不同生物质炭对污灌区土壤铜形态及玉米吸收转运富集的影响

田 野，程红艳，王効挙，闫双堆，曹艳篆，郝千萍，李丹洋

（1.山西农业大学资源环境学院，山西 太谷 030801；2.日本埼玉环境科学国际中心，日本 埼玉 347-0115）

【研究意义】土壤是生态系统的重要组成部分之一，农田是人类生存不可缺少的的基本资源。最近几年，由于煤碳开采、化工材料燃烧、金属冶炼、尾气排放以及污水灌溉等人类活动导致农田土壤重金属污染［1］，我国农田土壤重金属污染的问题日渐严重，重金属污染物主要有镉（Cd）、铅（Pb）、铜（Cu）、锌（Zn）、砷（As）、汞（Hg）、镍（Ni）等。据《全国土壤污染调查公报》（2014）报道，全国土壤污染总超标率达到16.1%，重金属土壤污染面积占总污染面积64.8%，其中中度污染面积占9.7%，严重污染面积占8.4%。重金属污染影响农作物生长的农田至少有360万hm2，每年损失农作物产品近106万t［2-6］，迫切需要研究工作者对此状况提出安全且有效的处理与解决方案。【前人研究进展】在过去的几年，研究者们致力于开发出一些新型合成的环境修复剂，然而在实际的重金属污染修复过程中，成本是一个重要参数，修复剂的选取需要考虑到加工成本与广泛可用性［7］。生物质炭主要是由农林废弃物木材、秸秆等在缺氧或厌氧条件下热裂解产生的一种富含碳的固态物质。已有大量研究发现，生物质炭微孔结构发达，比表面积大，具有很高的阳离子交换量（CEC）和很高的pH值，表面附有很多含氧官能团及负电荷，生物质炭的表面理化性质决定其吸附性能的大小，而生物质原料组分又是影响生物质炭表面理化性质的主要因素［8-10］。生物质炭因具有生物质来源丰富、加工简易、环境友好等特点已成为国内外研究的热点，是一种低成本的环保型修复剂，尤其是在吸附有机污染物与重金属方面表现出极大的潜力［11］，其在治理土壤重金属污染中体现出巨大价值，由此引起了人们的热切关注。

【本研究切入点】选择合适的生物质原料是开发出低成本且高效率重金属吸附产品的必要条件。随着全球食用菌产量的增加，作为食用菌栽培副产品之一的菌糠的产生近几年已经开始快速增长。中国作为世界上最大的食用菌生产国，每年菌糠总量高达13 080万～16 350万t［12］，除少量被回收再利用于二次种菇、动物饲料、农作物有机肥等，大部分的菌糠被直接焚烧或者废弃，造成严重的环境破坏和资源浪费等问题。目前，有关菌糠的研宄报道指出，废弃后的菌糠在很多方面可作为资源进行重复、反复的利用［13-17］。因此如何更加环保有效地做好食用菌菌糠的循环利用工作，对生态环境和食用菌产业的可持续发展具有十分重要的意义。【拟解决的关键问题】将猴头菇菌糠、平菇菌糠和灵芝菌糠、玉米秸秆、水稻稻壳在无氧、450 ℃条件下碳化成生物质炭进行重金属铜污染土壤修复的研究，为废弃物资源化利用、降低重金属污染土壤中铜的有效性提供一定的科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验在山西农业大学资源环境学院试验站内的日光温室大棚进行。供试生物质炭为猴头菇菌糠生物质炭（HC）、灵芝菌糠生物质炭（LC）、平菇菌糠生物质炭（PC）、水稻稻壳生物质炭（DC）和玉米秸秆生物质炭（YC），3种菌糠取自山西农业大学食用菌中心，将其在南京三聚生物质新材料科技有限公司无氧条件下通过450 ℃碳化成生物质炭，水稻稻壳生物质炭和玉米秸秆生物质炭取自南京三聚生物质新材料科技有限公司。5种生物质炭基本理化性质见表1。

供试土壤为山西省晋中市某污灌区土壤，其基本理化性质为：pH值7.87，速效氮71.9 mg/kg，速效磷156.2 mg/kg，速效钾140 mg/kg，电导率0.314 ds/m，CEC 24.7 cmol/kg，有机质20.8 g/kg，全铜592.88 mg/kg，全铜含量超过了国家二级标准（Cu＜100 mg/kg）。供试玉米品种为中科玉505。

