?生物炭基調(diào)理劑對(duì)土壤鎘生物有效性的影響

摘 要：研究采用木屑和市政污泥混合物制備的生物炭與石灰石、沸石混配成鎘污染土壤調(diào)理劑，連續(xù)兩季施用于鎘污染稻田。通過(guò)對(duì)土壤中生物有效態(tài)鎘及水稻中鎘的檢測(cè)，探討生物炭基調(diào)理劑連續(xù)施用的降鎘效果及其對(duì)水稻吸收鎘的影響。結(jié)果表明：施用該生物炭使土壤中生物有效性鎘降低，與石灰石、沸石混配能進(jìn)一步降低土壤中有效態(tài)鎘含量;兩季試驗(yàn)有效態(tài)鎘最大降低幅度分別為27.8%和22.9%;施加沸石、生物炭及兩者混配均能提高水稻千粒重，最高達(dá)24.2%;混配施用生物炭與石灰石、沸石比單獨(dú)施用該生物炭能進(jìn)一步降低水稻根和米中鎘含量，與空白對(duì)照相比，兩季中根鎘最大降幅為29.1%，稻米中鎘含量降低48.8%。

關(guān)鍵詞：生物炭;調(diào)理劑;土壤;鎘

中圖分類(lèi)號(hào)：X53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-060X（2018）10-0048-04

Effect of Biochar Based Conditioners on Available Cadmium in Soil

LUO Hui-li1，ZHOU Si1，ZHOU Jing-ru1，WANG Yu-lin1，JIANG Liang-jun2，MA Gui-quan2，

JIANG Liang-zheng2，CAI Jia-yi1

（1. College of Resources and Environment， Hunan Agricultural University， Changsha， 410128; 2. Hunan Dingjiu

Energy Environment Scientific Ltd.， Changsha， 410005）

Abstract： Biochar was first prepared from wood chips and municipal sludge， and then mixed with limestone and zeolite to form cadmium contaminated soil conditioner.The soil conditioner was applied in cadmium contaminated paddy fields for two crops. The effect on decrease of available Cd and absorption of rice had been probed in the continuous application of the biochar-based conditioner by detecting the content of available Cd in soil and total Cd in rice. The results showed that available Cd in soil decreased by using biochar and a further decreasing obtained when it mixed using with limestone and zeolite. The most decrease rate of available Cd in two crops was 27.8% and 22.9% respectively. The 1000-grain weight of rice was increased by applying zeolite， biochar or the mixture of both as the increase rate was high to 24.2%. Total Cd in rice roots was also further decreased by using the mixture of biochar， zeolite and limestone. And compared to blank group， the top decrease of Cd content in two crops was 29.1% in rice root and 48.8% in rice.

Key words： biochar; conditioner; soil; cadmium

土壤中鎘的來(lái)源主要?dú)w因于自然和人為活動(dòng)，前者來(lái)源于巖石和土壤的背景值，后者則來(lái)源于工業(yè)“三廢”和含鎘肥料的應(yīng)用[1]。農(nóng)田土壤鎘污染隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展變得越來(lái)越嚴(yán)峻，據(jù)調(diào)查農(nóng)田土壤鎘污染面積超過(guò)20×104 hm2[2]，鎘含量超標(biāo)的農(nóng)產(chǎn)品年產(chǎn)量為14.6×108 kg。部分污染地區(qū)農(nóng)產(chǎn)品中的鎘含量已超過(guò)國(guó)家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，表明土壤鎘污染已危及我國(guó)食品安全，治理任務(wù)已經(jīng)迫在眉睫。

