不同生物炭种类和用量对镉胁迫下小麦幼苗光合特性和镉积累的影响

朱秀红, 张梦霄, 崔明康, 张龙冲, 朱文瑾, 孙珑之, 茹广欣

(河南农业大学林学院,河南 郑州 450046)

2014年4月17日,原环境保护部和国土资源部共同发布的《全国土壤污染状况调查公报》数据显示,中国耕地土壤环境质量堪忧,点位超标率为19.4%。其中,重金属污染问题比较突出,中国土壤重金属的超标率达16.1%,在所有污染物中,镉(Cd)的超标率最高,占7.0%[1-2]。

小麦是中国重要的粮食作物,是一种非常容易积累镉的作物。在中国农田土壤镉污染的环境下,怎样保障小麦的粮食安全,是一个急需解决的难题[3]。植物能够吸收土壤中的镉,并且积累在体内,当植物体内积累一定的水平的镉,就会毒害植物[4]。研究表明,镉胁迫可以通过破坏植物的叶绿体和内囊体,从而抑制叶绿素的增加,损害植物的光合机制[5]。光合作用对作物的产量有重要作用,而在重金属胁迫下,会抑制种子的萌发[6],植物叶片生长受到抑制,光合能力减弱,导致作物生物量降低,进而引发减产[7-8]。且通过食物链和食物网,使受污染农田中的重金属在植物、动物和人体内富集,损害人体健康[9]。施用钝化剂吸附重金属广泛用于农田重金属的修复,减少重金属在食物链上的传递[10-11]。常用的修复剂主要有生物炭、含磷修复剂和黏土矿物等材料[12]。生物炭是有潜力的土壤改良剂,它不仅可以有效的改善土壤结构,增加土壤养分和微生物多样性,还可以吸附重金属,降低重金属的有效性,从而促进植物生长[13]。

生物炭还会影响植物的光合特征[14-15],影响植物的生物量、根系活力及抗氧化酶活性[16-17]。研究表明,生物炭还能够减少小麦植株对于镉的吸收和富集[18]。然而泡桐生物炭能在多大程度上降低镉污染对于植物的影响,以及实际应用中的生物炭的施用量问题,目前还没有明确的答案,泡桐生物炭的应用效果尚未可知。本研究通过盆栽试验,以泡桐生物炭为钝化剂,以另外购买的2种商业生物炭为对照,探究不同生物炭类型和不同施用量对镉污染土壤中小麦幼苗生长状况及镉富集和转运特征的影响,为泡桐生物炭的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤采集自河南省新乡市某处镉污染农田土壤。位于新乡市卫辉市姚庄村(35.398°N,113.992°E)。土壤pH值为8.47,土壤全镉含量为2.0 mg·kg-1, 根据《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018),pH值>7.5,镉含量>1 mg·kg-1即为镉超标,该农田土壤镉含量为限额的2倍。取0～20 cm表层农田土壤,置于阴凉处风干,去除杂物后过2 mm筛,进行理化性质测定。供试土壤碱解氮含量为94.15 mg·kg-1、速效磷含量为101.9 mg·kg-1、速效钾含量为21.53 mg·kg-1、有机质含量为14.76 g·kg-1。

供试生物炭分别为(1)500 ℃泡桐生物炭(paulownia biochar,PB,自制)(2)玉米秸秆生物炭(cornstover biochar,CB,立泽环保科技,500 ℃制备)(3)竹炭(bamboo biochar,BC,立泽环保科技,500 ℃制备),将3种生物炭粉碎过0.85 mm筛,保存待用。

