生物炭+碱渣钙镁肥对镉污染土壤、花生产量和品质的影响

黄 庆，张建文，黄连喜，魏 岚，黄玉芬，杨晓娟，许桂芝，刘忠珍

（1.广东省农业科学院农业资源与环境研究所/农业农村部南方植物营养与肥料重点实验室/广东省农业资源循环利用与耕地保育重点实验室，广东 广州 510640；2.云浮市农业农村局，广东 云浮 527300；3.云浮市云城区农业科学研究所，广东 云浮 527300）

【研究意义】花生（Arachis hypogaeaL.）是重要的经济作物和油料作物之一，众多研究表明，花生荚果对土壤镉具有很强的富集能力，花生米镉含量偏高已成为制约我国花生生产的重要因素[1-4]。广东省粤北地区的矿山和冶炼厂等是主要的重金属污染源，其周边农田土壤重金属污染突出问题由来已久，受到社会的广泛关注[5-6]，而当地农民常年有规模化种植花生的习惯，花生荚果存在高重金属含量的风险。本试验的目的在于探索一种新型高效生物炭组合材料，并验证其在花生生产上的应用效果。

【前人研究进展】2018年8月1日开始实施的《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB15618-2018），要求“对于土壤重金属含量高于风险筛选值，等于或者低于风险管制值时，土壤可能存在食用农产品不符合质量安全标准等风险，原则上应采取农艺调控、替代种植等安全利用措施”[7]。对于这种重金属含量不高，但存在重金属污染风险的耕地，采用向土壤中施用钝化剂的办法，通过钝化剂与土壤重金属发生络合、沉淀、吸附、离子交换以及氧化还原反应，以减少重金属的迁移性和生物有效性，从而降低植株对重金属的吸收，生产出符合质量安全标准的农产品，这种安全利用措施不影响正常农业生产，可以达到边生产边修复的目的[8-9]。

【本研究切入点】常用的钝化剂包括石灰性物质、生物炭、有机肥、粘土矿物和磷酸盐材料等[10-12]。其中生物炭被证明能有效降低土壤重金属的生物有效性，减少污染物的生态风险，可以作为土壤重金属污染治理修复的较好材料[13-14]。试验证明，碱渣钙镁肥呈弱碱性，富含钙、镁和硅等多种营养元素。同时，碱渣钙镁肥以其价格低廉、效果明显的优点，更多地被应用于钝化土壤重金属活性上[15-16]。本试验选择广东省仁化县存在镉污染风险农田为试验地，以椰壳生物炭和碱渣钙镁肥为试验材料。方法是在NPK常规施肥的基础上，配施生物炭、碱渣钙镁肥、生物炭+碱渣钙镁肥，对不同处理进行比较，研究生物炭+碱渣钙镁肥的施用对土壤pH、土壤有效镉含量，以及花生米、花生壳、花生茎叶不同植株部位镉累积量的影响。【拟解决的关键问题】生物炭和碱渣钙镁肥各自在改良土壤理化性状、增产和改善品质等方面有诸多研究，但两者配合施用对改良重金属污染土壤，培肥地力，提高作物产量和品质，以及降低作物对镉等重金属的吸收累积却鲜见报道。另外，目前有关降低花生籽粒中重金属含量的研究报道多来自盆栽试验，偶有大田研究结果。本研究解决生物炭“有机+无机”的组配在花生大田的效应问题，以期为生物炭材料的增效利用提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验地位于广东省仁化县某矿区附近农田。该地冬春冷，夏秋热，年平均气温为19.6℃，气候为中亚热带季风气候，年平均降雨量为1 665 mm左右。种植的主要作物为水稻、花生和玉米。

生物炭是以椰壳为原料经550～600℃厌氧炭化，粉粹过0.4 mm孔筛，pH7.34、比表面积114.8 m2/g、总C 78.6%，Ca O1.19%。碱渣钙镁肥由氨碱法制碱产生的废渣经过无害化处理和改性工艺加工而成，pH8.52、MgO 7.1%、CaO 28.2%、SiO24.1%。

供试土壤是由红壤母质发育的水稻土，常年水旱轮作，土壤pH6.20、有机质3.64%、碱解氮154.7 mg/kg、有效磷127.3 mg/kg、速效钾76.0 mg/kg、阳离子交换量（CEC）12.35 cmol/kg、交换性钙11.09 cmol/kg、交换性镁0.41 cmol/kg、有效硅170.3 mg/kg、有效镉0.428 mg/kg、全镉0.748 mg/kg。土壤镉高于风险筛选值（0.3 mg/kg）[7]，镉污染指数Pi=Ci/Si=2.49，属中度累积。

