不同生物炭配施腐植酸对铬污染土壤中油菜品质及铬含量的影响

郭 茹，洪坚平

（山西农业大学资源环境学院，山西太谷 030801）

随着我国经济的快速发展，土壤环境的污染和安全问题日益严峻[1]，尤其是土壤中的重金属污染[2]。现代农田大部分引用工业和生活污水灌溉，由于长期缺乏有效治理手段，使区域内耕作土壤受重金属污染较为严重[3]，从而对粮食、蔬菜造成污染[4]，并且通过食物链进入人体，危害到人体的健康[5]。生物炭是一种由动植物残体在缺氧或无氧前提条件下通过高温裂解形成的稳定、高度芳香化的固体物质，一般呈碱性。国内外很多的研究发现，在土壤中添加生物炭，不但能够改善土壤的理化性质，丰富土壤的微生物群落，提高作物的产量，还能很好地吸附固定土壤中的污染物，能有效控制其迁移作用，是一种很好的污染物吸附剂和土壤改良剂。

为了更好地探究不同种类生物炭对于铬污染土壤中油菜品质及重金属的影响，为蔬菜种植提供相应参考，本研究特采用玉米秸秆炭、稻壳炭、小麦秸秆炭3种生物炭，设置3种不同添加量，通过对照试验，将油菜在温室中进行盆栽，对表征植物生长发育和品质的指标进行测定。

1 材料和方法

1.1 材料

1.1.1 供试土壤 采自小店清涧村污水灌溉的0～20 cm表层土，属黄土母质发育而成的石灰性褐土，质地为轻壤土。采集后去除杂物，过0.5 cm筛， 自然晾干备用。土壤理化性质如表1所示。

表1 供试土壤基本理化性质

1.1.2 供试作物品种和肥料

1.1.2.1 供试作物 五月慢油菜。

1.1.2.2 供试生物炭 玉米秸秆炭、稻壳炭、小麦秸秆炭，购于平遥晟弘科技有限公司。

1.1.2.3 供试基肥 腐植酸钠（HA-Na）；尿素（H2NCONH2（CO（NH2）2）（含氮量46.67%）；过磷酸钙（含磷量 14%～20%）；硫酸钾（K2SO4）（含钾量50%～55%）；鸡粪（含氮磷钾5.3%，有机质45%）。

1.2 试验设计

盆栽试验于山西农业大学资源与环境学院温室进行；化验分析试验于山西农业大学资源与环境学院环境监测实验室完成。盆栽试验采用双因素完全随机区组设计（表2），每盆称土2.67 kg，生物炭添加量按每千克土计算，具体添加量如下：添加腐植酸钠5 g/kg，尿素0.625 g/kg，过磷酸钙1.875 g/kg，硫酸钾0.44 g/kg，鸡粪6.67 g/kg。

表2 试验处理设计方案 g/kg

试验共设3个处理，分别添加玉米秸秆炭、稻壳炭、小麦秸秆炭3种生物炭，每个处理设置3，6，9 g/kg共3个水平，每个水平3次重复，再加一个空白对照（CK），也做3次重复，共计30盆。

1.3 测定项目及方法

油菜收获后称质量，记录每个试验小区油菜的生物量。采集新鲜油菜样品，选择部分处理代表性样品进行叶绿素、硝酸盐、维生素C、还原糖等品质分析，之后测定油菜地上部Cr含量。油菜中叶绿素采用10 mL丙酮和10 mL乙醇浸提，采用分光光度计比色法测定；油菜硝酸盐含量采用紫外分光光度法测定；油菜中还原糖用3，5二硝基水杨酸比色法测定；油菜中维生素C含量采用荧光分光光度计比色法测定；油菜的生物量采用电子分析天平测定；油菜中的铬采用ICP测定[6]。

1.4 数据分析

试验采用Microsoft Excel 2003处理数据，采用Sigmaplot 12.5制作图表，并且采用SPSS软件进行单因素方差分析，采用Duncan法进行检验（显著水平为 α＝0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同生物炭配施腐植酸对油菜生物量的影响

