紫云英翻压条件下生物炭施用量对水稻Cd迁移积累的影响

汤 建，倪国荣，王婉菁，赵尊康，谢凯柳，尹 鑫，黄 娇，喻成龙，周春火

（江西农业大学 国土资源与环境学院/江西省农业废弃物资源化利用与面源污染防控产教融合重点创新中心，江西南昌 330045）

【研究意义】水稻是我国主要粮食作物之一，近年来随着城市工业化的快速发展，土壤重金属污染问题日益加重，导致优质耕地面积大幅缩减[1-2]。在稻田土壤中有效态镉超标时，不仅会降低水稻产量，还会污染稻米，直接危害到人类的身体健康[3-5]。因此，稻田土壤镉污染的治理是保证水稻安全生产的关键，也是农业绿色发展过程中亟待解决的关键难题之一。【前人研究进展】生物炭是农业、林业废弃物在限氧条件下热裂解、炭化而成的一种固体材料，是具有丰富稳定态的有机碳，可明显提高土壤肥力，同时增加农作物产量[6]。不仅如此，生物炭还具有大量的活性含氧官能团、高pH、丰富的孔隙度及较大的比表面积等特性，使其在施入重金属污染土壤中时能起到较好的修复作用，因此近年来生物炭受到国内外环境领域科技工作者的极大关注[7-9]。Zheng 等[10]发现豆秸生物炭和稻草生物炭的施用均可显著降低水稻中的镉浓度。陈乐等[11]研究发现，在不同酸化水平土壤中施加谷壳生物炭，土壤中有效态Cu 含量均随生物炭施用量的增加而减少。李荭荭等[12]研究也发现随着水稻秸秆生物炭施用量的增加，土壤中Cd、Pb 的有效态含量显著降低，且水稻糙米中重金属含量也随之降低。而张丽等[13]采用根际箱培养的方式研究不同生物炭施用量对水稻Cd 含量的影响，结果表明50 g/kg 的生物炭施用量处理较25 g/kg 和100 g/kg 的生物炭施用量处理更能降低水稻糙米和稻壳中的Cd 含量。因此，生物炭施用一定程度上可降低土壤重金属风险，且不同生物炭量的施用对水稻生长发育和籽粒重金属含量的影响不同，但目前不同生物炭量的施用对其影响规律的研究报道较少。【本研究切入点】紫云英是我国主要的绿肥作物之一，也是江西水稻生产主要的有机肥源[14]。谢杰等[15]研究表明，紫云英长期还田条件下会提高稻田土壤中具有生物活性Cd 形态的比例。喻成龙等[16]也发现在Cu 污染土壤中，化肥和紫云英配施处理下水稻糙米存在一定的重金属污染风险。该研究还发现将生物炭与紫云英联合施用可在减少化肥施用的同时，降低稻田重金属污染风险，提高作物产量，但目前关于紫云英还田条件下不同生物炭施用量对重金属污染稻田产量及水稻重金属含量影响的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】因此，本文通过盆栽种植水稻，在翻压紫云英的条件下，研究不同生物炭施用量对水稻产量、Cd 含量及Cd 在水稻中的迁移转运的影响。旨在为南方重金属污染稻田安全高效生产提供一定的基础数据和理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试早稻品种为荣优华占，紫云英品种为余江大叶（鲜质量0.08 kg/盆）；供试土壤采自江西农业大学化工厂周边Cd 污染水稻田。土壤基本化学性质pH 5.46，有机质15.09 g/kg，碱解氮66.74 mg/kg，有效磷22.59 mg/kg，速效钾197.80 mg/kg，Cd 2.41 mg/kg。供试的化学肥料分别为尿素、钙镁磷肥和氯化钾。试验中所用生物炭购自南京勤丰秸秆科技有限公司（以水稻稻壳为原料采用450 ℃无氧充氮裂解法制成，生物炭中Cd含量未检出）。

1.2 试验设计

盆栽试验于2019 年在江西农业大学生态科技园进行。设4 个处理：紫云英+化肥（CK，对照）、紫云英+化肥+2.5 g/kg生物炭（C25）、紫云英+化肥+5 g/kg生物炭（C50）、紫云英+化肥+10 g/kg生物炭（C100）。各处理肥料用量相等，所有肥料以基肥、分蘖肥和穗肥按照4∶3∶3 的比例施入。在直径30 cm、高40 cm的橡胶桶内装入10 kg 风干土，人工移栽秧苗，每桶2 株，每个处理3 个重复。水稻生育期保持约3 cm 的淹水状态。

1.3 样品采集及测定方法

水稻成熟期采集植株样品，将植株根、秸秆、籽粒分开，105 ℃杀青1 h、80 ℃烘干、称量并粉碎过100目筛备用。土壤pH 使用pH 计（雷磁pHS-3C）进行测定。土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾分别采用重铬酸钾容量法-外加热法、碱解扩散法、Olsen 法和火焰光度法进行测定[17]。土壤采用三酸消解法进行消解备用[16]，植株采用硝酸-微波消解法进行消解备用[18]。土壤和植株中的重金属含量分别使用原子吸收分光光度计（上海光谱仪器有限公司SP-3530和SP-3500GA）进行测定。

