不同生物炭種類和用量對鎘脅迫下小麥幼苗光合特性和鎘積累的影響

朱秀紅, 張夢霄, 崔明康, 張龍沖, 朱文瑾, 孫瓏之, 茹廣欣

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,河南 鄭州 450046)

2014年4月17日,原環(huán)境保護部和國土資源部共同發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》數(shù)據(jù)顯示,中國耕地土壤環(huán)境質(zhì)量堪憂,點位超標(biāo)率為19.4%。其中,重金屬污染問題比較突出,中國土壤重金屬的超標(biāo)率達16.1%,在所有污染物中,鎘(Cd)的超標(biāo)率最高,占7.0%[1-2]。

小麥?zhǔn)侵袊匾募Z食作物,是一種非常容易積累鎘的作物。在中國農(nóng)田土壤鎘污染的環(huán)境下,怎樣保障小麥的糧食安全,是一個急需解決的難題[3]。植物能夠吸收土壤中的鎘,并且積累在體內(nèi),當(dāng)植物體內(nèi)積累一定的水平的鎘,就會毒害植物[4]。研究表明,鎘脅迫可以通過破壞植物的葉綠體和內(nèi)囊體,從而抑制葉綠素的增加,損害植物的光合機制[5]。光合作用對作物的產(chǎn)量有重要作用,而在重金屬脅迫下,會抑制種子的萌發(fā)[6],植物葉片生長受到抑制,光合能力減弱,導(dǎo)致作物生物量降低,進而引發(fā)減產(chǎn)[7-8]。且通過食物鏈和食物網(wǎng),使受污染農(nóng)田中的重金屬在植物、動物和人體內(nèi)富集,損害人體健康[9]。施用鈍化劑吸附重金屬廣泛用于農(nóng)田重金屬的修復(fù),減少重金屬在食物鏈上的傳遞[10-11]。常用的修復(fù)劑主要有生物炭、含磷修復(fù)劑和黏土礦物等材料[12]。生物炭是有潛力的土壤改良劑,它不僅可以有效的改善土壤結(jié)構(gòu),增加土壤養(yǎng)分和微生物多樣性,還可以吸附重金屬,降低重金屬的有效性,從而促進植物生長[13]。

生物炭還會影響植物的光合特征[14-15],影響植物的生物量、根系活力及抗氧化酶活性[16-17]。研究表明,生物炭還能夠減少小麥植株對于鎘的吸收和富集[18]。然而泡桐生物炭能在多大程度上降低鎘污染對于植物的影響,以及實際應(yīng)用中的生物炭的施用量問題,目前還沒有明確的答案,泡桐生物炭的應(yīng)用效果尚未可知。本研究通過盆栽試驗,以泡桐生物炭為鈍化劑,以另外購買的2種商業(yè)生物炭為對照,探究不同生物炭類型和不同施用量對鎘污染土壤中小麥幼苗生長狀況及鎘富集和轉(zhuǎn)運特征的影響,為泡桐生物炭的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤采集自河南省新鄉(xiāng)市某處鎘污染農(nóng)田土壤。位于新鄉(xiāng)市衛(wèi)輝市姚莊村(35.398°N,113.992°E)。土壤pH值為8.47,土壤全鎘含量為2.0 mg·kg-1, 根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 15618—2018),pH值>7.5,鎘含量>1 mg·kg-1即為鎘超標(biāo),該農(nóng)田土壤鎘含量為限額的2倍。取0～20 cm表層農(nóng)田土壤,置于陰涼處風(fēng)干,去除雜物后過2 mm篩,進行理化性質(zhì)測定。供試土壤堿解氮含量為94.15 mg·kg-1、速效磷含量為101.9 mg·kg-1、速效鉀含量為21.53 mg·kg-1、有機質(zhì)含量為14.76 g·kg-1。

供試生物炭分別為(1)500 ℃泡桐生物炭(paulownia biochar,PB,自制)(2)玉米秸稈生物炭(cornstover biochar,CB,立澤環(huán)?？萍?500 ℃制備)(3)竹炭(bamboo biochar,BC,立澤環(huán)保科技,500 ℃制備),將3種生物炭粉碎過0.85 mm篩,保存待用。

供試小麥購買于河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院種業(yè)直營店,品種為百農(nóng)307(河南秋樂種業(yè)科技股份有限公司)。