由图1可知，施加生物炭和腐植酸可促进油菜的生长，生物炭和腐植酸处理下相较CK均提高了油菜生物量，与CK相比，在玉米秸秆炭处理中，3，6，9 g/kg的施用量均显著增加了油菜的生物量，增幅分别为112%，102%，41%；稻壳炭处理中，3，6，9 g/kg的施用量均显著增加了油菜生物量，增幅分别为78%，60%，50%；小麦秸秆炭3，6 g/kg处理下油菜生物量显著提高，增幅分别为86%，47%，9 g/kg施用量增幅并不显著，增幅为10%。同种生物炭随着其施用量的增加，油菜生物量逐渐减少。3 g/kg处理下不同生物炭油菜生物量大小为玉米稻壳炭＞小麦秸秆炭＞稻壳炭；6 g/kg处理下不同生物炭油菜生物量大小为玉米稻壳炭＞稻壳炭＞小麦秸秆炭；9 g/kg处理下不同生物炭油菜生物量大小为稻壳炭＞玉米稻壳炭＞小麦稻壳炭。

2.2 不同生物炭配施腐植酸对油菜品质的影响

2.2.1 不同生物炭配施腐植酸对油菜中叶绿素含量的影响 从图2可以看出，添加生物炭的油菜中叶绿素的含量均比CK高，并且玉米秸秆炭3，9 g/kg和稻壳炭6，9 g/kg处理下油菜叶绿素含量显著高于CK，分别较CK提高了13%，15%和15%，14%。在添加玉米秸秆炭的梯度处理中，9 g/kg叶绿素含量最高，3 g/kg居中，6 g/kg最少。在添加稻壳炭的梯度处理中，6 g/kg叶绿素含量最高，9 g/kg次之，3 g/kg最少。在添加小麦秸秆生物炭处理中，3 g/kg叶绿素含量最多，6 g/kg居中，9 g/kg最少。

2.2.2 不同生物炭配施腐植酸对油菜中Vc含量的影响 从图3可以看出，对生物炭配施腐植酸下油菜中Vc含量的影响并没有明显规律，单施小麦秸秆炭处理下，随着生物炭施用量的增加，油菜中Vc含量呈先增高后降低的变化趋势，单施玉米秸秆炭也是如此；而单施稻壳炭中，随着生物炭施用量的增加，油菜中Vc含量却逐渐降低；施加6 g/kg小麦秸秆炭油菜中Vc含量相较CK显著提高，提高了80%。

2.2.3 不同生物炭配施腐植酸对油菜中硝酸盐含量的影响 由图4可知，与CK相比，小麦秸秆炭6，9 g/kg处理下油菜中硝酸盐含量显著提高，增幅分别为43%，58%；玉米秸秆炭6，9 g/kg和稻壳生物炭9 g/kg处理的硝酸盐含量均有提高，但差异不显著；其他处理均不同程度地降低了油菜中硝酸盐的含量，但差异都不显著；在单施一种生物炭情况下，随着生物炭施用量的增加，3种不同生物炭处理下油菜中硝酸盐含量均有增高的变化趋势，相同添加量下无明显差异。

2.2.4 不同生物炭配施腐植酸对油菜中还原糖含量的影响 从图5可以看出，3，6 g/kg不同生物炭和腐植酸处理下，油菜中还原糖含量并无变化；而当生物炭施用量增加到9 g/kg，还原糖含量显著增大，分别较CK增大了59.2%，62.1%，100%。还原糖是光合作用的最初产物，它暂时存储于植物的叶片中[7]，随着生物炭用量的增加，提高了油菜的光合作用，所以其还原糖含量显著增加[8-9]。

2.3 不同生物炭配施腐植酸对油菜中铬含量的影响

从图6可以看出，生物炭和腐植酸处理下油菜地上部中的铬含量均有不同幅度减少，且小麦秸秆炭6 g/kg施用量下对油菜中铬含量的降低效果达到最优，较CK降低了63%；并且小麦秸秆炭各施用量都比另外2种生物炭降低油菜中铬含量要多；玉米秸秆炭和稻壳炭的施用虽降低了油菜中的铬含量，但降低效果不显著。

3 讨论

3.1 不同生物炭配施腐植酸对油菜生物量的影响

生物炭可以改善土壤质量[10]，提高土壤中的有机质[11]，改善土壤中养分的循环[12]，提高有益菌种群数目[13]和减少有毒的离子对作物的毒害[7]，从而有益于作物生长[14]。本试验发现，当添加3 g/kg生物炭时可显著提高油菜的生物量，当施用量增加到6，9 g/kg时，油菜的生物量并未增加反而降低，这与张娜等[15]的试验结果相似，可能是因为生物炭的施用提高了土壤中有机质，使土壤更肥沃，但是施用大量的生物炭对土壤肥力的提升可能超过了作物吸收极限[16-17]。

