生物质炭对棉花生长发育及地上部各器中镉富集的影响

王金刚，田 甜，王海江，朱永琪

(石河子大学 农学院，新疆石河子 832000)

土壤是人类赖以生存和发展的物质基础，随着社会经济建设的快速发展以及农业现代化进程的加快，土壤重金属污染问题日益严重[1]，其中，Cd具有较强的蓄积性、迁移能力和生物可积累性，是最有毒性的无机污染物之一[1-2]。 据2017年环保部的数据显示，中国土壤Cd污染的点位超标率达7%， 远高于汞(1.6%)、砷(2.7%)、铅(1.5%)等其他重金属元素[3]。研究表明，由于化学肥料的大量使用、残膜等白色污染在农田中的积累，中国已经超过13万km2的耕地被镉、铅等重金属污染，包含11个省市，25个地区[4]。近年来，土壤Cd污染造成的作物的Cd超标现象引起了社会的极大关注。因此，针对日益严重的土壤和作物Cd污染问题，为了保证农业的质量安全和可持续发展，降低作物中吸附的重金属Cd污染变得尤为重要。

生物质炭是一类富含炭的生物质[5]，且富含植物所需要的一些营养元素，可以为植物提供大量的养分物质[6]。从而为作物提供良好的生长环境[7-8]。Kuzyakov等[9]研究发现，生物质炭可以使酸性淋溶土的酸度降低，使萝卜的干物质量有了显著的增加。另一方面，生物质炭中还含有一定的微量营养元素，能够使水稻的根系鲜质量增加，改良根系形态特征，从而增强水稻的生理功能，还能增加土壤中有机质含量[10-11]。研究显示，施用生物质炭可以提高作物产量，降低土壤Cd的生物有效性，减少作物对土壤 Cd 的吸收[12-13]。对于重金属复合污染的作物，采用可以吸附污染植物的重金属[14]，从而达到重金属对植物污染的改良和降低作物对重金属的吸收的目的。张小凯等[15]研究结果表明，施用生物质炭可以吸附土壤中的重金属，有效地降低土壤重金属的生物有效性和在环境中的迁移能力。但也有学者做有关黑麦草的试验发现，当施用生物质炭27.8和55.6g·kg-1时，它的干物质积累量能增加到20% 和52%(与对照相比)，但施用生物质炭达到93和185g·kg-1时，较对照反而降低8% 和30%[16]。Rondon 等[17]研究表明，当施用生物质炭的量为30和60g·kg-1时，可显著增加大豆产量，但当施用生物质炭量增至90g·kg-1时，较对照相比，大豆产量会出现下降趋势，这表明施加适量的生物质炭可以明显的促进作物生长发育，但施用过量反而抑制作物的生长发育。

棉花是新疆农业种植的特色经济作物，棉花种植面积、单位面积产量、总产量一直居全国首位[18-19],其产量占全国棉花生产总量的比重则高达70%左右[20]，棉花的主要产物是棉纤维，副产品是棉籽，棉籽具有非常高的营养价值，并且棉仁中含有的30%～45%蛋白质、20%～45%的油分，是重要的优质食用油资源和潜在的蛋白质食物来源。但是，随着新疆棉花的长期连作，化肥、农药、农膜的大量使用，农田土壤重金属的积累日益增多[21-22]，作物对重金属的吸收造成重金属在植株各器官中累积[21]，导致产品品质下降，而且会通过食物链对动物和人类健康造成危害[23]，富含重金属Cd的秸秆返还会造成棉田的二次Cd污染。综上所述，生物质炭的施入可以减少作物对重金属Cd的富集，但在生物质炭施入土壤的时间维度上，重金属对棉花生长发育以及各器官富集的研究较少，因此，本研究采用盆栽试验，研究重金属Cd污染条件下生物质炭施入在时间尺度上对棉花生长发育的影响，探究施入生物质炭对棉花地上部各器官中Cd的富集，为新疆棉田土壤重金属污染治理以及棉花种植的健康发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验设在石河子大学农学院试验站，棉花秸秆取自试验站棉田，生物质炭由棉花秸秆在 450 ℃下限氧6 h制得。供试土壤取自石河子大学试验站长期连作(1993年开始种植，连作25 a)棉田，土壤类型为灰漠土，土壤质地为壤土，具体土壤理化特性见表1。

