玉米秸稈生物炭對鎘污染土壤中小白菜生長的影響

蔣欣梅， 薛冬冬， 于錫宏， 吳鳳芝， 許鏵月， 李鈺鋒， 曲娟娟， 閆 雷

(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部東北地區(qū)園藝作物生物學(xué)與種質(zhì)創(chuàng)制重點實驗室，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150030)

土壤是植物生長的基礎(chǔ)。近年來，由于人類用工業(yè)廢水灌溉農(nóng)田，大量使用化肥、農(nóng)藥，過度進行礦區(qū)開采等，導(dǎo)致土壤重金屬污染日益嚴重，其中鎘污染已引起人們廣泛關(guān)注[1]。據(jù)調(diào)查，中國11個省份的25個地區(qū)均受到不同程度的鎘污染，鎘污染的農(nóng)田占總耕地的六分之一[2]。2000年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部對14個省份的蔬菜進行安全檢測，發(fā)現(xiàn)蔬菜中鎘超標率高達24%，其中鎘污染最嚴重蔬菜中的鎘含量是食品中污染物含量限值的20多倍[3]。湖南省部分地區(qū)的大米和土壤中鎘含量較高[4]。重金屬鎘具有較強的毒性，不易移動,所以積累在土壤中，植物吸收土壤中的鎘會影響植物生長發(fā)育及生理代謝，并經(jīng)過食物鏈最終傳遞到人體內(nèi)，危害人類健康[5]。根據(jù)食品安全國家標準，葉菜類蔬菜中鎘的最大限量為0.2 mg/kg[6]。郭曉靜[7]在研究鎘污染土壤中6種種植模式間蔬菜產(chǎn)量和鎘積累量的差異時，發(fā)現(xiàn)不同種類蔬菜可食用部位鎘積累量差異較大，葉菜類蔬菜中的鎘積累量最高。

生物炭是一種新興的土壤鈍化材料，是生物質(zhì)在厭氧條件下高溫裂解形成的炭質(zhì)材料，比表面積大，孔隙發(fā)達，含有大量較穩(wěn)定的官能團[8]，其主要有3種吸附方式：表面吸附、物理吸附、共同沉淀。生物炭的物理結(jié)構(gòu)和吸附功能可以鈍化鎘的活躍程度，其化學(xué)性質(zhì)可以改變土壤條件，降低可利用形態(tài)鎘的含量，減少植物對鎘的吸收，并緩解鎘對植物的毒害作用[9]。在土壤低鎘污染條件下，水稻土壤中的有效態(tài)鎘含量降低，稻米中總鎘含量降低[10]。在土壤中輕度鎘污染條件下施用生物炭，可降低花生籽粒中的鎘含量[11]。生物炭可通過降低土壤酸度，使有效態(tài)鎘向不活躍形態(tài)轉(zhuǎn)化，降低鎘的有效性[12]。

關(guān)于生物炭緩解鎘污染的研究，主要集中在生物炭對土壤鎘積累量及形態(tài)的影響上，采用花生殼生物炭可以減少不同鎘污染程度下小白菜中鎘的積累量[13]，生物炭緩解鎘污染對植物安全性及生長方面影響的研究鮮有報道。不同材料生物炭的理化性質(zhì)有所差異，勢必會影響鎘的吸附效果。黑龍江省作為中國的農(nóng)業(yè)大省，玉米種植面積非常大，玉米采收后的秸稈處理已成為亟需解決的問題。為此，針對北方蔬菜生產(chǎn)過程中存在的鎘污染土壤問題，本研究擬以小白菜為試驗材料，采用盆栽方式，通過模擬土壤鎘污染環(huán)境，研究施用玉米秸稈生物炭對鎘污染土壤中小白菜生長的影響，明確生物炭緩解蔬菜鎘積累的作用機制，以期為蔬菜安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試小白菜品種為華束高檔青梗菜，由哈爾濱市道外區(qū)亞奇種苗經(jīng)銷部提供，玉米秸稈生物炭(以玉米秸稈為原料，在400 ℃條件下燒制而成)由東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院提供，供試土壤為東北農(nóng)業(yè)大學(xué)向陽基地的常規(guī)土壤，供試土壤和玉米秸稈生物炭的理化性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤和玉米秸稈生物炭的理化性質(zhì)

