两性磁化炭对牧草生长及土壤铜有效性的影响

2020-05-06李文斌张乂方邓红艳何海霞孟昭福

水土保持研究 2020年3期

李文斌, 朱浪, 谢佳, 张乂方, 邓红艳, 康乐, 何海霞, 孟昭福

(1.西华师范大学环境科学与工程学院, 四川南充 637009; 2.西北农林科技大学资源环境学院, 陕西杨凌 712100)

铜(Cu)广泛应用于建筑、环境、农药等领域[1]，铜既是植物生长发育必须的微量元素，也是土壤污染的重要来源，它可以通过沉降、雨淋、水洗等方式进入周边土壤并造成日益严重的危害[2-4]，随着土壤修复领域的快速发展，铜污染土壤的修复研究也随之成为了热点[5]。

植物修复作为一种新兴的修复手段，主要是利用植物自身新陈代谢及根系微生物群落来吸附、挥发或稳定土壤环境中的重金属[6]。2000年，柯文山等[7]在大冶铜绿山铜矿区对海洲香薷中几种微量金属元素的吸收累积和分布特征进行了分析，结果显示该植物生长区的土壤中重金属元素含量很高，其中Cu的含量(平均5 843 μg/g)是背景值的200多倍，证实了海洲香薷对铜具有很强的耐受性。李锋民等也研究发现海州香薷富集铜浓度最高可达1 500 mg/kg[8]，但其生长缓慢、周期长且生物量较小的特征在一定程度上降低了其应用性。植物修复Cu2+污染土壤过程中，其生物量是决定修复效率的关键因素[9-10]，苏丹草作为一年生禾本科高粱属饲料作物，具有根系发达、生长周期短、可多次刈割等特点[11-12]，对Cu2+也具有较强的耐受能力[13]，当Cu处理浓度为200 mg/kg时，苏丹草根系Cu富集浓度可达375.1 mg/kg[14]。研究显示黑麦草对Cu2+的吸收能力也较强[15]，在适宜的条件下对Cu2+的转移系数达到了0.38，对Cu2+污染的土壤修复效率高达39%[16]，因此也广泛的应用在铜尾矿的治理中[17-18]。

炭材料因具有较大的比表面积和阳离子交换量(CEC)，以及独特的孔隙结构，被广泛的应用于重金属污染土壤修复工作中[19-23]，但炭材料的应用受限于无法分离。2010年，Chen等将Fe3+/Fe2+化学共沉淀在桔皮粉上，并在250，400，700 ℃下热解，制备出3种新型的磁性生物炭，发现磁性生物炭由纳米级磁铁矿颗粒和非晶态生物炭组成，具有混合吸附能力，能有效去除水中的有机污染物和磷酸盐。磁化炭和两性磁化炭的开发解决了炭材料无法固液分离的难题，并能够将回收材料上的污染物脱附而实现二次利用[24-25]。炭材料及其改性材料在水体修复中具有较好的效果，对于土壤改良和修复的研究也有涉及。研究显示炭材料的单施方式对土壤结构改良、粮食增产和污染修复均具有较好的效果[26-27]。李文斌等[28]研究发现炭材料添加对塿土吸附重金属有3～13倍的提升，而炭材料表施处理的水稻增产幅度显著高于常见混施[29]。

材料修复虽然能够降低土壤中污染物的游离度，但污染物没有从土壤中消除，只是暂时不能被植物吸收。而植物修复能从根本上去除土壤污染物，且不会造成二次污染。若在植物修复的基础上配合单施具有改良和吸附效果的两性磁化炭材料，一方面能可改善土壤结构、降低土壤中有效态重金属污染含量，同时还能提升修复植物的耐污染能力，并增强植物修复效果，而目前该方面的少有研究涉及。本文拟采用盆栽试验研究在不同Cu2+浓度和不同两性磁化炭单施方式下，牧草的生长指标和土壤有效态铜含量变化，旨在为植物—材料联合修复研究提供了参考价值。

1 材料与方法

1.1 供试材料

两性表面修饰剂采用十二烷基二甲基甜菜碱(AR，天津兴光助剂厂生产)，供试活性炭购自成都市科隆化工试剂厂。供试重金属污染物：Cu2+溶液，采用CuSO4·5 H2O配制，试剂为分析纯，购于成都市科龙化工。复合肥购自北京中农研创高科技有限公司。

