小麦秸秆生物质炭与猪粪施用对小白菜镉吸收和生长的影响

来雪慧，王芳丽，苗秀荣，李兆龙，张婧

（1.太原工业学院 环境与安全工程系，山西 太原030008；2.太原师范学院 地理科学学院，山西 晋中030619；3.青岛农业大学资源与环境学院，青岛市农村环境工程研究中心，山东 青岛266109）

土壤是人类赖以生存和经济发展的重要物质基础。近年来随着人口的不断增长和经济快速发展，在耕地面积有限和水资源短缺的情况下，污水灌溉和农药化肥的大量施用导致我国土壤质量下降，农田土壤重金属含量超标［1～3］。一旦农田土壤重金属含量超标，就会在农作物中累积并通过食物链威胁人体健康［4］。根据2014 年发布的《全国土壤污染状况调查公报》，我国农田土壤以重金属污染为主，其中镉（Cd）污染尤为严重。我国土壤无机污染点位超标率为21.7%，Cd 的污染点位超标率达到7.0%［5］。同时，由于重金属污染多表现为高毒性、隐蔽性、不可逆性和生物迁移性［6，7］，若不合理控制便会产生农产品质量安全问题，因此重金属污染土壤的修复研究对于农业环境保护具有重要的理论指导意义。

目前，土壤重金属污染修复技术主要有化学修复、生物修复和物理修复，其中植物修复和化学钝化修复对土壤质量的破坏作用最小［8，9］。在厌氧条件下高温热解产生的生物质炭，由于其较大的比表面积，丰富的极性官能团和较高的有机碳含量等性质，将生物质炭添加到污染土壤中不仅可以提高作物产量，而且可以改变土壤理化性质和吸附土壤中重金属［10～12］。诸多研究发现，土壤中添加生物质炭可以降低作物对Cd 的富集，同时也可以降低土壤Cd 的生物有效性［13，14］。因此，通过农业废弃物制备的生物质炭逐渐成为修复Cd 污染土壤的钝化剂。小麦秸秆制备的生物质炭可以降低碱性土壤中Cd 的活性，有利于改善土壤质量［15］；富硅材料谷壳灰有利于降低土壤Cd 的生物有效性，施用谷壳灰后土壤Cd 的酸可提取态含量降低0.9%～16.7%［3］；添加小麦秸秆生物质炭还可以使玉米Cd 的富集系数降低47.0%［16］。同时随着生物质炭含量的增加，土壤中重金属的交换态含量逐渐减少［17］。太原是我国重要的重工业基地，城区周边土壤Cd 含量均值为0.243 mg·kg-1，超过了山西省土壤背景值，存在土壤重金属Cd 污染［18］。目前，研究多集中在某种生物质炭对重金属污染土壤的生物有效性影响，及生物质炭对土壤Cd 积累的影响，缺乏生物质炭与有机肥联合施用对重金属植物修复的影响研究。因此，本研究通过盆栽试验，探究小麦秸秆生物质炭和猪粪生物质炭对Cd 污染土壤种植的小白菜吸收Cd 的影响，从而为Cd 污染土壤的治理以及农业可持续发展提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 供试材料

供试土壤采自山西省太原市尖草坪区某矿区重金属污染表层土壤（0～20 cm），将采集后的土壤样品去除杂物，经过自然风干后粉碎，过2 mm 孔径尼龙筛保存待用。供试小白菜品种来自山西省农业科学院农作物品种资源研究所，试验所用小麦秸秆和猪粪原料取自山西省太原市尖草坪区北固碾村农田和养殖场。将小麦秸秆自然风干，于马弗炉100 ℃限氧热解1 h，之后在450 ℃热解4 h，冷却过筛至150 μm 以下，得到小麦秸秆生物质炭。猪粪于105 ℃烘干2 h，冷却待用。表1 为试验土壤、小麦秸秆生物质炭和猪粪的理化性质。

表1 试验土壤和不同生物质炭的理化性质（平均值±标准偏差）Table 1 Physical and chemical properties of soil and biomass charcoals（Mean±standard deviation）

1.2 试验设计

于2018 年5 月10 日进行镉污染土壤的盆栽试验，将采集土壤装入盆高20 cm，盆口径17 cm 的圆柱形塑料花盆中，每盆装有4 kg 土壤。根据我国土壤环境质量标准（GB15618-2018），向每个花盆中的土壤喷洒CdCl2·5H2O 溶液，使土壤Cd 污染水平为5.0 mg·kg-1。土壤经过沉降30 d 后，土壤中镉含量逐渐稳定，于6 月10 日向盆中镉污染土壤施加不同处理水平的小麦秸秆生物质炭和猪粪。

