生物质炭对根际土壤中镉形态转化及水稻镉累积的影响

赵青青，王海波，夏运生，史静

云南农业大学资源与环境学院，云南 昆明 650201

生物质炭对根际土壤中镉形态转化及水稻镉累积的影响

赵青青，王海波，夏运生，史静*

云南农业大学资源与环境学院，云南 昆明 650201

采用盆栽试验和Tessier连续形态分析方法，研究了不同镉污染水平下（1.0、2.5、5.0 mgkg-1），施入不同量的生物质炭（0.0、2.5、5.0、10.0 gkg-1）对根际与非根际土壤中镉形态转化及水稻镉累积的影响。结果表明，（1）施入生物质炭后，根际与非根际土壤中镉的有效性降低。施入生物质炭后，根际与非根际土壤可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态以及有机物结合态镉最大可分别降低34.64%和28.15%、49.27%和63.82%、34.58%和24.59%、60.04%和49.00%，残渣态镉最大可分别增加14.79%和16.57%。10.0 gkg-1生物质炭处理影响效果最显著。在不同处理下，镉形态变化显著且根际与非根际之间的变化呈显著性差异。中低镉污染水平下，施入生物质炭，根际与非根际土壤中镉形态变化趋于一致但镉形态含量存在差异。高镉污染水平下，生物质炭引起根际与非根际土壤中镉形态变化但不显著。（2）施入生物质炭可显著降低水稻各部分镉含量且水稻根部镉含量大于地上部镉含量。在不同镉污染程度下，不同施入量生物质炭处理与对照相比，地上部、根部镉含量最大可分别降低42.51%、22.86%；根部镉含量最大是地上部的2.63倍。10.0 gkg-1生物质炭对水稻各部分镉含量降低效果最明显。

生物质炭；镉；根际土壤镉形态；水稻；累积

随着采矿、冶炼、电镀、化工等行业对镉的广泛应用以及含镉肥料、农药等的大量施用，土壤镉污染日趋严重。据2014年我国环境保护部和国土资源部报道：我国农田土壤镉污染面积已超过2.8×105hm2，镉的点位超标率（7.0%）最高，已被列为我国土壤的首要无机污染物（环境保护部和国土资源部，2014）。镉为重金属“五毒”元素之首，具有移动性强、毒性高、降解难等特点（Zhang et al.，2014）。当土壤中的镉累积量超过土壤背景值时，会引起土壤质量恶化，不仅直接影响农业产量与品质，还可间接通过食物链危害人畜健康。据报道，广西某矿区生产的稻米中镉含量严重超标，当地居民因长期食用“镉米”已出现了“骨痛病”的症状，严重威胁当地居民的身体健康（李婧等，2015）。因此，研究土壤镉污染治理和控制技术具有重要意义。

生物质炭是在无氧或缺氧条件下经过高温裂解而形成的一种具有高度芳香、富含碳素的多孔固体颗粒物质（孔丝纺等，2015）。近年来，生物质炭作为一种新型环境功能材料，在土壤重金属污染修复方面颇具潜力。国内外学者围绕生物质炭理化性、材料来源、制备工艺等对土壤中重金属作用机理和修复效果等进行了大量研究（Uchimiya et al.， 2010；李江遐等，2015；刘晶晶等，2015）。研究结果表明，生物质炭可以与重金属离子发生络合，使重金属形成沉淀物，从而使重金属从有效态向残渣态转变，并有效降低植物对土壤重金属的富集（许妍哲等，2015；毛懿德等，2015）。

目前，生物质炭能降低土壤镉的有效性已被证明（曹莹等，2015）。生物质炭降解植物中镉毒害的研究集中在植物体内毒性富集等方面（Bian et al.，2014），而有关生物质炭对根际土壤镉形态转化及植物镉累积影响的研究尚少且影响机理尚不明确。因此，本文采用盆栽试验方法，研究了不同镉污染水平下分别施加不同量的生物质炭对水稻根际土壤镉形态转化及其镉累积的影响，探索水稻根际土壤镉形态转化和水稻镉累积规律，以期为镉污染土壤的治理和防控提供一定的理论依据。

