木炭施用對(duì)鎘污染土壤小白菜生長(zhǎng)及鎘吸收的影響

羅 洋，高 晉，羅緒強(qiáng)，李 儀

（1.貴州師范學(xué)院地理與資源學(xué)院，貴陽(yáng) 550018；2.貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，貴陽(yáng) 550025）

鎘是一種毒性很強(qiáng)的重金屬，被聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署列為危害全球環(huán)境的化學(xué)物質(zhì)之首。土壤遭受鎘污染一方面會(huì)引起其生產(chǎn)生態(tài)功能失調(diào)和土質(zhì)降低，另一方面還會(huì)導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量下降，并通過土壤-作物-食物的遷移方式被人體攝取[1-2]。鎘一旦被人體吸收，將不可逆地在人體內(nèi)進(jìn)行積累，到一定量時(shí)將導(dǎo)致心腦血管疾病、腎衰竭、心血管功能紊亂甚至癌癥等[3]。據(jù)報(bào)道，我國(guó)土壤重金屬點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)到16.1%，其中鎘點(diǎn)位超標(biāo)率為最高，達(dá)7.0%[4]。因此，如何降低土壤中鎘的生物有效性，保障農(nóng)作物的安全生產(chǎn)，從而實(shí)現(xiàn)中輕度污染農(nóng)田“邊生產(chǎn)邊修復(fù)”的目標(biāo)是當(dāng)前亟需解決的課題之一。

生物炭是一種新型的環(huán)境功能材料，具有孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、呈堿性、比表面積大、離子交換能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可有效地降低土壤中重金屬的有效性，消減其風(fēng)險(xiǎn)。近年來，生物炭在治理重金屬污染中的潛在應(yīng)用價(jià)值已得到學(xué)術(shù)界的廣泛認(rèn)可，其在提高重金屬穩(wěn)定性、控制污染和修復(fù)土壤等方面具有非常廣闊的前景[5]。木炭作為一種來源廣泛、價(jià)格低廉的生物炭類型，也被越來越多地應(yīng)用于土壤重金屬污染修復(fù)研究中。杜志敏等[6]以黑麥草為修復(fù)植物，開展了不同改良劑對(duì)重金屬鎘污染土壤的田間原位修復(fù)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明木炭能降低鎘對(duì)生物和環(huán)境的直接毒害作用。崔紅標(biāo)等[7]通過田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)木炭的添加提高了土壤pH值，改善了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，使銅、鎘由活性態(tài)向非活性態(tài)和潛在活性態(tài)轉(zhuǎn)化，取得了較好的穩(wěn)定化修復(fù)效果；羅惠莉等[8]的研究表明，隨著木炭用量的增加，木炭對(duì)土壤中鎘有效態(tài)的鈍化效果增強(qiáng)，施用0.48 kg·m-2木炭在30 d時(shí)對(duì)土壤中有效態(tài)鎘降幅達(dá)23.87%，并能抑制水稻鎘吸收。

本文以受鎘污染的黃壤為研究對(duì)象，通過添加不同梯度的木炭并種植小白菜，結(jié)合室內(nèi)測(cè)定分析，研究木炭對(duì)鎘污染土壤理化性質(zhì)、小白菜生長(zhǎng)及鎘含量、土壤CaCl2提取態(tài)鎘含量等的影響，從土壤-植物系統(tǒng)的角度探討木炭作為土壤改良劑在鎘污染預(yù)防中的潛力，以期為木炭在鎘污染土壤治理中的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試植物為“桂星牌”小白菜（Brassica chinensis），購(gòu)于貴陽(yáng)市烏當(dāng)區(qū)新添種子市場(chǎng)。木炭為市售機(jī)制木炭，由鋸末經(jīng)成型機(jī)擠壓成木棒后放入炭化爐中高溫碳化而成。木炭的基本性質(zhì)：粒徑0.15 mm；比表面積 40.58 m2·g-1；pH 8.56；有機(jī)質(zhì) 348.35 g·kg-1；全氮6.19 g·kg-1；全磷 1.45 g·kg-1；全鉀 22.83 g·kg-1；鎘0.05 mg·kg-1。

