3種生物炭對鎘污染黃壤上小白菜生物量及品質(zhì)的影響

楊凱德 辛宜靜 吳梅 吳迪 羅洋

摘 要：以鎘污染黃壤為供試土壤，小白菜為供試作物，采用盆栽試驗，通過測定小白菜地上部鮮重與鎘含量、土壤有效態(tài)鎘含量以及小白菜可溶性糖、可溶性蛋白和維生素C含量等，研究木炭、辣椒秸稈炭和菌棒炭添加后鎘污染黃壤上小白菜的生物量及品質(zhì)變化情況。結(jié)果表明：與對照相比，施用3種生物炭能明顯促進小白菜的生長，木炭、辣椒秸稈炭和菌棒炭處理小白菜的地上部鮮重分別是對照（不添加生物炭）的1.19、1.31、1.34倍;生物炭的添加使得小白菜地上部鎘含量較對照分別降低了13.37%（木炭）、39.47%（辣椒秸稈炭）和62.33%（菌棒炭）;3種生物炭處理的土壤有效態(tài)Cd含量分別下降了11.05%、22.91%和31.86%;與對照相比，施加辣椒秸稈炭和菌棒炭后，小白菜可溶性糖和維生素C含量分別增加了2.65%～4.22%和6.90%～7.96%;此外，施加菌棒炭處理的小白菜可溶性蛋白含量較對照上升了0.31%。由此可見，添加生物炭能促進小白菜生長，抑制其地上部對鎘的吸收;在用量為5%的情況下，施用菌棒生物炭還能一定程度提高小白菜的品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：生物炭;小白菜;鎘污染;黃壤

中圖分類號 X53文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2021）06-0145-04

Effects of Three Kinds of Biochar on the Biomass and Quality of Chinese Cabbage in Cadmium Polluted Yellow Soil

YANG Kaide et al.

（School of Geography and Resources， Guizhou Education University， Guiyang 550018， China）

Abstract： This study selected for yellow soil cadmium pollution of soil， Chinese cabbage as the selected crops， the pot experiment， the aboveground fresh weight of Chinese cabbage and cadmium content， cadmium content of soil effective state， Chinese cabbage， soluble sugar， soluble protein and the determination of vitamin C and other data， study of charcoal， chili straw and bacteria stick carbon add yellow soil cadmium pollution on the biomass and quality of Chinese cabbage after changes.The results showed that compared with the control group， the application of three kinds of biochar could significantly promote the growth of Chinese cabbage. The aboveground fresh weight of Chinese cabbage in the treatment groups of charcoal， pepper straw charcoal and bacillus stick charcoal was 1.19， 1.31 and 1.34 times of that in the control group （without biochar）， respectively. The addition of biochar also reduced the cadmium content in aboveground of Chinese cabbage by 13.37% （charcoal）， 39.47%（charcoal from pepper straw） and 62.33%（charcoal from fungus stick）， respectively. At the same time， soil available Cd content in the three biochar treatment groups decreased by 11.05%， 22.91% and 31.86%， respectively. Compared with the control， the contents of soluble sugar and vitamin C in Chinese cabbage were increased by 2.65%～4.22% and 6.90%～7.96% after applying pepper straw charcoal and fungus stick charcoal， respectively. In addition， the soluble protein content of Chinese cabbage in the treatment group increased by 0.31% compared with the control group. In conclusion， the addition of biochar can promote the growth of Chinese cabbage and inhibit the absorption of cadmium in the aboveground. When the dosage was 5%， the quality of Chinese cabbage could be improved to a certain extent.

Key words： Biochar; Chinese cabbage; Cadmium pollution;Yellow soil

近年來，由于礦業(yè)開采、汽車尾氣排放、農(nóng)藥化肥濫用以及污水灌溉等，使得大量有害重金屬不斷進入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中，對農(nóng)作物造成了不同程度的污染，其中鎘污染最為突出[1]。目前我國超過11個省和25個地區(qū)都存在土壤中Cd的富集[2]。根據(jù)調(diào)查得知，西南地區(qū)是重金屬鎘污染潛在風險最大的地區(qū)[3]。鎘是生物毒性最強的重金屬之一，是人體非必需元素。栽種在鎘污染土壤上的農(nóng)作物對鎘有富集作用，并經(jīng)過食物鏈傳遞的方式進入人體，在人體組織器官中累積，引起腎臟損害、骨質(zhì)疏松、脫鈣、骨質(zhì)軟化、脊柱畸形等癥狀[4]。因此，阻控鎘元素在土壤—植物體系中的遷移，對于農(nóng)產(chǎn)品的安全生產(chǎn)和人體健康具有重要意義。

