增施生物質(zhì)炭對(duì)鎘污染土壤的修復(fù)效果研究

施 琪，魯然英，常德政，劉歡歡，劉 濤，蔣士君

(1.河南省冶金研究所責(zé)任有限公司，河南 鄭州 450002；2.河南益禾利科農(nóng)業(yè)科技有限公司，河南 鄭州 450002；3.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 植物保護(hù)學(xué)院，河南 鄭州 450002)

農(nóng)田土壤安全直接影響農(nóng)產(chǎn)品安全，是事關(guān)國計(jì)民生的大事。近年來，由于土壤污染帶來的一系列經(jīng)濟(jì)和社會(huì)問題已不容小覷，引起了學(xué)術(shù)界和民眾的廣泛關(guān)注。據(jù)《全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示[1]，當(dāng)前我國土壤污染總的點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)16.1%，總體狀況不容樂觀，耕地土壤環(huán)境質(zhì)量亦堪憂，點(diǎn)位超標(biāo)率更達(dá)19.4%。土壤污染類型以無機(jī)污染即重金屬為主，其中鎘(Cd)的污染點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)7.0%，為8種無機(jī)污染物中最高，Cd污染毒性大、遷移性強(qiáng)、易在作物體內(nèi)富集，最終可通過食物鏈威脅人類健康，因此，Cd污染土壤修復(fù)勢(shì)在必行。

烤煙是一種以采收葉片和吸食葉片為主的特殊經(jīng)濟(jì)作物，但煙葉極易富集重金屬鎘(Cd)[2-3]，前人研究發(fā)現(xiàn)煙葉對(duì)Cd的富集系數(shù)可達(dá)5～40[4-7]。煙葉一旦受到Cd污染，不僅造成煙葉的外觀質(zhì)量差、化學(xué)成分不協(xié)調(diào)、不利于吃味形成、品質(zhì)顯著降低[8]，更大的危害則是人們吸食了Cd污染的煙葉后造成的健康危害不可估量。而煙葉中的Cd主要來源于植煙土壤[9]，因此，通過修復(fù)土壤Cd污染可減少Cd向煙葉中遷移富集，減少其對(duì)煙葉的危害。目前，鈍化修復(fù)技術(shù)是廣泛采用的土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)之一，該技術(shù)是通過向土壤中添加鈍化材料使其通過絡(luò)合、沉淀、吸附、離子交換、氧化還原反應(yīng)等作用，減少重金屬的遷移性和生物有效性，從而達(dá)到修復(fù)的目的[10]。常用的鈍化材料有石灰性物質(zhì)、有機(jī)肥、炭材料、粘土礦物和農(nóng)業(yè)廢棄物等[11]，生物質(zhì)炭屬于炭材料，是一種新型的污染土壤修復(fù)物質(zhì)，生物質(zhì)炭是由生物質(zhì)如農(nóng)林廢棄物、植物組織或動(dòng)物骨骼等在缺氧條件下高溫?zé)峤庑纬傻墓腆w產(chǎn)物[12]。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[13]：生物質(zhì)炭因孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)以及表面含氧官能團(tuán)豐富而具有較強(qiáng)的吸附能力，可吸附固定土壤污染物，從而降低污染物在土壤中的化學(xué)活性和毒性，達(dá)到修復(fù)污染土壤的目的。目前利用生物質(zhì)炭修復(fù)污染土壤已多有報(bào)道，如Sheng等[14]研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭能提高土壤pH值，降低重金屬Cu和Zn在土壤中的遷移性，降低污染風(fēng)險(xiǎn)。左靜等[15]將小麥秸稈生物質(zhì)炭(40 t/hm2和20 t/hm2)施用到小麥-玉米輪作模式下的堿性旱地土壤中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，小麥秸稈生物質(zhì)炭2個(gè)處理在小麥、玉米兩季均能顯著降低土壤有效態(tài)Pb和Cd含量，最大降幅分別達(dá)53%和50%，小麥籽粒Pb、Cd含量的最大降幅分別達(dá)43%和21%。周建斌等[16]研究發(fā)現(xiàn)棉稈炭通過吸附或共沉淀作用能降低土壤Cd的有效性，減少小白菜的Cd含量。