1.2 试验方案

研究采用盆栽试验， 供试棉花品种为鲁研棉24号，试验设4个重金属Cd水平，分别为施加0、1、2、4 mg·kg-1(施入剂量按照国家三级标准的4倍污染水平计)，以H0、H1、H2和H3表示。生物质炭施加设3个水平，分别为0、15 g·kg-1、30 g·kg-1，以C0、C1、C2表示。试验每盆装土12 kg，添加生物质炭和基肥，先让土壤中的养分和水分等平衡一周，然后添加重金属Cd，继续静置，平衡7周后进行播种[24-28]，共12个处理，为了满足棉花生育期取样，每个处理设置5次重复，共60盆。试验每盆施肥量按照当地大田棉花种植施用量进行换算，磷、钾肥在播种前一次性施入做基肥，氮肥全部随水追施，棉花整个生育期共灌水9次，灌水周期为7～12 d，使其田间持水量保持在的70%～80%。

1.3 采样方法及测试指标

1.3.1 样品的采集 待棉花出苗后，在其生育期30 d、60 d、90 d、120 d、150 d取地上部植株样品和土壤样品，植株分叶片、茎秆、蕾铃器官待测各指标。

1.3.2 测试指标 分别对各处理棉花生长发育状况进行定期观测，并详细记录棉花生育时期，采集植株样品，测定棉花干物质积累量、株高、产量，棉花茎、叶、蕾铃中 Cd 的全量采用微波消解-石墨原子吸收分光光度法测定，具体为准确称取烘干后的植株(茎，叶片和蕾铃)0.5 g，用硝酸∶高氯酸(体积比2∶1)密封消解样品，而后测定茎、叶和蕾铃中的Cd全量[29]。各器官重金属镉的分配系数计算如下式[30]：

分配系数=(各器官Cd积累量/地上部总Cd积累量)×100%

1.4 数据分析方法

采用Excel 2010、 Sigma Plot 12.5和 SPASS 17软件对试验数据进行处理分析。

2 结果与分析

2.1 生物质炭对Cd污染条件下棉花生长发育的影响

2.1.1 棉花株高 由图1可知，棉花株高随着生育期的延续呈现前期增长快，后期慢的趋势，施用生物质炭对棉花的株高具有一定的促进作用。相同重金属处理水平下，C1处理和C2处理较对照C0对棉花的株高有一定的促进作用，且C2处理较C1处理对棉花株高的促进作用更明显。H0水平下，培养90 d时，C2H0棉花株高为47.38 cm，C1H0棉花株高为46.68 cm, 较对照C0H0增高5.96%和7.6%；在H1水平下，培养30 d和90 d时，C1和C2处理棉花株高显著高于对照C0(P<0.05)，30 d的C1H1、C2H1处理的株高为11.71、12.15 cm，90 d的C1H1、C2H1处理的株高为47.68、48.38 cm，较对照C0H1增高了 13.48%、17.85%、8.24%、9.83%。H3水平下，C1H3、C2H3在生育期30 d的株高分别为10.71 cm和11.15 cm，90 d的株高分别为43.68 cm和46.38 cm，较对照C0H3增高了15.02%、 19.76%、3.86%、10.26%。在培养期60 d、120 d和150 d，生物质炭的施入对棉花株高的影响不显著，C1H3处理和C2H3处理较对照C0H3处理数值有一定的提升，且C2H3处理下更明显。

同组数据不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)，下图同

The different lowercase letters after the same group data indicate the significant difference between different treatment(P<0.05),the same below

图1 生物质炭处理下不同Cd污染水平的棉花株高
Fig.1 Cotton plant height with different Cd pollution levels under biochar treatment

2.1.2 棉花单株干物质积累量 由表2可以看出，随着棉花生育期的延长，棉花干物质积累量也在不断地增加，且在相同重金属处理水平下，与对照C0相比，添加生物质炭使棉花干物质积累量有明显的增加。对棉花同一生育期不同处理间进行方差分析发现，30 d时，C2水平与C1水平的棉花干物质积累量显著大于对照C0，且C1与C2之间的差异显著，C2H3处理下的单株干物质量为6.08 g，与对照C0H3相比高出36.63%。60 d时，C1和C2水平与对照C0相比，生物质炭对棉花干物质的积累有显著的影响，但C1和C2之间没有显著的差异，最大积累量为C2H0处理下的8.9 g， 与对照相比干物质积累量增加了 41.05%。在90 d的H0水平下，C1和C2处理与对照C0相比差异显著(P<0.05)，H1水平下，C1和C2处理显著高于对照，但两处理之间差异不显著。生育期120、150 d，C1处理较对照C0差异不显著，C2处理积累量显著高于对照(P<0.05)，其中C2H0、C2H3处理棉花的最大单株积累量为70.57 g和70.56 g，较对照增加了 20.44%，20.62%。相同生物质炭添加量，不同重金属Cd污染浓度间各生育期棉花干物质积累量差异均不显著，表明在本研究中Cd污染浓度小于4 mg·kg-1时，土壤Cd质量分数对棉花干物质积累量影响不显著。

注：数据为5个重复的平均值，同列数据后不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)，下同。

Note: Data are the average of 5 replicates. The different lowercase letters after the same column data indicate the significant differences among different treatments(P<0.05), the same below.

