生物炭改良与栽培香丝草对油菜吸收重金属的影响

向 阳，向言词，任 海，简曙光，王瑞江，汪结明，向建华，胡 伟

（1. 湖南科技大学，湖南 湘潭 411201；2. 永顺县农业局，湖南 永顺 416700；3. 中国科学院华南植物园，广东 广州 510650）

我国耕地重金属污染严重，中轻度污染耕地占多数，重金属污染造成农产品质量问题严重[1-2]。油菜（Brassica napus）能从污染土壤中吸收重金属[3-5]。油菜是中国最重要的油料作物，是继水稻、玉米和小麦之后的第四大宗作物[6]。为保障油菜质量安全和国民身体健康，研究阻控油菜从污染土壤中吸收重金属的技术十分重要。

自20 世纪末“生物炭（Biochar）”概念出现至今，相关研究已受到广泛关注并迅速升温。在农业领域，研究者初步证实了生物炭在改良土壤、提高作物产量、治理污染和减少温室气体排放等方面具有重要作用[7]。生物炭是农林废弃物等生物质在缺氧条件下热裂解形成的富碳产物，具有高度羧酸酯化和芳香化结构·。生物炭主要含有芳香族、脂肪族等化合物以及羧基、羰基、苯环等主要官能团·。含碳率高、孔隙结构丰富、比表面积大、离子交换能力强、吸附性能优异和稳定性高等特点，是利用生物炭修复环境污染、改良土壤和提高作物产量的重要结构基础；生物炭通过吸附、离子交换、络合和沉淀等作用吸持重金属[2]。生物炭通过吸持重金属而降低重金属生物有效性，阻控作物吸收重金属，控制重金属传递进入食物链。生物炭技术为原位阻控作物吸收积累重金属和农业安全生产提供了一种新技术。采用生物炭阻控植物吸收重金属的研究，主要集中在单种重金属的阻控效应方面，而针对自然条件下污染耕地多种重金属的阻控效应研究少。轮种是我国传统农业的精髓之一，轮种可以提高土地、光、热、水与养分利用率，增加作物产量[10]。采用轮种可以调控植物吸收重金属[11]。采用生物炭改良与轮种联合阻控作物吸收重金属的研究少。针对高效阻控油菜吸收重金属的问题，拟采用生物炭改良与栽培香丝草（Conyza bonariensis）联合阻控后茬油菜从污染耕地吸收重金属，为油菜在中轻度污染耕地中的安全生产提供技术借鉴。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

在湖南省湘潭县响水乡选择撂荒农田进行试验，所选农田土壤pH 值平均为5.1，土壤铅、镉、铜和镍的平均含量分别为721.4、1.1、267.4 和143.2 mg/kg，重金属污染达到中度污染水平。

1.2 试验方法

选建4 块试验样地，分别设为Y0、Y1、Y2 和Y3，在样地中移栽油菜和香丝草幼苗。生物炭是用水稻秸秆在400 ℃下厌氧煅烧而成，其pH 值为 9.23，全碳46.30%，全氮0.59%，全磷0.11%，全钾2.78%，比表面积7.92 m2/g。移栽油菜幼苗之前在样地添加生物炭4 800、9 600、19 200 和38 400 kg/hm2，分别标示为T1、T2、T3 和T4；同时以基肥形式在样地土壤中施入尿素（385.4 kg/hm2）、过磷酸钙（555.6 kg/hm2）、 硫酸钾（221.3 kg/hm2）和硼砂（7.5 kg/hm2）。犁耕将生物炭、基肥与土壤混匀，犁耕深度为20 cm。按下述10 种处理栽培植物与添加生物炭：①在Y0 样地中只栽培油菜，作为对照（CK）；②在Y1 样地中先栽培香丝草，再轮种油菜，标示为C-B。③在Y2 样地中添加生物炭后再栽培油菜，分别标示为T1-B、T2-B、T3-B 和T4-B。④在Y3 样地中先栽培香丝草，添加前述不同量生物炭后再轮种油菜，分别标示为C-T1-B、C-T2-B、C-T3-B 和C-T4-B。在样地分建小区，小区长5.0 m、宽3.0 m；每种处理对应一个小区，共10 个小区。

2016 年到2017 年，每年4 月在样地中移栽香丝草幼苗，密度16 株/m2；每年8 月，采收香丝草植株，粉碎后撒在样地表面，同时在样地中添加生物炭，犁耕样地，9 月在每个小区中随机采集土样9 份，用于分析土壤pH 值和重金属。10 月移栽油菜幼苗，密度12 株/m2。2017 年到2018 年，每年4 月每种处理随机采挖9 株油菜植株，将其余油菜植株连根一起移除，然后犁耕样地。将采集的油菜植株先用自来水冲洗，再用去离子水冲洗，晾干，105 ℃条件下烘干1 h，80 ℃条件下烘8 h 到恒重，测定油菜地上部分、地下部分和籽粒干重。

