玉米秸秆生物炭对镉污染土壤中小白菜生长的影响

蒋欣梅， 薛冬冬， 于锡宏， 吴凤芝， 许铧月， 李钰锋， 曲娟娟， 闫 雷

(农业农村部东北地区园艺作物生物学与种质创制重点实验室，东北农业大学，黑龙江 哈尔滨 150030)

土壤是植物生长的基础。近年来，由于人类用工业废水灌溉农田，大量使用化肥、农药，过度进行矿区开采等，导致土壤重金属污染日益严重，其中镉污染已引起人们广泛关注[1]。据调查，中国11个省份的25个地区均受到不同程度的镉污染，镉污染的农田占总耕地的六分之一[2]。2000年农业农村部对14个省份的蔬菜进行安全检测，发现蔬菜中镉超标率高达24%，其中镉污染最严重蔬菜中的镉含量是食品中污染物含量限值的20多倍[3]。湖南省部分地区的大米和土壤中镉含量较高[4]。重金属镉具有较强的毒性，不易移动,所以积累在土壤中，植物吸收土壤中的镉会影响植物生长发育及生理代谢，并经过食物链最终传递到人体内，危害人类健康[5]。根据食品安全国家标准，叶菜类蔬菜中镉的最大限量为0.2 mg/kg[6]。郭晓静[7]在研究镉污染土壤中6种种植模式间蔬菜产量和镉积累量的差异时，发现不同种类蔬菜可食用部位镉积累量差异较大，叶菜类蔬菜中的镉积累量最高。

生物炭是一种新兴的土壤钝化材料，是生物质在厌氧条件下高温裂解形成的炭质材料，比表面积大，孔隙发达，含有大量较稳定的官能团[8]，其主要有3种吸附方式：表面吸附、物理吸附、共同沉淀。生物炭的物理结构和吸附功能可以钝化镉的活跃程度，其化学性质可以改变土壤条件，降低可利用形态镉的含量，减少植物对镉的吸收，并缓解镉对植物的毒害作用[9]。在土壤低镉污染条件下，水稻土壤中的有效态镉含量降低，稻米中总镉含量降低[10]。在土壤中轻度镉污染条件下施用生物炭，可降低花生籽粒中的镉含量[11]。生物炭可通过降低土壤酸度，使有效态镉向不活跃形态转化，降低镉的有效性[12]。

关于生物炭缓解镉污染的研究，主要集中在生物炭对土壤镉积累量及形态的影响上，采用花生壳生物炭可以减少不同镉污染程度下小白菜中镉的积累量[13]，生物炭缓解镉污染对植物安全性及生长方面影响的研究鲜有报道。不同材料生物炭的理化性质有所差异，势必会影响镉的吸附效果。黑龙江省作为中国的农业大省，玉米种植面积非常大，玉米采收后的秸秆处理已成为亟需解决的问题。为此，针对北方蔬菜生产过程中存在的镉污染土壤问题，本研究拟以小白菜为试验材料，采用盆栽方式，通过模拟土壤镉污染环境，研究施用玉米秸秆生物炭对镉污染土壤中小白菜生长的影响，明确生物炭缓解蔬菜镉积累的作用机制，以期为蔬菜安全生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试小白菜品种为华束高档青梗菜，由哈尔滨市道外区亚奇种苗经销部提供，玉米秸秆生物炭(以玉米秸秆为原料，在400 ℃条件下烧制而成)由东北农业大学资源与环境学院提供，供试土壤为东北农业大学向阳基地的常规土壤，供试土壤和玉米秸秆生物炭的理化性质见表1。

表1 供试土壤和玉米秸秆生物炭的理化性质

1.2 试验方法

于2018-2019年在东北农业大学向阳基地进行了2年试验，每年均于5月1日开始。采用模拟镉污染土壤的盆栽试验，每盆(盆高为190 mm，盆口径为240 mm)装有常规土壤3 kg。将1.8 mg/kg的镉配制成相应的CdCl2·5H2O溶液后喷洒到土壤中。根据预备试验结果可知，土壤沉降30 d后可达到稳定状态，此时土壤中有效态镉含量趋于稳定并保持不变，试验中稳定状态下的土壤镉含量为1.76 mg/kg，其中有效态镉含量为1.02 mg/kg。

