏營養(yǎng)成分，其所含的灰分組分也僅能作為植物少量的礦物質來源，對植物的生長促進有限．農田施用生物炭后，作物產量的提高主要仍由土壤自身養(yǎng)分供給決定[1-2]，將生物炭和肥料進行組合后施入土壤，可以彌補生物炭本身營養(yǎng)物質匱乏的不足，也可解決生物炭農田土壤污染修復與滿足作物生長需求的矛盾[3]，生物炭與肥料配施已成為國內外新的研究方向[4]．王期凱等[5]研究報道了生物炭與肥料復配對土壤重金屬鎘的鈍化修復效應，結果表明，單施一定劑量生物炭以及生物炭與發(fā)酵雞糞、生物炭與氮磷鉀復合肥復配材料可以有效地降低鎘污染菜地土壤中Cd的有效性．馬鐵錚等[6]研究報道,生物有機肥和生物炭處理對于Cd和Pb污染稻田土壤有較好的修復效果．國外Park JH等[7]報道,辣椒莖干生物炭會影響Pb,Cr,Cd,Cu和Zn的富集．然而,生物炭的這種特性與其原料來源和土壤中存在的污染物種類密切相關．本文在田間試驗條件下，以稻殼生物炭為對象，研究了生物炭與NPK復合肥和微生物肥料配施對稻田Pb,As,Cr和Cd的鈍化及其對土壤肥效的影響，以期為生物炭和肥料配施控制稻田土壤重金屬污染，提高土壤肥效提供科學依據(jù)．

1 材料與方法

1.1 供試材料

生物炭為上海孚祥生物科技有限公司提供的稻殼500℃限氧熱解生產而成的產品．供試復合肥(mN∶mP2O5∶mK2O=23∶11∶11)和微生物肥由江蘇科邦生物肥有限公司提供．使用前，按1∶1的比例，將過粒徑為0.154mm尼龍篩的生物炭與肥料充分混合后，備用．

1.2 田間試驗

試驗地位于上海郊區(qū)水稻種植區(qū)．供試土壤為沼澤性起源的青紫泥水稻土，屬重壤土．pH為7.2，有機質、全氮、全磷、全鉀含量分別為16.44%,0.288%,0.084%和1.96%．土壤中Pb、As、Cr和Cd的含量分別為21.35,8.86,67.04mg/kg和0.212mg/kg,屬微污染農田土壤．

試驗小區(qū)采用完全隨機區(qū)組設計，設3個處理，3次重復，每個小區(qū)面積為27m2．各小區(qū)間采用木板分隔，每條木板用兩層黑色地膜覆蓋，防止小區(qū)間水肥串流；小區(qū)四周設立保護行．栽秧規(guī)格為株行距20cm×25cm，每穴插2棵秧苗；肥料用作追肥，設稻殼炭復合肥(BRC)，稻殼炭復合微肥(BRM)和對照3個處理，對照為不施生物炭處理．供試水稻品種為青角307．試驗田日常水漿管理及病蟲防治均按當?shù)亓晳T進行．

1.3 取樣

土壤樣品采用五點取樣法進行，實驗前采集各小區(qū)土壤樣品，剔除石礫和植物殘體后，混勻，研磨過0.154mm尼龍篩，備用．水稻成熟期，采用五點整穴取樣法，采集水稻樣品,用自來水沖洗干凈后，再用去離子水沖洗，將根、秸稈和籽粒分離，在105℃下殺青0.5h，然后，60℃下烘干至恒重．烘干后，磨碎過1mm網(wǎng)篩，備用．

1.4 樣品處理

1.4.1 土壤樣品

稱取0.1g土壤樣品，放入消解罐中，加入5mL濃硝酸，采用梯度升溫消解程序，800MPa壓力下,在微波消解爐中分5min 120℃，10min 160℃和20min 190℃的順序進行消解，消解結束，待冷卻至室溫后，開蓋轉移到容量瓶中，定容，備用．

