铁基生物炭钝化Cd大田试验研究

2021-03-09曾晓舵刘传平孙岩吴启堂王向琴

生态环境学报 2021年1期

曾晓舵，刘传平，孙岩，吴启堂，王向琴*

1.广东省科学院生态环境与土壤研究所/华南土壤污染控制与修复国家地方联合工程研究中心/广东省农业环境综合治理重点实验室，广东广州 510650；2.华南农业大学资源环境学院，广东广州 510642

水稻是人们生活中的一种重要粮食作物，特别是在中国华南地区，水稻基本上是人们生活的必需主食。同时，中国也是世界上最大的稻米生产国，其水稻总产量约占世界总产量的30%。中国水稻的种植主要集中在华南地区。近年来，由于稻田Cd污染引起的环境及健康问题日益突出（Hu et al.，2016），稻田特殊的生境尤其是淹水环境下的稻田则更有利于Cd的迁移和转化（Inahara et al.，2007），更有利于促进水稻植株对Cd的吸收和累积（Arao et al.，2010）。Cd污染的稻米严重威胁着人类的生命和健康，通过日常食用稻米而摄入Cd已经逐渐成为中国及其他亚洲地区 Cd毒害的一个重要来源（Li et al.，2014）。因此，通过钝化技术对土壤中有效性的Cd进行钝化对稻田生态系统中Cd的生物地球化学循环具有重要的理论和实际意义。

根据前期盆栽实验所得结果（曾晓舵，2017），我们可以看出在稻田土壤中添加铁基生物炭能够有效地降低稻田土壤生物可利用性Cd和水稻作物体内的Cd含量，从而我们可以得出铁基生物炭可以吸附稻田Cd，降低土壤Cd污染。在本文的研究中，我们把所制备的生物炭和铁基生物炭加入到Cd污染的土壤中进行大田试验，研究铁基生物炭对Cd在大田土壤-水稻系统迁移的影响以及铁基生物炭对作物产量的影响。

1 材料与方法

1.1 试验点位置

试验点位于广东省韶关市仁化县董塘镇红星村，采集该田块表层土壤（0—20 cm）分析，其土壤 pH 为 5.74，Cd 质量分数为 2.19 mg·kg−1，As质量分数为 32.5 mg·kg−1。该地块为典型受矿山开采影响的As、Cd复合污染稻田。

1.2 供试作物

水稻，其中2014年早造品种：五优613。晚造品种：五丰优615。

1.3 试验处理

试验共设 6个处理，分别是：（1）空白对照（control）；（2）每一季水稻插秧前，一次性施加1500 kg·hm−2的普通生物炭；（3）每一季水稻插秧前，一次性施加 75 kg·hm−2的零价铁（Fe0）；（4）每一季水稻插秧前，一次性施加1500 kg·hm−2、ω(Fe)=1%的铁基生物炭(ω(Fe)=1% in Fe-Biochar)；（5）每一季水稻插秧前，一次性施加1500 kg·hm−2、ω(Fe)=3%的铁基生物炭(ω(Fe)=3% in Fe-Biochar)；（6）每一季水稻插秧前，一次性施加1500 kg·hm−2、ω(Fe)=5%的铁基生物炭(ω(Fe)=5% in Fe-Biochar)。每个处理3次重复，随机排列；共 18个试验小区，每个小区面积为5 m×6 m=30 m2；保证独立排灌。

2 结果与讨论

2.1 水稻产量

如表1、2所示，2014年早造水稻施用不同土壤钝化调理剂处理后产量均无显著差异，而晚造除了施用铁粉处理外，其余各处理水稻产量均显著高于对照。2014年晚造水稻生物炭、ω(Fe)=1%的铁基生物炭、ω(Fe)=3%的铁基生物炭和ω(Fe)=5%的铁基生物炭处理后分别增产 9.2%、16.6%、11.5%和15.2%；而各土壤钝化调理剂处理之间水稻产量并无显著差异。

表1 2014年早造水稻产量统计结果Table 1 Output of early rice among different treatments in 2014

