生物炭及炭基肥对油麦菜生长及吸收重金属的影响

刘 冲，刘晓文，吴文成，蔡信德，梁 啸，李云标，南忠仁（.环境保护部华南环境科学研究所，广东广州 50655；.兰州大学资源环境学院，西部环境教育部重点实验室，甘肃省环境污染预警与控制重点实验室，甘肃兰州 730000）

生物炭及炭基肥对油麦菜生长及吸收重金属的影响

刘 冲1,2，刘晓文1*，吴文成1，蔡信德1，梁 啸1，李云标1，南忠仁2（1.环境保护部华南环境科学研究所，广东广州 510655；2.兰州大学资源环境学院，西部环境教育部重点实验室，甘肃省环境污染预警与控制重点实验室，甘肃兰州 730000）

以水稻土和油麦菜为供试对象，通过盆栽试验研究了水稻秸秆生物炭和炭基肥对农田土壤物理化学性质，油麦菜生长及吸收Cd， Cu，Pb和Zn的影响.结果表明，稻杆炭及其炭基肥的施入可改善土壤理化性质，除铵态氮外各项指标均明显提高，油麦菜地上部生物量呈增加趋势.油麦菜各部位Cd， Cu， Pb和Zn的含量均随处理水平呈递减趋势，且根系＞茎叶，其中，高剂量炭基肥处理降低效果最佳，油麦菜茎叶Cd， Cu，Pb和Zn最高可分别降低34.78%、29.37%、46.59%和40.95%；油麦菜各部位对Cd， Cu， Pb和Zn的富集随处理水平呈递减趋势，而茎叶对Cd， Cu和Zn的转运系数呈增加趋势，稻秆炭及其炭基肥的施用均能显著减少油麦菜可食部位对Cd， Cu， Pb和Zn的吸收.

生物炭；改良；重金属；修复；固定

农田土壤重金属污染由于关系到农业生产、人类健康等越来越受到广泛关注［1-3］.研究发现我国耕地重金属污染程度总体良好，重点区域重金属污染风险较大［1］.如何在保证农产品安全生产并改善农业生态环境的前提下对重金属中轻度污染农田土壤进行修复，从而实现我国农业的高效、安全和可持续发展［1］是当前急需解决的课题之一.

20世纪中叶，亚马逊黑土（Terra preta）的发现揭开了生物炭研究的序幕［4］.自发现生物黑炭对农药的良好吸附效果之后，关于生物炭对污染物质在土壤环境中的迁移、归趋以及生物有效性影响的研究逐渐受到关注.生物炭对重金属污染土壤的修复过程不会造成二次污染，修复后的土地不易产生污染反弹现象［5］.然而，生物炭矿质养分含量低，其直接养分作用有限.生物质炭和肥料混施或复合施用时，生物质炭延长肥料养分的释放期［6-7］，降低养分损失［8］，减少化肥施用量［9］，与此同时肥料亦消除了生物质炭养分不足的缺陷.

将生物炭及炭基肥作为一种土壤改良剂施入受污染农田土壤，不仅为农林废弃生物质资源化利用提供新的思路，而且对防治农田土壤养分流失、缓解农业面源污染具有重大的现实意义

［10］.本文采用室内盆栽试验研究了稻杆生物炭及其炭基肥对油麦菜生长及吸收累积Cd、Cu、Pb和Zn的影响，以期为生物炭及炭基肥修复重金属污染农田土壤提供借鉴.

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤取自广东省清远市汉冲村农田耕作层（0～20cm）水稻土，剔除石块与植物残体，风干并过5mm尼龙筛.

稻杆炭为限氧裂解法制备的生物炭.将水稻秸秆烘干后粉碎过2mm筛，置于气氛箱式电阻炉，以流速 500mL/min通入氮气30min形成良好的限氧环境，然后以5℃/min的加热速率升温至350℃热解2h.热解结束后，继续通入氮气使制备的生物炭自然冷却至室温.