1.2 試驗方法

于2018-2019年在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)向陽基地進行了2年試驗，每年均于5月1日開始。采用模擬鎘污染土壤的盆栽試驗，每盆(盆高為190 mm，盆口徑為240 mm)裝有常規(guī)土壤3 kg。將1.8 mg/kg的鎘配制成相應(yīng)的CdCl2·5H2O溶液后噴灑到土壤中。根據(jù)預(yù)備試驗結(jié)果可知，土壤沉降30 d后可達到穩(wěn)定狀態(tài)，此時土壤中有效態(tài)鎘含量趨于穩(wěn)定并保持不變，試驗中穩(wěn)定狀態(tài)下的土壤鎘含量為1.76 mg/kg，其中有效態(tài)鎘含量為1.02 mg/kg。

當土壤中鎘達到穩(wěn)定狀態(tài)后，于6月1日向鎘污染土壤中施入不同水平的玉米秸稈生物炭，施用量分別為10 g/kg、20 g/kg、30 g/kg，處理代碼分別為D1、D2、D3。同時，也將玉米秸稈生物炭按照上述施用量施入常規(guī)土壤中，處理代碼分別為T1、T2、T3。以不添加鎘且不添加玉米秸稈生物炭的處理為對照1(CK1)，以添加鎘但不添加玉米秸稈生物炭的處理為對照2(CK2)，將尿素、過磷酸鈣、硫酸鉀按照2∶2∶1的用量比例進行混合，并與玉米秸稈生物炭一起添加到常規(guī)土壤和鎘污染土壤中。將小白菜種子直接播種在盆中，每盆保苗3株，每個處理10盆，共30株，3次重復(fù)，隨機區(qū)組排列，在小白菜生長發(fā)育期間進行常規(guī)管理。

從播種后第20 d開始隨機取樣，測定相關(guān)指標[土壤總鎘含量、小白菜可食用部位鎘含量、葉綠素含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白質(zhì)含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性、過氧化物酶(POD)活性和過氧化氫酶(CAT)活性]，之后每隔7 d取樣1次，連續(xù)取樣5次。在最后1次取樣時測定植株自然伸展高度、葉片開展度和單株鮮質(zhì)量。土壤有效態(tài)鎘含量采用Tessier提取法測定[14]，土壤總鎘含量采用GB/T 17141-1997原子吸收法測定[15]，小白菜可食用部位鎘含量采用HNO3-HClO4消煮法測定[16]，葉綠素含量的測定采用乙醇提取比色法[17]，可溶性糖含量的測定采用蒽酮比色法[18]，可溶性蛋白質(zhì)含量的測定采用考馬斯亮藍G-250法[18]，POD活性的測定采用愈創(chuàng)木酚法[18]，SOD活性的測定采用氮藍四唑法[18]，CAT活性的測定采用高錳酸鉀滴定法[17]。

用SPSS 23.0數(shù)據(jù)處理軟件進行數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計，采用Duncan’s新復(fù)極差法分析差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米秸稈生物炭對土壤及小白菜可食用部位鎘含量的影響

2.1.1 小白菜可食用部位鎘含量 表2顯示，在常規(guī)土壤中種植的小白菜，無論是否添加玉米秸稈生物炭，其可食用部位均存在極微量的鎘。當小白菜種植于鎘污染土壤中時，隨著小白菜的生長，植株體內(nèi)鎘含量逐漸增加。對于沒有施用玉米秸稈生物炭的CK2，在小白菜播種后第34 d時可食用部位鎘含量已經(jīng)超過了0.200 mg/kg(葉菜類蔬菜中鎘的最大限量為0.200 mg/kg)，此時可食用部位已經(jīng)不安全了。施用玉米秸稈生物炭可以在一定程度上減少小白菜對鎘的吸收，表現(xiàn)為在測定的各個時間段，種植在鎘污染土壤中的小白菜可食用部位鎘含量均隨著玉米秸稈生物炭施用量的增加而降低。在播種后第34 d，D1處理下小白菜可食用部位鎘含量雖然顯著低于CK2，但也存在超標現(xiàn)象，D3處理下小白菜可食用部位鎘含量略低于D2，兩者之間差異不顯著，均顯著低于CK2，并且鎘含量未超標。播種后第48 d，D2處理下小白菜可食用部位鎘含量為0.195 mg/kg，即將超標，D1、D2、D3處理下小白菜可食用部位鎘含量與CK2相比，分別降低了27.6%、45.1%和49.0%。

