生物炭对小白菜镉铅积累及品质的影响

2024-03-09刘丽媛李柯衡贾永霞月培茜蒲玉琳李婷徐小逊

四川农业大学学报 2024年1期

刘丽媛，李柯衡，贾永霞*，月培茜，蒲玉琳，李婷，徐小逊

（1.四川农业大学资源学院，成都 611130；2.四川农业大学环境学院，成都 611130）

随着化肥农药的过度施用及污水灌溉等，土壤镉（Cd）、铅（Pb）等重金属复合污染问题日益凸显[1-2]。Cd、Pb具有生物积累性高、毒性强的特点，不仅会造成土壤质量下降、作物产量和品质降低，还会通过农产品富集进入食物链，进而对人体健康造成严重威胁[3-4]。因此，为保证粮食安全，Cd、Pb复合污染土壤的治理尤为重要。

生物炭是由农业废弃物在厌氧条件下经高温热解而成的一种富碳材料，由于其孔隙发达、比表面积大、含氧官能团丰富等特点[5]，在修复重金属污染土壤中具有良好的应用前景。生物炭可通过表面吸附、络合、离子交换等多种途径有效固定土壤中的重金属离子，降低其生物有效性及迁移性[6]。Wang R.Z.等[7]发现生物炭可显著降低土壤有效态Cd含量，并有效抑制水稻对Cd的吸收。高瑞丽等[8]表明水稻秸秆生物炭可显著提高土壤pH，促进弱酸提取态、可还原态和可氧化态Pb向残渣态Pb的转化，使得Pb在土壤中的形态更加稳定。此外，生物炭因其表面的多孔隙结构，还能吸附固定养分，减少农田氮磷流失，提高肥料利用率，增加土壤速效养分及有机质含量，改善土壤理化性质，从而促进作物的生长[9-10]。目前，关于生物炭修复重金属污染土壤、促进作物生长方面的研究大都集中于单一元素污染土壤中。较单一元素污染，重金属复合污染对作物与人体造成的危害更大[11]，而关于生物炭对重金属复合污染土壤中作物体内重金属积累及品质的影响研究还较为有限。

蔬菜是人们日常饮食中不可或缺的食物之一，是人体多种维生素、矿物质、膳食纤维以及微量元素的重要来源[12]。其中叶菜类蔬菜相比其他粮食作物，更容易受到重金属污染[13]。因此，本文以常见叶菜类蔬菜——小白菜(Brassica chinensisL.)为研究对象，研究不同施用量的生物炭对Cd和Pb复合污染土壤养分及酶活性的影响，并监测小白菜的品质变化及体内重金属的积累，阐明生物炭对小白菜体内重金属积累及品质的影响机制，以期为农产品的安全生产和我国重金属复合污染土壤的治理提供实践参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试土壤：采自成都平原某污染农田0～20 cm表层土，土壤类型为水稻土。土壤在室温条件下自然风干，剔除植物根系及碎石，研磨过2 mm尼龙筛、备用。土壤基本化学性质如下：pH 6.60，有机质23.61 g/kg，碱解氮119.67 mg/kg，速效磷15.03 mg/kg，速效钾91.1 mg/kg，全Cd 0.98 mg/kg，全Pb 352.67 mg/kg，Cd、Pb含量已超过GB 15618—2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》[14]所规定的农用地土壤污染风险筛选值，低于风险管控值。

供试材料：取成都市周边郊区农田的油菜秸秆，将秸秆洗净，自然风干，粉碎后放入马弗炉中，以500 ℃高温厌氧条件下热解6 h炭化制备而成油菜秸秆生物炭（BC）。制备好的生物炭pH值为9.11，全Cd含量为0.05 mg/kg、全Pb含量为1.96 mg/kg在GB/T 18877—2020《有机无机复混肥料》[15]所规定的范围内。

