富硅生物炭对红壤性稻田土壤镉形态及水稻镉吸收与转移的影响

2022-10-08胡祖武吴多基夏李佳姚冬辉魏宗强吴建富

江西农业大学学报 2022年4期

胡祖武，吴多基，夏李佳，姚冬辉，魏宗强，吴建富

（江西农业大学国土资源与环境学院，江西南昌 330045）

【研究意义】随着经济的发展和工业化进程的加快，土壤重金属污染问题日益严重。土壤重金属污染具有持续时间长、隐蔽性强且无法被生物降解等特点，极易在作物体内富集，进而通过食物链威胁人类的健康[1]。水稻是我国主要的粮食作物之一，每年受重金属污染粮食达1.2×107t[2]，粮食安全面临严重威胁。因此，开展土壤重金属污染修复技术研究，筛选新型修复材料，降低水稻籽粒中重金属含量，提升稻米品质具有重要研究意义。【前人研究进展】近年来，Cd 污染修复技术备受关注，生物炭作为其中的一个研究领域，在新型环境功能材料、土壤改良、温室气体减排以及受污染环境修复等方面得到了广泛的应用[3]。杨晓庆[4]投加松木、秸秆和牛粪生物炭后发现松木生物炭降低Cd 污染土壤中的交换态Cd 效果最显著。崔立强等[5]发现添加生物炭修复后，污染土壤中铅的酸提取态、可还原态和可氧化态的比例显著降低，且部分转化为残渣态。Ehsan 等[6]研究表明，生物炭添加改良土壤物理性质的同时，也能有效固定土壤Cd 和Ni。与此同时，采用外源硅来降低镉生物有效性的研究也在逐步展开，郭磊[7]研究发现，镉与硅酸在土壤溶液中可形成可溶性配合物，且在铁氧化物表面形成铁氧化物-硅-镉复合物，Belton 研究发现：土壤溶液中部分水溶态硅可通过聚合作用形成结构复杂的聚硅酸凝胶[8]，其可与重金属离子（M）结合形成植物无法吸收的M-Si 复合物，达到降低镉生物有效性的目的[9-10]。【本研究切入点】前人关于土壤重金属污染修复的研究侧重于生物炭本身的作用，而关于生物炭中硅的报道较少；且利用硅对土壤重金属修复方面，主要是选择各种外源硅肥，而对于生物炭中本身的无机硅报道极少。【拟解决的关键问题】本研究以南方镉污染红壤性水稻土为研究对象，以富硅植物为材料制备富硅生物炭[11]，通过盆栽试验探究添加富硅生物炭对土壤镉形态及水稻产量与生物量的变化、镉的吸收转运的影响，旨在为富硅生物炭修复镉污染农田提供科学依据和技术指导。

1 材料与方法

1.1 供试材料

1.1.1 供试土壤的制备供试土壤来源于江西农业大学科技园试验田，采集红壤性稻田耕层土壤（0～20 cm），自然风干后挑出植物的根系、石块等非土壤部分，研磨后过2 mm 筛备用，其基本理化性质为：pH 6.4、有机质7.97 g/kg、全镉0.08 mg/kg、有效硅83.58 mg/kg（乙酸-乙酸钠方法）、粘粒140 g/kg、粉粒371 g/kg、砂粒489 g/kg、全氮0.59 g/kg、全磷0.34 g/kg，Olsen-P10.46 mg/kg。

Cd污染土壤的制备：以CdCl2水溶液的形式向上述所得土壤加入外源Cd，添加浓度为10 mg/kg，搅拌均匀，淹水老化2周，自然风干，研磨过筛备用。

1.1.2 供试生物炭的制备以木屑（BW）低浓度硅含量生物炭的制备原料，按以下方法制备生物炭：首先将原料在空气干燥7 d，然后放在60 ℃下烘箱中干燥过夜，再将这些材料研磨过100 目筛，并装入在100 mL 陶瓷坩埚中，随后将其置于马弗炉中6 ℃/min 的加热速率编程，在稳定的温度（即300 ℃）下保持5 h后自然冷却至室温，即得到低硅含量的生物炭，用BW3表示。

