松木生物炭联合油菜修复铅污染农田的效应

2023-05-10莫爱丽樊鑫婷蒋圆圆彭堂见

南华大学学报（自然科学版） 2023年1期

倪娟,莫爱丽,樊鑫婷,蒋圆圆,杨飞,3,4,彭堂见,刘俊,,5,6,7*

(1.南华大学基础医学院,湖南衡阳 421001;2.南华大学公共卫生学院,湖南衡阳 421001;3.南华大学典型环境污染与健康危害湖南省重点实验室,湖南衡阳 421001;4.中南大学临床流行病学湖南省重点实验室,湖南长沙 410000;5.南华大学有色金属矿区耕地重金属污染生态阻抗技术研究衡阳市重点实验室,湖南衡阳 421001;6.南华大学生态健康与人类重要疾病防控湖南省高校重点实验室,湖南衡阳 421001;7.南华大学生物毒理与生态修复衡阳市重点实验室,湖南衡阳 421001)

0 引言

农耕土壤Pb污染是一个全球性严峻的生态农业和健康安全问题。由于工业采矿和冶炼中废水、废渣处理未达标或未经处理直接排放以及用污水灌溉农用地等原因导致水体沉积物、土壤和农作物重金属污染严重[1]。重金属铅通过食物链进入人体,危害人类健康[2-3]。湖南省素有“有色金属之乡”的美称。2010年湖南郴州、2014年湖南衡东均出现了“血Pb超标”事件。湖南省多地农耕土壤和农作物如大米和油菜中Pb的质量比超过了《食品安全国家标准食品中污染物限量》(GB 2762—2017)中规定的Pb的限值,严重威胁着食品安全和人民健康[4-5]。重金属Pb通过土壤-农作物-人体途径进入机体内,Pb可以替代具有神经元信号传导、神经发生、髓质化、突触可塑性等功能的关键元素钙(Ca),并通过Ca离子通道进入大脑,导致活化氧形成、线粒体“自我破坏”从而损伤乃至破坏神经元和胶质细胞[6]。通过环境暴露和饮食等方式摄入Pb很可能引发一系列神经系统疾病和心血管系统的慢性疾病,如阿尔茨海默病(alzheimer’s disease,AD)、帕金森病(parkinson disease,PD)、肌萎缩侧索硬化(amyotrophic lateral sclerosis,ALS)、注意缺陷多动障碍(attention deficit and hyperactivity disorder,ADHD)、高血压、动脉粥样硬化等[7-8]。因此,农耕土壤Pb污染的治理与修复成了刻不容缓的问题。

油菜是一种一年生的大生物量草本植物,在湖南省的种植面积达127万hm2左右,也是湖南省仅次于水稻的第二大农作物,在重金属污染的耕作土壤中广泛种植。研究表明,油菜在重金属污染土壤中生长时很容易吸收重金属,且具有高生物量、生长快速等特点因而备受学者们的关注[9-10]。湖南省人民政府发布的《湖南省水稻生产功能区和油菜籽、棉花生产保护区划定实施方案》中,规划了要完成100万hm2的油菜种植任务。因此,湖南省的重金属污染耕地需要进行整治、降低油菜中的重金属含量,以保障农产品食用安全。油菜籽中重金属的含量不但与土壤Pb总量及其生物有效性有关,同时与油菜吸收、累积、分配重金属的能力和格局也密切相关。因此,在不改变湖南省耕地用途的前提下,如何有效降低耕作土壤重金属的总量以保障粮油食品安全是湖南省亟待解决的环境污染问题与生态农业问题。

生物炭具有孔隙结构好、比表面积大、表面具有丰富的含氧官能团等特性,可以有效地吸附土壤中重金属,被广泛应用于修复重金属污染土壤。研究表明,生物炭对重金属污染土壤的修复效应与生物炭中的材质有关,不同原料和材质所制备得到的生物炭其元素含量和重金属吸附效果具有较大差异[11]。迄今为止,生物炭生产所需的充足原料供应主要由植物和作物残留物组成[12]。松木、木屑、硬木、果树树干、荔枝木等材质的生物炭已经被证明可以改善土壤肥力,修复重金属污染土壤及促进作物生长,增加其产量,达到可持续生产的目的[13-15]。湖南省种植有大面积的松木林,每年疏剪的松木树枝被大量废弃,或者被直接焚烧,造成资源浪费和环境污染。如何合理利用废弃的松木树枝,以减少焚烧导致的碳排放成了一个科学问题。有关生物炭对油菜累积重金属的研究主要采用秸秆类材质的生物炭[16-17]。迄今未见有关松木生物炭与油菜联合修复Pb污染土壤的效应研究。

