生物炭对砷污染土壤中青稞生长及砷积累的影响

潘崇双

(西藏自治区农牧科学院农业质量标准与检测研究所/西藏自治区农畜产品工程技术研究中心，西藏 拉萨 850032)

2014年公布的《全国土壤污染调查公报》显示，砷(As)、镉(Cd)和铅(Pb)是中国农业土壤中广泛分布的污染物[1，2]。土壤砷污染不仅对动物、植物的生长、代谢、发育有很强的危害，而且经过食物链的传递，土壤中的砷被植物吸收，最终进入人体并长期累积，严重威胁或损害了人类的健康。土壤中砷污染的主要来源包括金属含砷矿物的开采和冶炼、化石燃料的燃烧、使用含砷化学制品和农药、排放木材防腐和非法倾倒工业废水等[3，4]。土壤砷污染具有隐蔽性、长期性和不可逆性等特点，因此土壤一旦遭受砷污染，其治理难度大且周期长。据统计，中国土壤中砷浓度的平均值为11.2mg·kg-1，约为世界平均值(6mg·kg-1)的2倍[5]。为降低土壤砷污染带来的危害，保障土壤生态安全和人民身体健康，需要深入研究砷污染土壤的修复技术。

生物炭指生物质原料在缺氧或无氧条件下热裂解得到的一类含碳的、稳定的、高度芳香化的固态物质，具有保持土壤肥力、固碳、去除金属污染物等优良特性[6]。生物炭作为重金属砷污染土壤的潜在修复剂因其高孔隙率和比表面积、富含各种官能团而受到广泛关注[7]。大量研究发现[8-11]，生物炭可以通过吸附、沉淀、络合等其他物理化学机制来降低重金属的生物利用度和生物积累，同时由于降低植物毒性和改善土壤理化特性而保持甚至提高作物产量。此外，采用成本低、较易获得且可循环利用的植物原材料热解产生的生物炭作为改良剂，在绿色、环保的基础上实现绿色废弃物的最大增值效益[14-17]。

青稞是藏区主要农作物，其重金属富集直接影响人类身体健康，因而降低重金属在土壤-青稞系统富集的研究具有重要意义。本项目以生物炭为试验材料，利用盆栽试验研究生物炭对砷污染土壤中青稞生长及对青稞各部位砷积累的影响，为农田土壤中重金属砷的防控修复提供理论和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 供试材料

秸秆生物炭，购自河南立泽环保科技有限公司。

1.2 供试土壤

以外源性砷(砷酸钠)添加的形式分别制备了砷含量为0mg·kg-1、25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1砷污染土壤，分别记为T0、T1、T2、T3。4种砷污染土壤在自然条件下钝化2周后备用。

1.3 供试品种

供试青稞品种选用“藏青2000”。挑选籽粒饱满均匀且无明显损失的种子在10%次氯酸钠中消毒30min，冲洗干净后在蒸馏水中浸泡12h后备用。

1.4 试验设计

试验采用盆栽试验。分别向聚乙烯(PP)塑料桶(内径25cm、桶高28cm)加入供试土壤10kg，分层填压至桶高28cm处，整平、湿润，室外淹水1个月，土层下沉至桶高25cm处直至土壤稳定紧实。每个水平分别加入秸秆生物碳搅拌均匀，其添加量为3%(w/w)，记为BC；以不加入生物炭的处理为对照，记为CK。加入底肥磷酸氢铵0.1620g·pot-1、尿素0.3919g·pot-1和氯化钾0.1667g·pot-1，搅拌均匀(所有处理均施用的氮磷钾含量为N=20.94mg·kg-1、P2O5=7.45mg·kg-1、K2O=10.00mg·kg-1)。

青稞于2023年4月30日播种，每盆种植15颗青稞种子，待生长至苗期后期进行间苗，保持10株/盆至青稞成熟。分别于青稞的苗期、抽穗期采集青稞根部和叶部样品，使用自来水清洗干净后，再使用去离子水清洗3次，而后置于烘箱60℃烘干至恒重后备用。青稞成熟时，分别采集穗、叶片、茎和根，使用自来水清洗干净后，再使用去离子水清洗3次，而后置于烘箱60℃烘干至恒重。取籽粒、颖壳、叶片、茎和根部分样品粉碎，测定总砷含量。