参考国内外研究［16，19］，试验中设置对照组和试验组，共6 个处理水平，分别为：（1）对照处理CK，不添加小麦秸秆生物质炭和猪粪；（2）WB 处理，小麦秸秆生物质炭添加量为30 g·kg-1土壤；（3）PB 处理，猪粪添加量为30 g·kg-1土壤；（4）HW 处理，小麦秸秆生物质炭添加量为20 g·kg-1土壤，猪粪10 g·kg-1土 壤；（5）HP 处 理，小 麦 秸 秆 生 物 质炭 添 加 量 为10 g·kg-1土 壤，猪 粪20 g·kg-1土壤；（6）WP 处理，小麦秸秆生物质炭和猪粪添加量分别为15 g·kg-1土壤。

施加小麦秸秆生物质炭和猪粪后，将小白菜种子播种到花盆中，覆土浇水，并使用保鲜膜将花盆口封住，保持每个花盆水分基本一致。同时，保证每盆有3 株长势一致的幼苗，不同处理水平设置5 次重复，将花盆随机摆放于温室中培养，根据缺水情况补充水分。

1.3 测定方法

在小白菜种子播种盆栽试验开始20、30、40、50、60 d 后，采集2～10 cm 土壤样品、小白菜植物地上可食用部分和根部样品。将小白菜的茎、叶和根部清洗干净在105 ℃条件下杀青30 min，再置于70 ℃条件下烘干至样品恒重，测定干物质生物量。烘干植物粉碎过筛至150 μm 以下，保存备用。

小白菜各部位样品在经过HNO3-HClO4（4：1）消煮后，通过原子吸收分光光度法测定Cd 含量［16］。土壤pH 值通过pH 计（PHS-3C 型）测定，水土比为2.5∶1［16］；土壤有机质含量通过重铬酸钾氧化法测定［16］；土壤总镉含量采用原子吸收分光光度法测定（GB/T 17141-1997）；土壤有效态镉在CaCl2-DTPA-TEA 溶液浸提后，采用原子吸收分光光度法测定［20］。植物叶片的超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）分别通过氮蓝四唑还原法［21］、愈创木酚法［21］和高锰酸钾滴定法［22］测定。

Cd 在小白菜生物体内的累积和转运采用生物富集系数（BAF）和生物转运系数（TF）计算，计算公式如下［23］：

式 中：Ci、Cs和Cr分别表示小白菜地上茎、叶部分、土壤中和小白菜根部的Cd 含量，单位均为mg·kg-1。

1.4 数据分析

采用Excel2016 和SPSS 19.0 软件对试验数据进行统计，通过Duncan’s 新复极差法分析数据的差异显著性，并利用Origin9.0 作图。

2 结果与分析

2.1 对土壤有效态Cd 含量和理化性质的影响

2.1.1 土壤有效态Cd 含量

由表1 可见，随着小白菜生长时间的增加，不同小麦秸秆生物质炭和猪粪处理的土壤中有效态Cd 含量均表现为逐渐降低的趋势。同时，不同处理的土壤有效态Cd 含量显著低于对照处理土壤（P＜0.05）。在不同生长时期，土壤有效态Cd 含量表现为：CK＞PB＞WB＞HP＞WP＞HW。HW和WP 处理的土壤有效态Cd 含量最低，其中WB和HP 处理之间的土壤有效态Cd 含量无明显差异（P＞0.05）。在小白菜生长40 d 时，HW 和WP 处理的土壤有效态Cd 含量分别比对照CK 处理降低63.92%和50.52%，此时对土壤Cd 活性的控制效果最好。小麦秸秆生物质炭和猪粪的联合施用处理对于降低土壤Cd 活性高于单一小麦秸秆生物质炭或猪粪处理。

2.1.2 土壤pH 值

图1 为小白菜种子播种60 d 后不同处理的土壤pH 值。由图1 可见，施加小麦秸秆生物质炭的不同处理组土壤pH 值显著高于对照（P＜0.05），单一施加猪粪的PB 处理土壤pH 值则明显低于对照处理（P＜0.05）。小麦秸秆生物质炭的pH 值为10.24，猪粪的pH 值为6.68，因而表现为施入小麦秸秆生物质炭后土壤的pH 值升高，施入猪粪后土壤pH 值则会降低。小麦秸秆生物质炭和猪粪联合施用后，HW、HP 和WP 处理的土壤pH 值均明显高于对照处理（P＜0.05），与CK 处理相比pH 值分别增加0.83、0.37 和0.64。

