棉秆炭减缓土壤中镉对水稻生长的胁迫效应

刘师豆, 朱新萍,2*, 赵一, 王博言, 韩耀光,杨贝贝, 卢智, 贾宏涛,2

(1.新疆农业大学草业与环境科学学院, 乌鲁木齐 830052; 2.新疆农业大学新疆土壤与植物生态过程重点实验室, 乌鲁木齐 830052)

2014年，环保部和国土资源部发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，全国土壤污染点位超标率达16.1%，其中土壤镉超标率为7.0%[1]。水稻(OryzasativaL.)作为镉富集作物之一[2]，土壤镉污染会对水稻生长产生不利影响，直观表现为株高降低，叶片发黄、变白，且光合效率下降，同时作物籽粒数减少，籽粒充实度降低，因而作物产量下降[3]。生物质炭是生物质在缺氧条件下高温裂解生成的一类新型环境功能材料[4]，生物质炭在促进小麦[5]、水稻[6]、油菜[7]、棉花[8]等作物生长、提高作物产量以及改善土壤质量等方面具有一定效果[9]。据报道，生物质炭可以改变重金属污染物的形态，降低其可迁移性和生物有效性，进而减少污染物在作物中的积累，从而提高农产品品质。在我国东南区域的酸性土壤中研究得出，在未被镉污染和重金属污染的土壤中施用生物质炭可以提高土壤pH和养分含量，对栽种植物的株高、茎粗、生物量、叶面积和产量也有显著的提升作用，施用炭土质量比为5%生物质炭增效最好，10%的生物质炭则会抑制植物生长[10]。也有研究表明，在碱性土壤中施加生物质炭可以增加玉米[11]、绿豆[12]等作物的株高、生物量和产量，促进作物生长[13]。因此，生物质炭在应用于重金属污染土壤下农作物生产方面潜力巨大[14]。

新疆自治区乌鲁木齐市米东区作为新疆大米主产区之一，曾有农田土壤Cd浓度高于新疆土壤背景值1.0～1.5倍[15-16]的报道，呈现典型的累积性重金属污染特征[17]，甚至有水稻种植地检出镉浓度达34.83 mg·kg-1[18-19]。可见在乌鲁木齐市部分水稻种植区存在农作物生长受镉污染影响的风险。为研究干旱半干旱区碱性水稻土壤中，不同浓度镉胁迫对水稻生长产生的影响，及生物质炭添加能否减缓镉对水稻生长及产量的胁迫，本研究采用室外盆栽试验，以水稻为试验材料，在不同镉污染土壤中施用不同比例的棉杆生物质炭，在水稻拔节期、孕穗期、灌浆期和完熟期分析施用棉秆炭对水稻生长、光合特性及产量的影响，探究棉杆生物质炭对镉污染土壤的水稻生长及产量的影响，为棉花秸秆生物质炭应用于镉污染土壤的水稻生产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以水稻品种‘特丰优2号’为研究材料，供试土壤为新疆自治区乌鲁木齐市米东区稻田土壤，土壤pH 8.07(水土比1∶2.5)，电导率3.70 mS·cm-1、有机质31.27 g·kg-1、全氮0.83 g·kg-1、全磷0.79 g·kg-1、全钾8.29 g·kg-1、碱解氮97.7 mg·kg-1、速效磷38.02 mg·kg-1、镉含量0.32 mg·kg-1。供试生物质炭为棉花秸秆生物质炭，由新疆农业科学院提供，炭化温度为360 ℃，炭化时间为16 h，过0.5 mm筛备用。棉秆生物质炭pH 9.37，全氮21.76 g·kg-1、全磷10.58 g·kg-1、全钾21.45 g·kg-1、碱解氮5.38 mg·kg-1、速效磷200.94 mg·kg-1、镉含量0.083 mg·kg-1。

1.2 试验设置

水稻室外盆栽试验在新疆农业大学农科楼试验地进行。将农田土壤风干后过5 mm筛，装入50 cm×42 cm(高×直径)聚乙烯桶，每盆装土15 kg。试验设两个处理因素，镉浓度和生物质炭施用量。参考《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》[20]、相关研究[15-19]及对乌鲁木齐市农作物种植区中镉浓度的调查结果，设置土壤镉浓度分别为0(Cd0)、1(Cd1)、4(Cd4)、8 mg·kg-1(Cd8)，将CdCl2·2.5H2O配置为所需镉溶液，用注射器喷施并与土混合均匀，稳定2个月。将生物质炭按照与土壤质量比分别以0%(C0)、1%(C1)、2.5%(C2.5)、5%(C5)的比例混入不同镉浓度处理土壤中，再稳定2周后覆水插秧，水深5 cm。试验共16个处理，每个处理4次重复，每盆定苗3株。以不加镉不加生物质炭的处理为对照组(Cd0C0)。基肥施用量参考乌鲁木齐市本地农田用量，尿素180 kg·hm-2，磷酸氢二胺225 kg·hm-2，硫酸钾52.5 kg·hm-2，出穗期“晒田”10 d，整个生育期165 d(2018年5月20日—10月5日)，全生育期水肥条件一致。