以稻壳（BH）和竹叶（BB）为原材料，在前期的预备实验基础上，改进前人[12]研究方法，选用KOH对其进行改性，具体步骤如下：采集的原料样品清洗除尘，置于60 ℃烘箱干燥48 h，随后用高速旋转粉样机进行研磨并过1 mm 筛。将处理后的稻壳和竹叶原料样品分别与KOH 以m（KOH）∶m（原料）=5∶100 混合，然后装入坩埚中，同时加入100 mL超纯水（基于100 g原料），并静置90 min以待KOH 充分溶解。随后将坩埚置于马弗炉中，温度设定为150 ℃，保持30 min，随后升温至550 ℃并保持90 min，待温度冷却至室温后取出生物炭即为高硅含量的生物炭，分别用AH 和AB 表示，研磨并通过1 mm 筛，密封干燥保存，以便后续试验，以上所得3种生物炭基本性质见表1。

表1 不同热解温度制备的生物炭化学性质Tab.1 Chemical properties of biochar prepared at different pyrolysis temperatures

1.2 试验设计

采用盆栽试验，将上述制备的镉污染土壤与WB3和AH、AB生物炭混合，所用盆钵为红色塑料桶，盆高21 cm，底部和顶部直径分别18 cm 和23 cm。每个盆中加入2 kg 土壤，用BW3、AH、AB 3 种生物炭分别以土壤占比0.2%和0.4%的比率添加到土壤，混合均匀。包括对照（CK，未施加生物炭），共计7 个处理，各处理用“表示生物炭的符号-添加比例”来表示，每个处理重复3次，供试水稻品种为美香粘2号，氮磷钾肥料用量相等，即每盆施用纯N 0.3 g、P2O50.2 g、K2O 0.3 g，供试化肥为尿素（N 46%）、钙镁磷肥（P2O512%）和氯化钾（K2O 60%），所有肥料均一次性做基肥施入且与土壤充分拌匀，采用塑料盆湿润育秧，待秧苗生长至3 叶期后，将其移植到预先准备好的试验盆中，每盆1 谷粒苗，采用自来水灌溉（电导率：120～150µS/cm，pH：6.5～7.5，未检出镉含量），其他按常规栽培要求进行。

1.3 样品采集及分析方法

生物炭中C 元素采用元素分析仪测定（Elementar Vario MACRO，德国），pH 依据文献［13］测定。生物炭硅含量采用碱熔法[14]，其消解液采用硅钼蓝比色法[15]测定，灰分和产率按参考文献［16］测定。

水稻成熟期，将每株水稻分成籽粒、秸秆（包括叶）和根系，并用去离子水彻底洗净根系，于烘箱105 ℃杀青30 min，然后保持70 ℃烘至恒重。水稻植株中镉含量用硝酸-高氯酸混合酸湿式消解，定容后用ICP-MS（7500ICP-MS美国安捷）测定消化液中镉的含量[17]。

水稻收获后，每处理分别采集土壤样品，自然风干过10 目后供土壤镉形态含量测定。土壤Cd 形态分级采用改进的BCR 提取方法，即将Cd 的化学形态分为可交换态、可还原态、可氧化态、残渣态。各分级的Cd含量均由等离子体原子发射光谱仪ICP-AES（PRIDE100美国安捷）测定[18-19]。

水稻镉的生物富集系数（BCF）按照文献[20]中的方法计算：BCF=C根/C土壤。其中C根和C土壤分别是水稻根和土壤中镉的含量；转移系数（TF）按照文献[21-22]中的方法计算：TF1=C秸秆/C根，TF2=C籽粒/C根，其中C秸秆、C籽粒、C根分别是水稻秸秆、籽粒和根的镉含量。

1.4 数据处理

采用Excel 2016、SPSS 26.0和Origin 2018软件进行数据处理和统计分析，并利用Duncan法进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 富硅生物炭对土壤pH的影响

由图1 可知，与对照相比，添加富硅的生物炭，提高了土壤的pH 值，且随着用量的增加而增加，但各处理间差异不显著（P＞0.05）。表明施用生物炭能促进土壤pH 值上升，其效果可能与富硅生物炭用量及类型有关。

