生物炭與氮肥配施對(duì)高粱生長(zhǎng)及鎘吸收的影響

聶新星，張自詠，黃玉紅，馮敬云，張志毅，楊 利*

（1.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保土肥研究所，武漢430064；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部廢棄物肥料化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430064；3.農(nóng)業(yè)環(huán)境治理湖北省工程研究中心，武漢430064；4.湖北工程學(xué)院生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖北 孝感432000；5.長(zhǎng)江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州434023）

近百年來，全球工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，加速了重金屬通過大氣沉降、灌溉水或農(nóng)業(yè)投入品等途徑進(jìn)入農(nóng)田，許多國(guó)家和地區(qū)農(nóng)田土壤重金屬超標(biāo)問題日益突出[1-2]。重金屬具有較強(qiáng)的生物毒性，可降解性低，易在生物體內(nèi)富集，是威脅糧食安全和人體健康的主要風(fēng)險(xiǎn)因子之一，其中鎘（Cd）因其生物毒性大、生物活性高、污染面積廣而受到廣泛關(guān)注。為修復(fù)中輕度Cd 污染農(nóng)田土壤，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量的相關(guān)研究工作[3-4]。在眾多Cd 污染土壤修復(fù)措施中，原位鈍化技術(shù)即通過向土壤中加入各類鈍化材料，調(diào)控Cd 的賦存形態(tài)、降低其生物有效性，進(jìn)而阻控其向植物體遷移，實(shí)現(xiàn)Cd中輕度超標(biāo)農(nóng)田的“邊利用、邊修復(fù)”，是一種行之有效的修復(fù)方式[5-6]。

生物炭作為一種由生物質(zhì)在高溫缺氧條件下緩慢熱解得到的富含碳的有機(jī)物質(zhì)，一般呈堿性，且具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)、較大的比表面積及大量羥基、羧基基團(tuán)[7]。生物炭能夠通過提高土壤pH[5]，或吸附、離子交換等作用[8]鈍化土壤Cd，是一種受到廣泛關(guān)注的鈍化材料。施用生物炭雖然能鈍化土壤Cd，但生物炭在高溫?zé)峤鈼l件下剩余的氮結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)土壤速效氮的添加作用有限[9]，因此，生物炭配施化肥，特別是氮肥對(duì)作物增產(chǎn)至關(guān)重要[10]。施用氮肥雖然能顯著促進(jìn)作物光合作用及干物質(zhì)積累[11]，但也促進(jìn)作物對(duì)Cd 的吸收。Li 等[12]3 年的多點(diǎn)田間試驗(yàn)研究表明，當(dāng)施氮量為200 kg·hm-2時(shí)，春小麥籽粒平均Cd 含量從對(duì)照處理的53 μg·kg-1上升至87 μg·kg-1。Xiao 等[13]的盆栽試驗(yàn)結(jié)果表明，在施用2.5%（m/m）的生物炭時(shí)，菊苣Cd含量隨施氮量增加顯著降低；而不施或施用1.5%的生物炭時(shí)，氮肥的施用能顯著促進(jìn)菊苣對(duì)Cd 的吸收。Yang 等[14]研究也表明，施用過量硝態(tài)氮能夠促進(jìn)水稻對(duì)Cd 的吸收。因此，在Cd 污染土壤上合理配施生物炭與氮肥，對(duì)確保作物增產(chǎn)、糧食安全具有重要意義。

有關(guān)生物炭材質(zhì)、用量及改性生物炭施用對(duì)作物Cd 吸收的影響研究較多[5，15]，而生物炭配施氮肥對(duì)作物Cd 吸收的研究鮮有報(bào)道。本研究選取不同Cd 污染程度的土壤，以高粱為研究材料，通過盆栽試驗(yàn)探究生物炭與氮肥（尿素）配施對(duì)高粱地上部Cd吸收的影響，并從土壤理化、作物光合特性等方面初步解釋其機(jī)理，以期為合理施用生物炭鈍化修復(fù)Cd 污染農(nóng)田提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2019 年5 月23 日至7 月26 日在湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保土肥研究所（114°18′ E，30°29′ N）盆栽場(chǎng)進(jìn)行。根據(jù)前期土壤調(diào)查結(jié)果，兩種供試黃棕壤取自湖北省大冶市稻田0～20 cm 耕層土壤，分別代表中、輕度Cd 污染農(nóng)田土壤（以YB1、YB2 表示），其基本理化性質(zhì)見表1。YB1 和YB2 全Cd 含量分別為1.27 mg·kg-1和0.46 mg·kg-1，均超過《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618—2018）規(guī)定的風(fēng)險(xiǎn)篩選值。

