炭肥混施下土壤養(yǎng)分緩釋特征與芥菜鎘富集響應模擬

李轉(zhuǎn)玲 李培嶺 黃國勤 MUHAAMAD A

(1.江西農(nóng)業(yè)大學生態(tài)科學研究中心， 南昌 330045； 2.江西青年職業(yè)學院經(jīng)濟管理系， 南昌 330045；3.江西農(nóng)業(yè)大學國土資源與環(huán)境學院， 南昌 330045)

0 引言

生物質(zhì)炭具有特殊的孔隙結(jié)構(gòu)、較大的比表面積和多種化學官能團，可以吸附和負載肥料養(yǎng)分，延緩肥料在土壤中的釋放，降低養(yǎng)分淋失[1-3]，因此炭肥混合是提高土壤養(yǎng)分有效性的重要方式。生物質(zhì)炭作為一種新型多功能材料，多用來改良土壤理化性質(zhì)[4]，增加土壤碳匯，提高土壤有機質(zhì)含量[5]，還能有效地保存土壤水分和養(yǎng)料，提高土壤肥力[6]。生物質(zhì)炭輸入土壤后，通過提高土壤的碳氮比，增強了土壤對礦質(zhì)氮的吸持容量，提高了礦質(zhì)氮肥的利用率[7]。生物質(zhì)炭對氮肥影響主要是通過吸附土壤中極性化合物，并通過微孔儲存氮素得以保持[8-10]，另外生物質(zhì)炭施入土壤后可抑制微生物的反硝化作用以降低氮氧化物的排放[11]，從而減少氮肥的損失，因此在生物質(zhì)炭基肥吸附銨態(tài)氮和硝態(tài)氮作用下[12-14]，顯著減少土壤速效養(yǎng)分的損失，從而提高肥料的利用率。在土壤重金屬污染植物修復領(lǐng)域，肥料有效性是影響重金屬富集植物生育特性以及修復效率的重要因素[15-16]。目前的常規(guī)施肥方式，容易隨灌溉等因素影響造成養(yǎng)分流失[17-18]，施肥調(diào)控對于植物修復特性影響有限。本試驗借助于炭肥混施方式提高土壤養(yǎng)分有效性，以改善富集植物生理特性；研究炭肥混施下土壤養(yǎng)分有效性及印度芥菜鎘富集特征，以提高重金屬富集植物的生育水平和富集能力，為農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的重金屬污染修復提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗區(qū)位于江西省南昌市江西農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)科技園內(nèi)，屬亞熱帶季風區(qū)，以雙季稻等耕種為主，近年來隨周圍工業(yè)發(fā)展以及農(nóng)田過量施肥等影響致使土壤重金屬污染呈現(xiàn)加重趨勢，試驗區(qū)內(nèi)土壤重金屬及養(yǎng)分含量見表1。依據(jù)土壤重金屬植物修復模式及芥菜吸收、轉(zhuǎn)移和富集鎘元素特性，本文于2016年1月—2017年12月進行了炭肥混施下土壤養(yǎng)分緩釋特征及芥菜鎘富集響應試驗。通過起壟(壟頂開溝5 cm)撒種、炭肥混施和灌溉后進行回填，每壟種植兩行(壟頂間距30 cm，行距15 cm)。試驗設置不同施炭量(C0、C1、C2分別為炭肥質(zhì)量比0、3%、9%)和不同施肥量(F0、F0.2、F0.4、F0.7、F1.0分別為基準施肥量的0、20%、40%、70%和100%，基準施肥量：N 350 kg/hm2、P2O5180 kg/hm2、K2O 180 kg/hm2)共15個處理。生物炭由水稻秸稈通過SK2-1-12型管式爐 (上海實驗電爐廠) 500～600℃的高溫缺氧狀態(tài)下，對其有控制地進行高溫分解得到，生物炭比表面積5次取樣均值為(338±52)m2/g，pH值為10.08±2.30，N質(zhì)量比為(1.23±0.18)g/kg，P質(zhì)量比為(0.42±0.11)g/kg。肥料為尿素、磷酸二氫鉀、硫酸鉀(分析純),作為底肥一次性施入，試驗灌水定額整個生育期共灌溉5次，灌水日期和灌水量各處理均一致，試驗材料為湖北太谷科技公司生產(chǎn)的印度芥菜。

