生物炭對土壤鎘的固化效果及韭菜生長的影響

劉 慧，孫秀蘭

（江南大學(xué)食品學(xué)院 江蘇無錫 214122）

隨著全球現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，大量的鎘（Cd）排放到大氣、水體和土壤中，造成重金屬鎘污染[1-2]。有研究表明，我國耕地土壤污染點位超標率為19.4%，其中無機污染物鎘的污染點位超標率最高，達到7.0%，且鎘是影響農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量的首要污染物[3]。污染土壤中的鎘經(jīng)農(nóng)作物吸收后，富集在可食部位，可以通過食物鏈在人體中積累，危害人體健康[4]。因此，在保證作物安全種植的前提下，對鎘污染的農(nóng)田土壤進行修復(fù)具有重要意義[5]。

韭菜是一種綠色蔬菜，含有豐富的葉綠素和多種活性物質(zhì)，如含硫化合物、含氮化合物、植物油類、維生素、微量元素等。經(jīng)常食用韭菜具有諸多好處，如降低膽固醇、降血脂、清熱解毒及對心血管疾病有一定的預(yù)防和治療作用等[5]。蔬菜是人們?nèi)粘Ｉ钪械闹饕澄?，也是人類重金屬暴露的主要來源[6]。徐玲玲等[7]研究發(fā)現(xiàn)，韭菜是一種易富集鎘的草本植物，由于鎘元素廣泛存在于環(huán)境中，而有的地區(qū)土壤中鎘水平較高，從而造成了部分生長在這種環(huán)境中的韭菜富集了大量的鎘，造成鎘水平畸高。近年來，韭菜中鎘元素含量超過國家限量標準的報道頻現(xiàn)，秦皇島市、上海市、長沙市、保定市、溫州市等地蔬菜中重金屬鎘超標率分別達到12.2%、13.3%、51.0%、89.0%、50.0%[8]。2018 年至今，全國鎘含量不合格韭菜樣本批次數(shù)為152 批次，樣本中鎘水平最高達0.70 mg·kg-1，為國家安全標準（GB 2762-2017）規(guī)定限量的數(shù)倍之多[9]。因此，解決韭菜中鎘超標問題刻不容緩。

有效解決土壤鎘污染問題有兩種途徑：一是改變鎘在土壤中的賦存形態(tài)，使其由活化態(tài)變?yōu)榉€(wěn)定態(tài)，從而減小其生物毒性；二是直接減少土壤中鎘的含量，使其達到本底含量。目前，土壤鎘污染采用的方法主要有物理法、化學(xué)法、生物法和農(nóng)業(yè)法等[10]。然而這些常規(guī)的方法大多存在著操作復(fù)雜、成本較高和可能造成二次污染等缺點[11]。尋找操作簡單、成本低且安全高效的治理方法，有效解決土壤鎘含量超標問題成為當前土壤修復(fù)工作的重點。

前人研究表明，生物炭具有高抗分解性、高比表面積和高碳氮[12]，是有潛力的土壤改良劑，它不僅可以有效地改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤養(yǎng)分、提高土壤肥力和微生物多樣性，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[13-14]。在重金屬污染土壤修復(fù)中，生物炭得到越來越多學(xué)者的關(guān)注[11]。國內(nèi)外專家學(xué)者對生物炭降低土壤及作物的鎘含量做了大量研究[15]。胡祖武等[16]以鎘污染的紅壤性水稻土為研究對象，采用盆栽試驗，研究不同添加量的低硅（BW3）和高硅（AH、AB）含量的3 種不同類型的生物炭對土壤鎘形態(tài)含量及水稻產(chǎn)量、生物量和鎘吸收、累積的影響。上官宇先等[17]田間試驗揭示不同鈍化劑處理對土壤鎘及小麥和水稻吸收鎘的影響，試驗得出選用適當?shù)拟g化材料并進行適當處理能夠有效降低小麥與水稻籽粒中的鎘含量，降低污染風(fēng)險，同時還可以改善土壤理化性狀，起到修復(fù)受污染土壤的作用。簡敏菲等[18]選用玉米秸稈生物炭，通過盆栽試驗在鎘污染土壤中施加生物炭并栽培紫花地丁，研究生物炭不同施加量對紫花地丁生長及生理生態(tài)的影響。目前有關(guān)生物炭對韭菜生長及其產(chǎn)地土壤化學(xué)性質(zhì)的影響還未見報道。為降低韭菜中重金屬鎘的含量，筆者通過盆栽試驗，比較不同生物炭添加量對土壤中鎘的固化效果，探究生物炭對韭菜體內(nèi)鎘遷移轉(zhuǎn)化以及植物生長的影響，為降低韭菜中重金屬鎘的含量提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

