鐵改性生物質炭對鎘污染土壤中小白菜鎘吸收及產(chǎn)量和品質的影響

林昌華，馬崇堅，丘勇飛

（1.韶關學院英東農(nóng)業(yè)科學與工程學院，廣東 韶關 512005；2.韶關市農(nóng)產(chǎn)品質量安全監(jiān)督檢驗測試中心，廣東 韶關 512000）

【研究意義】 隨著工礦業(yè)及城市工業(yè)的快速發(fā)展，大量的重金屬鎘（Cd）進入農(nóng)田土壤并持續(xù)累積，污染面積逐年增加。而土壤中鎘不能被生物降解，其有效態(tài)易被作物富集吸收、進入食物鏈，對人體健康具有潛在風險[1-3]。土壤鎘累積量越高其生物可利用性越高，可顯著影響植株葉綠素合成并抑制光合作用，進而降低植物根系對養(yǎng)分和水分的吸收，最終導致作物品質下降[4-6]?！厩叭搜芯窟M展】 盡管前人應用各種方法嘗試治理土壤重金屬污染，但在實際運用中成效甚微[7-8]。近年來，利用土壤鈍化劑使鎘在土壤中的有效性和移動性降低從而降低植株對鎘吸收風險的研究日益增多，其中生物炭的應用已逐漸成為重要的研究方向，在華南紅壤區(qū)尤為突出。生物炭是生物質通過熱裂解的方法在缺氧或者低氧條件下制備的一種富含孔隙結構、含碳量高的碳化物質[9]，其在土壤酸堿度改良、作物增產(chǎn)提質等方面的作用與應用已被廣泛研究[10-11]，如生物質炭可直接或間接地降低土壤中重金屬的生物有效性[5,12]，還可直接吸附或固持土壤中重金屬離子，甚至可以通過影響土壤持水性能、pH、CEC等理化性質來降低重金屬的移動性和有效性，減少其向植物體內(nèi)遷移，降低對植物的毒性風險[13-14]。【本研究切入點】 盡管生物炭的應用能夠產(chǎn)生良好的農(nóng)用和環(huán)境效益，但對于最優(yōu)施用條件、最佳施用量及相關機理沒有明確定論，其發(fā)揮作用的用量范圍仍不穩(wěn)定[15]；不同作物、不同地域、不同基質、不同管理條件等可能表現(xiàn)出不一樣的結果；生物炭對重金屬等污染物的作用是絡合、螯合、吸附還是沉淀等皆不明確。本研究利用廣東韶關地區(qū)鎘污染嚴重的蔬菜土壤為基質，以小白菜為研究材料，通過添加不同量的生物炭，探討生物炭對土壤鎘有效性及對小白菜鎘吸收、品質、代謝酶活性的影響?！緮M解決的關鍵問題】 明確鎘脅迫條件下抑制蔬菜鎘吸收的生物炭最佳施用量，以期為華南鎘污染農(nóng)田土壤修復利用與保障農(nóng)產(chǎn)品安全提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2014年3月28日至5月25日在植物營養(yǎng)溫室進行。供試小白菜為黑葉葵扇小白菜（Brassica campestris L.ssp.chinensis Makino）。供試生物炭（以稻殼為原材料，在300～800℃、厭氧條件下制備所得，制備過程中加入2%硫酸亞鐵，形成鐵改性生物質炭材料）來自廣東省生態(tài)環(huán)境與土壤研究所，其理化性質如下：pH值6.89，有機碳457 g/kg，全氮5.30 g/kg，全磷3.40 g/kg，全鎘0.02 mg/kg，全鉛2.70 mg/kg。供試土壤采自廣東韶關礦區(qū)附近受鎘污染的蔬菜農(nóng)田土壤，質地為粘壤土，pH值5.60，有機質40.52 g/kg，速效鉀67.54 mg/kg、水解氮250.01 mg/kg，有效磷9.03 mg/kg，總鎘含量14.31 mg/kg。