供试植物：小白菜，品种为京秋3号，由北京农林科学院提供。

1.2 试验设计

盆栽试验共设4个处理，分别以土重的0.5%（0.5BC）、1%（1BC）和2%（2BC）添加油菜秸秆生物炭，以不添加生物炭为对照(CK)，每个处理重复3次。试验前，称取2.5 kg Cd、Pb污染土壤，加入相应添加量的生物炭与污染土壤充分混匀，置于塑料花盆中，室温静置30 d。期间每隔2 d采用称重法补充去离子水，使水分保持在土壤田间持水量的60%左右。

取颗粒饱满、大小整齐一致的小白菜种子，浸种催芽后播于上述土壤中，待小白菜长出第4片真叶时进行间苗，每盆留下长势一致的3棵小白菜。生长期间定期浇水，按称重法补充水分使其保持土壤田间持水量的60%左右。40 d后收获，采集植物、土壤样品，测定土壤理化性质、DTPA-Cd含量、DTPA-Pb含量、土壤酶活性、小白菜各部位Cd、Pb含量、生长状况及品质。

1.3 分析测定方法

土壤化学性质（pH[16]163-165、有机质[16]30-34、碱解氮[16]56-58、速效磷[16]81-83、速效钾[16]106-108）根据鲍士旦等进行测定，土壤有效态Cd、Pb含量采用DTPA提取法提取和测定[17]。土壤脲酶采用靛酚蓝比色法测定[18]296-297，土壤磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法[18]310-312，土壤蔗糖酶采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定[18]275-276。

小白菜株高、根长均采用直尺测量；小白菜生物量采用烘干称重法测定。小白菜维生素C采用2，6-二氯酚靛酚滴定法[16]360-363、可溶性蛋白采用考马斯亮蓝G-250法测定[19]40-42、可溶性糖采用蒽酮比色法测定[19]37-39；小白菜各部位Cd、Pb含量采用HNO3-HClO4法消解[20]，原子吸收分光光度计测定。

1.4 数据处理

采用富集系数（BCF）和转运系数（TF）来评价重金属在小白菜各部位中的富集迁移情况，计算公式如下[21]：

式中，Cp表示小白菜根系或地上部的重金属含量，Cs表示土壤中的重金属含量；Cst表示小白菜地上部重金属含量，Cr表示小白菜根系中的重金属含量。

使用Microsoft Excel 2019进行数据整理，采用SPSS.Statistic.27统计分析软件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，利用Origin 2021b制图。

2 结果与分析

2.1 生物炭对土壤属性的影响

生物炭对土壤属性的影响如表1所示。与对照相比，1%、2%生物炭能显著提高土壤pH值和有机质含量，其中，土壤pH值提高了0.55～0.79个单位，土壤有机质含量提高了19.58%～35.27%，且1%、2%生物炭处理间达到了显著性差异。生物炭对土壤碱解氮含量无显著影响，但显著提高了土壤速效磷和速效钾含量。土壤速效磷和速效钾含量分别较对照提高了13.75%～22.51%和27.15%～49.33%，且1%、2%生物炭处理间无显著性差异。可见，添加1%、2%对土壤pH、有机质及土壤养分都有良好的提升效果。

表1 生物炭对土壤属性的影响Table 1 The effects of biochar on soil properties

2.2 生物炭对土壤有效态镉铅含量的影响

本试验选用DTPA提取法提取土壤有效态Cd和Pb。添加生物炭后可降低DTPA提取态Cd和Pb含量（图1），DTPA提取态Cd降幅为14.91%～44.74%，DTPA提取态Pb降幅为14.07%～36.09%，1%、2%生物炭处理的DTPA提取态Pb含量显著低于0.5%生物炭处理。添加1%、2%生物炭均能显著降低土壤有效态Cd、Pb含量，且两者间差异不显著。

图1 生物炭对土壤有效态Cd和Pb含量的影响Figure 1 The effects of biochar on available Cd and Pbcontent in soil

