施用秸秆炭对黄壤上小白菜生长及镉吸收的影响

王 芳，刘林峰，冉秋霞，杨金礼，罗 洋

(1.贵州师范学院 地理与资源学院，贵州 贵阳 550018； 2.曲靖师范学院 物理与电子工程学院，云南 曲靖 655011)

1 引言

近年来由于矿业开采、汽车尾气排放、农药化肥滥用以及污水灌溉等，使得大量镉等有害重金属不断进入到农业生产环境中，对农作物造成了不同程度的污染[1]。我国土壤镉污染形势日渐严峻，目前我国耕地被镉污染的已超过13万km2，其中包含11个省市，25个地区[2]，污染范围逐渐扩大，对人们赖以生存的生态环境构成了巨大的威胁。根据调查得知，西南地区是重金属污染最严重地区之一，其中镉污染物从东北到西南呈逐渐升高的地理分布态势[3]。重金属镉是“五毒”元素之一，具有很强的毒性、不可逆性和迁移性，因此镉极易被作物吸收富集[4]。镉是人体非必需的微量元素，具有较强的致癌、致畸及致突变作用，当农作物在镉污染土壤上进行种植时，会导致镉在农作物体内累积，一旦被动物或人类食用，可能会通过食物链的方式进入人体，对人体健康造成极大危害[5]。

生物炭能改善土壤的理化性质与微生态环境，使其降低重金属在土壤中的活性以及有效含量，从而减少重金属对作物生长发育的影响[6]。秸秆炭是一种生物质炭，具有孔隙结构发达、吸附性强、透气性好、比表面积大等特点，在控制污染及重金属修复等方面均有良好的应用前景[7]。通过添加水稻秸秆炭开展对玉米植株镉累积的影响，结果表明：施用秸秆炭能有效的减少镉的生物可利用态含量，降低了玉米植株中的生物有效性，从而减小玉米植株对重金属Cd的富集，抑制植株根部Cd向地上部分的转运[8]；通过添加秸秆炭对水稻植株中镉迁移累积的影响，结果表明：施用秸秆炭能使土壤中酸溶态镉向还原态转化，从而降低镉的生物有效性，减少了镉在水稻中的累积[9]。

据全国土壤重金属调查显示，镉在贵州土壤中的平均值高达0.659 mg/kg，明显超出对农业生产用地的标准，使食品安全问题受到威胁[10]。有研究结果表明：镉是贵州省土壤中主要污染物之一，其单因子污染指数达到了4.05，说明贵州省属于镉的重污染区[11]。黄壤是贵州省面积最大的土壤类型，占全省土壤总面积的46.4%，大多分布贵州中部和北部。开展黄壤重金属镉污染的治理工作对贵州省粮食、蔬菜、水果等作物的安全生产和人民身体健康具有重要意义。因此，本研究以黄壤为供试土壤，用贵州本地产出较多的农业废弃物水稻秸秆和辣椒秸秆制备生物炭，开展盆栽试验，通过测定模拟镉污染黄壤上小白菜的株高、生物量和镉含量等数据，探讨秸秆炭对镉污染黄壤上小白菜生长及镉吸收的影响，为贵州镉污染黄壤的修复工作和农作物的安全生产提供参考。

2 材料与方法

2.1 试验材料

供试土壤：采自贵阳市乌当区贵州师范学院对面的空地农田0～20 cm表土层，土壤类型为黄壤。用“S”型多点取样法进行取样，将土壤用编织袋装好后带回实验室阳台自然风干，并挑出其中的石块和木棍等杂物，用研钵磨细过2 mm尼龙筛，装入自封袋备用。

供试植物：小白菜(学名：普通白菜)，拉丁学名：BrassicacampestrisL. ssp. ，别称：青菜、瓢儿菜。具有抗病、抗湿和耐热等品质，网上购买。

供试秸秆炭：采集于贵州省丰富而廉价的水稻和辣椒秸秆，自然晾干后用粉碎机粉碎。再于实验室控温马弗炉中限氧热解，将温度升至400 ℃度时保持2 h，冷却后用钳子取出瓷坩埚，用研钵磨细，过100目尼龙筛，编号装袋备用。秸秆中未检测出重金属镉。