1.5 检测方法

青稞中总砷采用微波消解-原子荧光光谱法测定。

1.6 数据处理

本文所有数据均采用Excel、SPSS 23.0办公软件进行统计和单因素方差分析，显著性水平p=0.05，不同处理组之间的显著差异用不同字母a、b等表示，并用Origin 2019b进行绘图。

2 结果与分析

2.1 生物炭对砷污染土壤中青稞生长的影响

由表1可知，不同砷污染土壤对青稞产量影响显著，土壤砷污染浓度为0mg·kg-1、25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1下，生物量从大到小依次为0mg·kg-1>25mg·kg-1>50mg·kg-1>75mg·kg-1；籽粒产量从大到小依次为0mg·kg-1>25mg·kg-1>50mg·kg-1>75mg·kg-1。在T0处理下，生物炭的添加显著增加了籽粒产量(增产10.93%)，但对株高、分蘖数、单株有效穗数、千粒重和生物量差异不显著。在T1处理下，生物炭的添加显著增加了株高、单株有效穗数、千粒重和籽粒产量，分别增加了23.39%、89.20%、23.40%和10.65%，但对分蘖数和生物量差异不显著。在T2处理下，生物炭的添加显著增加了株高、单株有效穗数、千粒重、生物量和籽粒产量，分别增加了42.12%、64.67%、39.65%、56.73和80.65%，但对分蘖数差异不显著。在T3处理下，生物炭的添加显著增加了株高、单株有效穗数、千粒重和籽粒产量，分别增加了35.49%、170.39%、22.79%和114.89%，但对分蘖数和生物量差异不显著。在不同砷污染土壤处理下，生物炭的添加能够提高株高、增加单株有效穗数和千粒重，起到一定增产作用，且增产效果随着砷污染浓度的增加而增加。这也与马创业[16，17]等通过添加生物炭促进水稻株高增加从而提高产量的研究结论一致。

表1 生物炭对青稞生长的影响

2.2 生物炭对不同生育期青稞各部位砷浓度的影响

2.2.1 生物炭对苗期青稞各部位砷浓度的影响

由图1a可知，不同砷污染土壤对青稞苗期根部砷含量影响显著，土壤砷污染浓度为0mg·kg-1、25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1下，青稞苗期根部砷含量从小到大依次为0mg·kg-1<25mg·kg-1<50mg·kg-1<75mg·kg-1。T0处理下，生物炭添加没有显著影响青稞苗期根部总砷浓度；当土壤砷污染浓度为25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1时，即T1、T2、T3处理，生物炭的添加能够显著降低青稞苗期根部总砷浓度。土壤砷污染浓度为25mg·kg-1时，BC处理苗期青稞根部总砷浓度为312.66±3.73mg·kg-1，与对照组442.35±1.79mg·kg-1相比，降低了29.32%；土壤砷污染浓度为50mg·kg-1时，BC处理苗期青稞根部总砷浓度为334.80±5.14mg·kg-1，与对照组469.82±0.93mg·kg-1相比，降低了28.74%；土壤砷污染浓度为75mg·kg-1时，BC处理苗期青稞根部总砷浓度为536.12±1.07mg·kg-1，与对照组811.29±22.96mg·kg-1相比，降低了33.92%。

图1 生物炭对青稞苗期各部位砷含量的影响(p<0.05)

由图1b可知，不同砷污染土壤对青稞苗期叶部砷含量影响显著，土壤砷污染浓度为0mg·kg-1、25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1下，青稞苗期叶部砷含量从小到大依次为0mg·kg-1<25mg·kg-1<50mg·kg-1<75mg·kg-1。T0、T1处理下，生物炭添加没有显著影响青稞苗期叶部总砷浓度；土壤砷污染浓度为50mg·kg-1、75mg·kg-1时，即T2、T3处理，生物炭的添加反而显著增加青稞苗期叶部总砷浓度。土壤砷污染浓度为50mg·kg-1时，BC处理苗期青稞叶部总砷浓度为15.45±0.87mg·kg-1，与对照组12.46±1.01mg·kg-1相比，增加了23.94%；土壤砷污染浓度为75mg·kg-1时，BC处理苗期青稞叶部总砷浓度为22.04±0.58mg·kg-1，与对照组17.68±0.31mg·kg-1相比，增加了34.68%。