本文利用松木生物炭改良湖南湘潭县某地Pb污染的农田土,分析了油菜植株各器官生物量、油菜根系土壤Pb的质量比及其形态分布和油菜植株各器官中累积的Pb的质量比和总量。

1 材料和方法

1.1 试验农田概况

本试验小区位于湖南省湘潭县的某块农田(112°83′E,27°81′N),海拔110 m。当地属于亚热带季风性湿润气候,年平均气温为17.2 ℃,年平均降雨量1 350～1 700 mm;该地区的农田长期种植水稻,每年种植两季水稻。该农田表层土壤(0～10 cm)基本性质为:pH值为5.81,阳离子交换量为588.5 mmol/kg,有机质为39.80 mg/kg,有效氮为58.35 mg/kg,速效钾为23.14 mg/kg,有效磷为8.31 mg/kg,重金属Pb的质量比为149.75 mg/kg。土壤溶液pH和土壤基本理化性质参照《土壤农化分析》进行测定[18]。根据《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018),该农田土壤受到轻度Pb污染。

1.2 试验材料

本试验选用的油菜品种为创杂油5号;生物炭是由松木在400 ℃低氧条件下热解碳化所制,过筛(0.25 mm)。2020年9月30日,按照当地农民的耕作方式,将油菜种子播种在翻土后的空菜地中,油菜幼苗移栽前培育至幼苗长出第4片叶子,期间以自来水浇灌。

1.3 试验设计

2020年10月20日,将水稻秋收后的农田表层土壤(0～15 cm)翻土、平整;选建12个种植单元(每单元5 m×1.5 m),每个单元间距0.3 m,以避免不同水平生物炭之间的干扰。试验设3个生物炭水平,施用量分别为200、400和600 g/m2,未施加生物炭的为对照;用锄具将生物炭与农田各种植单元表层土壤(0～15 cm)混合均匀,每个梯度处理设3次重复。

2020年10月24日将具有4片完全叶、长势均匀健壮的油菜幼苗移栽至试验田,种植密度为每单元5 m×1.5 m,单元间距0.3 m,每单元60株油菜。在苗期以水溶液的形式喷洒复合肥,使每株油菜施肥量为0.57 g N、0.855 g P2O5、0.712 5 g K2O。在油菜花期追施1次硼肥(H3BO3),施用量为7.5 kg/hm2。生长期间,按当地常规农作进行田间管理、定期除杂草。2021年5月2日油菜植株成熟,每种植单元随机选取长势一致的3株油菜及其根际土样带回实验室,土样放置在室内进行风干,过筛处理。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 生物炭表征分析

用元素分析仪(Vario EL III,Elementar,Germany)测定了生物炭有机元素C、N、H的质量分数;生物炭样品的比表面积(brunner-emmett-teller,BET)在Autosorb比表面积分析仪(Quantachrome,USA)下进行分析;利用傅里叶变换红外光谱仪(Nicolet iS5,Thermo Fisher,USA)分析松木生物炭官能团;扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)(JSM-7600F,日本电子,日本)分析生物炭表观形态。

1.4.2 土壤中Pb的质量比和形态分布

土壤样品风干过筛(0.150 mm)后,样品在HNO3-HF-HClO4消化系统下消化,微孔滤膜(0.45 μm)过滤后的消解液用电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES,6300型)测定重金属Pb的质量比[19]。另一部分样品采用欧洲共同体参考局(European Community Bureau of Reference,BCR)顺序提取法分析了根系土壤中重金属Pb的形态,分为以下4种形态:弱酸可提取态、可还原态、可氧化态以及残渣态[20]。

1.4.3 植物各器官生物量及Pb的质量比

将采挖的收获期的油菜植株分为根、茎、豆荚、籽粒四个部分。用自来水冲洗样品,再用蒸馏水洗净。将样品置于103 ℃烘箱中杀青1 h,在80 ℃下干燥至恒重,称量各器官的干重;用高速粉碎机将各器官样品磨碎、混匀后过0.2 mm筛,并做好标记保存在塑封袋中。分别称取0.2 g过筛后的根、茎、豆荚和籽粒样品,在HNO3-HClO4的混合物中消化[19]。用体积分数为2%的硝酸将所得溶液稀释至25 mL,微孔滤膜(0.45 μm)过滤。测定滤液中Pb的质量比,采用双平行样和加标回收率法,Pb元素的加标回收率为96.4%,符合元素分析质量。

1.5 数据处理与分析

分别使用式(1)和式(2)两个公式计算油菜植株不同器官的生物富集系数BCF(bioconcentration factor,BCF)和转运系数TFi-j(translocation factor,TF)[21]。

BCF=ωi/ωsoil

(1)

