生物炭施用对小麦和玉米幼苗根际和非根际土壤中Pb、As和Cd生物有效性的影响研究

2019-03-08黄黎粤丁竹红陈逸珺

农业环境科学学报 2019年2期

黄黎粤，丁竹红*，胡忻，陈逸珺

（1.南京工业大学环境学院，南京211816；2.南京大学现代分析中心，南京210093）

土壤重金属污染是我国面临的严重环境问题之一[1-3]，因而重金属污染土壤的治理和修复一直是备受关注的环境研究热点之一[4-5]。目前，由农林废弃物等富含生物质的原料碳化而制备的生物炭作为土壤修复剂和土壤改良剂的研究受到广泛的关注[6-7]。实验室植物盆栽实验和现场大田实验的研究表明生物炭能有效地降低土壤中重金属的迁移性和植物有效性，从而固定土壤中重金属元素，因而有希望成为一种新型的低成本的修复剂[8-10]。生物炭修复重金属污染土壤的研究主要关注土壤理化性质、营养元素和重金属的生物有效性及植物富集等，少量研究涉及植物的根际与非根际重金属形态的分析比较，而生物炭如何影响植物根际土壤与本体土壤中重金属的迁移性和植物有效性的研究对于探明生物炭固定污染土壤重金属的效果和降低植物重金属富集机理等具有重要的理论和实际意义[11-14]。因而相关研究有待进一步开展。此外，根袋盆栽植物实验是植物根际和非根际效应比较研究的经典方法[15]。采集植物根际土壤与本体土壤，通过中性盐溶液、稀酸溶液、有机螯合剂溶液和缓冲盐溶液等提取剂提取土壤中不同赋存形态的重金属，探讨土壤中重金属的迁移性和植物有效性，有助于科学评估生物炭的修复效果[16-17]。

小麦和玉米是我国两种常见的农作物，其重金属富集可能直接影响居民身体健康，因而降低其有害元素的富集研究具有重要意义。本文以理化性质不同的废纸、木屑以及脱水污泥等3 种常见原材料制备生物炭，通过实验室根袋盆栽试验来研究生物炭的施用对这两种植物幼苗根际及非根际土壤中有害元素生物有效性的影响[18-19]，为评价生物炭修复重金属污染土壤提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验小麦（Triticum aestivum L.cv. Nongmai88，农麦88）和玉米种子（Zea mays L. cv. Suyu44，苏玉44）购于种子公司。实验土壤采集于南京市栖霞区铅锌矿周边的农田，袋装运回实验室后自然风干，除去杂物和较大石块后过2 mm 筛，置于聚乙烯塑料自封袋中备用。按照《土壤农业化学分析方法》中的电位法和水合热重铬酸钾氧化-比色法分别测定实验土壤的pH 和有机质[20]。土壤pH 为6.81；有机质含量为5.52%。有害元素As、Cd和Pb的总量[经HNO3-HClO4-HF 消煮后，用电感耦合等离子体直读光谱仪（ICPOES，Optima5300OES，PerkinElmer，USA）测定]，分别为158、37.9、2975 mg·kg-1。参照国家土壤环境质量标准（GB 15618—2018），实验土壤中As、Cd、Pb 的含量均超过了土壤环境风险管制值，说明实验土壤中As、Cd、Pb的污染比较严重。

分别收集废弃包装纸盒、锯木厂木屑、市政污水处理厂的脱水污泥等原材料。将包装纸盒剪碎、清洗，木屑也一并清洗，然后置于温度为85 ℃的烘箱中36 h充分干燥。将干燥的脱水污泥、包装纸盒碎片和木屑分别放置在管式炉中，通入N2，在600 ℃限氧的条件下裂解2 h，待自然冷却之后将热解制备的生物炭取出研磨，过2 mm 筛后装袋备用。制备废纸基生物炭、木屑基生物炭和污泥基生物炭分别记为PB、WB和SB。这三种生物炭的基本理化性质见表1。

