不同原料生物質炭對重金屬污染土壤微生物活性的影響

邵 佳，周文晶，宋 瑤，潘 洋，秦 華，陳俊輝

（1. 安徽省交通航務工程有限公司，安徽 合肥 230011；2. 浙江農(nóng)林大學 環(huán)境與資源學院，浙江 杭州 311300）

《全國土壤污染調查公報》顯示：中國近1/5的土壤(面積約0.1億 hm2)受重金屬不同程度的污染，其中鉛、鎘為主要污染元素，以工礦區(qū)企業(yè)周圍和南方耕地較為突出。土壤重金屬污染不僅損害植物生長，造成作物減產(chǎn)和糧食重金屬含量超標，而且威脅生態(tài)環(huán)境安全[1]。長期重金屬污染破壞土壤養(yǎng)分轉化和能量流動平衡，抑制土壤動物和微生物的生長和繁衍，危及正常的土壤生態(tài)過程和生態(tài)服務功能[2]。與非污染土壤相比，礦區(qū)附近污染土壤的微生物生物量明顯較低，存在顯著的重金屬脅迫作用[3]。重金屬脅迫作用一方面使得微生物的細胞代謝功能降低，從而導致微生物的底物利用效率降低；另一方面改變了微生物多樣性和數(shù)量，從而抑制微生物的養(yǎng)分轉化功能。因此，高效修復重金屬污染土壤，提升土壤生物功能，對保障糧食安全和耕地可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

生物質炭由生物質廢棄物經(jīng)厭氧熱解產(chǎn)生，其較好的土壤改良作用和較強的重金屬固定能力，已被學者們廣泛關注。生物質炭不僅具有高度孔隙結構、巨大的比表面積、堿性，可使土壤有機碳、pH和通氣性大幅度增加[4]，而且其表面含有豐富的含氧官能團(如羧基、酚基、羰基、羥基、醌類物質等)和較高的陽離子交換量，可以吸附、固定和降低重金屬遷移率和有效性[5-6]。生物質炭對土壤重金屬的修復效果與制備材料、熱解溫度、添加比例以及土壤性質等密切相關[7]。YU等[8]研究表明：以草本植物為原材料的生物質炭，相較于木本植物制備的生物質炭，具有較高的灰分含量和較低的有機碳含量。此外，生物質炭進入土壤顯著改變了土壤環(huán)境，對土壤微生物數(shù)量和活性也有廣泛影響[5]。JONES等[9]報道：生物質炭輸入提高了土壤微生物生物量，可能與其孔隙結構所提供的天敵庇護和土壤養(yǎng)分吸附能力有關。生物質炭可通過改變微生物生物量來影響土壤酶活性，間接影響土壤微生物的代謝能力[10]。目前，施用生物質炭對土壤重金屬遷移性和生物有效性、作物的重金屬累積特征以及緩解植物的重金屬脅迫等方面已有廣泛報道[1，11]。然而，不同原料制備的生物質炭對重金屬有效性的影響存在差異[11]，其對緩解微生物活性的脅迫效應尚不清楚。山核桃Carya cathayensis蒲殼作為山核桃主產(chǎn)區(qū)的主要廢棄物之一，其制備成生物質炭后對重金屬污染土壤的修復效果是否與竹材、秸稈等常規(guī)原料制備的生物質炭具有可比性也值得進一步研究。

為此，本研究采集了長期受鉛鎘污染的農(nóng)田土壤，以竹材邊角料、山核桃蒲殼和玉米Zea mays秸稈為原料制備了3種生物質炭，通過盆栽試驗分析了生物質炭添加對土壤性質、鉛鎘有效性、土壤微生物豐度和活性的影響，為長期鉛鎘污染土壤微生物功能恢復和生態(tài)修復提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品采集和生物質炭制備