钙镁磷肥购自湖北钟祥市磷肥厂.分别按照设定的比例称取一定质量的生物炭和钙镁磷肥，然后混合均匀制得炭基肥.供试材料基本理化性质见表1.

表1 供试材料基本性质Table 1 Physical and chemical properties of test material

供试植物为油麦菜（Lactuca sativa. L），种子购自广东省农业科学院蔬菜研究所.

1.2 试验设计

生物炭的处理水平分别为0，1.5%，3%，钙镁磷肥的处理水平分别为0，0.4%，0.8%.进行生物炭、钙镁磷肥单施与复配处理，每个处理设3个重复，不加材料的污染土壤为对照（由11表示），12、13分别表示生物炭的添加量均为0，钙镁磷肥的添加量分别为0.4%、0.8%.R21、R22、R23表示生物炭的添加量均为1.5%，钙镁磷肥的添加量分别为0、0.4%、0.8%，以此类推.

每个塑料盆（高18.0cm，口径20.0cm，底径13.0）中加入2.5kg的供试土壤，按照试验设计施用一定质量的材料并与土壤混合均匀.加水使得土壤含水率为田间持水量的60%，稳定30d后播入油麦菜种子，三叶期后间苗至3株.油麦菜生长约40d后收获，并采集土壤样品和植物样品.土壤样品自然风干后以四分法取50g研磨并过尼龙筛，装袋备用.植物样品分为地上部分和地下部分，用自来水冲洗干净后再用去离子水反复冲洗，经105℃杀青0.5h，75℃烘干至恒重后粉碎，过60目尼龙筛，装袋备用.

1.3 样品分析

土壤及生物炭理化指标测试采用土壤农业化学常规分析方法［11］测定.土壤重金属采用HNO3-HF-HClO4三酸法消解［12］，植物样品用GB/T5009规定的HNO3-HClO4混合酸法消解，并采用Pin AAcle 900T原子吸收光谱仪（PerkinElmer）测定.

试验中均采用20%平行样、土壤成分分析标准物质（GSS9-16）和标准植物样品（GSB-26）进行质量控制，误差控制在5%以内.试剂均为优级纯，试验器皿在使用前均用10%硝酸浸泡24h以上.

1.4 数据处理与分析

数据采用Microsoft Excel 2010及SPSS19. 0进行统计分析、作图等.

2 结果与分析

2.1 土壤物理化学性质

不同处理水平下土壤理化性质的变化情况见表2.随着钙镁磷肥添加量的增加，土壤各项理化指标除有机质、铵态氮、速效钾外均呈递增趋势.生物炭及其炭基肥的施用使土壤各理化指标除铵态氮外均增加，这与众多学者研究结果一致［13-15］.与对照相较，土壤pH、电导率、有效磷含量在所有处理水平下均差异显著（P＜0.05）.土壤有机质、速效钾含量在生物炭添加量为1.5%时差异显著（P＜0.05），而阳离子交换量在生物炭添加量为3%时差异显著（P＜0.05）.与对照相较，土壤铵态氮含量在除0.4%钙镁磷肥处理外均差异显著（P＜0.05），且其含量随处理水平的变化呈递减趋势，这与Chen等［16］的研究结果一致.

相关性分析表明，在本实验处理水平下，土壤pH值与电导率（R=0.874， P＜0.01）、阳离子交换量（R=0.941， P＜0.01）、有机质（R=0.698， P＜0.05）、有效磷（R=0.674， P＜0.05）、速效钾（R=0.698， P＜0.05）均呈显著正相关，而与铵态氮（R=-0.907， P＜0.01）则呈显著负相关.土壤有机质与电导率（R=0.712，P＜0.05）、阳离子交换量（R=0.876，P＜0.01）、速效钾（R=0.984，P＜0.01）均显著正相关，这与祖元刚等［17］的研究结果基本一致.以上结果显示，土壤pH值与电导率、阳离子交换量、有机质、有效磷和速效钾等，有机质与阳离子交换量、速效钾之间存在直接或间接的相互影响.