表1 施用小麦秸秆生物质炭和猪粪对小白菜土壤中有效态Cd 含量的影响Table 1 Effects of the application of wheat straw biomass charcoal mixed with pig manure on available Cd content in pakchoi单位：mg·kg−1

图1 施加小麦秸秆生物质炭和猪粪对土壤pH 值的影响Fig.1 Effects of the application of wheat straw biomass charcoal and pig manure on soil pH values

2.1.3 土壤有机质含量

表2 为小白菜种子播种60 d 后不同处理的土壤有机质含量及与有效态Cd 含量的关系。由表2可以看出，土壤有机质含量由高到低表现为：PB＞WB＞HP＞WP＞HW＞CK。为了进一步确定不同小麦秸秆生物质炭和猪粪施加后土壤有机质含量与土壤有效态Cd 含量的关系，进行相关回归分析。发现不同处理的土壤有机质含量与土壤有效态Cd 含量均呈现显著的正相关关系（P＜0.05）。PB 和HP 处理的土壤有机质含量与有效态Cd 含量达到极显著相关关系（P＜0.01），相关系数R2为0.90 以上。

2.2 对小白菜Cd 富集系数和转运系数的影响

2.2.1 小白菜茎、叶部分的Cd 含量

由表3 可以看出，小白菜茎部重金属Cd 含量高于叶部，同时随着植物的生长，小白菜茎、叶Cd含量不断增加。不同小麦秸秆生物质炭和猪粪处理中小白菜茎、叶重金属Cd 含量由高到低依次为：CK＞PB＞WB＞HP＞HW＞WP。对小白菜茎部而言，播种20 d 后只有WP 处理的Cd 含量比CK 低82.76%（P＜0.05），其它处理和对照处理之间差异不显著（P＞0.05）；播种50 d 后施加小麦秸秆生物质炭和猪粪处理中的Cd 含量均显著低于对照处理，到播种60 d 后HW 和WP 处理的Cd 含量 最 低，分 别 为0.303 mg·kg-1和0.291 mg·kg-1。对于叶部来说，播种50 d 前，不同小麦秸秆生物质炭和猪粪处理的Cd 含量显著低于CK 和PB 处理（P＜0.05），但CK 和PB 之间差异不显著（P＞0.05）。播种60 d 后，CK 和PB 处 理 的 叶 部Cd 含量分别达0.443 mg·kg-1和0.379 mg·kg-1，差异显著（P＜0.05）。总体来看，不同生长阶段WP 处理对降低茎、叶Cd 含量效果最好。小白菜播种60 d后，WP 处理的小白菜茎、叶Cd 含量与CK 相比分别降低54.81%和65.69%。对于单一施加小麦秸秆生物质炭和猪粪处理降低小白菜茎、叶Cd 含量而言，表现为小麦秸秆生物质炭的处理效果优于猪粪处理。对于小麦秸秆生物质炭和猪粪联合处理而言，WP 处理对降低小白菜茎、叶Cd 含量的效果最优。

表2 施加小麦秸秆生物质炭和猪粪对土壤有机质含量的影响Table 2 Effects of the application of wheat straw biomass charcoal and pig manure on soil organic matter contents

2.2.2 小白菜Cd 富集系数和转运系数

图2 为小白菜播种60 d 后，不同处理的小白菜Cd 含量的BAF 值和TF 值对比情况。由图2 可以看出，施加小麦秸秆生物质炭和猪粪处理均可以降低小白菜Cd 含量的BAF，Cd 含量的BAF 值由高到低依次为：CK＞PB＞WB＞HP＞HW＞WP。除PB 处理外，其它处理均可以显著降低小白菜Cd的BAF 值（P＜0.05）。其中，WP 处理对于降低小白菜Cd 富集系数的效果最好，HW 和HP 次之，说明小麦秸秆生物炭和猪粪联合处理对于降低小白菜Cd 富集系数的效果好于单一生物质炭和猪粪处理。 CK 处理的小白菜Cd 含量BAF 值为1.059，WP、HW 和HP 处理使小白菜Cd 的富集系数分别比CK 处理降低59.02%、53.94% 和33.62%。WB 和HP 处理对降低小白菜Cd 含量的BAF 值差异不显著（P＞0.05），PB 处理的BAF 值虽然低于CK，但是差异不显著（P＞0.05）。