表1 供试土壤基本性质Table 1 Basic properties of the tested soil

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤采自云南省个旧市矿区中的红壤，基本性质如表1所示。供试生物质炭采用商用秸秆生物质炭，购自河南三利集团，基本性质如表2所示。供试水稻为云南广泛栽培的云粳37号水稻品种。

1.2 试验设计

称取过20目筛的供试土壤装于盆钵（口径20 cm、底径15 cm、高30 cm）中，每盆装土3 kg，共计36盆。36盆土壤随机分为3组，每组12盆，分别加入Cd（CdCl25H2O）1.0、2.5、5.0 mgkg-1，与土壤反复混合均匀，平衡15 d后作为模拟污染用土，期间进行翻土并加水保持土壤含水量和通透性。平衡后再将以上各组随机分为3小组，每组4盆，向盆中分别添加 0.0、2.5、5.0、10.0 gkg-1生物质炭，充分混匀，在自然状态下钝化90 d，通过加水和翻土保持土壤含水量为 70%的田间持水量和土壤通透性。试验共设 12个处理，分别为 B0 Cd1、B2.5 Cd1、B5 Cd1、B10 Cd1，B0 Cd2.5、B2.5 Cd2.5、B5 Cd2.5、B10 Cd2.5，B0 Cd5、B2.5 Cd5、B5 Cd5、B10 Cd5，以不施生物质炭B0为对照，各处理重复3次。

称取1 kg上述处理好的土壤放入根袋，并将根袋放入盆钵中央，然后每盆中装入与根袋土处理一致的土壤2 kg放入盆钵其 他地方。以根袋内土壤为根际土壤，离根袋内20 mm以外为非根际土壤。并在每个根际袋内种植水稻3穴，每穴3苗，在水稻生育期保持2～3 cm水层。在水稻抽穗期排掉盆钵中的水。期间施肥3次，每盆施入尿素和磷酸二氢钾，其施用量（质量分数）均为0.2 gkg-1土。

1.3 测定方法

土壤全镉含量采用 HCl-HNO3-HClO4测定（GB/T 17141—1997）。土壤镉形态分析采用Tessier et al.（1979）连续提取法提取，分别为可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机物结合态、残渣态。植株全镉含量采用HNO3-HCLO4（4∶1， V/V）混合酸消化测定（鲁如坤，2000）。以上溶液中镉含量采用岛津AA-6300C型原子吸收分光光度计测定。

1.4 数据分析方法

所有的数据均采用 Excel 2007进行整理，SPSS 17.0进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 外源镉处理下施入生物质炭对根际与非根际土壤镉形态的影响