供試土壤采自貴陽(yáng)市烏當(dāng)區(qū)高雁垃圾填埋場(chǎng)附近某廢棄農(nóng)田，土壤類型為黃壤。取0～15 cm表層土，將土樣混合均勻后按四分法取其二分之一土壤樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自然風(fēng)干，挑出土壤中的石塊和植物根系等雜物，用研缽研磨過2 mm篩備用。其基本理化性質(zhì)：pH 6.35；有機(jī)質(zhì)24.48 g·kg-1；堿解氮76.73 g·kg-1；有效磷23.05 mg·kg-1；速效鉀 163.87 mg·kg-1；全鎘2.68 mg·kg-1，CaCl2提取態(tài)鎘0.62 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在貴州師范學(xué)院盆栽基地進(jìn)行。木炭共設(shè)置 4個(gè)用量水平：5、10、25、50 g·kg-1，分別記為 C5、C10、C25、C50，并以不施木炭（CK）作為對(duì)照，共5個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)。取研磨過篩的土壤與木炭按比例混勻，每盆裝土1.5 kg。用稱重法保持土壤含水量為田間持水量的60%左右，在室溫下平衡一周后，每盆播種小白菜種子20粒，植物生長(zhǎng)期內(nèi)每日觀察并澆水，保持土壤含水量為最大田間持水量的60%左右，蔬菜長(zhǎng)至兩片真葉時(shí)間苗，每盆保留幼苗5株。在室外生長(zhǎng)50 d后，分地上部和根部收獲植株，先用自來水洗凈，再用去離子水沖洗，擦干，稱鮮重，105℃下殺青20 min，85℃下烘干至恒重后粉碎備用。土壤樣品自然風(fēng)干后磨碎，分別過2 mm和0.15 mm尼龍篩，裝袋備用。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定；土壤pH采用去CO2蒸餾水浸提（土水比1∶2.5），精密pH計(jì)（雷茲PHS-3C）測(cè)定；堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；土壤有效磷采用鉬銻抗比色法測(cè)定；土壤速效鉀采用火焰光度法測(cè)定，上述指標(biāo)具體測(cè)定步驟均參考文獻(xiàn)[9]中的方法。

小白菜葉綠素含量用便攜式葉綠素儀直接測(cè)定SPAD值；小白菜地上部和根部Cd含量采用HNO3-HClO4體系消解，土壤全Cd含量采用HCl∶HNO3（優(yōu)級(jí)純，V∶V=4∶1）的混合酸液消煮，利用novAA 350原子吸收光譜儀（德國(guó)耶拿）測(cè)定；土壤CaCl2提取態(tài)Cd采用鮮土，CaCl2濃度為0.01 mol·L-1，土（干土）液比為1∶10浸提，振蕩2 h，離心、過濾，利用novAA 350原子吸收光譜儀（德國(guó)耶拿）測(cè)定濾液中Cd的濃度[10]。測(cè)試過程中加入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)土壤標(biāo)準(zhǔn)參考樣（GSS系列）和植物標(biāo)準(zhǔn)參考樣（GSV系列），并設(shè)置空白和重復(fù)樣進(jìn)行分析質(zhì)量控制。誤差控制在5%以內(nèi)。所用試劑均為優(yōu)級(jí)純。

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，用SPSS 22.0進(jìn)行單因素方差分析，用LSD法進(jìn)行多重比較，顯著性水平設(shè)置為p＜0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 木炭施用對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

不同處理水平下的土壤理化性質(zhì)變化情況見表1。木炭的施加提高了土壤pH值，C5、C10、C25、C50處理分別較CK處理提高了0.01、0.04、0.10、0.12個(gè)單位，當(dāng)施加量≥25 g·kg-1時(shí)達(dá)到顯著水平（p＜0.05）。土壤有機(jī)質(zhì)含量也隨木炭用量的增加而顯著增加，與CK處理相比，C5、C10、C25、C50處理的土壤中有機(jī)質(zhì)含量分別增加了18.68%、31.17%、63.64%、81.17%，其中木炭用量為50 g·kg-1時(shí)有機(jī)質(zhì)含量41.69 g·kg-1。

與對(duì)照相比，施加木炭各處理還不同程度地提高了土壤速效養(yǎng)分含量。其中，各處理堿解氮含量大小順序?yàn)镃25＞C50＞C10＞C5＞CK，施加各梯度木炭處理組與對(duì)照組值相比均達(dá)顯著水平，木炭施加量為25 g·kg-1時(shí)堿解氮含量為對(duì)照的2.10倍。施加木炭還提高了土壤有效磷含量，其值亦與木炭用量大小一致，在最大用量時(shí)比對(duì)照處理增加134.55%。各處理速效鉀含量大小順序?yàn)镃25＞C50＞C10＞C5＞CK，但僅在木炭用量為25 g·kg-1時(shí)與對(duì)照達(dá)顯著差異水平，速效鉀含量增加了10.41%，其余處理間差異均不顯著。