表2 不同处理水平下土壤物理化学性质Table 2 Physical and chemical properties of soil under different treatments

2.2 不同处理对油麦菜生物量的影响

油麦菜生物量（鲜重）随处理水平的变化见图1.随钙镁磷肥添加量的增加，油麦菜各部位生物量呈递增趋势.与对照相较，所有处理水平下油麦菜地下部生物量均无显著差异（P＜0.05）.随生物炭及炭基肥的添加油麦菜地上部生物量呈先增后减的趋势，与对照相较，油麦菜地上部生物量仅在R22、R32处理下差异显著（P＜0.05）.生物炭及炭基肥对作物的增产作用已有大量报道［18］，炭基肥能提高肥料利用率，缓释肥效，减少养分淋失［19］.然而，本文研究发现单一施用稻杆炭对油麦菜增产效应不明显，与高海英等［20］研究结果一致.由图1可知，R22和R32处理油麦菜生物量显著高于对照，而R23及R33处理下油麦菜生物量显著（P＜0.05）低于单一施加钙镁磷肥处理，这可能是由于较高剂量的生物炭能够大幅提高土壤pH值以及植物对生物炭中的碳氢化合物、重金属产生的化感作用［21］所致.同时，Asai等［22］研究发现无外源N条件下，随着生物炭用量的增加，C/N值升高，土壤中N有效性降低从而导致作物减产.

图1 不同处理水平下油麦菜的生物量Fig.1 Biomass of lettuce under different treatments

2.3 油麦菜对重金属的吸收和分布

不同处理下油麦菜各部位的重金属含量见表3.由表3可知，油麦菜各部位Cd、Cu、Pb和 Zn含量均随处理水平变化呈递减趋势.与对照相较，油麦菜根系Cd、Cu、Pb和Zn含量在所有处理水平均差异显著（P＜0.05）， 油麦菜地上部分Cd含量在除0.4%钙镁磷肥处理外均差异显著（P＜0.05），Cu含量在添加稻杆炭处理下均差异显著（P＜0.05），Zn在所有处理水平均差异显著（P＜0.05），而Pb则在所有处理水平均无显著差异.

与对照相较，油麦菜地下部Cd、Cu、Pb和Zn在1.5%生物炭处理下分别降低47.60%、53.81%、29.31%与60.19%，在3.0%生物炭处理下分别降低57.21%、69.33%、28.09%与71.89%；而在炭基肥处理下油麦菜地下部Cd、Cu、Pb和Zn最高可分别降低64.71%、71.88%、55.86%与81.21%.油麦菜地上部Cd、Cu、Pb和Zn在1.5%生物炭处理下分别降低26.09%、17.25%、14.51%与25.22%，在3.0%生物炭处理下分别降低31.88%、18.57%、19.80%与25.75%；而在炭基肥处理下油麦菜地上部Cd、Cu、Pb和Zn最高可分别降低34.78%、29.37%、46.59%与40.95%.

表3 不同处理下油麦菜各部位的重金属含量（mg/kg）Table 3 Concentration of heavy metals in different plant tissues of lettuce （mg/kg）

2.4 油麦菜对重金属的富集和转运

为了更准确地表征生物炭及炭基肥对重金属在油麦菜体内富集和转运的影响，本研究采用生物富集系数（BCF）和转运系数（TF）来描述重金属从土壤向油麦菜体内的转移累积特性，表4和表5分别给出了不同处理水平下油麦菜对Cd、Cu、Pb和Zn的生物富集系数及转运系数.油麦菜地下部、地上部的富集系数分别以BCF地下部和BCF地上部表示，地上部的转运系数以TF表示.