从图1、图2可知，镉在根际与非根际土壤中各形态分布状况一致。残渣态为主要存在形态，其次为可交换态、铁锰氧化物结合态、碳酸盐结合态和有机物结合态。在同一镉污染水平下，随着生物质炭施入量的增加，根际与非根际土壤中各形态镉的质量分数存在显著性差异。当镉添加量为 1.0 mgkg-1时，分别施入 2.5、5.0、10.0 gkg-1生物质炭处理与不施生物质炭处理相比，根际与非根际土壤中可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态以及有机物结合态镉趋于下降，而残渣态镉趋于上升；且根际土壤中可交换态和铁锰结合态镉的质量分数低于非根际土壤，根际土壤中碳酸盐结合态、有机结合态和残渣态镉的质量分数高于非根际土壤。根际与非根际土壤中可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态和有机物结合态镉的质量分数最低分别降至 8.98%、2.64%、8.04%、2.29%和10.06%、2.6%、3.6%，残渣态镉的质量分数最高分别增至78.04%和73.52%。表明随着生物质炭施入量的增加，镉形态由有效态向残渣态转化，镉的有效性降低。当镉添加量为2.5 mgkg-1时，分别施入2.5、5.0、10.0 gkg-1生物质炭处理与不施生物质炭处理相比，根际与非根际土壤中的有效态镉趋于下降，而残渣态镉趋于上升；且根际土壤有效态镉的质量分数均高于非根际土壤，残渣态镉的质量分数均低于非根际土壤。其中，根际与非根际土壤中有机物结合态镉的质量分数变化最显著，分别由4.00%降至2.08%和3.63%降至2.21%。表明镉形态仍由有效态向残渣态转化，镉的生物有效性降低。当镉添加量为5.0 mgkg-1时，分别施入2.5、5.0、10.0 gkg-1生物质炭处理与不施生物质炭处理相比，根际与非根际土壤中的可交换态镉的质量分数趋于增加且高于对照，铁锰氧化物结镉的质量分数先增后减，碳酸盐结合态和有机物结合态镉的质量分数趋于下降，碳酸盐结合态镉分别由5.97%、5.56%降至4.82%、4.89%，有机物结合态镉分别由5.05%、5.00%降至3.25%、4.79%，残渣态镉的质量分数先减后增；且根际土壤可交换态镉低于非根际土壤。表明随着生物质炭施入量的增加，有效态可提取性可能增强，镉可能被活化，毒性增加。综上所述，随着生物质炭的施入，根际与非根际镉各形态变化显著且根际与非根际之间存在显著差异，但整体而言，随着生物质炭的施入，根际与非根际镉的有效性降低。施入10.0 gkg-1生物质炭，与对照相比，根际与非根际土壤可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态以及有机物结合态镉分别降低了34.64%和 28.15%、49.27%和 63.82%、34.58%和24.59%、60.04%和 49.00%，残渣态镉分别增加了14.79%和16.57%；与2.5、5.0 gkg-1生物质炭处理相比，有效态下降率和残渣态的上升率均为最高。表明施加10.0 gkg-1生物质炭对根际与非根际镉形态变化影响最显著。

图1 外源镉处理下施入生物质炭对根际土壤镉形态分布影响Fig. 1 Under exogenous Cd treatment into the biochar impact on the formation distribution of rhizosphere soil Cd

图2 外源镉处理下施入生物质炭对非根际土壤镉形态分布影响Fig. 2 Under exogenous Cd treatment into the biochar impact on the formation distribution of non-rhizosphere soil Cd

2.2 生物质炭施入对水稻镉累积的影响

从表3可知，随着镉添加量的增加，水稻镉含量均显著增加（P＜0.05）。水稻体内镉含量分布由大到小依次为根部、地上部。在同一镉污染水平处理下，随着生物质炭施入量的增加，水稻各部分镉含量均呈显著下降趋势（P＜0.05）。当镉添加量为1.0 mgkg-1时，各生物质炭处理组地上部镉含量较对照降低了12.33%～42.51%，根部镉含量也发生相应变化，降低了 8.78%～22.86%。根部镉含量分别是地上部镉含量的 1.96、2.04、2.42、2.63倍。当镉添加量为2.5 mgkg-1时，各生物质炭处理组地上部镉含量较对照降低2.83%～8.62%，根部镉含量降低了3.36%～ 10.30%。根部镉含量分别是地上部分镉含量的1.15、1.15、1.16、1.13倍。当镉添加量为5.0 mgkg-1时，各生物质炭处理组地上部镉含量较对照降低了 10.43%～16.64%，根部镉含量降低了1.95%～7.09%。根部镉含量分别是地上部分镉含量的 1.19、1.31、1.34、1.33倍。在不同镉污染程度下，施加 10.0 gkg-1生物质炭比施 2.5、5.0 gkg-1生物质炭对水稻各部分镉含量的降低效果更明显。

表3 施入生物质炭后对水稻地上部及根部镉含量变的影响Table 3 Effects of content of cadmium changes in the rice roots and ground after the application of biochar mgkg-1