1.3 指标检测与方法

分别于水稻拔节期(7月28日)、孕穗期(8月15日)、灌浆期(9月18日)和完熟期(10月4日)对水稻活体进行指标检测。株高为水稻扬花前土面至最高叶尖的高度，扬花后土面至穗顶(不计芒)的高度。使用SPAD502叶绿素仪(浙江托普云股份有效公司)测定水稻最高功能叶片的SPAD值。在晴朗无云的上午9:00—11:30，使用Li-6400型便携式光合测定仪(美国 Li-Cor 公司)，选取水稻最高功能叶片正面测定水稻胞间CO2浓度(Intercellular CO2concentration, Ci)、蒸腾速率(E)、气孔导度(stomatic conductance, Gs)和净光合速率(net photosynthesis rate, Pn)并计算叶片水分利用率(water use efficiency of leaf, LWUE)。于水稻完熟期考种测产，测定水稻每盆穗数、穗粒数、穗长、结实率、千粒重、每盆产量，采用AUW220型电子分析天平(岛津)称取质量。土壤理化性质测定参考鲁如坤[21]。

叶片水分利用率(LWUE)=光合速率/蒸腾速率

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2016进行数据统计分析，用SPSS 17.0进行单因素方差分析(One-Way ANOVA)、多因素方差分析(Multi-Way ANOVA)和多重比较分析(Duncan法)，使用Origin 8.5进行绘图。

2 结果与分析

2.1 镉胁迫下棉秆炭对水稻株高的影响

不同处理的水稻株高检测结果(表1)可知，在不添加生物质炭的条件下(C0)，与Cd0处理相比，水稻各生育期的株高随镉浓度递增而逐渐降低，Cd8处理在4个时期较Cd0分别降低30.90%、15.71%、16.87%和10.20%(P<0.05)。相同浓度镉胁迫处理下，水稻株高在4个生育期不同生物质炭处理基本表现为C1>C0>C2.5>C5，可见镉胁迫条件下施用炭土质量比为1%的棉秆炭可以提高水稻株高，且在Cd1浓度下C1处理对水稻株高的促进效果最明显，该处理下4个时期的株高分别比C0处理增加8.41%、3.53%、9.01%和4.51%。说明在不添加生物质炭条件下，随着镉浓度的增加，水稻生长受到抑制；生物质炭添加可以削弱镉对水稻生长的胁迫作用，炭土质量比为1%的生物质炭效果最佳。

表1 镉胁迫下棉秆炭对水稻株高的影响Table 1 Effects of cotton stalk biochar on plant height of rice under cadmium stress (cm)

2.2 镉胁迫下棉秆炭对水稻叶片SPAD值及叶片水分利用率的影响

SPAD指数是用来表示叶片中叶绿素含量的参数。不同处理的水稻叶片SPAD值结果(图1)可知，在全生育期，随着水稻的成熟，叶片失绿变黄，水稻叶片SPAD值逐渐降低，完熟期具有最小值。相同施炭量条件下，叶绿素含量随着镉浓度递增而减少。同时期相同镉浓度下，水稻叶片SPAD值随施炭量的增加而增加。不同处理的LWUE结果(图1)可知，与处理Cd0相比，镉胁迫降低了水稻叶片水分利用率，但是各镉浓度胁迫处理下，与C0对比，C1处理可以提高水稻叶片水分利用率，而C2.5和C5则小幅降低叶片水分利用率。完熟期的水稻LWUE高于其他生育期。

2.3 镉胁迫下棉秆炭对水稻叶片光合能力的影响

不同处理的水稻叶片光合能力结果(图2)可知，全生育期中水稻Ci随土壤镉浓度的增加而降低，相同浓度镉胁迫下，水稻Ci表现为C2.5>C1>C0>C5的趋势，即除施用5%生物质炭具有抑制作用外，0%、1%、2.5%的生物质炭处理均提高了水稻胞间CO2浓度，且2.5%生物质炭施用效果最好。

注: 不同小写字母表示相同镉处理下不同生物质炭处理间差异在P<0.05水平具有统计学意义。Note: Different lowercase letters of the same cadmium treatment indicate significant difference between different biochar treatments at P<0.05 level.图1 镉胁迫下棉秆炭对水稻叶片SPAD和LWUE的影响Fig.1 Effects of cotton stalk biochar on leaf SPAD and LWUE of rice under cadmium stress

注: 不同小写字母表示相同镉处理下不同生物质炭处理间差异在P<0.05水平具有统计学意义。Note: Different lowercase letters of the same cadmium treatment indicate significant difference between different biochar treatments at P<0.05 level.图2 镉胁迫下棉秆炭对水稻叶片Ci、E、Gs和Pn的影响Fig.2 Effects of cotton stalk biochar on Ci, E, Gs, and Pn of rice leaves under cadmium stress

