生物炭與腐殖酸復配對油菜（Brassica campestris L.）生長與鎘累積的影響

郭軍康，任倩，趙瑾，李永濤, ，林雁冰，丑敏霞

1. 陜西科技大學環境科學與工程學院，陜西 西安 710021；2. 華南農業大學資源環境學院，廣東 廣州 510642；3. 西北農林科技大學生命科學學院，陜西 楊凌 712100

隨著城市化和工業化等人類活動進程加快，土壤重金屬污染已經成為制約農業可持續發展的關鍵問題之一，工業“三廢”無序排放和含Cd的肥料大量使用導致農田土壤重金屬污染問題受到廣泛關注（黃道友等，2018）。《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，全國農田Cd點位超標率為7%，居于無機污染物首位，據統計，全國約有1.3萬hm2耕地遭受Cd污染，涉及11個省市25個地區，而且Cd具有毒性和強遷移性（唐秋香等，2013），土壤中 Cd易被植物吸收并通過食物鏈進入生物體，進而對人類的健康和生命安全構成了嚴重危害（郭軍康等，2018）。因此如何修復土壤重金屬Cd污染，改善土壤壞境質量已成為當今農業生態與環境科學領域研究的持續性熱點。

土壤重金屬污染修復包括物理，化學，生物等眾多修復技術（黃益宗等，2013），其中原位化學固定修復被認為是在成本和時間上更好滿足修復要求的技術，而且更適用大面積的治理。即向土壤中添加石灰、有機物等改良劑以降低重金屬在土壤中的移動性及生物有效性，因此該技術中鈍化劑的選用是決定修復效果的核心所在（王立群等，2009）。

生物炭是由生物質在缺氧環境中經過熱化學轉化產生的固體產物（Chen et al.，2019）。作為鈍化修復材料，不僅可以提高土壤pH以降低土壤重金屬的生物有效性，還可通過表面官能團吸附土壤重金屬（盤麗珍等，2018）。不恰當的蔬菜廢棄物堆放會使其產生溫室氣體繼而導致嚴重的環境污染（陳利洪等，2018）。因此蔬菜廢棄物作為天然有機物被制備成生物炭，達到改良土壤肥力的同時將其變廢為寶實現資源化利用的目的（張繼寧等，2018）。

目前，生物炭鈍化重金屬的大多數研究集中于生物炭去除水體和土壤中重金屬的機制探究（李江遐等，2015；張連科等，2018；羅洋等，2018；戚鑫等，2018）。腐殖酸是天然的膠體有機物質，來源廣泛，且具有豐富的官能團，且會通過改善和提高土壤肥力降低土壤重金屬的遷移性（鐘振宇等，2018）；但是將生物炭同腐殖酸復合的研究較少，在實際應用中，復合類固定劑的修復效果會高于單一固定化試劑的，更適用于多種重金屬復合污染的土壤。然而目前相關研究大都采用單一鈍化劑對重金屬進行處理，將兩種有機鈍化劑復配后進行鈍化修復研究較少。

本文通過盆栽試驗研究蔬菜廢棄物生物炭與腐殖酸聯合施用對土壤有效態Cd、油菜生長和Cd累積的影響，為中國北方堿性中低度重金屬Cd污染農田修復提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤為西安市未央區設施農田根際土壤，土壤類型為土婁土，標準按照《土壤環境監測技術規范標準》（HJ 166—2004）設置5個采樣單元，于油菜成熟期時，每個單元分別取5—10株油菜植株，剪掉地上部分，采用抖落法抖掉根部松散的土壤，后用毛刷將緊挨根系的土壤刷下來，混合后作為一個單元的根際土土樣，風干并剔除其中根系后過篩待測；根系洗凈、冷藏待用（平亞琴等，2017）。供試有機物料為生物炭和腐殖酸，風干、粉碎，過篩。供試植物為油菜，品種為北方油菜（Brassica campestris L），由北京南無科貿有限責任公司生產。生物炭制備原料為本地生產的油菜及其廢棄物，腐殖酸購自山西省恒興科技有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 生物炭的制備

將收集到的油菜枯葉及收獲后菜地表層油菜殘留葉片，即油菜廢棄物。經自然風干，烘干，過篩，置于馬弗爐（1200 ℃箱式氣氛電爐，鄭州）在缺氧條件下500 ℃熱解6 h制備完成（張繼寧等，2018）。

