不同作物秸秆生物炭对水稻镉吸收的影响

黄雁飞，陈桂芬，熊柳梅，刘 斌，黄玉溢，刘永贤，唐其展

(广西农业科学院农业资源与环境研究所，广西 南宁 530007)

【研究意义】镉是生物毒性最强的重金属元素之一。2014年全国土壤污染状况调查公报显示，我国土壤镉点位超标率高于其他重金属，被确定为土壤的首要污染物[1]。而水稻是喜镉作物，极易从土壤中吸收累积镉进而通过食物链进入人体造成极大危害。广西镉地球化学异常区稻米镉超标率达13.6 %，其中桂西北喀斯特地区镉含量明显高于国家土壤环境质量二级标准值，已对广西水稻安全生产造成严重威胁[2-3]。生物炭是木材和作物秸秆等有机物质在高温缺氧条件下热解生成的残余物[4]，近年来作为一种新型环保功能材料在国内外均引起了广泛关注，具有广阔的开发空间和应用前景[5]。已有研究表明，生物炭孔隙结构发达，表面负电荷密集并富含大量羧基、醌基和酚羟基等官能团，是一种良好的吸附剂，对重金属具有较强的吸附性[6]。桑树枝秆、木薯秆和甘蔗渣是广西主要农业废弃植物纤维，若能以此为原料制备生物炭并应用到镉污染稻田土壤修复中变废为宝，将具有重要的实践意义。因此，研究桑树枝秆、木薯秆和甘蔗渣生物炭对水稻镉吸收的影响，对充分利用广西秸秆废弃物资源实现镉污染稻田稻米安全生产意义重大。【前人研究进展】随着人们对镉污染问题关注度的不断提高，土壤重金属污染的修复方法也应运而生，常见的有客土法、换土法、化学淋洗法和改良剂钝化修复法等[7]。郝金才等[8]研究认为，阻隔土壤重金属向作物可食部位转移是最经济有效的重金属污染治理方法之一。谷学佳等[9]研究发现，以稻秆为原料的生物炭材料可有效阻隔重金属镉向水稻籽粒迁移，降低稻米镉含量。张燕等[10]研究表明，玉米秸秆生物炭能显著降低不同生育期水稻各部位的镉含量。当然，不同原料制备的生物炭其表面结构和理化性质存在明显差异，对土壤重金属污染物的吸附能力也存在较大差异，钝化效果也截然不同[11-12]。杨惟薇等[13]研究表明，甘蔗叶、水稻秸秆和蚕沙生物炭对潮土中镉的钝化效果差异明显，表现为蚕沙生物炭>水稻秸秆生物炭>甘蔗叶生物炭。杜霞等[14]对水曲柳和牛粪等4种生物炭的研究也表明，不同种类生物炭对重金属的吸附效果存在明显差异。甘蔗渣生物炭具有极强的吸附性能，改性后能有效吸附水体中铬、砷和铅等重金属[15-17]，而树杆生物炭复合铁锰氧化物可高效吸附溶液中的砷[18]。此外，生物炭与有机肥配施存在正向协同效应，能显著增强底土中的碳循环、磷循环和氮循环相关酶活性，有效提高底土的肥力[19]。【本研究切入点】广西是桑蚕、木薯和糖料蔗的主产地，以桑树枝秆、甘蔗渣和木薯秆废弃物为原料制备生物炭原料充足，但目前关于秸秆生物炭的研究主要集中在其对土壤养分及作物生长的影响方面[20-21]，针对这3种秸秆生物炭影响水稻镉吸收累积的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】以桑树枝秆、甘蔗碴和木薯秆为原料制备生物炭，分析其不同施用量对镉污染盆栽水稻土壤pH、有效态镉含量及稻秆和稻米镉含量的影响，为充分利用广西桑蚕、木薯和糖料蔗等产业的秸秆废弃物资源实现镉污染稻田稻米安全生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018年在广西南宁市广西农业科学院农业资源与环境研究所科研基地温室大棚进行(东经108°17′21″，北纬22°51′18″)。该区域属于典型的亚热带季风气候，年均气温21.6 ℃，年均降水量1304.2 mm。供试土壤类型为第四纪红土母质发育形成的潴育性水稻土，全镉含量10.05 mg/kg(参照GB 15618-2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》，属于镉污染3类土壤)，有机质含量3.42 %，碱解氮含量160.0 mg/kg，速效磷含量5.7 mg/kg，速效钾含量30.0 mg/kg，pH 6.89。