供试小麦购买于河南省农业科学院种业直营店,品种为百农307(河南秋乐种业科技股份有限公司)。

1.2 试验处理

通过短期试验室盆栽试验,评估3种生物炭对Cd污染土壤中小麦幼苗生长状况、光合特性和镉积累的影响。试验共设置了10个处理,分别为:不添加生物炭(CK)、添加质量分数1%生物炭(PB1%、CB1%、BC1%)、添加质量分数5%生物炭(PB5%、CB5%、BC5%)、添加质量分数10%生物炭(PB10%、CB10%、BC10%),每个处理重复3次。选用大小合适的花盆,每盆装土1 kg,将各盆中土壤和生物炭充分混匀,静止老化2周待用。挑选籽粒饱满的小麦种子,用质量分数10%的H2O2消毒15 min后催芽育苗,待小麦幼苗长至3 cm左右,选取长势一致的幼苗进行移栽,每盆移入幼苗25株。试验在光照培养室中进行,模拟自然光照条件,室内温度25 ℃左右,维持盆中持水量为70%,试验周期为30 d。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 长势测定 每个处理中随机选取3株小麦幼苗进行测定。其中,株高为茎基部至顶叶高度,使用CI-203手持式激光叶片面积仪(CIDBio-Science,Inc.,Camas,WA,USA)测量小麦幼苗叶面参数,使用CIRAS-3光合作用测定仪测定小麦幼苗光合作用参数。

1.3.2 干物质量测定 收获时将小麦植株分部位称质量,在烘箱内105 ℃下杀青1 h,然后75 ℃烘干至恒质量,称质量得到干物质量。

1.3.3 小麦幼苗镉含量测定 镉含量测定:将烘干后的小麦幼苗茎叶和根,分别用球磨仪磨碎,使用E-max重金属分析仪测定总镉质量分数。

富集系数(BCF)=小麦总镉含量/土壤中镉含量;

转运系数(TF)=小麦地上部分的镉含量/小麦地下部分的镉含量。

1.4 数据处理

使用Excel 2019整理试验过程数据,使用IBMSPSS Statistics 25.0进行单因素方差分析和差异显著性分析,使用Origin Lab Origin 2021作图。

2 结果与分析

2.1 不同处理对小麦幼苗生长状况的影响

由表2可知,不同处理对镉污染土壤中小麦幼苗生长参数的影响存在差异,但整体与对照组相比都有促进的影响。与CK相比,PB10%处理下降低了株高,PB1%、PB10%、CB5%处理降低了根长,但无显著性差异,其他处理都显著增大了株高,根长也有所增加。其中,CB10%处理时株高和根长均为最大。与CK相比,所有的处理叶面积均有显著上升,CB5%处理时增加最多。在PB10%处理时,相较于CK地上干质量和总生物量都有所减少,其他处理都提高了地上干质量和总生物量。添加生物炭后,地下干质量和根冠比较CK处理均有上升。综合考虑,BC10%处理下的小麦幼苗生长最好。

表2 不同处理对小麦幼苗生长参数的影响

2.2 不同处理对小麦幼苗光合参数的影响

2.2.1 不同处理对小麦幼苗净光合速率的影响 由图1可知,不同处理下镉污染土壤中小麦幼苗的净光合速率有较大差异。与对照相比,在相同施用量下,质量分数1%施用量时CB显著提升了净光合速率,PB和BC与CK无显著差异,质量分数5%施用量时PB显著降低了净光合速率,CB和BC与CK无显著差异,质量分数10%施用量时PB显著降低了净光合速率,CB和BC均提升不显著。与CK相比,在相同炭类型下,PB1%处理下净光合速率降低不显著,PB5%和PB10%处理下降低显著,PB 3种施用量之间无显著差异,但质量分数1%时净光合速率最大,质量分数5%时最小。CB1%处理下净光合速率显著提升,CB5%降低不显著,CB10%提升不显著。BC1%和BC5%提升不显著,BC10%降低不显著。说明施用泡桐生物炭降低了镉污染土壤中小麦幼苗的光合速率,且随施用量增加时,降低作用显著,质量分数1%施用量的玉米炭可以显著提升净光合速率,而竹炭的不同施用量下净光合速率与对照无显著差异。