1.2 試驗處理

通過短期試驗室盆栽試驗,評估3種生物炭對Cd污染土壤中小麥幼苗生長狀況、光合特性和鎘積累的影響。試驗共設(shè)置了10個處理,分別為:不添加生物炭(CK)、添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%生物炭(PB1%、CB1%、BC1%)、添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%生物炭(PB5%、CB5%、BC5%)、添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%生物炭(PB10%、CB10%、BC10%),每個處理重復(fù)3次。選用大小合適的花盆,每盆裝土1 kg,將各盆中土壤和生物炭充分混勻,靜止老化2周待用。挑選籽粒飽滿的小麥種子,用質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的H2O2消毒15 min后催芽育苗,待小麥幼苗長至3 cm左右,選取長勢一致的幼苗進行移栽,每盆移入幼苗25株。試驗在光照培養(yǎng)室中進行,模擬自然光照條件,室內(nèi)溫度25 ℃左右,維持盆中持水量為70%,試驗周期為30 d。

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1 長勢測定 每個處理中隨機選取3株小麥幼苗進行測定。其中,株高為莖基部至頂葉高度,使用CI-203手持式激光葉片面積儀(CIDBio-Science,Inc.,Camas,WA,USA)測量小麥幼苗葉面參數(shù),使用CIRAS-3光合作用測定儀測定小麥幼苗光合作用參數(shù)。

1.3.2 干物質(zhì)量測定 收獲時將小麥植株分部位稱質(zhì)量,在烘箱內(nèi)105 ℃下殺青1 h,然后75 ℃烘干至恒質(zhì)量,稱質(zhì)量得到干物質(zhì)量。

1.3.3 小麥幼苗鎘含量測定 鎘含量測定:將烘干后的小麥幼苗莖葉和根,分別用球磨儀磨碎,使用E-max重金屬分析儀測定總鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

富集系數(shù)(BCF)=小麥總鎘含量/土壤中鎘含量;

轉(zhuǎn)運系數(shù)(TF)=小麥地上部分的鎘含量/小麥地下部分的鎘含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2019整理試驗過程數(shù)據(jù),使用IBMSPSS Statistics 25.0進行單因素方差分析和差異顯著性分析,使用Origin Lab Origin 2021作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對小麥幼苗生長狀況的影響

由表2可知,不同處理對鎘污染土壤中小麥幼苗生長參數(shù)的影響存在差異,但整體與對照組相比都有促進的影響。與CK相比,PB10%處理下降低了株高,PB1%、PB10%、CB5%處理降低了根長,但無顯著性差異,其他處理都顯著增大了株高,根長也有所增加。其中,CB10%處理時株高和根長均為最大。與CK相比,所有的處理葉面積均有顯著上升,CB5%處理時增加最多。在PB10%處理時,相較于CK地上干質(zhì)量和總生物量都有所減少,其他處理都提高了地上干質(zhì)量和總生物量。添加生物炭后,地下干質(zhì)量和根冠比較CK處理均有上升。綜合考慮,BC10%處理下的小麥幼苗生長最好。

表2 不同處理對小麥幼苗生長參數(shù)的影響

2.2 不同處理對小麥幼苗光合參數(shù)的影響

2.2.1 不同處理對小麥幼苗凈光合速率的影響 由圖1可知,不同處理下鎘污染土壤中小麥幼苗的凈光合速率有較大差異。與對照相比,在相同施用量下,質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%施用量時CB顯著提升了凈光合速率,PB和BC與CK無顯著差異,質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%施用量時PB顯著降低了凈光合速率,CB和BC與CK無顯著差異,質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%施用量時PB顯著降低了凈光合速率,CB和BC均提升不顯著。與CK相比,在相同炭類型下,PB1%處理下凈光合速率降低不顯著,PB5%和PB10%處理下降低顯著,PB 3種施用量之間無顯著差異,但質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%時凈光合速率最大,質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%時最小。CB1%處理下凈光合速率顯著提升,CB5%降低不顯著,CB10%提升不顯著。BC1%和BC5%提升不顯著,BC10%降低不顯著。說明施用泡桐生物炭降低了鎘污染土壤中小麥幼苗的光合速率,且隨施用量增加時,降低作用顯著,質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%施用量的玉米炭可以顯著提升凈光合速率,而竹炭的不同施用量下凈光合速率與對照無顯著差異。