生長旺盛、長勢均勻、未受重金屬污染的韭菜秧苗購于蘇州市某一菜園內(nèi)，品種未知。玉米秸稈生物炭購于河南立澤環(huán)?？萍加邢薰?，基本理化性質(zhì)見表1。供試土壤為黃棕壤，采集自蘇州市吳中區(qū)越溪鎮(zhèn)張橋村菜園表層（0～20 cm），土樣自然風(fēng)干、磨碎后過20 目篩。具體理化性質(zhì)見表2。

表1 生物炭基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of biochar

表2 供試土壤基本理化性質(zhì)及重金屬含量Table 2 Basic physicochemical properties and heavy metal content of the tested soil

1.2 方法

1.2.1 試驗設(shè)計 試驗于2022 年4-10 月在蘇州市吳中區(qū)越溪鎮(zhèn)張橋村開展，共設(shè)置4 個處理（表3）。試驗不外加任何肥料，用水為蒸餾水，采用隨機區(qū)組排列，每個處理3 次重復(fù)，共12 盆，每盆栽苗20 株，小區(qū)面積20 m2（2 m×10 m）。從網(wǎng)上購買盆栽箱（長40 cm×寬40 cm×高22 cm），每盆裝土5 kg，設(shè)置土壤中鎘濃度（w，后同）為2 mg·kg-1，以氯化鎘水溶液的形式加入，并保持適當含水量穩(wěn)定培養(yǎng)2 周。

表3 試驗設(shè)計Table 3 Experimental design

1.2.2 栽培管理 韭菜移栽前先剪掉地上部分，預(yù)留5 cm，減少葉片蒸發(fā)。將韭菜連根取出，用超純水沖洗掉根部土壤，剪去須根前端，保留2～3 cm，從而促進新根發(fā)育，維持根系吸收和葉片蒸發(fā)平衡。選擇晴朗無風(fēng)的17:00 進行盆栽試驗，每隔5 d 及時噴施適量的水，整個韭菜生長期為40 d，每10 d收割1 次，共進行4 次收割。盆栽試驗場所設(shè)有防風(fēng)防雨棚，防止雨水淋洗盆栽，韭菜生長期內(nèi)及時除草、松土。

1.2.3 樣品采集與測定 在韭菜收獲時，用超純水洗凈韭菜，并用去離子水清洗3 次，在實驗室自然晾干后測量株高和根長。

將各部分韭菜樣品取0.5 g 于研缽中研磨至勻漿狀，用于測定韭菜中的鎘含量。參考《土壤農(nóng)化分析》[19]測定土壤化學(xué)性狀，采用酸度計測定土壤pH；采用重鉻酸鉀法測定土壤中有機質(zhì)含量；采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法[20]測定韭菜及土壤中重金屬元素含量；采用Tessier 法對土壤中鎘形態(tài)進行分步提取，分別為可交換態(tài)鎘（EX-Cd）、碳酸結(jié)合態(tài)鎘（CA-Cd）、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)鎘（OM-Cd）、有機結(jié)合態(tài)鎘（OX-Cd）以及殘渣態(tài)鎘（RE-Cd），每種Cd 形態(tài)含量以所占質(zhì)量分數(shù)表示，即由各形態(tài)含量與各形態(tài)含量之和的比值計算獲得[21]。

在不同生長期韭菜收獲以后，將韭菜的根、莖、葉分別用去離子水清洗3 遍，用紙擦干裝入樣品袋中。各部位用吸水紙吸干表面的水分，分開裝入玻璃器皿中，于85 ℃殺青30 min，隨即在80 ℃下烘干至恒質(zhì)量，用電子天平測定各部分的干質(zhì)量作為生物量。

1.3 統(tǒng)計分析

采用Excel 2016 和SPSS 26.0 軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、差異顯著性檢驗（ANOVA）及相關(guān)性分析（Duncan）等。

2 結(jié)果與分析

2.1 添加不同比例生物炭對土壤化學(xué)性狀的影響

2.1.1 添加不同比例生物炭對土壤pH 的影響 由表4 可以看出，在添加生物炭后，隨著韭菜的生長，土壤pH 呈現(xiàn)出緩慢上升再下降的趨勢，并在第3次收割期達到最大值。在第1 次收割期，T1、T2、T3處理pH 分別較CK 顯著上升了0.13、0.53、0.13；在第2 次收割期，T1、T2、T3 處理pH 分別較CK 顯著上升了0.44、1.04、0.94；在第3 次收割期，T1、T2、T3處理pH 分別較CK 顯著上升了0.93、1.23、0.95；在第4 次收割期，T1、T2、T3 處理pH 分別較CK 顯著上升了0.82、1.12、0.92。和CK 相比，所有生物炭處理均顯著提高土壤pH，其中T2 處理的土壤pH 在4 次收割期均顯著高于T1 和T3 處理，在第3 次收割期時達到最大，為7.71。