2.3 生物炭对土壤酶活性的影响

向土壤施加不同浓度的生物炭后，对根际土壤酶活性的影响如图2所示。添加生物炭显著增强了土壤脲酶及蔗糖酶活性，其中，土壤脲酶随生物炭施用量的增加而增加，增幅为24.24%～90.91%，且各处理间均差异显著；土壤蔗糖酶增幅为15.12%～23.60%，各处理间无显著性差异。0.5%和1%生物炭对土壤磷酸酶活性无影响，而添加2%生物炭可显著提升土壤磷酸酶活性。

2.4 生物炭对小白菜生长和营养品质的影响

向土壤施加0.5%、1%和2%的生物炭后能够促进小白菜的生长（表2）。添加生物炭后，小白菜的株高、根长、地上部干重和根系干重均显著高于对照，分别为对照的1.30～1.63倍，1.20～1.53倍，1.65～2.27倍和1.54～2.13倍。除株高外，添加1%与2%的生物炭处理对小白菜都具有良好的促生作用，且两处理间无显著差异。

表2 生物炭对小白菜生长及营养品质的影响Table 2 The effects of biochar on growth and quality of Brassica chinensis L.

添加0.5%、1%和2%生物炭后对小白菜可溶性蛋白无显著影响，但是对可溶性糖、维生素C均有显著提升作用（表2），其中，可溶性糖含量较对照提高了28.45%～30.23%，3个生物炭处理间无显著差异；维生素C含量提高了23.53%～51.99%，添加1%和2%的生物炭处理间无显著差异。说明生物炭可以改善小白菜的生长状况和营养品质。

2.5 生物炭对小白菜镉铅吸收积累的影响

添加生物炭后可显著降低小白菜对Cd、Pb的积累（图3）。与对照相比，小白菜根系和地上部Cd、Pb含量随生物炭施用量的增加而显著减少，根系Cd、Pb含量分别降低了22.09%～59.10%、29.11%～48.89%，地上部Cd、Pb含量分别降低了27.53%～71.46%、31.00%～55.43%。添加1%、2%的生物炭对小白菜地上部Cd、Pb积累都具有良好的抑制作用，且两者间差异不显著。

富集系数代表小白菜对土壤Cd和Pb的吸收富集能力，转运系数能体现重金属在植株体内的转运情况[21]。将生物炭施入土壤后，可显著降低小白菜根系、地上部Cd、Pb富集系数（表3）。其中地上部Cd、Pb富集系数分别降低了27.53%～71.46%、31.00%～55.43%，1%、2%生物炭处理显著低于0.5%生物炭处理。施入1%、2%生物炭后，Cd转运系数显著降低了28.82%～30.01%，但处理间无显著差异。可见添加1%、2%的生物炭均可显著抑制小白菜对Cd、Pb的积累，且两者无差异。

表3 生物炭对小白菜Cd和Pb富集转运系数的影响Table 3 The effects of biochar on Cd/Pb biological concentration factor and translocation factor in Brassica chinensis L.