1.2.2 盆栽實驗

供試土壤準備與老化：將一定量的CdSO4溶液加入到土壤中，使土壤Cd含量達到2.0 mg·kg-1（實際測定Cd為2.26 mg·kg-1），混勻后，將土壤含水量調節至田間持水量的70%，老化60 d后風干，研磨過2 mm篩，作為Cd污染土壤備用。油菜幼苗培養：挑選飽滿的油菜種子若干，用30%的雙氧水浸泡15 min，用去離子水反復清洗干凈，置于蒸餾水中浸泡6 h后直接播種于盆中，每盆均勻播種6—8顆油菜種子，油菜生長1個月后收獲。盆栽試驗共設8個處理：不添加任何材料的對照CK；只添加重金屬 Cd處理（T0）；添加按土壤總量 1%生物炭處理（T1）；添加按土壤總量1%腐殖酸處理（T2）；添加按土壤總量1%生物炭和1%腐殖酸處理（T3）；添加按土壤總量2%生物炭和1%腐殖酸處理（T4）；添加按土壤總量 1%生物炭和 2%腐殖酸處理（T5）；添加按土壤總量1%生物炭和3%腐殖酸處理（T6）。整個培養過程在人工溫室中進行，溫室的晝夜溫度控制在 26 ℃和 20 ℃，晝夜時間為16 h和8 h，相對濕度為60%。每盆裝土1 kg，每個處理設5個重復。

1.2.3 樣品分析與測定

根際土壤有效態Cd含量測定：將制備的根際土壤樣品研磨，過篩，烘干后稱取5 g，加入25 mL濃度為0.01 mol·L-1的氯化鈣溶液進行浸提（Pueyo et al.，2004），采用0.45 μm濾膜過濾，用原子吸收光譜儀（ZEEnit700P/650P，德國耶拿儀器制造有限公司）在分析波長：228.8 nm，90 ℃干燥30 s，110 ℃干燥30 s，600 ℃灰化30 s，1600 ℃原子化4 s，2300 ℃出殘4 s的條件下，對重金屬Cd的含量進行測定。空白實驗程序相同。蔬菜重金屬Cd含量測定：將蔬菜樣品烘干，研磨，過篩，稱取0.25 g待測樣品于消化管內，加入10 mL硝酸，放入電熱消解儀（Digi Block ED54，Lab Tech），消解，直至約1 mL左右（董明芳等，2017），用1% HNO3定容25 mL后用原子吸收光譜儀對Cd的含量進行測定，其中原子吸收光譜儀與根際土壤樣品Cd含量的使用條件相同，此外，按照相同的程序做空白試驗和平行試驗（Wei et al.，2008）。為了進行質量控制，同步分析了國家標準物質陜西洛川黃土GBW07454（GSS-25），重金屬Cd含量相對標準偏差小于5%。

1.2.4 土壤理化性質的測定

土壤理化性質的測定參考《土壤農化分析》（魯如坤，2000），pH值測定采用電位法，水土體積比為 2.5?1，速效磷測定采用 0.5 mol·L-1碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法，CEC測定采用氯化鋇-硫酸強迫交換法測定。生物炭和腐殖酸的理化性質：pH、CEC、灰分按照參考文獻方法（郭文娟等，2013）測定。采用有機元素分析儀（Elemeraor，德國）測定樣品中C、N、O元素的含量。采用表面元素分析儀（Micromeritics，美國）測定比表面積，孔徑與孔體積。

1.2.5 生物炭和腐殖酸結構表征

利用低真空掃描電子顯微鏡（ESEM）（Q45+EDAX Octane Prime，美國FEI公司）觀察生物炭和腐殖酸顆粒外觀形貌；利用FTIR光譜儀（德國布魯克Bruker公司）KBr壓片法掃描定性分析生物炭和腐殖酸的表面官能團（謝超然等，2016）。

1.3 數據處理

利用Excel 2016和Origin 9.1進行數據分析和作圖，利用SPSS 21.0進行統計分析，一維方差分析法進行顯著性檢驗，P＜0.05為差異顯著。

2 結果與分析

2.1 生物炭和腐殖酸的表面形貌和官能團組成特征

生物炭和腐殖酸的表面官能團很大程度上決定了其對重金屬離子的吸附能力。已有相關學者研究發現，生物炭表面含有豐富的含氧官能團，可與土壤中的重金屬形成穩定金屬絡合物，起到良好的吸附以及穩定作用（楊蘭等，2016），而腐殖質含有羧基、羥基等大量官能團，亦能夠吸附絡合大部分重金屬離子，影響重金屬離子的生物活性（李慧敏等，2017）。

