不同材料生物炭和施用量對(duì)小麥和黃瓜種子萌發(fā)和根莖生長(zhǎng)的影響

宋婷婷，陳義軒，李 潔，于志國(guó)，賴 欣，張貴龍

（1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，天津300191；2.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，沈陽(yáng)110866；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京100081）

生物炭是生物質(zhì)材料在低氧環(huán)境下高溫?zé)峤猱a(chǎn)生的一類多功能材料[1]，具有高含碳量、多孔性、吸附能力強(qiáng)等特點(diǎn)[2]。大量研究指出，向農(nóng)田施用生物炭不僅可以提高土壤碳氮含量，還可以提高土壤持水力[3]，增加土壤養(yǎng)分固持[4]，因此添加生物炭在一定程度上有利于改善土壤理化性質(zhì)，提高土壤生物活性[5]。近年來(lái)，一些研究也認(rèn)為生物炭與傳統(tǒng)改良劑相比，具有成本低、技術(shù)原理簡(jiǎn)單、環(huán)境友好等特點(diǎn)，不僅可解決土壤污染問(wèn)題，還可以為秸稈等過(guò)剩農(nóng)業(yè)廢棄物提供解決途徑[6]，因此在土壤、水體污染修復(fù)，新型肥料制備等領(lǐng)域，生物炭具有廣闊應(yīng)用前景[7]。

盡管與傳統(tǒng)改良劑相比，生物炭具有諸多優(yōu)勢(shì)，但也有大量研究顯示，由于制備原料、方法和投入劑量的不同，不同材料生物炭本身的理化性狀[8]、吸附特征[9]、有害物質(zhì)釋放量[10]等均存在顯著差異。雖然一些研究認(rèn)為添加生物炭有利于降低受污染土壤多環(huán)芳烴化合物（PAHs）的生物有效性[11]，但另一些研究也顯示，在生物炭制備過(guò)程中，由于不完全燃燒和熱解，會(huì)產(chǎn)生多種多環(huán)芳烴化合物[12]。多環(huán)芳烴化合物是重要的環(huán)境污染物，抑制土壤微生物的活性和種子萌發(fā)，對(duì)土壤生物區(qū)系組成、根系養(yǎng)分可利用性和作物生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響[13-15]，因此，其農(nóng)田施用生物質(zhì)炭的安全性仍存在爭(zhēng)議[16-17]。Rogovska 等[18]的研究結(jié)果顯示，在6 種不同材料制備的生物炭中均測(cè)出萘、二苯并呋喃、蒽等多環(huán)芳烴化合物，而其總PAHs含量范圍為0.8～255.3 μg·g-1，不同材料制得生物炭PAHs 含量差異顯著。Buss 等[19]也指出，土壤淋溶液中總PAHs 含量隨生物炭施用量的增加而升高，并對(duì)作物早期生長(zhǎng)產(chǎn)生顯著抑制作用。李陽(yáng)等[20]的研究進(jìn)一步顯示，所用玉米秸稈生物炭測(cè)出8 種多環(huán)芳烴化合物，其浸提液中PAHs 總量接近3750 ng·g-1，對(duì)作物早期生長(zhǎng)有顯著抑制作用。雖然上述研究提到生物炭本身具有多環(huán)芳烴，且含量存在一定差異，但常規(guī)施用是否達(dá)到安全閾值，作物生長(zhǎng)是否受生物炭含有的PAHs影響，仍缺乏相應(yīng)報(bào)道。因此，探討各原料生物炭在不同用量下對(duì)土壤環(huán)境和作物早期生長(zhǎng)的影響，對(duì)生物炭的農(nóng)田安全使用具有重要意義[21-22]。

本研究以小麥種子和黃瓜種子為供試對(duì)象，采用培養(yǎng)試驗(yàn)，以不施用生物炭處理作為對(duì)照（CK），分別按不同的比例施用花生殼生物炭（PBC）、玉米秸稈生物炭（MBC）、楊木屑生物炭（ABC）以及竹屑生物炭（BBC），測(cè)定不同種類生物炭組分及理化性質(zhì)和水溶性PAHs 的含量，及不同施用量對(duì)小麥和黃瓜種子發(fā)芽率及早期生長(zhǎng)特征的影響，為生物炭的安全施用提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 原料性質(zhì)及生物炭制備