1.2 試驗方法

試驗設5個耕層土壤生物炭施用量（W/W）處理：（1）0（CK），生物炭施用量為 0 kg/hm2；（2）0.1%（FeB1），生物炭施用量為1 725 kg/hm2；（3）0.3%（FeB2），生物炭施用量 5 175 kg/hm2；（4）0.5%（FeB3），生物炭施用量8 625 kg/hm2；（5）1%（FeB4），生物炭施用量17 250 kg/hm2。每個處理8次重復?；适┯媚蛩?.15 g/kg、過磷酸鈣0.13 g/kg、氯化鉀0.06 g/kg。土壤自然風干，過2 mm篩，每盆土壤用量3 kg，將風干土壤、生物炭、基肥混合均勻，裝入盆中。小白菜種子經(jīng)消毒后，于營養(yǎng)土中育苗，經(jīng)15 d后選取大小一致、生長良好的幼苗移栽，每盆移栽4株。

1.3 測定項目及方法

土壤pH采用pH計測定，有機碳采用重鉻酸鉀容量法，全氮采用半微量開氏法，全磷采用硫酸-高氯酸消煮法，速效鉀采用醋酸銨-火焰光度計法，水解氮采用堿解擴散法，有效磷采用Olsen法[16]，水溶態(tài)鎘、交換態(tài)鎘和總鎘含量參照GB/T 5009-2003中石墨爐原子吸收光譜法檢測[17]。

小白菜植株培養(yǎng)42 d后，利用抖土法收集根際土壤與非根際土壤，附著根系的土壤為根際土壤，陰干后以木錘研磨并過0.25 mm篩淘去須根；用去離子水清洗根系后，用剪刀將小白菜莖葉與根分開，稱取30 g莖葉樣品測定硝酸鹽、Vc及可溶性糖含量，取葉片去葉脈樣品10 g測定過氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）活性。剩余樣品稱鮮重后用去離子水清洗，80 ℃恒溫殺青30 min，60℃烘干至恒重，稱重，粉碎，過0.5 mm篩后，放入封口樣品袋，干燥處保存，測定鎘含量。植株莖葉樣品的維生素C（Vc）含量測定采用2,6-二氯靛酚滴定法[18]，可溶性糖含量測定采用氰化鹽-碘量法[18]，硝酸還原酶（NR）活性測定采用磺胺顯色法測定[19]，POD活性測定采用愈創(chuàng)木酚氧化比色法[20]，SOD活性測定采用氮藍四唑光還原比色法[21]，可溶性蛋白質含量采用考馬斯亮藍法[22]，硝酸鹽含量采用分光光度法[23]，Cd含量測定采用石墨爐原子吸收光譜法[24]。

2.3 真實的情境下考查社會責任和生命觀念 真實的情境是運用生物學知識分析和解決實際問題的載體。將測試試題嵌入在具有啟發(fā)性和過程性、真實、有意義的情境之中，適度呈現(xiàn)有一定的信息量、不同陌生度的問題情境，讓學生在真實情境中運用知識，表現(xiàn)自己的真實水平，促進生物學知識向真實生活情境的再認識和適度遷移。真實的答題情境可來源于科學技術與社會的聯(lián)系，可來源于科學研究的過程和成果，可來源于真實的現(xiàn)實生活[2]。在真實情境中考查社會責任是學業(yè)水平測試試題的靈魂。

配合光線進行拍攝是為照片注入生命力的關鍵。你要考慮光線的方向和強度，以及光線顏色對敘事的影響。無論是暖色的金光、冷藍色的晨光，還是正午醒目的陰影，都會以不同的方式影響著敘事的氛圍，那么就利用它們來敘事吧。

2 結果與分析

2.1 生物炭對根際與非根際土壤水溶態(tài)鎘、交換態(tài)鎘含量的影響

由表 4可知，生物炭添加處理顯著提高了小白菜體內(nèi)NR、POD和SOD活性，且均隨生物炭用量的增加呈先增后降的變化趨勢，在生物炭添加量0.5%時最高。其中，NR活性增幅為14.17%～28.33%，POD活性增幅為5.06%～26.09%，SOD活性提高6.57%～25.76%。

