施加生物炭對(duì)三七連作土壤鉛有效態(tài)含量的影響*

王昆艷， 王豪吉， 李雙麗， 徐武美， 官會(huì)林

(云南師范大學(xué) 云南省農(nóng)村能源工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650500)

工業(yè)“三廢”、機(jī)動(dòng)車尾氣排放、農(nóng)藥、除草劑、化肥等的大規(guī)模應(yīng)用以及礦產(chǎn)資源開發(fā)，嚴(yán)重地污染了土壤、水體和大氣[1].調(diào)查顯示，我國(guó)近四十年來，土壤重金屬污染指數(shù)不斷上升，土壤環(huán)境的破壞直接導(dǎo)致糧食減產(chǎn)與品質(zhì)降低，給我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來重大損失[2].根據(jù)2014 年發(fā)布的《全國(guó)土壤污染情況調(diào)查公報(bào)》，我國(guó)土壤污染嚴(yán)重，總的點(diǎn)位超標(biāo)率為25.5%，其中無機(jī)污染物超標(biāo)點(diǎn)位數(shù)占82.8%，鉻、汞、鉛、砷、鎳、鎘、銅、鋅等重金屬均存在不同程度的點(diǎn)位超標(biāo)[1].其中屬于第一類污染物的鉛(Pb)，具有強(qiáng)烈的神經(jīng)毒性[3]，能在環(huán)境或動(dòng)植物體內(nèi)持久蓄積并對(duì)人體具有致癌性[4].

三七(Panaxnotoginseng)是我國(guó)特有的名貴中藥材，又名田七[5]，為五加科人參屬植物[6]，含有皂苷、黃酮、揮發(fā)油、氨基酸、糖類及各種微量元素等活性物質(zhì)[7]，具有散瘀止血，消腫定痛之功效，對(duì)心腦血管系統(tǒng)疾病防治、增強(qiáng)人體免疫力及抗腫瘤等有很好的效果[8].隨著三七在醫(yī)療、保健方面的新用途不斷被開發(fā)，社會(huì)需求量、種植面積也不斷增長(zhǎng)，是公認(rèn)的藥用價(jià)值較高、需求量大的中藥材之一[9-10].云南作為三七主產(chǎn)地，同時(shí)也是我國(guó)重要的礦區(qū)，富含鉛、鋅、銅、錫、砷等(非)金屬礦，土壤重金屬背景值較高[11]，加上頻繁的礦業(yè)活動(dòng)以及農(nóng)藥化肥的不合理施用，三七種植區(qū)重金屬污染較為嚴(yán)重，給農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)與安全帶來風(fēng)險(xiǎn).如劉源等[12]研究結(jié)果表明，云南省三七主要種植區(qū)文山、紅河、昆明和曲靖重金屬綜合污染指數(shù)分別為1.27、1.31、1.76和2.16，土壤重金屬含量超標(biāo)較為嚴(yán)重.林龍勇等[13]研究表明，三七種植區(qū)存在較為嚴(yán)重的Cd、Cr和Pb污染，且三七種植區(qū)Cd、Cr、Cu和Pb對(duì)人體的攝入風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)大小依次為Pb>Cd>Cr>Cu.因此，改良三七重金屬污染土壤，提高三七品質(zhì)已顯得十分迫切.

生物炭是生物質(zhì)材料在低氧環(huán)境下熱解得到的一種富碳材料[14-15]，木材、樹皮、木屑、作物秸稈及相關(guān)廢棄物、動(dòng)物糞便等均可作為原材料生產(chǎn)生物炭[16-18].大量研究表明，生物炭可通過離子交換作用[19]、靜電作用[20]、物理吸附[21]、陽(yáng)離子-π作用[22]、絡(luò)合[23]與沉淀作用[24]等對(duì)重金屬污染土壤進(jìn)行修復(fù)[25]，亦可通過改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)來影響重金屬的生物有效性[26].如劉旻慧等[27]研究表明生物炭對(duì)Pb2+具有較強(qiáng)的吸附能力，可對(duì)土壤溶液中游離態(tài)Pb2+產(chǎn)生吸附作用，從而固持土壤中的Pb，并降低 Pb污染對(duì)植物的毒害，減少植物對(duì)Pb的富集.王紅等[28]研究發(fā)現(xiàn)隨著生物炭添加量的增加，水葫蘆炭對(duì)土壤中Pb的吸附率逐漸增大，當(dāng)水葫蘆炭添加量為10%時(shí)，其對(duì)土壤中Pb的吸附率可達(dá)93.93%.