本研究以花生殼（P）、玉米秸稈（M）、楊木屑（A）、竹屑（B）4 種生物質(zhì)為原料，原料化學(xué)組分如表1 所示。原料經(jīng)自然風(fēng)干、粉碎、研磨后過(guò)20 目篩，在500 ℃下充N2制備生物炭。具體的操作過(guò)程為：?jiǎn)?dòng)溫度為60 ℃，以8 ℃·min-1幅度升溫至500 ℃，保持120 min，然后保持通N2狀態(tài)冷卻至室溫。冷卻后，將生物炭研磨過(guò)100目篩，干燥保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 生物炭理化性質(zhì)和PAHs的測(cè)定

生物炭組分特性各指標(biāo)的測(cè)試分析方法在前期研究均有報(bào)道。pH 測(cè)定參考GB/T 12496.7—1999；灰分含量測(cè)定采用緩慢灰化法，參照GB/T 17664—1999；揮發(fā)分的測(cè)定參照GB/T 2001—2013；固定碳的計(jì)算方法為固定碳（%）=100-灰分（%）-揮發(fā)分（%）；采用X 射線光電子能譜（XPS）測(cè)定生物炭相對(duì)原子含量（%）[23-24]。

生物炭水溶性PAHs 提取方法如下：按10 g 生物炭加入100 mL去離子水（固液比1∶10 m/m），混合后，150 r·min-1振蕩24 h，振蕩結(jié)束后經(jīng)whatman no.1 定性濾紙過(guò)濾（濾紙厚度0.18 mm，滯留粒徑11 μm）。將燒杯中提取物用高純氮?dú)獯祾咛崛∫褐粮?，隨后用正己烷定容至2 mL，過(guò)0.22 μm 濾膜，轉(zhuǎn)入進(jìn)樣小瓶[19]。土壤樣品、土壤生物炭混合后樣品中PAHs 測(cè)定采用超聲萃取-層析柱凈化-質(zhì)譜聯(lián)用的方法。提取方法如下：稱取2.0 g 土樣于25 mL 玻璃離心管中，加入10 mL 二氯甲烷（分析純），蓋緊后置于超聲水浴中連續(xù)提取1 h。隨后在4000 r·min-1條件下離心5 min。將上清液通過(guò)裝有少量無(wú)水Na2SO4的漏斗轉(zhuǎn)移至干燥燒杯中，重復(fù)兩次。通風(fēng)櫥內(nèi)用高純氮?dú)獯祾咛崛∫褐劣袡C(jī)相蒸干，隨后正己烷定容至2 mL。取1 mL 過(guò)2 g 硅膠柱凈化后用體積比為1∶1 的二氯甲烷和正己烷混合溶液洗脫，將洗脫液收集至旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)瓶中，在40 ℃下恒溫濃縮干燥，再用正己烷定容至2 mL，過(guò)0.22 μm 濾膜后，轉(zhuǎn)入進(jìn)樣小瓶[25]。本研究主要測(cè)定美國(guó)環(huán)保局和歐洲環(huán)保組織優(yōu)先考慮的16 種多環(huán)芳烴的含量[26]。PAH16測(cè)定儀器為氣相色譜串聯(lián)三重四極桿質(zhì)譜儀（安捷倫7890GC-7000C triplequadrupole MS），檢測(cè)限（MDL）為1 μg·kg-1。

掃描電鏡圖（SEM）：采用TM-1000 型掃描電鏡（HIECH Corp），冷場(chǎng)發(fā)射式，觀察生物炭樣品的大小、形狀和表面特征。

1.3 土壤理化性質(zhì)測(cè)定

供試土壤采自天津西青區(qū)益利來(lái)生態(tài)農(nóng)場(chǎng)，常年種植黃瓜、番茄等蔬菜作物。土壤取樣后經(jīng)充分混合，風(fēng)干過(guò)20 目篩后待用。土壤全氮含量采用凱氏定氮法測(cè)定，土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮濃度采用全自動(dòng)連續(xù)流動(dòng)分析儀（AA3，Bran+Luebbe Corp）測(cè)定。有機(jī)質(zhì)、全磷等基本理化性質(zhì)測(cè)定方法參照《土壤農(nóng)化分析》[27]。測(cè)定結(jié)果見表2。