与对照CK 处理相比，不同小麦秸秆生物质炭和猪粪处理均可以显著降低小白菜Cd 的转运系数TF 值（P＜0.05）。不同处理的小白菜Cd 含量TF 值由大到小表现为：CK＞PB＞HW＞WB＞WP＞HP，但是不同处理之间对降低小白菜Cd 的转运系数没有显著差异（P＞0.05）。总体表现为WP 和HP 处理对于降低小白菜Cd 的转运系数效果最好，TF 值分别比CK 处理降低20.04% 和21.57%。

2.3 对小白菜生长和叶片酶活性的影响

2.3.1 小白菜生长

表4 为施加小麦秸秆生物质炭和猪粪对小白菜生长的影响。由表4 可以看出，不同处理的小白菜自然伸展高度、叶片开展度和植株鲜质量均明显高于对照处理（P＜0.05），表现为PB＞HP＞WP＞HW＞WB＞CK。PB 处理对小白菜生长的促进效果最佳，HP 和WP 处理次之。与CK 处理相比，PB、HP 和WP 处理的小白菜自然伸展高度分别增加31.06%、26.70%和24.53%。PB 处理的小白菜叶片开展度和植株鲜质量分别比CK 处理增加17.55%和49.11%。单一施加猪粪处理对小白菜生长显著好于单独施加小麦秸秆生物质炭（P＜0.05）。在小麦秸秆生物质炭和猪粪联合处理中，仍然表现为猪粪添加量比例高的处理对小白菜生长的促进效应更好。

2.3.2 小白菜叶片酶活性

表5 为施加小麦秸秆生物质炭和猪粪对小白菜叶片酶活性的影响。由表5 可看出，不同处理的小白菜叶片中SOD、POD 和CAT 活性由高到低依次表现为：PB＞HP＞WP＞HW＞WB＞CK。与对照相比，施加小麦秸秆生物质炭和猪粪均可以显著提高小白菜叶片酶活性（P＜0.05），其中PB 和HP 处理对提高小白菜叶片SOD、POD 和CAT 活性效果最好。PB 处理的小白菜叶片SOD、POD 和CAT 活 性 分 别 是CK 处 理 的1.46倍、1.76 倍和2.02 倍；HW 和WP 处理之间对提高小白菜叶片SOD 和CAT 活性差异不显著（P＞0.05）。单一施加猪粪处理对于提高小白菜叶片酶活性的效果高于单独施加小麦秸秆生物质炭；同时小麦秸秆生物质炭和猪粪联合处理中，同样表现为猪粪施加量占比高的处理效果更好。

表3 施加小麦秸秆生物质炭和猪粪对小白菜茎、叶Cd 含量的影响Table 3 Effects of wheat straw biomass charcoal and pig manure on Cd contents in stems and leaves of pakchoi单位：mg·kg−1

图2 施加小麦秸秆生物质炭和猪粪对小白菜Cd 富集系数（a）和转运系数（b）的影响Fig.2 Effects of wheat straw biochar and pig manure on the enrichment（a）and transfer coefficient（b）of pakchoi

表4 施加小麦秸秆生物质炭和猪粪对小白菜生长的影响Table 4 Effects of wheat straw biochar and pig manure on the growth rate of pakchoi

表5 施加小麦秸秆生物质炭和猪粪对小白菜叶片酶活性的影响Table 5 Effects of wheat straw biochar and pig manure on the leaf enzyme activities of pakchoi 单位：U·g−1

3 讨论

镉是土壤环境中毒性较大的重金属，进入植物和人体内会产生毒害作用。本研究表明不同小麦秸秆生物质炭和猪粪处理均可以降低土壤有效态Cd 含量，小白菜茎、叶中Cd 含量以及小白菜富集系数和转运系数。同时，随着小白菜的生长，土壤中有效态Cd 含量逐渐降低，而小白菜茎、叶中的Cd 含量呈现逐渐增加的变化规律。小麦秸秆生物质炭降低土壤有效态Cd 含量的原因是一方面由于生物质炭表面具有多孔性结构和较强的表面吸附能力，通过吸附土壤中的重金属而影响Cd在土壤-植物体系的迁移能力，导致Cd 的生物有效性降低［3］。另一方面因为小麦秸秆生物质炭的pH 值为10.24，可以提高土壤pH 值（图1），当土壤pH 值增加后Cd2+可能会形成沉淀物，从而降低土壤中Cd 的有效性。猪粪降低土壤有效态Cd 含量是因为猪粪中有机质含量较高，施入土壤后通过微生物分解可以产生大量的腐殖酸，同时腐殖酸中含量丰富的羧基、羟基等官能团，这些官能团可以与Cd2+产生较强的络合或螯合作用，形成不溶性螯合物，导致猪粪对土壤中重金属Cd 产生钝化，减少Cd 向小白菜迁移的能力［24，25］。另外，本研究结果还表明小麦秸秆生物质炭降低土壤有效态Cd 含量和小白菜茎、叶中Cd 含量的效果好于猪粪，可能是因为猪粪主要通过其含有的有机质与重金属Cd 产生络合作用，来降低小白菜中Cd 含量［26］；小麦秸秆生物质炭不仅可以通过多孔结构吸附土壤中重金属Cd 来降低Cd 向小白菜根、茎、叶的转移能力，同时还可以提高土壤pH 值碱化土壤，导致Cd 产生沉淀物降低重金属的有效性［12，15］。

