生物炭对土壤镉的固化效果及韭菜生长的影响

刘 慧，孙秀兰

（江南大学食品学院 江苏无锡 214122）

随着全球现代工业的快速发展，大量的镉（Cd）排放到大气、水体和土壤中，造成重金属镉污染[1-2]。有研究表明，我国耕地土壤污染点位超标率为19.4%，其中无机污染物镉的污染点位超标率最高，达到7.0%，且镉是影响农田土壤环境质量的首要污染物[3]。污染土壤中的镉经农作物吸收后，富集在可食部位，可以通过食物链在人体中积累，危害人体健康[4]。因此，在保证作物安全种植的前提下，对镉污染的农田土壤进行修复具有重要意义[5]。

韭菜是一种绿色蔬菜，含有丰富的叶绿素和多种活性物质，如含硫化合物、含氮化合物、植物油类、维生素、微量元素等。经常食用韭菜具有诸多好处，如降低胆固醇、降血脂、清热解毒及对心血管疾病有一定的预防和治疗作用等[5]。蔬菜是人们日常生活中的主要食物，也是人类重金属暴露的主要来源[6]。徐玲玲等[7]研究发现，韭菜是一种易富集镉的草本植物，由于镉元素广泛存在于环境中，而有的地区土壤中镉水平较高，从而造成了部分生长在这种环境中的韭菜富集了大量的镉，造成镉水平畸高。近年来，韭菜中镉元素含量超过国家限量标准的报道频现，秦皇岛市、上海市、长沙市、保定市、温州市等地蔬菜中重金属镉超标率分别达到12.2%、13.3%、51.0%、89.0%、50.0%[8]。2018 年至今，全国镉含量不合格韭菜样本批次数为152 批次，样本中镉水平最高达0.70 mg·kg-1，为国家安全标准（GB 2762-2017）规定限量的数倍之多[9]。因此，解决韭菜中镉超标问题刻不容缓。

有效解决土壤镉污染问题有两种途径：一是改变镉在土壤中的赋存形态，使其由活化态变为稳定态，从而减小其生物毒性；二是直接减少土壤中镉的含量，使其达到本底含量。目前，土壤镉污染采用的方法主要有物理法、化学法、生物法和农业法等[10]。然而这些常规的方法大多存在着操作复杂、成本较高和可能造成二次污染等缺点[11]。寻找操作简单、成本低且安全高效的治理方法，有效解决土壤镉含量超标问题成为当前土壤修复工作的重点。

前人研究表明，生物炭具有高抗分解性、高比表面积和高碳氮[12]，是有潜力的土壤改良剂，它不仅可以有效地改善土壤结构，增加土壤养分、提高土壤肥力和微生物多样性，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[13-14]。在重金属污染土壤修复中，生物炭得到越来越多学者的关注[11]。国内外专家学者对生物炭降低土壤及作物的镉含量做了大量研究[15]。胡祖武等[16]以镉污染的红壤性水稻土为研究对象，采用盆栽试验，研究不同添加量的低硅（BW3）和高硅（AH、AB）含量的3 种不同类型的生物炭对土壤镉形态含量及水稻产量、生物量和镉吸收、累积的影响。上官宇先等[17]田间试验揭示不同钝化剂处理对土壤镉及小麦和水稻吸收镉的影响，试验得出选用适当的钝化材料并进行适当处理能够有效降低小麦与水稻籽粒中的镉含量，降低污染风险，同时还可以改善土壤理化性状，起到修复受污染土壤的作用。简敏菲等[18]选用玉米秸秆生物炭，通过盆栽试验在镉污染土壤中施加生物炭并栽培紫花地丁，研究生物炭不同施加量对紫花地丁生长及生理生态的影响。目前有关生物炭对韭菜生长及其产地土壤化学性质的影响还未见报道。为降低韭菜中重金属镉的含量，笔者通过盆栽试验，比较不同生物炭添加量对土壤中镉的固化效果，探究生物炭对韭菜体内镉迁移转化以及植物生长的影响，为降低韭菜中重金属镉的含量提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