转运系数（TF）计算：TFa/b=Cb/Ca。TF表示Cd从a到b的转运系数，Ca、Cb代表水稻各器官中Cd含量。

1.4 统计分析

采用Excel 2010 进行数据处理和相关分析，采用SPSS 25.0 进行显著性分析（P＜0.05），利用Origin 2020软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 生物炭施用量对水稻各部位干物质量的影响

由图1 可知，在30%紫云英翻压条件下，施加不同量生物炭对水稻不同器官干物质量影响不同。添加生物炭后，水稻各部位生物量由大到小依次为C50、C25 和C100。C50 处理的水稻各器官干物质量都明显高于其他处理，C25 与C100 处理水稻各器官生物量均无显著差异。对于水稻根来说，C50 处理最高，且显著（P＜0.05）高于C25 和C100 处理，分别提高了30.9%和44.4%；对于水稻秸秆来说，C50处理显著（P＜0.05）高于CK 和C100 两个处理，分别提高了14.3%和14.1%；对于水稻籽粒来说，规律基本与秸秆干物质量一致，C50处理最高，且显著（P＜0.05）高于CK和C100，分别提高了52.5%和26.3%。表明在30%紫云英翻压条件下，施加生物炭能提高水稻产量，且在5 g/kg施用量时产量最高。

图1 紫云英翻压条件下生物炭对水稻干物质量的影响Fig.1 Effect of biochar on dry matter quality of different parts in rice under incorporation of Astragalus sinicus

2.2 生物炭施用量对水稻各部位Cd含量的影响

由图2 可知，对于水稻根部而言，翻压紫云英条件下配施生物炭能提高水稻根部重金属Cd的含量，在2.5 g/kg 生物炭配施时根部Cd 含量最高，C25、C50 和C100 处理较对照CK 处理分别提高了8.4%、2.8%和2.8%。不同生物炭用量影响了水稻秸秆Cd 含量，在2.5 g/kg 和10 g/kg 的生物炭施用量处理时，水稻秸秆的Cd 含量没有明显变化，而在5 g/kg 的生物炭施用量处理时，秸秆Cd 含量有明显的降低，较之对照组降低了7.8%。对于水稻籽粒，在施用生物炭后，所有处理的籽粒中Cd 含量均有较为明显的下降，C25、C50 和C100 处理较对照分别降低了13.2%、14.1%和11.0%，说明生物炭能有效降低水稻籽粒中重金属Cd 的含量。

图2 紫云英翻压条件下生物炭对水稻各器官Cd含量的影响Fig.2 Effect of biochar on Cd content in different parts of rice under incorporation of Astragalus sinicus

2.3 生物炭施用量对水稻重金属转运系数（TF）的影响

从表1 可以看出，紫云英翻压条件下生物炭施用量影响了水稻重金属Cd 从根部向地上部位转运量。在添加生物炭后，Cd 由根到地上部位的转运系数TF地上部位/根均有降低，且不同生物炭施用量的降低效果有所不同，C25、C50 和C100 处理较对照分别降低了10.6%、11.6%和5.0%，说明翻压紫云英条件下添加生物炭能抑制Cd 从水稻根部向地上部位的迁移。对于秸秆到根的转运系数TF秸秆/根，添加生物炭后的处理较对照组降低，其中在5 g/kg 的生物炭施用量处理时TF秸秆/根最低，较对照降低了10.4%，C25和C100 处理较对照组分别降低了6.4%和1.5%。从重金属Cd 由秸秆到籽粒的转运系数TF籽粒/秸秆来看，紫云英翻压条件下添加生物炭能减少Cd 从秸秆到籽粒的转运，C25、C50 和C100 处理较对照分别降低了7.3%、6.1%和12.1%。

表1 紫云英翻压条件下生物炭对水稻中Cd转运系数（TF）的影响Tab.1 Effect of biochar on Cd transport factiors in rice under incorporation of Astragalus sinicus

2.4 生物炭的物理化学特性

图3 为生物炭的场发射扫描电镜图，其中a、b 为生物炭放大500、2 000 倍的SEM 图的电镜表征图。由图3（a，b）可知，生物炭表面具有多个不规则球状凸起，并呈紧密排列状，其内有部分孔隙结构，球状凸起表面有少量残屑附着，且凸起表面较为光滑。

图3 生物炭的FESEM图Fig.3 FESEM diagram of biochar

由图4可知，图中生物炭的特征峰位于3 448 cm-1、1 642 cm-1及1 089 cm-1。在3 448 cm-1峰值附近有伸缩振动的羟基（-OH）官能团，但峰强较弱；在1 642 cm-1峰附近存在羧基（-COOH）的伸缩振动吸收峰；在1 089 cm-1峰归属于芳香环中的羰基和酚羟基的振动而产生的吸收峰[19]。这表明生物炭自身含有较多的含氧官能团，可与重金属离子形成配位结构，从而达到钝化土壤重金属的作用。表2 为部分重金属污染土壤改良剂中的主要官能团，其中溶解性有机质（DOM）中主要官能团有羟基、羧基和酚羟基等[20]；凹凸棒中与重金属离子络合的官能团主要有羟基、羧基和C-C 键官能团[21]；而羟基磷灰石中主要有羟基、羧基等官能团[22]。本研究中生物炭的主要官能团与这些改良剂类似，表明生物炭可通过表面大量的官能团与土壤中的重金属离子发生反应，起到钝化土壤重金属的效果。

