生物炭与腐殖酸复配对油菜（Brassica campestris L.）生长与镉累积的影响

郭军康，任倩，赵瑾，李永涛, ，林雁冰，丑敏霞

1. 陕西科技大学环境科学与工程学院，陕西 西安 710021；2. 华南农业大学资源环境学院，广东 广州 510642；3. 西北农林科技大学生命科学学院，陕西 杨凌 712100

随着城市化和工业化等人类活动进程加快，土壤重金属污染已经成为制约农业可持续发展的关键问题之一，工业“三废”无序排放和含Cd的肥料大量使用导致农田土壤重金属污染问题受到广泛关注（黄道友等，2018）。《全国土壤污染状况调查公报》显示，全国农田Cd点位超标率为7%，居于无机污染物首位，据统计，全国约有1.3万hm2耕地遭受Cd污染，涉及11个省市25个地区，而且Cd具有毒性和强迁移性（唐秋香等，2013），土壤中 Cd易被植物吸收并通过食物链进入生物体，进而对人类的健康和生命安全构成了严重危害（郭军康等，2018）。因此如何修复土壤重金属Cd污染，改善土壤坏境质量已成为当今农业生态与环境科学领域研究的持续性热点。

土壤重金属污染修复包括物理，化学，生物等众多修复技术（黄益宗等，2013），其中原位化学固定修复被认为是在成本和时间上更好满足修复要求的技术，而且更适用大面积的治理。即向土壤中添加石灰、有机物等改良剂以降低重金属在土壤中的移动性及生物有效性，因此该技术中钝化剂的选用是决定修复效果的核心所在（王立群等，2009）。

生物炭是由生物质在缺氧环境中经过热化学转化产生的固体产物（Chen et al.，2019）。作为钝化修复材料，不仅可以提高土壤pH以降低土壤重金属的生物有效性，还可通过表面官能团吸附土壤重金属（盘丽珍等，2018）。不恰当的蔬菜废弃物堆放会使其产生温室气体继而导致严重的环境污染（陈利洪等，2018）。因此蔬菜废弃物作为天然有机物被制备成生物炭，达到改良土壤肥力的同时将其变废为宝实现资源化利用的目的（张继宁等，2018）。

目前，生物炭钝化重金属的大多数研究集中于生物炭去除水体和土壤中重金属的机制探究（李江遐等，2015；张连科等，2018；罗洋等，2018；戚鑫等，2018）。腐殖酸是天然的胶体有机物质，来源广泛，且具有丰富的官能团，且会通过改善和提高土壤肥力降低土壤重金属的迁移性（钟振宇等，2018）；但是将生物炭同腐殖酸复合的研究较少，在实际应用中，复合类固定剂的修复效果会高于单一固定化试剂的，更适用于多种重金属复合污染的土壤。然而目前相关研究大都采用单一钝化剂对重金属进行处理，将两种有机钝化剂复配后进行钝化修复研究较少。

本文通过盆栽试验研究蔬菜废弃物生物炭与腐殖酸联合施用对土壤有效态Cd、油菜生长和Cd累积的影响，为中国北方碱性中低度重金属Cd污染农田修复提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤为西安市未央区设施农田根际土壤，土壤类型为土娄土，标准按照《土壤环境监测技术规范标准》（HJ 166—2004）设置5个采样单元，于油菜成熟期时，每个单元分别取5—10株油菜植株，剪掉地上部分，采用抖落法抖掉根部松散的土壤，后用毛刷将紧挨根系的土壤刷下来，混合后作为一个单元的根际土土样，风干并剔除其中根系后过筛待测；根系洗净、冷藏待用（平亚琴等，2017）。供试有机物料为生物炭和腐殖酸，风干、粉碎，过筛。供试植物为油菜，品种为北方油菜（Brassica campestris L），由北京南无科贸有限责任公司生产。生物炭制备原料为本地生产的油菜及其废弃物，腐殖酸购自山西省恒兴科技有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 生物炭的制备

将收集到的油菜枯叶及收获后菜地表层油菜残留叶片，即油菜废弃物。经自然风干，烘干，过筛，置于马弗炉（1200 ℃箱式气氛电炉，郑州）在缺氧条件下500 ℃热解6 h制备完成（张继宁等，2018）。

