3种生物炭对镉污染黄壤上小白菜生物量及品质的影响

2021-04-20杨凯德辛宜静吴梅吴迪罗洋

安徽农学通报 2021年6期

杨凯德辛宜静吴梅吴迪罗洋

摘要：以镉污染黄壤为供试土壤，小白菜为供试作物，采用盆栽试验，通过测定小白菜地上部鲜重与镉含量、土壤有效态镉含量以及小白菜可溶性糖、可溶性蛋白和维生素C含量等，研究木炭、辣椒秸秆炭和菌棒炭添加后镉污染黄壤上小白菜的生物量及品质变化情况。结果表明：与对照相比，施用3种生物炭能明显促进小白菜的生长，木炭、辣椒秸秆炭和菌棒炭处理小白菜的地上部鲜重分别是对照（不添加生物炭）的1.19、1.31、1.34倍;生物炭的添加使得小白菜地上部镉含量较对照分别降低了13.37%（木炭）、39.47%（辣椒秸秆炭）和62.33%（菌棒炭）;3种生物炭处理的土壤有效态Cd含量分别下降了11.05%、22.91%和31.86%;与对照相比，施加辣椒秸秆炭和菌棒炭后，小白菜可溶性糖和维生素C含量分别增加了2.65%～4.22%和6.90%～7.96%;此外，施加菌棒炭处理的小白菜可溶性蛋白含量较对照上升了0.31%。由此可见，添加生物炭能促进小白菜生长，抑制其地上部对镉的吸收;在用量为5%的情况下，施用菌棒生物炭还能一定程度提高小白菜的品質。

关键词：生物炭;小白菜;镉污染;黄壤

中图分类号 X53文献标识码 A文章编号 1007-7731（2021）06-0145-04

Effects of Three Kinds of Biochar on the Biomass and Quality of Chinese Cabbage in Cadmium Polluted Yellow Soil

YANG Kaide et al.

（School of Geography and Resources， Guizhou Education University， Guiyang 550018， China）

Abstract： This study selected for yellow soil cadmium pollution of soil， Chinese cabbage as the selected crops， the pot experiment， the aboveground fresh weight of Chinese cabbage and cadmium content， cadmium content of soil effective state， Chinese cabbage， soluble sugar， soluble protein and the determination of vitamin C and other data， study of charcoal， chili straw and bacteria stick carbon add yellow soil cadmium pollution on the biomass and quality of Chinese cabbage after changes.The results showed that compared with the control group， the application of three kinds of biochar could significantly promote the growth of Chinese cabbage. The aboveground fresh weight of Chinese cabbage in the treatment groups of charcoal， pepper straw charcoal and bacillus stick charcoal was 1.19， 1.31 and 1.34 times of that in the control group （without biochar）， respectively. The addition of biochar also reduced the cadmium content in aboveground of Chinese cabbage by 13.37% （charcoal）， 39.47%（charcoal from pepper straw） and 62.33%（charcoal from fungus stick）， respectively. At the same time， soil available Cd content in the three biochar treatment groups decreased by 11.05%， 22.91% and 31.86%， respectively. Compared with the control， the contents of soluble sugar and vitamin C in Chinese cabbage were increased by 2.65%～4.22% and 6.90%～7.96% after applying pepper straw charcoal and fungus stick charcoal， respectively. In addition， the soluble protein content of Chinese cabbage in the treatment group increased by 0.31% compared with the control group. In conclusion， the addition of biochar can promote the growth of Chinese cabbage and inhibit the absorption of cadmium in the aboveground. When the dosage was 5%， the quality of Chinese cabbage could be improved to a certain extent.