2.2.2 不同处理对小麦幼苗蒸腾速率的影响 由图2可知,不同处理下镉污染土壤中小麦幼苗的蒸腾速率存在差异。与CK相比,在相同炭施用量下,质量分数1%施用量时PB处理下蒸腾速率降低不显著,CB提升显著,BC降低不显著,质量分数5%施用量时PB提升不显著,CB降低不显著,BC提升不显著,质量分数10%施用量时,PB降低不显著,CB提升显著,BC降低不显著。与CK相比,在相同炭类型下,PB1%和PB10%降低不显著,PB5%提升显著;CB1%和CB10%提升显著,CB5%降低不显著;BC1%和BC10%降低不显著,BC5%提升不显著。说明泡桐生物炭在3种施用量下小麦幼苗的蒸腾速率与对照均无显著差异,但质量分数5%施用量下可以提升小麦幼苗的蒸腾速率,CB在质量分数1%和质量分数10%的施用量下可以显著提升小麦幼苗的蒸腾速率,在质量分数5%施用量下,小麦幼苗蒸腾速率较对照降低,但不显著。竹炭在3种施用量下,小麦幼苗蒸腾速率与对照均无显著性差异。

图2 生物炭对小麦幼苗蒸腾速率的影响

2.2.3 不同处理对小麦幼苗胞间二氧化碳体积分数的影响 由图3可知,不同处理下镉污染土壤中小麦幼苗的胞间二氧化碳体积分数存在差异。与CK相比,在相同炭施用量下,质量分数1%施用量时PB处理下胞间二氧化碳体积分数下降不显著,CB和BC下降显著,质量分数5%施用量时PB提升显著,CB下降不显著,BC下降显著,质量分数10%施用量时,PB下降不显著,CB和BC下降显著。与CK相比,在相同炭类型下,PB处理时,质量分数1%和质量分数10%下降不显著,质量分数5%提升显著,CB处理时,质量分数1%和质量分数10%下降显著,质量分数5%下降不显著,BC处理时,3种施用量下均显著下降。说明泡桐生物炭在质量分数5%施用量下可以显著提升镉污染土壤中小麦幼苗的胞间二氧化碳体积分数,玉米炭在质量分数1%和质量分数10%施用量下,可以显著降低胞间二氧化碳体积分数,竹炭3种施用量下均显著降低了胞间二氧化碳体积分数。

图3 生物炭对小麦幼苗胞间二氧化碳体积分数的影响

2.2.4 不同处理对小麦幼苗叶片气孔导度的影响

由图4可知,不同处理下镉污染土壤中小麦幼苗的气孔导度存在差异。与CK相比,在相同炭施用量下,质量分数1%施用量时CB处理下显著增大了气孔导度,PB和BC减小不显著,质量分数5%施用量时PB处理下增大不显著,CB和BC减小不显著,质量分数10%施用量时PB和BC减小不显著,CB增大不显著。与CK相比,在相同炭类型下,PB1%处理下气孔导度减小显著,质量分数5%增大不显著,质量分数10%减小不显著。CB1%处理下气孔导度显著增大,质量分数5%减小不显著,质量分数10%增大不显著。BC 3种施用量下均减小不显著。说明泡桐生物炭在质量分数5%的施用量下可以增大镉污染土壤中小麦幼苗的气孔导度,玉米炭在质量分数1%施用量下可以显著增大气孔导度,竹炭对气孔导度无明显影响。

图4 生物炭对小麦幼苗叶片气孔导度的影响

2.3 不同处理对小麦幼苗镉含量的影响

2.3.1 不同处理对小麦幼苗地上部分镉含量的影响 如图5所示,不同处理下小麦幼苗地上部位镉含量存在差异。在相同施用量下,质量分数1%施用量时,3种炭处理与CK相比均显著提升地上部位镉含量。质量分数5%施用量时,PB和BC处理降低了地上部位镉含量,但降低不显著,而CB处理显著增加了地上部位镉含量。质量分数10%施用量时,PB显著降低了地上部位镉含量,BC降低不显著,CB显著升高了地上部位镉含量。在相同炭类型下,PB处理时,随施用量的升高,地上部位镉含量逐渐下降,CB处理时,随施用量升高,地上部位镉含量先下降而后升高,但均较CK显著提高,BC处理时,随添加量的升高,地上部位镉含量逐渐下降。