2.2 木炭施用對(duì)小白菜生物量的影響

從表2可知，小白菜在添加木炭的鎘污染土壤中生長(zhǎng)50 d后，地上部鮮重比不加木炭的對(duì)照有所增加，增幅為0.97%～22.91%。但是除了C25處理外，其余處理與對(duì)照間無明顯差異，表明當(dāng)木炭添加量為25 g·kg-1時(shí)土壤綜合狀況最佳，進(jìn)而促進(jìn)小白菜生長(zhǎng)。不同木炭水平下的小白菜根部鮮重沒有明顯變化規(guī)律，各處理間也無顯著性差異，說明單一施用木炭對(duì)小白菜根系生長(zhǎng)的加強(qiáng)效應(yīng)不明顯。

2.3 木炭施用對(duì)小白菜葉綠素含量的影響

葉片SPAD值反映的是葉片的綠度，與葉綠素含量和氮素含量密切相關(guān)[11]。由圖1可知，施加木炭能顯著增加小白菜葉綠素含量。但增幅隨木炭用量的加大呈先增加后減少趨勢(shì)。小白菜葉片SPAD值在木炭用量為25 g·kg-1時(shí)達(dá)最大，與對(duì)照相比增幅為65.78%，表明木炭施用對(duì)葉綠素的增加作用應(yīng)當(dāng)在一定范圍，過高或過低都無法使效率最大化。

表2 木炭施用對(duì)小白菜生物量的影響Table 2 Effects of charcoal application on biomass of Brassica chinensis

圖1 不同處理水平下小白菜葉綠素含量Figure 1 Sum of chlorophyll in Brassica chinensis under different treatments

表1 木炭施用對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響Table 1 Effects of charcoal application on physical and chemical properties of soil

2.4 木炭施用對(duì)小白菜鎘含量的影響

小白菜地上部和根部鎘含量隨著木炭用量的增加而有不同程度的降低（圖2）。對(duì)照（CK）組小白菜地上部鎘含量最高，達(dá)0.25 mg·kg-1。而其他4個(gè)處理（C5、C10、C25、C50）地上部鎘含量分別較對(duì)照降低了6.08%、14.95%、27.12%和35.98%，C10～C50處理，小白菜地上部鎘含量顯著降低（p＜0.05）。從GB 2762—2012《食品中污染物限量》規(guī)定葉菜類鎘限量為0.2 mg·kg-1來看，試驗(yàn)中當(dāng)木炭用量≥25 g·kg-1時(shí)小白菜的鎘含量均在食品安全標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)。小白菜根部鎘含量高于地上部，約是地上部的2～3倍（圖2）。施用木炭對(duì)小白菜根部鎘含量也有顯著影響。與對(duì)照相比，從C10處理到C50處理小白菜根系鎘含量顯著降低（p＜0.05），降幅分別達(dá)12.71%、20.17%和31.50%。差異顯著性分析結(jié)果表明，隨著木炭的加入，小白菜根部鎘含量顯著降低。

圖2 不同處理水平下的小白菜鎘含量Figure 2 Cd content of Brassica chinensis under different treatments

2.5 木炭施用對(duì)土壤CaCl2提取態(tài)鎘含量的影響

植株對(duì)土壤鎘的吸收和土壤中鎘的有效性密切相關(guān)。有研究表明CaCl2溶液提取的重金屬濃度與有效性之間的一致性較好[10]。因此，本研究選擇CaCl2來浸提土壤有效態(tài)鎘。隨著木炭施用量的提高，土壤CaCl2提取態(tài)鎘含量呈遞減趨勢(shì)。在試驗(yàn)設(shè)置的4種木炭用量水平下，土壤CaCl2提取態(tài)鎘含量的降低幅度分別為5.05%、10.82%、18.18%和20.57%，各處理與對(duì)照之間均有顯著差異（p＜0.05），見圖3。C5～C25各處理間差異顯著，而C50處理土壤的CaCl2提取態(tài)鎘含量相較C25處理并無明顯下降，可見木炭的添加比例并不是越高越好，過量不僅不利于降低土壤鎘有效性，而且增加成本，浪費(fèi)資源。

圖3 木炭對(duì)土壤CaCl2提取態(tài)鎘含量的影響Figure 3 Effect of charcoal on CaCl2-extracted Cd content of soil