2.2.2 生物炭对拔节期青稞各部位砷浓度的影响

由图2a可知，不同砷污染土壤对青稞拔节期根部砷含量影响显著，土壤砷污染浓度为0mg·kg-1、25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1下，青稞拔节期根部砷含量从小到大依次为0mg·kg-1<25mg·kg-1<50mg·kg-1<75mg·kg-1。T0处理下，生物炭添加没有显著影响青稞拔节期根部总砷浓度；在土壤砷污染浓度为25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1时，即T1、T2、T3处理，生物炭的添加能够显著降低青稞根部总砷浓度。土壤砷污染浓度为25mg·kg-1时，BC处理青稞拔节期根部总砷浓度为160.29±24.68mg·kg-1，与对照组245.92±4.82mg·kg-1相比，降低了34.82%；土壤砷污染浓度为50mg·kg-1时，BC处理青稞拔节期根部总砷浓度为305.62±2.32mg·kg-1，与对照组317.77±1.66mg·kg-1相比，降低了3.82%；土壤砷污染浓度为75mg·kg-1时，BC处理青稞拔节期根部总砷浓度为475.68±8.25mg·kg-1，与对照组541.87±1.34mg·kg-1相比，降低了12.22%。

图2 生物炭对青稞拔节期各部位砷含量的影响(p<0.05)

由图2b可知，不同砷污染土壤对青稞拔节期叶部砷含量影响显著，土壤砷污染浓度为0mg·kg-1、25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1下，青稞拔节期叶部砷含量从小到大依次为0mg·kg-1<50mg·kg-1<25mg·kg-1<75mg·kg-1。T0处理下，生物炭添加没有显著影响青稞拔节期叶部总砷浓度；在土壤砷污染浓度为25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1时，即T1、T2、T3处理，生物炭的添加显著降低青稞拔节期叶部总砷浓度。土壤砷污染浓度为25mg·kg-1时，BC处理青稞拔节期叶部总砷浓度为12.21±0.33mg·kg-1，与对照组25.57±2.22mg·kg-1相比，降低了52.23%；土壤砷污染浓度为50mg·kg-1时，BC处理青稞拔节期叶部总砷浓度为13.53±0.60mg·kg-1，与对照组18.73±0.47mg·kg-1相比，降低了27.76%；土壤砷污染浓度为75mg·kg-1时，BC处理青稞拔节期叶部总砷浓度为23.12±0.81mg·kg-1，与对照组42.89±1.11mg·kg-1相比，降低了46.09%。

2.2.3 生物炭对成熟期青稞各部位砷浓度的影响

由图3a可知，不同砷污染土壤对青稞成熟期根部砷含量影响显著，土壤砷污染浓度为0mg·kg-1、25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1下，青稞成熟期根部砷含量从小到大依次为0mg·kg-1<25mg·kg-1<50mg·kg-1<75mg·kg-1。T0、T1处理下，即土壤砷污染浓度为0mg·kg-1、25mg·kg-1时，生物炭添加没有显著影响青稞成熟期根部总砷浓度；T2、T3处理下，即土壤砷污染浓度为50mg·kg-1、75mg·kg-1时，生物炭的添加能够显著降低青稞成熟期根部总砷浓度。土壤砷污染浓度为50mg·kg-1时，BC处理青稞成熟期根部总砷浓度为97.36±0.95mg·kg-1，与对照组104.56±1.94mg·kg-1相比，降低了6.88%；土壤砷污染浓度为75mg·kg-1时，BC处理青稞成熟期根部总砷浓度为200.47±1.42mg·kg-1，与对照组208.20±3.65mg·kg-1相比，降低了3.72%。

图3 生物炭对青稞成熟期各部位砷含量的影响(p<0.05)

由图3b可知，当土壤砷污染浓度为0mg·kg-1、25mg·kg-1时，砷污染土壤对青稞成熟期茎部砷含量影响显著，砷含量从小到大依次为0mg·kg-1<25mg·kg-1；当土壤砷污染浓度为50mg·kg-1、75mg·kg-1时，砷污染土壤对青稞成熟期茎部砷含量影响不显著。在T0、T2、T3处理下，即土壤砷污染浓度为0mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1时，生物炭添加没有显著影响青稞成熟期茎部总砷浓度；在T1处理下，即土壤砷污染浓度为25mg·kg-1时，生物炭的添加能够显著降低青稞成熟期茎部总砷浓度。土壤砷污染浓度为25mg·kg-1时，BC处理青稞成熟期茎部总砷浓度为6.41±0.26mg·kg-1，与对照组8.89±0.50mg·kg-1相比，降低了27.87%。