土壤樣品采集自江蘇省宜興市宜豐鎮(zhèn)(31°24′N，119°41′E)。該地區(qū)屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫為15.7 ℃，年平均降水量為1 177.0 mm。研究區(qū)土壤類型為太湖地區(qū)第四紀湖積物發(fā)育的典型脫潛型水稻土-烏泥土。采樣區(qū)重金屬污染農(nóng)田位于20世紀60年代末發(fā)展起來的金屬冶煉和加工產(chǎn)業(yè)區(qū)的下風向約500 m。根據(jù)前期調研，采集污染樣地表層0～20 cm土壤，放入無菌塑料袋，帶回實驗室。挑去所采土壤樣品中的植物殘體，自然風干，磨細，過2 mm篩，混勻備用。山核桃蒲殼、竹材邊角料、玉米秸稈自然風干后，剪成小塊，置于特制的密閉容器中，在馬弗爐中350 ℃下限氧熱裂解4 h制得生物質炭。磨細制得的生物質炭，過1 mm篩，混合均勻后備用。供試土壤和生物質炭基本性狀如表1所示。

表1 供試土壤和生物質炭基本性質Table 1 Basic properties of tested soil and biochar

1.2 試驗設計

設置4個處理，分別為對照(ck)、竹炭(BB)、山核桃蒲殼炭(PB)、玉米秸稈炭(CB)，每個處理3個重復。3種生物質炭分別以3%炭土質量比添加到重金屬污染土壤中，以不加生物質炭的土壤為對照。每盆設置3 kg土，將生物質炭樣品與土壤充分混合后裝入塑料盆(盆高和內(nèi)徑均為20 cm)中，盆的位置隨機擺放。每盆播種20粒大小均勻飽滿的黑麥草Lolium perenne種子作為指示植物，等黑麥草種子萌發(fā)1周后，每盆間苗至8株。用去離子水調節(jié)土壤濕度至約60%田間最大持水量(WHC)。盆栽試驗培養(yǎng)時間為90 d，培養(yǎng)期間不添加肥料以免混淆生物質炭的影響，定期補充去離子水。盆栽90 d后剪取黑麥草地上部分，置于60 ℃烘箱中烘干至恒量，稱量。采集土壤樣品，過2 mm篩，混勻，分成3份。一份自然風干，用于土壤基本性質測定；一份放在4 ℃冰箱冰柜保存，用于土壤呼吸和酶活性測定；剩余的一份冷凍干燥后保存至-70 ℃冰箱。

1.3 土壤化學性質分析

土壤pH、有機碳、全氮、堿解氮質量分數(shù)分析參照魯如坤[12]的方法進行，其中土壤pH按1.0∶2.5土水比測定。土壤總鉛、鎘質量分數(shù)采用HF-HNO3-HClO4(10∶2.5∶2.5， 體積比)消煮法測定，土壤氯化鈣可提取態(tài)鉛、可提取態(tài)鎘質量分數(shù)采用0.1 mol·L-1氯化鈣浸提，然后分別用電感耦合等離子色譜儀(ICP-OES)測定。

1.4 土壤微生物磷脂脂肪酸分析

土壤微生物磷脂脂肪酸(PLFAs)提取參考吳愉萍[13]報道的方法。通過氣相色譜(Agilent 6 890 N， 美國)結合 MIDI Sherlocks微生物識別軟件 (Version 4.5， MIDI， 美國)對 PLFAs 進行定量和鑒別。用 i14:0、i15:0、a15:0、i16:0、i17:0和a17:0表征革蘭氏陽性細菌(G+)PLFAs質量摩爾濃度，cy17:0、cy19:0、16:1 w9c、16:1 w7c、18:1 w5c和 18:1w7c 表征革蘭氏陰性細菌 (G-)PLFAs 質量摩爾濃度；10Me16:0、10Me17:0和10Me18:0表征放線菌PLFAs質量摩爾濃度，18:1w9c和18:2w6，9c表征真菌PLFAs質量摩爾濃度[14]。本研究中PLFA質量摩爾濃度總量為所列磷脂脂肪酸質量摩爾濃度之和，G+/G-表示革蘭氏陽性細菌與革蘭氏陰性細菌PLFAs質量摩爾濃度之比，F(xiàn)/B表示真菌與細菌的磷脂脂肪酸質量摩爾濃度之比，cy17:0/16:1ω7c表示對細菌污染脅迫效應[14]。

