沼液施用条件下复合添加生物炭和浮萍阻控水稻重金属污染方法初探

杨夕佳 兰天元 沙之敏

（上海交通大学，上海 200240）

随着我国畜禽养殖业的发展，在畜禽粪污处置过程中产生了大量沼液。沼液含有丰富的农作物生长所需的营养物质，可代替部分化肥施用于农作物，从而有效减少农田化肥施用量，故沼液灌溉还田成为了畜禽养殖废弃物资源化利用的重要途径之一[1]。然而在畜禽养殖过程中，由于饲料添加剂中添加了Cu、Zn、As、Cd等重金属元素[2]，故沼液灌溉还田也有潜在的重金属污染风险。例如，唐夏军等[3]发现，随着沼液浇灌时间的延长，水芹菜中Cu、Zn、Pb、Cd、As等重金属元素的含量呈上升的趋势。

水稻与其他作物相比，由于其生长环境与耕种方式特殊，故对重金属元素具有更强的富集性（这也是稻田重金属污染防控的重点和难点[4-5]）。而诸多研究结果表明，生物炭能吸附Cu、Zn、Pb、Cd等重金属元素，故被广泛应用于农田重金属吸附和土壤改良[6]；浮萍(LemnaminorL.)作为世界范围内广泛分布的小型水生开花植物，对水体中As、Cu、Zn、Au、Cd、Ni等重金属污染物有较好的耐受和富集效果[7-8]，且在施用沼液的稻田中添加浮萍，可在一定程度上控制土壤、水稻籽粒和秸秆中重金属元素Cu、Pb含量的增加[9]。在此背景下，鉴于水稻在上海市农业生产中的重要地位，笔者拟通过开展盆栽试验，对在沼液施用条件下，复合添加生物炭和浮萍对水稻重金属含量的影响进行研究，以期为沼液在稻田的安全利用及探索出阻控水稻重金属污染的方法提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验水稻种苗由中国水稻研究所提供，品种为“早玉香粳”。盆栽土壤取自上海交通大学农业与生物学院附近（N 31°02′5.53″，E 121°26′17.87″），沼液由上海市金山区亭林镇后岗村的新农公司提供，沼液和土壤的理化性质见表1。浮萍采集自上海交通大学农业与生物学院附近河道（N 31°02′2.83″，E 121°26′20.48″），品种主要为少根紫萍，采集后用清水培养。生物炭购于博泰园艺，主要成分为稻壳炭。

表1 沼液和土壤的理化性质

1.2 试验设计

本试验采取Box-Behnken试验设计[属于响应面法（Response Surface Methodology），当试验因素较多且与响应值呈非线性关系时，响应面法可有效评估多项参数及参数间的相互作用，从而能以较少的试验次数找到最优的参数条件]，设3个试验因素，分别为沼液替代化肥量（A）、浮萍覆盖百分比（B）、生物炭施用量（C），每个试验因素均取3个水平，分别为高水平（+1）、中间值（0）、低水平（-1），其中，沼液替代化肥量（A）的高水平值（+1）为全沼液替代化肥（100%替代）、中间值（0）为1/2沼液替代化肥（50%替代）、低水平值（-1）为全化肥（0替代）；浮萍覆盖百分比（B）的高水平值（+1）为浮萍水面覆盖80%、中间值（0）为浮萍水面覆盖50%、低水平值（-1）为浮萍水面覆盖20%；生物炭施用量（C）的高水平值（+1）为生物炭施用量为50 t/hm2、中间值（0）为生物炭施用量为30 t/hm2、低水平值（-1）为生物炭施用量为10 t/hm2。各试验因素水平设计见表2；按照Box-Behnken试验设计，利用Design Expert 10软件设计出的17个试验处理见表3。

表2 Box-Behnken试验因素水平

表3 Box-Behnken试验设计处理方案

1.3 试验方法

试验于2017年夏季进行。水稻栽培桶高30 cm，上表面积约900 cm2。土壤过4 mm筛网后放入栽培桶中，厚度为20 cm。

依据大田水稻栽培中营养元素施用量（氮300 kg/hm2、五氧化二磷60 kg/hm2、氧化钾60 kg/hm2），盆栽试验分别使用尿素、磷酸二氢钾和氯化钾作为肥源，折算到每桶的施用量为尿素3.46 g、磷酸二氢钾1.04 g、氯化钾0.28 g（全化肥）。使用沼液替代化肥时，主要以氮素作为替代标准，按照沼液中N含量为1.35 g/L进行计算，每桶高水平的沼液使用量为1 200 mL；中间值的沼液使用量为600 mL，化肥使用量为尿素1.73 g、磷酸二氢钾0.52 g、氯化钾0.14 g。生物炭施用量折算到每桶的施用量为高水平450 g、中间值270 g、低水平90 g。