河南省是烤煙種植大省，但近年來由于不合理施肥造成的植煙土壤重金屬污染已嚴(yán)重影響了煙草的可持續(xù)生產(chǎn)。目前，利用生物質(zhì)炭修復(fù)河南省重金屬污染植煙土壤的報(bào)道較少，因此本研究以生物質(zhì)炭為研究材料，采用盆栽試驗(yàn)，通過增施不同用量生物質(zhì)炭，測(cè)定分析生物質(zhì)炭對(duì)Cd污染土壤的修復(fù)效果，以期為利用生物質(zhì)炭修復(fù)河南省植煙土壤Cd污染提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)供試土壤取自三門峽澠池主栽煙區(qū)健康煙田耕層(0～20 cm)土壤，經(jīng)風(fēng)干，過2 mm篩后備用，土壤類型為褐土，土壤pH值7.46、有機(jī)質(zhì)含量10.56 g/kg、總氮含量0.84 g/kg，堿解氮、速效磷、速效鉀含量分別為73.04、15.51、206.34 mg/kg。供試土壤Cd未被檢測(cè)到。供試煙草品種為中煙100，供試生物質(zhì)炭為稻殼炭由河南益禾利科農(nóng)業(yè)科技有限公司生產(chǎn)提供，其中有機(jī)碳含量為624.15 g/kg、C/N為41.32、pH值為9.23、Cd含量0.01 mg/kg。復(fù)合肥由中鹽安徽紅四方股份有限公司生產(chǎn)提供，氮磷鉀均為15%、Cd含量為0.02 mg/kg。

1.2 盆栽試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用盆栽試驗(yàn)，于河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草病理實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，將供試土壤裝入高15 cm×20 cm的塑料花盆中，每盆裝土2.5 kg，然后每盆添加外源CdSO4溶液，調(diào)節(jié)土壤Cd濃度至2 mg/kg[17]，用去離子水調(diào)至60%左右的持水率穩(wěn)定30 d。

至30 d時(shí)，按以下處理將生物質(zhì)炭添加至Cd處理過的土壤中并混勻，處理A：10 g/kg，處理B：20 g/kg，處理C：40 g/kg，CK：不添加生物質(zhì)炭，共4個(gè)處理，每處理3次重復(fù)。同時(shí)選取生長健康、長勢(shì)一致的5～7片真葉的煙苗進(jìn)行移栽，移栽時(shí)，各處理每盆一次性施入復(fù)合肥5 g，即純氮含量0.3 g/kg。煙草移栽后管理同一般大田生產(chǎn)。

1.3 樣品采集與測(cè)定

于煙草移栽后30 d和60 d分別取不同處理的根際土樣，土樣自然風(fēng)干，去雜質(zhì)，粉碎過10目篩用以測(cè)定土壤pH值，過60目篩用以測(cè)定有機(jī)質(zhì)和有效態(tài)Cd含量。同時(shí)在移栽后60 d煙草整株取樣，剪下煙葉，葉片用刷子去除雜質(zhì)，然后去葉脈，105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至恒重、粉碎，過60目篩備用，測(cè)定煙葉Cd含量。

土壤pH值采用電位法測(cè)定[18]，土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀法測(cè)定[19]，土壤有效態(tài)Cd的測(cè)定采用DTPA浸提，火焰原子吸收分光光度計(jì)法測(cè)定[20]。煙葉Cd采用微波消解-石墨爐原子吸收法測(cè)定[21]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2007和SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并進(jìn)行Duncan法多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 增施生物質(zhì)炭對(duì)土壤pH值的影響

由圖1可知，在整體上，各處理根際土壤的pH值在移栽60 d時(shí)大于移栽30 d，且3個(gè)生物質(zhì)炭處理即處理A、B、C的土壤pH值均大于對(duì)照，其中，處理B和C在2個(gè)取樣期對(duì)土壤pH值的提高作用顯著優(yōu)于處理A(P<0.05)。與對(duì)照相比，移栽30 d時(shí)，處理B和C的土壤pH值分別提高了2.67%和2.15%；移栽60 d時(shí)，分別提高了1.51%和1.24%。統(tǒng)計(jì)分析表明，在2個(gè)取樣期，處理B和C均與對(duì)照達(dá)顯著差異(P<0.05)，而處理A則無顯著差異(P>0.05)。這說明增施生物質(zhì)炭在一定程度上提高了根際土壤pH值，這可能與生物質(zhì)炭本身呈堿性有關(guān)。

