棉稈炭減緩土壤中鎘對水稻生長的脅迫效應

劉師豆, 朱新萍,2*, 趙一, 王博言, 韓耀光,楊貝貝, 盧智, 賈宏濤,2

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學草業(yè)與環(huán)境科學學院, 烏魯木齊 830052; 2.新疆農(nóng)業(yè)大學新疆土壤與植物生態(tài)過程重點實驗室, 烏魯木齊 830052)

2014年，環(huán)保部和國土資源部發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示，全國土壤污染點位超標率達16.1%，其中土壤鎘超標率為7.0%[1]。水稻(OryzasativaL.)作為鎘富集作物之一[2]，土壤鎘污染會對水稻生長產(chǎn)生不利影響，直觀表現(xiàn)為株高降低，葉片發(fā)黃、變白，且光合效率下降，同時作物籽粒數(shù)減少，籽粒充實度降低，因而作物產(chǎn)量下降[3]。生物質(zhì)炭是生物質(zhì)在缺氧條件下高溫裂解生成的一類新型環(huán)境功能材料[4]，生物質(zhì)炭在促進小麥[5]、水稻[6]、油菜[7]、棉花[8]等作物生長、提高作物產(chǎn)量以及改善土壤質(zhì)量等方面具有一定效果[9]。據(jù)報道，生物質(zhì)炭可以改變重金屬污染物的形態(tài)，降低其可遷移性和生物有效性，進而減少污染物在作物中的積累，從而提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)。在我國東南區(qū)域的酸性土壤中研究得出，在未被鎘污染和重金屬污染的土壤中施用生物質(zhì)炭可以提高土壤pH和養(yǎng)分含量，對栽種植物的株高、莖粗、生物量、葉面積和產(chǎn)量也有顯著的提升作用，施用炭土質(zhì)量比為5%生物質(zhì)炭增效最好，10%的生物質(zhì)炭則會抑制植物生長[10]。也有研究表明，在堿性土壤中施加生物質(zhì)炭可以增加玉米[11]、綠豆[12]等作物的株高、生物量和產(chǎn)量，促進作物生長[13]。因此，生物質(zhì)炭在應用于重金屬污染土壤下農(nóng)作物生產(chǎn)方面潛力巨大[14]。

新疆自治區(qū)烏魯木齊市米東區(qū)作為新疆大米主產(chǎn)區(qū)之一，曾有農(nóng)田土壤Cd濃度高于新疆土壤背景值1.0～1.5倍[15-16]的報道，呈現(xiàn)典型的累積性重金屬污染特征[17]，甚至有水稻種植地檢出鎘濃度達34.83 mg·kg-1[18-19]?？梢娫跒豸斈君R市部分水稻種植區(qū)存在農(nóng)作物生長受鎘污染影響的風險。為研究干旱半干旱區(qū)堿性水稻土壤中，不同濃度鎘脅迫對水稻生長產(chǎn)生的影響，及生物質(zhì)炭添加能否減緩鎘對水稻生長及產(chǎn)量的脅迫，本研究采用室外盆栽試驗，以水稻為試驗材料，在不同鎘污染土壤中施用不同比例的棉桿生物質(zhì)炭，在水稻拔節(jié)期、孕穗期、灌漿期和完熟期分析施用棉稈炭對水稻生長、光合特性及產(chǎn)量的影響，探究棉桿生物質(zhì)炭對鎘污染土壤的水稻生長及產(chǎn)量的影響，為棉花秸稈生物質(zhì)炭應用于鎘污染土壤的水稻生產(chǎn)提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以水稻品種‘特豐優(yōu)2號’為研究材料，供試土壤為新疆自治區(qū)烏魯木齊市米東區(qū)稻田土壤，土壤pH 8.07(水土比1∶2.5)，電導率3.70 mS·cm-1、有機質(zhì)31.27 g·kg-1、全氮0.83 g·kg-1、全磷0.79 g·kg-1、全鉀8.29 g·kg-1、堿解氮97.7 mg·kg-1、速效磷38.02 mg·kg-1、鎘含量0.32 mg·kg-1。供試生物質(zhì)炭為棉花秸稈生物質(zhì)炭，由新疆農(nóng)業(yè)科學院提供，炭化溫度為360 ℃，炭化時間為16 h，過0.5 mm篩備用。棉稈生物質(zhì)炭pH 9.37，全氮21.76 g·kg-1、全磷10.58 g·kg-1、全鉀21.45 g·kg-1、堿解氮5.38 mg·kg-1、速效磷200.94 mg·kg-1、鎘含量0.083 mg·kg-1。