1.2.2 盆栽实验

供试土壤准备与老化：将一定量的CdSO4溶液加入到土壤中，使土壤Cd含量达到2.0 mg·kg-1（实际测定Cd为2.26 mg·kg-1），混匀后，将土壤含水量调节至田间持水量的70%，老化60 d后风干，研磨过2 mm筛，作为Cd污染土壤备用。油菜幼苗培养：挑选饱满的油菜种子若干，用30%的双氧水浸泡15 min，用去离子水反复清洗干净，置于蒸馏水中浸泡6 h后直接播种于盆中，每盆均匀播种6—8颗油菜种子，油菜生长1个月后收获。盆栽试验共设8个处理：不添加任何材料的对照CK；只添加重金属 Cd处理（T0）；添加按土壤总量 1%生物炭处理（T1）；添加按土壤总量1%腐殖酸处理（T2）；添加按土壤总量1%生物炭和1%腐殖酸处理（T3）；添加按土壤总量2%生物炭和1%腐殖酸处理（T4）；添加按土壤总量 1%生物炭和 2%腐殖酸处理（T5）；添加按土壤总量1%生物炭和3%腐殖酸处理（T6）。整个培养过程在人工温室中进行，温室的昼夜温度控制在 26 ℃和 20 ℃，昼夜时间为16 h和8 h，相对湿度为60%。每盆装土1 kg，每个处理设5个重复。

1.2.3 样品分析与测定

根际土壤有效态Cd含量测定：将制备的根际土壤样品研磨，过筛，烘干后称取5 g，加入25 mL浓度为0.01 mol·L-1的氯化钙溶液进行浸提（Pueyo et al.，2004），采用0.45 μm滤膜过滤，用原子吸收光谱仪（ZEEnit700P/650P，德国耶拿仪器制造有限公司）在分析波长：228.8 nm，90 ℃干燥30 s，110 ℃干燥30 s，600 ℃灰化30 s，1600 ℃原子化4 s，2300 ℃出残4 s的条件下，对重金属Cd的含量进行测定。空白实验程序相同。蔬菜重金属Cd含量测定：将蔬菜样品烘干，研磨，过筛，称取0.25 g待测样品于消化管内，加入10 mL硝酸，放入电热消解仪（Digi Block ED54，Lab Tech），消解，直至约1 mL左右（董明芳等，2017），用1% HNO3定容25 mL后用原子吸收光谱仪对Cd的含量进行测定，其中原子吸收光谱仪与根际土壤样品Cd含量的使用条件相同，此外，按照相同的程序做空白试验和平行试验（Wei et al.，2008）。为了进行质量控制，同步分析了国家标准物质陕西洛川黄土GBW07454（GSS-25），重金属Cd含量相对标准偏差小于5%。

1.2.4 土壤理化性质的测定

土壤理化性质的测定参考《土壤农化分析》（鲁如坤，2000），pH值测定采用电位法，水土体积比为 2.5꞉1，速效磷测定采用 0.5 mol·L-1碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法，CEC测定采用氯化钡-硫酸强迫交换法测定。生物炭和腐殖酸的理化性质：pH、CEC、灰分按照参考文献方法（郭文娟等，2013）测定。采用有机元素分析仪（Elemeraor，德国）测定样品中C、N、O元素的含量。采用表面元素分析仪（Micromeritics，美国）测定比表面积，孔径与孔体积。

1.2.5 生物炭和腐殖酸结构表征

利用低真空扫描电子显微镜（ESEM）（Q45+EDAX Octane Prime，美国FEI公司）观察生物炭和腐殖酸颗粒外观形貌；利用FTIR光谱仪（德国布鲁克Bruker公司）KBr压片法扫描定性分析生物炭和腐殖酸的表面官能团（谢超然等，2016）。

1.3 数据处理

利用Excel 2016和Origin 9.1进行数据分析和作图，利用SPSS 21.0进行统计分析，一维方差分析法进行显著性检验，P＜0.05为差异显著。

2 结果与分析

2.1 生物炭和腐殖酸的表面形貌和官能团组成特征

生物炭和腐殖酸的表面官能团很大程度上决定了其对重金属离子的吸附能力。已有相关学者研究发现，生物炭表面含有丰富的含氧官能团，可与土壤中的重金属形成稳定金属络合物，起到良好的吸附以及稳定作用（杨兰等，2016），而腐殖质含有羧基、羟基等大量官能团，亦能够吸附络合大部分重金属离子，影响重金属离子的生物活性（李慧敏等，2017）。

