紫云英翻壓條件下生物炭施用量對水稻Cd遷移積累的影響

湯 建，倪國榮，王婉菁，趙尊康，謝凱柳，尹 鑫，黃 嬌，喻成龍，周春火

（江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 國土資源與環(huán)境學(xué)院/江西省農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用與面源污染防控產(chǎn)教融合重點創(chuàng)新中心，江西南昌 330045）

【研究意義】水稻是我國主要糧食作物之一，近年來隨著城市工業(yè)化的快速發(fā)展，土壤重金屬污染問題日益加重，導(dǎo)致優(yōu)質(zhì)耕地面積大幅縮減[1-2]。在稻田土壤中有效態(tài)鎘超標(biāo)時，不僅會降低水稻產(chǎn)量，還會污染稻米，直接危害到人類的身體健康[3-5]。因此，稻田土壤鎘污染的治理是保證水稻安全生產(chǎn)的關(guān)鍵，也是農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展過程中亟待解決的關(guān)鍵難題之一?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】生物炭是農(nóng)業(yè)、林業(yè)廢棄物在限氧條件下熱裂解、炭化而成的一種固體材料，是具有豐富穩(wěn)定態(tài)的有機(jī)碳，可明顯提高土壤肥力，同時增加農(nóng)作物產(chǎn)量[6]。不僅如此，生物炭還具有大量的活性含氧官能團(tuán)、高pH、豐富的孔隙度及較大的比表面積等特性，使其在施入重金屬污染土壤中時能起到較好的修復(fù)作用，因此近年來生物炭受到國內(nèi)外環(huán)境領(lǐng)域科技工作者的極大關(guān)注[7-9]。Zheng 等[10]發(fā)現(xiàn)豆秸生物炭和稻草生物炭的施用均可顯著降低水稻中的鎘濃度。陳樂等[11]研究發(fā)現(xiàn)，在不同酸化水平土壤中施加谷殼生物炭，土壤中有效態(tài)Cu 含量均隨生物炭施用量的增加而減少。李葒葒等[12]研究也發(fā)現(xiàn)隨著水稻秸稈生物炭施用量的增加，土壤中Cd、Pb 的有效態(tài)含量顯著降低，且水稻糙米中重金屬含量也隨之降低。而張麗等[13]采用根際箱培養(yǎng)的方式研究不同生物炭施用量對水稻Cd 含量的影響，結(jié)果表明50 g/kg 的生物炭施用量處理較25 g/kg 和100 g/kg 的生物炭施用量處理更能降低水稻糙米和稻殼中的Cd 含量。因此，生物炭施用一定程度上可降低土壤重金屬風(fēng)險，且不同生物炭量的施用對水稻生長發(fā)育和籽粒重金屬含量的影響不同，但目前不同生物炭量的施用對其影響規(guī)律的研究報道較少?！颈狙芯壳腥朦c】紫云英是我國主要的綠肥作物之一，也是江西水稻生產(chǎn)主要的有機(jī)肥源[14]。謝杰等[15]研究表明，紫云英長期還田條件下會提高稻田土壤中具有生物活性Cd 形態(tài)的比例。喻成龍等[16]也發(fā)現(xiàn)在Cu 污染土壤中，化肥和紫云英配施處理下水稻糙米存在一定的重金屬污染風(fēng)險。該研究還發(fā)現(xiàn)將生物炭與紫云英聯(lián)合施用可在減少化肥施用的同時，降低稻田重金屬污染風(fēng)險，提高作物產(chǎn)量，但目前關(guān)于紫云英還田條件下不同生物炭施用量對重金屬污染稻田產(chǎn)量及水稻重金屬含量影響的研究鮮見報道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】因此，本文通過盆栽種植水稻，在翻壓紫云英的條件下，研究不同生物炭施用量對水稻產(chǎn)量、Cd 含量及Cd 在水稻中的遷移轉(zhuǎn)運的影響。旨在為南方重金屬污染稻田安全高效生產(chǎn)提供一定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試早稻品種為榮優(yōu)華占，紫云英品種為余江大葉（鮮質(zhì)量0.08 kg/盆）；供試土壤采自江西農(nóng)業(yè)大學(xué)化工廠周邊Cd 污染水稻田。土壤基本化學(xué)性質(zhì)pH 5.46，有機(jī)質(zhì)15.09 g/kg，堿解氮66.74 mg/kg，有效磷22.59 mg/kg，速效鉀197.80 mg/kg，Cd 2.41 mg/kg。供試的化學(xué)肥料分別為尿素、鈣鎂磷肥和氯化鉀。試驗中所用生物炭購自南京勤豐秸稈科技有限公司（以水稻稻殼為原料采用450 ℃無氧充氮裂解法制成，生物炭中Cd含量未檢出）。

