竹炭对镉污染土壤中玉米生长和镉积累的影响

查燕， 赵博， 赵琳， 陈淇

(1.杭州市农业科学研究院 农作物(生态)研究所， 浙江 杭州 310024； 2.杭州市农业科学研究院 生物技术研究所， 浙江 杭州 310024；3.浙江农林大学 园艺科学学院， 浙江 杭州 311300)

近年来，由于城镇化和工业自动化的迅猛发展，重金属污染问题愈发严重。农田土壤金属污染是农业生产面临的最严峻挑战之一，严重破坏了耕地资源，导致土壤环境恶化[1]。由2014年《全国土壤污染调查公报》结果可以看出，我国土壤中镉(Cd)点位超标率为7.0%，所有重金属污染占比最高，说明我国土壤Cd污染问题十分严峻。Chen等[2]研究指出，Cd具有高流动性、高毒性和大的流通富集区等特点，是我国目前最重要的金属污染物。因此，污染土壤的修复迫在眉睫，受到国家和社会的高度关注。

生物炭是一种富碳材料，由有机材料在氧气限制或厌氧条件下热解而成，具有比表面积大、孔隙结构、生物化学性能稳定及吸附能力强等特点。生物炭是近年来应用最广泛的土壤改良剂之一[3]，在土壤污染修复和降低作物重金属污染风险方面具有巨大潜力[4]。前人研究表明，生物炭固定化Cd的可能机制主要包括静电作用、离子交换、化学沉淀和表面官能团络合[5-6]，可以大大提高土壤pH和有机碳含量，降低植物对Cd的吸收[7-8]。竹炭是近年来发展起来的一种新型生物质(生物炭)吸附材料，它是以竹材热解制备而成，可替代木质活性炭。其表面具有特殊的微孔结构、生物特性和较大的比表面积。竹子是一种快速生长的植物，在中国广泛分布，竹子生物炭资源丰富[9]。然而，目前有关竹炭用于土壤重金属修复效果研究并不多见，且竹炭对于土壤的改善机制仍不明确，需要进一步研究。

玉米(ZeamaysL.)作为全世界最主要的经济和粮食作物，其籽粒中重金属累积含量需要引起关注。因此，在镉污染的土壤中，通过施用竹炭来降低玉米中镉含量来实现粮食安全，也有利于实现农业的绿色可持续发展。为此，本研究以美玉(加甜糯)7号为供试作物，通过盆栽试验研究不同比例竹炭(1%、2%和5%竹炭)对镉污染土壤中玉米生长、品质及籽粒中镉累积的影响。对添加不同比例竹炭的土壤理化性质、酶活性进行相关性分析，明确竹炭对镉污染土壤中玉米生长、品质及土壤酶活的影响机制，以期为竹炭在重金属污染土壤的改良提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

本研究以美玉(甜加糯)7号为材料，试验区位于杭州市农业科学研究院之江基地的温室大棚(30°09′19″N，120°05′18″E)。试验区位于中国东南沿海北部，属于亚热带季风气候，四季分明，雨量充沛。全年平均气温为17.8 ℃，平均相对湿度为70.3%，年降水量为1 454 mm，年日照时数1 765 h。供试土壤采自建德市乾潭镇王岩村矿山地0～20 cm耕作层的土壤。在采集区域按“S”型布设5个采样点，采样表层0～20 cm土壤，将土壤样品进行自然风干、混匀，过5 mm土壤筛备用。经测试分析，供试土壤镉含量为4.15 mg·kg-1，土壤质地为砂壤土，pH为5.23，有机质含量为43.4 g·kg-1，速效磷含量为64.5 mg·kg-1，速效钾含量为164 mg·kg-1，全氮含量为0.226 g·kg-1、全磷含量为0.74 g·kg-1、全钾含量为5.83 g·kg-1。供试竹炭购自河南立泽环保科技公司，为700 ℃碳化的竹炭，pH值为9.16，有机碳含量为634.15 g·kg-1，全氮含量为7.74 g·kg-1，全磷含量为1.58 g·kg-1，全钾含量为9.24 g·kg-1，镉含量为0.03 mg·kg-1。

1.2 试验设计

本试验开始于2020年7月，共设4个处理：不添加生物炭(CK)；施入1%竹炭(T1)；施入2%竹炭(T2)；施入5%竹炭(T3)，每个处理设9个重复。试验前，栽培盆装入20 kg风干过筛后的土壤。随后加入相应添加量的竹炭与土壤充分混匀，共预处理36盆。每盆种植1株。供试肥料为尿素(N 46%)、重过磷酸钙(P2O546%)和硫酸钾(K2O 50%)。栽培管理和施肥措施与正常生产一致。

1.3 样品采集与测定方法

1.3.1 样品采集方法

玉米植株在土壤中播种75 d后收获，测定玉米地上和地下生物量，测定玉米根、茎、叶、棒各部分质量。用清水冲洗玉米棒，用干净的吸水纸将植株根部表面擦干净，放置于自封袋中，存放于-4 ℃冰箱用于后续镉含量及相关品质指标测定。测定植株的株高、穗长、穗粗、穗位高和单穗质量。土壤经自然风干、研磨过筛后，存于-4 ℃冰箱用于后续土壤理化性质和酶活测定。