当土壤中镉达到稳定状态后，于6月1日向镉污染土壤中施入不同水平的玉米秸秆生物炭，施用量分别为10 g/kg、20 g/kg、30 g/kg，处理代码分别为D1、D2、D3。同时，也将玉米秸秆生物炭按照上述施用量施入常规土壤中，处理代码分别为T1、T2、T3。以不添加镉且不添加玉米秸秆生物炭的处理为对照1(CK1)，以添加镉但不添加玉米秸秆生物炭的处理为对照2(CK2)，将尿素、过磷酸钙、硫酸钾按照2∶2∶1的用量比例进行混合，并与玉米秸秆生物炭一起添加到常规土壤和镉污染土壤中。将小白菜种子直接播种在盆中，每盆保苗3株，每个处理10盆，共30株，3次重复，随机区组排列，在小白菜生长发育期间进行常规管理。

从播种后第20 d开始随机取样，测定相关指标[土壤总镉含量、小白菜可食用部位镉含量、叶绿素含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白质含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性、过氧化物酶(POD)活性和过氧化氢酶(CAT)活性]，之后每隔7 d取样1次，连续取样5次。在最后1次取样时测定植株自然伸展高度、叶片开展度和单株鲜质量。土壤有效态镉含量采用Tessier提取法测定[14]，土壤总镉含量采用GB/T 17141-1997原子吸收法测定[15]，小白菜可食用部位镉含量采用HNO3-HClO4消煮法测定[16]，叶绿素含量的测定采用乙醇提取比色法[17]，可溶性糖含量的测定采用蒽酮比色法[18]，可溶性蛋白质含量的测定采用考马斯亮蓝G-250法[18]，POD活性的测定采用愈创木酚法[18]，SOD活性的测定采用氮蓝四唑法[18]，CAT活性的测定采用高锰酸钾滴定法[17]。

用SPSS 23.0数据处理软件进行数据分析与统计，采用Duncan’s新复极差法分析差异显著性。

2 结果与分析

2.1 玉米秸秆生物炭对土壤及小白菜可食用部位镉含量的影响

2.1.1 小白菜可食用部位镉含量 表2显示，在常规土壤中种植的小白菜，无论是否添加玉米秸秆生物炭，其可食用部位均存在极微量的镉。当小白菜种植于镉污染土壤中时，随着小白菜的生长，植株体内镉含量逐渐增加。对于没有施用玉米秸秆生物炭的CK2，在小白菜播种后第34 d时可食用部位镉含量已经超过了0.200 mg/kg(叶菜类蔬菜中镉的最大限量为0.200 mg/kg)，此时可食用部位已经不安全了。施用玉米秸秆生物炭可以在一定程度上减少小白菜对镉的吸收，表现为在测定的各个时间段，种植在镉污染土壤中的小白菜可食用部位镉含量均随着玉米秸秆生物炭施用量的增加而降低。在播种后第34 d，D1处理下小白菜可食用部位镉含量虽然显著低于CK2，但也存在超标现象，D3处理下小白菜可食用部位镉含量略低于D2，两者之间差异不显著，均显著低于CK2，并且镉含量未超标。播种后第48 d，D2处理下小白菜可食用部位镉含量为0.195 mg/kg，即将超标，D1、D2、D3处理下小白菜可食用部位镉含量与CK2相比，分别降低了27.6%、45.1%和49.0%。

表2 玉米秸秆生物炭对小白菜可食用部位镉含量的影响

2.1.2 土壤镉含量 表3显示，常规土壤中虽然存在镉，但其含量很低。在镉污染土壤中，随着小白菜的生长，土壤中的镉含量逐渐降低。施用玉米秸秆生物炭可以有效降低镉污染土壤中镉的含量，在测定的各个时间段，镉污染土壤中镉含量均随着玉米秸秆生物炭施用量的增加而降低。对同一测定时间下的土壤镉含量进行方差分析，发现在镉污染土壤条件下种植的小白菜不管施不施用玉米秸秆生物炭，其土壤镉含量均高于常规土壤。D3处理下土壤镉含量低于D2处理，两者在小白菜播种后第27 d表现出显著差异，而在其他时期的差异均不显著。在小白菜播种后第48 d，D1、D2、D3处理的土壤镉含量与CK2相比，分别降低9.6%、21.1%和25.4%。