图1 生物炭和腐殖酸的红外谱图Fig. 1 Infrared spectra of biochar and humic acid

如图1所示，本研究所用的生物炭表面具有丰富的官能团，-OH（3739 cm-1）、-C≡C（2300 cm-1）、-C=O（1706 cm-1）、芳香酸类-COOH（1697.4 cm-1）、1610—1450 cm-1范围内为苯环或芳香族的特征峰值区间，含有芳香类物质、NH4+（1396.4 cm-1）、-C-H（696 cm-1），这为生物炭吸附 Cd提供了基础。同时腐殖酸表面也含有较多的Cd吸附相关官能团，-OH（3446 cm-1）、-C=O（1751 cm-1）、-C-O（1100 cm-1）、-C-C（960 cm-1）、以及900—670 cm-1之间的吡啶、吲哚等芳香化和杂环化合物。本研究所采用两种修复材料表面富含的官能团具有吸附重金属离子特性，所形成的有机-金属络合物具有较高的稳定性，有助于减少土壤重金属离子的迁移和降低其生物有效性（张燕等，2017）。

通过扫描电镜结果见图2a，可以看出蔬菜废弃物生物炭结构疏松，暴露出更多的重金属吸附活性位点，由表1可知生物炭的孔径大小为109.44 nm。腐殖酸表面同样具有疏松多孔结构见图2b，其理化性质见表2。生物炭和腐殖酸表面明显的致密孔隙结构有助于其对土壤重金属的吸附-固定作用。

图2 生物炭和腐殖酸的扫描电镜图Fig. 2 Scanning electron micrograph of biochar and humic acid

表2 腐殖酸理化性质Table 2 Physical and chemical properties of humic acid

2.2 不同配比生物炭和腐殖酸对土壤理化性质的影响

土壤中的pH，CEC和磷元素的含量分别会影响生物炭和腐殖酸对重金属Cd的吸附效果见表3，其中土壤pH值是影响土壤中重金属活性的关键因素，未添加钝化剂的CK组土壤pH为8.41，随着生物炭和腐殖酸配比的增加，pH范围为 8.55—9.25，呈递增趋势，1%生物炭和3%腐殖酸处理（T6）达到9.25。这是由于生物炭和腐殖酸的pH分别为11.5，10.13，属于强碱性导致土壤pH升高。土壤含水率随着生物炭和腐殖酸配比的增加而降低，只添加 1%生物炭的土壤的含水率为 0.83%，含水率最低。相比于未添加物质的CK组，添加2%生物炭和1%腐殖酸的土壤的CEC升高，为212.25，其他不同配比生物炭和腐殖酸的 CEC都不同程度降低，只添加1%生物炭（T1）和只添加1%腐殖酸（T2）组的土壤降低幅度分别为0.06和0.14，1%生物炭和1%腐殖酸处理（T3），1%生物炭和3%腐殖酸处理（T6）的土壤 CEC分别降低了 0.01，0.03。1%生物炭和2%腐殖酸处理（T5）没有变化，而有效磷含量随着生物炭和腐殖酸配比的增加成显著性增加趋势，T3和 T5有效磷的含量分别为1371.25、1409.19，达到最高值。说明不同配比生物炭和腐殖酸会不同程度地影响土壤的理化性质。

表1 生物炭理化性质Table 1 Physical and chemical properties of biochar

表3 不同配比生物炭和腐殖酸对土壤理化性质的影响Table 3 Effects of different proportions of biochar and humic acid on soil phy-chemical properties