施加小麦秸秆生物质炭和猪粪能够降低重金属Cd 对小白菜的毒害作用，进而促进小白菜生长［27］。本研究发现不同小麦秸秆生物质炭和猪粪处理均可以显著增加小白菜的自然伸展高度、叶片开展度和植株鲜质量。这与悦飞雪等［16］施用秸秆生物炭和鸡粪降低玉米Cd 积累、促进玉米生长和代允超等［28］施加鸡粪增加小白菜生物量的研究结果一致。研究表明SOD、POD 和CAT 是植物酶系统的保护酶，三者之间产生的协同作用可以抵抗活性氧自由基对植物细胞膜的损害，从而降低膜脂过氧化程度，减轻Cd 胁迫对植物细胞的损害［29］。本研究结果表明不同施加小麦秸秆生物质炭和猪粪处理均可以显著提高SOD、POD 和CAT活性。小麦秸秆生物质炭可以提高小白菜抗氧化能力，可能是因为生物质炭含有丰富的矿质养分，能够增强土壤微生物活性并改善土壤理化性质［16］。猪粪提高小白菜抗氧化能力，主要是因为猪粪中含有有机质等营养成分，可以改善土壤理化性质，增加土壤养分，从而提高微生物活性［30］。本研究还发现猪粪处理对提高小白菜抗氧化能力优于小麦秸秆生物质炭，可能是因为猪粪中含有的营养成分多于小麦秸秆生物质炭，对于土壤肥力的改善效果好于小麦秸秆生物质炭引起的。

关于生物质炭和有机肥联合施用对重金属生物有效性影响的研究发现，施用生物炭和鸡粪可以降低土壤有效态Cd 含量和植物地上部Cd 含量［16，31］。也有研究表明，施用猪粪和鸡粪可以降低土壤可交换态Cd 含量［32］，同时猪粪对污染土壤中水稻和小麦茎、叶中Cd 的抑制效果优于鸡粪［32，33］。本研究同样发现小麦秸秆生物质炭和猪粪联合处理可以降低土壤有效态Cd 含量和小白菜茎、叶中Cd 含量，而且联合处理的效果优于单独施加小麦秸秆生物质炭或者猪粪。这可能是因为小麦秸秆生物质炭和猪粪混合后，猪粪中的腐殖酸可以氧化生物质炭表面，同时生物质炭促进猪粪中腐殖酸的形成，猪粪中的微生物活性提高［34］。同时，小麦秸秆生物质炭和猪粪结合可以延缓肥料养分在土壤中的释放期，为土壤持续提供肥力［35］，进而改变土壤pH 值和有机质含量等，从而降低土壤中Cd向小白菜的转移能力，促进小白菜生长和降低Cd含量［36，37］。

4 结论

（1）随着小白菜的生长，土壤中有效态Cd 含量逐渐降低，小白菜茎、叶中的Cd 含量呈现逐渐增加趋势。但不同施加小麦秸秆生物质炭和猪粪处理均可以降低土壤中的有效态Cd 含量，也可以降低小白菜茎、叶中的Cd 含量以及小白菜重金属Cd 的富集和转运系数。

（2）施加小麦秸秆生物质炭和猪粪可以促进小白菜生长，不同处理的小白菜自然伸展高度、叶片开展度和植株鲜质量均明显高于对照处理。同时，施加小麦秸秆生物质炭和猪粪还可以显著增加小白菜叶片中SOD、POD 和CAT 活性，抗氧化能力增强。

（3）小麦秸秆生物质炭和猪粪的联合施用对降低土壤有效态Cd 含量和小白菜茎、叶中Cd 含量的效果优于单独施加小麦秸秆生物质炭或者猪粪，小麦秸秆生物质炭和猪粪的混合配施对小白菜生长和降低小白菜Cd 吸收效果更好。