1.4 發(fā)芽試驗(yàn)

將4 種生物炭（竹炭、木屑炭、花生殼炭、玉米秸稈炭）按0、20.0、40.0、80.0、160.0 g·kg-1施用比例與100 g 土壤混合均勻后裝于培養(yǎng)皿中。底部平鋪濾紙，選取黃瓜、小麥各25粒。種子用10%H2O2浸泡10 min，隨即用自來(lái)水和去離子水各沖洗3 次。將種子于去離子水中浸泡2 h 后，濾紙拭干表面水分待用。將25 粒處理過(guò)的種子均勻鋪于各培養(yǎng)皿中，調(diào)節(jié)水分至田間持水量的40%～50%，置于培養(yǎng)箱中（25±0.5 ℃）避光培養(yǎng)，每個(gè)處理5 個(gè)重復(fù)，記錄種子的發(fā)芽情況。測(cè)量指標(biāo)及方法如下：

當(dāng)對(duì)照組種子發(fā)芽率超過(guò)65%且對(duì)照根長(zhǎng)超過(guò)3 cm 時(shí)結(jié)束發(fā)芽實(shí)驗(yàn)，并以初生根長(zhǎng)＞5 mm 作為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)發(fā)芽數(shù)，用直尺測(cè)定各處理已萌發(fā)種子根長(zhǎng)、莖長(zhǎng)。生物炭施用對(duì)作物生態(tài)安全性可用種子發(fā)芽試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)，主要指標(biāo)有發(fā)芽率、根伸長(zhǎng)抑制率、莖長(zhǎng)抑制率等，按以下公式計(jì)算[28]。

表1 花生殼（P）、玉米秸稈（M）、楊木屑（A）、竹屑（B）原料化學(xué)組分Table 1 The proximate analysis of the peanut shell（P），corn stalks biochar（M），aspen chips（A）and the bamboo chips（B）

表2 供試土壤基本理化性質(zhì)Table 2 Basic physical and chemical properties of soil

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Microsoft Excel 2010、Origin 9.1和OMNIC 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以及圖表的繪制，SPSS 20.0 統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，Duncan 多重比較判斷處理間的差異顯著性（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同材料生物炭的組分特征

由圖1 可知，4 種生物炭表面均存在明顯的孔隙結(jié)構(gòu)，且表面粗糙、凹凸不平，其中，楊木屑生物炭（圖1c）表面的孔隙大且密集，花生殼生物炭（圖1a）和玉米秸稈生物炭（圖1b）次之，而竹屑生物炭（圖1d）表面看不到明顯的孔隙結(jié)構(gòu)。由生物炭的FT-IR圖（圖2）可見，4種生物炭在3781、3434、2363、1628、1383、1087 cm-1處存在6 個(gè)主要的吸收峰，主要由-OH、-C≡C-和-C≡N-、=C=C=C=和=C=C=O-C=O、-C-O、-O-引起。不同材料生物炭組分差異顯著（表3）?；曳?、揮發(fā)分和固定態(tài)碳變化范圍分別為0.7%～5.8%、0.57%～0.77%和93.40%～98.50%。4 種生物炭C、O 質(zhì)量分?jǐn)?shù)在80.70%～86.80%和11.70%～15.40%之間。N、P、S、K等無(wú)機(jī)養(yǎng)分含量較低或部分未檢測(cè)出。4種生物炭均呈堿性，pH變化范圍為9.92～8.76，其中花生殼生物炭pH 最高達(dá)9.92，較楊木屑生物炭高出11.69%。