1.2 实验方法

实验设置每100 g 土壤分别施用0.5 g 和5 g 共两个梯度的生物炭施用量，混合均匀，同时以不加生物炭土壤作为对照组。以聚乙烯塑料杯作为盆栽实验容器，每份分别装入100 g上述土壤，备用。每种处理分别设置5个平行样。用300目尼龙网按文献方法制作根袋[21]，待用。

将小麦和玉米种子洗净，置于托盘中湿润的脱脂纱布中，置于生物光照培养箱中培养并保持湿润。待种子发芽后开始移植。分别将萌发的小麦种子和玉米种子移植到根袋中，每份小麦种子植入5 颗，每份玉米种子植入8颗，加少许土壤覆盖。通过称重法加水，保持田间持水量的40%～50%。将所有容器移到生物光照培养箱中进行培养，设置温度为24.5 ℃，每日光照周期为12 h/12 h。用称重法每日向每份盆栽植物施加自来水以保持土壤的湿润和植物的正常生长。

培养4 周后收割小麦和玉米幼苗。将所有小麦和玉米幼苗移出根袋，小心去除根际土壤，用自来水清洗干净，再用超纯水清洗。放在烘箱中65 ℃下烘干12 h。将烘干后小麦和玉米幼苗的根和茎叶分开，分别装于聚乙烯塑料自封袋备用。分别将小麦和玉米根袋内的根际土和根袋外的非根际土取出，在85 ℃的条件下烘干24 h、研磨过100 目筛，装于聚乙烯塑料自封袋备用。

1.3 分析方法

植物样品用硝酸-高氯酸法进行消解[22-23]。称取0.100 g 根，置于25 mL 的烧杯中，分别加入3 mL 硝酸和1 mL 高氯酸，电热板加热消解。同时设置试剂空白。消解完成后用5%硝酸溶液定容至10 mL，冰箱保存，待测。土壤样品中生物有效态有害元素分别用3 种不同的提取方法提取：用浓度为0.01 mol·L-1的CaCl2溶液提取水溶态有害元素[24]；用浓度为0.05 mol·L-1的EDTA 溶液提取水溶态、可交换态和部分有机结合态有害元素[25]；用浓度为1 mol·L-1的稀HCl 溶液提取水溶态、可交换态、碳酸盐结合态以及大量的铁锰氧化物结合态和有机结合态有害元素[26]。称取1.000 g根际土和非根际土，分别置于15 mL 的离心管中，分别加入10 mL 0.01 mol·L-1CaCl2溶液、0.05 mol·L-1EDTA 溶液和1 mol·L-1HCl 溶液。同时设置空白对照组。室温下摇动10 h，离心、过滤。收集滤液，冰箱保存，待测。利用上述ICP-OES 分析植物和土壤样品中As、Cd、Pb的浓度。不同处理组间的方差多重比较（Post hoc multiple comparisons）采用LSD（Leastsignificant difference）方法；根际和非根际土壤中有效态含量方差分析采用Paired-samples t test；根际和非根际土壤中有效态含量及其与植物根系富集量相关分析采用Pearson 相关分析。所有统计分析由SPSS 16.0完成。

2 结果与讨论

2.1 生物炭对小麦和玉米幼苗根际土和非根际土中有害元素迁移性的影响

小麦和玉米幼苗根际和非根际土壤中生物有效态有害元素提取量分别见表2 和表3。从表2 和表3可以看出，小麦和玉米幼苗根际和非根际土壤中有效态As、Cd 和Pb 的含量高低顺序为稀HCl 提取态＞EDTA提取态＞CaCl2提取态。这是因为CaCl2提取态主要为水溶态有害元素[24]；EDTA提取态包含水溶态、可交换态和部分有机结合态有害元素[25]；稀HCl 提取态包括水溶态、可交换态、碳酸盐结合态有害元素，以及大量的铁锰氧化物结合态和有机结合态有害元素[26]。