1.3.2 植株生长量测定

用卷尺测定玉米株高、穗长和穗位高，用数字游标卡尺测穗粗，用万分之一天平测单穗质量。

1.3.3 玉米品质测定

参照陈刚等[10]《植物生理学实验》进行测定，维生素C(VC)含量采用2,6-二氯靛酚滴定法测定；可溶性蛋白含量用考马斯亮蓝G-250染色法测定；可溶性糖含量用蒽酮比色法测定。采用改良双波长法测定淀粉含量。

1.3.4 镉含量测定

玉米根、茎、籽粒及土壤中镉含量采用湿法(HNO3-HClO4)消解，原子吸收光度计ICE-3000测定。

1.3.5 土壤酶活测定

脲酶活性采用苯酚钠一次氯酸钠比色法测定，以1 g土24 h后产生的NH3-N量表示；蔗糖酶和纤维素酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定，以1 g土在24 h和72 h后产生的葡萄糖量表示；过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定。

1.4 数据处理

数据处理分析应用 SPSS 19.0 软件，计量采用均数±标准差表示。为验证不同量竹炭处理下玉米生长的差异，对上述参数进行了单因素方差分析(one-way，ANOVA)，并采用了最小显著性差异法(least significant difference，LSD，P<0.05)进行检验。采用Origin9.0对分析结果做图。

2 结果与分析

2.1 竹炭对玉米生长的影响

由表1可知，T3处理的玉米株高显著高于CK，提高了16.5%，但T1、T2和T3处理间未达到显著差异(P>0.05)。T2和T3处理的玉米穗长均显著高于CK和T1处理，与CK处理相比，T2和T3处理的穗长显著提高了33.03%和28.92%，但CK和T1处理无显著差异。添加竹炭对玉米穗粗、穗位高和单穗质量均有显著的提升作用，T1，T2和T3处理的穗粗、穗位高和单穗质量均显著高于CK处理(P<0.05)，其中T2处理提升效果最好。与CK处理相比，T2处理穗粗、穗位高和单穗质量提高54.07%、38.18%和43.81%。

表1 不同处理对玉米生长的影响

2.2 竹炭对玉米品质的影响

由表2可知，T3和T2处理的玉米鲜籽粒含水率显著高于CK和T1处理，分别较CK提高了6.95和11.31百分点，但T1和CK间未达到显著差异。T2和T3处理的蔗糖含量和可溶性糖含量均显著高于CK和T1处理，其中T2处理的蔗糖含量和可溶性糖含量的提升效果最好，分别较CK提升了3.22和7.35百分点。添加竹炭对玉米对VC含量有显著的提升效果，T1、T2和T3处理的籽粒中VC含量显著提高了43.69%、57.74%和48.89%、总体上，添加竹炭对玉米淀粉含量无显著影响。

表2 不同处理对玉米品质的影响

2.3 竹炭对玉米镉吸收的影响

在苗期T2和T3处理的玉米地上部镉含量显著低于CK和T1处理(图1)。与CK处理相比，T2和T3处理的玉米地上镉含量分别降低了11.72%和14.48%，但T2和T3处理无显著差异。在玉米拔节期和成熟期，T1、T2和T3处理的地上部镉含量均与CK处理达到显著差异，其中T3处理的地上部镉含量的降低效果最好。在拔节期和成熟期，与CK处理相比，T3处理的地上部镉含量分别显著降低了33.81%和44.90%。由此可知，在玉米整个生长期内，添加竹炭能够有效降低玉米地上部镉含量，其中T2处理对玉米地上部镉含量降低效果最为显著。

同生长期柱上无相同小写字母表示组间差异显著(P<0.05)。图2同。图1 不同处理对玉米镉累积的影响

在玉米整个生长期内，T1、T2和T3处理的玉米地下部镉含量均显著低于CK处理(图1)。其中在苗期和拔节期，T1和T3处理的玉米地下部镉含量无显著差异。与CK处理相比，T3处理的玉米地下部镉含量分别显著降低了55.04%和41.47%。在玉米成熟期，与CK相比，T1、T2和T3处理的玉米地下部镉含量分别显著降低了23.51%、38.50%和44.70%。由此可知，添加竹炭能够显著降低玉米地下部镉含量，且在玉米成熟期，不同竹炭处理对地下部镉含量的降低效果最为显著。

玉米籽粒作为重要的可食部分，其重金属含量与人类健康密切相关。通过添加不同处理的竹炭可知(图1)，T1、T2和T3处理的玉米籽粒镉含量均显著低于CK处理，与CK处理相比，T3处理的玉米籽粒镉含量显著降低了53.97%。综上所示，添加竹炭能够有效降低玉米籽粒中镉含量，且以T2处理的玉米籽粒含量降低效果最为显著。

