土壤鎘污染下生物炭對白菜生長及植株鎘濃度的影響

陳　森， 張子謙， 李　婧， 周艷文， 高小杰， 張　權(quán)

(南京市環(huán)境保護科學研究院，江蘇南京 210013)

鎘作為一種活潑的重金屬元素，可經(jīng)食物鏈在人體中富集，對人體有很高的毒性和致病性，且難以通過新陳代謝排出[1]。近年來，我國工業(yè)化進程加快，不合理排放的工業(yè)固體廢物、廢水、廢氣成為土壤中鎘元素的重要來源，其中，農(nóng)田鎘污染則大多由污水灌溉導致。據(jù)統(tǒng)計，20世紀90年代初，我國污水灌溉的農(nóng)田達1.4×106hm2，鎘污染耕地達1.3×104hm2，受污染土壤鎘含量高達2.5～23.0 mg/kg[2]，沈陽張士灌區(qū)等典型區(qū)域土壤受污染面積達13%，上海螞蟻浜地區(qū)受污染的土壤鎘含量最高值達130 mg/kg[3]。農(nóng)田土壤鎘污染必然會導致農(nóng)作物受到污染，進而導致鎘在人體中的富集，引發(fā)人群健康風險，如江西省某縣因鎘污染形成的“鎘米”區(qū)、日本神通川流域的“痛痛病”事件等。

目前，國內(nèi)外普遍采用的土壤鎘污染治理方法主要有物理、化學和生物3種方法，其中，化學方法主要采用土壤改良劑對土壤中的重金屬進行固化穩(wěn)定化，而采用的土壤改良劑有無機物、有機物、無機和有機混合物等3種，有機物土壤改良劑由于會逐漸被土壤微生物分解，并可能會將富集或固定的重金屬再次釋放而存在一定風險。近年來，無機物生物炭在農(nóng)田土壤鎘污染修復中成為一種新興的土壤添加劑，并取得不錯的效果[4-8]。生物炭比表面積大，吸附能力強，可以由農(nóng)業(yè)廢棄物加工制成，不僅可為重金屬污染土壤治理提供充足的原材料，而且更是一種處理秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物的方法，一舉兩得，互利雙贏。

有研究顯示，不同原料、不同工藝制成的生物炭對重金屬污染土壤的修復效果不盡相同[9]，針對土壤不同重金屬污染情況而開發(fā)不同的生物炭，將為重金屬污染土壤的治理提供一個更加有效的思路。本試驗研究一種秸稈生物炭對土壤鎘污染下白菜生長及植株鎘富集情況的影響，以期為受鎘污染的土壤治理提供技術(shù)理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1　試驗材料

鑒于小葉青白菜在夏、冬季對鎘元素有較高的富集能力[10]，故本試驗采用小葉青白菜作為供試材料。試驗土壤采集于某地農(nóng)田中，采樣深度為0～20 cm，土壤有機質(zhì)含量為14.54 g/kg，速效鉀、緩效鉀含量分別為0.269、0.707 g/kg，銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量分別為17.68、78.50 μg/g，有效磷含量為 0.141 g/kg，有效鐵含量為98.63 μg/g，生物有效態(tài)鎘、總鎘含量分別為0.169、0.465 μg/g，pH值為6.96；將采集的土壤經(jīng)風干粉碎，過篩，備用。秸稈生物炭，由中國科學院南京土壤研究所提供，研磨過1 mm篩，備用。

1.2　試驗設(shè)計

試驗于2015年8月1日至9月14日在南京農(nóng)業(yè)大學進行，分別向含鎘土壤中添加0%(對照，CK)、0.5%、1.0%、2.0%、5.0%的生物炭，混合均勻，填裝于口徑30 cm、高 30 cm 的花盆中，每盆裝土2 kg；在土壤生物有效態(tài)鎘含量的基礎(chǔ)上，添加硝酸鎘溶液調(diào)節(jié)土壤總鎘含量至1.5 mg/kg；每花盆播種小葉青白菜種子10～20粒，待生長至4葉1心時間苗，以保證每盆有3株發(fā)育正常的幼苗；白菜生長周期為 46 d，期間每日早晚以清水澆透土壤，每周星期一以1/4 Hogland營養(yǎng)液代替清水進行澆灌。為模擬大田環(huán)境下植物的生長情況，試驗花盆都露天擺放，手工除蟲，未進行避雨、遮陰等處理。