生物炭是水稻秸稈在450 ℃高溫缺氧條件下裂解制備而成，由湖北金日生態(tài)能源股份有限公司生產(chǎn)提供，其基本理化性質(zhì)為pH 8.81，有機(jī)碳含量151.8 g·kg-1，全氮0.66%，全磷0.39%，全鉀1.21%。

供試甜高粱品種為阿爾托2 號(hào)，由湖南隆平高科耕地修復(fù)技術(shù)有限公司提供，屬于中早熟品種，播后70～85 d進(jìn)入開花期，全生育期90～110 d。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，以生物炭施用量為主區(qū)，施氮量為副區(qū)。生物炭設(shè)0、2%、5% 3 個(gè)施用比例（以B0、B2、B5表示）；氮肥用量設(shè)0、200、500 mg·kg-13 個(gè)水平（以N0、N200、N500表示），每種土壤共9 個(gè)處理，每個(gè)處理3 次重復(fù)。氮、磷、鉀肥分別為尿素、磷酸二氫鈣和氯化鉀。磷、鉀肥用量分別為P2O550 mg·kg-1、K2O 100 mg·kg-1，全部底肥施用。氮肥分底肥（5月23日）60%、6～8 葉期（7 月3 日）20%、10～12 葉期（7 月15日）20% 3 次施用。每盆裝過1 cm 篩的風(fēng)干土3 kg，生物炭、底肥與土壤混勻后裝入盆中，用自來水調(diào)節(jié)土壤含水量至田間持水量的60%，平衡一周后每盆播種3 粒，播種深度約為3 cm，苗期（2～3 葉）間苗，每盆保留生長(zhǎng)較為一致的幼苗1 株。高粱生長(zhǎng)期間，根據(jù)土壤水分狀況用自來水對(duì)土壤進(jìn)行補(bǔ)水，防治病蟲害一次。

表1 試驗(yàn)土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Physicochemical properties of studied soils

1.3 樣品采集及分析

根據(jù)天氣情況，于7 月23 日9：00—11：30 使用便攜式光合測(cè)定儀（LI-6400XT，Li-Cor Biosciences，Lincoln，NE，USA）對(duì)高粱進(jìn)行凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）和蒸騰速率（Tr）的測(cè)定，每株高粱選擇中部3 片葉子進(jìn)行測(cè)定，取平均值。測(cè)定時(shí)使用內(nèi)置紅藍(lán)光源，測(cè)定氣體流速為500 mmol·s-1，光照強(qiáng)度為1000 mmol·s-1，葉面溫度為25 ℃，CO2濃度為400 μmol·mol-1，測(cè)定過程中每30 min 進(jìn)行匹配一次，以保證測(cè)定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

7 月26 日對(duì)高粱地上部生物量進(jìn)行收獲，105 ℃殺青30 min，75 ℃烘干至恒質(zhì)量、稱質(zhì)量、粉碎。全Cd 含量采用HNO3-H2O2濕法消解，石墨爐原子吸收儀（900T；PerkinElmer，Waltham，MA，USA）測(cè)定，采用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW（E）100348 進(jìn)行質(zhì)量控制。植株收獲后，將整盆土壤混勻，取土壤樣品0.5 kg，土樣風(fēng)干后過20 目和100 目尼龍篩，分別用于pH 和有效態(tài)Cd、有機(jī)質(zhì)含量的測(cè)定。土壤和生物炭pH、有機(jī)質(zhì)含量等基本理化性質(zhì)參照《土壤農(nóng)化分析》常規(guī)方法測(cè)定[16]；由于YB1 和YB2 均為酸性土壤，有效態(tài)Cd 采用0.1 mol·L-1CaCl2提取[17]，石墨爐原子吸收儀測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，SPSS 24.0 進(jìn)行方差分析，Origin 9.0進(jìn)行圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭與氮肥配施對(duì)土壤pH和有機(jī)質(zhì)含量的影響