1.2 试验方法

试验设常规施肥NPK（CK）、NPK+生物炭20 t/hm2（B）、NPK+碱渣钙镁肥3 t/hm2（C）、NPK+生物炭20 t/hm2+碱渣钙镁肥3 t/hm2（BC）4个处理，每个处理3次重复，随机区组排列，小区面积15 m2（10 m×1.5 m）。生物炭和碱渣钙镁肥全部用作基肥撒施，结合整地起畦与耕层土壤充分混匀。NPK用量每667 m2N、P2O5、K2O分别为10、4、8 kg。

花生种子直播，种植规格为每畦种5行，株行距约20 cm×23 cm，每穴播种子2粒。统一灌溉、防治病虫害、除草等田间常规管理。晚造花生播种期为2018年8月5日，收获期为12月1日，全生育期为118 d。

花生成熟采收时，每处理小区采取耕层（0～20 cm）土壤混合样1 kg，进行风干，分别过孔径0.850、0.150 mm筛，储存备用。每处理小区分别收获，进行荚果称重，随机取2 kg花生荚果，晒干测定各处理荚果水分，折算荚果产量。每小区随机采取花生10株，分茎叶、果仁、果壳分别烘干，粉碎备用。

1.3 分析方法

土壤pH值按V（水）∶m（土）=2.5∶1，采用电位法测定。生物炭pH按V（水）∶m（炭）=10∶1，采用电位法测定。土壤有机质含量采用高温外加热-重铬酸钾容量法测定。阳离子交换量采用乙酸钠浸提-火焰光度计法测定。土壤碱解氮含量采用碱解扩散法测定。土壤有效磷含量采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定。土壤速效钾含量采用1 mol/L NH4OAc浸提-火焰光度法测定。生物炭全C元素含量使用元素分析仪测定（德国Elementar公司Vario ELⅢ）。

植株Cd含量采用HNO3-HClO4消煮-原子吸收分光光度法测定。土壤有效态Cd含量采用0.005 mol/L DTPA-0.1 mol/L TEA-0.001 mol/L CaCl2浸提-原子吸收分光光度法测定（美国PerkinElmer公司AA800）。花生米粗蛋白含量采用H2SO4-K2SO4-CuSO4-Se消煮，N含量测定换算法。花生米油脂含量采用近红外分析仪测定。土壤其他指标的测定采用《土壤农化分析》常规方法[17]。

采用Microsoft Excel 2007进行数据处理，SPSS 19统计分析软件单因素随机区组ANOVA进行方差分析和Duncan多重比较，以及Pearson指标间的相关性分析、线性回归和相关显著性测验。

2 结果与分析

2.1 不同材料处理对土壤的影响

2.1.1 不同材料处理对土壤pH值的影响 花生成熟收获后，按不同材料处理小区采取耕层（0～20 cm）土样进行pH值测定，得出不同处理土壤pH值变化，结果见图1。从图1可以看出，在习惯施肥NPK的基础上，增施生物炭、碱渣钙镁肥、生物炭+碱渣钙镁肥处理，种植一造花生后，与对照比较，碱渣钙镁肥（C）处理和生物炭+碱渣钙镁肥（BC）处理土壤pH值分别提高0.34和0.91个单位，达显著水平；而单施生物炭（B）处理，土壤pH值升高不显著。

图1 不同材料处理土壤pH比较Fig.1 Comparison of soil pH under different material treatments

2.1.2 不同材料处理对土壤有效Cd含量的影响 花生收获后，按不同处理小区采取耕层（0～20 cm）土样进行有效Cd含量测定，结果见图2。从图2可以看出，与对照相比，生物炭+碱渣钙镁肥（BC）处理、碱渣钙镁肥（C）处理均显著降低了土壤有效Cd含量，而单施生物炭（B）处理对降低土壤有效Cd含量的效果不显著。

2.1.3 土壤pH值与有效Cd含量之间的回归分析 以不同处理的土壤pH值为自变量（X），以土壤有效Cd含量为因变量（Y），n=12进行线性回归和Pearson相关性分析，画出散点图，得出回归方程和相关系数，结果见图3。从图3可以看出，土壤pH值与土壤有效Cd含量之间存在显著负相关，相关系数R2=0.4975，直线回归方程为Y=-0.0646X+0.7926。

图2 不同材料处理土壤有效Cd含量比较Fig.2 Comparison of soil available Cd contents under different material treatments

图3 土壤pH与土壤有效Cd含量的线性回归分析Fig.3 Regression analysis between soil pH and available Cd contents