1.5 土壤脫氫酶活性、基礎呼吸速率和底物誘導呼吸速率測定

土壤脫氫酶采用氯化三苯基四唑還原法測定，催化產(chǎn)物為三甲基甲臜(TPF)，結果以μg·g-1·h-1表示[15]。土壤基礎呼吸速率測定：稱相當于10 g 干質量的已預培養(yǎng)的土壤于120 mL培養(yǎng)瓶中，調整土壤濕度至60%最大田間持水量(WHC)，用硅膠塞密封，25 ℃恒溫好氧培養(yǎng)1 d。培養(yǎng)結束采集二氧化碳氣體，氣體樣品采用島津氣相色譜儀測定(FID檢測器)，生成的二氧化碳用μg·g-1·h-1來表示。底物誘導呼吸速率測定方法與基礎呼吸速率相似，培養(yǎng)開始前加入30 mg·g-1葡萄糖(溶解在蒸餾水中)，培養(yǎng)6 h后測定二氧化碳濃度。

1.6 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

所得數(shù)據(jù)采用SPSS 18.0 進行單因素方差分析(one-way ANOVA)，Duncan法多重比較檢驗各因素處理間的差異顯著性，顯著性水平設為 P=0.05。采用CANOCO軟件，利用土壤微生物磷脂脂肪酸質量摩爾濃度數(shù)據(jù)進行群落結構與環(huán)境因子相關性冗余分析(RDA)。利用R “vegan”包，采用置換多元方差分析 (permutational multivariate analysis of variance， PERMANOVA)檢驗不同處理間土壤微生物群落結構差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 土壤重金屬質量分數(shù)變化

如圖1所示：3種生物質炭均未影響土壤重金屬全量，而顯著(P＜0.05)降低了氯化鈣可提取態(tài)鉛質量分數(shù)；與對照相比，竹炭、山核桃蒲殼炭、玉米秸稈炭分別使可提取態(tài)鉛質量分數(shù)降低了69%、84%和72%，但三者間無顯著差異；竹炭、山核桃蒲殼炭、玉米秸稈炭分別使可提取態(tài)鎘質量分數(shù)降低了26%、63%和36%，其中山核桃蒲殼炭的降低幅度最大。

圖1 不同原料生物質炭添加下土壤鉛和鎘質量分數(shù)變化Figure 1 Changes in soil Pb and Cd contents under the addition of different biochars

2.2 土壤化學性質和黑麥草生物量變化

如表2所示：山核桃蒲殼炭和玉米秸稈炭顯著(P＜0.05)提高了pH、土壤有機碳和全氮以及碳氮比，而竹炭對其無顯著影響；與對照相比，山核桃蒲殼炭提高pH幅度最大，為12%，而玉米秸稈炭提高土壤有機碳和全氮幅度較其他2種生物質炭大，分別為74%和41%；盡管生物質炭添加后各處理碳氮比均值要高于對照，但無統(tǒng)計學顯著差異；3種生物質炭顯著(P＜0.05)降低了土壤堿解氮質量分數(shù)，以山核桃蒲殼炭降低幅度為最大；玉米秸稈炭添加顯著提高了黑麥草生物量，而其他2種生物質炭對其無影響。

表2 不同原料生物質炭添加下土壤基礎性質和黑麥草生物量變化Table 2 Changes of soil properties and ryegrass biomass with the addition of different biochars