鎘在土壤—植物系統(tǒng)中的遷移與積累，受土壤中鎘的形態(tài)和濃度以及植物的特征和種類(lèi)的影響[3-4]。植物也會(huì)產(chǎn)生多種防御重金屬鎘毒性的耐受機(jī)制，特別是當(dāng)鎘濃度較低時(shí)，植物產(chǎn)量反而有所提高[5]。張國(guó)平等[6]研究表明，鎘濃度較高時(shí)小麥干物質(zhì)積累和分葉的影響顯著，不同品種及不同器官對(duì)鎘的吸收積累也有一定的差異。雖然土壤鎘污染不會(huì)直接與人體接觸造成危害，但污染土壤中的鎘可通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體，間接對(duì)人體造成危害。

當(dāng)前對(duì)土壤重金屬原位修復(fù)的研究較多[7-9]，主要是運(yùn)用化學(xué)修復(fù)措施中的鈍化修復(fù)材料，通過(guò)沉淀、氧化絡(luò)合、離子交換吸附等作用降低其遷移性[10]和生物有效性[11]。運(yùn)用較為廣泛的土壤穩(wěn)定劑有含磷材料[12]、硅鈣物質(zhì)[13]、黏土礦物[14]、生物炭[15-16]，有機(jī)物料等[17]。

生物炭是生物質(zhì)在完全或部分缺氧條件下所產(chǎn)生的一種高碳固體殘?jiān)黐18]。生物炭主要依靠表面吸附重金屬離子，有效去除溶液和土壤中的重金屬離子[19-20]。研究表明，生物炭不僅能夠通過(guò)提高土壤的pH值來(lái)降低重金屬生物有效性，還可以通過(guò)陽(yáng)離子吸附作用降低土壤重金屬遷移率[21]，同時(shí)生物炭可以改善和提高土壤肥力從而降低重金屬對(duì)植物的毒害。

試驗(yàn)通過(guò)在鎘污染稻田中施用生物炭、石灰石、沸石及其混配材料，研究連續(xù)兩季種植中生物炭及混配材料對(duì)土壤中有效鎘含量和水稻吸收鎘含量的影響，分析生物炭及不同配合輔料對(duì)土壤中有效鎘的清除作用，以及對(duì)水稻吸收鎘的抑制作用，為生物炭基調(diào)理劑在農(nóng)田土壤重金屬污染修復(fù)和安全生產(chǎn)中實(shí)際應(yīng)用中提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土壤為長(zhǎng)沙縣青山鋪潴育型水稻土，土壤pH值7.13，陽(yáng)離子交換量（CEC）為17.69 cmol/kg，有機(jī)質(zhì)為29.74 g/kg，土壤總鎘含量1.4 mg/kg。

生物炭為木屑和市政污泥混合物經(jīng)600℃高溫處理，含碳量60%以上，pH值為8.72，由湖南鼎玖公司提供?；炫涫┯玫氖沂癁?00目粉，pH值7.54;沸石為天然沸石350目細(xì)粉，pH值10.86。

供試早稻品種為兩優(yōu)819，晚稻品種為泰優(yōu)390。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將田塊劃分為5 m×10 m試驗(yàn)小區(qū)，各小區(qū)之間分隔不串流。混配生物炭基調(diào)理劑施用配比和試驗(yàn)設(shè)置見(jiàn)表1。CK為空白對(duì)照，處理C-1至C-4為混配材料施用對(duì)照組，每組調(diào)理劑施用量為120 kg/667m2;處理B-1至B-5為生物炭基調(diào)理劑試驗(yàn)組，每組調(diào)理劑施用量為280 kg/667m2。其中B-2至B-5各配比設(shè)置中石灰石和沸石的量與C-1至C-4中對(duì)應(yīng)一致。

1.3 采樣與預(yù)處理

第一季水稻試驗(yàn)采用25 d移栽苗，栽培期為75 d，在修復(fù)期按5、15、30、50和75 d取土樣。第二季采用15 d移栽苗，栽培期90 d，在修復(fù)期按5、15、30、50、75和90 d取土樣。