2.1.4 不同材料处理对土壤养分的影响 花生收获后，按不同材料处理小区采取耕层（0～20 cm）土样进行有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、交换性钙、交换性镁和有效硅含量的测定，结果见表1。从表1可以看出，与对照比较，生物炭+碱渣钙镁肥（BC）处理和生物炭（B）处理，土壤有机质含量分别提高21.71%和21.61%，均达显著水平；与对照比较，生物炭+碱渣钙镁肥（BC）处理土壤交换性Mg和有效Si含量分别提高72.05%和39.34%，均达显著水平。这主要与碱渣钙镁肥中Mg和Si含量较高有关。土壤碱解氮、有效磷、速效钾、交换性钙含量处理间无显著差异。

表1 不同处理土壤养分含量Table 1 Nutrients content in soil under different material treatments

2.2 不同材料处理对花生植株各部位Cd含量的影响

花生成熟收获后，按材料处理小区采集花生茎叶和荚果进行干燥处理，分别测定花生米、花生壳和花生茎叶重金属Cd含量，结果见图4。从图4可以看出，与对照比较，碱渣钙镁肥（C）处理、生物炭+碱渣钙镁肥（BC）处理成熟期花生茎叶重金属Cd含量下降20.31%，达显著水平；而花生壳重金属Cd含量下降24.32%，花生米重金属Cd含量下降18.68%，但两者均未达到显著水平。

图4 成熟期花生植株各部位Cd含量比较Fig.4 Cd content in different parts of peanut plant at maturity

2.3 不同材料处理对花生产量和品质的影响

2.3.1 不同材料处理对花生荚果产量的影响 花生成熟期对各材料处理小区进行单独收获、脱粒、晒干和称重，得出不同材料处理花生荚果产量，结果见图5。从图5可以看出，与对照比较，生物炭+碱渣钙镁肥（BC）处理花生荚果产量提高9.39%，达显著水平；生物炭（B）处理、钙镁肥（C）处理与对照对花生荚果产量均无显著影响。

2.3.2 不同材料处理对花生农艺性状的影响 花生收获期，随机选取10株花生进行主茎高、每株分枝数、单株荚果数和饱果率调查，并对晒干的荚果样品进行百果重、百果仁重和出仁率调查，结果见表2。从表2可以看出，与对照比较，生物炭+碱渣钙镁肥（BC）处理收获期花生植株主茎高、分枝数、荚果数、饱果率、百果重和百果仁重均呈现上升的趋势。

图5 不同材料处理花生荚果产量比较Fig.5 Comparison of yield of peanut pods under different material treatments

表2 不同材料处理花生农艺性状Table 2 Peanut agronomic traits under different material treatments

2.3.3 不同材料处理对花生米品质的影响 花生成熟期对各材料处理小区荚果采样、去壳、烘干和粉碎，进行花生米粗蛋白含量和脂肪含量测定，结果见图6和图7。从图6可以看出，与对照比较，生物炭+碱渣钙镁肥（BC）处理花生米粗蛋白提高9.39%，达显著水平。与对照比较，生物炭（B）处理和碱渣钙镁肥（C）处理花生米粗蛋白含量分别提高2.31%和0.99%，均未达到显著水平。

图6 不同材料处理花生米粗蛋白含量Fig.6 Comparison of crude protein content of peanut kernel under different material treatments

图7 不同材料处理花生米脂肪含量Fig.7 Comparison of crude fat content of peanut kernel under different material treatments

从图7可以看出，与对照比较，生物炭（B）处理、生物炭+碱渣钙镁肥（BC）处理花生米粗脂肪分别提高2.82%和3.08%，均达显著水平。与对照比较，碱渣钙镁肥（C）处理花生米粗脂肪含量有一定程度的提高，但未达显著水平。

3 讨论

由于生物炭是由木材或秸秆等林业、农业废弃物经厌氧高温炭化而成，含有一定量的碱金属化合物灰分，所以大多数生物炭材料偏碱性。而本研究采用的是椰子壳作为原材料，炭化之后还进行了一定程度的洗涤活化，是一种接近中性的生物炭材料，椰壳生物炭pH值7.34、碱性成分CaO含量1.19%。因此，在本试验处理中可以排除生物炭材料对土壤pH的影响。也就是本研究中对降低土壤有效镉起主要作用的是碱渣钙镁肥。碱渣钙镁肥pH 8.52、MgO 7.1%、CaO 28.2%、SiO 24.1%，碱渣钙镁肥功效与石灰或白云石的性质相似[18-20]。