1.2 試驗設置

水稻室外盆栽試驗在新疆農(nóng)業(yè)大學農(nóng)科樓試驗地進行。將農(nóng)田土壤風干后過5 mm篩，裝入50 cm×42 cm(高×直徑)聚乙烯桶，每盆裝土15 kg。試驗設兩個處理因素，鎘濃度和生物質(zhì)炭施用量。參考《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風險管控標準(試行)》[20]、相關(guān)研究[15-19]及對烏魯木齊市農(nóng)作物種植區(qū)中鎘濃度的調(diào)查結(jié)果，設置土壤鎘濃度分別為0(Cd0)、1(Cd1)、4(Cd4)、8 mg·kg-1(Cd8)，將CdCl2·2.5H2O配置為所需鎘溶液，用注射器噴施并與土混合均勻，穩(wěn)定2個月。將生物質(zhì)炭按照與土壤質(zhì)量比分別以0%(C0)、1%(C1)、2.5%(C2.5)、5%(C5)的比例混入不同鎘濃度處理土壤中，再穩(wěn)定2周后覆水插秧，水深5 cm。試驗共16個處理，每個處理4次重復，每盆定苗3株。以不加鎘不加生物質(zhì)炭的處理為對照組(Cd0C0)?；适┯昧繀⒖紴豸斈君R市本地農(nóng)田用量，尿素180 kg·hm-2，磷酸氫二胺225 kg·hm-2，硫酸鉀52.5 kg·hm-2，出穗期“曬田”10 d，整個生育期165 d(2018年5月20日—10月5日)，全生育期水肥條件一致。

1.3 指標檢測與方法

分別于水稻拔節(jié)期(7月28日)、孕穗期(8月15日)、灌漿期(9月18日)和完熟期(10月4日)對水稻活體進行指標檢測。株高為水稻揚花前土面至最高葉尖的高度，揚花后土面至穗頂(不計芒)的高度。使用SPAD502葉綠素儀(浙江托普云股份有效公司)測定水稻最高功能葉片的SPAD值。在晴朗無云的上午9:00—11:30，使用Li-6400型便攜式光合測定儀(美國 Li-Cor 公司)，選取水稻最高功能葉片正面測定水稻胞間CO2濃度(Intercellular CO2concentration, Ci)、蒸騰速率(E)、氣孔導度(stomatic conductance, Gs)和凈光合速率(net photosynthesis rate, Pn)并計算葉片水分利用率(water use efficiency of leaf, LWUE)。于水稻完熟期考種測產(chǎn)，測定水稻每盆穗數(shù)、穗粒數(shù)、穗長、結(jié)實率、千粒重、每盆產(chǎn)量，采用AUW220型電子分析天平(島津)稱取質(zhì)量。土壤理化性質(zhì)測定參考魯如坤[21]。

葉片水分利用率(LWUE)=光合速率/蒸騰速率

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2016進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，用SPSS 17.0進行單因素方差分析(One-Way ANOVA)、多因素方差分析(Multi-Way ANOVA)和多重比較分析(Duncan法)，使用Origin 8.5進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎘脅迫下棉稈炭對水稻株高的影響

不同處理的水稻株高檢測結(jié)果(表1)可知，在不添加生物質(zhì)炭的條件下(C0)，與Cd0處理相比，水稻各生育期的株高隨鎘濃度遞增而逐漸降低，Cd8處理在4個時期較Cd0分別降低30.90%、15.71%、16.87%和10.20%(P<0.05)。相同濃度鎘脅迫處理下，水稻株高在4個生育期不同生物質(zhì)炭處理基本表現(xiàn)為C1>C0>C2.5>C5，可見鎘脅迫條件下施用炭土質(zhì)量比為1%的棉稈炭可以提高水稻株高，且在Cd1濃度下C1處理對水稻株高的促進效果最明顯，該處理下4個時期的株高分別比C0處理增加8.41%、3.53%、9.01%和4.51%。說明在不添加生物質(zhì)炭條件下，隨著鎘濃度的增加，水稻生長受到抑制；生物質(zhì)炭添加可以削弱鎘對水稻生長的脅迫作用，炭土質(zhì)量比為1%的生物質(zhì)炭效果最佳。

表1 鎘脅迫下棉稈炭對水稻株高的影響Table 1 Effects of cotton stalk biochar on plant height of rice under cadmium stress (cm)