从表4可知，油麦菜各部位对Cd、Cu、Pb和Zn的生物富集系数均随处理水平呈递减趋势，表明生物炭及炭基肥的施用均有效减少了土壤重金属在植物体内的富集.与对照相较，油麦菜根系对Cd的富集系数在除3%生物炭处理外均差异显著，Cu则在除1.5%生物炭处理外均差异显著，而Pb、Zn在所有处理水平下均差异显著（P＜0.05）；油麦菜茎叶对Cd的富集系数在所有生物炭及炭基肥处理下均差异显著，Zn在除单一生物炭处理外均差异显著，而Cu、Pb则在所有处理下均无显著差异（P＜0.05）.

从表5可知，油麦菜地上部对Cd、Cu和Zn的转运系数随处理水平呈递增趋势.与对照相较，油麦菜地上部对的Cd转运系数仅在R22、R31差异显著，Cu在3%生物炭及炭基肥处理下差异显著，Zn在所有处理水平下均差异显著，而Pb在所有处理水平下均无显著差异（P＜0.05）.上述结果表明生物炭及炭基肥的施用均促进了土壤Cd、Cu和Zn由油麦菜根部向茎叶的转运，这可能由于生物炭及炭基肥对土壤理化性质的改善从而改变了油麦菜的生理特性所致.研究发现，生物炭与化肥互作可提高作物生长关键生育期的净光合速率和蒸腾速率，而较高的蒸腾速率可作为重金属向油麦菜地上部转运的驱动力［7］.同时，亦有研究发现，生物炭能够通过改变土壤微生物数量、群落结构及功能等提高植物根系活力.［23］，从而促进重金属向植物地上部分的转运与分配.

表4 油麦菜对重金属的富集系数Table 4 Bioaccumulation factor values of heavy metals in lettuce

表5 油麦菜对重金属的转运系数Table 5 Translocation factor values of heavy metals in lettuce

3 讨论

3.1 生物炭对土壤的改良

生物炭具有碱性、多孔结构［24］、丰富的表面含氧官能团［25］等特有的理化性质和结构，施入土壤中能够增强土壤保肥、保水能力并促进作物增产［26］.生物炭因其灰分中富含矿物质元素Ca、Mg及其氧化物或碳酸盐等一般呈碱性，其碱性物质的主要赋存形态为碳酸盐及生物炭表面丰富的-COO-（-COOH）和-O-（-OH）等含氧官能团［27］.生物炭表面丰富的阴离子［28］以及芳香族碳的氧化和羧基官能团的形成［29］是生物炭提高土壤阳离子交换量的原因之一.

本文研究发现，稻杆炭NH4+-N含量较低，这是由于热解时有机质中的多种结构N凝聚形成惰性的杂环氮结构，其不能直接用于植物生长，因此供植物生长的矿质氮含量甚微［30］.生物炭施入土壤后铵态氮含量呈递减趋势，可能由于NH4+在碱性土壤中易挥发所致.随着生物炭及钙镁磷肥添加量的增加，酸性水稻土中OH-逐渐增加，NH4+与OH-反应生成NH3和H2O.同时，铵态氮在通气好的土壤中可以转化成硝态氮，造成土壤铵态氮含量降低.

亦有研究发现，生物炭携带大量的表面负电荷对NH4+具有较强的吸附和固定作用［31］导致土壤中大量的NH4+被生物炭所吸附，因此能够抑制酸性土壤中阳离子的淋失.研究发现，较低的制备温度和较高的pH值能够提高生物炭吸附NH4+的能力［32-33］，这主要是由于热解温度和pH值会影响生物炭的阳离子交换能力（CEC），而生物炭的CEC直接决定了其对NH4+的吸附能力［34］. Gai等［35］研究发现低温制备的小麦秸秆生物炭具有较高的CEC，且对NH4+的吸附量较高.

3.2 生物炭及炭基肥对重金属生物有效性的影响

土壤中不同形态的重金属处于不同的能量状态，其在土壤中的迁移性不同，有不同的迁移率和生物利用率，从而表现出不同的生物活性与毒性［36-37］，并能决定其对环境影响的生态毒理学意义［36］.重金属的生物有效性为重金属可被受体细胞（植物、微生物等）吸收利用的一部分.Sarwar等［38］将土壤中可被植物吸收的重金属称之为有效态重金属，为植物可吸收利用的主要形态［39］.