3 讨论

作物品质主要分为营养品质及安全品质，其中可溶性蛋白、可溶性糖和维生素C等是评价小白菜营养品质的常用指标，重金属含量是评价小白菜安全品质的重要指标之一[22]。生物炭施入土壤后，能够与土壤中的重金属发生吸附、离子交换、络合沉淀等反应，从而降低土壤中重金属的有效性，减少作物体内重金属的累积，进而影响作物品质[23]。在本试验中，向土壤分别施入0.5%、1%和2%生物炭后，可显著降低小白菜体内Cd、Pb含量（图3），促进小白菜的生长，提升其可溶性糖和维生素C含量（表2），但1%与2%生物炭处理间差异并不显著，这与蒋欣梅等[24]的研究相似。表明生物炭的添加可抑制小白菜对重金属的积累，同时可提升小白菜的生长及品质。研究发现，土壤pH是影响土壤有效态重金属含量的重要因素之一，一般来说土壤pH值越大，土壤中重金属有效性越小[25]。本研究中添加1%、2%生物炭后可显著提高土壤pH值（表1），并显著降低土壤有效态Cd、Pb含量（图1）。从土壤有效态重金属含量、pH值及小白菜重金属含量间的相关性可知，土壤有效态Cd、Pb与土壤pH呈极显著（P<0.01）负相关关系，小白菜体内重金属含量与土壤有效态重金属呈极显著（P<0.01）或显著（P<0.05）正相关关系（图4），这与Xu P.等[23]的研究结果相似。说明生物炭可通过提高土壤pH值降低土壤Cd、Pb有效性，减少小白菜对Cd、Pb的吸收。这是由于生物炭呈碱性，添加到土壤中后能够在一定程度上提高土壤pH值，有利于增加土壤中OH-等的形成，促使Cd、Pb通过络合、沉淀等作用被有效固定在土壤中，从而降低土壤中有效态重金属的含量，进而减少了作物对Cd、Pb的吸收积累[26]。此外，生物炭自身表面存在着如-OH、-COOH、C=C和N—C=O等含氧官能团，可直接吸附固定重金属，降低其生物有效性，从而抑制重金属在作物体内的积累[27]。由小白菜各指标和土壤有效态重金属含量相关性可知，小白菜的可溶性糖和维生素C含量与小白菜体内重金属含量呈极显著（P<0.01）或显著（P<0.05）负相关关系，而小白菜体内重金属含量与土壤有效态重金属呈极显著（P<0.01）或显著（P<0.05）正相关关系（图4），这与Z.Muhammad等[28]研究结果相似。表明生物炭添加到土壤中后通过降低土壤有效态Cd、Pb含量，减少了小白菜对Cd、Pb的吸收，从而改善了小白菜的生长状况，提升了其营养品质。

图4 小白菜、土壤各项指标的相关性热图Figure 4 Correlation heatmap of Brassica chinensis L.and soil indexes

作物的生长及品质同时受到土壤有效养分与土壤酶活性的影响。研究表明，土壤有机质、速效养分含量及土壤酶活性是土壤肥力的主要指标[29]。土壤酶活性的变化可反映土壤养分循环及能量流动，其中脲酶能将土壤中的尿素分解为氨；磷酸酶能促进有机磷矿化，增加土壤中可溶性磷含量；蔗糖酶能促进土壤有机质的转化[30]。本研究发现，向土壤施入1%和2%生物炭，均显著增加了土壤有机质、速效磷和速效钾含量（表1），并显著提升了土壤脲酶与蔗糖酶活性（图2）。这与王智慧等[30]的研究结果相似。这是由于生物炭本身含有一定的磷、钾元素，施加到土壤后可直接补充土壤养分[29]；同时，生物炭富含有机碳，添加到土壤后有利于土壤固碳，增加土壤中有机质含量[17]；此外，生物炭具有多孔结构和较强的吸附性能，能够吸附酶促反应底物，为土壤酶提供更多的结合位点，进而提高土壤酶活性[32]，促进养分循环和转化，从而增强土壤肥力。同时由土壤各指标及小白菜品质指标间的相关性分析可知，土壤有机质、速效磷、速效钾、土壤酶活性与土壤有效态重金属含量呈极显著（P<0.01）或显著（P<0.05）负相关关系，小白菜可溶性糖、维生素C与土壤有机质、速效磷、速效钾、土壤酶活性呈极显著（P<0.01）或显著（P<0.05）正相关关系（图4），这与钟明涛[33]和吴伟健等[34]研究结果相似。表明生物炭降低了土壤的重金属有效性，改善了小白菜的根际环境，提高了土壤的肥力条件，有利于小白菜对养分的吸收利用，最终促进了小白菜的生长及营养品质的提升。