1.4.2 水稻樣品

稱取0.2g水稻樣品到平板消解管中，加入5mL濃硝酸，在105℃下的平板爐上消解3h．消解后直接在消解管中定容，濾紙過濾后，待測．

1.5 重金屬含量的測定

土壤和水稻植株樣品中的Pb,As,Cr和Cd含量，采用電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS，PE ELEN 9000 PerkinElmer Elan DRC-e)測定．測定時，為克服基體效應和降低信號漂移，以元素In(同位素質量數(shù)114.90，同位素豐度95.72%)作為內標元素．同時，為避免ICP-MS中的質譜干擾，采用譜線干擾表格分析，選定待測同位素： As(同位素質量數(shù)74.92，同位素豐度100%)，Pb(同位素質量數(shù)207.98，同位素豐度52.3%)，Cr(同位素質量數(shù)52.94，同位素豐度9.55%)，Cd(同位素質量數(shù)110.94，同位素豐度29.8%)．

1.6 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)經Excel 2010整理，SAS 9.1統(tǒng)計分析，Origin Lab8.5進行繪圖．

2 結果與討論

2.1 生物炭與肥料配施對水稻不同部位吸收重金屬的影響

圖1為生物炭與肥料配施對水稻根、莖及籽粒吸收Pb，As，Cr和Cd的影響．圖1中可見，生物炭與肥料配施處理中各個元素都表現(xiàn)出了根部含量大于莖部和籽粒的規(guī)律，表明水稻吸收土壤中的重金屬后，大部分停留在根部，少量向地上部分遷移，且越往上含量越少，表現(xiàn)為地下部分蓄積量大于地上部分．其中，稻殼生物炭和復合肥配施處理Pb在根部，莖部，籽粒中的含量分別為6.957,0.342和0.136mg/kg；As的含量分別為1.863,1.253和0.061mg/kg；Cr的含量分別為6.127,4.326和2.506mg/kg；Cd的含量分別為0.835,0.328和0.015mg/kg；稻殼生物炭和微生物肥配施處理Pb在根部、莖部、籽粒中的含量分別為： 3.892,1.938, 0.124mg/kg；As的含量分別為： 1.737,1.406和0.053mg/kg；Cr的含量分別為6.256,3.258和2.984mg/kg；Cd的含量分別為0.392,0.301和0.012mg/kg；生物炭與復合肥配施處理中水稻根部對Pb和Cd的吸收顯著高于微生物肥料配施．

圖1 水稻各部位Pb，As，Cr和Cd的含量Fig.1 The concentration of Pb, As, Cr, Cd in different parts注： BRC： 稻殼炭復化肥；BRM： 稻殼復合生物肥.下同.

2.2 生物炭與肥料配施對水稻籽粒吸收土壤Pb、As、Cr和Cd的控制作用

圖2 生物炭與肥料配施對水稻籽粒吸收Pb，As，Cr和Cd的含量Fig.2 The concentration of Pb, As, Cr, Cd in grain after applying biochar

籽粒是水稻的可食部分，圖2為生物炭與肥料配施對水稻籽粒吸收土壤中Pb,As,Cr和Cd的影響．圖2中可見，與對照相比，生物炭與復合肥和微生物肥配施，都能降低水稻籽粒中Pb,As,Cr,Cd的含量．其中，生物炭與復合肥配施對籽粒Pb,As,Cr和Cd的吸收量分別比對照降低77.3%,71.9%,14.7%和40.0%．與微生物肥配施(BRM)除了對Cr和Cd無顯著影響外，生物炭與微生物配施對籽粒Pb,As和Cd的吸收量分別比對照降低79.3%,75.6%和52.0%．由此可見，生物炭與復合肥和微生物肥配施對Pb和As鈍化效應優(yōu)于Cr和Cd．

根據(jù)《食品安全國家標準-食品中污染物限量》(GB 2762—2012)中的規(guī)定，水稻籽粒中Pb,As,Cr和Cd的限量分別為0.2,0.2,1.0和0.2mg/kg．對生物炭與肥料配施稻田中重金屬含量分析發(fā)現(xiàn)，在對照土壤中生長的水稻籽粒中，除了Cd含量低于限量標準外，Pb,As和Cr的含量分別為0.599,0.217和2.937mg/kg，均超過了規(guī)定的限量(表1)．生物炭與肥料配施后，水稻籽粒中Pb,As,Cr含量均符合國家限量標準．與對照相比，除Cr含量無顯著差異以外，其他元素均降低至國家限量標準以下．由此可見，生物炭與肥料配施可以有效降低Pb,As和Cd的生物有效性，控制土壤中上述元素向水稻籽粒中遷移．

表1 生物炭與肥料配施對水稻籽粒重金屬含量的影響

注： BRC: 稻殼炭復合化肥；BRM: 稻殼炭復合微生物肥.下同.