2.1.3 棉花产量 由表3可以看出，施加生物质炭能够有效增加棉花的单铃质量和单株铃数，从而显著增加棉花的产量。H0水平下，C1处理较对照C0单铃质量差异不显著， C2处理较对照C0显著增加了13.04%，H1、H2处理与H0表现出类似的趋势，H3水平下，C1、C2处理的单铃质量与对照相比差异显著。H0、H1、H2和H3水平，C1和C2处理与对照C0相比蕾铃数有显著的增加，蕾铃数最多的为C2H3处理，为6.5个，与对照C0H3相比蕾铃数增加了25%； H1水平下，C1、C2处理与对照C0相比蕾铃数显著增加了12%和18%，但C1和C2处理间没有显著的差异。由不同Cd污染条件下棉花单铃质量和蕾铃数来看，外源Cd的添加对棉花的单铃质量和蕾铃数均没有显著的影响。施加生物质炭对棉花产量有显著的增产效果，C0、C1、C2处理间差异显著，C2施用量棉花单株产量最高，C2H0、C2H1、C2H2、C2H3棉花单株产量分别为32.24、34.22、32.33和35.75 g。

2.2 生物质炭对棉花地上部Cd富集的影响

2.2.1 生物质炭施入对Cd富集的差异性比较 由表4、表5和表6可以看出，随着向土壤中施入重金属Cd的质量分数越多，棉花地上部分各器官对重金属的吸收越多，且棉花叶片中的Cd质量分数最高，茎秆、蕾铃质量分数较低；在C0H3处理下，棉花叶片中的Cd质量分数在其生育期90 d达到最大为0.799 2 mg·kg-1，茎在120 d达到最大为0.083 9 mg·kg-1，蕾铃与茎、叶相比Cd质量分数最低，在90 d达到最大为 0.066 0 mg·kg-1。施入生物质炭可以明显地减少棉花地上部各器官对重金属Cd的富集，在H0水平下，与对照相比，生物质炭的施入对棉花地上部各器官中Cd的积累没有显著影响；H1、H2水平下， 在90、120和150 d时生物质炭处理C1、C2对棉花地上部器官中Cd的积累较对照显著降低(P<0.05)，H3水平下，生物质炭的添加在各生育时期均显著低于对照C0。施入生物质炭能够降低棉花地上部各器官Cd的质量分数，即生物质炭可以通过吸附土壤中的重金属Cd，降低重金属的生物有效性，从而减少棉花对 Cd 的吸收[31]。在时间尺度上则表现出未添加生物质炭处理随着生育期延续，棉花叶片、茎秆、蕾铃Cd质量分数呈现略微增加的趋势，施入生物质炭处理C1、C2均表现出生育后期低于生育前期，且随着Cd污染浓度的增大，生物质炭对地上部各器官Cd质量分数的降低幅度也越大。

表3 生物质炭处理下不同Cd污染水平的棉花产量及构成因子Table 3 Cotton yield composition factors of different Cd pollution levels under treatment of different biomass charcoal

表4 生物质炭处理下不同Cd污染水平的棉花叶片Cd富集Table 4 Cd enrichment of cotton leaves with different Cd pollution levels under biochar treatment mg·kg-1

表5 生物质炭处理下不同Cd污染水平的棉花茎Cd富集Table 5 Cd enrichment of cotton stems with different Cd pollution levels under biochar treatment mg·kg-1

表6 生物质炭处理下不同Cd污染水平的棉花蕾铃Cd富集Table 6 Cotton bud bell Cd enrichment with different Cd pollution levels under biochar treatment mg·kg-1