3.2 不同生物炭配施腐植酸对油菜品质的影响

本研究表明，施加生物炭均能提升油菜中叶绿素含量，进而提升油菜的品质，这与张娜等[19-20]的研究结果相似。当生物炭的用量为3，6 g/kg时，油菜中还原糖含量相较CK无明显变化，但当施用量增加到9 g/kg时，油菜中还原糖含量均显著高于CK；施加6 g/kg小麦秸秆生物炭后油菜中所含的Vc含量最高。本试验在3，6 g/kg施用量下，硝酸盐的含量无明显变化，但当施加量增加到9 g/kg时，油菜中所含的硝酸盐明显提高；而且随着生物炭施用量的增大，油菜中硝酸盐含量有增大的趋势，但是刘玉学等[21]研究发现，试验在施加180 kg/hm2氮的情况下（约合80 mg/kg），而且稻秆炭和竹炭添加水平较低时也未对作物硝酸盐含量产生显著性影响，但当施加量达到40 t/hm2时，小青菜中所含硝酸盐显著减少。这与本试验的结果不符。有研究表明，作物中所含硝酸盐高低通常与土壤的施氮量有关[22-24]。张万杰等[18]通过盆栽试验研究表明，在施氮量90 mg/kg水平下，施用5，10 g/kg生物炭均可显著提高菠菜的硝酸盐含量；而在不施氮肥和施氮量为120 mg/kg水平时，生物炭对菠菜中所含的硝酸盐量高低并无明显的影响。具体的原因需要综合考虑生物炭类型及其施加量、作物种类、土壤类型等因素进行进一步分析论证[25]。

3.3 不同生物炭配施腐植酸对油菜中铬含量的影响

研究发现，由于生物炭本身具有较大的比表面积[26]和很高的阳离子交换量[27]，能够提高土壤的静电吸附能力[28]，进而作用于重金属的迁移转化[29]。本试验结果表明，施加不同生物炭后，油菜中铬含量相比CK均显著降低，添加生物炭能够显著降低油菜中铬的含量，提高油菜的食用安全性，与王宁等[31]的试验结果相符。

4 结论

本试验结果表明，施加生物炭有利于油菜生物量提高，但是油菜的生物量并未随着所施加生物炭的增多而增多，反而有所减少，添加玉米秸秆生物炭为3g/kg时，油菜的生物量最大，较CK高112%。从3种不同生物炭配施腐植酸对油菜的品质影响可以看出，施加生物炭的油菜中所含叶绿素均高于CK，其中，稻壳炭为6 g/kg时，油菜中所含叶绿素最高，比CK增加15%。施加稻壳生物炭3 g/kg时，油菜中所含硝酸盐最低，比CK减少28%。小麦秸秆炭为6 g/kg时，油菜中维生素C含量最高，比CK增加了80%；施加生物炭均减少了油菜中铬含量，施加小麦秸秆炭为6 g/kg时，油菜中铬含量最低，比CK降低了63%。生物炭的施用对污灌土壤中油菜产量和品质的研究可为污灌土壤栽培作物提供参考,可以结合油菜的用途及生产需求来控制施炭量，以提高油菜品质。

［1］周建军，周桔，冯仁国.我国土壤重金属污染现状及治理战略[J].中国科学院院刊，2014，29（3）：315-320.

［2］赵铭.土壤重金属污染现状、原因、危害及修复研究[J].资源节约与环保，2016（4）：181，184.

［3］蒋煜峰，袁建梅，卢子扬，等.腐殖酸对污灌土壤中Cu、Cd、Pb、Zn形态影响的研究[J].西北师范大学学报（自然科学版），2005（6）：48-52.

［4］NICHOLSON F A，SMITH S R，ALLOWAY B J，et al.An inventory of heavymetals inputs toagricultural soils in England and Wales[J].Science ofthe Total Environment，2003，311：205-219.

［5］刘维涛，周启星.不同土壤改良剂及其组合对降低大白菜镉和铅含量的作用[J].环境科学学报，2010（9）：1846-1853.

［6］鲍士旦.土壤农化分析[M].北京：中国农业出版社，2000.