1.1.1 供试土样供试土样为川东北典型紫色土，采自西华师范大学试验田，选取典型区域以S布点法采集耕层(0—25 cm)土样，将土样混合均匀、风干、磨碎、过100目(0.15 mm)筛，封存备用。土样pH值为8.08，CEC为288.46 mmol/kg，TOC含量为16.66 g/kg，Cu2+含量为18.60 mg/kg。

1.1.2 供试牧草供试牧草为苏丹草和黑麦草，牧草种子购于亚艺花卉淘宝店，挑选饱满、成熟度好的两类种子各840粒，先用自来水冲洗干净，然后用1%高锰酸钾溶液表面消毒15 min，再用去离子水冲洗3次，最后用滤纸吸干水分，备用。

1.1.3 供试材料磁化炭采用共沉淀法[30]制备，制备好磁化炭后，采用湿法制备两性磁化炭[31]。

1.2 试验设计

1.2.1 材料单施将两性磁化炭、复合肥分别以0.5 g和1 g的质量比加入到998.5 g紫色土中混匀，盆栽均装1 kg土样。

两性磁化炭的单施方式分为表施和混施。表施即将两性磁化炭仅添加在表层(0—3 cm)的土壤中，混合土样分为上下两层，上层0.5 g两性磁化炭、0.2 g复合肥和199.3 g紫色土均匀混合，下层799.2 g紫色土和0.8 g复合肥均匀混合形成两性磁化炭表施的土样；混施则是0.5 g两性磁化炭、1 g复合肥和998.5 g紫色土均匀混合形成两性磁化炭混施的土样；未施代表1 g复合肥和999 g紫色土混合均匀形成的土样。

1.2.2 盆栽试验采用高14 cm，外直径18 cm，内直径17.5 cm的塑料花盆进行盆栽试验，依次加入表施、混施和未施3种土样及1 L不同浓度梯度的Cu2+溶液，Cu2+污染设置0(CK)，100，200，400，800，1 200，1 600 mg/L总7个浓度梯度，待溶液渗透均匀后，在土壤表面每盆均匀种植40粒种子，分别种植苏丹草和黑麦草，形成表施—苏(表施土样种植苏丹草)、混施—苏、未施—苏；表施—黑(表施土样种植黑麦草)、混施—黑、未施—黑6组盆栽处理。每组试验3个重复。

1.3 试验处理

1.3.1 牧草采集及测定作为修复植物，牧草具有生长速度快、可多次刈割的特征，故当植物生长35 d后(一次刈割时间)收获，按株高从小到大排列，选取株高差异小且最接近平均株高的5棵为代表，测牧草的株高、叶片数等，取其平均值。然后用去离子水充分冲洗除去牧草上沾附的污物，滤去水分，分别装入牛皮袋中于烘箱中杀青(105 ℃，30 min)后烘干，称取植物地上部的质量。

1.3.2 土样采集及测定分别采集上层(0—3 cm)和下层土样，然后将土样风干，研磨，过100目尼龙筛，封存备用。土壤水溶态铜含量测定采用0.01 mol/L CaCl2以1∶5的土水比振荡提取2 h，离心10 min (4 000 r/min)，过滤后测定。酸提取态铜含量测定采用0.01 mol/L HCl以1∶5的水土比加入50 ml具塞离心管中，静置30 min，待气体全部排出后，振荡提取2 h，离心10 min(4 000 r/min)，过滤后采用原子吸收分光光度计测定。

1.4 数据处理

采用Spss 16.0统计分析软件分析试验数据，采用Origin 2 017软件绘图；

2 结果与分析

2.1 单施两性磁化炭对牧草发芽率及成活率的影响

由图1可知，在不同Cu2+浓度梯度下，未施—苏处理发芽率仅在Cu2+处理浓度为400 mg/L时被抑制，与0 mg/L相比降低了28%。在Cu2+处理的基础上，表施促进了苏丹草的发芽，当Cu2+浓度高于400 mg/L，促进作用尤为显著；而混施不利于苏丹草的发芽。随着苏丹草的生长，成活率均逐渐下降，Cu2+浓度为400 mg/L时未施处理上的苏丹草成活率下降最小，为7.5%，混施增加了苏丹草在Cu2+浓度为200～400 mg/L时的成活率。