TFi-j=ωj/ωi

(2)

式中,ωi和ωj分别表示同一株植物两个不同器官中Pb的质量比,ωsoil表示在土壤中Pb的质量比(mg/kg)。

所有试验数据均采用SPSS 16.0和Excel 2016软件进行数据整理和统计学分析,实验数据用“平均值±标准差”表示,组间数据差异用单因素方差分析进行比较(P<0.05)。

2 结果

2.1 松木生物炭的表征

图2 松木生物炭傅里叶红外光谱图

2.2 松木生物炭对土壤中Pb的质量比和形态分布的影响

松木生物炭处理后,油菜根际土壤重金属Pb的质量比及形态分布如图3所示。生物炭能有效降低根际土壤中Pb的质量比。随着生物炭的增加,土壤中Pb的质量比下降;在400和600 g/m2生物炭水平,油菜根际土壤中Pb的质量比较对照组显著降低了20.73%和28.70%(P<0.05),且低于《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)规定中Pb的风险筛选值(100 mg/kg)。生物炭对油菜根际土壤中Pb的弱酸可提取态比例无影响,但改变了土壤中Pb的可还原态及残渣态的比例;与对照组相比,Pb的可还原态比例的增幅为5.7%～24.4%;Pb的残留态比例的降幅为8.4%～58.8%。但200 g/m2生物炭对油菜根际土壤中Pb的质量比和Pb形态无显著影响。

图3 松木生物炭对土壤重金属Pb的质量比和形态分布的影响

2.3 松木生物炭对油菜植株和各器官生物量的影响

松木生物炭显著降低了油菜植株和各器官的生物量(P<0.05)(见表1)。随生物炭增加,油菜植株总生物量显著降低,其降幅为9.68%～36.68%(P<0.05)。与对照组相比,油菜茎、豆荚和籽粒的生物量显著下降了4.37%～27.94%、8.80%～42.31和5.14%～42.91%(P<0.05)。虽然施用生物炭后,油菜根部生物量显著下降,但与生物炭的用量关系不大。

表1 不同松木生物炭处理下油菜植株和各器官的生物量

2.4 松木生物炭对油菜植株累积、分配Pb的影响

生物炭处理的油菜植株及根茎器官中的Pb的质量比显著增加(P<0.05),而籽粒中Pb的质量比显著降低(P<0.05)(图4)。随着生物炭的增加,油菜植株中Pb的质量比增加,较对照组增加了10.82%～79.32%。与对照组相比,根和茎中Pb的质量比分别增加了6.6%、64.06%和119.1%,105.58%、89.45%和138.13%,而籽粒中的Pb质量比显著降低了28.76%、76.5%和46.70%(P<0.05)。

图4 松木生物炭对油菜植株和各器官中Pb的质量比的影响

随着生物炭的增加,油菜植株中Pb的总量增加,其增幅为4.50%～22.5%,但200 g/m2生物炭处理中差异不显著(见图5)。400和600 g/m2生物炭处理的油菜根和茎器官中Pb的总量显著增加,其增幅为80.6%～74.01%和68.76%～72.12%(P<0.05);与对照组相比,施用生物炭后籽粒中Pb的总量分别显著降低了34.78%、81.91%、67.54%(P<0.05),且400 g/m2生物炭处理的籽粒中Pb的总量最低。

图5 松木生物炭对油菜植株和各器官中Pb的总量的影响

2.5 松木生物炭对油菜植株富集与转运Pb的影响

不同生物炭处理组油菜植株各器官中Pb的生物富集系数(BCF)和转运系数(TF)如表2所示,油菜植株中Pb主要富集在根部。随着生物炭的增加,油菜根和茎的生物富集系数(BCF)显著增加,其增幅为11.87%～207.12%和116.76%～232.96%(P<0.05);籽粒的富集系数(BCF)显著下降,与对照组相比,分别降低了25.19%、70.28%和25.19%(P<0.05)。添加生物炭后,植株转运系数TF根-茎显著增加,TF茎-豆荚和TF豆荚-籽粒显著下降(P<0.05);TF茎-豆荚较对照组分别降低了40.48%、50.33%和19.99%,TF豆荚-籽粒分别显著降低了45.05%、76.60%和73.81%(P<0.05)。显然,生物炭能促进油菜植株中Pb由根向茎转运,抑制Pb由茎向豆荚及豆荚向籽粒转运,从而减少重金属Pb在油菜可食用部位的累积。在400 g/m2生物炭处理的植株中BCF籽粒和TF豆荚-籽粒达到最小值。