［7］李力，刘娅，陆宇超，等.生物炭的环境效应及其应用的研究进展[J].环境化学，2011，30（8）：1411-1421.

［8］李静静.生物炭与氮肥配施对植烟土壤特性、烤烟生长及烟叶品质的影响[D].郑州：河南农业大学，2016.

［9］GUO W，LIN Q H，ZHANG C F，et a1.Changes of glutamine synthetase and other amm-onia assimilating enzymes during the germination ofthe seed and the development ofthe cotyledon in cushaw[J].J Wuhan Bot Res，2002，20：236-240.

［10］ LEON E，DE LA HABA P，MALDONADO J M.Changes in the levels of enzymes involved in ammonia assimilation during the development of phaseolus vulgaris seedlings[J].Effects of Exogenous Ammonia Physiol Plant，1990，80：20-26.

［11］赵兰坡.施用有机物料对土壤的培肥作用 [J].土壤通报，1996，27（2）：76-78.

［12］SOHI S P，KRULLE，LOPEZ-CAPELE，et al.Areviewofbiochar and its use and function in soil[J].Advances in Agronomy，2010，105：47-82.

［13］ KIMETU J M，LEHMANN J，NGOZE S O，et al.Reversibility of soil productivity decline with organic matter of offering quality along a degradation gradient [J].Ecosystems，2008，11 （5）：726-739.

［14］STEINER C，DAS KC，GARCIAM，et al.Charcoal and smoke extract stimulate the soil microbial counity in a highly weathered xan-thic Ferralsol[J].Pedobiologia，2008，51（5）：359-366.

［15］张娜，李佳，刘学欢，等.生物炭对夏玉米生长和产量的影响[J].农业环境科学学报，2014，33（8）：1569-1574.

［16］UCHIMIYA M，WARTELLE L H，KLASSON K T，et al.Influence ofpyrolysis temperature on biochar popertyand function as a heavy metal sorbent in soil[J].Journal of Agricultural and Food Chem istry，2011，59（6）：2501-2510.

［17］付春娜.生物炭对不同马铃薯品种生长及产量的影响 [D].哈尔滨：东北农业大学，2016.

［18］张万杰，李志芳，张庆忠，等.生物质炭和氮肥配施对菠菜产量和硝酸盐含量的影响 [J].农业环境科学学报，2011，30（10）：1946-1952.

［19］陈心想.生物炭对土壤性质、作物产量及养分吸收的影响[D].杨凌：西北农林科技大学，2014.

［20］刘玉学，王耀锋，吕豪豪，等.不同稻秆炭和竹炭施用水平对小青菜产量、品质以及土壤理化性质的影响[J].植物营养与肥料学报，2013，19（6）：1438-1444.

［21］卜晓莉，薛建辉.生物炭对土壤生境及植物生长影响的研究进展[J].生态环境学报，2014，23（3）：535-540.

［22］都韶婷，金崇伟，章永松.蔬菜硝酸盐积累现状及其调控措施研究进展[J].中国农业科学，2010，43（17）：3580-3589.

［23］陈庆飞.基质添加生物炭对铁皮石斛生长及品质的影响[D].杭州：浙江师范大学，2015.

［24］ GLASER B，LEHMANN J，ZECH W.Ameliorating physical and chemical properties of highly weathered soils in the tropics with charcoal-a review[J].Biol Fert Soils，2002，35：219-230.

［25］袁帅，赵立欣，孟海波，等.生物炭主要类型、理化性质及其研究展望[J].植物营养与肥料学报，2016，22（5）：1402-1417.

［26］武玉，徐刚，吕迎春，等.生物炭对土壤理化性质影响的研究进展[J].地球科学进展，2014，29（1）：68-79.

［27］李建宏，楚颖超，吴蔚东.椰纤维生物炭添加对海南花岗岩砖红壤吸附Pb（Ⅱ）的影响 [J].环境工程学报，2016，10（8）：4553-4558.

［28］UCHIMIYA M，LIMA I M，KLASSON K T，et al．Immobiliza-tion ofheavymetal ions（CuII，CdII，NiII,and PbII）bybroiler litter-derived biochars in water and soil[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry，2010，58（9）：5538-5544．

［29］王宁.生物炭对复合污染土壤植物修复效果的影响研究[D].济南：山东大学，2012.