圖1 不同試驗(yàn)處理對(duì)土壤pH值的影響

2.2 增施生物質(zhì)炭對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的影響

由圖2可知，增施生物質(zhì)炭能顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，且與施用量呈正劑量效應(yīng)。與對(duì)照相比，移栽30 d時(shí)，處理A、B、C較對(duì)照分別提高了8.44%、17.06%、46.88%；移栽后60 d時(shí)，分別提高了10.36%、18.88%、45.19%。統(tǒng)計(jì)分析表明，3個(gè)生物質(zhì)炭處理與對(duì)照在2個(gè)取樣期均達(dá)顯著差異(P<0.05)。這是因?yàn)樯镔|(zhì)炭含碳豐富、C/N比高，對(duì)提高土壤有機(jī)質(zhì)含量有積極的促進(jìn)意義。

圖2 不同試驗(yàn)處理對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的影響

2.3 增施生物質(zhì)炭對(duì)土壤有效態(tài)Cd含量的影響

由圖3可知，3個(gè)生物質(zhì)炭處理在移栽后30 d和60 d時(shí)均能降低根際土壤有效態(tài)Cd含量。其中，移栽30 d時(shí)，處理B和處理C較對(duì)照分別顯著降低了7.75%和15.14%(P<0.05)，處理A降低了5.99%，但與對(duì)照無差異(P>0.05)；移栽60 d時(shí)，處理B和處理C較對(duì)照分別顯著降低了9.27%和16.29%(P<0.05)，處理A降低了2.88%，但與對(duì)照也無差異(P>0.05)。統(tǒng)計(jì)分析還表明，處理A和處理B之間無差異(P>0.05)，但與處理C差異顯著(P<0.05)。這說明增施生物質(zhì)炭能有效降低土壤有效態(tài)Cd含量，且存在負(fù)劑量效應(yīng)。

圖3 不同試驗(yàn)處理對(duì)土壤有效態(tài)Cd含量的影響

2.4 增施生物質(zhì)炭對(duì)煙葉Cd含量的影響

由圖4可知，增施生物質(zhì)炭能顯著降低煙葉中的Cd含量(P<0.05)，與對(duì)照相比，處理A、B和C煙葉中的鎘含量分別降低了17.09%、22.14%和27.62%，并且隨著生物質(zhì)炭施用量的增加，煙葉Cd的下降率顯著增加(P<0.05)。結(jié)合土壤有效態(tài)Cd含量分析結(jié)果可知(圖3)，煙葉Cd含量大小依次為對(duì)照>處理A>處理B>處理C，與土壤有效態(tài)Cd含量一致，由此也說明，生物質(zhì)炭對(duì)土壤中Cd的固持吸附，減少了根系對(duì)Cd的吸收，進(jìn)而減少了煙葉中Cd的富集，使煙葉Cd含量顯著低于對(duì)照，也進(jìn)一步驗(yàn)證了煙葉的Cd主要來自于土壤。