由表2 可知，生物炭用量及其與施氮水平的交互作用對(duì)YB1 和YB2 土壤pH 均有極顯著影響（P＜0.01），土壤pH 在B5添加量時(shí)達(dá)到最高。此外，在不施或低生物炭用量（B0和B2）時(shí)，增加氮肥用量顯著（P＜0.05）降低YB2 土壤pH。兩種土壤有機(jī)質(zhì)含量?jī)H隨生物炭用量的增加顯著增加（P＜0.05）。

表2 生物炭與氮肥配施對(duì)土壤pH和有機(jī)質(zhì)含量的影響Table 2 Effects of simultaneous biochar with nitrogen fertilizer application on soil pH and organic matter content

2.2 生物炭與氮肥配施對(duì)土壤有效Cd含量的影響

由圖1 可看出，生物炭用量對(duì)兩種土壤CaCl2-Cd含量有顯著影響（P＜0.05）。在同一施氮水平下，CaCl2-Cd 含量隨生物炭用量的增加而降低，且與B0處理相比，B5處理CaCl2-Cd含量顯著降低（P＜0.05）。施氮水平僅對(duì)YB1 土壤CaCl2-Cd 含量有顯著影響（P＜0.05），施氮水平為N0時(shí)，B0、B2和B5用量下CaCl2-Cd含量分別為0.54、0.45 mg·kg-1和0.42 mg·kg-1；施氮水平為N500時(shí)，CaCl2-Cd 含量分別上升至0.60、0.56 mg·kg-1和0.46 mg·kg-1。

2.3 生物炭與氮肥配施對(duì)高粱葉片光合特性和地上部生物量的影響

YB1土壤上，氮肥水平對(duì)高粱葉片Pn有顯著影響（P＜0.05），對(duì)Gs 和Tr 有極顯著影響（P＜0.01），均有隨施氮量增加而增加的趨勢(shì)（表3）。YB2 土壤上，生物炭用量對(duì)Pn、Gs、Ci和Tr均有極顯著影響（P＜0.01），其中Pn有隨生物炭用量增加而增加的趨勢(shì)。施氮水平能顯著（P＜0.05）影響兩種土壤高粱地上部生物量（圖2），均在N500處理時(shí)生物量最高；而生物炭用量增加時(shí)，兩種土壤高粱地上部生物量整體表現(xiàn)為先上升后下降的趨勢(shì)。

2.4 生物炭與氮肥配施對(duì)高粱地上部Cd含量的影響

由圖3 可知，YB1 土壤上，生物炭用量對(duì)高粱地上部Cd 含量有顯著影響（P＜0.05），但氮肥水平及其與生物炭配施的交互作用對(duì)高梁地上部Cd含量影響均不顯著（P＞0.05）。B5N0處理高粱地上部Cd 含量最低為3.87 mg·kg-1，B0N200處理高粱地上部Cd 含量最高為6.79 mg·kg-1。同一生物炭用量下，與N0相比，除B2N200處理外，施氮均能促進(jìn)高粱地上部對(duì)Cd 的吸收。YB2 土壤上，生物炭用量、施氮水平及兩者交互作用均未對(duì)高粱地上部Cd 含量產(chǎn)生顯著影響（P＞0.05）。但同一生物炭用量下，隨著施氮水平增加，高粱地上部Cd 含量有降低的趨勢(shì)。B2N500處理高粱地上部Cd 含量最低為3.79 mg·kg-1，B0N0處理高粱地上部Cd 含量最高，為5.32 mg·kg-1?？梢姡锾坑昧?、施氮水平在不同土壤上對(duì)高粱地上部Cd吸收的影響不同。