不同镉浓度下施用生物质炭对水稻E、Gs和Pn的影响趋势与Ci变化趋势一致。

2.4 镉胁迫下棉秆炭对水稻产量的影响

不同处理的水稻产量结果(表2)可知，单一重金属镉、单一生物质炭以及镉和生物质炭交互处理皆对水稻产量有极显著影响(P<0.001)。在相同生物质炭施用量下，随镉浓度的增加各产量指标均降低，即镉胁迫降低了水稻产量。在相同镉浓度处理下，随着生物质炭施用量的增加，水稻产量相关指标并未持续增加，而是施用1%生物质炭处理最高，而2.5%和5%生物质处理对水稻产量具有抑制作用。在Cd0、Cd1、Cd4和Cd8四个Cd胁迫处理下，C1处理较C0的每穗粒数分别增加14.62%、12.84%、0.71%和1.6%，每盆穗数分别增加5.13%、3.7%、7.7%和1.6%，千粒重分别增加21%、8.1%、13.4%和7.1%，每盆的增产率分别为45.45%、30.63%、22.20%和12.98%。可见添加1%生物质炭处理对水稻的增产效果最好。在所有处理中，Cd0C1处理的水稻产量最高。综上，施用生物质炭可以减缓镉胁迫造成的水稻生长和生产的不良效应，尤其是1%生物质炭施用量对土壤Cd(0～8 mg·kg-1)污染下的水稻产量有显著增产效果(P<0.05)，但生物质炭施用量超过1%，水稻产量反而降低。

表2 镉胁迫下棉秆炭对水稻产量的影响Table 2 Effects of cotton stalk biochar on rice yield under cadmium stress

3 讨论

水稻株高是植物生长状况最直观的表现，其高矮的不同状态直接反映作物生长速率的快慢，间接反映污染物对植株的毒害程度。叶片SPAD值可表示叶绿素含量，可以体现植物的光合作用效率。水分是植物生长发育的主要因素之一，水分利用率可反映植物生长与水分利用之间的关系。一般而言，重金属Cd会对水稻生长和生理产生不利影响。Cd进入植物体内，引起营养元素失去平衡，造成代谢失调，植物受重金属毒害后会表现为叶片失绿、变薄、变白，导致植物正常的生长发育受阻[22]，使叶的同化面积减少，同时Cd干扰了植物光合作用过程的电子传递，导致 CO2同化率降低，加速 CO2固定过程中的酶失活，从而降低植物的光合能力[23]。Cd胁迫下植物体内自由基增多，损伤细胞膜系统从而造成氧化胁迫。Cd离子通过抑制细胞生长来抑制植物的生长和叶片正常的生理功能，最终影响水稻产量。本研究中，镉浓度的增加抑制了水稻株高、叶片SPAD值、叶片水分利用率和水稻光合能力，降低了水稻产量，这与大部分学者研究结果一致。已有研究发现，重金属镉会显著降低水稻等作物的株高，对水稻的生长有抑制作用，且Cd浓度越高，抑制作用越明显[24]。镉使植物光合能力下降[25]，抑制作物产量，如使作物的籽粒数以及籽粒仁充实度降低，并会显著降低水稻的每穗实粒数和结实率[17,26]。

研究表明，作为一种新型环境功能材料，生物质炭可以有效抑制镉对植物的毒害作用，可以通过表面极性官能团与重金属离子间的静电引力产生的吸附作用，以及与重金属形成更稳定的化合物进而降低重金属的生物有效性[27]。生物质炭还可以为土壤微生物生长与繁殖提供良好的环境，增强微生物活性，促进养分循环，最终促进植物生长发育[16]。本研究中，适量生物质炭施用相较于同等量镉处理，有效提高了水稻株高、光合效率，显著提高了水稻产量。可见生物质炭可以有效缓解重金属镉对水稻生长的毒害作用。诸多研究也表明，镉污染土壤中施用生物质炭可以增加玉米[11]、绿豆[12]等作物的株高、生物量和产量。施用南荻炭基降镉土壤调理剂后，水稻增产率达到1.2%～34.8%[28]。生物质炭施用量研究表明，施用超过10%的生物质炭会显著抑制水稻的生长[10]，而在我们的研究中，生物质炭施用量超过1%，水稻产量将受到抑制。这可能与生物质炭材料来源、供试土壤性质有关，也可能是因为过多地施入生物质炭使部分生物质炭分解，导致氮的固定，从而引起作物吸收土壤氮的减少，最终使作物产量减少[29]。因此，针对不同重金属污染的农田及种植作物种类，如何科学选择生物质炭施用量是一个值得进一步探究的问题。本研究发现，不同镉浓度处理的土壤中，施用炭土质量比为1%的棉秆炭均可以提高水稻株高、叶片SPAD值、光合能力、叶片水分利用率及产量，并可有效减缓重金属镉对水稻生长造成的胁迫作用。根据新疆地区农田耕层土壤的平均重量(2.25×106kg·hm-2)，推荐大田施用棉秆炭的量约为22.5 t·hm-2。但生物炭对土壤及作物的影响机理非常复杂，建议开展长期盆栽与大田试验结合，探讨生物质炭对作物生长、生理及重金属迁移转化的影响机理。