生物炭對鎘、鉛、鋅污染土壤上小白菜生長狀況的影響＊

萬冬梅，楊山寧，黃 靈，黎加爽

（閩江學院 地理科學系，福建 福州 350108）

土壤是生態(tài)系統(tǒng)的基本構(gòu)成要素，是關(guān)系人類生存與發(fā)展的物質(zhì)基礎。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，特別是礦產(chǎn)開采、冶煉、加工等工業(yè)活動以及不合理的灌溉、施肥等農(nóng)業(yè)活動的進行，大量重金屬污染物進入農(nóng)業(yè)環(huán)境中，導致農(nóng)業(yè)環(huán)境惡化以及農(nóng)產(chǎn)品的污染，且重金屬可在人類體內(nèi)富集，對人體健康造成極大危害[1]。因此，迫切需要采取有效措施對重金屬污染土壤進行修復，以減少其對環(huán)境的污染和人類健康的毒害效應。

生物炭是生物質(zhì)通過熱裂解(＜700℃)，在完全或部分缺氧條件下制成的一種高碳固體殘渣[2]，研究表明，生物炭能夠提高土壤pH 值，降低土壤中酸可提取態(tài)重金屬含量[3]，從而降低其生物有效性[4]，由于生物炭具有多孔結(jié)構(gòu)，可吸附重金屬離子，降低其遷移率[5]，同時，生物炭可改善土壤環(huán)境，提高土壤肥力。因此，生物炭作為重金屬污染土壤的改良劑具有較高的可行性，其相關(guān)研究已得到越來越多的關(guān)注。

本研究采用500℃條件下，限氧熱解制備的玉米秸稈生物炭，作為鎘(Cd)、鉛(Pb)、鋅(Zn)復合污染土壤的改良劑，通過室內(nèi)盆栽實驗，研究不同質(zhì)量比生物炭配施對小白菜生長和生物量的影響，以期為生物炭對重金屬污染土壤的修復研究提供借鑒意義。

1 材料與方法

1.1 材料

本研究供試小白菜種子購買自福州春福種業(yè)有限公司，供試土壤采自福建省福州市閩侯縣上街鎮(zhèn)農(nóng)田表層0～20cm 土壤，土壤在自然條件下風干，過5mm 篩，剔去植物殘體，供盆栽用。供試試劑乙酸鎘(C4H6CdO4·2H2O)、乙酸鉛(C4H6O4Pb.H2O)、乙酸鋅(C4H6O4Zn·2H2O)(分析純)購自西隴化工股份有限公司。供試生物炭選用500℃限氧熱解3h 制備的稻殼炭，搗碎過2mm 篩備用。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計

根據(jù)龍巖市某鋼鐵冶煉場廠附近污染土壤Cd、Pb、Zn 情況[6]和我國土壤環(huán)境質(zhì)量標準(GB15618-1995)[7]，供試土壤中分別添加5mg/kgCd、1000mg/kgPb、600mg/kgZn，以乙酸鎘(C4H6CdO4·2H2O)、乙酸鉛(C4H6O4Pb.3H2O)、乙酸鋅(C4H6O4Zn·2H2O)形式加入，試驗前一次性均勻混入供試土壤中，然后分裝各盆，靜置平衡15d，期間澆水保持土壤濕潤。設計4個生物炭試驗處理：0%(w/w)、1%(w/w)、3%(w/w)、5%(w/w)，分別標記為：BC0、BC1、BC3、BC5，生物炭施加按照集中添加，而后分裝各盆的方式進行。同時設置不施加重金屬及生物炭的對照組(CK)，每個處理設置5 次重復。

2019 年3 月30 日，在口徑23cm 塑料花盆中添加1.5kg 已施入重金屬藥品及生物炭的土壤，每盆施入4g 復合肥(N：15%；P2O5：5%；K2O：25%)作為底肥，復合肥融水與土壤均勻混合。每盆散播10 粒左右小白菜種子，移入溫室大棚，待幼苗長致兩葉一心，每盆保留3 株長勢均等幼苗，剔除多余幼苗。盆栽每次澆水200mL，澆水頻率視蒸發(fā)情況而定，保證每盆澆水量一致。

1.2.2 植株分析

2019 年4 月29 日完成試驗，采收小白菜地上部，測量植株鮮重，洗凈擦干，80℃殺酶2h，而后于65℃烘箱烘干72h，測量植株干重。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對小白菜生長速度的影響

2019 年3 月30 日播種，4 月1 日，BC0、BC1、BC3、BC5 均已發(fā)芽，各處理無明顯差異，而對照組CK 未見發(fā)芽跡象。4 月4 日，BC0、BC1、BC3、BC5 小白菜長勢無明顯差異，對照組CK 見發(fā)芽跡象。4 月10 日，重金屬脅迫作用下，小白菜幼苗出現(xiàn)新葉黃化，BC0 相對于BC1、BC3、BC5 更為突出。4 月20日，各處理小白菜長勢差異明顯，總體表現(xiàn)為：CK＞BC5＞BC3＞BC1＞BC0。