圖1 生物炭與氮肥配施對(duì)土壤CaCl2-Cd含量的影響Figure 1 Effects of simultaneous biochar with nitrogen fertilizer application on soil CaCl2-Cd content

圖2 生物炭與氮肥配施對(duì)高粱地上部生物量的影響Figure 2 Effects of simultaneous biochar with nitrogen fertilizer application on aboveground biomass of sorghum

2.5 高粱地上部Cd含量影響因素相關(guān)性分析

運(yùn)用Pearson 雙側(cè)檢驗(yàn)對(duì)YB1（表4）和YB2（表5）土壤中影響高粱地上部Cd 吸收的土壤因素、高粱地上部生物量和葉片光合作用參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果表明，YB1 土壤上，高粱地上部Cd 含量與土壤pH、有機(jī)質(zhì)含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），與土壤CaCl2-Cd 呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），而與Pn、Gs、Ci、Tr和地上部生物量均無顯著相關(guān)關(guān)系。YB2土壤上，高粱地上部Cd 含量與Gs 和Tr 呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），與地上部生物量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）。

表3 生物炭與氮肥配施對(duì)高粱葉片光合特性的影響Table 3 Effects of simultaneous biochar with nitrogen fertilizer application on the photosynthesis of sorghum

3 討論

3.1 生物炭與氮肥配施對(duì)土壤理化性質(zhì)及有效態(tài)Cd的影響

生物炭一般呈堿性，富含碳和礦質(zhì)元素，同時(shí)具有多孔結(jié)構(gòu)及豐富的表面官能團(tuán)，可以通過改良土壤酸堿性、吸附、沉淀等多種機(jī)理或途徑降低土壤Cd的生物有效性[7-8]。土壤CaCl2-Cd 含量與作物Cd 含量具有很好的相關(guān)性，能夠較好地表征Cd 的生物有效性[17-18]，而pH 是影響土壤Cd 生物有效性的重要土壤因素[19]。本研究得到了較為一致的結(jié)果，即兩種土壤上生物炭用量均能顯著影響土壤pH，且在5%生物炭用量時(shí)能顯著提高pH，而pH與CaCl2-Cd含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。施用氮肥能直接或間接引起土壤酸化[20]，促進(jìn)土壤Cd 的形態(tài)轉(zhuǎn)化和生物有效性的提高[21]。本研究中，YB1 土壤上氮肥水平顯著影響土壤CaCl2-Cd 含量，同一生物炭施用比例下，施氮水平增加能提高CaCl2-Cd含量；YB2土壤上雖然施氮水平也對(duì)土壤pH有顯著影響，但CaCl2-Cd含量變化不顯著。這可能與兩種土壤中Cd的賦存形態(tài)不同有關(guān)。

3.2 生物炭與氮肥配施對(duì)高粱光合特性和生長(zhǎng)的影響

光合作用是植物最基本的生理活動(dòng)，影響著植物對(duì)土壤養(yǎng)分和重金屬的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)、干物質(zhì)的積累等[22-23]。Pn、Gs、Ci和Tr作為重要的光合參數(shù)，是衡量植物光合作用強(qiáng)度的主要指標(biāo)[24]。氮是影響作物光合作用最關(guān)鍵的礦質(zhì)元素，而增加氮素供應(yīng)有利于光合作用的提高和干物質(zhì)積累。本研究中，YB1 土壤上，氮肥水平對(duì)高粱葉片Pn、Gs 和Tr 有顯著影響，均有隨施氮量增加而增加的趨勢(shì)，進(jìn)而促進(jìn)高粱生長(zhǎng)。Abid 等[25]研究還發(fā)現(xiàn)，生物炭的施用可以減輕Cd 對(duì)西紅柿生長(zhǎng)的脅迫，使光合作用增強(qiáng)。本研究結(jié)果表明，YB1土壤上施用生物炭未對(duì)高粱光合特性產(chǎn)生顯著影響，這可能與高粱對(duì)Cd 有較強(qiáng)的耐性[26]，而YB1土壤Cd污染（1.27 mg·kg-1）未對(duì)高粱生長(zhǎng)產(chǎn)生脅迫有關(guān)。YB2 土壤上，生物炭用量對(duì)Pn、Gs、Ci 和Tr 均有極顯著影響，而高粱葉片Gs、Ci和Tr有隨生物炭用量增加而降低的趨勢(shì)，這可能是高生物炭施用量（5%）抑制高粱生長(zhǎng)的原因之一。張晗芝等[27]的研究也發(fā)現(xiàn)，玉米苗期施用高量生物炭對(duì)玉米生長(zhǎng)有一定程度的抑制作用。