图5 不同处理对小麦幼苗地上部分镉含量的影响

2.3.2 不同处理对小麦幼苗地下部分镉含量的影响 如图6所示,不同处理下小麦幼苗地下部位镉含量存在差异。在相同施用量下,质量分数1%施用量时,PB处理与CK相比未显著提升地下部位镉含量,而CB和BC处理使其显著提升,质量分数5%施用量时,趋势与质量分数1%施用量相同,质量分数10%施用量时,CB显著升高了地下部位镉含量,PB和BC升高但不显著。在相同炭类型下,PB处理时,随施用量的升高,地下部位镉含量逐渐下降。CB处理时,随施用量升高,地下部位镉含量先下降而后升高,但均较CK显著提高。BC处理时,随添加量的升高,地下部位镉含量先升高后下降。

图6 不同处理对小麦幼苗地下部分镉含量的影响

2.4 不同处理对小麦幼苗镉富集系数的影响

富集系数反映了重金属在土壤—植物体系中迁移的难易程度[19]。从图7富集系数来看,泡桐生物炭在3个施用量下,均未显著改变镉污染土壤中小麦幼苗的镉富集系数,玉米秸秆生物炭在质量分数1%和质量分数10%施用量下显著提升了小麦幼苗镉富集系数,竹炭在3个施用量下也没有显著改变小麦幼苗镉富集系数。这表明泡桐生物炭和竹炭的施加基本不会改变小麦幼苗的富集系数。

2.5 不同处理对小麦幼苗镉转运系数的影响

转运系数反映了重金属在植物体内的运输和分配情况[20]。从图8转运系数来看,所有处理转运系数均小于1,说明小麦并非镉的超富集植物。不同处理与对照相比,均减小了小麦幼苗镉的转运系数,说明生物炭的施用抑制了镉从地下部位向地上部位的转移,从而减少了小麦籽粒镉富集的风险。而不同生物炭类型和施用量之间对于小麦幼苗镉的生物转运系数影响不显著。

图8 不同处理对小麦幼苗镉转运系数的影响

3 讨论与结论

生物炭作为一种土壤改良剂,施用量并不是越多越有利于作物生长,本研究中施用生物炭整体上提高了小麦幼苗的各项生长指标,但PB10%处理相较于对照组降低了株高、根长、地上干质量和总生物量。一般来说,添加生物炭可能会增加土壤中的碳、氮等元素含量。高梦雨[21]发现,施用生物炭能有效提高花生植株不同部位氮、磷、钾素的积累,增加花生产量。因此,生物炭可能通过增加土壤中的氮磷从而提高小麦幼苗的生长,但是投入过量的氮磷会降低小麦对营养元素的利用效率,所以小麦幼苗的生长在生物炭施用量增加的条件下反而受到抑制。随着生物炭施用量的增加,PB处理对小麦幼苗的生长的促进作用逐渐降低,而BC和CB处理却逐渐促进小麦幼苗的生长,这可能是因为与其他类型炭相比木材类生物炭富含多种有机官能团,其水分与灰分含量很低,元素组成和固定碳含量也相对来说比较高[22],并且泡桐生物炭具有较大的比表面积,可以吸附可溶性的有机物,增加土壤中矿质养分含量,所以由于过量使用造成土壤酸碱度变化、养分不平衡、微生物结构改变等影响作物的生长[23]。而玉米秸秆生物炭和竹炭随着施用量的增加,对土壤养分等小麦幼苗生长条件的改变仍在适宜的范围内。