生长旺盛、长势均匀、未受重金属污染的韭菜秧苗购于苏州市某一菜园内，品种未知。玉米秸秆生物炭购于河南立泽环保科技有限公司，基本理化性质见表1。供试土壤为黄棕壤，采集自苏州市吴中区越溪镇张桥村菜园表层（0～20 cm），土样自然风干、磨碎后过20 目筛。具体理化性质见表2。

表1 生物炭基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of biochar

表2 供试土壤基本理化性质及重金属含量Table 2 Basic physicochemical properties and heavy metal content of the tested soil

1.2 方法

1.2.1 试验设计 试验于2022 年4-10 月在苏州市吴中区越溪镇张桥村开展，共设置4 个处理（表3）。试验不外加任何肥料，用水为蒸馏水，采用随机区组排列，每个处理3 次重复，共12 盆，每盆栽苗20 株，小区面积20 m2（2 m×10 m）。从网上购买盆栽箱（长40 cm×宽40 cm×高22 cm），每盆装土5 kg，设置土壤中镉浓度（w，后同）为2 mg·kg-1，以氯化镉水溶液的形式加入，并保持适当含水量稳定培养2 周。

表3 试验设计Table 3 Experimental design

1.2.2 栽培管理 韭菜移栽前先剪掉地上部分，预留5 cm，减少叶片蒸发。将韭菜连根取出，用超纯水冲洗掉根部土壤，剪去须根前端，保留2～3 cm，从而促进新根发育，维持根系吸收和叶片蒸发平衡。选择晴朗无风的17:00 进行盆栽试验，每隔5 d 及时喷施适量的水，整个韭菜生长期为40 d，每10 d收割1 次，共进行4 次收割。盆栽试验场所设有防风防雨棚，防止雨水淋洗盆栽，韭菜生长期内及时除草、松土。

1.2.3 样品采集与测定 在韭菜收获时，用超纯水洗净韭菜，并用去离子水清洗3 次，在实验室自然晾干后测量株高和根长。

将各部分韭菜样品取0.5 g 于研钵中研磨至匀浆状，用于测定韭菜中的镉含量。参考《土壤农化分析》[19]测定土壤化学性状，采用酸度计测定土壤pH；采用重铬酸钾法测定土壤中有机质含量；采用电感耦合等离子体质谱法[20]测定韭菜及土壤中重金属元素含量；采用Tessier 法对土壤中镉形态进行分步提取，分别为可交换态镉（EX-Cd）、碳酸结合态镉（CA-Cd）、铁锰氧化物结合态镉（OM-Cd）、有机结合态镉（OX-Cd）以及残渣态镉（RE-Cd），每种Cd 形态含量以所占质量分数表示，即由各形态含量与各形态含量之和的比值计算获得[21]。

在不同生长期韭菜收获以后，将韭菜的根、茎、叶分别用去离子水清洗3 遍，用纸擦干装入样品袋中。各部位用吸水纸吸干表面的水分，分开装入玻璃器皿中，于85 ℃杀青30 min，随即在80 ℃下烘干至恒质量，用电子天平测定各部分的干质量作为生物量。

1.3 统计分析

采用Excel 2016 和SPSS 26.0 软件进行数据统计、差异显著性检验（ANOVA）及相关性分析（Duncan）等。

2 结果与分析

2.1 添加不同比例生物炭对土壤化学性状的影响

2.1.1 添加不同比例生物炭对土壤pH 的影响 由表4 可以看出，在添加生物炭后，随着韭菜的生长，土壤pH 呈现出缓慢上升再下降的趋势，并在第3次收割期达到最大值。在第1 次收割期，T1、T2、T3处理pH 分别较CK 显著上升了0.13、0.53、0.13；在第2 次收割期，T1、T2、T3 处理pH 分别较CK 显著上升了0.44、1.04、0.94；在第3 次收割期，T1、T2、T3处理pH 分别较CK 显著上升了0.93、1.23、0.95；在第4 次收割期，T1、T2、T3 处理pH 分别较CK 显著上升了0.82、1.12、0.92。和CK 相比，所有生物炭处理均显著提高土壤pH，其中T2 处理的土壤pH 在4 次收割期均显著高于T1 和T3 处理，在第3 次收割期时达到最大，为7.71。