表1 播種前芥菜主要根區(qū)范圍內(nèi)土壤鎘及養(yǎng)分含量(質(zhì)量比)Tab.1 Soil contents of cadmium and nutrient in main root zone of mustard before sowing mg/kg

1.2 測定項目及方法

土壤鎘含量背景值：取土時間為播種前35 d，考慮炭肥混施作用、芥菜生長的關(guān)鍵期以及生物炭作用范圍，土壤養(yǎng)分及鎘含量檢測的采樣時間均為種植后110 d，并在垂直壟方向及種植行中間(距離莖稈底端水平7.5 cm)及地表以下0～30 cm土層采樣并混合均勻檢測。

芥菜生物量：從土壤中挖出芥菜，將根系沖洗干凈，用濾紙吸去明水，稱量。植株于干燥箱內(nèi)105℃殺青2 h，70℃干燥，地上部和根部分別稱量。

土壤養(yǎng)分(堿解氮、有效磷、有效鉀)含量：堿解氮含量采用堿解擴散法測定，速效磷含量采用鹽酸氟化銨浸提-鉬銻抗比色法測定，速效鉀含量則采用乙酸銨浸提-原子吸收分光光度法測定。芥菜鎘含量采用石墨爐原子吸收光譜法檢測(GB/T 5009.15—2003)，提取地上部和根部分別檢測。土壤鎘含量采用原子吸收分光光度計(Z-5000 ASS型)測定。富集系數(shù)(Bioaccumulation factors，BCFs)為植物重金屬含量與土壤中的重金屬含量的比值。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

采用SPSS 18.0軟件進行統(tǒng)計分析。每個處理3次重復，共有9個樣本計算平均值和誤差。依據(jù)兩年炭肥對土壤養(yǎng)分和植物生理指標影響，采用Logistic累積曲線模擬該模型，表述為

(1)

式中K、a、b——模型待定參數(shù)

當研究炭肥混施下土壤養(yǎng)分緩釋對施肥比例響應時，y表示土壤養(yǎng)分(有效氮、有效磷、有效鉀)含量，x表示肥料施用比例，分別為0、20%、40%、70%、100%。當研究芥菜生物量及富集特性對土壤養(yǎng)分響應時，y表示模擬指標值 (生物量、鎘含量和鎘富集系數(shù))，x表示土壤養(yǎng)分(有效氮、有效磷、有效鉀)含量。

對式(1)進行一階、二階、三階求導可以得到模擬指標高效增長的變量起始值(X1)、高效增長結(jié)束的變量值(X2)、最高效率的變量值(X0)以及最大效率值(Vmax)，各參數(shù)的計算公式分別為

(2)

(3)

(4)

(5)

模型各參數(shù)依據(jù)2016年試驗數(shù)據(jù)進行計算，通過2017年試驗數(shù)據(jù)進行對比驗證，計算分析均方根誤差(RMSE)，均方根誤差越小，表明各指標變化一致性越好。模型驗證中均方根誤差計算式為

(6)

式中PRMSE——均方根誤差

n——樣本數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 炭肥混施下土壤養(yǎng)分含量變化趨勢及緩釋特征

通過模型模擬炭肥混施下土壤養(yǎng)分對施肥比例的響應，結(jié)果表明有效氮、有效磷和有效鉀含量的RMSE占實測平均值3.29%～6.70%,相關(guān)系數(shù)R2不低于0.983 5(表2)。從土壤養(yǎng)分緩釋的實測值變化趨勢來看(圖1)，土壤養(yǎng)分含量在施肥比例區(qū)間F0至F0.7的增幅為48.74%～362.58%，F(xiàn)0.7至F1.0處理下增幅為1.85%～23.91%；施炭處理下C1、C2的土壤養(yǎng)分含量比C0分別增長5.75%～101.46%、9.39%～106.42%。從土壤養(yǎng)分模型擬合曲線及特征參數(shù)來看(表3)，有效氮、有效磷和有效鉀高效緩釋的施肥比例區(qū)間(X1～X2)為0.99%～55.18%，施炭緩釋作用下有效氮、有效磷和有效鉀的最高含量比未施炭處理提高25.89%～40.93%、24.86%～36.08%和17.38%～26.68%，有效氮、有效磷的緩釋最大效率值(Vmax)提高49.17%～90.00%、13.25%～37.35%。因此施炭有利于土壤養(yǎng)分緩釋，提高了土壤養(yǎng)分有效含量和緩釋效率，為芥菜鎘富集提供養(yǎng)分支持。