按照试验设计，将17个处理的生物炭、化肥与土壤混匀后，倒入栽培桶中，加入沼液和水，直至高于土壤6 cm为止。将长势一致的3叶期水稻苗移栽至桶中，要求水稻苗根部插入土壤。为保证有足够数量的水稻苗存活，每桶栽插9株水稻，以每桶中的6株植株作为重复。

1.4 测定指标和方法

每桶收取4株长势较为一致的水稻植株，置于烘箱烘干后测量水稻植株干重。将测量干重后的水稻植株样品研磨成粉末，每份称0.25 g左右，并记录实际重量，放入50 mL塑料离心管中，加6 mL硝酸和2 mL双氧水，不拧紧管盖，室温下静置过夜，然后于120 ℃加热2 h，之后打开管盖并继续加热，待管内液体剩余1 mL时停止加热，加去离子水定容至25 mL。将消解后的样品，利用石墨炉原子吸收光谱法（GB 5009.15-2014）测定Cd、Pb元素含量，利用原子荧光光谱法（GB 5009.11-2014）测定As元素含量，利用电感耦合等离子体质谱法（GB 5009.13-2017）测定Cu元素含量。

2 结果与分析

2.1 沼液-生物炭-浮萍复合施用对水稻植株干重的影响

以水稻植株平均干重为响应值，17个处理的试验结果见表4。使用Design-Expert 10对表4数据进行二次多项式拟合，得到回归方程：水稻植株平均干重（g）=0.160 7-0.069 9A-0.005 6B+0.003 6C-0.023 1AB+0.055 8AC-0.041 4BC+0.027 2A2+0.053 4B2+0.028 0C2。

表4 水稻植株的平均干重 （单位：g）

对回归方程进行方差分析和显著性检验，结果见表5。整体的回归方差P值为0.123 3，失拟项P＞0.05，说明该模型的相关性一般，拟合度良好。

表5 水稻植株干重回归方程方差分析

通过Design-Expert 10软件进行响应面分析可知，各试验因素对水稻植株干重的影响表现为：A（沼液替代化肥量）＞B（浮萍覆盖百分比）＞C（生物炭施用量）。经Design-Expert软件分析，水稻植株干重最大化的最优试验因素条件是全化肥施用、浮萍水面覆盖20%、生物炭施用量为10 t/hm2，在此条件下，水稻植株平均干重理论最大值为0.332 g。

2.2 沼液-生物炭-浮萍复合施用对水稻植株中As、Cd、Cu、Pb元素含量的影响

2.2.1 As元素

以水稻植株中As元素含量为响应值，17个处理的试验结果见表6。使用Design-Expert 10对表6数据进行二次多项式拟合，得到回归方程：水稻植株中As元素含量（mg/kg）= 0.393 0-0.002 3A-0.000 3B+0.023 1C+0.024 5AB+0.013 5AC+0.014 1BC-0.063 9A2-0.112 8B2-0.027 5C2。

表6 水稻植株As元素含量 （单位：mg/kg）

对回归方程进行方差分析和显著性检验，结果见表7。整体的回归方差P值为0.105 3，失拟项P＞0.05，说明该模型的相关性一般，拟合度良好。

表7 水稻植株中As元素含量回归方程方差分析

通过Design-Expert 10软件进行响应面分析可知，各试验因素对水稻植株中As元素含量的影响表现为：C（生物炭施用量）＞A（沼液替代化肥量）＞B（浮萍覆盖百分比）。经Design-Expert软件分析，水稻植株中As元素含量最小化的最优试验因素条件是全沼液替代化肥、浮萍水面覆盖80%、生物炭施用量为10 t/hm2。在此条件下，水稻植株中As元素含量理论最小值为0.160 mg/kg。

2.2.2 Cd 元素

以水稻植株中Cd元素含量为响应值，17个处理的试验结果见表8。使用Design-Expert 10对表8数据进行二次多项式拟合，得到回归方程：水稻植株中Cd元素含量（mg/kg）=0.013 7-1.25×10-4A+5.125×10-3B-2.5×10-4C。