2.4 竹炭对玉米生理指标的影响

由表3可知，T1、T2和T3处理的玉米叶片净光合速率与CK处理均达到显著差异，且T2处理的叶片净光合速率达到最大值，较CK处理提升了23.63%。T1和T2处理的玉米叶片气孔导度与CK处理均达到显著差异，T3处理与CK处理无显著差异。与CK处理相比，T1和T2处理的气孔导度分别上升了14.87%和27.90%。T1、T2和T3处理的玉米叶片叶绿素a和叶绿素b均与CK处理达到显著差异，与CK相比，T1、T2和T3处理的玉米叶片叶绿素a分别增加了33.18%、39.25%和52.34%，T1、T2和T3处理的玉米叶片叶绿素b分别增加了22.83%、40.16%和37.00%。综上所述，添加竹炭有利于玉米叶绿素含量增加，进而促进了光合产物向籽粒的运输，因此，有利于提高玉米品质。

表3 竹炭对玉米生理指标的影响

2.5 竹炭对土壤酶活特性的影响

在玉米的整个生育期内，T1、T2和T3处理的土壤脲酶活性与CK处理均达到显著差异。在苗期，T2处理的脲酶活性达到最大值(图2)。与CK处理相比，T2处理的脲酶活性提升了78.20%。在拔节期，T1、T2和T3处理的土壤脲酶活性之间无显著差异。在成熟期，T1和T2处理的土壤酶尿活性均显著高于T1处理，但T2和T3处理的土壤脲酶活性之间无显著差异。在玉米的整个生育期内，T1、T2和T3处理的土壤过氧化氢酶活性与CK处理均达到显著差异，但T2和T3处理的过氧化物酶活性之间无显著差异(图2)。T2处理的过氧化氢酶活性达到最大值。与CK处理相比，不同生育期T2处理的脲酶活性分别提升了223.96%、83.28%和67.04%。在玉米的整个生育期内，T1、T2和T3处理的土壤蔗糖酶活性与CK处理均达到显著差异。在苗期和成熟期，T1和T3处理的蔗糖酶活性之间无显著差异(图2)。在玉米的整个生育期内，T1、T2和T3处理的土壤纤维素酶活性与CK处理均达到显著差异，T1和T3处理的纤维素酶活性之间无显著差异。在拔节期，T2处理的纤维素酶活性达到最大值。与CK处理相比，T2处理的纤维素酶活性提升了42.92%(图2)。

图2 不同处理对土壤酶活性的影响

3 讨论

研究表明，添加适量的生物炭可以促进植物生长[11]。T2处理明显有利于玉米株高、穗长、穗粗、穗位高和单穗质量提升。然而，有研究发现,在高pH或很高的施用量下，生物炭的碱性会导致土壤养分有效性的降低，从而抑制植物生长和减产。例如在大豆田间试验中，施加15 t·hm-2的火山灰会降低大豆的产量[12]。李昌见等[13]报道40 t·hm-2的生物炭施用使番茄增产51.6%，而60 t·hm-2生物炭的施用量仅增产49.6%，说明过高的生物炭施加量可能会降低番茄产量。在本试验中5%的竹炭施用量对促进玉米生长的效果低于2%的竹炭施用量，但并未抑制玉米生长，说明在该范围施用量下不会导致土壤养分有效性的降低。究其原因，可能是与竹炭的复杂孔隙能够有效固定土壤中的镉[14]，进而减少了镉对玉米的胁迫作用。此外，本研究表明向土壤施入2%和5%的竹炭显著增加了玉米鲜籽粒含水率、蔗糖、可溶糖和VC含量，这可能是因为施入生物炭增加了叶绿素含量，进而促进了光合产物向籽粒的运输，有利于提高植株对营养元素的利用效率，从而提高了玉米品质。

酶活性是衡量土壤质量和肥力的重要指标之一，对植物生长起重要作用[15]。本研究表明，CK处理的玉米地土壤中脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶和纤维素酶活性均显著降低，而添加竹炭后能够有效提升各种酶活性，从而有效降低了镉对酶活性的抑制作用。研究表明，生物炭通过自身较强的吸附性能和多孔结构，可以吸附酶促反应底物，为土壤酶提供更多的结合位点，进而提高土壤酶活性[16]。Tu等[17]研究表明，1%生物炭能够明显提高脲酶和过氧化氢酶活性，而5%生物炭则使酶活性降低。王豪吉等[18]的研究表明，与1%生物炭相比，3%生物炭显著提高了土壤酶活性。在本研究中，施用竹炭对土壤酶活性起到了促进作用，其中2%竹炭处理的土壤酶活性提高效果最为显著。

4 小结

添加竹炭有助于玉米生长，提高了玉米叶绿素a、b含量，有利于光合产物向籽粒的运输，提高植株对营养元素的利用效率，从而提高了玉米籽粒中蔗糖、可溶性糖和VC含量。

添加竹炭显著提高了土壤中脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶和纤维素酶的活性，能够起到改善土壤生态环境的作用。

添加竹炭能够固定土壤中的镉，抑制了玉米对镉的吸收。其中，2%竹炭处理中玉米地上部、地下部和籽粒中镉含量降低效果显著。综上所述，施用2%竹炭对玉米生长及土壤改良的效果最为显著。