1.3　測定內(nèi)容與方法

量取花盆土壤表面到白菜植株最高點的高度，即為株高。采集白菜地上部，稱取鮮質(zhì)量；用去離子水洗凈，分離白菜的葉片、葉柄，分別擦干；裝入干燥紙袋中置于烘箱內(nèi)105 ℃烘干至恒質(zhì)量，稱取白菜地上部干質(zhì)量；經(jīng)體積比為4 ∶1的HNO3、HClO4消解，石墨爐原子吸收法測定小白菜的鎘含量[11]。

1.4　數(shù)據(jù)統(tǒng)計

采用SPSS 13.0、Excel 2016軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

2　結(jié)果與分析

2.1　添加生物炭對白菜生長的影響

2.1.1株高由圖1可見，不添加生物炭的土壤(CK)種出的白菜株高為15.09 cm；生物炭添加量為0.5%的土壤種出的白菜株高為16.94 cm，較對照增幅達到12.3%，顯著高于其他處理(P<0.05)；生物炭添加量分別為1.0%、2.0%、5.0% 的土壤種出的白菜株高分別為15.44、14.92、14.83 cm，較對照增幅分別為2.3%、-1.1%、-1.7%，相互間差異不顯著(P>0.05)，生物炭添加量過高，白菜生長受到一定的抑制作用。

2.1.2鮮質(zhì)量由圖2可見，不添加生物炭的土壤(CK)種出的白菜地上部鮮質(zhì)量為17.19 g；生物炭添加量為0.5%的土壤種出的白菜地上部鮮質(zhì)量為23.34 g，較對照增幅達到35.8%，顯著高于其他處理(P<0.05)；隨生物炭添加量的增加，白菜地上部鮮質(zhì)量顯著下降(P<0.05)；生物炭添加量分別為1.0%、2.0%、5.0%的土壤種出的白菜地上部鮮質(zhì)量分別為19.91、15.75、15.30 g，較對照增幅分別為 15.8%、-8.4%、-11.0%，生物炭添加量過高，白菜生長受到一定的抑制作用，與株高性狀相吻合。

2.2　添加生物炭對白菜中鎘含量的影響

2.2.1全鎘含量由圖3可見，不添加生物炭的土壤(CK)種出的白菜植株地上部鎘含量相對最高，為0.281 mg/kg；隨生物炭添加量的增加，白菜植株地上部的鎘含量呈顯著下降趨勢(P<0.05)；生物炭添加量分別為0.5%、1.0%、2.0%、5.0%的土壤種出的白菜地上部鎘含量分別為0.266、0.216、0.167、0.145 mg/kg，較對照分別下降5.3%、23.1%、40.6%、48.4%，說明添加生物炭可明顯降低白菜地上部鎘的含量。

2.2.2鎘在白菜不同部位的分布情況由圖4可見，不添加生物炭時，白菜葉片、葉柄的平均鎘含量分別為0.437、0.241 mg/kg，葉片中的全鎘含量明顯高于葉柄，說明葉片對鎘的富集能力強于葉柄。

2.3　添加生物炭對土壤的影響

2.3.1pH值由圖5可見，不添加生物炭時，土壤的pH值為7.33，而當生物炭添加量分別為0.5%、1.0%、2.0%、5.0% 時，土壤的pH值分別為7.39、7.41、7.43、7.45，說明生物炭的添加可明顯提高土壤的pH值。