2.2 鎘脅迫下棉稈炭對水稻葉片SPAD值及葉片水分利用率的影響

SPAD指數(shù)是用來表示葉片中葉綠素含量的參數(shù)。不同處理的水稻葉片SPAD值結(jié)果(圖1)可知，在全生育期，隨著水稻的成熟，葉片失綠變黃，水稻葉片SPAD值逐漸降低，完熟期具有最小值。相同施炭量條件下，葉綠素含量隨著鎘濃度遞增而減少。同時期相同鎘濃度下，水稻葉片SPAD值隨施炭量的增加而增加。不同處理的LWUE結(jié)果(圖1)可知，與處理Cd0相比，鎘脅迫降低了水稻葉片水分利用率，但是各鎘濃度脅迫處理下，與C0對比，C1處理可以提高水稻葉片水分利用率，而C2.5和C5則小幅降低葉片水分利用率。完熟期的水稻LWUE高于其他生育期。

2.3 鎘脅迫下棉稈炭對水稻葉片光合能力的影響

不同處理的水稻葉片光合能力結(jié)果(圖2)可知，全生育期中水稻Ci隨土壤鎘濃度的增加而降低，相同濃度鎘脅迫下，水稻Ci表現(xiàn)為C2.5>C1>C0>C5的趨勢，即除施用5%生物質(zhì)炭具有抑制作用外，0%、1%、2.5%的生物質(zhì)炭處理均提高了水稻胞間CO2濃度，且2.5%生物質(zhì)炭施用效果最好。

注: 不同小寫字母表示相同鎘處理下不同生物質(zhì)炭處理間差異在P<0.05水平具有統(tǒng)計學意義。Note: Different lowercase letters of the same cadmium treatment indicate significant difference between different biochar treatments at P<0.05 level.圖1 鎘脅迫下棉稈炭對水稻葉片SPAD和LWUE的影響Fig.1 Effects of cotton stalk biochar on leaf SPAD and LWUE of rice under cadmium stress

注: 不同小寫字母表示相同鎘處理下不同生物質(zhì)炭處理間差異在P<0.05水平具有統(tǒng)計學意義。Note: Different lowercase letters of the same cadmium treatment indicate significant difference between different biochar treatments at P<0.05 level.圖2 鎘脅迫下棉稈炭對水稻葉片Ci、E、Gs和Pn的影響Fig.2 Effects of cotton stalk biochar on Ci, E, Gs, and Pn of rice leaves under cadmium stress

不同鎘濃度下施用生物質(zhì)炭對水稻E、Gs和Pn的影響趨勢與Ci變化趨勢一致。

2.4 鎘脅迫下棉稈炭對水稻產(chǎn)量的影響

不同處理的水稻產(chǎn)量結(jié)果(表2)可知，單一重金屬鎘、單一生物質(zhì)炭以及鎘和生物質(zhì)炭交互處理皆對水稻產(chǎn)量有極顯著影響(P<0.001)。在相同生物質(zhì)炭施用量下，隨鎘濃度的增加各產(chǎn)量指標均降低，即鎘脅迫降低了水稻產(chǎn)量。在相同鎘濃度處理下，隨著生物質(zhì)炭施用量的增加，水稻產(chǎn)量相關(guān)指標并未持續(xù)增加，而是施用1%生物質(zhì)炭處理最高，而2.5%和5%生物質(zhì)處理對水稻產(chǎn)量具有抑制作用。在Cd0、Cd1、Cd4和Cd8四個Cd脅迫處理下，C1處理較C0的每穗粒數(shù)分別增加14.62%、12.84%、0.71%和1.6%，每盆穗數(shù)分別增加5.13%、3.7%、7.7%和1.6%，千粒重分別增加21%、8.1%、13.4%和7.1%，每盆的增產(chǎn)率分別為45.45%、30.63%、22.20%和12.98%。可見添加1%生物質(zhì)炭處理對水稻的增產(chǎn)效果最好。在所有處理中，Cd0C1處理的水稻產(chǎn)量最高。綜上，施用生物質(zhì)炭可以減緩鎘脅迫造成的水稻生長和生產(chǎn)的不良效應，尤其是1%生物質(zhì)炭施用量對土壤Cd(0～8 mg·kg-1)污染下的水稻產(chǎn)量有顯著增產(chǎn)效果(P<0.05)，但生物質(zhì)炭施用量超過1%，水稻產(chǎn)量反而降低。

表2 鎘脅迫下棉稈炭對水稻產(chǎn)量的影響Table 2 Effects of cotton stalk biochar on rice yield under cadmium stress