表1 生物炭對根際與非根際土壤水溶態(tài)鎘、交換態(tài)鎘含量的影響Table 1 Effect of biochar on the contents of soluble cadmium and exchangeable cadmium in rhizosphere and non-rhizosphere soil

2.2 生物炭對鎘污染土壤小白菜生長的影響

生物炭孔隙結構發(fā)達、比表面積大，表面呈負電荷狀態(tài)，陽離子交換量高，對增加土壤重金屬離子的靜電吸附量有顯著的作用，從而可影響其在土壤中的遷移轉化。而生物炭表豐富的能與重金屬形成穩(wěn)定的金屬絡合物的含氧官能團，能發(fā)揮對重金屬持久的專性吸附[25]。本試驗研究同樣發(fā)現(xiàn)，鐵改性生物質炭能較大幅度地降低小白菜根際、非根際土壤中水溶態(tài)鎘含量，但根際土壤交換態(tài)鎘含量與非根際土壤交換態(tài)鎘含量差異未達顯著水平，這與已有報道[26-28]不一致，可能是由于華南地區(qū)酸性土壤鎘主要被土壤膠體或有機質吸附且量較大、生物炭添加對交換性鎘影響較小所致。

表2 生物炭對鎘污染土壤小白菜生物量的影響Table 2 Effect of biochar on the biomass of Chinese cabbage in Cd contaminated soil

2.3 生物炭對鎘污染土壤小白菜品質的影響

由表3可知，Vc、可溶性糖與可溶性蛋白質含量均隨生物炭用量的增加呈先增后降的變化趨勢，均以生物炭添加量5%時最高；硝酸鹽含量隨生物炭添加量增加呈先降后增的變化，以生物炭添加量0.5%時最低。與CK相比，各添加生物炭處理的小白菜硝酸鹽含量依次降低5.21%、9.50%、17.81%、15.19%，Vc含量依次提高47.05%、70.59%、117.65%、76.47%，可溶性糖含量依次提高8.82%、16.67%、29.41%、21.57%，可溶性蛋白質含量依次提高5.24%、16.19%、31.43%、9.76%。

表3 生物炭對鎘污染土壤小白菜品質的影響Table 3 Effects of biochar on the quality of Chinese cabbage under Cd Stress

2.4 生物炭對鎘污染土壤小白菜體內(nèi)酶活性的影響

從表1可以看出，與CK相比，添加生物炭顯著降低了根際土壤水溶態(tài)鎘含量，所有生物炭處理與CK根際土壤水溶態(tài)鎘含量差異均達極顯著，且生物炭添加量為0.5%時水溶態(tài)鎘含量最低，此時根際土壤水溶態(tài)鎘含量為CK的58.55%。但是，無論在根際土壤還是非根際土壤中，水溶態(tài)鎘和交換態(tài)鎘的含量并未隨生物炭施用量的增加而呈現(xiàn)特定的規(guī)律性。

2.5 生物炭對鎘污染土壤小白菜體內(nèi)鎘吸收積累的影響

如表5所示，小白菜地上部分、地下部分的鎘含量以CK最高，添加生物炭能顯著降低小白菜體內(nèi)的鎘含量，但各生物炭添加處理間小白菜地上部的鎘含量無顯著差異。隨著生物炭的添加量增加小白菜地下部鎘含量呈先降后增的變化，在生物炭添加量0.5%時最低，此時小白菜地下部鎘累積量也最低，僅為CK的88.38%。由此可見，生物炭添加處理能降低小白菜體內(nèi)的鎘含量，抑制小白菜地下部分對土壤中鎘的吸收和累積。

表4 生物炭對小白菜體內(nèi)酶活性的影響Table 4 Effects of biochar on the enzyme activity of Chinese cabbage under Cd stress

表5 生物炭對小白菜鎘吸收積累的影響Table 5 Effect of biochar on Cd uptake of Chinese cabbage under Cd stress