Key words： Biochar; Chinese cabbage; Cadmium pollution;Yellow soil

近年來，由于矿业开采、汽车尾气排放、农药化肥滥用以及污水灌溉等，使得大量有害重金属不断进入到农业生产环境中，对农作物造成了不同程度的污染，其中镉污染最为突出[1]。目前我国超过11个省和25个地区都存在土壤中Cd的富集[2]。根据调查得知，西南地区是重金属镉污染潜在风险最大的地区[3]。镉是生物毒性最强的重金属之一，是人体非必需元素。栽种在镉污染土壤上的农作物对镉有富集作用，并经过食物链传递的方式进入人体，在人体组织器官中累积，引起肾脏损害、骨质疏松、脱钙、骨质软化、脊柱畸形等症状[4]。因此，阻控镉元素在土壤—植物体系中的迁移，对于农产品的安全生产和人体健康具有重要意义。

生物炭是生物质（农作物废物、木材、植物组织、动物骨骼等）在缺氧的条件下，高温裂解炭化而形成的一种碳含量极高的炭[5]。生物炭的制备过程中会生成大量的碱性基团，使生物炭呈碱性，因此在土壤中施加生物炭会提高土壤的pH值，促使游离态的重金属离子向残渣态转化，从而降低重金属在土壤中的溶解性、移动性以及生物有效性，促进土壤中重金属的吸附固定[6-7]。生物炭含有丰富的孔道结构以及较大的比表面积，能够有效吸附土壤重金属[8-9]。此外，生物炭表面的有机含氧基团数量丰富，其中羰基和羧基等能够和重金属离子发生络合反应，从而钝化重金属[10]。近年来，学者们围绕生物炭在土壤重金属修复方面的作用开展了大量研究，并取得了丰硕成果。王哲等[11]采用室内土培试验，发现在5%添加水平下，生物炭分别使有效态Cu、Zn、Pb、Mn下降了49.2%、46.2%、72.5%、26.3%。周金波等[12]采用大田试验，发现施用生物炭能抑制土壤镉活性，使青菜地上部分Cd含量与对照相比降幅达10.8%～21.5%，根部降幅达9.1%～18.8%。然而，在实际应用中，生物炭对土壤镉的钝化效果往往受土壤特征、生物炭类型和污染状况的影响[13]。黄壤是贵州分布最广、面积占比最大的土壤类型，占贵州省土壤类型的41.21%[14]，其健康状况对农业生产意义重大。因此，笔者以具有贵州区域特色的农业废弃物辣椒秸秆、菌棒等生物质原料制炭，以镉污染黄壤为研究对象，开展盆栽试验，探讨不同类型生物炭对土壤中镉的钝化效应，以期为黄壤镉污染修复提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料供试作物为383牌小白菜（Brassica chinensis），网上购买。木炭为市售机制木炭，由锯末经成型机挤压成木棒后放入炭化炉中高温碳化而成。辣椒秸秆、菌棒生物炭为收集农业废弃辣椒秸秆、菌棒风干后粉碎于马弗炉中400℃下碳化2h制成。供试土壤采自贵阳市乌当区高雁垃圾填埋场附近某废弃农田，土壤类型为黄壤。取0～15cm表层土，将土样混合均匀后按四分法取其1/2土壤样品，带回实验室内自然风干，挑出土壤中的石块和植物根系等杂物，用研钵研磨过2mm筛备用。

1.2 试验设计试验在贵州师范学院盆栽基地进行。取研磨过筛的生物炭与土壤按5%质量比混匀，每盆装土2.5kg，以不施生物炭（CK）为对照，共设4个处理，每个处理3次重复。在室温下平衡7d后，每盆播种小白菜种子20粒，小白菜生长期内每天观察并浇水，保持土壤含水量为最大田间持水量的60%左右，小白菜长至2片真叶时间苗，每盆保留幼苗5株。生长50d后，收获植株，先用自来水洗净，再用去离子水冲洗，擦干，称鲜重，并称取部分鲜样立即测定其可溶性蛋白含量和维生素C含量。剩余部分105℃下杀青20min，85℃下烘干至恒重后粉碎备用。土壤样品自然风干后磨碎，分别过2mm和0.15mm尼龙筛，装袋备用。