2.2 试验设计

试验在贵州师范学院温室大棚进行。采集未受镉污染的清洁黄壤，通过添加CdCl2溶液的形式制备模拟污染土壤。试验共设计5个处理，具体情况见表1。

将制备好的模拟污染土壤装入圆形塑料盆中，每盆装土1.8 kg，室温下平衡7 d后，水稻和辣椒秸秆炭按比例与模拟镉污染土充分混匀，每个处理重复3次。将小白菜种子(25粒)均匀播种在每个盆中并覆土，15 d后即小白菜生长至两片真叶时间苗，在盆栽中挑选12株长势较均匀的小白菜作为试验对象。在植株生长期间浇去离子水，并注意观察生长情况，定期除去杂草。在平衡至收获期间均保持土壤的水分为田间持水量的70%，且不添加任何肥料。

盆栽试验进行44 d后收获，对地上部植株进行采集，用自来水洗去粉尘杂质和蒸馏水润洗3次，晾干后对植株的株高及鲜重进行测量。再于105 ℃下杀青30 min，80 ℃下烘干至恒重，用研钵磨细，过100目尼龙筛，装袋备用。植株收获后用不锈钢土钻取200 g土壤样品，自然风干后，以四分法取60 g土壤，研钵磨细，过100目尼龙筛，装入自封袋备用。其中原始土壤镉含量为0.03 mg/kg；pH值为7.20；有机质含量为38.42 g/kg。

2.3 测定项目及方法

土壤有机质采用重铬酸钾容量法-外加热法测定；土壤pH值采用去离子水浸提(土水比1∶2.5)，精密pH计(雷兹PHS-3C)测定；上述指标具体测定步骤均参考文献鲍士旦中的方法[12]。

小白菜地上部Cd含量采用HNO3-HClO4体系消解，土壤全Cd含量采用HCl：HNO3(4∶1)的混合酸液消煮，利用原子吸收光谱仪法测定镉含量。测试过程均设置空白对照，实验所用试剂均为优级纯。

2.4 数据分析

本试验通过Microsoft Excel 2010和IBM SPSS Statistics 22.0软件进行数据整理及计算，单因素方差分析显著性水平设置为P<0.05。

3 结果与分析

3.1 秸秆炭施用对土壤pH的影响

在水稻秸秆炭处理组中，土壤pH值随着添加量的增多与对照相比分别增加了0.09、0.22个单位，达到显著水平(P<0.05)(图1)。在辣椒秸秆炭处理组中，土壤pH值也随着添加量的增多而增加，与对照相比分别增加了0.12和0.29个单位，达到显著水平(P<0.05)。在0.5%的添加量条件下，水稻和辣椒秸秆炭之间无显著差异。在2.5%的添加量条件下，辣椒秸秆炭处理组土壤pH值比水稻秸秆炭显著增加了0.07个单位。

图1 不同处理的土壤pH值

3.2 秸秆炭施用对土壤有机质含量的影响

在水稻秸秆炭处理组中，土壤的有机质含量随着添加量的增多与对照相比分别增加41.41%和64.19%，在0.5%～2.5%用量范围内均达显著水平(P<0.05)(图2)。在辣椒秸秆炭处理组中，土壤有机质含量随着添加量的增多与对照相比分别增加了38.14%和53.49%，在0.5%和2.5%处理水平上达显著水平(P<0.05)，土壤有机质含量随秸秆炭施用量的增加而显著增加。在两种秸秆炭的0.5%水平中，土壤有机质并无显著差异。而在两种秸秆炭的2.5%水平中，水稻秸秆炭比辣椒秸秆炭显著增加了29.87%(P<0.05)。

图2 不同处理的土壤有机质含量

3.3 秸秆炭施用对小白菜生长的影响

从图3得知，在水稻秸秆炭处理组中，小白菜的株高随着添加量的增多与CK(14.17 cm)相比分别增加26.00%和33.22%，在0.5%和2.5%两个用量水平下均呈升高趋势(P<0.05)。小白菜地上部鲜重随着添加量的增多与对照(5.64 g)相比分别是对照组的4.95和6.66倍，统计结果显示与对照相比均达显著水平。在辣椒秸秆炭处理组中，小白菜的株高随着添加量的增多与对照相比分别显著增加了31.08%和35.06%，地上部鲜重分别是对照组的5.47和7.17倍。但同一用量水平下，水稻和辣椒两种秸秆炭处理之间的小白菜的生长情况无显著性差异。