图4 生物炭的FT-IR图Fig.4 FT-IR spectrum of biochar

表2 重金属污染土壤修复改良剂的主要官能团Tab.2 Main functional groups of soil remediation improvers contaminated by heavy metals

3 讨论与结论

据报道[23-25]土壤中添加生物炭能提高土壤肥力，为作物提供良好的生长环境，有效促进作物生长，增加作物产量。本文研究表明，翻压紫云英条件下施用不同量生物炭对水稻生物量的影响不同，随着生物炭添加量的增加，水稻生物量呈现先升高后降低的趋势，这与阿力木等[26]研究结果类似。可能是生物炭含碳量过高而其他养分含量过低，施入土壤后水稻可吸收利用的养分有限，且土壤C/N 比提高而降低了土壤中氮素的有效性[27]；也可能是生物炭对土壤中氮元素有缓释作用，导致水稻在生育后期仍持续吸收氮素，使水稻贪青且影响籽粒灌浆[28]。Khan 等[29]研究发现，在部分土壤上单独施用生物炭甚至会导致作物减产。

本研究发现，在盆栽试验中翻压紫云英条件下添加生物炭会增加水稻根部Cd 含量，这与刘冲[30]在油麦菜生长过程中施加0.8%的钙镁磷肥和桉树炭发现其根部重金属Cd 含量升高的研究结果一致。生物炭在施入土壤后，能改善土壤理化性质如pH、CEC 等，同时生物炭本身具有的多孔径结构和巨大的比表面积，使其具有强大的吸附能力，且生物炭中丰富的官能团也能与重金属离子发生络合反应和共沉淀反应，降低土壤中镉的生物有效性，影响水稻对Cd 的吸收，进而降低糙米中Cd 的含量[31-34]。本文在翻压紫云英条件下添加不同量生物炭后，也发现水稻籽粒中重金属Cd 含量均有明显减少，但并非生物炭的添加量越多修复效果越佳。张丽等[13]发现水稻糙米中的Cd 含量随生物炭用量的增加呈先降低后升高的趋势，本研究结果与其一致，汪玉瑛等[35]也发现在1%、2%、5%的羊栖菜炭添加量处理下，2%的炭添加量处理对土壤交换态Cd 含量的降低效果最好。其原因可能是生物炭对土壤重金属污染的修复作用除了与生物炭本身的多种性质有关，还会受到生物炭的原材料、土壤性质及作物生长环境等多种因素影响，其内在的修复机制仍需进一步研究。

翻压紫云英条件下添加生物炭后发现水稻中Cd 从根部向地上部位及秸秆的转运系数和秸秆向籽粒的转运系数均有降低，说明生物炭的施用能抑制Cd 在水稻中的转运，这可能是由于生物炭添加后降低了土壤中酸溶态Cd含量及土壤地上部位Cd的积累量[36]，导致Cd在水稻中从下到上的转运能力降低，最终减少了籽粒中重金属Cd的含量。本研究是在盆栽试验条件下进行的，研究结果对田间水稻安全生产具有一定的指导与借鉴意义。

通过一系列表征对生物炭的物理化学特性进行了分析，研究发现生物炭具有明显的多孔结构，生物炭表面较为粗糙，这可为生物炭基肥提供更多的官能团和更大的比表面积。而傅里叶红外光谱分析表明生物炭具有大量的含氧官能团。Jiang等[37]通过对生物炭的傅里叶红外分析发现，生物炭中的羟基、羧酸根等官能团可与土壤中的Cd 发生络合反应，提升其对重金属污染土壤中Cd 的吸附能力。Uchimiya等[38]通过自制生物炭研究其对土壤中重金属的固定效果，研究表明生物炭主要通过表面官能团与Cu 进行反应，从而达到钝化土壤重金属的效果。表面多孔径的结构、大量含氧官能团等特性，均可能是生物炭对重金属污染土壤修复的潜在原因。

翻压紫云英条件下，不同量生物炭配施均能提高水稻籽粒产量，5 g/kg 生物炭施用量时籽粒产量最高，较对照提高了52.5%。翻压紫云英条件下施加生物炭能有效降低水稻籽粒中重金属Cd 含量，5 g/kg生物炭配施处理时效果最好，较对照降低了14.1%；且添加生物炭后，水稻各器官中Cd 的转运系数均有降低。与紫云英配施化肥处理相比，“紫云英+化肥+生物炭”的施肥方案既可提高水稻产量，也更能降低水稻籽粒中Cd的含量，对Cd污染土壤水稻安全生产具有参考意义。