与对照组相比，生物炭处理组小麦和玉米幼苗根际和非根际土壤中生物有效态As、Cd 和Pb 的提取量有着不同程度的降低。如施用5%PB 时，小麦幼苗根际土壤中EDTA 提取态As、Pb 和Cd 的提取量分别降低了38%、19%和36%，非根际土壤中EDTA 提取态As、Pb 和Cd 的提取量分别降低了22%、34%和20%；玉米幼苗根际土壤中EDTA 提取态As、Pb 和Cd 的提取量分别降低了25%、19%和9.2%，非根际土壤中EDTA 提取态As、Pb 和Cd 的提取量分别降低了51%、20%和9.7%（表2 和表3）。多重比较统计分析表明，与对照组相比，5%施用组3 种生物炭均能显著的降低小麦和玉米幼苗根际和非根际土壤中CaCl2提取态、EDTA 提取态和稀HCl 提取态有效态有害元素含量。部分0.5%施用组生物炭显著降低小麦和玉米幼苗根际和非根际土壤中CaCl2提取态、EDTA提取态和稀HCl 提取态有效态有害元素含量。因而与对照组相比，生物炭的施用量从0.5%增加到5%，小麦幼苗根际和非根际土壤中有效态As、Cd 和Pb 的含量显著降低。5%施用量能降低水溶态、可交换态、碳酸盐结合态、及部分铁锰氧化物结合态和有机结合态As、Cd和Pb 的含量。这与文献报道相一致[27-28]。如施用玉米秸秆炭使污染土壤中交换态Cd 的含量降低[29]；5%稻草秸秆分别降低土壤中34.5%、50.1%、52.5%和52.1%有效态Cd、Cu、Pb 和Zn 的含量[30]。毛懿德等[31]盆栽实验表明，与对照相比，0.1%和1.0%的竹炭及柠条生物炭处理可使交换态Cd 含量分别降低4.99%、5.44%和9.44%、16.64%。崔立强等[32]研究发现，加入生物炭可使污染土壤Pb 酸溶态、还原态和氧化态组分显著降低并向残渣态转化。李季等[33]室内水稻培养法研究发现，生物炭处理导致土壤Sb 的生物可利用性比对照显著降低了20%。在本研究中，5%的生物炭施用量可显著降低小麦和玉米幼苗根际和非根际土壤中生物有效态As、Cd 和Pb 的含量。3 种理化性质不同的生物炭处理组土壤中有效态As、Cd 和Pb含量变化与提取剂（CaCl2、EDTA 和稀HCl）相关，但未表现出一致性的规律（表2和表3）。此外，3种生物炭对有效态的影响存在较大的差异（表2和表3）。例如：5%生物炭处理组小麦幼苗根际土壤中EDTA 提取态As 的PB 处理组显著低于WB 和SB，而非根际组则不同（表2）。因而不仅与生物炭性质有关，还与提取的As、Cd 和Pb 提取剂及根际效应有关，但也难以总结出一致性的规律（表2和表3）。

表2 小麦幼苗根际土壤和非根际土壤生物有效态有害元素提取量（mg·kg-1）Table 2 Bioavailable contents in the rhizosphere and non-rhizosphere soil of wheat seedlings（mg·kg-1）

表3 玉米幼苗根际土壤和非根际土壤生物有效态有害元素提取量（mg·kg-1）Table 3 Bioavailable contents in the rhizosphere and non-rhizosphere soil of corn seedlings（mg·kg-1）