2.3 土壤微生物磷脂脂肪酸質量摩爾濃度及群落結構變化

單因素方差分析顯示：3種生物質炭均顯著(P＜0.05)提高了土壤PLFAs質量摩爾濃度。與對照相比，竹炭、山核桃蒲殼炭、玉米秸稈炭分別使PLFAs質量摩濃度提高了33%、52%和56%(圖2)。與此相似，3種生物質炭均提高了G+、G-、放線菌和真菌的磷脂脂肪酸質量摩濃度，提高幅度分別為30%～41%、40%～66%、34%～52%和33%～79%，其中竹炭的提高幅度要小于山核桃蒲殼炭和玉米秸稈炭。山核桃蒲殼炭和玉米秸稈炭均顯著降低了細菌真菌比(P＜0.05)，而僅山核桃蒲殼炭顯著降低了細菌脅迫指數(shù)(P＜0.05)。冗余分析結果表明：第1軸、第2軸分別解釋了微生物PLFAs變異的55.6%和14.2%，兩者累積解釋度為69.8%(圖3)。山核桃蒲殼炭和玉米秸稈炭處理與其他處理樣品在第1軸上有比較明顯的分異。置換多元方差分析表明，生物質炭處理顯著(F=4.049，P=0.005)改變了土壤微生物群落結構。

圖2 不同原料生物質炭添加下土壤微生物磷脂脂肪酸質量摩爾濃度變化Figure 2 Changes in soil microbial phospholipid fatty acid contents with the addition of different biochars

圖3 不同原料生物質炭添加下土壤微生物群落結構冗余分析Figure 3 Redundancy analysis of soil microbial communities under the addition of different biochars

2.4 土壤脫氫酶活性、基礎呼吸和底物誘導呼吸變化

3種生物質炭處理均未顯著影響土壤基礎呼吸速率(圖4)。與對照相比，山核桃蒲殼炭顯著(P＜0.05)提高了底物誘導呼吸速率，提高幅度為49%～76%。3種生物質炭均顯著(P＜0.05)提高了土壤脫氫酶活性，其中竹炭、山核桃蒲殼炭、玉米秸稈炭的提高幅度分別為208%、625%和347%。

圖4 不同原料生物質炭添加下土壤基礎呼吸速率、底物誘導呼吸速率和脫氫酶活性變化Figure 4 Changes in soil basal respiration， substrate-induced respiration and dehydrogenase activity under the addition of different biochars

2.5 微生物活性與環(huán)境因子相關性分析

由表3可見：底物誘導呼吸與pH顯著正相關(P＜0.05)，而與可提取鉛、可提取鎘、堿解氮質量分數(shù)顯著負相關 (P＜0.05)，脫氫酶活性與可提取鉛、可提取鎘、堿解氮質量分數(shù)極顯著負相關(P＜0.01)。細菌脅迫指數(shù)與pH顯著負相關(P＜0.05)，而與可提取鉛、可提取鎘、堿解氮質量分數(shù)顯著正相關(均為P＜0.01)。G-/G+與pH、土壤有機碳、全氮和碳氮比(C/N)顯著正相關，而與可提取鉛和可提取鎘質量分數(shù)顯著負相關(P＜0.05)。

表3 微生物活性與環(huán)境因子相關性分析Table 3 Correlations between soil microbial activities and environmental factors