表2 2014年晚造水稻产量统计结果Table 2 Output of late rice among different treatments in 2014

2.2 稻米Cd含量

如图1、2所示，施加土壤钝化调理剂处理均可以显著降低稻米 Cd含量。与对照相比，施加1500 kg·hm−2的普通生物炭、施加 75 kg·hm−2的零价铁、施加1500 kg·hm−2的ω(Fe)=1%的铁基生物炭、施加1500 kg·hm−2的ω(Fe)=3%的铁基生物炭和施加1500 kg·hm−2的ω(Fe)=5%的铁基生物炭后，2014年早造稻米 Cd质量分数分别由对照的 0.660 mg·kg−1下降到 0.459、0.349、0.412、0.363、0.382 mg·kg−1；其中以施加 75 kg·hm−2的零价铁处理对稻米Cd降低效果最好，达到47.1%，但和其他土壤钝化调理剂处理相比并无显著差异。

图1 2014年早造水稻各个处理稻米Cd含量Fig.1 Cd contents in early rice grain of different treatments in 2014

图2 2014年晚造水稻各个处理稻米Cd含量Fig.2 Cd contents in late rice grain of different treatments in 2014

2014年晚造水稻土壤钝化调理剂处理后，稻米Cd含量也有不同程度的下降；其中施加 1500 kg·hm−2的普通生物炭、施加 75 kg·hm−2的零价铁施加1500 kg·hm−2的ω(Fe)=3%的铁基生物炭处理后，稻米Cd质量分数分别由对照的0.296 mg·kg−1，下降到 0.171、0.167、0.192 mg·kg−1，分别下降了42.4%、43.4%和35.2%，差异达到显著水平。

2.3 铁基生物碳处理增加铁膜对Cd的固定

水稻根表铁膜对Cd在土壤-水稻系统的迁移具有重要意义（Zhang et al.，1999；Liu et al.，2004；Chang et al.，2013；曾晓舵，2017）。

铁膜的主要成分为铁（氢）氧化物，可对Cd进行吸附固定，从而抑制Cd进入水稻内部。由我们前期的研究（曾晓舵，2017）可知，施加铁基生物碳材料之后，水稻根表铁膜含量增加，其表面固定的Cd含量亦增加，相应地，进入水稻内部尤其是水稻糙米中的Cd发生了明显的降低效果。在大田实验中，我们亦测定了水稻根表铁膜 Fe和 Cd的含量（如图3、4所示），发现土壤经零价铁、含铁量不同的铁基生物炭钝化处理后，均可以提高水稻根表铁膜Fe的含量，其中施加75 kg·hm−2的零价铁、施加 1500 kg·hm−2的ω(Fe)=3%的铁基生物炭和施加 1500 kg·hm−2的ω(Fe)=5%的铁基生物炭后 2014年早造水稻根表铁膜铁含量显著高于对照，与对照相比分别增加29.6%、36.4%和29.7%；而晚造所有处理的水稻根表铁膜铁含量均显著高于对照。

图3 2014年早造水稻各个处理水稻根表铁膜铁含量Fig.3 Fe contents in Fe plaque of early rice root in 2014

图4 2014年晚造水稻各个处理水稻根表铁膜铁含量Fig.4 Fe contents in Fe plaque of late rice root in 2014

如图5和图6所示，铁基材料处理后，水稻根系根表铁膜固定的Cd的量均有不同程度的增加。其中2014年晚造水稻，施加75 kg·hm−2的零价铁、施加1500 kg·hm−2的ω(Fe)=1%的铁基生物炭、施加1500 kg·hm−2的ω(Fe)=3%的铁基生物炭和施加1500 kg·hm−2的ω(Fe)=5%的铁基生物炭处理后，水稻根表铁膜 Cd均显著高于对照，分别比对照增加了77.4%、71.4%、50.1%、和75.4%。

图5 2014年早造水稻各个处理水稻根表铁膜Cd含量Fig.5 Cd contents in Fe plaque of early rice root in 2014

图6 2014年晚造水稻各个处理水稻根表铁膜Cd含量Fig.6 Cd contents in Fe plaque of late rice root in 2014

如图7和图8所示，水稻根系根表铁膜的形成有利于Cd的固定，抑制其向籽粒转运。根表铁膜铁含量与其固定的Cd含量均呈显著正相关关系；而根表铁膜Fe含量与水稻籽粒Cd含量呈显著负相关关系，且 2014年早造时达到显著水平。这一结果说明，零价铁和含铁生物炭材料的施加有利于水稻根表铁膜的形成，从而导致更多的Cd被根表铁膜固定从而抑制其向地上部以及籽粒转运。