以往研究表明[34-35]，植物根际效应是影响土壤重金属生物有效性与植物重金属富集的一个重要因素。将根际和非根际土壤中3 种方法提取的有效态含量进行Paired-samples t test 方差分析（表2 和表3）和Pearson 相关分析（表4）。Paired-samples t test 分析结果表明，总体而言小麦和玉米幼苗根际与非根际土壤中CaCl2提取态As、Cd 和Pb 的含量无显著差异（表2和表3）。小麦和玉米幼苗根际与非根际土壤中EDTA 提取态和稀HCl提取态Cd含量无显著差异（表2 和表3）。小麦幼苗非根际土壤中EDTA 提取态Pb除对照组外显著高于其根际土壤；而EDTA 提取态As含量除SB处理组外显著高于其根际土壤。小麦幼苗非根际土壤中稀HCl 提取态Pb 除5%SB 处理组外显著高于其根际土壤；而除5%PB 处理组外根际土壤与非根际土壤中稀HCl 提取态As 的含量无显著差异（表2）。玉米幼苗根际土壤中EDTA 提取态Pb 除5%WB 组外显著高于其非根际土壤；3 种5%生物炭处理组玉米幼苗根际土壤中EDTA 提取态As 的含量显著高于其非根际土壤（表3）。玉米幼苗根际土壤中稀HCl提取态Pb除0.5%WB和0.5%SB组外显著高于其非根际土壤；而根际土壤与非根际土壤中稀HCl提取态As 的含量无显著差异（表3）。Pearson 相关分析表明，小麦和玉米幼苗根际土壤与非根际土壤中CaCl2提取态As、Cd、Pb 的含量呈显著相关；EDTA 提取态玉米Cd 和小麦Cd、Pb 的含量呈显著相关；除小麦Pb 外，稀HCl 提取态As、Cd 和Pb 的含量呈显著相关（表4）。这些表明，生物炭处理对根际与非根际土壤中水溶态As、Cd 和Pb 无显著影响。总体而言，生物炭处理明显降低非根际土壤中As、Cd 和Pb 的有效态含量。

2.2 生物炭对小麦和玉米幼苗富集有害元素的影响

小麦和玉米幼苗根系As、Cd和Pb的含量见表5。从表5 可以看出，小麦和玉米幼苗根系对于As、Cd 和Pb 的富集具有明显的植物种属差异。如玉米幼苗根系中As 和Pb 的含量明显高于小麦幼苗根系的富集量，但两种植物根系Cd 含量无显著差异。与对照组相比，施用生物炭均能不同程度地降低小麦和玉米幼苗根系As、Cd和Pb的含量（表5），并且随着生物炭施用量从0.5%增加到5%，小麦和玉米幼苗根系中As、Cd 和Pb 含量也明显降低。如生物炭施用量为5%时，小麦和玉米幼苗根系中As、Cd 和Pb 含量显著低于对照组（表5）。与对照组相比，施用5%WB 的小麦幼苗根系中Pb 含量降低最多，达到了74%；施用5%SB 的小麦幼苗根系中As 和Cd 含量降低最多，分别达到了71%和40%；施用WB的玉米幼苗根系中As和Pb 含量降低最多，分别达到了69%和58%；施用SB 的玉米幼苗根系中Cd 含量降低最多，达到了61%。由此可见，不同生物炭的施用对作物根系有害元素的富集具有不同的影响效果。

表4 小麦和玉米幼苗根系根际与非根际土壤提取态有害元素含量的相关系数Table 4 Pearson correlation coefficients of extractable fractions in the rhizosphere and non-rhizosphere soil

小麦和玉米幼苗根系有害元素含量与根际和非根际土壤提取态含量的相关分析表明，玉米幼苗根际土壤中CaCl2提取态As、Cd、Pb 含量和小麦幼苗根际土壤中CaCl2提取态Cd、Pb 含量与根系中相应的富集量无显著相关（表6）。从表6 还可以看出，只有部分处理组EDTA 提取态和稀HCl 提取态As、Cd 或Pb 含量与玉米小麦幼苗根系中相应的富集量有显著相关。因而，难以通过单一提取态含量的分析来预测生物炭处理污染土壤中As、Cd 和Pb 的植物有效性。文献报道生物炭的施用可以降低植物有害元素的富集[36-39]，但其作用机理尚不清晰。一般认为，生物炭的加入改变土壤理化性质，如提高土壤pH、增加有机质等[27]，从而降低有害元素生物有效性，减轻其生物富集。但通过田间水稻种植试验，Chen等[40]发现生物炭的施用对当季水稻的Cd 含量没有显著影响。因而，相关研究有待进一步深入。

表6 小麦和玉米幼苗根系有害元素含量与根际和非根际土壤提取态含量的相关系数Table 6 Pearson correlation coefficients between As，Cd and Pb in the roots of wheat and corn seedling and their extractable fractions in soil