3 討論

3.1 不同原料生物質炭對土壤重金屬和土壤養(yǎng)分質量分數(shù)的影響

本研究發(fā)現(xiàn)：竹炭、山核桃蒲殼炭和玉米秸稈炭對土壤總鉛和總鎘質量分數(shù)無影響，但均顯著降低了土壤氯化鈣可提取態(tài)鉛和可提取態(tài)鎘的質量分數(shù)，表明3種原料制備的生物質炭均可吸附、固定重金屬，降低其生物有效性。UCHIMIYA等[16]研究表明：不同原料制備的生物質炭均顯著提高了土壤對可溶態(tài)重金屬銅、鎘、鎳的固定，尤其是對可溶態(tài)鉛的固定作用。張迪等[17]表明：添加質量分數(shù)為2.5%和5.0%的水稻Oryza sativa秸稈炭可使鎘和鉛有效態(tài)大幅度下降，并且促進鎘、鉛由酸溶態(tài)向還原態(tài)和殘渣態(tài)轉化。本研究中，重金屬總量沒有顯著變化，是由于生物質炭盡管吸附、固定了部分重金屬在其表面，但是經(jīng)過強酸處理和高溫消煮，這部分重金屬依然可以檢測到。可提取態(tài)重金屬被認為是生物可利用的組分，其含量的降低是修復的重要內(nèi)容，對降低植物重金屬吸收和保證糧食安全具有重要的意義。生物質炭降低可提取態(tài)鉛和鎘含量一方面與其吸附固定能力有關，另一方面與提高的土壤pH有關。生物質炭表面含有豐富的含氧官能團(如羧基、酚基、羰基、羥基、醌類物質等)與其較大的比表面積密切相關，可與重金屬離子形成表面絡合物，增加土壤對重金屬的專性吸附量，從而達到固定和鈍化重金屬[5]。3種生物質炭對可提取態(tài)鉛和可提取態(tài)鎘的吸附固定能力從大到小為山核桃蒲殼炭、玉米秸稈炭、竹炭。相比竹炭，山核桃蒲殼炭與玉米秸稈炭具有更高的比表面積，且提高土壤pH能力也高于竹炭，從而具有更高的吸附和固定能力。本研究中，竹炭的容重高于其他2種生物質炭，當添加相同質量的炭時，竹炭擁有更小的體積，因而加入土壤后具有更低的土壤顆粒接觸面積，對重金屬的吸附作用也可能降低。

添加生物質炭提高了黑麥草生物量、土壤pH、有機碳和全氮水平，結果與大多數(shù)報道一致[9，18]，表明生物質炭可通過改善和提高土壤肥力，促進植物生長。生物質材料熱解成生物質炭后，其pH、有機官能團、碳酸鹽、灰分堿含量與生物質材料相比均得到了明顯提高，能夠有效中和土壤酸性[19-20]。本研究中玉米秸稈炭和山核桃蒲殼炭改良效果較好，這可能由于玉米秸稈炭和山核桃蒲殼炭具有較高的灰分堿，能快速中和土壤酸度。另一方面，生物質炭降低了重金屬有效性，從而降低了對植物的毒害，也可能是促進植物生長的重要原因。相比其他2種生物質炭，玉米秸稈炭提高土壤有機碳和全氮的幅度最大，這與其本身含有較高的有機碳和全氮質量分數(shù)有關。生物質炭具有高度芳香性的碳組分和較高的碳氮比，在土壤中不易被微生物降解，土壤中添加生物質炭可長期增加土壤碳含量[20]。堿解氮含量降低可能與生物質炭具有較強的有機物和礦質態(tài)氮吸附能力有關。TAGHIZADEH-TOOSI等[21]研究表明：生物質炭能吸附土壤中的銨態(tài)氮，且吸附的這些氮素是生物可利用的。