1.2 试验设计

2018年3—8月在山西农业大学实验站温室大棚进行盆栽培养试验。试验采用完全随机设计，试验盆钵直径28 cm、高35 cm，每盆称取130 g生物炭，与土壤混匀后装盆，每盆装土10 kg。试验设空白对照（CK）、施灵芝菌糠生物炭130 g（LC）、施平菇菌糠生物炭130 g（PC）、施水稻秸秆生物炭130 g（DC）、施玉米秸秆生物炭130 g（YC）和施猴头菇菌糠生物炭130 g（HC）6个处理，每个处理3次重复，每个重复1盆。试验追施尿素（含氮量46.3%）每盆0.70 g。生长期间统一管理，定时补充土壤水分，统一采收。采取植物样后，每盆以对角法用土钻采集土壤样品（0～20 cm）5点，风干，除杂，磨细过筛混匀后备用。

试验于3月初采集基础土样，进行基础土样测定，同时进行育苗。4月中旬进行装盆、移苗、定苗。8月底收获，在生长期间适期浇水，定期管理。收获后采集土样和植物样进行测定。

1.3 样品采集与测定方法

1.3.1 样品采集 植物样品采集：采取植株样品，用自来水清洗干净后用去离子水洗净，称取各部分鲜质量后，供鲜样的测定。将植株在105 ℃杀青30 min，65 ℃烘干至恒重，称量干重，用粉碎机分别将各部位样品粉碎，供植株干样的测定。

土壤样品采集：采用多点取样法后用四分法取样，待土样风干后，用木棒碾碎后用玛瑙研钵研细，过孔径1.00、0.15 mm尼龙筛，混匀储备备用。

1.3.2 测定方法 pH值测定采用pH计电位测定法，有机质含量测定采用重铬酸钾容量法—外加热法，CEC测定采用乙酸钠法，生物质炭全氮含量测定采用硫酸和过氧化氢消煮-开氏蒸馏法，生物质炭全磷含量测定采用硫酸和过氧化氢消煮-钒钼黄比色法，生物质炭全钾含量测定采用硫酸和过氧化氢消煮-火焰光度法，土壤中EC的测定采用电导法，土壤速效氮含量测定采用碱解扩散法，土壤速效磷含量测定采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼蓝比色法，土壤速效钾含量测定采用乙酸铵-火焰光度计法，土壤中重金属铜含量测定采用盐酸-硝酸-氢氟酸-高氯酸消煮-ICP法，植物中铜含量测定采用硝酸-高氯酸消煮-ICP法［18］。计算植物各部位富集系数（EF）和转运系数（TF）［19］:

富集系数（EF）=植物各部位重金属含量/土壤中重金属含量

转运系数（TF）=植物各地上部重金属含量/植物根部重金属含量

试验数据采用Excel 2016和DPS软件进行统计分析。

表1 5种生物质炭基本理化性质Table 1 Basic chemical properties of five kinds of biochar

2 结果与分析

2.1 5种不同生物质炭处理对土壤中铜形态的影响

从表2可以看出，5种不同生物质炭处理土壤中可交换态铜含量均低于空白对照，其中LC处理土壤中可交换态铜含量最低，为1.01 mg/kg，比空白对照降低31.4%，YC、DC处理土壤中可交换态铜含量分别降低28.33%和27.65%，PC处理降低土壤中可交换态铜的能力较弱，仅降低3.07%，5种处理可交换态铜含量平均减少23.14%。

表2 不同处理土壤中不同铜形态的含量Table 2 Contents of different Cu forms in soil under different treatments（mg/kg）

5种不同生物质炭处理土壤中碳酸盐结合态铜含量比空白对照均减少，HC处理土壤减少量最多，数值降到5.91 mg/kg，比空白对照降低40.65%，YC处理土壤中碳酸盐结合态铜含量比空白对照降低6.73%，是所有处理中降低最少的，总体平均减少22.90%。

在5种不同生物质炭处理中，除了HC处理土壤中铁锰氧化物结合态铜含量比空白对照升高2.25%之外，其余4种处理均有所下降，其中PC处理土壤中铁锰氧化物结合态铜含量减少最多，比空白对照降低35.04%，其含量为15.33 mg/kg，其次是YC处理，比空白对照降低21.06%，LC、DC处理土壤中铁锰氧化物结合态铜含量分别降低3.69%和15.34%。