2.2 鎘污染下土壤養(yǎng)分含量變化對芥菜生物量累積的影響

生物量反映生長發(fā)育程度而且是影響芥菜鎘富集的重要因素。依據(jù)芥菜鎘富集對土壤養(yǎng)分響應模型模擬(表4)，結(jié)果表明地上部和根部生物量的RMSE分別占其平均值5.81%和6.57%且R2不小于0.957 0。圖2表明土壤鎘污染下芥菜生物量隨養(yǎng)分含量增加呈上升趨勢，其中土壤養(yǎng)分高效緩釋區(qū)間地上部和根部生物量分別增長119.65%～141.77%、246.20%～263.36%，而生物量最高的地上部、根部實測均值分別達模型預測最高值(K值)的60.94%～93.32%、44.86%～63.30%。生物量高效累積對土壤養(yǎng)分有效氮、有效磷和有效鉀含量的響應區(qū)間分別為6.26～137.96 mg/kg、6.22～41.43 mg/kg和97.25～382.00 mg/kg，其中地上部生物量高效累積相比根部的有效氮、有效磷響應區(qū)間(X1～X2)分別擴大150.00%、12.51%，最大效率值(Vmax)提高166.67%～300.00%，實現(xiàn)了芥菜同化物質(zhì)由根部至地上部的有效轉(zhuǎn)移，為芥菜鎘由根部向地上部轉(zhuǎn)移提供動力。依據(jù)表4中參數(shù)K值及對應自變量排序，比較土壤養(yǎng)分對生物量累積的驅(qū)動潛力影響，則地上部由大到小順序為有效氮、有效鉀、有效磷含量；根部由大到小順序為有效鉀、有效磷、有效氮含量。

表2 炭肥混施下土壤養(yǎng)分含量變化的模型參數(shù)Tab.2 Regression model parameters and soil nutrient content under mixed carbon-fertilizer treatment

圖1 炭肥混施下土壤養(yǎng)分含量的變化曲線Fig.1 Changing trend of soil nutrient content under combined application of carbon and fertilizer

土壤養(yǎng)分施炭處理特征參數(shù)土壤養(yǎng)分高效緩釋含量/(mg·kg-1)X1/%X2/%X0/%Vmax初始值結(jié)束值效率最高值C01.5345.4323.481.2016.8663.9640.75有效氮C10.9938.6219.801.7921.5380.5250.80C22.3435.2618.802.2824.0790.1457.43C02.5055.1828.840.8314.1053.0233.70有效磷C12.3154.9928.650.9415.8766.2046.99C21.8945.7923.841.1416.1072.1551.54C01.6854.3628.029.54121.40531.18368.36有效鉀C11.7854.4628.129.65131.53623.50448.65C22.0754.7528.4110.32166.80672.92535.48

表4 芥菜生物量累積對土壤養(yǎng)分響應的模型參數(shù)及特征參數(shù)Tab.4 Model parameters and characteristic parameters of mustard biomass accumulation in response to soil nutrients

圖2 芥菜生物量累積對土壤養(yǎng)分的響應趨勢Fig.2 Response trends of biomass accumulation of mustard to soil nutrients