圖4 不同試驗(yàn)處理對(duì)煙葉Cd含量的影響

3 結(jié)論與討論

煙葉中的Cd主要來自于土壤，土壤中重金屬形態(tài)除受重金屬本身性質(zhì)和含量影響外，也受土壤理化性質(zhì)的直接影響，尤以pH值和有機(jī)質(zhì)的影響較為顯著[22]。pH值直接影響重金屬的活性，進(jìn)而影響重金屬的遷移和沉積。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道：土壤pH值是影響Cd吸附解析的重要因素，pH值下降時(shí)，土壤交換態(tài)Cd含量增加[23]。本研究發(fā)現(xiàn)，增施生物質(zhì)炭能有效提高根際土壤pH值，尤其高劑量(20 g/kg和40 g/kg)與對(duì)照達(dá)顯著水平。這說明生物質(zhì)炭能提高土壤pH值且與施用量有關(guān)。尤方芳等[24]研究發(fā)現(xiàn)增施20 g/kg生物質(zhì)炭也能提高根際土壤pH值，但效果不顯著，這可能與生物質(zhì)炭種類、性質(zhì)不同有關(guān)，本試驗(yàn)供試的生物質(zhì)炭為稻殼生物質(zhì)炭，尤方芳等則用的是花生殼生物質(zhì)炭；另一方面還可能與供試土壤Cd污染濃度不同有關(guān)，本試驗(yàn)供試土壤Cd污染濃度為2 mg/kg，大于尤方芳等試驗(yàn)的土壤Cd污染濃度(1 mg/kg)。pH值對(duì)重金屬的影響可能是pH值升高時(shí)，土壤中粘土礦物、水合氧化物和有機(jī)質(zhì)表面的負(fù)電荷增加，因而增強(qiáng)了對(duì)離子的吸附能力，使得溶液中的重金屬離子濃度降低[25]。本研究對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)分析發(fā)現(xiàn)，不同用量生物質(zhì)炭均能提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，且隨用量的增加效果逐漸增強(qiáng)。有機(jī)質(zhì)是影響重金屬有效態(tài)的重要因素，如鐘曉蘭等[26]發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)對(duì)重金屬有效態(tài)含量有較大的正向作用。本研究也發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)質(zhì)越高土壤有效態(tài)Cd含量越低。有機(jī)質(zhì)對(duì)重金屬形態(tài)的影響機(jī)制復(fù)雜：一是提高了土壤pH值，增加了土壤固相有機(jī)質(zhì)對(duì)重金屬的吸附，形成難溶性沉淀，降低了土壤中重金屬的活性；二是有機(jī)質(zhì)中釋放出的H+可與土壤重金屬離子交換[25,27]。

生物質(zhì)炭孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、比表面積巨大，具有很強(qiáng)的吸附性能，能吸附固持土壤中的重金屬，可以改良污染土壤，大幅降低農(nóng)作物對(duì)重金屬的吸收。安梅等[28]研究認(rèn)為在Cd、Pb復(fù)合污染的土壤中添加小麥、玉米和棉花秸稈及城市污泥4個(gè)種類的生物炭均能改變土壤的理化性質(zhì)，且不同程度地降低了土壤重金屬的有效態(tài)含量。本研究發(fā)現(xiàn)，增施不同用量生物質(zhì)炭在煙草移栽后30 d和60 d均能有效降低根際土壤有效態(tài)Cd含量，且20 g/kg和40 g/kg兩個(gè)處理與對(duì)照達(dá)到顯著水平。煙葉Cd含量分析表明，不同生物質(zhì)炭處理顯著降低了煙葉中的Cd含量，且煙葉Cd含量大小順序與土壤有效態(tài)Cd含量一致，由此說明，生物質(zhì)炭對(duì)土壤中Cd的固持吸附，減少了根系對(duì)Cd的吸收，進(jìn)而減少了煙葉中Cd的富集，這也進(jìn)一步驗(yàn)證了煙葉的Cd主要來自于土壤。尤方芳等研究也發(fā)現(xiàn)在盆栽試驗(yàn)條件下，生物炭與不同肥料配施的各處理煙葉中Cd含量變化與土壤中有效態(tài)Cd含量變化有較強(qiáng)的正相關(guān)性[24]。

綜上所述，不同用量生物質(zhì)炭均能顯著提高根際土壤pH值和有機(jī)質(zhì)含量，能夠吸附和固著土壤Cd，降低土壤有效態(tài)Cd含量，從而減少根系對(duì)Cd的吸收積累，進(jìn)而降低了煙葉中的Cd含量，且整體上高施用量即20 g/kg和40 g/kg生物質(zhì)炭對(duì)Cd污染土壤修復(fù)效果較好。本研究僅在盆栽條件下研究了生物質(zhì)炭對(duì)Cd污染土壤的修復(fù)效果，關(guān)于生物質(zhì)炭在大田的應(yīng)用效果還有待進(jìn)一步研究。