3 討論

水稻株高是植物生長狀況最直觀的表現(xiàn)，其高矮的不同狀態(tài)直接反映作物生長速率的快慢，間接反映污染物對植株的毒害程度。葉片SPAD值可表示葉綠素含量，可以體現(xiàn)植物的光合作用效率。水分是植物生長發(fā)育的主要因素之一，水分利用率可反映植物生長與水分利用之間的關(guān)系。一般而言，重金屬Cd會對水稻生長和生理產(chǎn)生不利影響。Cd進入植物體內(nèi)，引起營養(yǎng)元素失去平衡，造成代謝失調(diào)，植物受重金屬毒害后會表現(xiàn)為葉片失綠、變薄、變白，導致植物正常的生長發(fā)育受阻[22]，使葉的同化面積減少，同時Cd干擾了植物光合作用過程的電子傳遞，導致 CO2同化率降低，加速 CO2固定過程中的酶失活，從而降低植物的光合能力[23]。Cd脅迫下植物體內(nèi)自由基增多，損傷細胞膜系統(tǒng)從而造成氧化脅迫。Cd離子通過抑制細胞生長來抑制植物的生長和葉片正常的生理功能，最終影響水稻產(chǎn)量。本研究中，鎘濃度的增加抑制了水稻株高、葉片SPAD值、葉片水分利用率和水稻光合能力，降低了水稻產(chǎn)量，這與大部分學者研究結(jié)果一致。已有研究發(fā)現(xiàn)，重金屬鎘會顯著降低水稻等作物的株高，對水稻的生長有抑制作用，且Cd濃度越高，抑制作用越明顯[24]。鎘使植物光合能力下降[25]，抑制作物產(chǎn)量，如使作物的籽粒數(shù)以及籽粒仁充實度降低，并會顯著降低水稻的每穗實粒數(shù)和結(jié)實率[17,26]。

研究表明，作為一種新型環(huán)境功能材料，生物質(zhì)炭可以有效抑制鎘對植物的毒害作用，可以通過表面極性官能團與重金屬離子間的靜電引力產(chǎn)生的吸附作用，以及與重金屬形成更穩(wěn)定的化合物進而降低重金屬的生物有效性[27]。生物質(zhì)炭還可以為土壤微生物生長與繁殖提供良好的環(huán)境，增強微生物活性，促進養(yǎng)分循環(huán)，最終促進植物生長發(fā)育[16]。本研究中，適量生物質(zhì)炭施用相較于同等量鎘處理，有效提高了水稻株高、光合效率，顯著提高了水稻產(chǎn)量?？梢娚镔|(zhì)炭可以有效緩解重金屬鎘對水稻生長的毒害作用。諸多研究也表明，鎘污染土壤中施用生物質(zhì)炭可以增加玉米[11]、綠豆[12]等作物的株高、生物量和產(chǎn)量。施用南荻炭基降鎘土壤調(diào)理劑后，水稻增產(chǎn)率達到1.2%～34.8%[28]。生物質(zhì)炭施用量研究表明，施用超過10%的生物質(zhì)炭會顯著抑制水稻的生長[10]，而在我們的研究中，生物質(zhì)炭施用量超過1%，水稻產(chǎn)量將受到抑制。這可能與生物質(zhì)炭材料來源、供試土壤性質(zhì)有關(guān)，也可能是因為過多地施入生物質(zhì)炭使部分生物質(zhì)炭分解，導致氮的固定，從而引起作物吸收土壤氮的減少，最終使作物產(chǎn)量減少[29]。因此，針對不同重金屬污染的農(nóng)田及種植作物種類，如何科學選擇生物質(zhì)炭施用量是一個值得進一步探究的問題。本研究發(fā)現(xiàn)，不同鎘濃度處理的土壤中，施用炭土質(zhì)量比為1%的棉稈炭均可以提高水稻株高、葉片SPAD值、光合能力、葉片水分利用率及產(chǎn)量，并可有效減緩重金屬鎘對水稻生長造成的脅迫作用。根據(jù)新疆地區(qū)農(nóng)田耕層土壤的平均重量(2.25×106kg·hm-2)，推薦大田施用棉稈炭的量約為22.5 t·hm-2。但生物炭對土壤及作物的影響機理非常復雜，建議開展長期盆栽與大田試驗結(jié)合，探討生物質(zhì)炭對作物生長、生理及重金屬遷移轉(zhuǎn)化的影響機理。