由图3c可知，不同砷污染土壤对青稞成熟期叶部砷含量影响显著，土壤砷污染浓度为0mg·kg-1、25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1下，青稞成熟期叶部砷含量从小到大依次为0mg·kg-1<25mg·kg-1<50mg·kg-1<75mg·kg-1。在T0、T1处理下，即土壤砷污染浓度为0mg·kg-1、25mg·kg-1时，生物炭添加没有显著影响青稞成熟期叶部总砷浓度；在T2、T3处理下，土壤砷污染浓度为50mg·kg-1、75mg·kg-1时，生物炭的添加能够显著降低青稞成熟期叶部总砷浓度。土壤砷污染浓度为50mg·kg-1时，BC处理青稞成熟期叶部总砷浓度为27.49±3.50mg·kg-1，与对照组28.84±2.19mg·kg-1相比，降低了4.69%；土壤砷污染浓度为75mg·kg-1时，BC处理青稞成熟期叶部总砷浓度为31.22±1.01mg·kg-1，与对照组34.94±1.78mg·kg-1相比，降低了10.63%。

由图3d可知，不同砷污染土壤对青稞成熟期颖壳砷含量影响显著，土壤砷污染浓度为0mg·kg-1、25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1下，青稞成熟期颖壳砷含量从小到大依次为0mg·kg-1<25mg·kg-1<50mg·kg-1<75mg·kg-1。在T0、T1、T2处理下，即土壤砷污染浓度为0mg·kg-1、25mg·kg-1、50mg·kg-1时，生物炭添加没有显著影响青稞成熟期颖壳总砷浓度；在T3处理下，即土壤砷污染浓度为75mg·kg-1时，生物炭的添加能够显著降低青稞成熟期颖壳总砷浓度。土壤砷污染浓度为75mg·kg-1时，BC处理青稞成熟期颖壳总砷浓度为9.51±0.83mg·kg-1，与对照组11.14±0.44mg·kg-1相比，降低了14.61%。

由图3e可知，不同砷污染土壤对青稞成熟期籽粒砷含量影响显著，土壤砷污染浓度为0mg·kg-1、25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1下，青稞成熟期籽粒砷含量从小到大依次为0mg·kg-1<25mg·kg-1<50mg·kg-1<75mg·kg-1。在T0、T1、T2、T3处理下，即土壤砷污染浓度为0mg·kg-1、25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1时，生物炭添加没有显著影响成熟期籽粒总砷浓度。土壤砷污染浓度为25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1时，BC处理和CK处理的青稞籽粒的As浓度均超过《食品中污染物限量》的标准值(0.50mg·kg-1)，且青稞籽粒砷浓度随着土壤砷污染浓度的增加而增加。

3 结论

通过盆栽试验，研究生物炭对砷污染土壤中青稞生长及对青稞各部位砷积累的影响，主要结论如下。

添加质量分数为3%的生物炭能够促进25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1砷污染土壤中青稞生长，通过提高株高、增加单株有效穗数和千粒重起到一定增产作用，且增产效果随着砷污染浓度的增加而增加。

不同砷污染土壤对青稞砷含量影响显著，从大到小依次为75mg·kg-1>50mg·kg-1>25mg·kg-1>0mg·kg-1。青稞各部位积累砷能力也不同，依次为根>叶>茎>颖壳>籽粒。

添加质量分数为3%的生物炭能够显著降低25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1砷污染土壤中青稞苗期根部砷浓度、拔节期根部和叶部砷浓度以及成熟期根部和叶部砷浓度；但当土壤砷污染浓度为50mg·kg-1、75mg·kg-1时，生物炭的添加反而显著增加青稞苗期叶部总砷浓度。

添加质量分数为3%的生物炭对青稞籽粒砷浓度影响不显著。土壤砷污染浓度为0mg·kg-1、25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1时，生物炭添加没有显著降低青稞成熟期籽粒总砷浓度。当外源性砷添加量≥25mg·kg-1时，青稞籽粒的As浓度超过《食品中污染物限量》的标准值(0.50mg·kg-1)，且青稞籽粒砷浓度随着土壤砷污染浓度的增加而增加。故在农业生产中，应用生物炭防控砷污染应该积极探索更为合适的生物炭防控材料及其复合改良材料用于土壤砷污修复。