图1 生物炭施加对土壤pH值的影响Fig.1 The effect of biochar on soil pH

2.2 富硅生物炭对土壤镉形态的影响

由图2可知，添加富硅生物炭，土壤中可交换态和还原态镉含量所占比例降低，而可氧化态和残渣态镉含量所占比例增加。可交换态镉含量随生物炭添加量的增加而降低，降幅为12.9%～35.13%，且均显著低于对照处理（P＜0.05），而添加高硅生物炭的处理间差异不显著，却均显著低于添加低硅生物炭的处理，可能是高硅生物炭中含硅量较高与镉反应生成了硅镉的复合物和晶体。

图2 生物炭对土壤中镉形态的影响Fig.2 Effects of biochar on cadmium species in soil

可还原态镉的比例由CK 处理的22.17%降低至16.08%，降幅为13.26%～27.8%，各生物炭处理之间差异不显著。而可氧化态由CK 处理的2.92%升高至7.06%，其中以添加AB 生物炭的处理增加最为明显。残渣态由CK 处理的43.16%升高至56.34%，增幅为9.54%～30.52%，且在低添加量水平下，处理间差异均显著。说明富硅生物炭的添加有利于抑制镉的生物有效性。

2.3 富硅生物炭对水稻组织中镉含量的影响

由图3 可知，与CK 相比，添加富硅生物炭，水稻各组织镉含量均有降低，水稻各组织中的镉含量大小依次为根、秸秆、籽粒。在生物炭两种施加量水平下，籽粒中镉含量均表现为对照（CK）、低硅生物炭（BW3）、高硅生物炭（AH、AB）间差异显著，且添加生物炭的处理均显著低于对照处理（P＜0.05），高硅生物炭处理间差异不显著，却均显著低于低硅生物炭处理（P＜0.05）；籽粒中镉含量随生物炭添加量的增加而降低，其中以高硅生物炭AB 添加量为0.4%的处理最为明显，较CK 处理降低了66.85%，AH 次之。秸秆中镉的含量变化规律与籽粒变化趋势基本一致。根系镉的含量在两种施加量水平下，由大到小均表现为CK、BW3、AH 和AB，且差异显著。说明添加富硅生物炭能抑制水稻吸收的镉向籽粒转运，从而减少籽粒中镉含量，尤其是以高硅生物炭效果最好。

图3 生物炭对水稻各组织（A籽粒、B秸秆、C根部）Cd含量的影响Fig.3 Effects of biochar on cadmium content in differt tissues of rice（A grain，B straw，C root）

2.4 富硅生物炭对水稻产量及镉累积的影响

由图4可知，以CK 相比，添加富硅生物炭能提高水稻产量和生物量，且随着生物炭用量的增加而增加。在生物炭两种施加量水平下，籽粒产量、秸秆生物量、根系生物量均表现为低硅生物炭（BW3）和高硅生物炭（AH、AB）间差异显著。生物炭添加量为0.4%和0.2%水平下，水稻产量AB、AH 处理较CK 分别增加了29.11%、25.32%和24.88%、19.21%，较WB3 处理分别增加26.87%、23.14%和23.93%、18.3%.；秸秆生物量AB、AH 处理较CK 分别增加23.25%、20.58%和18.69%、17.04%，较WB3 处理分别增加20.63%、18.02%和17.07%、15.44%；根系生物量AB、AH 处理较CK 分别增加48.58%、45.66%和43.38%、40.47%.，较WB3 处理分别增加28.24%、25.72%和36.3%、33.53%。无论是添加高量还是低量生物炭的处理，水稻体内镉的积累量差异不显著，却均显著小于CK 处理（P＜0.05），表现为CK＞BW3≈AH≈AB。说明添加富硅生物炭能促进水稻根系生长，减少水稻植株对镉的吸收，添加高硅生物炭还有利于提高水稻产量和生物量。

图4 籽粒的产量（A）、秸秆的生物量（B）、根的生物量（C）、水稻植株总Cd的摄取量（D）Fig.4 Grain yield（A），straw biomass（B），root biomass（C），total cadmium uptake of rice plants（D）