2.2 生物炭對小白菜生物量的影響

2.2.1 生物炭對小白菜鮮重的影響

由表1 可知，由于本項研究施加重金屬Cd、Pb、Zn 濃度已達到我國土壤環(huán)境質(zhì)量標準(GB15618-1995)[7]的三倍左右，導致小白菜生長受到明顯抑制，對照組(CK) 小白菜鮮重達到重金屬脅迫處理組(BC0、BC1、BC3、BC5) 小白菜鮮重的2～4 倍左右，差異最明顯的BC1，對照組(CK)小白菜鮮重是BC1 的4.16 倍。同時，不同質(zhì)量比生物炭添加量對Cd、Pb、Zn 污染土壤上小白菜鮮重有明顯影響，BC3、BC5 小白菜鮮重分別為BC0 的1.67、1.77 倍，而BC1 在所有處理中小白菜鮮重最低，并沒有表現(xiàn)出明顯修復效果，表明在土壤重金屬Cd、Pb、Zn 污染程度較高時，添加3%(w/w)、5%(w/w)生物炭有利于小白菜生長，而少量生物炭配施并不能明顯改善小白菜生長狀況，或有可能降低小白菜生物量。

2.2.2 生物炭對小白菜干重的影響

各組處理小白菜干重表現(xiàn)出與鮮重相似的特征，重金屬脅迫處理組小白菜干重大小關(guān)系為BC5＞BC3＞BC0＞BC1。重金屬脅迫處理組小白菜干重均低于對照組(CK)，但差異未達到小白菜鮮重明顯程度，對照組(CK)小白菜干重是BC1 的2.95 倍遠低于鮮重的4.16 倍，表明重金屬脅迫對小白菜吸收土壤水分有重要影響。

2.2.3 生物炭對小白菜含水率的影響

各組處理小白菜含水率大小關(guān)系為CK＞BC3＞BC5＞BC0＞BC1，表明重金屬Cd、Pb、Zn 污染土壤上小白菜含水率受到明顯影響。同時，BC3 小白菜含水率大于BC5，表明5%(w/w)相對于3%(w/w)生物炭配施雖然更有利于改善小白菜生長狀況，但對小白菜吸收土壤水分卻表現(xiàn)出不利影響。

3 討論

目前我國土壤存在不同程度的重金屬污染[8]，其具有普遍性、難遷移、高毒性、不可逆性以及生物相容性等特點[9]，是當今面臨的主要環(huán)境問題之一，對人類的健康產(chǎn)生諸多不利影響，因此需要有經(jīng)濟、可靠的方法進行土壤改良。土壤重金屬脅迫對一般非耐性植物的生長具有明顯抑制作用[10]，生物炭具有大量的孔道、較大的比表面積、多樣化的活性基團以及高度的生化抗分解性，而作為吸附土壤重金屬、改善土壤環(huán)境、促進作物生長、降低生物威脅的改良劑[11]。

在以往的研究中，經(jīng)常選擇3%(w/w)的比例添加生物炭進行污染土壤的修復研究[12]，有研究認為，以3%(w/w)的比例添加生物炭，與1%(w/w)的施用量相比，具有更大的提高土壤碳氮比和植物生產(chǎn)力的潛力[13]。本項研究中，在Cd、Pb、Zn 污染土壤中配施3%(w/w)、5%(w/w) 生物炭對小白菜生長有明顯改善效果，而1%(w/w)生物炭配施量并不能有效促進小白菜生長，與前人研究結(jié)果一致。3%(w/w)生物炭配適量與5%(w/w)配適量相比，無論是小白菜干重或鮮重，5%(w/w)生物炭配適量都表現(xiàn)出更好的修復效果，可以推斷，隨著土壤重金屬污染程度的加劇，需要更大的生物炭配適量，才能獲得較好的修復效果。1%(w/w) 生物炭配施量相對于無添加生物炭土壤，小白菜干重、鮮重都有所降低，可以推斷在重金屬嚴重污染土壤中，較低質(zhì)量比的生物炭配施不能提高小白菜生物量，或有可能對小白菜生長產(chǎn)生不利影響。

相對于對照組(CK)小白菜生物量，重金屬脅迫處理組小白菜干重降低量要明顯低于鮮重降低量，表明重金屬對小白菜吸收土壤水分有明顯抑制作用。各處理組小白菜含水率也指示這一特征，重金屬脅迫處理組小白菜含水率要明顯低于對照組(CK)。雖然BC5 相對于BC3 更能促進小白菜生長，使得BC5 小白菜生物量大于BC3，但BC5 小白菜含水率卻低于BC3，這可能由于大量生物炭的配施有助于土壤吸收熱量而提高土壤溫度，導致蒸發(fā)加強，在澆水量保持一致的條件下，BC5 土壤含水量相對于BC3 有所降低，致使BC5 小白菜含水率降低。

4 結(jié)論

通過盆栽實驗，研究玉米秸稈生物炭對Cd、Pb、Zn 復合污染土壤上小白菜生長狀況及生物量的影響。結(jié)果表明：（1）在Cd、Pb、Zn 重度污染土壤上種植小白菜，隨著生物炭配施量的增加，小白菜生物量出明顯增加；（2）在土壤重金屬Cd、Pb、Zn 污染程度較為嚴重時，少量生物炭施加量并不能明顯改善小白菜生長狀況，或有可能降低小白菜生物量；（3）雖然在Cd、Pb、Zn 重度污染土壤中配施多量生物炭有利于改善小白菜生長，但由于生物炭有助于提高土壤溫度，可能導致蒸發(fā)加強，繼而影響土壤含水率。