3 讨论

3.1 生物质炭对根际、非根际土壤镉形态的影响

镉的化学形态决定了其在土壤中的化学行为，进而影响植物根部对镉吸收的难易度（Lorenz et al.，1994）。植物根系在其生长、根系分泌物释放以及对化学物的吸附及解吸等过程中，使根际和非根际土壤具有不同的物理与化学特性。研究表明根际土壤的不同化学和生物条件，影响土壤中重金属形态及生物有效性（Dessureault-Rompré et al.， 2008；Martínez-Alcalá et al.，2009；Martínez-Alcalá et al.，2010），且重金属在根际土壤中的动态变化、毒性和生物有效性与非根际大不相同（胡林飞，2012）。本研究表明，随着生物质炭的施入，根际和非根际土壤中镉的有效性降低。不同处理下，镉形态变化显著且根际与非根际之间的变化存在差异，这与刘达等（2016）研究结论一致。这主要与水稻根际生理活动受生物质炭的影响，引起根际与土壤界面微域环境变化，进而导致根际与非根际土壤中镉形态的转化有关。张伟明等（2013）研究表明生物质炭处理对水稻根系形态特征的优化与生理功能的增强具有一定的促进作用。

本研究中，中低镉污染下，随着生物质炭施入量的增加，残渣态镉含量趋于上升，有效态镉含量趋于下降；低镉污染中，根际土壤中可交换态和铁锰结合态镉质量分数均低于非根际土壤；而碳酸盐结合态、有机结合态和残渣态镉与之相反；中镉污染中，根际土壤有效态镉质量分数均高于非根际土壤，残渣态镉质量分数均低于非根际土壤。表明生物质炭的施入有助于抑制土壤中镉活化且高量的生物质炭抑制作用更显著，这与水稻地上部分镉累积量趋于递减的结果基本一致。这主要是因为生物质炭施入到土壤后，使土壤pH值升高，有机质含量增加及微生物活性增强。由于根际环境特别是重金属胁迫下的根际环境与原土体存在着显著差异，而根际环境中的pH值、Eh值、根分泌物和根际微生物将直接影响到重金属的固定和活化状态，进而影响到重金属在土壤与植物中的迁移转化行为（徐卫红等，2006）。研究表明，在土壤中施加生物质炭可抑制根际土壤酶活性，提高根际土壤有机质含量，以及提高根际土壤微生物多样性，并明显改变土壤细菌群落结构（王丽渊等，2014；顾美英等，2016）。不同Cd污染程度下施入生物质炭，水稻根际碳循环类酶及氧化还原类酶的活性变化显著且均高于非根际土壤（尚艺婕等，2016）。高镉污染下，根际和非根际土壤的可交换态镉均增加且高于对照，铁锰氧化物结合态镉先增后减，碳酸盐结合态和有机物结合态镉趋于下降，残渣态镉先减后增。表明当土壤中镉污染达到一定水平时，镉可能会破坏根系结构，改变根系分泌物的组成，进而改变根际与非根际土壤中镉形态，使土壤中镉的赋存形态的变化达到一种动态平衡，同时表明生物质炭实验用量对高镉含量的土壤修复效果不佳。适量的生物质炭如何改变植物根系分泌物、pH值、Eh、溶解氧、微生物等组分进而改变根际与非根际镉形态机理还有待深入研究。

3.2 施入生物质炭对植株镉累积的影响

研究表明，镉在植株不同器官中的累积存在差异，通常植株根系中镉含量高于地上部分镉含量，如成熟期的水稻不同部位镉积累规律为根系＞茎叶＞稻壳＞糙米（唐非等，2013）。施入生物质炭后植株各器官中镉含量降低且施入量的不同影响植株各器官对镉的累积效果（刘阿梅等，2013；王艳红等，2015）。本研究结果与前人结论一致：各镉污染水平下随着生物质炭施入量的增加，水稻地上部和根部镉含量均有不同程度的下降且根部镉含量高于地上部镉含量，施入10.0 gkg-1生物质炭处理降低效果最佳。导致这种结果的原因可能有两种，其一是生物质炭施入到土壤后对水稻的生长发育、光合生理特性、干物质累积都有一定的影响。研究显示，生物质炭可有效促进水稻净光合速率，提高蒸腾速率，使光合与蒸腾作用的协同能力增强，从而提高水稻光合生产能力（张伟明，2012）。其二，由于生物质炭施入到不同程度镉污染土壤后，对土壤的主要理化性状产生了影响，前期对土壤中镉产生了某种“活化”作用，随着时间的延长，生物质炭对各个形态镉离子的吸持能力逐渐增强，对有效态镉离子的“钝化”效果呈现稳定，时间越长，这种效果越为稳固。主要是pH和有机质的影响，通过改善土壤pH值和有机质含量的影响，以达到对重金属在土壤中的存在形态的转变，从而达到减弱植物吸收累积镉的能力，降低镉的生物有效性。