表4 不同收割期生物炭对土壤pH 值的影响Table 4 Effect of biochar on pH of soil at different harvesting periods

2.1.2 添加不同比例生物炭对土壤有机质含量的影响 由表5 可以看出，韭菜在不同收割期内，添加不同比例生物炭对土壤中有机质含量的影响并不显著，仅在第3 次收割期，不同比例生物炭处理的土壤有机质含量略高于CK。

表5 不同收割期生物炭对韭菜土壤有机质含量的影响Table 5 Effect of biochar on organic matter content in leek soil at different harvesting stages （g·kg-1）

2.2 添加生物炭对韭菜生物量的影响

添加不同含量生物炭对韭菜生物量的影响如图1 所示。在4 个收割期，与CK 相比，添加生物炭的3 个处理的韭菜叶、茎、根生物量均显著增加，且添加2%生物炭的处理（T2）生物量最大。T2 处理在第1 次收割时韭菜叶、茎、根生物量分别比CK 显著提高26.6%、45.9%、30.5%，在第2 次收割时韭菜叶、茎、根生物量分别比CK 显著提高32.6%、58.6%、26.2%，在第3 次收割时韭菜叶、茎、根生物量分别比CK 显著提高29.0%、20.1%、15.6%，在第4 次收割时韭菜叶、茎、根生物量分别比CK 显著提高17.3%、22.9%、27.6%。

图1 镉污染土壤施加生物炭对韭菜生物量的影响Fig.1 Effect of biochar application on the biomass of leek in cadmium contaminated soil

2.3 添加生物炭对镉胁迫下韭菜株高和根长的影响

从图2A～B 可知，与CK 相比，添加生物炭的3 个处理在不同收割期均可显著提高韭菜株高和根长，除第2 次收割期株高外，T2 处理与T1、T3 处理呈显著差异。各处理的株高、根长相比，主要表现为T2＞T3＞T1＞CK。T2 处理在第1次收割时株高、根长分别比CK 显著提高12.3%、26.0%，在第2 次收割时株高、根长分别比CK 显著提高11.1%、24.7%，在第3 次收割时株高、根长分别比CK 显著提高5.6%、16.9%，在第4 次收割时株高、根长分别比CK 显著提高4.4%、12.6%。

图2 不同收割期生物炭对镉胁迫下韭菜株高和根长的影响Fig.2 Effect of biochar at different growth stages on plant height and root length of leek under cadmium stress

2.4 添加生物炭对土壤中镉赋存形态的影响

韭菜收获后根际土壤镉形态分布如图3 所示。随着生物炭的施入，韭菜土壤中可交换态比例较CK 有所降低，其中施入2%生物炭使可交换态镉降低最多（28.4%）。铁锰氧化物结合态镉、有机物结合态镉、残渣态镉比例较CK 有所增加，其中T2 处理3 种形态镉比例之和较CK 增加值最大。

图3 不同处理下收获后土壤中镉形态的百分含量Fig.3 Percentage content of cadmium forms in soil after harvest under different treatments