2.3 不同配比生物炭和腐殖酸对油菜生物量的影响

不同配比钝化剂的处理方式对油菜生物量的影响见图3和图4。T0，T1，T2，T3处理地上部分生物量与空白组 CK相比分别提高 47.55%，60.33%，57.17%，59.73%。而T4，T5，T6地上部分生物量与空白组 CK相比分别降低 87.49%，1.46%，88.65%。同时T0，T1，T2，T3地下部分生物量与空白组 CK相比分别提高 10.21%，12.77%,，87.59%，49.27%。而 T4，T5，T6地下部分生物量与空白组 CK相比分别降低 6.67%，28.46%，64.23%。从总体趋势可以看出，当生物炭和腐殖质复配后在土壤中所占比例≤1%时，生物炭和腐殖酸的施加对油菜的生长起到了一定的促进作用，特别是施加 1%腐殖酸后根干重大约增加87.59%；当生物炭和腐殖质复配后在土壤中所占比例＞1%时，油菜生物量降低，而生物炭施加到2%，油菜地上部分干重降低88%，根干重降低75%。这是由于油菜适于弱酸性或中性的土壤中生长，而施用呈碱性的生物炭和腐殖酸会极大程度增加土壤pH值，呈强碱性，范围为8.41—9.67（见表3），因此可能是土壤的强碱性环境导致油菜生长受到影响。

图3 不同配比的生物炭和腐殖酸对油菜地上部分质量的影响Fig. 3 Effects of different proportions of biochar and humic acid on dry weight of aerial parts in rapeseed

图4 不同配比的生物炭和腐殖酸对油菜地下部分质量的影响Fig. 4 Effects of different proportion of biochar and humic acid on dry weight of root part of rape

2.4 不同配比的生物炭和腐殖酸对油菜不同部分Cd含量的影响

图5 和图6是不同配比的钝化剂处理方式对油菜不同部分Cd累积量的影响，可发现加入重金属Cd的T0组地上部分Cd含量是空白CK组的9.40倍，说明土壤中重金属Cd在植物体内大量富集，之后与T0组相比，T1—T6组地上部分Cd含量降低幅度为30.76%—90.79%，其中添加1%生物炭和1%腐殖酸的T3组降低了77.21%；同时，T0组地下部分Cd含量是空白CK组的19.16倍，T1—T6组地下部分Cd含量与T0组相比降低了为29.88%—92.46%，其中添加1%生物炭和1%腐殖酸的T3组降低了 72.54%，因此加入生物炭和腐殖酸后油菜体内Cd含量明显降低，随着施加比例的增加，植物体内Cd含量约依次递减约30%，这说明生物炭和腐殖酸能有效降低油菜内Cd的含量。

图5 不同配比的生物炭和腐殖酸对油菜地上部分Cd含量影响Fig. 5 Effects of different proportions of biochar and humic acid on Cd content in aerial parts of rape

图6 不同配比的生物炭和腐殖酸对油菜地下部分Cd含量影响Fig. 6 Effects of different proportions of biochar and humic acid on Cd content in the root part of rapeseed

2.5 不同配比的生物炭和腐殖酸对油菜根际土壤有效Cd含量的影响

植物吸收土壤中的重金属主要是有效态重金属，因此阻断重金属活性是阻断土壤重金属向植物可食部位迁移的主要措施。不同配比钝化剂的处理对油菜根际土壤有效态 Cd含量的影响见图7，从图中可发现加入重金属Cd的T0组地上部分Cd含量是空白CK组的5.42倍，说明土壤中有效态Cd增加，T1—T6组地上部分Cd含量与T0组相比降低了为 22.06%—47.90%，只施用 1%生物炭的土壤有效态Cd降低约28.76%，只施用1%腐殖酸的土壤有效态 Cd降低了 22.06%，则生物炭施用降低效果比腐殖酸更明显，且随着生物炭和腐殖酸施用量的增多，有效态Cd含量降低。其中添加 2%生物炭和 1%腐殖酸的 T4组降低了47.90%。说明单施生物炭和腐殖酸以及不同配比的生物炭与腐殖酸等钝化处理可以有效地降低镉污染菜地土壤中Cd的有效性，而且复合的钝化剂明显好于单一钝化剂。

图7 不同配比的生物炭和腐殖酸对油菜根际土壤有效Cd含量的影响Fig. 7 Effects of different proportions of biochar and humic acid on effective Cd content in rhizosphere soil of rape