表8 水稻植株中Cd元素含量 (单位：mg/kg)

对回归方程进行方差分析和显著性检验，结果见表9。仅分析一次项，整体的回归方差P＜0.05，失拟项P＞0.05，说明该模型的拟合度高，相关性好。

表9 水稻植株中Cd元素含量回归方程方差分析

通过Design-Expert 10软件进行响应面分析可知，各试验因素对水稻植株中Cd元素含量的影响表现为：B（浮萍覆盖百分比）＞C（生物炭施用量）＞A（沼液替代化肥量）。经Design-Expert软件分析，水稻植株中Cd元素含量最小化的最优试验因素条件是全沼液替代化肥、浮萍水面覆盖20%、生物炭施用量为50 t/hm2。在此条件下，水稻植株中Cd元素含量理论最小值为0.008 mg/kg。

2.2.3 Cu 元素

以水稻植株中Cu元素含量为响应值，17个处理的试验结果见表10。使用Design-Expert 10对表10数据进行二次多项式拟合，得到回归方程：水稻植株中Cu元素含量（mg/kg）=10.306 4-0.013 9A+0.301 4B-0.860 8C+1.373 5AB+0.327 8AC+0.217 3BC-0.598 5A2-0.086 4B2+0.042 8C2。

表10 水稻植株中Cu元素含量 (单位：mg/kg)

对回归方程进行方差分析和显著性检验，结果见表11。整体的回归方差P值为0.671 9，失拟项P＞0.05，说明该模型的相关性一般，拟合度良好。

表11 水稻植株中Cu元素含量回归方程方差分析

通过Design-Expert 10软件进行响应面分析可知，各试验因素对水稻植株中Cu元素含量的影响表现为：C（生物炭施用量）＞ B（浮萍覆盖百分比）＞A（沼液替代化肥量）。使用Design-Expert软件分析，得出水稻植株中Cu元素含量最小化的最优试验因素条件是全沼液替代化肥、浮萍水面覆盖20%、生物炭施用量为50 t/hm2。在此条件下，水稻植株中Cu元素含量理论最小值为7.23 mg/kg。

2.2.4 Pb 元素

在本试验中，未能在水稻植株中检测到Pb元素，说明水稻植株中Pb元素含量低于检出限（0.02 mg/kg）。

3 结论与讨论

通过开展水稻盆栽试验，以苗期稻株为研究对象，研究了在沼液施用条件下，复合添加生物炭和浮萍对水稻植株中As、Cd、Cu、Pb 4种重金属元素含量的影响。结果表明，沼液在替代化肥施用的同时复合添加一定量的浮萍和生物炭，可有效实现沼液的资源化利用，且不会对水稻造成重金属污染。同时，采用响应面法分析，得出稻田安全利用沼液的最优方案，即在全沼液替代化肥、浮萍水面覆盖80%、生物炭施用量10 t/hm2的条件下，水稻植株中As元素含量理论最小值为0.160 mg/kg；在全沼液替代化肥、浮萍水面覆盖20%、生物炭施用量50 t/hm2的条件下，水稻植株中Cd元素含量理论最小值为0.008 mg/kg、Cu元素含量理论最小值为7.23 mg/kg。

同时在沼液施用条件下，进行了复合添加生物炭和浮萍对苗期水稻植株干重的影响试验。结果表明，沼液替代化肥量、浮萍覆盖百分比、生物炭施用量3个试验因素对水稻植株干重的影响显著，这可能是与浮萍对养分的竞争[10]，以及生物炭对环境中养分先吸收再缓慢释放的特点[11]等有关。今后将在大田试验中，进一步研究沼液替代化肥量、浮萍覆盖百分比、生物炭施用量3个试验因素对水稻全生长周期植株干重的影响。

目前，国内外对沼液的研究普遍停留在提高农作物产量、提升农产品品质、改良土壤、防治病虫害等方面，在沼液安全利用方面的研究报道较少。本试验通过复合添加浮萍和生物炭，能在有效实现沼液资源化利用的同时，去除重金属污染，实现了生态友好、绿色安全的沼液资源化利用。在水稻实际生产中、沼液施用条件下，复合添加生物炭和浮萍，建议参考当地实际情况，应用最优的因素条件，从而达到促进养分吸收、降低重金属积累的目的。