生物炭是生物質(zhì)（農(nóng)作物廢物、木材、植物組織、動物骨骼等）在缺氧的條件下，高溫裂解炭化而形成的一種碳含量極高的炭[5]。生物炭的制備過程中會生成大量的堿性基團，使生物炭呈堿性，因此在土壤中施加生物炭會提高土壤的pH值，促使游離態(tài)的重金屬離子向殘渣態(tài)轉(zhuǎn)化，從而降低重金屬在土壤中的溶解性、移動性以及生物有效性，促進土壤中重金屬的吸附固定[6-7]。生物炭含有豐富的孔道結(jié)構(gòu)以及較大的比表面積，能夠有效吸附土壤重金屬[8-9]。此外，生物炭表面的有機含氧基團數(shù)量豐富，其中羰基和羧基等能夠和重金屬離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，從而鈍化重金屬[10]。近年來，學者們圍繞生物炭在土壤重金屬修復(fù)方面的作用開展了大量研究，并取得了豐碩成果。王哲等[11]采用室內(nèi)土培試驗，發(fā)現(xiàn)在5%添加水平下，生物炭分別使有效態(tài)Cu、Zn、Pb、Mn下降了49.2%、46.2%、72.5%、26.3%。周金波等[12]采用大田試驗，發(fā)現(xiàn)施用生物炭能抑制土壤鎘活性，使青菜地上部分Cd含量與對照相比降幅達10.8%～21.5%，根部降幅達9.1%～18.8%。然而，在實際應(yīng)用中，生物炭對土壤鎘的鈍化效果往往受土壤特征、生物炭類型和污染狀況的影響[13]。黃壤是貴州分布最廣、面積占比最大的土壤類型，占貴州省土壤類型的41.21%[14]，其健康狀況對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)意義重大。因此，筆者以具有貴州區(qū)域特色的農(nóng)業(yè)廢棄物辣椒秸稈、菌棒等生物質(zhì)原料制炭，以鎘污染黃壤為研究對象，開展盆栽試驗，探討不同類型生物炭對土壤中鎘的鈍化效應(yīng)，以期為黃壤鎘污染修復(fù)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料 供試作物為383牌小白菜（Brassica chinensis），網(wǎng)上購買。木炭為市售機制木炭，由鋸末經(jīng)成型機擠壓成木棒后放入炭化爐中高溫碳化而成。辣椒秸稈、菌棒生物炭為收集農(nóng)業(yè)廢棄辣椒秸稈、菌棒風干后粉碎于馬弗爐中400℃下碳化2h制成。供試土壤采自貴陽市烏當區(qū)高雁垃圾填埋場附近某廢棄農(nóng)田，土壤類型為黃壤。取0～15cm表層土，將土樣混合均勻后按四分法取其1/2土壤樣品，帶回實驗室內(nèi)自然風干，挑出土壤中的石塊和植物根系等雜物，用研缽研磨過2mm篩備用。

1.2 試驗設(shè)計 試驗在貴州師范學院盆栽基地進行。取研磨過篩的生物炭與土壤按5%質(zhì)量比混勻，每盆裝土2.5kg，以不施生物炭（CK）為對照，共設(shè)4個處理，每個處理3次重復(fù)。在室溫下平衡7d后，每盆播種小白菜種子20粒，小白菜生長期內(nèi)每天觀察并澆水，保持土壤含水量為最大田間持水量的60%左右，小白菜長至2片真葉時間苗，每盆保留幼苗5株。生長50d后，收獲植株，先用自來水洗凈，再用去離子水沖洗，擦干，稱鮮重，并稱取部分鮮樣立即測定其可溶性蛋白含量和維生素C含量。剩余部分105℃下殺青20min，85℃下烘干至恒重后粉碎備用。土壤樣品自然風干后磨碎，分別過2mm和0.15mm尼龍篩，裝袋備用。