2.3 生物炭對水稻不同部位As、Cd、Pb和Cr富集系數(shù)的影響

富集系數(shù)(Bioconcentration Factor, BCF)是植物體某部位中某種重金屬含量與土壤中同種重金屬含量的比值，通常反映了植物富集重金屬的能力，富集系數(shù)越大，則說明植物對重金屬的吸收能力越強[8]．圖3為生物炭與肥料配施對水稻富集Pb,As,Cr和Cd的影響．圖3可見，各處理中各元素的富集系數(shù)依次表現(xiàn)為根部>莖部>籽粒，各部位對Cd的富集系數(shù)最大，As的富集系數(shù)大于Pb和Cr．其中，生物炭與復合化肥配施水稻根部、莖部和籽粒對Pb的富集系數(shù)分別為0.137,0.007和0.003；As的富集指數(shù)分別為0.284,0.191和0.009；生物炭和微生物肥配施(BRM)在根部、莖部、籽粒中Pb的富集指數(shù)依次為： 0.217,0.108,0.007；As的富集指數(shù)依次為： 0.258,0.209,0.008；與對照相比，生物炭與肥料配施對水稻各部位Pb和As的富集系數(shù)降低了18%～97%．生物炭與復合肥配施水稻根部、莖部、籽粒Cr的富集指數(shù)分別為0.065,0.046,0.026；微生物肥配施Cr的富集指數(shù)依次為： 0.042,0.022,0.020，與對照相比，生物炭與復合肥和微生物肥料配施對水稻根部Cr富集系數(shù)分別降低了68.8%和79.9%，然而，對水稻莖部和籽粒富集系數(shù)則提高了1.8和1.2倍．除生物炭與微生物肥配施降低水稻根部對土壤Cd富集系數(shù)外，生物炭與肥料配施則提高了水稻根部、莖部、籽粒對Cd的富集系數(shù)，其中，生物炭與復合肥配施水稻根部、莖部、籽粒對Cd的富集指數(shù)分別為5.219,2.048和0.095，分別比對照提高了29.3%，44.5%和32.6%；生物炭和微生物肥配施水稻莖部和籽粒中Cd的富集指數(shù)分別為1.845和0.074，分別比對照提高了30.2%和428.6%．張偉明[9]報道，水稻生長前期，生物炭對土壤鎘具有活化作用，陳玲桂[10]研究表明，秸稈炭和竹炭在一定程度上增大大豆非根際土中銅、鋅和鉛的穩(wěn)定性的同時，卻促進了土壤中鉻和鎘的移動性和生物有效性．由以上分析可知，稻殼生物炭與復合肥配施可以有效降低微污染土壤中水稻對Pb、As和Cr的富集，這可能是由于生物炭施入土壤后，土壤重金屬有效態(tài)含量、土壤氧化還原狀態(tài)和陽離子交換量改變，這些改變使水稻對重金屬的吸收降低，重金屬往水稻籽粒部分遷移也變少[11-12]．

圖3 生物炭與肥料配施對水稻籽粒重金屬富集系數(shù)的影響Fig.3 The effect of BCF in grain after applying biochar

2.4 生物炭與肥料配施對水稻產量及其結構的影響

表2稻殼生物炭與肥料配施對水稻產量及其結構的影響，表2中可見，生物炭與復合肥和微生物肥料配施，均顯著增加了水稻產量,與對照相比，生物炭與復合肥和微生物肥料配施田間實際產量分別增加了6%和5%．對產量結構研究表明，生物炭與復合肥配施主要增加了每株穗數(shù)和每穗粒數(shù)，與對照相比，分別增加了11%和7%．曲晶晶等[13]研究小麥秸稈生物炭對水稻產量及晚稻氮素利用率的影響，結果表明，生物炭施用量為20和40t·hm-2，處理晚稻產量分別比未施生物質炭對照提高5.18%和7.95%，可能原因是生物質炭與化肥的適量配合可有效提高作物對氮肥的吸收利用率，減少氮素流失，在一定程度上具有增產效果．

表2 生物炭與肥料配施對水稻產量和產量指標的影響

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