2.5 富硅生物炭对水稻生物富集系数和转移系数的影响

生物富集系数（BCF）是反映植物富集重金属的能力指标，转移系数（TF）通常用来评价植物体内重金属迁移的能力，也用来作为筛选低镉积累水稻品种的指标[22]。由表2可知，富硅生物炭的添加，降低了水稻中的镉富集系数和转移系数，且随着用量增加而降低，可能是生成了硅和磷的化学沉淀。添加富硅生物炭的处理BCF 均显著低于CK 处理，降幅为14.53%～36.37%（P＜0.05），尤其是高硅生物炭AB 降低效果最为明显，说明生物炭中硅能抑制水稻镉的生物积累。水稻根部到秸秆的转移系数TF1 和水稻根部到籽粒的转移系数TF2的范围分别为0.095～0.223和0.045～0.086，其转移系数都远小于1，表明水稻根系吸收积累的镉向地上部输送能力非常弱，吸收积累的镉大部分分布在水稻根部。水稻体内镉的转移系数TF1和转移系数TF2变化规律大致相似。无论是高量还是低量添加富硅生物炭，TF1和TF2均显著小于CK 处理，降幅分别为50.64%～57.39%、48.87%～56.05%和31.39%～47.67%、29.06%～45.34%，而添加高硅生物炭处理间差异不显著，却均显著低于添加低硅生物炭的处理；添加量的变化对TF1 和TF2 影响不大。表明富硅生物炭能抑制水稻根系中吸收的镉向地上部转运，尤其以高硅生物炭效果最佳。

表2 水稻的生物富集系数（BCF）和转移系数（TF）Tab.2 Bioconcentration factor（BCF）and transfer factor（TF）of rice

3 讨论

3.1 富硅生物炭性质对土壤镉生物有效性的影响

众所周知，生物炭对重金属稳定性的影响，除外界因素外，生物炭本身的性质也起到关键作用，如生物炭的pH、含碳量、灰分和生物炭原材料等，在本研究中，从图1可知，生物炭的添加对土壤pH影响并不显著，这说明添加生物炭引起土壤pH 变化对重金属生物有效性产生的影响有限，可能是生物炭的其它性质起到关键作用，如前面所提及的生成了其它化学沉淀。一般来说，在同等条件下，生物炭含碳量越高，对土壤重金属的固定效果越好[23]。就本实验而言，低硅生物炭（BW3）含碳量高于高硅生物炭（AH、AB），但重金属的固定效果反而不如后者，这恰好说明了富硅生物炭本身材料性质和其他无机组分对重金属固定的作用。以往的研究表明，富硅生物炭中高灰分含量含有较多的无机硅，同时，耦合的Si-C 骨架控制生物炭的固碳[24]，并且考虑到生物炭结构中碳的溶出，提出了碳和硅之间的相互保护[25]，这从另外一个角度也证明了Si-C 的相互作用对重金属的影响，从而也从一定程度上很好的解释了本研究中高硅生物炭比低硅生物炭固定重金属的效果更明显的原因，对于其中的具体的机理，有待进一步研究。

3.2 富硅生物炭对土壤镉形态含量的影响

研究表明，施入生物炭，会通过直接的吸附或络合螯合作用或者通过改变土壤的特性间接影响重金属在土壤中的化学形态，进而对重金属在土壤中的迁移性和生物可利用性产生影响[26-27]。生物炭的施用会降低重金属可交换态的含量，从而降低重金属在土壤中的迁移性和生物可利用性。本研究中，可交换态和可氧化态随着富硅生物炭的添加而降低，而可还原态和残渣态的含量增加，其中可交换态的降低幅度为11.66%～32.02%，可见，富硅生物炭的添加明显降低了可交换态镉的含量；可还原态镉是与土壤中Fe和Mn氧化物相关的Cd，受土壤氧化还原条件的影响，因此，还原态镉含量降低可能是富硅生物炭改变土壤Eh有关[7]。至于富硅生物炭降低土壤镉生物有效性的原因，除了生物炭本身的因素外，还有可能是生物炭中硅酸分子结合至土壤表面，由于其含有大量电负性较高的含氧基团（Si-OH）并具有较高的表面吸附容量，镉可能与土壤表面的含硅基团结合并被紧密固定在土壤固相中而不易被重新溶出所造成的[7,28]。