生物炭还会影响植物的光合特征,如凡莉莉等[24]发现了20和80 g·kg-1的竹子生物炭对福建柏光合荧光特性具有积极影响。在本研究中,施用泡桐生物炭在质量分数5%施用量下可以显著提升小麦幼苗的胞间二氧化碳体积分数和气孔导度;施用玉米秸秆生物炭在质量分数1%施用量下可以显著提升小麦幼苗的净光合速率、蒸腾速率和气孔导度。很多研究表明,生物炭可以有效改良土壤结构,改善土壤给植物提供的生长环境条件,促进植物根系生长和对土壤养分、水分的吸收[25],从而促进叶片生长、增加叶面积,为充分接收、利用光能提供有利条件。在相同生物炭施用量处理下,5个光合指标综合CB处理最高,其次是BC处理,PB处理最低。通常来说,土壤的pH值在6.5～7.5范围内最适宜植物生长,而供试土壤的原始pH值为8.47,分析可能为玉米秸秆生物炭的pH值为7.47,改善了土壤的pH值状况,从而促进了叶片生长。综合来说,质量分数1%的施用量对小麦幼苗的光合特性的提高显著于其他施用量,这可能是因为高施用量生物炭降低土壤有效氮,从而对植物光合性能和生长产生抑制作用。

一些研究表明,生物炭能够影响植株对于重金属的吸收和富集。艾艳梅等[26]研究表明,添加生物炭促进香根草对镉和铅的富集,减少铜、镉和铅在香根草体内的转运,生物炭对香根草根部富集重金属的促进作用更显著。本研究与之一致,施用3种生物炭都使小麦幼苗地下部分镉的累积量略微增加,但减小了镉在小麦幼苗体内的转运。这可能是由于小麦对镉有着强的富集能力[27-28],生物炭的施用显著增加了小麦幼苗的根部生物量,有利于将更多的镉吸收并稳定于体内,而生物炭对镉的钝化效果比较弱[29],也说明了生物炭添加主要通过降低小麦对镉的向地上部位的转运来达到修复效果。PB处理相较于BC、CB处理,显著降低了小麦幼苗地上地下镉含量,富集系数和转运系数。一方面可能是泡桐生物炭本身具有更大的比表面积,能够有效吸附更多的镉。另一方面可能是泡桐生物炭有多种多样的表面官能团,改变了土壤中镉的各种形态,有效地降低了土壤中重金属的生物有效性,抑制了重金属向小麦幼苗地上部分转移,从而降低了小麦幼苗转运系数[30]。随着施用量的增加,添加泡桐生物炭使小麦幼苗体内的镉含量逐渐降低,这可能是因为随着泡桐生物炭的施入的增加,使土壤pH值升高,并且增加了更多可吸附重金属的官能团,从而对土壤重金属产生钝化效果,降低土壤中镉的生物有效性。

将泡桐生物炭、玉米秸秆生物炭和竹炭用作土壤改良剂,通过盆栽试验,分析生物炭对镉污染农田土壤中小麦幼苗生长状况(株高、根长和生物量等),小麦幼苗光合特征、镉富集和转运特征(镉含量、富集系数和转运系数等)的影响,主要结论如下:

(1)合理施用生物炭会促进镉污染土壤中小麦幼苗的生长,但过低或过高的施用量都会减弱促进作用。试验表明,质量分数5%的施用量表现出较好的促进效果。泡桐生物炭的表现不如玉米秸秆生物炭和竹炭,玉米秸秆生物炭对小麦幼苗生长的促进作用最好。

(2)施用泡桐生物炭降低了镉污染土壤中小麦幼苗的光合速率,且在高施用量时降低显著;施用玉米秸秆生物炭在质量分数1%施用量下可以显著提升小麦幼苗的净光合速率;施用竹炭时净光合速率与对照组无显著差异。因此认为1%施用量下的玉米秸秆生物炭提高镉污染土壤中小麦幼苗净光合速率的效果最好。

(3)施用生物炭均增加了小麦地下部分镉含量,质量分数5%、10%施用量下的泡桐生物炭和竹炭减少了小麦幼苗地上部位镉含量,仅施用玉米秸秆生物炭时显著提高了小麦幼苗镉富集系数,所有处理均降低了小麦幼苗镉转运系数。分析认为泡桐生物炭更具有修复镉污染农田土壤的潜力。