圖1 不同原料生物炭電鏡掃描圖（×2000倍）Figure 1 SEM（×2000 times）of different raw materials

2.2 不同材料生物炭水浸提液PHAs含量

結(jié)果顯示，4 種生物炭浸提液中均含多環(huán)芳烴類化合物，16 種EPA 優(yōu)控PAHs（PAH16）總量變化范圍為62.48～95.83 μg·kg-1，無(wú)顯著差異。4 種生物炭浸出PAH16均為萘（Nap）、芴（Fl）、菲（Phe）、熒蒽（Flt）和芘（Pyr），其中，芘（Pyr）含量最高，分別為48.58、46.95、43.96 μg·kg-1和37.28 μg·kg-1，分別占PAH16總量的51.91%、48.99%、50.41%和59.67%（表4）。

圖2 不同原料生物炭傅里葉紅外光譜圖（FT-IR）Figure 2 FT-IR spectra o of biochar on different raw materials

表3 不同原料生物炭特性分析Table 3 Analysis of characteristics of biochar on different raw materials

2.3 生物炭添加量對(duì)土壤PAH16含量的影響

如圖3所示，隨生物炭添加量的增加，土壤PAH16含量顯著增加，變化范圍為42.37～204.04 μg·kg-1。其中PBC 與MBC 增幅最大，當(dāng)二者添加量為160.0 g·kg-1時(shí)，PAH16含量分別為89.69 μg·kg-1和204.04 μg·kg-1，較CK 相比增幅達(dá)44.83%和75.75%。土壤中添加生物炭，土壤PAH16含量會(huì)隨著生物炭添加量的增加而增加（圖3）。土壤中PHA16含量在小于80 μg·kg-1時(shí)，對(duì)兩種作物的根長(zhǎng)和莖長(zhǎng)沒有明顯的抑制，當(dāng)土壤PHA16含量超過(guò)80 μg·kg-1后，兩種作物根、莖生長(zhǎng)受到明顯的抑制（圖4）。

2.4 不同材料生物炭對(duì)種子發(fā)芽率的影響

由表5 所示，各處理種子發(fā)芽率均在85%以上，且生物炭種類和用量對(duì)兩種根系類型作物（小麥、黃瓜）種子發(fā)芽率均無(wú)顯著影響。雖然與無(wú)生物炭添加的空白對(duì)照相比，隨生物炭用量的增加，小麥和黃瓜種子發(fā)芽率整體上呈升高趨勢(shì)，但促進(jìn)作用不顯著。

2.5 不同生物炭對(duì)種子根、莖生長(zhǎng)的影響

圖3 添加生物炭處理土壤PAH16含量Figure 3 Soil PAH16 content after adding biochar

由表6 可知，隨生物炭用量的增加，各處理均呈低添加量促進(jìn)小麥和黃瓜種子根系生長(zhǎng)，高添加量抑制根系生長(zhǎng)的趨勢(shì)。其中，與其他3 種生物炭相比，PBC 對(duì)小麥根長(zhǎng)的促進(jìn)效果最好，當(dāng)PBC 添加量為80.0 g·kg-1時(shí)，根長(zhǎng)達(dá)最大值6.79 cm，顯著高于CK；MBC、ABC 與BBC 均在施用量40.0 g·kg-1時(shí)對(duì)小麥根長(zhǎng)的促進(jìn)效果最好，分別較CK 高出83.49%、49.85%和45.26%，之后隨著生物炭添加量的增加，對(duì)根長(zhǎng)的促進(jìn)作用逐漸減小。而當(dāng)生物炭添加量為160.0 g·kg-1時(shí)，各處理小麥根長(zhǎng)顯著降低。MBC 添加量為160.0 g·kg-1時(shí)，小麥根長(zhǎng)僅為1.30 cm，顯著抑制根系生長(zhǎng)。與小麥種子相比，高添加量對(duì)黃瓜種子根長(zhǎng)的抑制作用更為顯著。各處理中，黃瓜種子最大根長(zhǎng)分別為4.50、4.48、4.78 cm 和4.24 cm，較CK 相比增幅為23.98%～39.77%，顯著低于小麥種子的45.26%～107.65%。而當(dāng)4 種生物炭施用量為160.0 g·kg-1時(shí)，黃瓜根長(zhǎng)僅為2.65、1.74、1.88 cm 和3.38 cm，抑制率分別為22.51%、49.12%、45.03%和4.17%，也說(shuō)明黃瓜根系對(duì)高劑量生物炭施用更為敏感。