1.3 測定項目與方法 可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍G-250比色法測定，維生素C含量采用2-4二硝基苯肼比色法測定，可溶性糖采用蒽酮比色法測定，上述指標具體測定步驟參考文獻[15-16]中的方法。小白菜地上部Cd含量采用HNO3-HClO4體系消解;土壤全Cd含量采用HCl∶HNO3（優(yōu)級純，V∶V=4∶1）的混合酸液消煮，利用novAA350原子吸收光譜儀（德國耶拿）測定;土壤有效態(tài)Cd采用0.1mol/L HCl浸提，利用novAA350原子吸收光譜儀（德國耶拿）測定 [17]。測試過程中設(shè)置空白和重復(fù)樣進行分析質(zhì)量控制，誤差控制在5%以內(nèi)。所用試劑均為優(yōu)級純。

1.4 數(shù)據(jù)處理 試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010進行整理，用SPSS22.0進行單因素方差分析，用LSD法進行多重比較，顯著性水平設(shè)置為P<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 3種生物炭對小白菜鮮重的影響 由圖1可知，施用生物炭后，鎘污染黃壤上的小白菜地上部鮮重與對照相比呈增加趨勢（P<0.05）。其中木炭、辣椒秸稈生物炭和菌棒生物炭處理小白菜鮮重的增幅分別為19.50%、31.07%、34.02%，說明施加生物炭可促進小白菜的生長，促進作用大小為菌棒炭>辣椒秸稈炭>木炭，但3種生物炭間差異并不顯著。

2.2 3種生物炭對小白菜地上部Cd含量的影響 由圖2可知，施加不同類型生物炭的Cd污染土壤上生長的小白菜地上部Cd含量較不加生物炭處理有所降低。其中木炭、辣椒秸稈炭和菌棒炭處理的降幅分別為13.37%、39.47%、62.33%。方差分析結(jié)果顯示，菌棒炭處理小白菜地上部Cd含量顯著低于另外3個處理，辣椒秸稈炭處理組顯著低于對照和木炭處理（P<0.05），木炭處理與對照差異未達到顯著水平。

2.3 3種生物炭對土壤有效態(tài)Cd含量的影響 土壤有效態(tài)Cd是指土壤中能被植物吸收的那部分鎘，其大小反映了土壤中鎘遷移轉(zhuǎn)化能力的強弱[18]。由圖3可知，施加生物炭后，土壤有效態(tài)Cd含量出現(xiàn)不同程度的降低。其中木炭、辣椒秸稈炭、菌棒炭處理的土壤有效態(tài)Cd含量較對照分別下降了11.05%、22.91%、31.86%。除木炭以外，其他2種生物炭處理與對照差異均達到了顯著水平（P<0.05），其中菌棒炭處理土壤有效態(tài)Cd含量還顯著高于木炭處理。

2.4 3種生物炭對小白菜品質(zhì)指標的影響 由表1可知，與對照相比，添加木炭使小白菜維生素C含量下降了3.16%，而添加辣椒秸稈炭和菌棒炭使小白菜維生素C含量分別上升了6.90%和7.96%，各處理間差異不顯著（P>0.05）。施加木炭、辣椒秸稈炭后小白菜可溶性蛋白含量與對照相比分別下降了11.64%、6.46%，但菌棒炭處理較對照上升了0.31%。除木炭處理與對照的小白菜可溶性蛋白含量達到顯著水平（P<0.05）外，另外2種生物炭對小白菜可溶性蛋白含量的影響并不顯著（P>0.05）。木炭處理小白菜可溶性糖含量較對照下降了0.13個百分點，而辣椒秸稈炭和菌棒炭處理的小白菜可溶性糖含量較對照分別上升了4.22個百分點和2.65個百分點。除辣椒秸稈炭處理小白菜可溶性糖含量與對照相比呈顯著增加趨勢以外（P<0.05），另外2種生物炭對該指標的影響并不顯著。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論 試驗結(jié)果表明：施用生物炭能顯著促進小白菜生長，其中木炭、辣椒秸稈炭和菌棒炭處理小白菜的鮮重分別較對照提高了19.50%、31.07%、34.02%;生物炭的施用降低了小白菜地上部鎘含量，降幅大小依次為菌棒炭>辣椒秸稈炭>木炭;生物炭的施用降低了土壤有效態(tài)鎘含量，木炭、辣椒秸稈炭和菌棒炭處理的土壤有效態(tài)Cd含量較對照分別下降了11.05%、22.91%、31.86%;不同類型的生物炭對鎘污染黃壤上小白菜的品質(zhì)產(chǎn)生不同的影響，以菌棒炭對品質(zhì)指標的提升效果最優(yōu)。