1.2 试验材料

供试水稻品种为杂交稻天优998，镉污染土壤样品采自广西崇左市大新县某村水稻田；桑树枝秆、木薯秆和甘蔗渣样品均采集于广西南宁市邕宁区那楼镇那文村。取粉碎的桑树枝秆、木薯秆和甘蔗渣样品，填满于瓷坩埚中，放入控温马弗炉，在缺氧条件下加热，以10～30 ℃/min升温至目标温度700 ℃保持2 h，关闭马弗炉，自然冷却至室温后取出、研磨过100目筛储存备用。3种材料生物炭的基本理化性状见表1。

表1 不同秸秆生物炭的基本理化性状

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计 桑树枝秆生物炭施用量设1.5 %、3.0 %和4.5 % 3个处理，分别用MB1、MB2和MB3表示；甘蔗渣生物炭施用量设1.5 %、3.0 %和4.5 % 3个处理，分别用SB1、SB2和SB3表示，木薯秆生物炭施用量设1.5 %、3.0 %和4.5 % 3个处理，分别用CB1、CB2和CB3表示，以不施用生物炭为对照(CK)，共10个处理。每处理3个重复。水稻盆栽试验于7月31日装盆(即将生物炭和肥料按试验处理要求与土壤样品充分拌匀)，8月5日灌水浸泡，于8月14日移栽秧苗；各处理肥料运筹一致(即施N 195 kg/hm2、P2O554 kg/hm2、K2O 135 kg/hm2)，其他管理措施均按水稻盆栽试验管理规程进行。

1.3.2 样品采集 于当季水稻成熟后采集稻谷、稻秆和土壤样品。根据常规农业生产习惯，将谷粒样品置于室外阳光下晒干，稻秆装入编号信封置于105 ℃烘箱内杀青1 h，调至65 ℃烘至恒重后备用；晒干的谷粒用糙米机分出糙米，稻秆用植物粉碎机粉碎成植物样品后装入密封袋保存待用。土壤样品经自然风干后过筛，用自封袋保存备用。

1.3.3 测定指标及方法 土壤pH采用玻璃电极法测定，土水质量比为1.0∶2.5。土壤镉含量采用HCl-HNO3-HF-HClO4消煮法测定，土壤有效态镉含量采用DTPA萃取法测定，稻秆和稻米镉含量根据GB 509.15-2014《食品安全国家标准食品中镉的测定》的规定采用湿式法消解测定。

1.4 统计分析

采用Excel 2016进行试验数据统计和图表制作，以SPASS 19.0进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同原料、不同用量生物炭对镉污染水稻土壤pH的影响

从图1可看出，桑树枝秆、木薯秆和甘蔗渣生物炭处理均可有效提高镉污染水稻土的pH，同种原料生物炭处理镉污染水稻土的pH随着生物炭施用量的增加逐渐升高。其中，MB1、MB2和MB3处理镉污染水稻土的pH分别较CK显著(P<0.05，下同)提高5.08 %、5.95 %和6.10 %，CB1、CB2和CB3处理镉污染水稻土的pH分别较CK显著提高3.48 %、3.77 %和4.79 %，而SB1、SB2和SB3处理镉污染水稻土的pH分别较CK提高0.15 %、1.45 %和2.90 %，但仅SB3处理显著高于CK；3个桑树枝秆生物炭处理镉污染水稻土的pH均显著高于同一处理水平的木薯秆生物炭处理(CB3处理除外)和甘蔗渣生物炭处理，3个木薯秆生物炭处理镉污染水稻土的pH均显著高于同一处理水平的甘蔗渣生物炭处理。说明3种原料生物炭均具有提高镉污染水稻土pH的作用，施用桑树枝秆生物炭的提高效果优于木薯秆生物炭和甘蔗渣生物炭，尤其以施用4.5 %桑树枝秆生物炭的提高效果更佳。

图柱上不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，下同Different lowercase letters on the bar represented significant difference(P<0.05)