表3 玉米秸秆生物炭对小白菜土壤中镉含量的影响

2.2 玉米秸秆生物炭对小白菜生长的影响

表4显示，常规土壤中小白菜处于正常生长状态，随着玉米秸秆炭生物炭的施用量逐渐增加，小白菜的自然伸展高度、叶片开展度、单株鲜质量先增加后降低，T2处理下小白菜生长状态最好，自然伸展高度、叶片开展度、单株鲜质量显著高于CK1。在镉污染土壤中种植的小白菜生长受到抑制，表现为自然伸展高度低、叶片开展度低、单株鲜质量低，施入玉米秸秆生物炭在一定程度上缓解了镉的危害。CK1处理下小白菜的自然伸展高度、叶片开展度、单株鲜质量均显著高于CK2。D2处理下小白菜的自然伸展高度和叶片开展度均略低于CK1，均高于D3和CK2。D2处理下小白菜的单株鲜质量略低于CK1，两者之间差异不显著。

表4 玉米秸秆生物炭对小白菜生长的影响

2.3 玉米秸秆生物炭对小白菜可食用部位可溶性糖含量和可溶性蛋白质含量的影响

图1和图2显示，随着小白菜植株的生长，小白菜可食用部位可溶性糖含量和可溶性蛋白质含量总体呈先升高后降低的趋势。在常规土壤中种植小白菜，T1、T2、T3处理下小白菜可食用部位可溶性糖含量和可溶性蛋白质含量均高于CK1，T1与CK1之间差异不显著，T2处理下的可溶性糖含量和可溶性蛋白质含量均最高。在镉污染土壤中种植小白菜，其可食用部位的可溶性糖含量和可溶性蛋白质含量明显低于常规土壤中的小白菜，施用玉米秸秆生物炭可以提高小白菜的可溶性糖含量和可溶性蛋白质含量。

2.4 玉米秸秆生物炭对小白菜叶片叶绿素含量的影响

图3显示，在常规土壤中种植小白菜，T1、T2、T3处理下小白菜叶片的叶绿素含量高于CK1，其中T2处理下小白菜叶片的叶绿素含量最高。在镉污染土壤中种植小白菜，其叶片的叶绿素合成受到抑制，使叶绿素含量不同程度地下降，施用玉米秸秆生物炭可以促进叶绿素的合成，使叶绿素含量有不同程度提升。随着小白菜的生长，各个处理中小白菜叶片叶绿素含量总体呈先升高后降低的趋势。D1、D2、D3处理的小白菜叶片叶绿素含量在播种后第34 d时达到最大值。在同一测定时间，D2处理下小白菜叶片叶绿素的含量显著高于CK2。

2.5 玉米秸秆生物炭对小白菜叶片相关酶活性的影响

图4显示，在镉污染土壤中生长的小白菜体内SOD、POD、CAT活性在测定的各个时间内均高于CK1，T1、T2、T3处理下小白菜体内SOD、POD、CAT活性整体高于CK1。CK2处理下小白菜体内的SOD、POD、CAT活性最高，施用玉米秸秆生物炭后，镉污染土壤中生长的小白菜体内SOD、POD、CAT活性所有下降，其中D2处理下的SOD、POD、CAT活性最低，表明在镉污染土壤中施用玉米秸秆生物炭可以缓解镉胁迫。

CK1、CK2、D1、D2、D3、T1、T2、T3见表2注。图中同一播种后时间不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。图1 玉米秸秆生物炭对小白菜可溶性糖含量的影响Fig.1 Effects of corn-stalk biochar on soluble sugar content of Chinese cabbage

CK1、CK2、D1、D2、D3、T1、T2、T3见表2注。图中同一播种后时间不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。图2 玉米秸秆生物炭对小白菜可溶性蛋白质含量的影响Fig.2 Effects of corn-stalk biochar on soluble protein content of Chinese cabbage

CK1、CK2、D1、D2、D3、T1、T2、T3见表2注。图中同一播种后时间不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。图3 玉米秸秆生物炭对小白菜叶片绿素含量的影响Fig.3 Effects of corn-stalk biochar on chlorophyll content in leaves of Chinese cabbage

CK1、CK2、D1、D2、D3、T1、T2、T3见表2注。图4 玉米秸秆生物炭对小白菜叶片相关酶活性的影响Fig.4 Effects of corn-stalk biochar on activities of related enzymes in Chinese cabbage