2.2.2 棉花地上部器官重金属Cd的分配系数 Cd的分配系数是随作物发育进程变化的一个动态参数，能够精确表征Cd向茎、叶和储存器官的积累与分配规律。通过图2、图3、图4和图5可以看出棉花叶片中Cd的分配系数最高，茎中Cd的分配系数次之，蕾铃中Cd的分配系数最小。生物质炭的施加对棉花地上部分各器官Cd的分配系数没有显著影响， 如C2H2处理下，棉花生育期150 d叶片的分配系数为0.869 1，较对照C0H2差异不显著。生物质炭施入对棉花叶片和蕾铃的分配系数有略微下降趋势，而茎秆的分配系数有略微的提高，随着Cd质量分数的增大，茎秆和蕾铃的Cd分配系数在减小，而叶片的Cd分配系数有增大趋势，如棉花茎秆和蕾铃在其生育期90 d时C0H3较C0H0 Cd分配系数分别降低了 63.5%和48.3%，叶片却升高了11.78%。叶片的Cd分配系数随着生育期的延长略微降低，而茎秆和蕾铃却有所提升，如棉花叶片的Cd分配系数在C0H3处理下由生育期60 d到生育末期150 d降低了1.3%，茎秆和蕾铃升高了2.2%和 1.3%。Cd分配系数与地上部各器官Cd积累量和地上部总Cd积累量有关，这与Cd在植物体内的转运机制有关[32]，而生物质炭施入对Cd的积累和分配并没有直接影响。因此，棉花体内各器官Cd的运输与积累等生理过程并不因为加入生物质炭而发生改变。

图2 棉花生育期60 d时Cd的分配系数Fig.2 Distribution coefficient of cadmium in cotton at 60 days of growing period

图3 棉花生育期90 d时Cd的分配系数Fig.3 Distribution coefficient of cadmium at 90 days of cotton growth period

3 讨 论

3.1 生物质炭对Cd污染条件下棉花生长发育的影响

本研究通过生物质炭施入对棉花生长发育的影响发现，生物质炭的添加对棉花的生长发育有一定的促进作用，在未添加外源Cd污染H0水平下，培养90 d时，C2处理较对照C0株高、干物质量、单铃质量、单株蕾铃数和产量分别增加了 7.6%、 21.74%、13.04%、16.98%和32.24%；王欣欣等[33]在以竹材废弃物为原料制成的生物质炭较对照显著増加了水稻产量，李正东等[34]在麦田土壤中的研究也表明，6种生物质炭复合肥均显著提高小麦产量，增幅达20.0%～35.4%。生物质炭的之所以对棉花的生长发育有促进作用，主要是因为生物质炭含有大量的有机质和一定量养分元素，施入土壤后不仅可以为作物生长发育提供养分，而且显著促进了作物对氮、磷等元素的吸收[35]，从而通过协调土壤养分供应进而影响作物生长发育。本研究中重金属Cd的添加对棉花生长发育和产量没有显著影响(P<0.05)，重金属Cd为1 mg·kg-1和2 mg·kg-1时，对棉花的生长有稍微的促进作用，但是目前针对低浓度Cd对植物生长发育的促进作用的具体机理尚不清楚，可能是低浓度的Cd通过加速植物体内某些生理生化反应，进一步促进植物的生长发育[36]。有关研究[37-38]发现棉花生长发育最好的浓度是1 mg·kg-1，在高浓度(5 mg·kg-1和10 mg·kg-1)的情况下，生长状况都要差于对照组，这说明低浓度的Cd对棉花的生长有促进作用，而高浓度的Cd对棉花的生长有抑制作用；本研究发现生育初期30 d时，棉花株高由C0H0的10.306 7 cm 到高浓度Cd处理C0H3的9.306 67 cm，降低了10.75%，高浓度Cd对棉花的株高有一定的抑制作用，但是随着生育期的延长，到120 d，株高由C0H0的55.675 cm 到C0H3的55.675 cm，前后基本没有变化，说明这种抑制作用逐渐减弱。陈悦等[39]在研究Cd污染条件下发现高浓度Cd 对棉花生长发育的影响主要表现在生育前期，到生育后期影响较小，与本研究结果一致。这可能是因为生育前期，幼苗对Cd的适应能力弱，Cd的浓度过高，对棉花有一定毒害作用，随着生育的延长，棉花对 Cd 的适应能力增强，对棉花的影响减小，所以影响不显著，但是高浓度Cd处理下棉花在生育前期受到比较严重的损坏，影响同化产物和养分的运输，抑制棉花发育，使得棉花铃质量、单株铃数和产量稍微有些下降[40-41]。

图4 棉花生育期120 d时Cd的分配系数Fig.4 Distribution coefficient of cadmium at 120 days of cotton growth period