2.6 木炭施用對(duì)小白菜體內(nèi)鎘富集遷移的影響

生物富集系數(shù)是植物體內(nèi)重金屬含量與相應(yīng)的土壤重金屬含量之比，表示植物從土壤中吸收重金屬的能力。添加木炭后，小白菜地上部和根部富集系數(shù)與對(duì)照相比均不同程度地降低（表3），當(dāng)施用量大于10 g·kg-1時(shí)與對(duì)照有顯著差異。表明在一定施用量下，木炭添加能降低小白菜各部位對(duì)鎘的吸收。

重金屬轉(zhuǎn)移系數(shù)是地上各器官重金屬含量與根部重金屬含量之比，可以用來反映植株向地上各器官轉(zhuǎn)運(yùn)重金屬的能力，其值越大，表示重金屬在植物中的遷移能力越強(qiáng)。由表3可知，施用木炭能降低鎘由小白菜根部向地上部遷移的能力。隨著木炭添加量的增加，遷移系數(shù)值逐漸變小，在施用量為25 g·kg-1時(shí)降至最低，僅為0.41，之后隨著添加比例的提高有所回升，各處理之間差異不顯著（P＞0.05）。

2.7 土壤pH、CaCl2提取態(tài)鎘含量與小白菜鎘含量的相關(guān)性

對(duì)土壤pH、CaCl2提取態(tài)鎘含量與小白菜鎘含量間進(jìn)行了相關(guān)性分析（表4），結(jié)果表明：本研究中土壤pH與土壤CaCl2提取態(tài)鎘含量呈極顯著負(fù)相關(guān)（p＜0.01），說明pH值是影響土壤鎘有效性的重要因素。土壤CaCl2提取態(tài)鎘含量與小白菜地上部鎘含量和根系鎘含量均極顯著正相關(guān)（p＜0.01），表明土壤CaCl2提取態(tài)鎘含量的降低是小白菜地上部和根系鎘吸收量降低的重要原因。

表3 不同處理水平下小白菜對(duì)鎘的富集系數(shù)和遷移系數(shù)Table 3 Bioaccumulation factor values and translocation factor values of heavy metals in Brassica chinensis under different treatments

表4 土壤pH、CaCl2提取態(tài)鎘含量與小白菜鎘含量之間相關(guān)性Table 4 Correlation among soil pH，CaCl2-extracted Cd and Cd content in Brassica chinensis

3 討論

木炭是生物炭中最為傳統(tǒng)和常見的類型之一，具有孔隙多、粒度細(xì)小、比表面積大、呈堿性、吸附性強(qiáng)、含氧官能團(tuán)多和富含礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素等特征[12-15]。施入土壤中能增強(qiáng)土壤的保水保肥性能，促進(jìn)植物的生長(zhǎng)，因此在農(nóng)業(yè)上常被用作土壤改良劑[16]。土壤pH值是其理化性質(zhì)的重要指標(biāo)之一，能影響土壤養(yǎng)分有效性、土壤重金屬元素有效性、土壤微生物活動(dòng)等。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)木炭施加量≥25 g·kg-1時(shí)，土壤pH值較對(duì)照組處理有顯著提高。原因是木炭中的堿性物質(zhì)在施入土壤后得到釋放，同時(shí)木炭中的鉀、鈣、鎂等離子提高了土壤的鹽基飽和度，降低活性氫離子和活性鋁離子水平，使pH升高[17-18]。由于本研究供試木炭的有機(jī)質(zhì)含量達(dá)348.35 g·kg-1，施入土壤后隨著木炭用量的增加土壤有機(jī)質(zhì)含量也顯著增加，這與前人研究結(jié)果一致[19]。土壤速效養(yǎng)分是指作物當(dāng)季利用的那一部分，能表征作物的養(yǎng)分利用率。木炭的施用使土壤堿解氮、速效磷、速效鉀含量與對(duì)照相比均有所增加，原因可能是因?yàn)橐环矫婺咎勘旧砗幸欢康腘、P、K元素，另一方面木炭添加改變了土壤pH狀況，增加了有效養(yǎng)分的比重，具體機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