圖1 生物炭和腐殖酸的紅外譜圖Fig. 1 Infrared spectra of biochar and humic acid

如圖1所示，本研究所用的生物炭表面具有豐富的官能團，-OH（3739 cm-1）、-C≡C（2300 cm-1）、-C=O（1706 cm-1）、芳香酸類-COOH（1697.4 cm-1）、1610—1450 cm-1范圍內為苯環或芳香族的特征峰值區間，含有芳香類物質、NH4+（1396.4 cm-1）、-C-H（696 cm-1），這為生物炭吸附 Cd提供了基礎。同時腐殖酸表面也含有較多的Cd吸附相關官能團，-OH（3446 cm-1）、-C=O（1751 cm-1）、-C-O（1100 cm-1）、-C-C（960 cm-1）、以及900—670 cm-1之間的吡啶、吲哚等芳香化和雜環化合物。本研究所采用兩種修復材料表面富含的官能團具有吸附重金屬離子特性，所形成的有機-金屬絡合物具有較高的穩定性，有助于減少土壤重金屬離子的遷移和降低其生物有效性（張燕等，2017）。

通過掃描電鏡結果見圖2a，可以看出蔬菜廢棄物生物炭結構疏松，暴露出更多的重金屬吸附活性位點，由表1可知生物炭的孔徑大小為109.44 nm。腐殖酸表面同樣具有疏松多孔結構見圖2b，其理化性質見表2。生物炭和腐殖酸表面明顯的致密孔隙結構有助于其對土壤重金屬的吸附-固定作用。

圖2 生物炭和腐殖酸的掃描電鏡圖Fig. 2 Scanning electron micrograph of biochar and humic acid

表2 腐殖酸理化性質Table 2 Physical and chemical properties of humic acid

2.2 不同配比生物炭和腐殖酸對土壤理化性質的影響

土壤中的pH，CEC和磷元素的含量分別會影響生物炭和腐殖酸對重金屬Cd的吸附效果見表3，其中土壤pH值是影響土壤中重金屬活性的關鍵因素，未添加鈍化劑的CK組土壤pH為8.41，隨著生物炭和腐殖酸配比的增加，pH范圍為 8.55—9.25，呈遞增趨勢，1%生物炭和3%腐殖酸處理（T6）達到9.25。這是由于生物炭和腐殖酸的pH分別為11.5，10.13，屬于強堿性導致土壤pH升高。土壤含水率隨著生物炭和腐殖酸配比的增加而降低，只添加 1%生物炭的土壤的含水率為 0.83%，含水率最低。相比于未添加物質的CK組，添加2%生物炭和1%腐殖酸的土壤的CEC升高，為212.25，其他不同配比生物炭和腐殖酸的 CEC都不同程度降低，只添加1%生物炭（T1）和只添加1%腐殖酸（T2）組的土壤降低幅度分別為0.06和0.14，1%生物炭和1%腐殖酸處理（T3），1%生物炭和3%腐殖酸處理（T6）的土壤 CEC分別降低了 0.01，0.03。1%生物炭和2%腐殖酸處理（T5）沒有變化，而有效磷含量隨著生物炭和腐殖酸配比的增加成顯著性增加趨勢，T3和 T5有效磷的含量分別為1371.25、1409.19，達到最高值。說明不同配比生物炭和腐殖酸會不同程度地影響土壤的理化性質。

表1 生物炭理化性質Table 1 Physical and chemical properties of biochar

表3 不同配比生物炭和腐殖酸對土壤理化性質的影響Table 3 Effects of different proportions of biochar and humic acid on soil phy-chemical properties