碱渣钙镁肥、生物炭+碱渣钙镁肥处理，均显著地提高了酸性土壤pH值，说明土壤pH是影响土壤镉有效性的关键因素，这与黄庆等的研究结果相吻合[21-22]。当然，因为生物炭本身是一种多孔材料，比表面积很大（114.8 m2/g），具有较高的吸附性能，在一定程度上也可吸持土壤溶液中重金属镉，从而在降低土壤有效态镉含量方面起到一定的辅助作用。

酸性土壤受重金属的污染，采用有机-中性化技术的关键是提高土壤的pH，降低镉等重金属的有效性，从而减轻重金属对作物的危害。本试验中由于碱渣钙镁肥的施入，土壤pH值明显升高，为土壤提供了较多的羟基[OH]-离子，与土壤溶液中的活性镉离子Cd2+共沉淀，致使土壤有效镉下降，可以明显降低花生茎叶对重金属镉的累积，这与以往诸多研究结果相一致[23-24]。此外，成熟期花生植株各部位重金属镉含量为：茎叶＞花生米＞花生壳。虽然种植花生的土壤只是重金属镉中度污染，处于风险筛选值范围，但花生米重金属镉含量，各处理均超过《食品中污染物限量GB 2762-2012》中规定的花生Cd 0.5 mg/kg的限量值[7]，说明花生荚果极容易累积重金属镉，对于存在镉污染风险的农田上种植花生，需要引起足够的重视。

生物炭+碱渣钙镁肥施入土壤中，一方面，生物炭的总C含量达78.6%，土壤中有机碳含量显著提高。生物炭的输入，在培肥地力的同时，对土壤起到保水保肥的效果，从而营造有利于花生生长的土壤环境[26-28]；另一方面，碱渣钙镁肥含有的镁是花生中叶绿素和植酸盐的组成元素，镁能促进磷酸酶和葡萄糖转化酶的活化，在碳水化合物代谢中起着重要作用。硅酸还具有置换土壤中磷酸根的作用，因而可促进土壤磷的释放和增加有效磷含量，利于花生对磷的吸收。综上，施入生物炭显著地增加了土壤有机质含量，有机质与无机镁、硅元素的配合，可使有机肥的“容量因子”和无机肥的“强度因子”有机地结合起来，营养全面，供肥平稳。本试验利用生物炭+碱渣钙镁肥组配材料，种植一造花生后，土壤有机质、交换性镁和有效硅含量均明显提高，收获期花生植株主茎高、分枝数、荚果数、饱果率、百果重和百果仁重都呈现上升的趋势，显著地提高了花生荚果的产量和花生米粗纤维、粗脂肪的含量，这与战秀梅、王月、陈华等的研究结果相一致[29-31]。

越来越多的土壤重金属污染治理修复材料都是采用两种或以上的材料组合的方式。比如生物炭+生物有机肥[11]、生物炭+石灰[21-22]、石灰+海泡石[23]、沸石+石灰石+钙镁磷肥+猪粪[32]、羟基磷灰石+沸石+酸改性炭化秸秆[33]等，都是“有机+无机”或者“有机+无机”进行混配。这种组合可以综合发挥多种材料各自的优点。生物炭、碱渣钙镁肥单独施用均为耕地土壤重金属钝化的良好材料，本试验结果表明，两者的配合作用，获得了良好的效果。至于生物炭+碱渣钙镁肥组合材料，对其他重金属污染土壤、作物的确切效果如何，还需做进一步的试验研究。

4 结论

在重金属镉中度污染的农田，采用生物炭+碱渣钙镁肥组合配施，显著地提高了土壤的pH值，土壤pH与土壤中有效镉含量之间呈现显著的负相关，从而降低了土壤中重金属镉的生物有效性，明显地减少土壤中镉向花生植株地上茎叶部位的吸收累积。施入土壤中的生物炭营造了良好的土壤理化性状，碱渣钙镁肥则向花生植株提供了大量的钙、镁和硅等重量营养元素，在显著提高花生荚果产量的同时，有效地改善了花生荚果的品质。

由于同一作物对不同重金属的吸收不同，不同种类的作物对重金属的吸收亦存在一定的差异，尽管施用生物炭+碱渣钙镁肥，花生茎叶、花生壳和花生米中镉含量均有降低的趋势，花生果仁中镉的含量依然未达到国家食品卫生标准。因此，建议在重金属污染农田上，在施用重金属钝化材料的同时，选择重金属低累积的作物品种种植，结合适当的农艺措施，以减少镉等重金属通过食物链进入人体。