1.3 指标测定

用pH 计测定土壤pH 值（蒸馏水浸提，水土质量比为2.5 ∶1）。用浓硝酸+氢氟酸+高氯酸消解土壤中的重金属，用HNO3+HClO4消解植物重金属。用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）测定重金属。

1.4 数据与分析

采用Excel 2003 和SPSS13.0 统计软件进行数据处理与分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤pH 的影响

图1 2016～2017 年不同处理对土壤pH 的影响

图1 表示不同处理对土壤pH 值的影响。栽培香丝草和添加生物炭均增加土壤pH 值。2016 年添加生物炭的T3-B 和T4-B 处理，以及栽培香丝草结合添加生物炭的C-T2-B、C-T3-B 和C-T4-B 处理，土壤pH 值均显著高于对照（CK）；2017 年添加生物炭的T2-B、T3-B 和T4-B 处理，以及栽培香丝草结合添加生物炭的C-T1-B、C-T2-B、C-T3-B 和C-T4-B 处理，土壤pH 值均显著高于对照（CK）。与单独添加生物炭相比，栽培香丝草结合添加生物炭使土壤pH 值增加更明显。要显著增加土壤pH 值，单独添加生物炭时，2016 年和2017 年生物炭最少添加剂量分别为19 200 和9 600 kg/hm2；栽培香丝草结合添加生物炭时，2016 年和2017 年生物炭最少添加剂量分别为9 600和4 800 kg/hm2。由此可见，栽培香丝草有利于在减少生物炭用量的前提下显著提高土壤pH 值。

2.2 不同处理对油菜生长的影响

表1 表示不同处理对油菜生物量与产量的影响。结果表明，栽培香丝草（C-B）对油菜生物量与产量影响并不显著。2017 年和2018 年，添加生物炭的T3-B 和T4-B 处理，以及栽培香丝草结合添加生物炭的C-T2-B、C-T3-B 和C-T4-B 处理，油菜地上部分生物量、地下部分生物量和产量都显著高于对照（CK）。可见，要使油菜生物量与产量显著增加，单独使用生物炭时，生物炭最少添加剂量为19 200 kg/hm2；栽培香丝草结合添加生物炭时，生物炭最少添加剂量为 9 600 kg/hm2。因此，栽培香丝草有利于在减少生物炭用量前提之下增加油菜的生物量与产量。

2.3 不同处理对油菜吸收重金属的影响

表2 表示不同处理对油菜铅含量的影响。与对照（CK）相比，栽培香丝草（C-B）不能显著降低油菜地下部分、地上部分和籽粒的铅含量。2017 年和2018 年，添加生物炭的T3-B 和T4-B 处理，以及栽培香丝草给合添加生物炭的C-T2-B、C-T3-B 和C-T4-B处理，油菜地下部分、地上部分和籽粒的铅含量都显著低于对照。单独添加38 400 kg/hm2生物炭，以及栽培香丝草结合添加19 200 及38 400 kg/hm2生物炭时，油菜籽粒的铅含量均低于0.3 mg/kg，达到食品安全国家标准的铅限量要求（GB 2762—2012）。因此，栽培香丝草有利于在减少生物炭用量的前提下减少油菜吸收铅，使油菜籽粒的铅含量达标。

表3 表示不同处理对油菜镉含量的影响。与对照（CK）相比，除了2018 年的油菜籽粒镉含量外，栽培香丝草（C-B）不能显著降低油菜地下部分、地上部分和籽粒的镉含量。2017 年，添加生物炭的T3-B和T4-B 处理，以及栽培香丝草结合添加生物炭的C-T2-B、C-T3-B 和C-T4-B 处理，油菜地下部分、地上部分和籽粒的镉含量均显著低于对照。2018 年，添加生物炭的T-2、T3-B 和T4-B 处理，以及栽培香丝草结合添加生物炭的C-T1-B、C-T2-B、C-T3-B 和C-T4-B 处理，油菜地下部分、地上部分和籽粒的镉含量均显著低于对照。单独添加38 400 kg/hm2生物炭，以及栽培香丝草结合添加19 200 和38 400 kg/hm2生物炭时，油菜籽粒的镉含量均低于0.2 mg/kg，达到食品安全国家标准的镉限量要求（GB 2762—2012）。因此，栽培香丝草有利于在减少生物炭用量的前提下减少油菜吸收镉，使油菜籽粒的镉含量达标。