表4 不同原料生物炭的PAH16含量（μg·kg-1）Table 4 Concentrations of PAH16 of the biochars（μg·kg-1）

不同生物炭對(duì)小麥和黃瓜莖長(zhǎng)的影響，也隨其施用量的增加，表現(xiàn)出先促進(jìn)、后抑制的趨勢(shì)（表6）。其中，PBC 對(duì)小麥和黃瓜莖長(zhǎng)的促進(jìn)效果最好，當(dāng)其添加量達(dá)到80.0 g·kg-1時(shí)，小麥和黃瓜莖長(zhǎng)分別為10.98 cm 和6.48 cm，較CK 相比分別增加173.82%和85.14%。當(dāng)MBC、ABC 和BBC 添加量為40.0 g·kg-1時(shí)，對(duì)小麥莖長(zhǎng)的促進(jìn)達(dá)到最大值，分別為9.35、7.43 cm 和7.19 cm，后隨生物炭添加量的增加，對(duì)莖長(zhǎng)的促進(jìn)逐漸減小。在4 種不同添加量下，PBC、ABC、BBC 對(duì)小麥種子的莖長(zhǎng)均表現(xiàn)出促進(jìn)作用。而MBC在160.0 g·kg-1劑量下，與CK 相比，莖長(zhǎng)表現(xiàn)出顯著的抑制作用。

2.6 生物炭用量與種子發(fā)芽率、根長(zhǎng)和莖長(zhǎng)的相關(guān)性分析

由表7 可知，由于小麥和黃瓜根長(zhǎng)和莖長(zhǎng)在一定程度上與各生物炭添加量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，二者根長(zhǎng)和莖長(zhǎng)隨各生物炭添加量的增加而增加，生物炭種類和添加量均極顯著影響小麥和黃瓜的根長(zhǎng)和莖長(zhǎng)，且交互作用顯著；而生物炭種類和添加量對(duì)小麥和黃瓜種子發(fā)芽率的影響不顯著，交互作用影響亦不顯著。

3 討論

3.1 不同材料制備生物炭的組分特征

供試花生殼、玉米秸稈、楊木屑以及竹屑生物炭均為快速熱解條件下制備，由生物炭的基本理化性質(zhì)可得知，4 種生物炭均呈堿性，主要與生物炭本身礦質(zhì)灰分，以及生物炭表面官能團(tuán)有關(guān)[29]。本研究結(jié)果也顯示，4 種生物炭表面孔隙結(jié)構(gòu)明顯（圖1），表面附有-O-、-OH、-C=O 等含氧官能團(tuán)（圖2）。生物炭無(wú)機(jī)養(yǎng)分組成也顯示，4 種生物炭固定碳含量在90%以上，N、K、P、S 等含量極低或部分缺失，該結(jié)果與Yu等[30]和Macdonald 等[31]相似，其認(rèn)為，與糞便廢棄物制備的生物炭相比，秸稈類生物炭含碳量明顯較高，且N、P、S 等非金屬元素會(huì)在生物炭熱解制備過(guò)程中揮發(fā)損失。

表5 不同原料生物炭對(duì)種子發(fā)芽率的影響Table 5 Effects of different biochars on the percentage of germination of wheat and cucumber seeds

表6 不同原料生物炭對(duì)小麥和黃瓜根長(zhǎng)和莖長(zhǎng)的影響Table 6 Effects of different biochars on the root and shoot length of wheat and cucumber