有研究表明，添加木炭能使鎘污染土壤上作物生物量得到增加[20]，原因可能是由于木炭自身含有一定數(shù)量的對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育有益的元素，可為作物生長(zhǎng)發(fā)育提供良好的養(yǎng)分供應(yīng)[21]，再加上木炭的施入降低了鎘有效性，減輕毒害作用，使作物得到增產(chǎn)。本研究結(jié)果顯示木炭?jī)H在用量為10 g·kg-1時(shí)使小白菜地上部鮮重較對(duì)照提高了22.91%，達(dá)顯著水平，而其余處理對(duì)小白菜地上部和根部生物量影響不明顯。原因一方面可能是由于木炭的施入改善了土壤理化性質(zhì)，促進(jìn)小白菜對(duì)N、P、K等營(yíng)養(yǎng)元素的吸收；另一方面可能是降低了土壤鎘的生物有效性，減輕了對(duì)小白菜的毒害作用。當(dāng)木炭施用量過高時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生鹽害抑制小白菜生長(zhǎng)，導(dǎo)致生物量有所降低[22]。植物吸收重金屬鎘后，體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生自由基，攻擊葉綠素，改變?nèi)~綠素合成酶的正常構(gòu)型，使其合成受抑制，最終影響光合作用，導(dǎo)致葉片失綠[23-24]。本研究結(jié)果顯示，加入木炭后，小白菜葉片SPAD值呈先增加后降低趨勢(shì)，可能是因?yàn)槟咎康募尤虢档土诵“撞说厣喜繉?duì)鎘的吸收，從而減少鎘對(duì)葉綠素的破壞作用，這與許楊貴等[25]的研究結(jié)果是相似的。

Amanullah等[26]和 Bandara 等[26]研究表明，土壤中鎘的生物有效性隨pH升高而降低；Puga等[28]也通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)土壤有效態(tài)鎘與土壤pH呈負(fù)相關(guān)。Uchimi?ya等[29]也認(rèn)為，隨著土壤pH的升高，生物炭有效降低了重金屬的生物可利用性，原因是生物炭增加了土壤負(fù)電荷，導(dǎo)致土壤對(duì)重金屬的吸附也增加。本試驗(yàn)同樣證實(shí)這一結(jié)論，土壤pH與CaCl2提取態(tài)鎘含量相關(guān)系數(shù)為-0.710，呈極顯著水平。木炭的施加顯著提高了土壤pH值，并通過吸附、絡(luò)合和離子交換等方式固定鎘[30]，使得土壤CaCl2提取態(tài)鎘隨木炭用量的增加而降低。

鎘不是植物的必需營(yíng)養(yǎng)元素，具有較高的生物毒性，可以累積在植物體內(nèi)，通過食物鏈危害人體健康。據(jù)調(diào)查，人類攝入的鎘≥70%是來自食用蔬菜[31]。因此，本研究以小白菜為供試作物，研究木炭添加對(duì)其體內(nèi)鎘含量及對(duì)富集遷移情況的影響有一定意義。本試驗(yàn)結(jié)果表明，小白菜根部鎘含量和富集系數(shù)高于地上部，這與前人的研究結(jié)果一致[32-33]。小白菜從根際吸收鎘，再將其轉(zhuǎn)運(yùn)和積累到地上部分。研究還發(fā)現(xiàn)，施用木炭顯著降低了小白菜地上部和根部鎘含量，這說明添加木炭在一定程度上能夠通過改變土壤中鎘的賦存形態(tài)，降低CaCl2提取態(tài)鎘含量，進(jìn)而減少根系的吸收作用，從而阻控鎘在土壤-植物體系內(nèi)的遷移[34-36]。同時(shí)，木炭豐富的表面負(fù)電荷及表面官能團(tuán)與陽(yáng)離子交換量等能夠增加土壤表面的活性位點(diǎn)，從而提高土壤對(duì)重金屬離子的吸附作用[37-38]。

本研究只是針對(duì)已污染土壤，初步研究木炭的修復(fù)效應(yīng)。今后還需要探索不同污染水平、鎘與其他重金屬?gòu)?fù)合、不同類型土壤的污染問題，在此基礎(chǔ)上與田間試驗(yàn)銜接，逐步放大，才能更好地在實(shí)踐中得以應(yīng)用。

4 結(jié)論

（1）木炭的添加改善了土壤理化性質(zhì)，隨著施用量的增加，土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、速效氮磷鉀含量有不同程度的增加。

（2）在一定用量范圍內(nèi)，木炭的添加能促進(jìn)小白菜的生長(zhǎng)，當(dāng)施用量為25 g·kg-1時(shí)小白菜地上部生物量顯著提高，小白菜葉綠素含量也達(dá)最大值。

（3）土壤提取態(tài)鎘含量與小白菜地上部和根部鎘含量顯著正相關(guān)。木炭的添加顯著降低了土壤中鎘的有效性，小白菜地上部和根部的鎘含量也隨之降低，富集能力下降。因此，木炭具有鈍化修復(fù)鎘污染土壤的應(yīng)用潛力。