施加生物炭对三七连作土壤铅有效态含量的影响*

王昆艳， 王豪吉， 李双丽， 徐武美， 官会林

(云南师范大学 云南省农村能源工程重点实验室，云南 昆明 650500)

工业“三废”、机动车尾气排放、农药、除草剂、化肥等的大规模应用以及矿产资源开发，严重地污染了土壤、水体和大气[1].调查显示，我国近四十年来，土壤重金属污染指数不断上升，土壤环境的破坏直接导致粮食减产与品质降低，给我国经济发展带来重大损失[2].根据2014 年发布的《全国土壤污染情况调查公报》，我国土壤污染严重，总的点位超标率为25.5%，其中无机污染物超标点位数占82.8%，铬、汞、铅、砷、镍、镉、铜、锌等重金属均存在不同程度的点位超标[1].其中属于第一类污染物的铅(Pb)，具有强烈的神经毒性[3]，能在环境或动植物体内持久蓄积并对人体具有致癌性[4].

三七(Panaxnotoginseng)是我国特有的名贵中药材，又名田七[5]，为五加科人参属植物[6]，含有皂苷、黄酮、挥发油、氨基酸、糖类及各种微量元素等活性物质[7]，具有散瘀止血，消肿定痛之功效，对心脑血管系统疾病防治、增强人体免疫力及抗肿瘤等有很好的效果[8].随着三七在医疗、保健方面的新用途不断被开发，社会需求量、种植面积也不断增长，是公认的药用价值较高、需求量大的中药材之一[9-10].云南作为三七主产地，同时也是我国重要的矿区，富含铅、锌、铜、锡、砷等(非)金属矿，土壤重金属背景值较高[11]，加上频繁的矿业活动以及农药化肥的不合理施用，三七种植区重金属污染较为严重，给农产品品质与安全带来风险.如刘源等[12]研究结果表明，云南省三七主要种植区文山、红河、昆明和曲靖重金属综合污染指数分别为1.27、1.31、1.76和2.16，土壤重金属含量超标较为严重.林龙勇等[13]研究表明，三七种植区存在较为严重的Cd、Cr和Pb污染，且三七种植区Cd、Cr、Cu和Pb对人体的摄入风险贡献大小依次为Pb>Cd>Cr>Cu.因此，改良三七重金属污染土壤，提高三七品质已显得十分迫切.

生物炭是生物质材料在低氧环境下热解得到的一种富碳材料[14-15]，木材、树皮、木屑、作物秸秆及相关废弃物、动物粪便等均可作为原材料生产生物炭[16-18].大量研究表明，生物炭可通过离子交换作用[19]、静电作用[20]、物理吸附[21]、阳离子-π作用[22]、络合[23]与沉淀作用[24]等对重金属污染土壤进行修复[25]，亦可通过改变土壤微生物群落结构来影响重金属的生物有效性[26].如刘旻慧等[27]研究表明生物炭对Pb2+具有较强的吸附能力，可对土壤溶液中游离态Pb2+产生吸附作用，从而固持土壤中的Pb，并降低 Pb污染对植物的毒害，减少植物对Pb的富集.王红等[28]研究发现随着生物炭添加量的增加，水葫芦炭对土壤中Pb的吸附率逐渐增大，当水葫芦炭添加量为10%时，其对土壤中Pb的吸附率可达93.93%.

本研究以三七种植区对人体的摄入风险贡献较大的Pb元素为对象[13]，通过5 a三七连作试验，探讨施加生物炭对三七连作土壤铅有效态含量的影响，旨在为三七种植土壤改良提供试验依据.

1 材料与方法

1.1 样品采集与分析

研究地点为文山苗乡三七科技示范园，其土壤类型为酸性红壤连作地，试验前统一进行翻耕整地.试验组土壤生物炭施加量为1 kg/m2，以不施加为对照；生物炭与土壤均匀混合后，于2013年1月移栽三七籽条；三七种植后进行统一的水肥管理.采用随机取样模式各采集17个土样，自然风干，用研钵研磨土样，并过100目尼龙筛.Pb全量测定根据标准HJ803-2016，用王水消解并定容，待测；有效态含量用二乙烯三胺五乙酸浸提法进行浸提(HJ804-2016)并过滤，待测.用原子吸收光谱仪(AA-7000，Shimadzu，Japan)测定各土样铅全量和有效态含量，根据标准NY/T 1377-2007测定土壤pH值.

1.2 数据分析

用Shapiro-Wilk检验探讨各变量的正态性，土壤Pb全量不服从正态分布(P<0.05)，故用对数转换后再进行后续分析.用独立样本T检验分析试验组与对照组土壤pH与Pb含量(有效态与全量)的差异显著性，并用Pearson相关分析探讨pH与土壤有效Pb含量的关联性.上述分析均用SPSS 16.0进行.