表4 不同收割期生物炭對土壤pH 值的影響Table 4 Effect of biochar on pH of soil at different harvesting periods

2.1.2 添加不同比例生物炭對土壤有機質(zhì)含量的影響 由表5 可以看出，韭菜在不同收割期內(nèi)，添加不同比例生物炭對土壤中有機質(zhì)含量的影響并不顯著，僅在第3 次收割期，不同比例生物炭處理的土壤有機質(zhì)含量略高于CK。

表5 不同收割期生物炭對韭菜土壤有機質(zhì)含量的影響Table 5 Effect of biochar on organic matter content in leek soil at different harvesting stages （g·kg-1）

2.2 添加生物炭對韭菜生物量的影響

添加不同含量生物炭對韭菜生物量的影響如圖1 所示。在4 個收割期，與CK 相比，添加生物炭的3 個處理的韭菜葉、莖、根生物量均顯著增加，且添加2%生物炭的處理（T2）生物量最大。T2 處理在第1 次收割時韭菜葉、莖、根生物量分別比CK 顯著提高26.6%、45.9%、30.5%，在第2 次收割時韭菜葉、莖、根生物量分別比CK 顯著提高32.6%、58.6%、26.2%，在第3 次收割時韭菜葉、莖、根生物量分別比CK 顯著提高29.0%、20.1%、15.6%，在第4 次收割時韭菜葉、莖、根生物量分別比CK 顯著提高17.3%、22.9%、27.6%。

圖1 鎘污染土壤施加生物炭對韭菜生物量的影響Fig.1 Effect of biochar application on the biomass of leek in cadmium contaminated soil

2.3 添加生物炭對鎘脅迫下韭菜株高和根長的影響

從圖2A～B 可知，與CK 相比，添加生物炭的3 個處理在不同收割期均可顯著提高韭菜株高和根長，除第2 次收割期株高外，T2 處理與T1、T3 處理呈顯著差異。各處理的株高、根長相比，主要表現(xiàn)為T2＞T3＞T1＞CK。T2 處理在第1次收割時株高、根長分別比CK 顯著提高12.3%、26.0%，在第2 次收割時株高、根長分別比CK 顯著提高11.1%、24.7%，在第3 次收割時株高、根長分別比CK 顯著提高5.6%、16.9%，在第4 次收割時株高、根長分別比CK 顯著提高4.4%、12.6%。

圖2 不同收割期生物炭對鎘脅迫下韭菜株高和根長的影響Fig.2 Effect of biochar at different growth stages on plant height and root length of leek under cadmium stress

2.4 添加生物炭對土壤中鎘賦存形態(tài)的影響

韭菜收獲后根際土壤鎘形態(tài)分布如圖3 所示。隨著生物炭的施入，韭菜土壤中可交換態(tài)比例較CK 有所降低，其中施入2%生物炭使可交換態(tài)鎘降低最多（28.4%）。鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)鎘、有機物結(jié)合態(tài)鎘、殘渣態(tài)鎘比例較CK 有所增加，其中T2 處理3 種形態(tài)鎘比例之和較CK 增加值最大。

圖3 不同處理下收獲后土壤中鎘形態(tài)的百分含量Fig.3 Percentage content of cadmium forms in soil after harvest under different treatments

2.5 添加生物炭對韭菜中總鎘積累的影響

添加不同含量生物炭對韭菜不同部位的鎘含量影響如圖4 所示。與CK 相比，添加生物炭的3個處理在不同收割期均可使韭菜各部位鎘含量顯著下降，且韭菜各部位鎘含量從小到大依次為：葉＜莖＜根。韭菜葉、莖、根中鎘含量隨生物炭添加量的增加呈先下降后上升的變化趨勢，以T2 處理的韭菜各部位鎘含量最小，不同收割期韭菜各部位鎘含量下降幅度不同。與CK 相比，添加生物炭的3 個處理第1 次收割期韭菜葉、莖、根中總鎘含量下降幅度分別為66.4%～78.6%、76.0%～81.7%、28.7%～50.9%；第2 次收割期韭菜葉、莖、根中總鎘含量下降幅度分別為70.3%～83.3%、71.3%～78.3%、29.8%～43.3%；第3 次收割期韭菜葉、莖、根中總鎘含量下降幅度分別為75.9%～88.3%、80.2%～90.1%、31.9%～50.2%；第4 次收割期韭菜葉、莖、根中總鎘含量下降幅度分別為78.5%～93.6%、79.5%～92.7%、31.8%～59.0%。第3 次和第4 次收割期韭菜鎘下降幅度比第1 次和第2 次大，其中T2 處理第4 次收割期韭菜葉中鎘含量（w）（0.043 mg·kg-1）低于韭菜國家標準鎘含量（0.05 mg·kg-1）。