表2 不同松木生物炭处理对油菜植株各器官中Pb生物富集系数和转运系数的影响

3 讨论

1)松木生物炭促进油菜对Pb的吸收,提高了污染农田的修复效应。

研究表明,某些条件下的生物炭处理会增加重金属污染土壤中可交换态的重金属含量,减少残渣态重金属含量[26]。例如,在稻草生物炭处理后的铜冶炼厂周围土壤中,重金属Cu、Pb和Zn的残渣态含量降低[27]。本研究中,施用松木生物炭后,油菜根际土壤中Pb由活性低的残渣态向活性较高的可还原态转化。土壤中可还原态的Pb易被油菜根系所吸收。生物炭可以通过提高植物对重金属的吸收和累积,从而降低土壤中重金属的含量以达到修复重金属污染土壤的目的[28]。例如,J.Liu等人报告了荔枝木生物炭促进了向日葵植株吸收和累积土壤中重金属Pb、Cd和As[24];桉木生物炭的施用能减少玉米芽中Cd和Cu的浓度,但显著增加了幼苗中的Pb和Zn含量[29]。本研究中,施用生物炭后土壤重金属Pb形态比例的改变可能是导致油菜植株中Pb的质量比增加的主要原因。本研究中油菜植株累积的Pb随生物炭的增加而增加。在生物炭热解碳化过程中产生的多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)、多氯二苯二噁英(polychlorinated dibenzo para dioxins,PCDDs)和多氯二苯并呋喃(polychlorinated dibenzofurans,PCDFs)等多种污染物,因其具有致癌性、致突变或致畸变性,可能对生物体造成不同程度的生物毒性[30]。因此,植株体内Pb的质量比的增加和生物炭中多种污染物的释放对植株产生的毒害作用都可能是油菜生物量下降的原因。

2)松木生物炭改变了Pb在油菜植株内的累积与分配格局,抑制了Pb向籽粒中转移,降低了菜籽油的食品安全风险。

植物可以通过根系吸收土壤中的重金属,其中一部分重金属滞留在根细胞中,另一部分则通过根细胞间的运输由中柱鞘输送到导管中,随植物的蒸腾作用向地上部转运并累积在植物茎叶和籽粒中[31]。随着松木生物炭施用量的增加,油菜植株累积Pb的总量呈上升趋势,但各器官中Pb的总量变化趋势不一致。对照组各器官累积的Pb的总量变化规律如下:根>籽粒>茎>豆荚;施用松木生物炭后,各器官累积的Pb的总量基本上遵循如下规律:根>茎>豆荚>籽粒。显然,松木生物炭改变了Pb在油菜植株各器官的累积与分配格局。这与前人有关生物炭影响高累积油料作物如向日葵、芥菜型油菜等植物累积、分配重金属格局的研究结果一致[24,28]。生物炭促进了Pb在根茎部的累积,抑制了Pb向籽粒中转移,籽粒Pb的总量显著下降。研究表明,油菜籽经工艺能显著降低植物油中重金属浓度,油菜籽中的镉转移到菜籽油中的比例为2%～10%[32]。Pb在油菜籽向菜籽油中的转移率(油菜作物的无毒剂量)低于Cd的转移率,不易带来健康风险[33]。可对收获后的油菜籽进行加工后制成菜籽油,以进一步降低其食品安全风险。

3)松木生物炭-油菜修复模式在减少碳排放的同时也可获得一定的经济效益。

按本研究中油菜样地种植密度(每单元5 m×1.5 m,单元间距0.3 m,约每公顷80 000株油菜),当生物炭施用量为400 g/m2和600 g/m2水平时,每公顷油菜可以分别从污染农田土壤去除Pb 36.77 g和39.34 g;同时每公顷土壤可以分别生产能安全产出植物油的油菜籽约1 580 kg和1 244 kg,按现在(2022年4月油菜籽集贸市场价6.03元/kg)的油菜籽市场价,估算可分别产出9 527.4元和7 501.3元的经济效益。随着全球能源需求日益增长,石油、天然气和煤炭等化石燃料不可再生,生物燃料的生产和应用逐渐占据着重要地位;油菜作为油料作物可为生物燃料提供农产品原料,促进可持续的生物能源生产,减少碳排放的同时带来商业价值[34]。在对40项研究中的76种生物炭的特性进行分析比较后发现,与肥料或农业生物质原料相比,由氮和灰分含量较低的木材生产的生物炭更能减少土壤中的N2O的排放[35]。本研究中松木生物炭C/N>30、且含氮量低,具有能显著减少土壤N2O排放的潜能。考虑到湖南省油菜和两季水稻不同的种植时间和生长周期,可通过冬季插播油菜并施用松木生物炭的模式,部分去除农田土壤中Pb以显著降低稻谷中Pb的食品安全风险。