5种不同生物质炭处理土壤中有机结合态铜含量有的升高，有的降低，其中HC、DC处理土壤中有机结合态铜含量分别降低1.97%和1.04%，另外PC处理土壤中有机结合态铜含量增加最多，比空白对照上升9.13%。

5种不同生物质炭处理土壤中残渣态铜含量比空白对照均有所上升，上升最多的为HC处理，含量为104.55 mg/kg，比空白对照增加15.76%，另外YC处理土壤中有机结合态铜含量增加的幅度最小，仅比空白对照增加2.13 mg/kg，5种处理平均提高38.96%。

2.2 5种不同生物质炭处理对玉米地上部各部位铜含量的影响

由表3可知，5种不同生物质炭处理玉米地上部茎中重金属铜含量仅DC处理高于空白对照，其值为47.56 mg/kg，比空白对照提高11.93%，其余4种处理玉米茎中重金属铜含量均低于空白对照，其含量由小到大为LC处理（38.53 mg/kg）＜HC处理（40.26 mg/kg）＜YC处理（41.07 mg/kg）＜PC处理（42.83 mg/kg）。LC处理玉米地上部叶中重金属铜含量为47.27 mg/kg，高于空白对照（44.63 mg/kg）5.92%，另外4种处理玉米叶中重金属铜含量比空白对照均有所降低，其含量由小到大为DC处理（32.52 mg/kg）＜PC处理（39.44 mg/kg）＜YC处理（39.38 mg/kg）＜HC处理（39.38 mg/kg）。5种不同生物质炭处理成熟期玉米地上部果实中重金属铜含量均小于空白对照（27.73 mg/kg），5种处理玉米果实中铜含量由小到大为LC处理（22.93 mg/kg）＜HC处理（23.61 mg/kg）＜DC处理（23.84 mg/kg）＜PC处理（25.85 mg/kg）＜YC处理（26.89 mg/kg）。与玉米成熟期果实中铜含量变化一致，5种处理玉米穗中铜含量也均低于空白对照（7.31 mg/kg）。5种处理玉米穗中铜含量由小到大为LC处理（5.1 mg/kg）＜PC处理（5.29 mg/kg）＜YC处理（5.82 mg/kg）＜HC处理（5.83 mg/kg）＜DC处理（6.24 mg/kg）。

表3 不同处理玉米地上部铜含量Table 3 Contents of Cu in above-ground parts of corn under different treatments（mg/kg）

2.3 5种不同生物质炭处理对玉米地下部铜含量的影响

如图1所示，5种不同生物质炭处理玉米根部重金属铜含量均低于空白对照（117.45 mg/kg），其中LC处理玉米地下部重金属铜含量最低，为100.54 mg/kg，比空白对照降低14.39%，HC处理玉米地下部重金属铜含量最高，比空白对照降低3.13%，其余3种生物质炭处理玉米地下部重金属铜含量由小到大为PC处理（109.28mg/kg）＜DC处理（111.31 mg/kg）＜YC处理（102.57 mg/kg），比空白对照分别降低6.96%、5.23%和12.67%。

图1 不同处理玉米地下部铜含量Fig.1 Contents of Cu in under-ground parts of corn under different treatments

2.4 5种不同生物质炭处理对玉米各部位铜元素转运系数的影响

由表4可知，5种不同生物质炭处理成熟期玉米茎对铜元素的转运系数均小于1，且变化不一致，只有HC处理其转运系数（0.354）小于空白对照（0.372），其余4个处理玉米茎对铜元素的转运系数均高于空白对照。成熟期玉米叶对铜元素的转运系数均小于1，而且各处理之间变化不统一，LC、YC处理玉米叶对铜元素的转运系数分别为0.470和0.384，均高于空白对照的0.380，其余3个处理转运系数均低于空白对照。成熟期玉米果实对铜元素的的转运系数均小于1，且各处理之间变化不一致，HC处理玉米果实对铜元素的转运系数最小为0.208，且低于空白对照（0.236），PC、YC处理玉米果实对铜元素的转运系数均高于空白对照，分别为0.237和0.262。玉米穗对铜元素的转运系数不同处理均小于1且均低于空白对照（0.062），5种处理玉米穗对重金属铜的转运系数由小到大依次为：PC处理（0.048）＜LC处理（0.0507）＜HC处理（0.0512）＜DC处理（0.0560）＜YC处理（0.0567）。

表4 不同处理玉米对铜元素的转运系数Table 4 Cu transfer coefficients of corn under different treatments