1.2 試驗設(shè)計

盆栽試驗于2019 年在江西農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)科技園進(jìn)行。設(shè)4 個處理：紫云英+化肥（CK，對照）、紫云英+化肥+2.5 g/kg生物炭（C25）、紫云英+化肥+5 g/kg生物炭（C50）、紫云英+化肥+10 g/kg生物炭（C100）。各處理肥料用量相等，所有肥料以基肥、分蘗肥和穗肥按照4∶3∶3 的比例施入。在直徑30 cm、高40 cm的橡膠桶內(nèi)裝入10 kg 風(fēng)干土，人工移栽秧苗，每桶2 株，每個處理3 個重復(fù)。水稻生育期保持約3 cm 的淹水狀態(tài)。

1.3 樣品采集及測定方法

水稻成熟期采集植株樣品，將植株根、秸稈、籽粒分開，105 ℃殺青1 h、80 ℃烘干、稱量并粉碎過100目篩備用。土壤pH 使用pH 計（雷磁pHS-3C）進(jìn)行測定。土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀分別采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法、堿解擴(kuò)散法、Olsen 法和火焰光度法進(jìn)行測定[17]。土壤采用三酸消解法進(jìn)行消解備用[16]，植株采用硝酸-微波消解法進(jìn)行消解備用[18]。土壤和植株中的重金屬含量分別使用原子吸收分光光度計（上海光譜儀器有限公司SP-3530和SP-3500GA）進(jìn)行測定。

轉(zhuǎn)運系數(shù)（TF）計算：TFa/b=Cb/Ca。TF表示Cd從a到b的轉(zhuǎn)運系數(shù)，Ca、Cb代表水稻各器官中Cd含量。

1.4 統(tǒng)計分析

采用Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和相關(guān)分析，采用SPSS 25.0 進(jìn)行顯著性分析（P＜0.05），利用Origin 2020軟件進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭施用量對水稻各部位干物質(zhì)量的影響

由圖1 可知，在30%紫云英翻壓條件下，施加不同量生物炭對水稻不同器官干物質(zhì)量影響不同。添加生物炭后，水稻各部位生物量由大到小依次為C50、C25 和C100。C50 處理的水稻各器官干物質(zhì)量都明顯高于其他處理，C25 與C100 處理水稻各器官生物量均無顯著差異。對于水稻根來說，C50 處理最高，且顯著（P＜0.05）高于C25 和C100 處理，分別提高了30.9%和44.4%；對于水稻秸稈來說，C50處理顯著（P＜0.05）高于CK 和C100 兩個處理，分別提高了14.3%和14.1%；對于水稻籽粒來說，規(guī)律基本與秸稈干物質(zhì)量一致，C50處理最高，且顯著（P＜0.05）高于CK和C100，分別提高了52.5%和26.3%。表明在30%紫云英翻壓條件下，施加生物炭能提高水稻產(chǎn)量，且在5 g/kg施用量時產(chǎn)量最高。

圖1 紫云英翻壓條件下生物炭對水稻干物質(zhì)量的影響Fig.1 Effect of biochar on dry matter quality of different parts in rice under incorporation of Astragalus sinicus

2.2 生物炭施用量對水稻各部位Cd含量的影響

由圖2 可知，對于水稻根部而言，翻壓紫云英條件下配施生物炭能提高水稻根部重金屬Cd的含量，在2.5 g/kg 生物炭配施時根部Cd 含量最高，C25、C50 和C100 處理較對照CK 處理分別提高了8.4%、2.8%和2.8%。不同生物炭用量影響了水稻秸稈Cd 含量，在2.5 g/kg 和10 g/kg 的生物炭施用量處理時，水稻秸稈的Cd 含量沒有明顯變化，而在5 g/kg 的生物炭施用量處理時，秸稈Cd 含量有明顯的降低，較之對照組降低了7.8%。對于水稻籽粒，在施用生物炭后，所有處理的籽粒中Cd 含量均有較為明顯的下降，C25、C50 和C100 處理較對照分別降低了13.2%、14.1%和11.0%，說明生物炭能有效降低水稻籽粒中重金屬Cd 的含量。

圖2 紫云英翻壓條件下生物炭對水稻各器官Cd含量的影響Fig.2 Effect of biochar on Cd content in different parts of rice under incorporation of Astragalus sinicus