3 讨 论

镉是植物和人体中非必需的金属元素之一，被吸收后会产生一系列毒害作用。本研究结果表明，将小白菜播种于常规土壤中，土壤及小白菜可食用部位均检测出微量镉，原因可能是农田中多年施用肥料，即使施用了玉米秸秆生物炭也存在微量镉。将小白菜播种于镉污染土壤中，随着小白菜的不断生长，其可食用部位的镉含量逐渐增加，而土壤镉含量随着小白菜的生长而逐渐减小。施用玉米秸秆生物炭的处理与不施用玉米秸秆生物炭的处理相比，小白菜可食用部位的镉含量较低，说明玉米秸秆生物炭可有效减少小白菜可食用部位的镉含量，这与毛懿德等[19]的研究结果一致。生物炭缓解镉污染的原因主要有3个：一是生物炭属于碱性钝化材料，可提高土壤pH，在碱性条件下镉离子可形成沉淀，降低镉的活性，减少植物对镉的利用，降低其吸收量；二是生物炭的比表面积大，含有羟基、羧基等多种含氧官能团，能够吸附镉离子，阻碍镉迁移；三是土壤中添加生物炭，会提高土壤中有机质的含量，有机质含量的升高可促进土壤有机酸和腐殖酸的生成，有机酸和腐殖酸与镉离子发生反应，降低镉的有效性[20-21]。

镉对植物的影响不仅表现在镉积累上，在植物的生长中也起到作用，如会导致植株矮小、叶片卷曲泛黄以及减产等[22]。本研究结果表明，在常规土壤中，施用20 g/kg玉米秸秆生物炭的小白菜长势最佳。在镉污染土壤中，小白菜生长受到抑制，其自然伸展高度、叶片开展度、单株鲜质量均有所降低，而施入玉米秸秆生物炭后小白菜的生长加快，说明玉米秸秆生物炭可以缓解镉对小白菜生长的抑制,这与王晋等[23]的结果一致。在镉污染土壤中施用20 g/kg玉米秸秆生物炭时，小白菜的自然伸展高度、叶片开展度、单株鲜质量均达到了最大值，说明在镉污染土壤中施入20 g/kg生物炭，土壤孔隙中吸附的生物炭基本趋于饱和，继续增加玉米秸秆生物炭施用量，会影响根系对矿质营养元素的吸收，这也是本试验中30 g/kg玉米秸秆生物炭处理下的小白菜生长指标低于20 g/kg玉米秸秆生物炭处理的原因。夏红霞等[24]发现木梨生物炭和酒糟生物炭均与小白菜的生长发育呈正相关，马丽等[25]认为过量的小麦秸秆生物炭与草莓生长呈负相关，产生这种不一致的结果可能是因为生物炭的制作条件、制作材料、作物品种、种植环境等不同。

叶绿素是一类与光合作用有关的色素，其含量高低决定光合作用的强弱[26]。光合作用强，植物的生长代谢旺盛，可溶性蛋白质、可溶性糖含量增加，维持植物的正常代谢[27-28]。同时，SOD、POD、CAT是植物酶系统中的三大保护酶，其协同作用可抵抗活性氧自由基对细胞膜的毒害，抵抗逆境环境[29]。本试验研究结果表明，在常规土壤中，施用玉米秸秆生物炭可不同程度地提高小白菜可溶性糖、可溶性蛋白质、叶绿素含量及叶片相关酶活性。在镉污染土壤中，随着玉米秸秆生物炭施用量的增加，小白菜的可溶性糖、可溶性蛋白质含量表现为先升高后降低，而叶片相关酶活性整体表现为先降低后升高，这与冀倩[30]和金睿等[31]的结果一致，说明玉米秸秆生物炭的施用可有效缓解镉对小白菜的毒害。当重金属镉进入小白菜体内后，产生大量的活性氧，引发氧化胁迫和膜损伤，并且镉离子与其他物质结合形成络合物，能抑制可溶性蛋白质的合成，而玉米秸秆生物炭的施用，激活了小白菜对镉污染的应对机制，减轻了小白菜的脂质过氧化程度。当小白菜所受镉胁迫降低时，小白菜叶片中叶绿素含量、可溶性糖含量和可溶性蛋白质含量增加[32]。施用适量玉米秸秆生物炭有助于激活小白菜的抗逆性，但过量时会对小白菜的生理代谢产生不利影响。镉的形态有可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化态、有机结合态及残渣态，其中对植物直接造成危害的主要是可交换态的镉，各种形态镉之间相互转化主要受pH、有机质含量、土壤水分等因素影响[33]。随着植物的生长，土壤中的镉逐渐被根系吸收，在植物体内运转积累，这个过程可能也会影响到镉的形态，这方面还有待于进一步研究。