圖3 生物炭與氮肥配施對(duì)高粱地上部Cd含量的影響Figure 3 Effects of simultaneous biochar with nitrogen fertilizer application on Cd concentration in shoot of sorghum

表4 YB1土壤高粱地上部Cd含量影響因素相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis on factors influencing Cd concentration in shoot of sorghum in soil YB1

表5 YB2土壤高粱地上部Cd含量影響因素相關(guān)性分析Table 5 Correlation analysis on factors influencing Cd concentration in shoot of sorghum in soil YB2

3.3 生物炭與氮肥配施對(duì)高粱地上部Cd吸收的影響

高粱地上部Cd 含量不僅受土壤Cd 生物有效性的影響，還與高粱植株對(duì)Cd 的吸收密切相關(guān)。本研究中，YB1 土壤上，高粱地上部Cd 含量有隨生物炭用量增加而降低的趨勢(shì)；除B2N200處理外，施氮均能在一定程度上提高高粱地上部Cd 含量；且高粱地上部Cd含量與土壤CaCl2-Cd 含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，而與高粱光合作用參數(shù)均無顯著相關(guān)關(guān)系。本研究結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，施用生物炭能降低YB1 土壤CaCl2-Cd 含量；而同一生物炭施用比例下，施氮水平增加能提高土壤CaCl2-Cd含量。這表明YB1土壤上，生物炭和氮肥主要通過影響土壤CaCl2-Cd 含量，進(jìn)而影響高粱地上部對(duì)Cd 的吸收。而YB2 土壤上，生物炭用量與氮肥水平對(duì)高粱地上部Cd 含量均無顯著影響，但隨著施氮水平增加，高粱地上部Cd 含量有降低的趨勢(shì)。這可能是因?yàn)槭┑皆黾幽芴岣叩厣喜可锪浚瑢?duì)其Cd 含量有一定“稀釋作用”。雖然施用5%生物炭時(shí)能顯著降低YB2 土壤CaCl2-Cd 含量，但高粱地上部Cd 含量與CaCl2-Cd 含量無顯著相關(guān)關(guān)系，而與葉片Gs 和Tr 顯著正相關(guān)。這可能是因?yàn)樵赮B2 土壤上，5%生物炭用量抑制了高粱的生長(zhǎng)，從而引起高粱地上部對(duì)Cd 的富集。Liu 等[28]研究發(fā)現(xiàn)，干旱抑制花生生長(zhǎng)也導(dǎo)致花生籽粒中Cd含量升高。

4 結(jié)論

（1）兩種土壤上，增加生物炭用量能提高土壤pH值和有機(jī)質(zhì)含量，對(duì)高粱地上部生物量整體上表現(xiàn)為先促進(jìn)后抑制的趨勢(shì)；氮肥水平增加促進(jìn)高粱生長(zhǎng)。

（2）在中度Cd污染土壤上，生物炭用量增加降低土壤CaCl2-Cd含量，減少高粱地上部Cd吸收；氮肥水平增加提高CaCl2-Cd含量，促進(jìn)高粱地上部Cd吸收。在輕度Cd 污染土壤上，土壤CaCl2-Cd 含量?jī)H在5%生物炭用量時(shí)顯著降低，但高粱地上部Cd 吸收與其生長(zhǎng)情況更密切相關(guān)。

（3）生物炭與氮肥配施可影響高粱生長(zhǎng)和其對(duì)Cd 的吸收，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)土壤等條件選擇適宜的配施比例。