2.5 5种不同生物质炭处理对玉米各部位铜元素富集系数的影响

由表5可知，不同处理成熟期玉米茎部对铜元素的富集系数均小于1且变化不一致，其中LC处理玉米茎部对铜元素的富集系数最小（0.207），低于空白对照（0.219）；其次为YC处理（0.209），其余3种处理玉米茎部对铜元素的富集系数由小到大为DC处理（0.224）＜PC处理（0.231）＜HC处理（0.250）。成熟期玉米叶对重金属铜元素的富集系数也均小于1，只有LC处理其富集系数（0.0795）大于空白对照（0.0814），其余4种处理均小于空白对照。5种不同生物质炭处理成熟期玉米果实对铜元素的富集系数只有LC处理（0.0473）和DC处理（0.0481）低于空白对照（0.0516），其余3种处理玉米果实对重金属铜元素的富集系数均大于空白对照。成熟期玉米穗对铜元素的富集系数均小于空白对照（0.0136）且小于1。5种不同生物质炭处理玉米穗的富集系数排列顺序为LC处理（0.0105）＜PC处理（0.0111）＜YC处理（0.0119）＜DC处理（0.0126）＜HC处理（0.0128）。

表5 不同处理玉米对铜元素的富集系数Table 5 Cu enrichment coefficients of corn under different treatments

3 讨论

土壤中可交换态铜和碳酸盐结合态铜比空白对照均有所降低，可能是在污染土壤中施入生物质炭后，生物质炭吸附了土壤中活性高、易被植物吸收的铜，在铁锰氧化物结合态铜的测定中，除了猴头菇菌糠生物质炭处理比空白对照有所下降外，其余处理均上升，这是因为不同原料制成的生物质炭对重金属的吸附效果可能不同，有机结合态铜含量有的处理上升，有的处理下降，可能是不同种类的生物质炭对吸附土壤中有机结合态铜的位点不同导致，这与杨惟薇等［20］研究结果基本一致。因为材料不同生物质炭表面所携带的官能团有所不同，所发生的化学反应和吸附效应均有所不同［21-22］。5种处理残渣态铜含量都有所上升，说明生物质炭可以促进有效态铜转化成残渣态铜。

藏婷婷等［23］研究表明，土壤中有机物质的增多也可能是铜生物有效性降低的原因之一。另外，生物质炭表面具有的丰富官能团与良好的多孔结构可以为土壤中铜在其表面的络合、沉淀以及交换吸附提供较多的结合位点，降低土壤中铜的活性。对于土壤中铜形态由有效态向惰性态的转化，可能与生物质炭中碳酸盐的沉淀作用以及污染土壤中理化性质的改变有关。此外，生物质炭的大比表面积、良好的孔径结构以及较多的灰分含量可能是其对土壤中铜钝化效果最佳的主要原因［24］。

富集系数和转运系数是评价植物吸收和转运重金属能力的两种常用指标，富集系数反映植物从土壤中吸收重金属的能力，生物转运系数反映植物吸收重金属后从地下转运到地上的能力［25］。本试验说明玉米吸收重金属铜后，铜元素大部分被固定在地下，很少一部分转运到地上部。不同生物质炭导致植物从土壤中吸收重金属的能力也各不相同，因为生物质炭的原材料不同会导致其吸收重金属的能力不同，生物质炭施入土壤后导致植物对重金属吸收的能力也不同。

4 结论

在5种不同生物质炭处理中，污染的土壤中重金属铜的形态由小到大排序为：可交换态＜碳酸盐结合态＜铁锰氧化物结合态＜残渣态＜有机结合态，其中以有机结合态和残渣态为主。土壤中可交换态铜含量均低于空白对照，其中在施用灵芝菌糠生物质炭的土壤中可交换态铜含量最低。

土壤中碳酸盐结合态铜含量比空白对照均减少，猴头菇菌糠生物质炭处理土壤中碳酸盐结合态铜含量减少量最多。

除了施用猴头菇菌糠生物质炭的土壤外，其余4种处理土壤中铁锰氧化物结合态铜含量均有所下降，有机结合态铜含量变化不一致，残渣态铜含量比空白对照均有所上升，上升最多的是施用猴头菇菌糠生物质炭的土壤。

在5种不同生物质质炭处理中，各处理之间玉米对铜元素的转运系数均小于1，不同处理玉米对铜的富集系数变化均不统一。5种不同生物质炭均可以增加土壤中非活性重金属铜含量，并降低活性态铜含量。