此外，4 種生物炭本身除含有對(duì)植物生長(zhǎng)有利的Mg、K 等營(yíng)養(yǎng)元素外，也含有多種PAHs 有機(jī)化合物，且不同材料生物炭PAHs 含量存在顯著差異（表4）。多環(huán)芳烴（PAHs）是一類具有致癌、致突變的持久性有機(jī)污染物，有研究指出，該有機(jī)污染物在熱解制備生物炭的過(guò)程中產(chǎn)生，會(huì)對(duì)環(huán)境健康和作物生長(zhǎng)發(fā)育構(gòu)成威脅[32]。生物炭對(duì)土壤PAHs總量及有效性的影響主要集中在污染土壤化學(xué)污染物去除方面[33]，但也有研究顯示，施用生物炭，可能引入多環(huán)芳烴或重金屬等有害物質(zhì)到土壤環(huán)境中，產(chǎn)生毒害，從而對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生負(fù)面影響，造成作物減產(chǎn)[34]。生物炭浸提液中PAHs 含量的高低與制備溫度有關(guān)，735～850 ℃制備的生物炭提取液PAHs濃度最高，而500 ℃以下溫度制備生物炭PAHs 濃度較低[35]，且農(nóng)用秸稈制備生物炭中多環(huán)芳烴等有機(jī)污染物濃度要顯著低于畜禽糞便等有機(jī)廢棄物制備生物炭[36-37]。本研究中，16 種優(yōu)控PAHs 總量變化范圍為43.16～204.04 μg·kg-1，顯著低于歐盟和美國(guó)對(duì)用于土地處理的生物性固體廢棄物所規(guī)定的安全限值（3 mg·kg-1[38]；6 mg·kg-1[39]），且測(cè)出PAHs 為萘（Nap）、芴（Fl）、菲（Phe）、熒蒽（Flt）和芘（Pyr），均為毒性較低的非致癌性PAH16。但本研究顯示，當(dāng)土壤PHA16含量超過(guò)80 μg·kg-1后，兩種作物根、莖生長(zhǎng)仍受到明顯抑制（圖4），該閾值與蘇君梅等[40]對(duì)小麥的研究結(jié)果相似，但低于丁克強(qiáng)等[41]和曹啟民等[42]的研究結(jié)果，與前期研究均為添加單體PAHs 化合物有關(guān)，也和土壤類型與供試植物種類有關(guān)。

表7 生物炭種類（B）與添加量（M）對(duì)小麥和黃瓜種子發(fā)芽率、根長(zhǎng)和莖長(zhǎng)影響的雙因素方差分析Table 7 Two-factor variance analysis of effects by biochar of different materials and inputs on germination，root length，shoot length of wheat and cucumber

圖4 土壤PAH16含量對(duì)小麥、黃瓜根長(zhǎng)和莖長(zhǎng)的影響Figure 4 Effect of soil PAH16 content on root length and shoot length of wheat and cucumber

3.2 不同材料生物炭對(duì)種子萌發(fā)和根莖早期生長(zhǎng)的影響

不同劑量下種子發(fā)芽抑制試驗(yàn)是被廣泛采用的高等植物毒理試驗(yàn)方法，通過(guò)對(duì)小麥和黃瓜兩種根系類型植物在污染條件下的發(fā)芽和早期根、莖生長(zhǎng)狀況進(jìn)行分析是評(píng)價(jià)環(huán)境毒性的優(yōu)選方法。本研究中，生物炭對(duì)小麥和黃瓜種子發(fā)芽率的影響不顯著，對(duì)根、莖生長(zhǎng)的影響總體呈生物炭低添加量促進(jìn)、高添加量抑制趨勢(shì)（表6、表7）。一方面，種子胚內(nèi)養(yǎng)分供應(yīng)會(huì)影響種子萌發(fā)過(guò)程對(duì)污染物的敏感性，種子發(fā)芽率對(duì)有害物質(zhì)反應(yīng)最遲緩，而與污染物直接接觸的根部伸長(zhǎng)與發(fā)育對(duì)污染物的響應(yīng)最為敏感[41]。另一方面，前期報(bào)道指出，生物炭具疏松多孔的特性，添加到土壤后會(huì)提高土壤孔隙度，降低土壤容重，從而使土壤的抗張強(qiáng)度降低，改變土壤團(tuán)聚體特性，提高土壤持水、透氣性，從而促進(jìn)作物的生長(zhǎng)[43-44]。同時(shí)，生物炭的輸入還可通過(guò)為土壤微生物提供碳源和棲息場(chǎng)所，影響微生物群落分布，激發(fā)微生物生長(zhǎng)，提高土壤微生物的種類和數(shù)量[45]。因此，生物炭對(duì)土壤養(yǎng)分含量、土壤酸堿度及質(zhì)地等影響，也會(huì)對(duì)污染物產(chǎn)生干擾，進(jìn)而影響其診斷指標(biāo)的敏感性。只有當(dāng)土壤中污染物的劑量達(dá)到一定水平時(shí)才表現(xiàn)其抑制作用。因此，本研究結(jié)果顯示，當(dāng)4 種生物炭超過(guò)80 g·kg-1添加量時(shí)，兩種作物的根莖長(zhǎng)度均顯著降低（表4、表5），該結(jié)果與Buss 等[19]研究相似。李陽(yáng)等[20]研究結(jié)果顯示，隨生物炭劑量增加，西紅柿種子發(fā)芽率、根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)呈現(xiàn)先增后降的變化趨勢(shì)，主要是因?yàn)楣┰嚿锾砍兄参锷L(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)外，也存在重金屬[46]、PAHs[47]、揮發(fā)物[48]等潛在污染物，影響作物早期生長(zhǎng)。黃超等[49]研究指出，在肥力水平較高的土壤中，高量施用生物質(zhì)炭（200 g·kg-1）可導(dǎo)致土壤微生物生物量下降，從而對(duì)作物的生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用。Zwieten 等[50]研究提出，由于生物炭本身灰分物質(zhì)中含有Na、Ca 和Mg 等堿金屬元素，及表面負(fù)載有吡喃酮等堿性官能團(tuán)，對(duì)溫帶堿性農(nóng)業(yè)土壤施用過(guò)量生物炭，可能會(huì)導(dǎo)致土壤pH 值過(guò)高。此外，高量施用生物炭也可帶入過(guò)多有機(jī)碳組分，從而引起土壤微生物及植物生長(zhǎng)競(jìng)爭(zhēng)氮素等問(wèn)題，降低土壤氮素養(yǎng)分可利用性，影響作物養(yǎng)分吸收，抑制作物生長(zhǎng)[51-52]。