不同浓度Cu2+条件下，未施处理下黑麦草的发芽率得到了提高，最高时达到98%，表施—黑和混施—黑均在0 mg/L，200 mg/L时发芽率为100%。总体上发芽率表现为未施—黑>表施—黑>混施—黑。随着黑麦草的生长，植株少部分死亡。未施—黑在0 mg/LCu2+浓度下存活率最低，仅为60%，100 mg/L时存活率依然是最大值100%；当Cu2+浓度低于200 mg/L时，表施—黑中的发芽率高于混施—黑；在合适的浓度下，混施能够提高黑麦草的存活率。

总体上苏丹草的发芽率远低于黑麦草，表施两性磁化炭会促进苏丹草的发芽，混施有利于苏丹草在较高浓度Cu2+中成活。而黑施加两性磁化炭对发芽率无显著影响，但在低浓度Cu2+处理时，两性磁化炭能同时大幅度提高黑麦草的发芽率和存活率。

2.2 施加两性磁化炭对牧草株高的影响

图2显示两种牧草前期均增长迅猛，第5天时株高已达10 cm左右，生长期达到25 d后，增长速度趋于缓和。经100 mg/LCu2+处理后，未施—苏的株高达到最大值20.1 cm，Cu2+处理浓度为1 600 mg/L时株高值最小，为12.1 cm。表施—苏处理中，当Cu2+浓度低于800 mg/L，Cu2+对苏丹草表现出促进作用，高于800 mg/L，表施和混施的条件下，株高值均显著低于0 mg/L。

第5天时，不同的条件下的黑麦草株高值均大于10 cm。未施—黑株高折线图呈集中分布，表现出对Cu2+具有较强的耐受能力。表施中黑麦草在Cu2+浓度为400 mg/L时达到最大值29.5 cm，是该条件下长势最差的1.7倍，是未施—黑中长势最好的1.3倍。混施中的黑麦草在Cu2+浓度为0 mg/L时生长最佳，最快时日均增长2.6 cm/d，1 600 mg/L时生长最差。

未施、表施和混施中苏丹草株高的最大值分别为23.9 cm，23 cm和23.8 cm，而3种处理下黑麦草株高的最大值分别为23.9 cm，29.5 cm和27.5 cm。与苏丹草相比较，施加两性磁化炭更有利于黑麦草的生长，其中表施的作用尤为显著。

图1 不同浓度Cu2+处理下牧草的发芽率及存活率

图2 两种牧草株高随时间变化趋势

2.3 施加两性磁化炭对牧草地上部干重与鲜重的影响

从图3可以看出，不同条件下两种牧草鲜重与干重均随着Cu2+处理浓度的增加而呈现先增加后减少的波动趋势。当Cu2+处理浓度低于200 mg/L时，对未施和表施中的苏丹草表现出促进作用，其中未施中的苏丹草在100 mg/L时鲜重和干重均达到最大值，分别为4 g和0.46 g；而混施中的苏丹草在Cu2+处理浓度小于800 mg/L时，鲜重和干重均大于0 mg/L。

未施中的黑麦草仅有在400 mg/L时鲜重和干重值大于CK，表施和混施中的黑麦草鲜重和干重的最大值分别为未施中的最大值的1.1倍、1.2倍和1.2倍、1.1倍。当Cu2+处理浓度不小于1 200 mg/L，都会显著降低黑麦草的鲜重和干重。

表施两性磁化炭有助于提高苏丹草对Cu2+的耐受能力，而混施能提高苏丹草在400～800 mg/L区间中的鲜重和干重。未施处理中Cu2+处理会略微降低了黑麦草鲜重和干重，但高浓度Cu2+对黑麦草的影响显著低于苏丹草，表施和混施两性磁化炭都能够大幅度增加黑麦草在0～200 mg/L区间中的鲜重和干重。