3 討論

從表2可以看出，添加生物炭處理能顯著提高小白菜地上部的鮮重，且隨著生物炭添加量的增加，小白菜地上部鮮重呈先增加后降低的趨勢；同時，添加生物炭也能顯著提高小白菜地下部的鮮重，但是在4個生物炭添加水平之間，地下部鮮重無顯著性變化；在生物炭添加量為0.5%時，小白菜的總生物量最高，此時地上部、地下部生物量分別為CK的132.91%、138.94%。說明添加生物炭能夠顯著促進鎘污染土壤小白菜的生長。

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2004進行前期處理，用SPSS 17.0統(tǒng)計軟件方差分析，用LSD法進行多重比較分析和差異性檢驗。

2)粉煤灰脫硫活性評價試驗工況設定。2 g粉煤灰裝入石英反應管中，溫度70 ℃，進口SO2質量濃度為500 mg/m3，O2含量為6%，增濕水量為5%，分別測試裝入不同粉煤灰樣品工況下的出口SO2濃度c，樣品脫硫率x計算式為x=(c-500)/500×100%。

在Cd脅迫下，植物細胞內(nèi)活性氧轉化為H2O和O2的生化反應會受到影響，導致植物細胞內(nèi)的活性氧大量生成。而SOD和POD則是存在于植物細胞中重要的保護酶，它們的主要功能是減少具有毒性、高活性超氧化物自由基的形成，從而減少對植物細胞的毒害[29]。本試驗中，在鎘污染土壤中添加鐵改性生物質炭能提高SOD和POD的活性，從而提高清除自由基的能力，顯著提高小白菜Vc和可溶性蛋白質的含量，緩解Cd脅迫對小白菜的傷害。硝酸還原酶是一類含巰基的酶，Cd與硝酸還原酶的巰基結合，可破壞該酶的活性中心，使酶失活。本試驗發(fā)現(xiàn)，添加鐵改性生物質炭能提高硝酸還原酶的活性，從而降低小白菜體內(nèi)硝酸鹽含量，改善小白菜品質[30]?？扇苄蕴鞘菂⑴c細胞滲透調節(jié)的重要物質之一，其積累能提高植物細胞滲透濃度，對提高植物抗逆性具有重要作用[31]。在本試驗中，生物炭的添加能促進小白菜體內(nèi)可溶性糖含量增加，緩解Cd脅迫對小白菜的傷害。但在分析鐵改性生物質炭的使用量、根際鎘含量、SOD和POD的活性時，并未發(fā)現(xiàn)相互間呈現(xiàn)線性或明顯的相關性，推測在根際土樣分離時仍不夠嚴格而致使差異不夠顯著，或取樣時間點不足夠難以呈現(xiàn)脅迫后響應的全過程動態(tài)變化。

首先，與傳統(tǒng)膠片相比，數(shù)碼照片以馬賽克形式存在，更加容易修改而不易察覺，更加可操控而成為作者的同謀。這給傳統(tǒng)攝影致命一擊——真實性或客觀性受到廣泛質疑。里奇不無擔憂地寫道：

由此可見，通過施加生物炭來降低植物對鎘的吸收風險是可行的，但施用量不能過高，以生物炭添加量0.5%為最佳，對華南紅壤鎘脅迫下小白菜產(chǎn)量和品質具有明顯促進和改善作用，同時降低小白菜對鎘的吸收風險，但依據(jù)土壤的酸堿性特點仍須進行系統(tǒng)的施用量研究試驗。

4 結論

本研究結果表明，在鎘污染土壤中添加0.5%的生物炭既能降低小白菜根際與非根際土壤中水溶態(tài)鎘含量，提高小白菜植株體內(nèi)的SOD、POD和NR活性，從而提高小白菜Vc和可溶性蛋白質的含量、降低硝酸鹽含量、降低小白菜地上部和地下部鎘含量，添加生物炭能明顯提高小白菜地上部和地下部生物量，改善小白菜品質，但添加量不宜過大。而且華南酸性土壤中鎘因被土壤膠體或有機質吸附，生物炭對交換性鎘影響較小，如何使生物炭在大田酸性土壤中發(fā)揮更大作用，并為小白菜等蔬菜的安全生產(chǎn)提供決策依據(jù)，還有待進一步深入研究。