3.3 富硅生物炭对水稻产量、组织中镉含量及镉积累的影响

丁亨虎等[29]试验结果认为施用硅肥能增加单株穗粒数从而达到水稻增产，且施硅量与穗结实率呈正相关；杨丹等[30]在酸性稻田土壤上施用硅肥，能显著增加水稻产量，且成熟期水稻植株含硅量与稻谷产量间存在显著的直线正相关。本研究结果发现，富硅生物炭对镉污染土壤水稻籽粒、秸秆和根部生物量有不同的影响，高硅生物炭比低硅生物炭在低硅土壤中有较高的响应，即高硅生物炭比低硅生物炭对水稻籽粒、秸秆、根部生物量增加更明显，其原因可能是高硅生物炭促进了土壤硅养分的改善，同时促进了水稻对N、P、K 养分的吸收[31]。张爱平等[32]利用生物炭对宁夏引黄灌区水稻产量及氮素利用率的研究发现，生物炭和氮肥配施可以提高宁夏引黄灌区水稻产量，与本研究结果相一致。本研究结果显示，水稻各组织中镉含量由多到少依次为根、秸秆、籽粒，这与前人的研究结果[33-34]相一致，高硅生物炭比低硅生物炭处理的籽粒、秸秆、根部镉含量低，其原因除了生物炭本身的吸附作用外，可能还与生物炭中的无机硅有关。陈喆等[35]研究表明硅肥作为基肥施用较未施硅肥处理显著降低了糙米镉含量，通过盆栽试验得出随着施硅量的增加水稻糙米镉含量呈下降趋势，与本试验结果一致。史新慧等[36]通过水稻水培试验结果证实，施硅能显著抑制Cd 向地上部的运输，同时也降低了质外体内不同形态Cd 的含量。而在本研究中，高硅生物炭与低硅生物炭对水稻镉的累积量之间没有明显差异，主要是高硅生物炭各组织生物量较高，但镉的含量较低，而低硅生物炭恰好相反，组织中生物量相对较低，而镉的含量相对较高，最终造成了彼此之间差异的不显著。

3.4 富硅生物炭对水稻生物富集系数和转移系数的影响

镉通过植物吸收作用运移至植物体各个器官和组织中，当镉累积量超过其耐受限度会对植物生长发育产生毒害作用[37]。研究证明，镉通过水稻根部吸收至植株体内，随后经由木质部系统转移至地上部[7,15,26,38]。水稻籽粒中接近50%的镉是由韧皮部系统从叶片转移而来[39-40]。显然，镉在水稻各部位的富集程度、转移速率是决定水稻镉积累的关键因素。本研究中，高硅生物炭处理比低硅生物炭处理的BCF低，其原因一方面是生物炭降低了土壤镉的生物有效性，减少了水稻吸收，另一方面可能是前面提到的生物炭中的硅在其中起到了至关重要的作用，不仅如此，还有可能生物炭促进了土壤理化性质的改变而最终影响了其吸附重金属的能力[41]。同样，高硅生物炭处理比低硅生物炭处理的转移系数都要低，特别是高硅生物炭AB，根部到籽粒的转移系数较CK 降低了57.59%。有研究[22]表明，生物炭释放的硅可以关闭水稻根部硅转运通道的基因表达，镉、硅传输可能利用相同的传输通道，从而抑制镉的转运，被水稻摄取的硅可能与镉在植物体内形成结合物阻控镉转移到籽粒中；王怡璇等[42]研究发现施入硅肥可使镉由根部转运至茎秆的含量显著下降，其中当施硅量为800 mg/kg 时被截留至根部的镉比较显著，说明施加硅能够抑制镉向地上部分的运输，与本研究结果一致。此外，Ma等[43]认为根部细胞壁中的硅可与半纤维素结合，从而阻碍镉的转运。