2.5 添加生物炭对韭菜中总镉积累的影响

添加不同含量生物炭对韭菜不同部位的镉含量影响如图4 所示。与CK 相比，添加生物炭的3个处理在不同收割期均可使韭菜各部位镉含量显著下降，且韭菜各部位镉含量从小到大依次为：叶＜茎＜根。韭菜叶、茎、根中镉含量随生物炭添加量的增加呈先下降后上升的变化趋势，以T2 处理的韭菜各部位镉含量最小，不同收割期韭菜各部位镉含量下降幅度不同。与CK 相比，添加生物炭的3 个处理第1 次收割期韭菜叶、茎、根中总镉含量下降幅度分别为66.4%～78.6%、76.0%～81.7%、28.7%～50.9%；第2 次收割期韭菜叶、茎、根中总镉含量下降幅度分别为70.3%～83.3%、71.3%～78.3%、29.8%～43.3%；第3 次收割期韭菜叶、茎、根中总镉含量下降幅度分别为75.9%～88.3%、80.2%～90.1%、31.9%～50.2%；第4 次收割期韭菜叶、茎、根中总镉含量下降幅度分别为78.5%～93.6%、79.5%～92.7%、31.8%～59.0%。第3 次和第4 次收割期韭菜镉下降幅度比第1 次和第2 次大，其中T2 处理第4 次收割期韭菜叶中镉含量（w）（0.043 mg·kg-1）低于韭菜国家标准镉含量（0.05 mg·kg-1）。

图4 不同生长期韭菜各部位Cd 含量Fig.4 Cd content in different parts of leek at different growth stages

3 讨论与结论

我国拥有丰富的秸秆资源，秸秆碳化制成生物炭，不仅可解决秸秆综合利用的问题，而且可固碳减排，改善土壤生态环境，提高作物产量与品质，是一项符合山地农业实际需求的重要技术措施[22]。生物炭富含微孔结构、化学官能团，具有大的比表面积和强的离子交换能力，可以作为一种土壤调理剂，修复土壤重金属污染[23-24]。笔者的研究表明，生物炭显著影响韭菜植株生长，不同收割期，韭菜不同部位生物量均显著高于CK，这与王钰皓等[25]研究结果一致；生物炭能显著提升土壤pH，并且促进土壤中的氧化还原反应并使镉沉淀在土壤中，这与罗洋等[26]研究结果一致，原因可能是生物炭内部含有的碱性物质较多，生物炭加入到土壤中，会快速释放碱性物质将土壤中的酸性物质中和，从而提高土壤pH。生物炭的施入对土壤中有机质含量无显著影响，这与杨莉琳等[27]研究结果一致。镉在土壤中的赋存形态主要包括可交换态、结合态和残渣态，其中最具有生物活性和生物有效性的是可交换态，其次是结合态，残渣态一般固定在土壤中，不容易被植物体所利用[28]。生物炭可使土壤中可交换态比例降低，增加铁锰氧化物结合态镉、有机物结合态镉、残渣态镉含量，使总镉含量较CK 处理显著降低，这与闫雷等[29]、周昶等[30]、普东伟等[1]、胡祖武等[16]研究结果一致，生物炭的添加不仅改善了土壤的化学性质，增加了植株的生物量，而且改变了土壤中镉不同形态比例，最终显著降低韭菜中总镉含量，原因可能是：（1）添加生物炭提高了土壤中植物必需营养元素的总量及有效性，从而促进植物细胞分裂、植株生长健壮和茎干增粗[26]；（2）生物炭通过表面基团间的缩合反应，能产生新的金属配位体，从而降低重金属含量[31]；（3）生物炭的多孔结构可以限制土壤收缩，促进土壤保水保肥，进而提高土壤的阳离子交换能力[32]。

生物炭作为一种土壤改良剂，施用量并不是越多越有利于植株生长，合理施用生物炭会促进植株生长。笔者的研究表明，添加2%生物炭能显著促进韭菜不同生物量的增加和株高、根长的增加，改善种植土壤化学性质，改变镉污染土壤中镉不同形态比例，从而降低韭菜中总镉含量。但是，对土壤中有机质含量并无显著影响，施加生物炭显著降低了韭菜各部位镉含量，且随着添加量的增加，韭菜各部位镉含量呈先降低后升高的趋势。不同收割期韭菜各部位镉含量下降幅度不同，各处理与CK均呈显著差异，第3 次和第4 次收割期韭菜镉下降幅度比第1 次和第2 次收割期大，2%生物炭处理可使韭菜叶中镉含量低于韭菜国家标准镉含量，总体试验效果：T2＞T3＞T1。综上，生物炭处理降低了重金属污染地区韭菜的食用安全风险，更具有修复镉污染农田土壤的潜力，可在实际生产中推广应用。