表1 不同处理对油菜生物量与产量的影响 （kg/m2）

表2 不同处理对油菜铅含量的影响 （mg/kg）

表4 表示不同处理对油菜铜含量的影响。与对照（CK）相比，2017 年和2018 年，栽培香丝草（C-B）均不能显著降低油菜地下部分、地上部分和籽粒的铜含量。2017 年和2018 年，添加生物炭的T3-B 和T4-B 处理，以及栽培香丝草结合添加生物炭的C-T3-B和C-T4-B 处理，油菜地下部分、地上部分和籽粒的铜含量均显著低于对照。可见，无论是单独添加生物炭还是栽培香丝草结合添加生物炭，生物炭的添加剂量在19 200 和38 400 kg/hm2之间时，才能使油菜各部分铜含量显著下降。因此，联合阻控油菜吸收铜时，栽培香丝草不能降低生物炭的用量。

表5 表示不同处理对油菜镍含量的影响。2017年和2018 年，栽培香丝草（C-B）均不能使油菜地下部分、地上部分和籽粒的镍含量显著低于对照（CK）。2017 年和2018 年，添加生物炭的T3-B 和T4-B 处理，以及栽培香丝草结合添加生物炭的C-T3-B 和C-T4-B处理，油菜地下部分、地上部分和籽粒的铜含量均显著低于对照。可见，无论是单独添加生物炭还是栽培香丝草结合添加生物炭，生物炭的添加剂量在19 200和38 400 kg/hm2之间时，才能使油菜各部分镍含量显著低于对照。因此，联合阻控油菜吸收镍时，栽培香丝草不能降低生物炭的用量。

表3 不同处理对油菜镉含量的影响 （mg/kg）

表4 不同处理对油菜铜含量的影响 （mg/kg）

表5 不同处理对油菜镍含量的影响 （mg/kg）

3 结论与讨论

研究表明，生物炭与栽培植物对土壤pH 值都会产生影响；栽培香丝草与生物炭改良都增加土壤pH值，栽培香丝草可以在减少生物炭用量的前提下增加土壤pH 值。这些结果与前人研究相似。王宁等[12]发现添加稻草和花生秸秆都增加茶园土壤pH 值。练成燕等[13]发现施用猪粪、稻草和紫云英这些有机物料显著提高了土壤pH 值。Cornelissen 等[14]发现椰壳生物炭能缓解土壤酸性。Meng 等[15]发现添加稻草与猪粪混合制成的生物炭显著提高了土壤pH值。Bian等[16]发现添加秸秆型生物炭显著增加了土壤pH 值和有机碳总量。

研究表明，土壤中添加生物炭增加了油菜生物量与产量；栽培香丝草可以在减少生物炭用量的前提下增加油菜生物量和产量。Abbas 等[17]发现添加生物炭可减弱镉毒性，增加小麦光合色素含量和生物量。张伟明等[18]发现生物炭处理的水稻产量增加，按干土量加20 g/kg 生物炭时水稻产量最高。王林等[19]发现施用生物炭和鸡粪可提高油菜地上部产量。Sun[20]和Abiven 等[21]发现添加生物炭增加了玉米高度、净光合速率和产量。Liu 等[22]发现玉米分别与大豆、花生间作时，添加生物炭显著增加了作物产量，促进了生物固氮和氮转移给玉米。Liu 等[23]发现添加生物炭显著增加了荷花的生物量。

研究发现，栽培香丝草与生物炭改良可降低油菜地下部分、地上部分和籽粒的铅、镉、铜和镍的含量。栽培香丝草可以在减少生物炭用量前提之下，显著减少油菜吸收铅和镉。 O'connor[24]和Bashir 等[25]发现生物炭可降低镉的生物有效性，减少植物吸收镉。Kumar 等[26]发现添加生物炭可弱化锌毒性，显著减少橡胶榕吸收锌。Yin 等[27]发现生物炭和Fe-生物炭都能减少水稻吸收镉和砷。Zhu 等[28]发现生物炭降低了水稻各器官的重金属含量，显著降低稻米中铬、镍、镉和铅的含量。

总之，栽培香丝草结合生物炭改良可以增加土壤pH 和油菜生物量及产量，减少油菜吸收铅、镉、铜和镍。要使油菜籽粒的铅和镉含量低于国家标准，单独采用生物炭阻控时，生物炭用量为38 400 kg/hm2，栽培香丝草结合生物炭联合阻控时，生物炭的用量为19 200 kg/hm2。因此，栽培香丝草可以减少生物炭用量，栽培香丝草结合生物炭改良是一种阻控油菜吸收铅和镉的最优方式。