1.3 测定项目与方法可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G-250比色法测定，维生素C含量采用2-4二硝基苯肼比色法测定，可溶性糖采用蒽酮比色法测定，上述指标具体测定步骤参考文献[15-16]中的方法。小白菜地上部Cd含量采用HNO3-HClO4体系消解;土壤全Cd含量采用HCl∶HNO3（优级纯，V∶V=4∶1）的混合酸液消煮，利用novAA350原子吸收光谱仪（德国耶拿）测定;土壤有效态Cd采用0.1mol/L HCl浸提，利用novAA350原子吸收光谱仪（德国耶拿）测定 [17]。测试过程中设置空白和重复样进行分析质量控制，误差控制在5%以内。所用试剂均为优级纯。

1.4 数据处理试验数据采用Microsoft Excel 2010进行整理，用SPSS22.0进行单因素方差分析，用LSD法进行多重比较，显著性水平设置为P<0.05。

2 结果与分析

2.1 3种生物炭对小白菜鲜重的影响由图1可知，施用生物炭后，镉污染黄壤上的小白菜地上部鲜重与对照相比呈增加趋势（P<0.05）。其中木炭、辣椒秸秆生物炭和菌棒生物炭处理小白菜鲜重的增幅分别为19.50%、31.07%、34.02%，说明施加生物炭可促进小白菜的生长，促进作用大小为菌棒炭>辣椒秸秆炭>木炭，但3种生物炭间差异并不显著。

2.2 3种生物炭对小白菜地上部Cd含量的影响由图2可知，施加不同类型生物炭的Cd污染土壤上生长的小白菜地上部Cd含量较不加生物炭处理有所降低。其中木炭、辣椒秸秆炭和菌棒炭处理的降幅分别为13.37%、39.47%、62.33%。方差分析结果显示，菌棒炭处理小白菜地上部Cd含量显著低于另外3个处理，辣椒秸秆炭处理组显著低于对照和木炭处理（P<0.05），木炭处理与对照差异未达到显著水平。

2.3 3种生物炭对土壤有效态Cd含量的影响土壤有效态Cd是指土壤中能被植物吸收的那部分镉，其大小反映了土壤中镉迁移转化能力的强弱[18]。由图3可知，施加生物炭后，土壤有效态Cd含量出现不同程度的降低。其中木炭、辣椒秸秆炭、菌棒炭处理的土壤有效态Cd含量较对照分别下降了11.05%、22.91%、31.86%。除木炭以外，其他2种生物炭处理与对照差异均达到了显著水平（P<0.05），其中菌棒炭处理土壤有效态Cd含量还显著高于木炭处理。

2.4 3种生物炭对小白菜品质指标的影响由表1可知，与对照相比，添加木炭使小白菜维生素C含量下降了3.16%，而添加辣椒秸秆炭和菌棒炭使小白菜维生素C含量分别上升了6.90%和7.96%，各处理间差异不显著（P>0.05）。施加木炭、辣椒秸秆炭后小白菜可溶性蛋白含量与对照相比分别下降了11.64%、6.46%，但菌棒炭处理较对照上升了0.31%。除木炭处理与对照的小白菜可溶性蛋白含量达到显著水平（P<0.05）外，另外2种生物炭对小白菜可溶性蛋白含量的影响并不显著（P>0.05）。木炭处理小白菜可溶性糖含量较对照下降了0.13个百分点，而辣椒秸秆炭和菌棒炭处理的小白菜可溶性糖含量较对照分别上升了4.22个百分点和2.65个百分点。除辣椒秸秆炭处理小白菜可溶性糖含量与对照相比呈显著增加趋势以外（P<0.05），另外2种生物炭对该指标的影响并不显著。