2.3 生物炭施用量對水稻重金屬轉(zhuǎn)運系數(shù)（TF）的影響

從表1 可以看出，紫云英翻壓條件下生物炭施用量影響了水稻重金屬Cd 從根部向地上部位轉(zhuǎn)運量。在添加生物炭后，Cd 由根到地上部位的轉(zhuǎn)運系數(shù)TF地上部位/根均有降低，且不同生物炭施用量的降低效果有所不同，C25、C50 和C100 處理較對照分別降低了10.6%、11.6%和5.0%，說明翻壓紫云英條件下添加生物炭能抑制Cd 從水稻根部向地上部位的遷移。對于秸稈到根的轉(zhuǎn)運系數(shù)TF秸稈/根，添加生物炭后的處理較對照組降低，其中在5 g/kg 的生物炭施用量處理時TF秸稈/根最低，較對照降低了10.4%，C25和C100 處理較對照組分別降低了6.4%和1.5%。從重金屬Cd 由秸稈到籽粒的轉(zhuǎn)運系數(shù)TF籽粒/秸稈來看，紫云英翻壓條件下添加生物炭能減少Cd 從秸稈到籽粒的轉(zhuǎn)運，C25、C50 和C100 處理較對照分別降低了7.3%、6.1%和12.1%。

表1 紫云英翻壓條件下生物炭對水稻中Cd轉(zhuǎn)運系數(shù)（TF）的影響Tab.1 Effect of biochar on Cd transport factiors in rice under incorporation of Astragalus sinicus

2.4 生物炭的物理化學(xué)特性

圖3 為生物炭的場發(fā)射掃描電鏡圖，其中a、b 為生物炭放大500、2 000 倍的SEM 圖的電鏡表征圖。由圖3（a，b）可知，生物炭表面具有多個不規(guī)則球狀凸起，并呈緊密排列狀，其內(nèi)有部分孔隙結(jié)構(gòu)，球狀凸起表面有少量殘屑附著，且凸起表面較為光滑。

圖3 生物炭的FESEM圖Fig.3 FESEM diagram of biochar

由圖4可知，圖中生物炭的特征峰位于3 448 cm-1、1 642 cm-1及1 089 cm-1。在3 448 cm-1峰值附近有伸縮振動的羥基（-OH）官能團(tuán)，但峰強(qiáng)較弱；在1 642 cm-1峰附近存在羧基（-COOH）的伸縮振動吸收峰；在1 089 cm-1峰歸屬于芳香環(huán)中的羰基和酚羥基的振動而產(chǎn)生的吸收峰[19]。這表明生物炭自身含有較多的含氧官能團(tuán)，可與重金屬離子形成配位結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到鈍化土壤重金屬的作用。表2 為部分重金屬污染土壤改良劑中的主要官能團(tuán)，其中溶解性有機(jī)質(zhì)（DOM）中主要官能團(tuán)有羥基、羧基和酚羥基等[20]；凹凸棒中與重金屬離子絡(luò)合的官能團(tuán)主要有羥基、羧基和C-C 鍵官能團(tuán)[21]；而羥基磷灰石中主要有羥基、羧基等官能團(tuán)[22]。本研究中生物炭的主要官能團(tuán)與這些改良劑類似，表明生物炭可通過表面大量的官能團(tuán)與土壤中的重金屬離子發(fā)生反應(yīng)，起到鈍化土壤重金屬的效果。

圖4 生物炭的FT-IR圖Fig.4 FT-IR spectrum of biochar

表2 重金屬污染土壤修復(fù)改良劑的主要官能團(tuán)Tab.2 Main functional groups of soil remediation improvers contaminated by heavy metals

3 討論與結(jié)論

據(jù)報道[23-25]土壤中添加生物炭能提高土壤肥力，為作物提供良好的生長環(huán)境，有效促進(jìn)作物生長，增加作物產(chǎn)量。本文研究表明，翻壓紫云英條件下施用不同量生物炭對水稻生物量的影響不同，隨著生物炭添加量的增加，水稻生物量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，這與阿力木等[26]研究結(jié)果類似?？赡苁巧锾亢剂窟^高而其他養(yǎng)分含量過低，施入土壤后水稻可吸收利用的養(yǎng)分有限，且土壤C/N 比提高而降低了土壤中氮素的有效性[27]；也可能是生物炭對土壤中氮元素有緩釋作用，導(dǎo)致水稻在生育后期仍持續(xù)吸收氮素，使水稻貪青且影響籽粒灌漿[28]。Khan 等[29]研究發(fā)現(xiàn)，在部分土壤上單獨施用生物炭甚至?xí)?dǎo)致作物減產(chǎn)。