圖4 不同生長期韭菜各部位Cd 含量Fig.4 Cd content in different parts of leek at different growth stages

3 討論與結(jié)論

我國擁有豐富的秸稈資源，秸稈碳化制成生物炭，不僅可解決秸稈綜合利用的問題，而且可固碳減排，改善土壤生態(tài)環(huán)境，提高作物產(chǎn)量與品質(zhì)，是一項符合山地農(nóng)業(yè)實際需求的重要技術(shù)措施[22]。生物炭富含微孔結(jié)構(gòu)、化學(xué)官能團，具有大的比表面積和強的離子交換能力，可以作為一種土壤調(diào)理劑，修復(fù)土壤重金屬污染[23-24]。筆者的研究表明，生物炭顯著影響韭菜植株生長，不同收割期，韭菜不同部位生物量均顯著高于CK，這與王鈺皓等[25]研究結(jié)果一致；生物炭能顯著提升土壤pH，并且促進土壤中的氧化還原反應(yīng)并使鎘沉淀在土壤中，這與羅洋等[26]研究結(jié)果一致，原因可能是生物炭內(nèi)部含有的堿性物質(zhì)較多，生物炭加入到土壤中，會快速釋放堿性物質(zhì)將土壤中的酸性物質(zhì)中和，從而提高土壤pH。生物炭的施入對土壤中有機質(zhì)含量無顯著影響，這與楊莉琳等[27]研究結(jié)果一致。鎘在土壤中的賦存形態(tài)主要包括可交換態(tài)、結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)，其中最具有生物活性和生物有效性的是可交換態(tài)，其次是結(jié)合態(tài)，殘渣態(tài)一般固定在土壤中，不容易被植物體所利用[28]。生物炭可使土壤中可交換態(tài)比例降低，增加鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)鎘、有機物結(jié)合態(tài)鎘、殘渣態(tài)鎘含量，使總鎘含量較CK 處理顯著降低，這與閆雷等[29]、周昶等[30]、普東偉等[1]、胡祖武等[16]研究結(jié)果一致，生物炭的添加不僅改善了土壤的化學(xué)性質(zhì)，增加了植株的生物量，而且改變了土壤中鎘不同形態(tài)比例，最終顯著降低韭菜中總鎘含量，原因可能是：（1）添加生物炭提高了土壤中植物必需營養(yǎng)元素的總量及有效性，從而促進植物細胞分裂、植株生長健壯和莖干增粗[26]；（2）生物炭通過表面基團間的縮合反應(yīng)，能產(chǎn)生新的金屬配位體，從而降低重金屬含量[31]；（3）生物炭的多孔結(jié)構(gòu)可以限制土壤收縮，促進土壤保水保肥，進而提高土壤的陽離子交換能力[32]。

生物炭作為一種土壤改良劑，施用量并不是越多越有利于植株生長，合理施用生物炭會促進植株生長。筆者的研究表明，添加2%生物炭能顯著促進韭菜不同生物量的增加和株高、根長的增加，改善種植土壤化學(xué)性質(zhì)，改變鎘污染土壤中鎘不同形態(tài)比例，從而降低韭菜中總鎘含量。但是，對土壤中有機質(zhì)含量并無顯著影響，施加生物炭顯著降低了韭菜各部位鎘含量，且隨著添加量的增加，韭菜各部位鎘含量呈先降低后升高的趨勢。不同收割期韭菜各部位鎘含量下降幅度不同，各處理與CK均呈顯著差異，第3 次和第4 次收割期韭菜鎘下降幅度比第1 次和第2 次收割期大，2%生物炭處理可使韭菜葉中鎘含量低于韭菜國家標準鎘含量，總體試驗效果：T2＞T3＞T1。綜上，生物炭處理降低了重金屬污染地區(qū)韭菜的食用安全風(fēng)險，更具有修復(fù)鎘污染農(nóng)田土壤的潛力，可在實際生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。