2.2 不同原料、不同用量生物炭对镉污染水稻土有效态镉含量的影响

从图2可看出，桑树枝秆、木薯秆和甘蔗渣生物炭处理均可显著降低镉污染水稻土的有效态镉含量，且随着生物炭施用量的增加，降幅逐渐增大。其中，MB1、MB2和MB3处理镉污染水稻土的有效态镉含量分别比CK低51.28 %、52.74 %和54.21 %，CB1、CB2和CB3处理镉污染水稻土的有效态镉含量分别比CK降低51.47 %、52.38 %和63.37 %，SB1、SB2和SB3处理镉污染水稻土的有效态镉含量分别比CK降低38.29 %、42.31 %和42.86 %；3个桑树枝秆生物炭和木薯秆生物炭处理镉污染水稻土的有效态镉含量均显著低于同一施用量水平的甘蔗渣生物炭处理；MB1、MB2和MB3处理水稻土的的有效态镉含量均显著高于CB3处理，与CB2和CB3处理差异不显著(P>0.05)。说明施用3种原料生物炭均可显著降低镉污染水稻土的有效镉含量，施用桑树枝秆生物炭和木薯秆生物炭对降低镉污染水稻土有效态镉含量的效果优于施用甘蔗渣生物炭，尤其以施用4.5 %木薯秆生物炭的降低效果更佳。

图2 不同原料生物炭及用量对镉污染水稻土有效态镉含量的影响Fig.2 Effects of different ingredients and dosages of biochar treatment on available Cd content in paddy soil

2.3 不同原料、不同用量生物炭对镉污染水稻土种植水稻稻米镉含量的影响

从图3可看出，桑树枝秆、木薯秆和甘蔗渣生物炭处理均可降低镉污染水稻土种植水稻的稻米镉含量，且除CB1处理外均显著低于CK。其中，MB1、MB2和MB3处理镉污染水稻土种植水稻的稻米镉含量分别比CK降低69.34 %、70.54 %和74.70 %，CB1、CB2和CB3处理镉污染水稻土种植水稻的稻米镉含量分别比CK降低7.14 %、40.54 %和41.46 %，SB1、SB2和SB3处理镉污染水稻土种植水稻的稻米镉含量分别比CK降低29.57 %、31.87 %和38.37 %；桑树枝秆生物炭处理镉污染水稻土种植水稻的稻米镉含量均显著低于木薯秆生物炭和甘蔗渣生物炭处理，尤其以MB3处理最低。说明施用3种生物炭均可降低镉污染水稻土种植水稻的稻米镉含量，且以施用桑树枝秆生物炭的降低效果优于施用木薯秆生物炭和甘蔗渣生物炭，尤其以施用4.5 %桑树枝秆生物炭的降低效果更佳。

图3 不同原料生物炭及用量对稻米镉含量的影响Fig.3 Effects of different ingredients and dosages of biochar treatment on Cd content in rice

2.4 不同原料、不同用量生物炭对镉污染水稻土种植水稻稻秆镉含量的影响

从图4可看出，桑树枝秆、木薯秆和甘蔗渣生物炭处理镉污染水稻土种植水稻的秸秆镉含量均显著低于CK。其中，MB1、MB2和MB3处理镉污染水稻土种植水稻的稻秆镉含量分别比CK降低55.71 %、72.67 %和76.94 %，CB1、CB2和CB3处理镉污染水稻土种植水稻的稻秆镉含量分别比CK降低12.42 %、58.45 %和61.57 %；SB1、SB2和SB3处理镉污染水稻土种植水稻的稻秆镉含量分别比CK降低10.45 %、42.72 %和51.01 %；3个桑树枝秆生物炭处理镉污染水稻土种植水稻的稻秆镉含量均显著低于同一施用量水平的木薯秆生物炭和甘蔗渣生物炭处理，尤其以MB3处理镉污染水稻土种植水稻的稻秆镉含量最低。说明施用3种生物炭均可有效降低镉污染水稻土种植水稻的稻秆镉含量，且施用桑树枝秆生物炭的降低效果优于木薯秆生物炭和甘蔗渣生物炭，尤其以施用4.5 %桑树枝秆生物炭的降低效果更佳。

图4 不同原料生物炭及用量对稻秆镉含量的影响Fig.4 Effects of different ingredients and dosages of biochar treatment on Cd content in rice straw

2.5 土壤pH、有效态镉含量及稻米和稻秆镉含量的相关分析

由表1可知，施用生物炭各处理的土壤pH与土壤有效态镉含量、稻米镉含量和稻秆镉含量均呈极显著负相关(P<0.01，下同)；土壤有效态镉含量与稻秆镉含量呈极显著正相关，与稻米镉含量呈显著正相关；稻秆镉含量与稻米镉含量呈极显著正相关。说明土壤有效态镉含量越高则稻秆的镉含量越高，稻米的镉含量也随之升高，而通过提高土壤pH可显著降低镉污染水稻土的有效态镉含量及稻秆和稻米镉含量。