图3 不同处理的小白菜生长情况

3.4 秸秆炭施用对小白菜镉含量的影响

由图4可知，小白菜在施用秸秆炭的镉污染黄壤上生长44 d后，其地上部镉含量随着秸秆炭的施用量增加有着不同程度的降低。在水稻秸秆炭处理组中，小白菜地上部镉含量随着添加量的增多与对照相比分别降低了15.67%和23.92%，达显著水平(P<0.05)。在辣椒秸秆炭处理组中，小白菜地上部镉含量随着添加量的增多与对照相比分别降低了15.88%和21.65%(P<0.05)。在镉污染土壤上水稻和辣椒秸秆炭都随施用量的增加而显著降低镉含量，但两者在同一施用量时的镉含量降低程度无明显差异。

图4 不同处理的小白菜镉含量

4 讨论

通过试验结果得知，两种秸秆炭的施用显著升高了土壤pH值，并且均随添加量的增多而升高。原因是生物炭本身含有一定量的碱性物质，同时生物炭中的钾、钠、镁等盐基离子降低了土壤的交换性铝离子水平，使得土壤pH值提高[13]。此外，本试验施用了水稻秸秆炭和辣椒秸秆炭，两种秸秆炭均提高了土壤有机质含量，且都随添加量的增多而增加。可能是秸秆中的有机物质在缺氧状态下，对其有控制的进行高温分解，所制得的炭具有一定的养分含量及稳定性，在一定程度上能促进土壤对养分的吸收[14，15]。不同秸秆炭对土壤pH值和有机质的响应不同[16]，本试验中主要用了水稻和辣椒秸秆炭，在施用量为2.5%时，土壤pH值和有机质在两种秸秆炭之间均有显著性差异，其他指标无明显区别。可能是由于秸秆炭的钝化作用除了与土壤中镉浓度有关外，还受环境和污染类型等因素的影响[17]。

在本研究中，两种秸秆炭的施入均促进了小白菜生长，可能是因为一方面秸秆炭提高了土壤有机质含量及pH值、增加了土壤肥力、改善了土壤通气性等理化性质，从而促进作物生长[18]。另一方面秸秆炭能与土壤中的微生物、无机和有机组分之间相互作用，在秸秆炭表面形成有机-矿质-生物覆膜，增加秸秆炭表面官能团数量，加快秸秆炭对重金属镉的钝化，降低了镉对作物的危害[19]。水稻秸秆炭和辣椒秸秆炭的施用均降低了小白菜地上部的镉含量，原因可能是秸秆炭能够与土壤中镉发生络合、吸附、离子交换等一系列反应，从而减少镉在植物中的迁移，降低了镉在作物的富集[20]。土壤pH值的升高降低了镉在植株中的移动性，减少植株根系对镉的吸收，因此降低了重金属镉在植株中的有效含量[21]。

本研究通过向土壤中添加两种类型不同用量的秸秆炭，开展了盆栽实验，探索了不同类型秸秆炭及不同秸梯度处理中，对镉污染黄壤上小白菜生长及镉吸收的影响。从试验结果来看有一定成效，但仍需从野外试验、不同秸秆炭之间的配比、秸秆炭施用对微生物的影响、土壤镉形态等方面开展进一步的探索，以多角度地评价其施用效果和解释有关作用机制。

5 结论

(1)秸秆炭的施用明显改善了土壤的理化性质，随着秸秆炭施用量的增加，土壤pH值、有机质都有着不同程度的增加。

(2)施用一定量的秸秆炭能明显促进小白菜的生长，当两种秸秆炭在用量为0.5%和2.5%水平时，与对照相比极大提高了小白菜地上部鲜重。其中在水稻秸秆炭处理组中，地上部鲜重随着添加量的增多与对照相比分别是对照组的4.95和6.66倍；在辣椒秸秆炭处理组中，地上部鲜重随着添加量的增多与对照相比分别是对照组的5.47和7.17倍。

(3)秸秆炭施用明显降低了小白菜地上部镉含量。在水稻秸秆炭处理组中，镉含量随着添加量的增多与对照相比分别降低了15.67%和23.92%；在辣椒秸秆炭处理组中，镉含量随着炭添加量的增多与对照相比分别降低了15.88%和21.65%。