4 结论

（1）生物质炭的施入可降低根际和非根际土壤中镉的有效性。不同处理下，镉形态发生了显著性变化且根际与非根际之间的变化存在差异。中低镉污染水平下，随着生物质炭的增加，根际和非根际土壤中镉形态变化趋于一致但各形态镉含量分布差异大。高镉污染水平下，生物质炭能引起镉形态变化但变化不显著。3个生物质炭处理下，施加10.0 gkg-1生物质炭对不同镉污染处理下根际和非根际土壤镉形态转化影响最显著。

（2）生物质炭的施入使水稻各部分镉含量显著降低（P＜0.05）。水稻各部分镉含量分布表现为根部＞地上部。与对照相比，在水稻各部分镉累积中生物质炭处理的阻控效果从大到小依次为 10.0、5.0、2.5 gkg-1。

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Effects of Straw Biochar on Rhizosphere Soil Cd Forms Transformation and Cd Accumulation in Rice

ZHAO Qingqing, WANG Haibo, XIA Yunsheng, SHI Jing*

College of Resources and Environment, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China

A pot experiment and Tessier continuous shape analysis method was conducted to study effect of rhizosphere and non rhizosphere soil forms transformation of Cd and accumulation of Cd in rice by applying different amount (0.0, 2.5, 5.0, 10.0 gkg-1) of biochar, under different levels (1.0, 2.5, 5.0 mgkg-1) of Cd-contaminated. The results showed that, (1) The application of biochar could effectively reduce the availability of Cd in rhizosphere and non rhizosphere soil.Application of biochar reduced the content of ex-changeable, carbonate bound, Fe Mn oxide bound and organic bound Cd in rhizosphere and non rhizosphere soil by as high as 34.64% and 28.15%, 49.27% and 63.82%, 34.58% and 24.59%, 60.04% and 49%, respectively, and increased the content of residual Cd by as high as 14.79% and 16.57%, respectively. The treatment of 10.0 gkg-1biochar had the most significant effect. Under different treatments, forms transformation of Cd had significant change and there were differences between the rhizosphere and non rhizosphere. Under the low and middle levels of Cd-contaminated, the forms transformation of Cd tended to be consistent in rhizosphere and non rhizosphere soil, but the content of Cd was different. Under the high level of Cd-contaminated, the biochar could cause forms transformation of Cd in rhizosphere and non rhizosphere, but it was not significant. (2) The application of biochar could significantly decrease the Cd content in rice aerial part and root, and the accumulation of Cd in rice root was higher than that of in the aerial part. Under different levels of Cd-contaminated, compared with B0, applying different amount of biochar reduced the content of Cd in rice aerial part and root by as high as 42.51% and 22.86%, respectively. The maximum content of Cd in root was 2.63 times higher than that in the aerial part. Treatment of amendment of 10.0 gkg-1biochar is the most effective in the rice.

biochar; Cd; Cd forms of rhizosphere and non-rhizosphere soil; rice; accumulation

10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.09.017

X53

A

1674-5906（2016）09-1534-06

赵青青, 王海波, 夏运生, 史静. 2016. 生物质炭对根际土壤中镉形态转化及水稻镉累积的影响[J]. 生态环境学报, 25(9): 1534-1539.

ZHAO Qingqing, WANG Haibo, XIA Yunsheng, SHI Jing. 2016. Effects of straw biochar on rhizosphere soil Cd forms transformation and Cd accumulation in rice [J]. Ecology and Environmental Sciences, 25(9): 1534-1539.

国家自然科学基金项目（41301349）；云南省应用基础研究计划项目（2013FB043）

赵青青（1990年生），女，硕士研究生，研究方向为土壤重金属污染的防治与修复。E-mail: 32063746@qq.com

*通信作者：史静（1980年生），女，副教授，博士，研究方向为土壤重金属污染防治。E-mail: 383110966@qq.com

2016-08-14