3 讨论

生物炭和腐殖酸被认为是良好的钝化剂，具有多孔性、高比表面积和较强表面吸附能力，其两者表面通常为高度芳香化结构和部分羟基、酚羟基和羰基等官能团，这种结构特点决定了生物炭和腐殖酸对有机和无机污染物具有高度的亲和性，因此能较强地吸附并影响土壤中重金属的迁移性和降低重金属生物可利用性（瑞丽等，2017）。由于生物炭和腐殖酸多孔结构和表面丰富的官能团使其具有较强的吸附重金属离子的能力（陶雪等，2016），在土壤修复方面许多国内外学者开展了单一生物炭或腐殖酸对水体，土壤中重金属的吸附研究工作（李剑睿等，2014）。

本研究对不同比例生物炭和腐殖酸的复配与土壤理化性质进行了研究，并且探索了其对油菜中Cd总量与根系土壤有效态Cd含量的影响，发现单独施加生物炭及腐殖酸时，油菜的可食用部位 Cd累积量与土壤有效态Cd含量的减少量，均远小于施入的生物炭与腐殖酸配比后的，这表明不同配比的生物炭与腐殖酸的使用对于土壤Cd污染的钝化修复作用具有更明显的效果，与Guo et al.（2018）研究结果一致。研究发现当添加2%的生物炭或3%的腐殖酸时，油菜的生物量显著降低，这与刘冲等（2016）人研究发现相一致，随着水稻生物炭添加量增加，油麦菜生物量显著降低。陈璇等（2016）研究亦发现，Cu污染土壤中单独添加5%生物炭造成通心菜地上与地下部生物量显著降低。其原因在于pH值对植物生长和养分利用具有重要影响，土壤pH值升高会影响油菜养分利用进而降低其生物量，生物炭和腐殖酸呈碱性，可以提高土壤的 pH值，pH值升高会增强土壤有机/无机胶体及土壤黏粒对重金属离子的吸附能力，使土壤中重金属离子有效性降低，减少可交换态重金属离子浓度（李雅嫔等，2016）。因此在土壤污染修复过程中添加一定比例的生物炭和腐殖酸复配钝化可能会导致土壤碱化，从而影响农作物的产量。

污染土壤中添加不同配比生物炭与腐殖酸对土壤 Cd有效态具有显著降低作用，而有效态 Cd含量的降低对油菜Cd吸收与累积具有重要影响。本研究中发现，不同配比的生物炭与腐殖酸对油菜不同部分Cd降低的效果比单一添加显著，但是生物量与油菜体内Cd的含量有关（图2和3）。此外，生物炭和腐殖酸的添加改变土壤中Cd的生物有效性，影响Cd对油菜毒害的剂量效应关系，表现出低剂量促进效应，这与魏威等（2012）研究低剂量Zn促进植物生长结果相印证。生物炭与腐殖酸复配施用于Cd污染土壤中，使土壤的pH值有一定程度的增加，有效磷，阳离子交换量 CEC增加，使得土壤肥力增加，而且减少油菜地上部位Cd的积累以及降低土壤中Cd有效性方面仍然好于钝化剂单一处理（孙约兵等，2012）。值得注意的是，不同配比的复合钝化剂在一定范围内可以增加植物生物量，降低植物体内的Cd和根际土壤有效态Cd（廖雄辉等，2018）。

因此，应选用合适配比的复合钝化剂修复农田土壤重金属 Cd，以便及时增施钝化剂或采取农艺措施进行调控，提高对土壤重金属Cd的钝化修复稳定性效果，保障农产品可持续安全生产。

4 结论

本研究所用油菜废弃物生物炭和腐殖酸呈碱性，且表面呈微孔结构并富含带负电荷官能团，具有增强土壤吸附重金属的特性。而不同配比的生物炭和腐殖酸会影响土壤的理化性质，提高土壤pH，降低土壤含水率，升高有效P含量，增加土壤中阳离子交换量。施加适量生物炭和腐殖酸的对油菜的生长起到了促进作用，但当配比超过 1%会降低油菜生物量。此外，不同配比的生物炭与腐殖酸可以有效地降低受重金属Cd污染的菜地土壤中Cd有效性，且复配处理效果明显高于单一处理。而油菜废弃物生物炭和腐殖酸联合施用会使油菜体内 Cd累积显著降低，随着施加比例的增加，植物体内Cd含量依次递减。