表1 土壤pH、有效态镉含量及稻米和稻秆镉含量的相关分析结果

3 讨 论

施用生物炭在一定程度上能通过提高土壤pH减轻作物对重金属镉的吸收累积[22]，而不同原料生物炭对土壤pH变化的影响程度不尽相同。吴愉萍等[23]试验发现，黄秋葵秸秆炭、水稻秸秆炭和稻壳炭均可提高土壤pH，其中水稻秸秆炭的提高作用最明显。吴敏等[24]研究椰炭和蔗炭对酸性土壤的改良效果，发现椰炭对土壤pH的提高作用明显优于蔗炭。不同原料生物炭的pH不同，对降低土壤pH的效果也存在差异[25-26]，本研究采用的3种生物炭材料均呈碱性，其pH排序为桑树枝秆生物炭>木薯秆生物炭>甘蔗渣生物炭。本研究结果表明，施用生物炭可有效提高镉污染盆栽水稻土的pH，同种原料生物炭处理水稻土的pH随着生物炭施用量的增加而逐渐升高，桑树枝秆生物炭对土壤pH的提高幅度大于同一施用量水平的木薯秆生物炭和甘蔗渣生物炭，其中以施用4.5 %桑树枝秆生物炭的提高效果更佳，其原因与桑树枝秆生物炭具有较高的pH有关，进一步说明生物炭对土壤pH的影响与施用量及其自身pH有紧密关系。

土壤镉的生物有效性通常受到土壤pH变化影响[27]。施用生物炭可使土壤pH大幅度升高，在一定程度上稳定土壤重金属的活性，降低其生物有效性和可移动性[28-29]。本研究结果表明，施用3种原料生物炭均可有效降低盆栽水稻土的有效态镉含量，随着同种原料生物炭施用量的增加土壤有效态镉含量逐渐降低，施用桑枝生物炭和木薯秆生物炭镉污染水稻土的有效态镉含量均显著低于施用同一水平甘蔗渣生物炭，其中施用4.5 %桑树枝秆生物炭的降低效果更佳；相关分析结果显示，土壤有效态镉含量与土壤pH呈极显著负相关，说明施用生物炭后镉污染水稻土pH的变化对土壤有效态镉含量有着重要影响。马锋锋等[30]研究认为，生物炭通过表面所含的-COH、-COOH和-OH等官能团与重金属离子进行吸附络合，也是其对土壤镉固定作用的机制之一，而杜霞等[14]研究发现，不同种类生物炭表面的官能团含量存在较明显差异，对重金属的吸附钝化效果明显不同，因此，有必要进一步从生物炭表面官能团差异的角度分析生物炭对镉的吸附钝化作用。

施用生物炭能抑制土壤中的镉向水稻植株迁移，显著降低水稻籽粒的镉含量[9]。本研究结果与谷学佳等[9]的研究结果基本一致，施用3种原料生物炭均可显著降低镉污染水稻土中种植水稻稻秆的镉含量，通过减少镉向水稻植株体内迁移进而降低稻米的镉含量，其中以施用桑树枝秆生物炭稻杆和稻米的镉含量降幅最大，且在施用量为4.5 %时稻杆和稻米的镉含量降至最低值。本研究结合相关分析结果认为，通过调节土壤pH和土壤有效镉含量来减少镉向水稻植株体内迁移是生物炭阻控镉污染的主要机制之一。本研究还发现，土壤有效态镉含量最低的CB3处理(施用4.5 %木薯秆生物炭)其稻米和稻杆的镉含量并非最低，但显著高于MB2和MB3处理(分别为施用3.0 %和4.5 %桑树枝秆)稻米和稻杆的镉含量，说明生物炭还可能通过改变水稻根际微环境等方式阻隔镉向水稻植株体内运输，进而降低稻米的镉吸收累积量，与Lin等[31]、胡林飞[32]、刘达等[33]的观点一致。但不同原料生物炭的理化性状、微结构及作用机制存在差异，因此，还需结合不同生物炭原料的特性从微观角度探究施用生物炭对稻米镉阻隔作用的机制。

4 结 论

施用桑树枝秆、木薯秆和甘蔗渣生物炭可有效提高镉污染水稻土的pH、降低土壤有效态镉含量，进而降低稻秆和稻米对镉的吸收量。施用桑树枝秆生物炭对稻米镉含量的降低效果优于施用木薯秆生物炭和甘蔗渣生物炭，且施用量为4.5 %时降幅最大。因此，在镉污染稻田土壤中施用4.5 %桑树枝秆生物炭可最大程度地缓解稻米对镉的吸收，降低水稻生产的镉污染风险。