表2 玉米秸稈生物炭對小白菜可食用部位鎘含量的影響

2.1.2 土壤鎘含量 表3顯示，常規(guī)土壤中雖然存在鎘，但其含量很低。在鎘污染土壤中，隨著小白菜的生長，土壤中的鎘含量逐漸降低。施用玉米秸稈生物炭可以有效降低鎘污染土壤中鎘的含量，在測定的各個時間段，鎘污染土壤中鎘含量均隨著玉米秸稈生物炭施用量的增加而降低。對同一測定時間下的土壤鎘含量進行方差分析，發(fā)現(xiàn)在鎘污染土壤條件下種植的小白菜不管施不施用玉米秸稈生物炭，其土壤鎘含量均高于常規(guī)土壤。D3處理下土壤鎘含量低于D2處理，兩者在小白菜播種后第27 d表現(xiàn)出顯著差異，而在其他時期的差異均不顯著。在小白菜播種后第48 d，D1、D2、D3處理的土壤鎘含量與CK2相比，分別降低9.6%、21.1%和25.4%。

表3 玉米秸稈生物炭對小白菜土壤中鎘含量的影響

2.2 玉米秸稈生物炭對小白菜生長的影響

表4顯示，常規(guī)土壤中小白菜處于正常生長狀態(tài)，隨著玉米秸稈炭生物炭的施用量逐漸增加，小白菜的自然伸展高度、葉片開展度、單株鮮質(zhì)量先增加后降低，T2處理下小白菜生長狀態(tài)最好，自然伸展高度、葉片開展度、單株鮮質(zhì)量顯著高于CK1。在鎘污染土壤中種植的小白菜生長受到抑制，表現(xiàn)為自然伸展高度低、葉片開展度低、單株鮮質(zhì)量低，施入玉米秸稈生物炭在一定程度上緩解了鎘的危害。CK1處理下小白菜的自然伸展高度、葉片開展度、單株鮮質(zhì)量均顯著高于CK2。D2處理下小白菜的自然伸展高度和葉片開展度均略低于CK1，均高于D3和CK2。D2處理下小白菜的單株鮮質(zhì)量略低于CK1，兩者之間差異不顯著。

表4 玉米秸稈生物炭對小白菜生長的影響

2.3 玉米秸稈生物炭對小白菜可食用部位可溶性糖含量和可溶性蛋白質(zhì)含量的影響

圖1和圖2顯示，隨著小白菜植株的生長，小白菜可食用部位可溶性糖含量和可溶性蛋白質(zhì)含量總體呈先升高后降低的趨勢。在常規(guī)土壤中種植小白菜，T1、T2、T3處理下小白菜可食用部位可溶性糖含量和可溶性蛋白質(zhì)含量均高于CK1，T1與CK1之間差異不顯著，T2處理下的可溶性糖含量和可溶性蛋白質(zhì)含量均最高。在鎘污染土壤中種植小白菜，其可食用部位的可溶性糖含量和可溶性蛋白質(zhì)含量明顯低于常規(guī)土壤中的小白菜，施用玉米秸稈生物炭可以提高小白菜的可溶性糖含量和可溶性蛋白質(zhì)含量。