3 结论与讨论

3.1 结论试验结果表明：施用生物炭能显著促进小白菜生长，其中木炭、辣椒秸秆炭和菌棒炭处理小白菜的鲜重分别较对照提高了19.50%、31.07%、34.02%;生物炭的施用降低了小白菜地上部镉含量，降幅大小依次为菌棒炭>辣椒秸秆炭>木炭;生物炭的施用降低了土壤有效态镉含量，木炭、辣椒秸秆炭和菌棒炭处理的土壤有效态Cd含量较对照分别下降了11.05%、22.91%、31.86%;不同类型的生物炭对镉污染黄壤上小白菜的品质产生不同的影响，以菌棒炭对品质指标的提升效果最优。

3.2 讨论小白菜以地上部作为可食用部分，因此本研究中其生物量和品质指标均以地上部作为研究对象。鲜重是小白菜生物量的重要指标，能反映其生长状况。谢伟芳[19]等研究发现在Cd污染的黄壤中添加生物炭可以缓解Cd毒害症状，并提高白菜生物量，促进其生长发育。本试验结果也显示添加木炭、辣椒秸秆炭、菌棒炭的处理小白菜鲜重分别是对照的1.19、1.31、1.34倍。一方面是因为生物炭的施用提高了土壤有机质含量及pH值，提升了矿质元素含量，增加了土壤的保肥能力，减少了矿质养分离子的淋溶损失，提高了植物对养分的利用率，进而促进了植物对养分的吸收[20-21]。另一方面是因为生物炭能與土壤中的微生物、无机和有机组分之间相互作用，加快生物炭对重金属镉的钝化，削弱土壤镉的生物有效性，降低了镉对作物的危害[22]，这一点从本研究中得到证实，木炭、辣椒秸秆炭、菌棒炭处理土壤有效态Cd含量较对照分别降低了11.05%、22.91%、31.86%。

木炭、辣椒秸秆炭和菌棒炭3种不同类型的生物炭均降低了小白菜地上部Cd含量，这可能是由于生物炭通过离子交换、络合沉淀反应、物理吸附等一系列吸附机制，从而降低重金属镉的生物有效性，减弱其迁移转化作用，有效阻控了土壤镉向植物体系迁移，降低了镉在植物体内的富集[23]。在本研究中，木炭处理与对照无显著差异，而辣椒秸秆炭和菌棒炭均与对照存在显著差异。这可能是由于不同原料生物炭表面的官能团含量存在较明显差异，对镉的吸附钝化效果明显不同，导致不同原料生物炭对土壤镉向植物迁移的抑制作用存在差异[24]。

小白菜营养品质不仅是小白菜产业的制约因素，而且还是为人体提供营养元素的重要来源[25]。一般而言，小白菜营养品质主要有可溶性糖、维生素C和蛋白质等。可溶性糖不仅为植物提供养分和能量，还是一种在植物抵御逆境胁迫中起重要作用的渗透调节物质[26]。维生素C参与植株体内氧化还原反应，具有多种生理功能，如抗氧化、促进铁的吸收等[26]。可溶性蛋白是植物抗旱性的重要指标之一，其增加和积累能提高细胞的保水能力，对细胞的生命物质及生物膜起到保护作用。林昌化等[27]研究发现生物炭通过提高SOD和POD的活性，从而提高清除自由基的能力，使小白菜维生素C和可溶性蛋白含量得到提高。本研究中，菌棒炭的添加使小白菜体内的可溶性糖、维生素C和可溶性蛋白含量均得到了一定提高，表明其品质得到了一定改善。而木炭和辣椒秸秆炭对小白菜品质指标影响并不明显，可能与本研究采用的小白菜品种、生物炭类型、土壤类型以及生物炭施用量等因素有关，具体机制有待进一步研究。

本研究通过盆栽实验，向镉污染黄壤中添加3种不同类型的生物炭，探索其对黄壤上小白菜生长及镉吸收的影响。从试验结果来看有一定效果，但仍需从不同生物炭之间的配比、生物炭施用对微生物的影响、土壤镉形态、不同土壤类型等方面开展进一步的探索，并开展大田试验，以多方位评价生物炭施用效果，明确有关作用机理。

参考文献

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