采集的土樣過(guò)20目篩，晾干密封保存待處理。以水稻為試驗(yàn)作物，在移栽期（5 d）、抽穗期（30 d）、收獲期（75 d）測(cè)定植株的生長(zhǎng)狀況。水稻成熟后整株采回，將植株根、莖、籽粒分離后烘干裝袋，做好標(biāo)記待處理。

1.4 檢測(cè)分析

土壤有效態(tài)鎘用DTPA浸提法處理后測(cè)定。稱(chēng)取通過(guò)2 mm尼龍篩的風(fēng)干土5 g放入150～180 mL的塑料瓶中，加入DTPA浸提劑50.0 mL，在20～25℃溫度下震蕩2 h后過(guò)濾，濾液進(jìn)石墨爐測(cè)定鎘含量。

土壤總鎘按照國(guó)標(biāo)方法（GB/T17141—1997）進(jìn)行消解后，經(jīng)石墨爐原子吸收法測(cè)定。

水稻根和米中鎘含量用HNO3-HCLO4消化法處理后經(jīng)石墨爐原子吸收法測(cè)定。

葉綠素由葉綠素測(cè)定儀（浙江托普，TYS-A）進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有效態(tài)鎘變化

由圖1可知，空白對(duì)照樣CK在栽種期間土壤有效態(tài)鎘含量基本無(wú)變化，而施加炭基調(diào)理劑后土壤中有效態(tài)鎘均有所減少，且第一季施用效果好于第二季，栽種中后期（30～50 d）對(duì)土壤有效態(tài)鎘穩(wěn)定效果較好。第一季土壤中有效態(tài)鎘降低幅度（50 d）為16.2%～27.8%，第二季土壤中有效態(tài)鎘降低幅度（30 d）為16.1%～22.9%。

比較施入等量石灰石和沸石的處理組C-1和C-4的試驗(yàn)結(jié)果，表明單獨(dú)施用石灰石和沸石均能降低土壤中鎘的有效性。C-1在試驗(yàn)期30 d時(shí)效果好于C-4，但后期50 d效果C-4好于C-1，表明沸石的持續(xù)作用效果強(qiáng)于石灰石。

單獨(dú)施用生物炭的試驗(yàn)組B-1第一季50 d和第二季30 d有效態(tài)鎘降低幅度分別為20.5%和17.2%。將石灰石和沸石按比例與木屑制備的生物炭混配后施用，試驗(yàn)組B-4對(duì)有效態(tài)鎘的降低效果最好，兩季試驗(yàn)中B-4試驗(yàn)組有效態(tài)鎘降低幅度分別為27.8%和22.9%。

試驗(yàn)后75 d的土樣中有效鎘含量相比50 d時(shí)有所增加，但仍均低于同期空白土樣有效鎘含量。這是由于栽種后期水稻土落干，氧化還原電位提高，部分重金屬沉淀物又轉(zhuǎn)化為游離態(tài)，導(dǎo)致土壤有效態(tài)鎘含量有所回升。

2.2 對(duì)水稻生長(zhǎng)影響

施入該生物炭和不同配比生物炭調(diào)理劑后水稻植株的株高及葉綠素含量見(jiàn)表2和表3。

各試驗(yàn)組對(duì)水稻植株生長(zhǎng)均產(chǎn)生有利影響，C-4、B-1和B-2，B-4試驗(yàn)組在兩季試驗(yàn)中明顯促進(jìn)水稻生長(zhǎng)，株高和葉綠素含量均較高，兩季試驗(yàn)中分別高出空白18.1%～23.6%和14.3%～18.5%。生物炭混配組B-2至B-5也表現(xiàn)為促進(jìn)水稻生長(zhǎng)，收獲期水稻株高值接近，四組試驗(yàn)結(jié)果兩季相差分別為4.01%和1.11%。表明該生物炭及其混配調(diào)理劑對(duì)水稻生長(zhǎng)有一定促進(jìn)作用。