2 研究结果

2.1 生物炭对土壤pH的影响

独立样本T检验表明，施加生物炭显著提高了三七连作土壤pH (t=6.80，df=32，P<0.01) (图1)，与对照相比较，土壤pH均值提高了1.23，表明施加生物炭对三七连作地土壤pH具有重要影响.

图中所示为平均值±95%置信区间

2.2 生物炭对土壤Pb全量和有效态含量的影响

施加生物炭对土壤中的Pb全量没有显著影响(图2(a))，而有效态含量却极显著降低(t =-7.664，df= 32，P<0.01).与对照相比，土壤中Pb的有效态含量降低了0.62 mg/kg (图2(b))，表明施加生物炭对土壤有效Pb含量具有重要的影响.

图中所示为平均值±95%置信区间，Ln表示数据经以e为底的对数转换

2.3 土壤pH与重金属Pb有效态含量的关联性

Pearson相关分析表明，土壤pH值与重金属Pb有效态含量呈显著负相关(图3)，说明土壤pH与Pb有效态含量具有重要关联.

图3 土壤pH值与Pb有效态含量关联性

3 讨 论

3.1 生物炭与土壤pH

由于生物炭灰分中含有丰富的钾、钠、钙、镁等矿质元素氧化物与碳酸盐，溶于水后一般呈碱性[29].此外，生物炭灰分中的盐基离子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+等)可通过离子交换降低土壤交换性氢离子和铝离子水平[30].大量研究表明，施加生物炭可以有效改良酸性土壤，如李贞霞等[31]将辣椒秸秆生物炭与酸化土壤共培养，发现添加辣椒秸秆炭能显著提高土壤pH，其幅度与添加量呈正比.郑慧芬等[32]研究发现，土壤pH值随生物炭的施用量增加而显著提高.与上述研究结果一致，本研究发现，施加生物炭显著提高了土壤pH值，施加1%的生物炭使得pH提高1.23，有效改善了三七连作土壤酸化问题(图1).

3.2 生物炭与土壤有效Pb含量

生物炭具有较高的比表面积、孔隙率和离子交换能力，对重金属离子具有吸附作用，从而降低其有效态含量[33].如朱庆祥[20]研究发现，添加生物炭后，土壤中有效Pb含量降幅为9.88%～30.86%.王红等[28]研究了生物炭对土壤中重金属铅和锌的吸附特性，发现施加生物炭不同程度地降低了土壤中Pb的浸出含量，以水葫芦炭吸附效果最佳，当其添加量为10%时，土壤中Pb的吸附率可达93.93%.刘旻慧等[27]以花生壳和中药渣为原料制备生物炭，并按1∶1比例混合，发现其添加量为5%时，土壤pH增加了0.93，有效态Pb含量降低了90%.与上述结果一致，本研究发现，施加生物炭显著地降低了土壤中Pb的有效态含量，而对土壤中Pb的全量含量无显著影响(图2(a)).土壤中Pb的有效态含量降低了0.62 mg/kg (图2(b)).这说明，生物炭可能通过吸附或共沉淀作用等方式，有效降低土壤中重金属Pb的生物有效性.

3.3 土壤pH对Pb有效态含量的影响

土壤pH是影响重金属形态的主要因素之一[34]，对土壤重金属的生物有效性以及重金属在土壤-植物系统的迁移转化具有重要的影响[35].本研究发现，施加生物炭显著提高了土壤pH，而土壤pH与有效态Pb含量呈显著负相关.土壤pH可通过改变重金属的吸附位点、吸附表面的稳定性、存在形态和配位性能等影响土壤中重金属的化学形态[36].已有研究表明，生物炭对土壤重金属Pb有较强的调控作用[37].如林大松等[38]研究表明随着pH升高，土壤中H+浓度下降，H+和Pb2+在吸附点位的竞争作用减弱，提高了土壤对Pb离子的吸附.杨秀敏等[35]研究表明添加海泡石可明显提高土壤pH值，降低重金属的可交换态浓度，使可交换态重金属转化为其他形态，且土壤中可交换态重金属Pb浓度与pH值呈显著负相关.本研究发现，施加生物炭显著提高了土壤pH值，而土壤的pH值与Pb有效态含量呈显著负相关，这与上述研究结果一致，说明土壤pH值的升高是生物炭影响Pb有效态含量的重要原因.

4 结 论

施加生物炭显著提高了三七连作土壤pH值，并降低了土壤重金属Pb的有效态含量，而Pb全量含量没有显著变化.前期研究发现，生物炭可有效缓解三七连作障碍[39]，本研究进一步表明，生物炭还能够提高土壤对Pb的固持能力，降低其有效态含量，促进Pb向更加稳定的形态转化,为三七及相关作物种植土壤铅污染改良提供了试验依据.