本研究中，不同作物對(duì)生物炭響應(yīng)不同，生物炭對(duì)小麥種子根長(zhǎng)和莖長(zhǎng)的促進(jìn)效果優(yōu)于黃瓜種子，該結(jié)果與Marks 等[53]的研究結(jié)果相近，其指出不同作物對(duì)生物炭產(chǎn)生的揮發(fā)物耐受性不同，對(duì)磷、鈣等養(yǎng)分需求和利用效率也存在差異。李瑞霞等[54]對(duì)冬小麥根系結(jié)構(gòu)的研究認(rèn)為，適量施用生物炭可顯著增加初生根直徑和長(zhǎng)度，但抑制側(cè)根生長(zhǎng)，說(shuō)明適量施用生物炭處理可減少小麥根部冗余，優(yōu)化根區(qū)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)其主根吸收水分養(yǎng)分的能力。周勁松等[55]對(duì)須根系作物水稻的解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，添加生物炭改變根表皮細(xì)胞體積和皮層厚度，高施炭量處理的水稻根表皮細(xì)胞幾乎完全脫落、皮層發(fā)育受到抑制。因此，生物炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用，需根據(jù)不同土壤、作物種類以及不同生物炭材料，確定安全用量，為生物炭田間安全施用提供理論依據(jù)，降低其還田生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

（1）4種生物炭均呈堿性，官能團(tuán)組成主要有-OH、=C=C=O、-C=O、-C-O 和-O-等含氧官能團(tuán)，C含量最高在80.74%～86.82%之間，O 含量次之在11.69%～15.43%之間。

（2）生物炭浸提物中16 種優(yōu)控PAHs 總量均值變化范圍為62.48～95.83 μg·kg-1。隨生物炭添加量的增加，土壤PAH16含量顯著增加，變化范圍為42.37～204.04 μg·kg-1，增幅上MBC＞PBC＞BBC＞ABC。

（3）在培養(yǎng)條件下，生物炭添加量對(duì)小麥和黃瓜種子發(fā)芽率的影響不顯著，但顯著影響其根、莖生長(zhǎng)?？傮w表現(xiàn)為生物炭低添加量促進(jìn)、高添加量抑制的趨勢(shì)，當(dāng)土壤生物炭施用量超過(guò)80 g·kg-1后，供試小麥和黃瓜發(fā)芽后的根、莖生長(zhǎng)受到顯著抑制。