2.3 不同配比生物炭和腐殖酸對油菜生物量的影響

不同配比鈍化劑的處理方式對油菜生物量的影響見圖3和圖4。T0，T1，T2，T3處理地上部分生物量與空白組 CK相比分別提高 47.55%，60.33%，57.17%，59.73%。而T4，T5，T6地上部分生物量與空白組 CK相比分別降低 87.49%，1.46%，88.65%。同時T0，T1，T2，T3地下部分生物量與空白組 CK相比分別提高 10.21%，12.77%,，87.59%，49.27%。而 T4，T5，T6地下部分生物量與空白組 CK相比分別降低 6.67%，28.46%，64.23%。從總體趨勢可以看出，當生物炭和腐殖質復配后在土壤中所占比例≤1%時，生物炭和腐殖酸的施加對油菜的生長起到了一定的促進作用，特別是施加 1%腐殖酸后根干重大約增加87.59%；當生物炭和腐殖質復配后在土壤中所占比例＞1%時，油菜生物量降低，而生物炭施加到2%，油菜地上部分干重降低88%，根干重降低75%。這是由于油菜適于弱酸性或中性的土壤中生長，而施用呈堿性的生物炭和腐殖酸會極大程度增加土壤pH值，呈強堿性，范圍為8.41—9.67（見表3），因此可能是土壤的強堿性環境導致油菜生長受到影響。

圖3 不同配比的生物炭和腐殖酸對油菜地上部分質量的影響Fig. 3 Effects of different proportions of biochar and humic acid on dry weight of aerial parts in rapeseed

圖4 不同配比的生物炭和腐殖酸對油菜地下部分質量的影響Fig. 4 Effects of different proportion of biochar and humic acid on dry weight of root part of rape

2.4 不同配比的生物炭和腐殖酸對油菜不同部分Cd含量的影響

圖5 和圖6是不同配比的鈍化劑處理方式對油菜不同部分Cd累積量的影響，可發現加入重金屬Cd的T0組地上部分Cd含量是空白CK組的9.40倍，說明土壤中重金屬Cd在植物體內大量富集，之后與T0組相比，T1—T6組地上部分Cd含量降低幅度為30.76%—90.79%，其中添加1%生物炭和1%腐殖酸的T3組降低了77.21%；同時，T0組地下部分Cd含量是空白CK組的19.16倍，T1—T6組地下部分Cd含量與T0組相比降低了為29.88%—92.46%，其中添加1%生物炭和1%腐殖酸的T3組降低了 72.54%，因此加入生物炭和腐殖酸后油菜體內Cd含量明顯降低，隨著施加比例的增加，植物體內Cd含量約依次遞減約30%，這說明生物炭和腐殖酸能有效降低油菜內Cd的含量。

圖5 不同配比的生物炭和腐殖酸對油菜地上部分Cd含量影響Fig. 5 Effects of different proportions of biochar and humic acid on Cd content in aerial parts of rape

圖6 不同配比的生物炭和腐殖酸對油菜地下部分Cd含量影響Fig. 6 Effects of different proportions of biochar and humic acid on Cd content in the root part of rapeseed

2.5 不同配比的生物炭和腐殖酸對油菜根際土壤有效Cd含量的影響

植物吸收土壤中的重金屬主要是有效態重金屬，因此阻斷重金屬活性是阻斷土壤重金屬向植物可食部位遷移的主要措施。不同配比鈍化劑的處理對油菜根際土壤有效態 Cd含量的影響見圖7，從圖中可發現加入重金屬Cd的T0組地上部分Cd含量是空白CK組的5.42倍，說明土壤中有效態Cd增加，T1—T6組地上部分Cd含量與T0組相比降低了為 22.06%—47.90%，只施用 1%生物炭的土壤有效態Cd降低約28.76%，只施用1%腐殖酸的土壤有效態 Cd降低了 22.06%，則生物炭施用降低效果比腐殖酸更明顯，且隨著生物炭和腐殖酸施用量的增多，有效態Cd含量降低。其中添加 2%生物炭和 1%腐殖酸的 T4組降低了47.90%。說明單施生物炭和腐殖酸以及不同配比的生物炭與腐殖酸等鈍化處理可以有效地降低鎘污染菜地土壤中Cd的有效性，而且復合的鈍化劑明顯好于單一鈍化劑。

圖7 不同配比的生物炭和腐殖酸對油菜根際土壤有效Cd含量的影響Fig. 7 Effects of different proportions of biochar and humic acid on effective Cd content in rhizosphere soil of rape