图5 棉花生育期150 d时Cd的分配系数Fig.5 Distribution coefficient of cadmium at 150 days of cotton growth period

3.2 生物质炭对棉花地上部Cd富集的影响

3.2.1 生物质炭施入对Cd富集的差异性比较 重金属胁迫下植物的生长和生理特性会受到明显影响，施用土壤改良剂能够有效的减轻重金属对植物的毒害作用，促进植物的生长发育[42]。本研究中，重金属Cd在棉花地上部各器官的富集情况为棉花叶片中的Cd质量分数最高，茎秆、蕾铃质量分数较低，这与任秀娟等[43]研究的结果一致。叶片中累积的Cd最高，可能是由于叶片叶柄属于维管束组织，在维管束中有载体蛋白的存在，如螯合蛋白[44]，可以与Cd形成复合物来减轻伤害，进而阻止Cd向其他部位转运，所以棉花营养器官叶片Cd积累量远高于茎秆和蕾铃[45]。在相同Cd水平下， 施入生物质炭对棉花地上部各器官Cd的富集明显降低，且随着棉花生育时期的延长，棉花地上部分各器官的Cd的富集明显降低，这与刘阿梅等[46]在研究Cd胁迫下施用不同处理的生物质炭能够吸附降解蔬菜中重金属Cd的积累、提高蔬菜产量结果一致；另有研究表明生物质炭在1%、2% 以及 4% 的施用量下，土壤可交换态Cd降低了28.5%～59.4%，对水稻Cd积累量的降幅为 2.7%～23.8%[47]，这些都说明生物质炭能够通过表面阳离子的交换、官能团络合作用、增加土壤 pH 以及碳酸盐、磷酸盐等无机盐质量分数从而与土壤中的重金属离子进行结合、吸附、沉淀，最后减少植物对重金属Cd的吸收[48-52]。

3.2.2 分配系数 分配系数体现了重金属总量在地上部各个器官中的分配情况，是评估植物重金属积累和富集情况的重要指标，本研究发现不同地上部各器官Cd分配系数与积累Cd质量分数顺序是一致的，叶片分配系数远高于茎秆和蕾铃。有研究表明，重金属Cd在水稻、小麦根系周围质量分数较多[53]，但是，对有些双子叶植物而言，在营养生长旺盛的部位(绿叶)往往Cd质量分数较高，而营养物质的贮存器官(根系、蕾铃等) Cd质量分数较低，如棉花叶的Cd质量分数较根系高[45]，这可能与Cd在棉花中的存在形态和运输机制有关。随着Cd浓度的增大，茎秆和蕾铃的Cd分配系数在减小，而叶片的Cd分配系数有增大趋势，但是叶片的Cd分配系数随着生育期的延长略微降低，而茎秆和蕾铃却有所提高，这可能是因为随着生育期的延长，棉花的生长发育由的营养生长向生殖生长转化，Cd也会随着各类载体向生长旺盛的地方进行少量转移[54]。生物质炭对棉花地上部各器官 Cd 的分配系数影响不显著，随着生育期的延长，各器官Cd的分配系数无显著差异，但是整体有稍微的上升趋势。赫天一[55]研究发现生物质炭对棉花各个器官的Cd分配系数没有显著影响。Cd在地上部分各器官累积分配是一个很复杂的过程[56]，大量研究表明，植物主要通过与细胞壁的结合、液泡的区域化以及与某些有机物的螯合等途径积累Cd，进行自我解毒作用[57]，而有研究发现Cd在植物体内的分配累积主要表现在两个方面：首先从细胞水平来讲，Cd在植物体内的积累过程主要是在液泡及质外体中；从组织水平上讲，此过程表现为Cd在植物的表皮细胞以及亚表皮细胞中累积分配[58]，而跟是否添加生物质炭没有直接的关系。

4 结 论

生物质炭对棉花的株高、干物质积累、单铃质量、蕾铃数和棉花产量有显著的促进作用，且施入3%较1.5%促进作用更明显。

土壤中Cd(小于等于4 mg·kg-1)对棉花的干物质积累、铃质量、铃数和单株产量的影响均不显著(P>0.05)；重金属Cd在棉花地上部各器官的富集情况为棉花叶片>茎>蕾铃，施入生物质炭对棉花地上部各器官Cd的富集明显降低，时间尺度上表现出生育前期降幅较快，后期趋于 稳定。

施入生物质炭对棉花地上部各器官Cd的分配系数影响不显著，各生育时期分配系数差异也不大。