3.2 討論 小白菜以地上部作為可食用部分，因此本研究中其生物量和品質(zhì)指標均以地上部作為研究對象。鮮重是小白菜生物量的重要指標，能反映其生長狀況。謝偉芳[19]等研究發(fā)現(xiàn)在Cd污染的黃壤中添加生物炭可以緩解Cd毒害癥狀，并提高白菜生物量，促進其生長發(fā)育。本試驗結(jié)果也顯示添加木炭、辣椒秸稈炭、菌棒炭的處理小白菜鮮重分別是對照的1.19、1.31、1.34倍。一方面是因為生物炭的施用提高了土壤有機質(zhì)含量及pH值，提升了礦質(zhì)元素含量，增加了土壤的保肥能力，減少了礦質(zhì)養(yǎng)分離子的淋溶損失，提高了植物對養(yǎng)分的利用率，進而促進了植物對養(yǎng)分的吸收[20-21]。另一方面是因為生物炭能與土壤中的微生物、無機和有機組分之間相互作用，加快生物炭對重金屬鎘的鈍化，削弱土壤鎘的生物有效性，降低了鎘對作物的危害[22]，這一點從本研究中得到證實，木炭、辣椒秸稈炭、菌棒炭處理土壤有效態(tài)Cd含量較對照分別降低了11.05%、22.91%、31.86%。

木炭、辣椒秸稈炭和菌棒炭3種不同類型的生物炭均降低了小白菜地上部Cd含量，這可能是由于生物炭通過離子交換、絡(luò)合沉淀反應(yīng)、物理吸附等一系列吸附機制，從而降低重金屬鎘的生物有效性，減弱其遷移轉(zhuǎn)化作用，有效阻控了土壤鎘向植物體系遷移，降低了鎘在植物體內(nèi)的富集[23]。在本研究中，木炭處理與對照無顯著差異，而辣椒秸稈炭和菌棒炭均與對照存在顯著差異。這可能是由于不同原料生物炭表面的官能團含量存在較明顯差異，對鎘的吸附鈍化效果明顯不同，導(dǎo)致不同原料生物炭對土壤鎘向植物遷移的抑制作用存在差異[24]。

小白菜營養(yǎng)品質(zhì)不僅是小白菜產(chǎn)業(yè)的制約因素，而且還是為人體提供營養(yǎng)元素的重要來源[25]。一般而言，小白菜營養(yǎng)品質(zhì)主要有可溶性糖、維生素C和蛋白質(zhì)等?？扇苄蕴遣粌H為植物提供養(yǎng)分和能量，還是一種在植物抵御逆境脅迫中起重要作用的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)[26]。維生素C參與植株體內(nèi)氧化還原反應(yīng)，具有多種生理功能，如抗氧化、促進鐵的吸收等[26]?？扇苄缘鞍资侵参锟购敌缘闹匾笜酥?，其增加和積累能提高細胞的保水能力，對細胞的生命物質(zhì)及生物膜起到保護作用。林昌化等[27]研究發(fā)現(xiàn)生物炭通過提高SOD和POD的活性，從而提高清除自由基的能力，使小白菜維生素C和可溶性蛋白含量得到提高。本研究中，菌棒炭的添加使小白菜體內(nèi)的可溶性糖、維生素C和可溶性蛋白含量均得到了一定提高，表明其品質(zhì)得到了一定改善。而木炭和辣椒秸稈炭對小白菜品質(zhì)指標影響并不明顯，可能與本研究采用的小白菜品種、生物炭類型、土壤類型以及生物炭施用量等因素有關(guān)，具體機制有待進一步研究。

本研究通過盆栽實驗，向鎘污染黃壤中添加3種不同類型的生物炭，探索其對黃壤上小白菜生長及鎘吸收的影響。從試驗結(jié)果來看有一定效果，但仍需從不同生物炭之間的配比、生物炭施用對微生物的影響、土壤鎘形態(tài)、不同土壤類型等方面開展進一步的探索，并開展大田試驗，以多方位評價生物炭施用效果，明確有關(guān)作用機理。

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（責編：徐世紅）