3.2 不同原料生物質炭對土壤微生物豐度、群落結構和活性影響

本研究表明：3種生物質炭添加均顯著提高了鉛鎘污染土壤微生物磷脂脂肪酸質量摩爾濃度和各類群微生物豐度，顯著降低了細菌脅迫指數(shù)和細菌真菌比。這種改善作用在山核桃蒲殼炭和玉米秸稈炭作用下更為明顯。現(xiàn)已證明：生物質炭可以通過直接或間接作用影響土壤微生物的豐度、組成及功能，進而影響土壤各種生物化學過程[4，22]。包建平等[23]研究證實：生物質炭添加不僅能顯著提高養(yǎng)分較為貧瘠的紅壤有機質含量，對微生物豐度也有明顯的促進作用。這種改善作用被認為與生物質炭孔隙結構所提供的天敵庇護和土壤養(yǎng)分吸附能力有關，為微生物的生存繁殖提供了各種碳源、能源和礦物養(yǎng)分以及適宜的微生境[24]。LEHMANN等[4]認為：生物質炭對土壤酸度的改善和養(yǎng)分含量的提高，均有利于提高土壤微生物豐度，促進微生物活性。本研究中生物質炭顯著提高了有機碳和全氮質量分數(shù)，并與磷脂脂肪酸質量摩爾濃度顯著相關也支持了這一說法。另外，生物質炭吸附和固定土壤中重金屬，尤其是生物可利用的重金屬，對于消減重金屬對微生物的負面效應有重要作用。黃家慶等研究[25]表明：花生Arachis hypogaea殼生物質炭有利于改善土壤的理化性質，減輕重金屬鎘的毒害作用，促使細菌群落恢復生長，提高土壤酶活性。因此，本研究中生物質炭顯著降低了可提取態(tài)鉛和可提取態(tài)鎘質量分數(shù)，極大程度降低了重金屬污染對土壤微生物的抑制作用，改善了微生物生境，從而提高了微生物豐度。這從土壤可提取態(tài)鉛和可提取態(tài)鎘質量分數(shù)與微生物磷脂脂肪酸質量摩爾濃度呈極顯著負相關得到印證。

目前，生物質炭對土壤酶活性的影響還存在爭議，如添加量、酶的種類、生物質炭性質等。如BAILEY 等[26]研究發(fā)現(xiàn)：β-葡萄糖苷酶和N-乙酰氨基葡萄糖甘酶活性對生物質炭響應并不一致，主要與生物質炭對酶或底物的吸附作用及土壤微生物的變化有關。ZHENG等[27]發(fā)現(xiàn)：施用生物質炭后土壤脫氫酶活性和葡萄糖苷酶活性均顯著下降。先前研究表明：重金屬污染可顯著降低土壤脫氫酶活性和微生物數(shù)量，反映了重金屬污染對微生物的脅迫效應[28]。本研究中，3種生物質炭均顯著提高了土壤脫氫酶和底物誘導呼吸速率，表明生物質炭可促進受重金屬污染的土壤微生物活性。這可能與生物質炭降低或解除了鉛鎘污染對微生物的抑制作用和土壤環(huán)境改善有關。土壤脫氫酶和底物誘導呼吸速率與可提取態(tài)鉛鎘質量分數(shù)的顯著負相關性也支持了這一推測。有研究認為：在重金屬污染環(huán)境中，土壤微生物為了保持基本的代謝和繁殖功能，需要付出額外的能量以抵抗重金屬的脅迫，表現(xiàn)出單位生物量具有更高的呼吸速率，即更高的代謝熵[29]。然而，本研究發(fā)現(xiàn)：3種生物質炭盡管顯著提高了微生物磷脂脂肪酸質量摩爾濃度，但均未顯著提高基礎呼吸速率。這也進一步表明生物質炭解除了重金屬脅迫，使得微生物不需要額外消耗能量去適應環(huán)境，因此改善了土壤微生物的生存環(huán)境。

4 結論

3種不同原料制備的生物質炭添加均降低了鉛鎘生物有效性，山核桃蒲殼炭和玉米秸稈炭在提高土壤pH、有機碳和全氮質量分數(shù)，改善土壤養(yǎng)分狀況和降低重金屬有效性方面優(yōu)于竹炭。山核桃蒲殼炭和玉米秸稈炭提高了土壤微生物豐度，降低了鉛鎘污染脅迫作用，這與其降低重金屬的有效性有密切關系。山核桃蒲殼和玉米秸稈制備的生物質炭在鈍化重金屬和恢復微生物活性方面具有較好的應用潛力。