2.4 玉米秸稈生物炭對小白菜葉片葉綠素含量的影響

圖3顯示，在常規(guī)土壤中種植小白菜，T1、T2、T3處理下小白菜葉片的葉綠素含量高于CK1，其中T2處理下小白菜葉片的葉綠素含量最高。在鎘污染土壤中種植小白菜，其葉片的葉綠素合成受到抑制，使葉綠素含量不同程度地下降，施用玉米秸稈生物炭可以促進葉綠素的合成，使葉綠素含量有不同程度提升。隨著小白菜的生長，各個處理中小白菜葉片葉綠素含量總體呈先升高后降低的趨勢。D1、D2、D3處理的小白菜葉片葉綠素含量在播種后第34 d時達到最大值。在同一測定時間，D2處理下小白菜葉片葉綠素的含量顯著高于CK2。

2.5 玉米秸稈生物炭對小白菜葉片相關(guān)酶活性的影響

圖4顯示，在鎘污染土壤中生長的小白菜體內(nèi)SOD、POD、CAT活性在測定的各個時間內(nèi)均高于CK1，T1、T2、T3處理下小白菜體內(nèi)SOD、POD、CAT活性整體高于CK1。CK2處理下小白菜體內(nèi)的SOD、POD、CAT活性最高，施用玉米秸稈生物炭后，鎘污染土壤中生長的小白菜體內(nèi)SOD、POD、CAT活性所有下降，其中D2處理下的SOD、POD、CAT活性最低，表明在鎘污染土壤中施用玉米秸稈生物炭可以緩解鎘脅迫。

CK1、CK2、D1、D2、D3、T1、T2、T3見表2注。圖中同一播種后時間不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。圖1 玉米秸稈生物炭對小白菜可溶性糖含量的影響Fig.1 Effects of corn-stalk biochar on soluble sugar content of Chinese cabbage

CK1、CK2、D1、D2、D3、T1、T2、T3見表2注。圖中同一播種后時間不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。圖2 玉米秸稈生物炭對小白菜可溶性蛋白質(zhì)含量的影響Fig.2 Effects of corn-stalk biochar on soluble protein content of Chinese cabbage

CK1、CK2、D1、D2、D3、T1、T2、T3見表2注。圖中同一播種后時間不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。圖3 玉米秸稈生物炭對小白菜葉片綠素含量的影響Fig.3 Effects of corn-stalk biochar on chlorophyll content in leaves of Chinese cabbage

CK1、CK2、D1、D2、D3、T1、T2、T3見表2注。圖4 玉米秸稈生物炭對小白菜葉片相關(guān)酶活性的影響Fig.4 Effects of corn-stalk biochar on activities of related enzymes in Chinese cabbage

3 討 論

鎘是植物和人體中非必需的金屬元素之一，被吸收后會產(chǎn)生一系列毒害作用。本研究結(jié)果表明，將小白菜播種于常規(guī)土壤中，土壤及小白菜可食用部位均檢測出微量鎘，原因可能是農(nóng)田中多年施用肥料，即使施用了玉米秸稈生物炭也存在微量鎘。將小白菜播種于鎘污染土壤中，隨著小白菜的不斷生長，其可食用部位的鎘含量逐漸增加，而土壤鎘含量隨著小白菜的生長而逐漸減小。施用玉米秸稈生物炭的處理與不施用玉米秸稈生物炭的處理相比，小白菜可食用部位的鎘含量較低，說明玉米秸稈生物炭可有效減少小白菜可食用部位的鎘含量，這與毛懿德等[19]的研究結(jié)果一致。生物炭緩解鎘污染的原因主要有3個：一是生物炭屬于堿性鈍化材料，可提高土壤pH，在堿性條件下鎘離子可形成沉淀，降低鎘的活性，減少植物對鎘的利用，降低其吸收量；二是生物炭的比表面積大，含有羥基、羧基等多種含氧官能團，能夠吸附鎘離子，阻礙鎘遷移；三是土壤中添加生物炭，會提高土壤中有機質(zhì)的含量，有機質(zhì)含量的升高可促進土壤有機酸和腐殖酸的生成，有機酸和腐殖酸與鎘離子發(fā)生反應(yīng)，降低鎘的有效性[20-21]。