2.3 鎘污染下土壤養(yǎng)分含量對芥菜鎘富集趨勢影響

依據(jù)芥菜鎘富集對土壤養(yǎng)分響應模型，鎘含量、富集系數(shù)的模擬結(jié)果表明(表5)RMSE值占實測平均值為4.76%～8.37%，R2不小于0.973 0，模型較好地反映了芥菜鎘富集對土壤養(yǎng)分的響應趨勢。圖3表明芥菜鎘富集隨土壤養(yǎng)分含量增加呈上升趨勢，在土壤養(yǎng)分高效緩釋區(qū)間內(nèi)(有效氮、有效磷和有效鉀質(zhì)量比分別為：16.86～91.14 mg/kg、14.10～72.15 mg/kg和121.40～672.92 mg/kg)，鎘含量、富集系數(shù)分別增長97.79%～201.96%、122.40%～143.02%，并隨土壤養(yǎng)分增加地上部、根部的鎘含量試驗處理最高均值達模型預測最高值(K值)的80.49%～98.85%、62.07%%～90.33%，富集系數(shù)則為26.78%～60.08%、45.27%～66.30%，可見芥菜鎘含量隨土壤養(yǎng)分含量增加已達較高水平，而富集系數(shù)仍有上升潛力。依據(jù)表5中參數(shù)K值及相應自變量排序，比較土壤養(yǎng)分的驅(qū)動潛力，鎘含量由大到小排序為：有效鉀、有效磷、有效氮含量；富集系數(shù)由大到小排序為：有效磷、有效鉀、有效氮含量。

2.4 芥菜鎘高效富集的土壤養(yǎng)分含量及炭肥混施策略

從芥菜鎘富集對土壤有效養(yǎng)分響應的特征參數(shù)來看(表6)，鎘含量高效累積的土壤有效氮、有效磷和有效鉀質(zhì)量比響應區(qū)間分別為5.76～67.01 mg/kg、10.07～39.34 mg/kg和143.99～447.23 mg/kg，而土壤養(yǎng)分高效緩釋的有效氮、有效磷和有效鉀質(zhì)量比分別在91.14、72.15、672.92 mg/kg以下，表明本試驗中炭肥混施下高效緩釋土壤養(yǎng)分含量能夠滿足鎘含量高效累積需求。另外鎘含量高效累積中根部比地上部的有效氮、磷響應區(qū)間(X1～X2)擴大9.30%、22.21%，且最大效率值(Vmax)提高68.39%～136.84%，表明地上部鎘含量提升可通過土壤養(yǎng)分緩釋驅(qū)動根部鎘的轉(zhuǎn)移實現(xiàn)。富集系數(shù)高效提升的有效氮、有效磷和有效鉀質(zhì)量比響應區(qū)間分別為3.22～96.74 mg/kg、10.34～75.58 mg/kg、32.01～342.60 mg/kg，表明富集系數(shù)提升所需的有效氮、有效磷含量略高于土壤養(yǎng)分高效緩釋區(qū)間。綜合比較芥菜鎘含量、富集系數(shù)高效提升需求，土壤有效氮、有效磷和有效鉀含量分別應滿足96.74、75.58、447.23 mg/kg。結(jié)合土壤養(yǎng)分緩釋特征及節(jié)約肥料的原則，通過模型式(1)反算，確定芥菜鎘高效富集的炭肥混施策略：C2情況下有效氮、有效磷和有效鉀肥的比例為60.58%、61.32%、21.48%。

表5 芥菜鎘富集特性對土壤養(yǎng)分響應的模型參數(shù)及特征參數(shù)Tab.5 Model parameters and characteristic parameters of mustard cadmium enrichment in response to soil nutrient

圖3 芥菜鎘含量和富集系數(shù)對土壤養(yǎng)分的響應趨勢Fig.3 Response trends of cadmium content and enrichment coefficient of mustard to soil nutrients

表6 芥菜鎘含量和富集系數(shù)對土壤養(yǎng)分響應的特征參數(shù)Tab.6 Characteristic parameters of response of cadmium accumulation in mustard plants to soil nutrient content