本研究以三七種植區(qū)對(duì)人體的攝入風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)較大的Pb元素為對(duì)象[13]，通過5 a三七連作試驗(yàn)，探討施加生物炭對(duì)三七連作土壤鉛有效態(tài)含量的影響，旨在為三七種植土壤改良提供試驗(yàn)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 樣品采集與分析

研究地點(diǎn)為文山苗鄉(xiāng)三七科技示范園，其土壤類型為酸性紅壤連作地，試驗(yàn)前統(tǒng)一進(jìn)行翻耕整地.試驗(yàn)組土壤生物炭施加量為1 kg/m2，以不施加為對(duì)照；生物炭與土壤均勻混合后，于2013年1月移栽三七籽條；三七種植后進(jìn)行統(tǒng)一的水肥管理.采用隨機(jī)取樣模式各采集17個(gè)土樣，自然風(fēng)干，用研缽研磨土樣，并過100目尼龍篩.Pb全量測(cè)定根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)HJ803-2016，用王水消解并定容，待測(cè)；有效態(tài)含量用二乙烯三胺五乙酸浸提法進(jìn)行浸提(HJ804-2016)并過濾，待測(cè).用原子吸收光譜儀(AA-7000，Shimadzu，Japan)測(cè)定各土樣鉛全量和有效態(tài)含量，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 1377-2007測(cè)定土壤pH值.

1.2 數(shù)據(jù)分析

用Shapiro-Wilk檢驗(yàn)探討各變量的正態(tài)性，土壤Pb全量不服從正態(tài)分布(P<0.05)，故用對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后再進(jìn)行后續(xù)分析.用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)分析試驗(yàn)組與對(duì)照組土壤pH與Pb含量(有效態(tài)與全量)的差異顯著性，并用Pearson相關(guān)分析探討pH與土壤有效Pb含量的關(guān)聯(lián)性.上述分析均用SPSS 16.0進(jìn)行.

2 研究結(jié)果

2.1 生物炭對(duì)土壤pH的影響

獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)表明，施加生物炭顯著提高了三七連作土壤pH (t=6.80，df=32，P<0.01) (圖1)，與對(duì)照相比較，土壤pH均值提高了1.23，表明施加生物炭對(duì)三七連作地土壤pH具有重要影響.

圖中所示為平均值±95%置信區(qū)間

2.2 生物炭對(duì)土壤Pb全量和有效態(tài)含量的影響

施加生物炭對(duì)土壤中的Pb全量沒有顯著影響(圖2(a))，而有效態(tài)含量卻極顯著降低(t =-7.664，df= 32，P<0.01).與對(duì)照相比，土壤中Pb的有效態(tài)含量降低了0.62 mg/kg (圖2(b))，表明施加生物炭對(duì)土壤有效Pb含量具有重要的影響.

圖中所示為平均值±95%置信區(qū)間，Ln表示數(shù)據(jù)經(jīng)以e為底的對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換

2.3 土壤pH與重金屬Pb有效態(tài)含量的關(guān)聯(lián)性

Pearson相關(guān)分析表明，土壤pH值與重金屬Pb有效態(tài)含量呈顯著負(fù)相關(guān)(圖3)，說明土壤pH與Pb有效態(tài)含量具有重要關(guān)聯(lián).

圖3 土壤pH值與Pb有效態(tài)含量關(guān)聯(lián)性

3 討 論

3.1 生物炭與土壤pH

由于生物炭灰分中含有豐富的鉀、鈉、鈣、鎂等礦質(zhì)元素氧化物與碳酸鹽，溶于水后一般呈堿性[29].此外，生物炭灰分中的鹽基離子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+等)可通過離子交換降低土壤交換性氫離子和鋁離子水平[30].大量研究表明，施加生物炭可以有效改良酸性土壤，如李貞霞等[31]將辣椒秸稈生物炭與酸化土壤共培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)添加辣椒秸稈炭能顯著提高土壤pH，其幅度與添加量呈正比.鄭慧芬等[32]研究發(fā)現(xiàn)，土壤pH值隨生物炭的施用量增加而顯著提高.與上述研究結(jié)果一致，本研究發(fā)現(xiàn)，施加生物炭顯著提高了土壤pH值，施加1%的生物炭使得pH提高1.23，有效改善了三七連作土壤酸化問題(圖1).