3 討論

生物炭和腐殖酸被認為是良好的鈍化劑，具有多孔性、高比表面積和較強表面吸附能力，其兩者表面通常為高度芳香化結構和部分羥基、酚羥基和羰基等官能團，這種結構特點決定了生物炭和腐殖酸對有機和無機污染物具有高度的親和性，因此能較強地吸附并影響土壤中重金屬的遷移性和降低重金屬生物可利用性（瑞麗等，2017）。由于生物炭和腐殖酸多孔結構和表面豐富的官能團使其具有較強的吸附重金屬離子的能力（陶雪等，2016），在土壤修復方面許多國內外學者開展了單一生物炭或腐殖酸對水體，土壤中重金屬的吸附研究工作（李劍睿等，2014）。

本研究對不同比例生物炭和腐殖酸的復配與土壤理化性質進行了研究，并且探索了其對油菜中Cd總量與根系土壤有效態Cd含量的影響，發現單獨施加生物炭及腐殖酸時，油菜的可食用部位 Cd累積量與土壤有效態Cd含量的減少量，均遠小于施入的生物炭與腐殖酸配比后的，這表明不同配比的生物炭與腐殖酸的使用對于土壤Cd污染的鈍化修復作用具有更明顯的效果，與Guo et al.（2018）研究結果一致。研究發現當添加2%的生物炭或3%的腐殖酸時，油菜的生物量顯著降低，這與劉沖等（2016）人研究發現相一致，隨著水稻生物炭添加量增加，油麥菜生物量顯著降低。陳璇等（2016）研究亦發現，Cu污染土壤中單獨添加5%生物炭造成通心菜地上與地下部生物量顯著降低。其原因在于pH值對植物生長和養分利用具有重要影響，土壤pH值升高會影響油菜養分利用進而降低其生物量，生物炭和腐殖酸呈堿性，可以提高土壤的 pH值，pH值升高會增強土壤有機/無機膠體及土壤黏粒對重金屬離子的吸附能力，使土壤中重金屬離子有效性降低，減少可交換態重金屬離子濃度（李雅嬪等，2016）。因此在土壤污染修復過程中添加一定比例的生物炭和腐殖酸復配鈍化可能會導致土壤堿化，從而影響農作物的產量。

污染土壤中添加不同配比生物炭與腐殖酸對土壤 Cd有效態具有顯著降低作用，而有效態 Cd含量的降低對油菜Cd吸收與累積具有重要影響。本研究中發現，不同配比的生物炭與腐殖酸對油菜不同部分Cd降低的效果比單一添加顯著，但是生物量與油菜體內Cd的含量有關（圖2和3）。此外，生物炭和腐殖酸的添加改變土壤中Cd的生物有效性，影響Cd對油菜毒害的劑量效應關系，表現出低劑量促進效應，這與魏威等（2012）研究低劑量Zn促進植物生長結果相印證。生物炭與腐殖酸復配施用于Cd污染土壤中，使土壤的pH值有一定程度的增加，有效磷，陽離子交換量 CEC增加，使得土壤肥力增加，而且減少油菜地上部位Cd的積累以及降低土壤中Cd有效性方面仍然好于鈍化劑單一處理（孫約兵等，2012）。值得注意的是，不同配比的復合鈍化劑在一定范圍內可以增加植物生物量，降低植物體內的Cd和根際土壤有效態Cd（廖雄輝等，2018）。

因此，應選用合適配比的復合鈍化劑修復農田土壤重金屬 Cd，以便及時增施鈍化劑或采取農藝措施進行調控，提高對土壤重金屬Cd的鈍化修復穩定性效果，保障農產品可持續安全生產。

4 結論

本研究所用油菜廢棄物生物炭和腐殖酸呈堿性，且表面呈微孔結構并富含帶負電荷官能團，具有增強土壤吸附重金屬的特性。而不同配比的生物炭和腐殖酸會影響土壤的理化性質，提高土壤pH，降低土壤含水率，升高有效P含量，增加土壤中陽離子交換量。施加適量生物炭和腐殖酸的對油菜的生長起到了促進作用，但當配比超過 1%會降低油菜生物量。此外，不同配比的生物炭與腐殖酸可以有效地降低受重金屬Cd污染的菜地土壤中Cd有效性，且復配處理效果明顯高于單一處理。而油菜廢棄物生物炭和腐殖酸聯合施用會使油菜體內 Cd累積顯著降低，隨著施加比例的增加，植物體內Cd含量依次遞減。