3 討論

土壤重金屬污染植物修復技術(shù)已經(jīng)取得了一定的研究成果，其中土壤養(yǎng)分管理、植物生長發(fā)育調(diào)控、重金屬富集特性等是影響植物修復效率的重要環(huán)節(jié)[19-22]。目前施肥對植物修復調(diào)控效應有限，主要是土壤養(yǎng)分損失問題突出，而施加生物炭能夠提高土壤養(yǎng)分有效性和利用效率，因此本文采用炭肥混施方式研究土壤養(yǎng)分緩釋特征。同目前相關(guān)炭肥混施或施加生物炭對肥料利用等研究相比[23-25]，本研究的特點是依據(jù)Logistic曲線模型模擬土壤養(yǎng)分緩釋特征，通過對比土壤養(yǎng)分高效緩釋區(qū)間和最大緩釋效率值等參數(shù)，分析炭肥混施對土壤養(yǎng)分緩釋的影響。結(jié)果表明在肥料中添加施炭量相比未施炭的有效氮、有效磷最大緩釋效率值分別提升49.17%～90.00%、13.25%～37.35%，高效緩釋下土壤養(yǎng)分含量提高17.38%～40.93%，因此施炭提高了土壤養(yǎng)分含量和緩釋效率。但超過土壤養(yǎng)分高效緩釋區(qū)間的施肥比例，可能由于一定施炭量情況下肥料養(yǎng)分維持和儲存能力有限，隨施肥量增加土壤有效養(yǎng)分含量增幅有所下降，生物炭的緩釋作用有所降低[26]，因此提高土壤養(yǎng)分緩釋效率可以考慮減少施肥量或增加施炭量，尤其是對于重金屬污染土壤植物修復的養(yǎng)分需求持續(xù)性具有重要意義。

生物量反映生長發(fā)育程度而且是影響重金屬富集植物的重要因素。通過同化物質(zhì)由根部向地上部有效轉(zhuǎn)移驅(qū)動植物重金屬富集，在本試驗中鎘富集下芥菜生物量在土壤養(yǎng)分高效緩釋區(qū)間增長119.65%～263.36%，且地上部相比根部的生物量高效累積最大效率值提高166.67%～300.00%，有效氮、有效磷響應區(qū)間分別擴大150.00%、12.51%，說明在土壤養(yǎng)分緩釋作用下提升了光合產(chǎn)物合成與轉(zhuǎn)移效率[26-27]，為芥菜鎘由根部向地上部的轉(zhuǎn)運提供動力基礎。土壤養(yǎng)分可能有助于消減根部的重金屬脅迫影響進而提升重金屬富集特性，為土壤重金屬芥菜修復效率的提升奠定基礎[28-29]。本試驗中芥菜鎘含量、富集系數(shù)在土壤養(yǎng)分高效緩釋區(qū)間增長97.79%～201.96%，表明土壤養(yǎng)分緩釋作用下芥菜鎘富集效率較高；鎘含量高效累積中根部比地上部的有效氮、有效磷響應區(qū)間擴大9.30%、22.21%，且最大效率值提高68.39%～136.84%，表明地上部鎘含量提升可通過土壤養(yǎng)分緩釋驅(qū)動根部鎘的轉(zhuǎn)移實現(xiàn)。因此總體上炭肥混施土壤養(yǎng)分緩釋作用促進了芥菜生物量累積以及鎘高效富集，實現(xiàn)芥菜鎘富集提升并節(jié)約肥料資源的目的。

4 結(jié)束語

Logistic曲線模型模擬炭肥混施下土壤養(yǎng)分緩釋特征及芥菜鎘富集趨勢效果較好，模型反映出炭肥混施相比未施炭可顯著提高土壤養(yǎng)分的含量和緩釋效率，高效緩釋作用下土壤養(yǎng)分含量提高17.38%～40.93%。在土壤養(yǎng)分高效緩釋區(qū)間內(nèi)生物量增長119.65%～263.36%，鎘含量、富集系數(shù)增長97.79%～201.96%，可見炭肥混施對土壤養(yǎng)分的緩釋作用驅(qū)動了芥菜生長發(fā)育及鎘高效累積。為滿足芥菜鎘高效富集并兼顧肥料節(jié)約原則，通過模型計算得炭肥混施最優(yōu)策略為：9%施炭下有效氮、有效磷和有效鉀肥的比例為60.58%、61.32%、21.48%。