鎘對植物的影響不僅表現(xiàn)在鎘積累上，在植物的生長中也起到作用，如會導(dǎo)致植株矮小、葉片卷曲泛黃以及減產(chǎn)等[22]。本研究結(jié)果表明，在常規(guī)土壤中，施用20 g/kg玉米秸稈生物炭的小白菜長勢最佳。在鎘污染土壤中，小白菜生長受到抑制，其自然伸展高度、葉片開展度、單株鮮質(zhì)量均有所降低，而施入玉米秸稈生物炭后小白菜的生長加快，說明玉米秸稈生物炭可以緩解鎘對小白菜生長的抑制,這與王晉等[23]的結(jié)果一致。在鎘污染土壤中施用20 g/kg玉米秸稈生物炭時，小白菜的自然伸展高度、葉片開展度、單株鮮質(zhì)量均達到了最大值，說明在鎘污染土壤中施入20 g/kg生物炭，土壤孔隙中吸附的生物炭基本趨于飽和，繼續(xù)增加玉米秸稈生物炭施用量，會影響根系對礦質(zhì)營養(yǎng)元素的吸收，這也是本試驗中30 g/kg玉米秸稈生物炭處理下的小白菜生長指標低于20 g/kg玉米秸稈生物炭處理的原因。夏紅霞等[24]發(fā)現(xiàn)木梨生物炭和酒糟生物炭均與小白菜的生長發(fā)育呈正相關(guān)，馬麗等[25]認為過量的小麥秸稈生物炭與草莓生長呈負相關(guān)，產(chǎn)生這種不一致的結(jié)果可能是因為生物炭的制作條件、制作材料、作物品種、種植環(huán)境等不同。

葉綠素是一類與光合作用有關(guān)的色素，其含量高低決定光合作用的強弱[26]。光合作用強，植物的生長代謝旺盛，可溶性蛋白質(zhì)、可溶性糖含量增加，維持植物的正常代謝[27-28]。同時，SOD、POD、CAT是植物酶系統(tǒng)中的三大保護酶，其協(xié)同作用可抵抗活性氧自由基對細胞膜的毒害，抵抗逆境環(huán)境[29]。本試驗研究結(jié)果表明，在常規(guī)土壤中，施用玉米秸稈生物炭可不同程度地提高小白菜可溶性糖、可溶性蛋白質(zhì)、葉綠素含量及葉片相關(guān)酶活性。在鎘污染土壤中，隨著玉米秸稈生物炭施用量的增加，小白菜的可溶性糖、可溶性蛋白質(zhì)含量表現(xiàn)為先升高后降低，而葉片相關(guān)酶活性整體表現(xiàn)為先降低后升高，這與冀倩[30]和金睿等[31]的結(jié)果一致，說明玉米秸稈生物炭的施用可有效緩解鎘對小白菜的毒害。當重金屬鎘進入小白菜體內(nèi)后，產(chǎn)生大量的活性氧，引發(fā)氧化脅迫和膜損傷，并且鎘離子與其他物質(zhì)結(jié)合形成絡(luò)合物，能抑制可溶性蛋白質(zhì)的合成，而玉米秸稈生物炭的施用，激活了小白菜對鎘污染的應(yīng)對機制，減輕了小白菜的脂質(zhì)過氧化程度。當小白菜所受鎘脅迫降低時，小白菜葉片中葉綠素含量、可溶性糖含量和可溶性蛋白質(zhì)含量增加[32]。施用適量玉米秸稈生物炭有助于激活小白菜的抗逆性，但過量時會對小白菜的生理代謝產(chǎn)生不利影響。鎘的形態(tài)有可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化態(tài)、有機結(jié)合態(tài)及殘渣態(tài)，其中對植物直接造成危害的主要是可交換態(tài)的鎘，各種形態(tài)鎘之間相互轉(zhuǎn)化主要受pH、有機質(zhì)含量、土壤水分等因素影響[33]。隨著植物的生長，土壤中的鎘逐漸被根系吸收，在植物體內(nèi)運轉(zhuǎn)積累，這個過程可能也會影響到鎘的形態(tài)，這方面還有待于進一步研究。