3.2 生物炭與土壤有效Pb含量

生物炭具有較高的比表面積、孔隙率和離子交換能力，對(duì)重金屬離子具有吸附作用，從而降低其有效態(tài)含量[33].如朱慶祥[20]研究發(fā)現(xiàn)，添加生物炭后，土壤中有效Pb含量降幅為9.88%～30.86%.王紅等[28]研究了生物炭對(duì)土壤中重金屬鉛和鋅的吸附特性，發(fā)現(xiàn)施加生物炭不同程度地降低了土壤中Pb的浸出含量，以水葫蘆炭吸附效果最佳，當(dāng)其添加量為10%時(shí)，土壤中Pb的吸附率可達(dá)93.93%.劉旻慧等[27]以花生殼和中藥渣為原料制備生物炭，并按1∶1比例混合，發(fā)現(xiàn)其添加量為5%時(shí)，土壤pH增加了0.93，有效態(tài)Pb含量降低了90%.與上述結(jié)果一致，本研究發(fā)現(xiàn)，施加生物炭顯著地降低了土壤中Pb的有效態(tài)含量，而對(duì)土壤中Pb的全量含量無顯著影響(圖2(a)).土壤中Pb的有效態(tài)含量降低了0.62 mg/kg (圖2(b)).這說明，生物炭可能通過吸附或共沉淀作用等方式，有效降低土壤中重金屬Pb的生物有效性.

3.3 土壤pH對(duì)Pb有效態(tài)含量的影響

土壤pH是影響重金屬形態(tài)的主要因素之一[34]，對(duì)土壤重金屬的生物有效性以及重金屬在土壤-植物系統(tǒng)的遷移轉(zhuǎn)化具有重要的影響[35].本研究發(fā)現(xiàn)，施加生物炭顯著提高了土壤pH，而土壤pH與有效態(tài)Pb含量呈顯著負(fù)相關(guān).土壤pH可通過改變重金屬的吸附位點(diǎn)、吸附表面的穩(wěn)定性、存在形態(tài)和配位性能等影響土壤中重金屬的化學(xué)形態(tài)[36].已有研究表明，生物炭對(duì)土壤重金屬Pb有較強(qiáng)的調(diào)控作用[37].如林大松等[38]研究表明隨著pH升高，土壤中H+濃度下降，H+和Pb2+在吸附點(diǎn)位的競(jìng)爭(zhēng)作用減弱，提高了土壤對(duì)Pb離子的吸附.楊秀敏等[35]研究表明添加海泡石可明顯提高土壤pH值，降低重金屬的可交換態(tài)濃度，使可交換態(tài)重金屬轉(zhuǎn)化為其他形態(tài)，且土壤中可交換態(tài)重金屬Pb濃度與pH值呈顯著負(fù)相關(guān).本研究發(fā)現(xiàn)，施加生物炭顯著提高了土壤pH值，而土壤的pH值與Pb有效態(tài)含量呈顯著負(fù)相關(guān)，這與上述研究結(jié)果一致，說明土壤pH值的升高是生物炭影響Pb有效態(tài)含量的重要原因.

4 結(jié) 論

施加生物炭顯著提高了三七連作土壤pH值，并降低了土壤重金屬Pb的有效態(tài)含量，而Pb全量含量沒有顯著變化.前期研究發(fā)現(xiàn)，生物炭可有效緩解三七連作障礙[39]，本研究進(jìn)一步表明，生物炭還能夠提高土壤對(duì)Pb的固持能力，降低其有效態(tài)含量，促進(jìn)Pb向更加穩(wěn)定的形態(tài)轉(zhuǎn)化,為三七及相關(guān)作物種植土壤鉛污染改良提供了試驗(yàn)依據(jù).