2.2.2 不同處理對小麥幼苗蒸騰速率的影響 由圖2可知,不同處理下鎘污染土壤中小麥幼苗的蒸騰速率存在差異。與CK相比,在相同炭施用量下,質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%施用量時PB處理下蒸騰速率降低不顯著,CB提升顯著,BC降低不顯著,質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%施用量時PB提升不顯著,CB降低不顯著,BC提升不顯著,質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%施用量時,PB降低不顯著,CB提升顯著,BC降低不顯著。與CK相比,在相同炭類型下,PB1%和PB10%降低不顯著,PB5%提升顯著;CB1%和CB10%提升顯著,CB5%降低不顯著;BC1%和BC10%降低不顯著,BC5%提升不顯著。說明泡桐生物炭在3種施用量下小麥幼苗的蒸騰速率與對照均無顯著差異,但質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%施用量下可以提升小麥幼苗的蒸騰速率,CB在質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%和質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的施用量下可以顯著提升小麥幼苗的蒸騰速率,在質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%施用量下,小麥幼苗蒸騰速率較對照降低,但不顯著。竹炭在3種施用量下,小麥幼苗蒸騰速率與對照均無顯著性差異。

圖2 生物炭對小麥幼苗蒸騰速率的影響

2.2.3 不同處理對小麥幼苗胞間二氧化碳體積分?jǐn)?shù)的影響 由圖3可知,不同處理下鎘污染土壤中小麥幼苗的胞間二氧化碳體積分?jǐn)?shù)存在差異。與CK相比,在相同炭施用量下,質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%施用量時PB處理下胞間二氧化碳體積分?jǐn)?shù)下降不顯著,CB和BC下降顯著,質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%施用量時PB提升顯著,CB下降不顯著,BC下降顯著,質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%施用量時,PB下降不顯著,CB和BC下降顯著。與CK相比,在相同炭類型下,PB處理時,質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%和質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%下降不顯著,質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%提升顯著,CB處理時,質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%和質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%下降顯著,質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%下降不顯著,BC處理時,3種施用量下均顯著下降。說明泡桐生物炭在質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%施用量下可以顯著提升鎘污染土壤中小麥幼苗的胞間二氧化碳體積分?jǐn)?shù),玉米炭在質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%和質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%施用量下,可以顯著降低胞間二氧化碳體積分?jǐn)?shù),竹炭3種施用量下均顯著降低了胞間二氧化碳體積分?jǐn)?shù)。

圖3 生物炭對小麥幼苗胞間二氧化碳體積分?jǐn)?shù)的影響

2.2.4 不同處理對小麥幼苗葉片氣孔導(dǎo)度的影響

由圖4可知,不同處理下鎘污染土壤中小麥幼苗的氣孔導(dǎo)度存在差異。與CK相比,在相同炭施用量下,質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%施用量時CB處理下顯著增大了氣孔導(dǎo)度,PB和BC減小不顯著,質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%施用量時PB處理下增大不顯著,CB和BC減小不顯著,質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%施用量時PB和BC減小不顯著,CB增大不顯著。與CK相比,在相同炭類型下,PB1%處理下氣孔導(dǎo)度減小顯著,質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%增大不顯著,質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%減小不顯著。CB1%處理下氣孔導(dǎo)度顯著增大,質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%減小不顯著,質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%增大不顯著。BC 3種施用量下均減小不顯著。說明泡桐生物炭在質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的施用量下可以增大鎘污染土壤中小麥幼苗的氣孔導(dǎo)度,玉米炭在質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%施用量下可以顯著增大氣孔導(dǎo)度,竹炭對氣孔導(dǎo)度無明顯影響。

圖4 生物炭對小麥幼苗葉片氣孔導(dǎo)度的影響

2.3 不同處理對小麥幼苗鎘含量的影響

2.3.1 不同處理對小麥幼苗地上部分鎘含量的影響 如圖5所示,不同處理下小麥幼苗地上部位鎘含量存在差異。在相同施用量下,質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%施用量時,3種炭處理與CK相比均顯著提升地上部位鎘含量。質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%施用量時,PB和BC處理降低了地上部位鎘含量,但降低不顯著,而CB處理顯著增加了地上部位鎘含量。質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%施用量時,PB顯著降低了地上部位鎘含量,BC降低不顯著,CB顯著升高了地上部位鎘含量。在相同炭類型下,PB處理時,隨施用量的升高,地上部位鎘含量逐漸下降,CB處理時,隨施用量升高,地上部位鎘含量先下降而后升高,但均較CK顯著提高,BC處理時,隨添加量的升高,地上部位鎘含量逐漸下降。