施加混配調(diào)理劑后，各處理水稻千粒重變化如圖2所示。與對(duì)水稻株高和葉綠素的影響一致，施用石灰石和沸石及混配調(diào)理劑后，各試驗(yàn)組水稻千粒重均有增加。其中C-4、B-1和B-5試驗(yàn)組兩季均處于較高水平，第一季相比空白提高23.5%、23.6%和24.2%;第二季相比空白提高20.3%、16.2%和20.4%。這表明施加沸石、生物炭及兩者混配對(duì)水稻增產(chǎn)有明顯作用，但連續(xù)施用的增產(chǎn)效果略有下降，受到水稻品種及種植季節(jié)變化的影響，需要進(jìn)一步探索研究。

2.3 對(duì)水稻鎘吸收量的影響

由圖3可知，空白組CK的水稻根鎘含量相比其他試驗(yàn)組較高，第一季比第二季高出0.107 mg/kg，這主要受水稻品種影響。兩季試驗(yàn)結(jié)果表明，施用該生物炭與石灰石混配的試驗(yàn)組B-2對(duì)根吸收鎘的抑制要好于與沸石的混配組B-5，達(dá)到28.4%和17.3%。與對(duì)水稻的生長(zhǎng)影響一致，反映沸石相比石灰石有利于水稻生長(zhǎng)。石灰石與沸石混合后施用的C-2和C-3對(duì)降低根鎘含量的作用強(qiáng)于分別單純施用的C-1和C-4，石灰石、沸石與生物炭混配施用又進(jìn)一步降低了水稻根鎘的含量，兩季中最大降幅為29.1%。

不同試驗(yàn)組稻米鎘含量如圖4所示，施加該生物炭、石灰石、沸石混配的試驗(yàn)組B-3在兩季試驗(yàn)中均能降低稻米對(duì)中鎘含量，與空白相比降幅達(dá)到36.5%和48.8%。施用石灰石的C-1試驗(yàn)組也能降低稻米中鎘含量，但連續(xù)施用效果不及與混配施用的B-2;試驗(yàn)組B-5降低稻米中鎘含量的效果也好于單獨(dú)施用等量沸石的C-4，并且第二季的降鎘幅度要大于第一季8.7%～22.3%。

3.4 水稻鎘吸收與土壤有效態(tài)鎘的相關(guān)性

稻米鎘含量受土壤鎘含量，尤其是有效態(tài)鎘含量影響大[22]。

各試驗(yàn)組稻米鎘含量與栽培期30和50 d土壤在有效態(tài)鎘含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)（Plt;0.05）為0.858 8和0.729 4。由此可見(jiàn)水稻栽種中后期土壤鎘有效性對(duì)水稻鎘吸收影響大，因此應(yīng)施用具有長(zhǎng)效性的調(diào)理劑及對(duì)水稻根吸收有較強(qiáng)抑制作用的材料有利于降低水稻對(duì)重金屬鎘的吸收。

4 結(jié) 論

將石灰石和沸石按比例與制備的生物炭進(jìn)行混配后施用，試驗(yàn)組B-4對(duì)有效態(tài)鎘的降低效果最好，兩季試驗(yàn)有效態(tài)鎘降低幅度分別為27.8%和22.9%。混配炭基調(diào)理劑中沸石的持續(xù)作用效果強(qiáng)于石灰石。

施用石灰石和沸石及混配炭基調(diào)理劑后，各試驗(yàn)組均提高。施加沸石、生物炭及兩者混配提高水稻千粒重?cái)?shù)值最高達(dá)24.2%，但連續(xù)施用的增產(chǎn)效果略有下降。

施用生物炭與石灰石、沸石混配進(jìn)一步降低了水稻根鎘的含量，兩季中最大降幅為29.1%。施加混配的試驗(yàn)組B-3在兩季試驗(yàn)中均能降低稻米對(duì)中鎘含量，與空白相比降幅達(dá)到36.5%和48.8%。

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