本研究發(fā)現(xiàn)，在盆栽試驗中翻壓紫云英條件下添加生物炭會增加水稻根部Cd 含量，這與劉沖[30]在油麥菜生長過程中施加0.8%的鈣鎂磷肥和桉樹炭發(fā)現(xiàn)其根部重金屬Cd 含量升高的研究結(jié)果一致。生物炭在施入土壤后，能改善土壤理化性質(zhì)如pH、CEC 等，同時生物炭本身具有的多孔徑結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積，使其具有強(qiáng)大的吸附能力，且生物炭中豐富的官能團(tuán)也能與重金屬離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)和共沉淀反應(yīng)，降低土壤中鎘的生物有效性，影響水稻對Cd 的吸收，進(jìn)而降低糙米中Cd 的含量[31-34]。本文在翻壓紫云英條件下添加不同量生物炭后，也發(fā)現(xiàn)水稻籽粒中重金屬Cd 含量均有明顯減少，但并非生物炭的添加量越多修復(fù)效果越佳。張麗等[13]發(fā)現(xiàn)水稻糙米中的Cd 含量隨生物炭用量的增加呈先降低后升高的趨勢，本研究結(jié)果與其一致，汪玉瑛等[35]也發(fā)現(xiàn)在1%、2%、5%的羊棲菜炭添加量處理下，2%的炭添加量處理對土壤交換態(tài)Cd 含量的降低效果最好。其原因可能是生物炭對土壤重金屬污染的修復(fù)作用除了與生物炭本身的多種性質(zhì)有關(guān)，還會受到生物炭的原材料、土壤性質(zhì)及作物生長環(huán)境等多種因素影響，其內(nèi)在的修復(fù)機(jī)制仍需進(jìn)一步研究。

翻壓紫云英條件下添加生物炭后發(fā)現(xiàn)水稻中Cd 從根部向地上部位及秸稈的轉(zhuǎn)運系數(shù)和秸稈向籽粒的轉(zhuǎn)運系數(shù)均有降低，說明生物炭的施用能抑制Cd 在水稻中的轉(zhuǎn)運，這可能是由于生物炭添加后降低了土壤中酸溶態(tài)Cd含量及土壤地上部位Cd的積累量[36]，導(dǎo)致Cd在水稻中從下到上的轉(zhuǎn)運能力降低，最終減少了籽粒中重金屬Cd的含量。本研究是在盆栽試驗條件下進(jìn)行的，研究結(jié)果對田間水稻安全生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)與借鑒意義。

通過一系列表征對生物炭的物理化學(xué)特性進(jìn)行了分析，研究發(fā)現(xiàn)生物炭具有明顯的多孔結(jié)構(gòu)，生物炭表面較為粗糙，這可為生物炭基肥提供更多的官能團(tuán)和更大的比表面積。而傅里葉紅外光譜分析表明生物炭具有大量的含氧官能團(tuán)。Jiang等[37]通過對生物炭的傅里葉紅外分析發(fā)現(xiàn)，生物炭中的羥基、羧酸根等官能團(tuán)可與土壤中的Cd 發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，提升其對重金屬污染土壤中Cd 的吸附能力。Uchimiya等[38]通過自制生物炭研究其對土壤中重金屬的固定效果，研究表明生物炭主要通過表面官能團(tuán)與Cu 進(jìn)行反應(yīng)，從而達(dá)到鈍化土壤重金屬的效果。表面多孔徑的結(jié)構(gòu)、大量含氧官能團(tuán)等特性，均可能是生物炭對重金屬污染土壤修復(fù)的潛在原因。

翻壓紫云英條件下，不同量生物炭配施均能提高水稻籽粒產(chǎn)量，5 g/kg 生物炭施用量時籽粒產(chǎn)量最高，較對照提高了52.5%。翻壓紫云英條件下施加生物炭能有效降低水稻籽粒中重金屬Cd 含量，5 g/kg生物炭配施處理時效果最好，較對照降低了14.1%；且添加生物炭后，水稻各器官中Cd 的轉(zhuǎn)運系數(shù)均有降低。與紫云英配施化肥處理相比，“紫云英+化肥+生物炭”的施肥方案既可提高水稻產(chǎn)量，也更能降低水稻籽粒中Cd的含量，對Cd污染土壤水稻安全生產(chǎn)具有參考意義。