圖5 不同處理對小麥幼苗地上部分鎘含量的影響

2.3.2 不同處理對小麥幼苗地下部分鎘含量的影響 如圖6所示,不同處理下小麥幼苗地下部位鎘含量存在差異。在相同施用量下,質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%施用量時,PB處理與CK相比未顯著提升地下部位鎘含量,而CB和BC處理使其顯著提升,質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%施用量時,趨勢與質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%施用量相同,質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%施用量時,CB顯著升高了地下部位鎘含量,PB和BC升高但不顯著。在相同炭類型下,PB處理時,隨施用量的升高,地下部位鎘含量逐漸下降。CB處理時,隨施用量升高,地下部位鎘含量先下降而后升高,但均較CK顯著提高。BC處理時,隨添加量的升高,地下部位鎘含量先升高后下降。

圖6 不同處理對小麥幼苗地下部分鎘含量的影響

2.4 不同處理對小麥幼苗鎘富集系數(shù)的影響

富集系數(shù)反映了重金屬在土壤—植物體系中遷移的難易程度[19]。從圖7富集系數(shù)來看,泡桐生物炭在3個施用量下,均未顯著改變鎘污染土壤中小麥幼苗的鎘富集系數(shù),玉米秸稈生物炭在質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%和質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%施用量下顯著提升了小麥幼苗鎘富集系數(shù),竹炭在3個施用量下也沒有顯著改變小麥幼苗鎘富集系數(shù)。這表明泡桐生物炭和竹炭的施加基本不會改變小麥幼苗的富集系數(shù)。

2.5 不同處理對小麥幼苗鎘轉(zhuǎn)運系數(shù)的影響

轉(zhuǎn)運系數(shù)反映了重金屬在植物體內(nèi)的運輸和分配情況[20]。從圖8轉(zhuǎn)運系數(shù)來看,所有處理轉(zhuǎn)運系數(shù)均小于1,說明小麥并非鎘的超富集植物。不同處理與對照相比,均減小了小麥幼苗鎘的轉(zhuǎn)運系數(shù),說明生物炭的施用抑制了鎘從地下部位向地上部位的轉(zhuǎn)移,從而減少了小麥籽粒鎘富集的風(fēng)險。而不同生物炭類型和施用量之間對于小麥幼苗鎘的生物轉(zhuǎn)運系數(shù)影響不顯著。

圖8 不同處理對小麥幼苗鎘轉(zhuǎn)運系數(shù)的影響

3 討論與結(jié)論

生物炭作為一種土壤改良劑,施用量并不是越多越有利于作物生長,本研究中施用生物炭整體上提高了小麥幼苗的各項生長指標(biāo),但PB10%處理相較于對照組降低了株高、根長、地上干質(zhì)量和總生物量。一般來說,添加生物炭可能會增加土壤中的碳、氮等元素含量。高夢雨[21]發(fā)現(xiàn),施用生物炭能有效提高花生植株不同部位氮、磷、鉀素的積累,增加花生產(chǎn)量。因此,生物炭可能通過增加土壤中的氮磷從而提高小麥幼苗的生長,但是投入過量的氮磷會降低小麥對營養(yǎng)元素的利用效率,所以小麥幼苗的生長在生物炭施用量增加的條件下反而受到抑制。隨著生物炭施用量的增加,PB處理對小麥幼苗的生長的促進作用逐漸降低,而BC和CB處理卻逐漸促進小麥幼苗的生長,這可能是因為與其他類型炭相比木材類生物炭富含多種有機官能團,其水分與灰分含量很低,元素組成和固定碳含量也相對來說比較高[22],并且泡桐生物炭具有較大的比表面積,可以吸附可溶性的有機物,增加土壤中礦質(zhì)養(yǎng)分含量,所以由于過量使用造成土壤酸堿度變化、養(yǎng)分不平衡、微生物結(jié)構(gòu)改變等影響作物的生長[23]。而玉米秸稈生物炭和竹炭隨著施用量的增加,對土壤養(yǎng)分等小麥幼苗生長條件的改變?nèi)栽谶m宜的范圍內(nèi)。