图3 不同浓度Cu2+处理对两种牧草根系鲜重与干重的影响

2.4 单施两性磁化炭和土壤水溶态铜的影响

通过对比不同土样中水溶态Cu2+含量(图4)，随Cu2+处理浓度的增加，水溶态Cu2+含量也逐渐增加，单施两性磁化炭的土样中水溶态Cu2+含量明显低于未施加处理。当Cu2+处理浓度低于800 mg/L时，上层土样中水溶态Cu2+含量表现为表施—苏<混施—苏，而下层土样为表施—苏大于混施—苏。对于黑麦草来说，上下层均表现出表施的水溶态Cu2+含量大于混施。未施—苏上层土样水溶态Cu2+含量高于未施—黑上层，说明黑麦草对水溶态Cu2+的处理能力强于苏丹草，因为土壤自身对Cu2+处具有较强的吸附能力，因此水溶态Cu2+含量整体上保持上层高于下层的趋势。

2.5 施加两性磁化炭和土壤酸提取态铜的影响

由图5可知，随Cu2+浓度的增加而增加，不同处理下各层次土样酸提取态Cu含量均逐渐增加。且整体上层土样整体高于下层土样。苏丹草上层土样酸提取态Cu2+含量表现为表施>混施>未施，而下层表现为未施>混施>表施的趋势。黑麦草施加两性磁化炭后，上层土样酸提取态Cu2+含量表现未施小于表施和混施的趋势，而下层表现为未施大于表施和混施的趋势。

相同条件下，黑麦草土样中的酸提取态Cu2+含量普遍低于苏丹草，这主要与牧草能通过提取、挥发、稳定和根系过滤等方式降低土壤中Cu2+含量[32]，且黑麦草对Cu2+的耐受能力又强于苏丹草有关。

3 讨论

苏丹草仅在Cu2+浓度为400 mg/L时，发芽率低于0 mg/L。在牧草后续生长中，当土壤中重金属含量超过某一临界值时，就会影响牧草根尖细胞有丝分裂，并通过改变其的生理生化过程而影响生长发育[33-34]。Cu2+浓度过高会抑制牧草生长，甚至致死。苏丹草经高浓度Cu2+处理后，茎底端逐渐变黑腐化，叶片枯萎，导致植株大面积死亡，浓度越高，该现象越明显；黑麦草对Cu2+的耐受能力强于苏丹草，1 600 mg/L时黑麦草依然大量存活，但植株矮小赢弱，叶片发黄且细短。

在不经Cu2+处理时，单施两性磁化炭大幅度提高了黑麦草的发芽率和存活率。施加低浓度Cu2+的同时施加两性磁化炭，能进一步增加牧草的叶面积和叶片数，使其茎部粗壮，缩短分蘖所需时间，不同牧草表施和混施的生长情况有所不同，但都表现为协同作用，混施两性磁化炭能增加苏丹草在400～800 mg/L区间中的鲜重和干重，而表施和混施都能够显著提高黑麦草在0～200 mg/L区间中的鲜重和干重；高浓度下，施加两性磁化炭不能起到理想的拮抗作用，牧草长势较差。

图4 不同土样水溶态Cu2+含量

图5 不同土样酸提取态Cu2+含量

由表1可以看出，不同条件下的苏丹草以及黑麦草各项生理指标之间有较为密切的正相关关系，不同条件下的苏丹草株高与叶片数，地上鲜重与地上干重成极显著相关，黑麦草地上鲜重与地上干重成极显著相关，其余各项指标之间无显著性相关关系。苏丹草各项生理指标整体相关性表现为混施最高、表施次之、未施最低的趋势，黑麦草不同条件下各项生理指标整体相关性无明显差异。

Cu2+污染土样上的苏丹草各生理指标相关性整体上强于黑麦草。通过对各土壤水溶态Cu2+含量以及酸提取态Cu2+含量进行测定发现，相同条件下黑麦草对水溶态Cu2+的处理能力强于苏丹草，且黑麦草土样中的酸提取态Cu2+含量普遍低于苏丹草，两种Cu2+含量均表现出上层高于下层的趋势。施加两性磁化炭能有效固定Cu2+，减弱高浓度Cu2+对牧草的迫害，且表施强于混施，低浓度时表施更有利于牧草的生长。