生物炭及炭基肥施入重金属污染土壤后主要通过静电、沉淀、络合单一或者协同作用［40］影响重金属形态及其生物有效性.Bian等［41］研究发现小麦秸秆生物炭添加量为40t /hm2时，水稻籽粒Cd含量降低了20%～90%，然而，Mackie等［42］研究发现硬木生物炭的施用对植物组织Cu含量、去除量均未产生影响.本文研究发现，高剂量生物炭基肥对油麦菜重金属含量的去除效果强于生物炭，这是由于稻杆炭及钙镁磷肥中的OH-、可溶性盐类等能与重金属离子产生沉淀反应［43-44］，同时，生物炭丰富的表面负电荷及表面官能团［45］与阳离子交换量等能够增加土壤表面的活性位点，从而提高土壤对重金属离子的吸附作用.

4 结论

4.1 土壤pH值、电导率、阳离子交换量、有机质、有效磷及速效钾均随处理水平呈递增趋势，而铵态氮呈递减趋势.生物炭及炭基肥均能改善酸性水稻土的物理化学性质.

4.2 油麦菜地下部分与地上部分Cd、Cu、Pb和Zn含量均随处理水平变化呈递减趋势.生物炭及炭基肥的施用均能显著减少油麦菜对Cd、Cu、Pb和Zn的吸收.

4.3 油麦菜地下部分与地上部分对Cd、Cu、Pb和Zn的富集系数均随处理水平变化呈递减趋势，而地上部对Cd、Cu和Zn的转运系数则呈增加趋势.生物炭及炭基肥能显著减少油麦菜各部位对Cd、Cu、Pb和Zn的富集，增加Cd、Cu和Zn向地上部的转运.

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Effect of biochar and biochar based fertilizer on growth of Lactuca sativa L. and absorption of heavy metals.

LIU Chong1,2， LIU Xiao-wen1*， WU Wen-cheng1，CAI Xin-de1， LIANG Xiao1， LI Yun-biao1， NAN Zhong-ren2（1.South China Institute of Environmental Science， Ministry of Environmental Protection， Guangzhou 510655，China；2.Key Laboratory of Western China's Environmental System （Ministry of Education）， Gansu Key Laboratory for Environmental Pollution Prediction and Control， College of Earth and Environmental Sciences， Lanzhou University， Lanzhou 730000， China）. China Environmental Science， 2016，36（10）：3064～3070

A pot experiment was conducted out for paddy soil and lettuce to study the effects of amendment of biochar and biochar based fertilizer on growth of lettuce and absorption of heavy metals. The results indicated that rice straw biochar and biochar based fertilizer could promote the growth of lettuce and improved soil physical and chemical properties except NH4+-N. Heavy metals content of various parts of lettuce decreased with treatment and the order of heavy metals content in different plant tissues was root＞shoot. There was a distinct reduce of heavy metals after the application of high dose of biochar based fertilizer and Cd， Cu， Pb and Zn content of lettuce leaf could be reduced by 34.78%， 29.37%，46.59% and 40.95%， respectively. Bioaccumulation factors of Cd， Cu， Pb and Zn in different plant tissues of lettuce showed a decreasing trend while transfer coefficient of Cd， Cu and Zn in shoot increased with treatment. Biochar and biochar based fertilizer could significantly inhibit the absorption and accumulation of heavy metals in lettuce in paddy soil.

biochar；amelioration；heavy metal；remediation；immobilization

X53

A

1000-6923（2016）10-3064-07

刘 冲（1990-），男，陕西扶风人，硕士研究生，研究方向为环境污染机理与控制修复.

2016-02-19

国家自然科学基金项目（51178209，91025015，41501337），中央高校基本科研业务费专项资金项目（lzujbky-2015-138，lzujbky-2015-214）

∗责任作者， 教授级高级工程师， liuxiaowen@scies.org