生物炭還會影響植物的光合特征,如凡莉莉等[24]發(fā)現(xiàn)了20和80 g·kg-1的竹子生物炭對福建柏光合熒光特性具有積極影響。在本研究中,施用泡桐生物炭在質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%施用量下可以顯著提升小麥幼苗的胞間二氧化碳體積分?jǐn)?shù)和氣孔導(dǎo)度;施用玉米秸稈生物炭在質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%施用量下可以顯著提升小麥幼苗的凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度。很多研究表明,生物炭可以有效改良土壤結(jié)構(gòu),改善土壤給植物提供的生長環(huán)境條件,促進植物根系生長和對土壤養(yǎng)分、水分的吸收[25],從而促進葉片生長、增加葉面積,為充分接收、利用光能提供有利條件。在相同生物炭施用量處理下,5個光合指標(biāo)綜合CB處理最高,其次是BC處理,PB處理最低。通常來說,土壤的pH值在6.5～7.5范圍內(nèi)最適宜植物生長,而供試土壤的原始pH值為8.47,分析可能為玉米秸稈生物炭的pH值為7.47,改善了土壤的pH值狀況,從而促進了葉片生長。綜合來說,質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的施用量對小麥幼苗的光合特性的提高顯著于其他施用量,這可能是因為高施用量生物炭降低土壤有效氮,從而對植物光合性能和生長產(chǎn)生抑制作用。

一些研究表明,生物炭能夠影響植株對于重金屬的吸收和富集。艾艷梅等[26]研究表明,添加生物炭促進香根草對鎘和鉛的富集,減少銅、鎘和鉛在香根草體內(nèi)的轉(zhuǎn)運,生物炭對香根草根部富集重金屬的促進作用更顯著。本研究與之一致,施用3種生物炭都使小麥幼苗地下部分鎘的累積量略微增加,但減小了鎘在小麥幼苗體內(nèi)的轉(zhuǎn)運。這可能是由于小麥對鎘有著強的富集能力[27-28],生物炭的施用顯著增加了小麥幼苗的根部生物量,有利于將更多的鎘吸收并穩(wěn)定于體內(nèi),而生物炭對鎘的鈍化效果比較弱[29],也說明了生物炭添加主要通過降低小麥對鎘的向地上部位的轉(zhuǎn)運來達到修復(fù)效果。PB處理相較于BC、CB處理,顯著降低了小麥幼苗地上地下鎘含量,富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運系數(shù)。一方面可能是泡桐生物炭本身具有更大的比表面積,能夠有效吸附更多的鎘。另一方面可能是泡桐生物炭有多種多樣的表面官能團,改變了土壤中鎘的各種形態(tài),有效地降低了土壤中重金屬的生物有效性,抑制了重金屬向小麥幼苗地上部分轉(zhuǎn)移,從而降低了小麥幼苗轉(zhuǎn)運系數(shù)[30]。隨著施用量的增加,添加泡桐生物炭使小麥幼苗體內(nèi)的鎘含量逐漸降低,這可能是因為隨著泡桐生物炭的施入的增加,使土壤pH值升高,并且增加了更多可吸附重金屬的官能團,從而對土壤重金屬產(chǎn)生鈍化效果,降低土壤中鎘的生物有效性。

將泡桐生物炭、玉米秸稈生物炭和竹炭用作土壤改良劑,通過盆栽試驗,分析生物炭對鎘污染農(nóng)田土壤中小麥幼苗生長狀況(株高、根長和生物量等),小麥幼苗光合特征、鎘富集和轉(zhuǎn)運特征(鎘含量、富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運系數(shù)等)的影響,主要結(jié)論如下:

(1)合理施用生物炭會促進鎘污染土壤中小麥幼苗的生長,但過低或過高的施用量都會減弱促進作用。試驗表明,質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的施用量表現(xiàn)出較好的促進效果。泡桐生物炭的表現(xiàn)不如玉米秸稈生物炭和竹炭,玉米秸稈生物炭對小麥幼苗生長的促進作用最好。

(2)施用泡桐生物炭降低了鎘污染土壤中小麥幼苗的光合速率,且在高施用量時降低顯著;施用玉米秸稈生物炭在質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%施用量下可以顯著提升小麥幼苗的凈光合速率;施用竹炭時凈光合速率與對照組無顯著差異。因此認(rèn)為1%施用量下的玉米秸稈生物炭提高鎘污染土壤中小麥幼苗凈光合速率的效果最好。

(3)施用生物炭均增加了小麥地下部分鎘含量,質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%、10%施用量下的泡桐生物炭和竹炭減少了小麥幼苗地上部位鎘含量,僅施用玉米秸稈生物炭時顯著提高了小麥幼苗鎘富集系數(shù),所有處理均降低了小麥幼苗鎘轉(zhuǎn)運系數(shù)。分析認(rèn)為泡桐生物炭更具有修復(fù)鎘污染農(nóng)田土壤的潛力。