2.3.2土壤中的有效鎘含量由圖6可見，不添加生物炭(CK)時，土壤中的有效態(tài)鎘含量為0.99 mg/kg，當生物炭添加量分別為0.5%、1.0%、2.0%、5.0%時，土壤中的有效態(tài)鎘含量分別為0.78、0.70、0.59、0.43 mg/kg，與對照相比，降幅分別為21.21%、29.29%、40.40%、56.57%，說明添加生物炭可有效降低土壤中鎘的生物有效性，綜合考慮土壤pH值，可能是因為處于弱堿性的生物炭可增加土壤中氫氧根離子的含量，進而使鎘離子沉淀，使鎘離子易于轉(zhuǎn)變成碳酸鹽結(jié)合態(tài)等更不易被吸收的形態(tài)，從而使土壤中的有效態(tài)鎘含量下降。

3　結(jié)論與討論

添加0.5%生物炭的含鎘土壤種植的白菜，其株高和鮮質(zhì)量有顯著提高(P<0.05)，且隨生物炭添加量的增加，白菜株高略有下降，但相互間差異不顯著(P>0.05)，而鮮質(zhì)量則呈顯著的下降趨勢(P<0.05)，說明土壤中適量的添加生物炭可以一定程度提高白菜的產(chǎn)量，而生物炭施用過量可能影響土壤肥力，甚至影響作物的正常生長，這可能是因為生物炭的添加提高了土壤的電解質(zhì)濃度，使白菜產(chǎn)生一定程度的失水，從而導致白菜的鮮質(zhì)量下降，也有可能因為盆栽不像真正的大田環(huán)境，土壤中的電解質(zhì)交換不夠。有研究表明，土壤中0～1 mg/kg的鎘含量對白菜生物量的增加有促進作用[12]。生物炭本身是一種良好的土壤理化性質(zhì)改良劑，可提高土壤比表面積和孔隙度，提高土壤中各種離子的交換能力與pH值，令土壤的保水、保肥性能得到提高，有助于涵養(yǎng)水土，提高土壤微生物活性，促進土壤中的養(yǎng)分循環(huán)等[13-16]。

隨生物炭添加量的增加，白菜地上部鎘含量呈顯著下降趨勢(P<0.05)，說明生物炭的添加可有效降低白菜地上部的鎘含量。土壤中的鎘主要存在形態(tài)有水溶態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機硫化合物結(jié)合態(tài)、殘渣態(tài)，其中水溶態(tài)鎘與碳酸鹽結(jié)合態(tài)鎘占總鎘含量的70%左右[12]。本試驗中使用硝酸鎘溶液將土壤中的總鎘含量由背景值 0.465 μg/g 提高到1.5 μg/g，故在生物炭施用前水溶態(tài)鎘應(yīng)為土壤中鎘的主要存在形式。生物炭的施用，可能會促使水溶態(tài)鎘向碳酸鹽結(jié)合態(tài)等其他形態(tài)鎘轉(zhuǎn)化，從而降低鎘在土壤中的生物有效性，同時，生物炭多孔結(jié)構(gòu)提供的巨大比表面積及強大的吸附作用可吸附與沉淀土壤中的有效態(tài)鎘離子[13-14]。

白菜葉片中的鎘含量顯著高于葉柄，說明白菜葉片對鎘的存儲與富集作用高于葉柄。前人研究結(jié)果表明，農(nóng)作物不同部位對鎘的富集能力不同，同時，農(nóng)作物中可能存在鎘的主要存儲部位，如葉鞘是水稻最容易富集鎘的部位，花生籽粒則對鎘具有相對較高的富集能力，是花生植株的“鎘存儲”部位[17-19]。

pH值是影響土壤鎘生物有效性的一個重要因素，弱堿性的生物炭可使土壤中OH-的含量得到提高，進而提高土壤的pH值，而pH值提高可使土壤顆粒表面所帶的負電荷得到有效增加，使其對鎘離子的吸附作用增強。同時，土壤中OH-離子濃度的提高，使Cd2+更容易形成難溶的氫氧化鎘，進一步還可以通過絡(luò)合反應(yīng)等使鎘離子轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓猁}結(jié)合態(tài)等更加不易被植物體吸收的存在形態(tài)，從而使可交換態(tài)鎘的含量降低，進而降低農(nóng)作物對其的吸收固定作用[20-21]。

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