生物炭對鎘鉛污染土壤中金銀花生理特性及鎘鉛積累的影響

向 陽，向言詞，任 海，簡曙光，王瑞江，汪結明，向建華，胡 偉

（1. 湖南科技大學建筑與藝術設計學院風景園林系，湖南 湘潭 411201；2. 湖南省永順縣農業局，湖南 永順 416700；3. 中國科學院華南植物園，廣東 廣州 510650）

據統計，我國受鎘和鉛等重金屬污染的耕地約有 1 000萬hm2[1]。生長于污染土壤中的水稻 （Oryza sativa）、 玉米（Zea mays）和金銀花（Lonicera japonica）等植物會吸收積累重金屬[2-3]。重金屬原位固持修復技術是通過添加改良劑，固持土壤重金屬，降低重金屬在土壤中的生物有效性，有效阻控重金屬通過移遷和傳遞等方式進入食物鏈的一種重金屬污染控制技術，該技術應用周期短且經濟效益等已成為環境科學領域的研究熱點。

生物炭（biochar）是由生物質在完全或部分缺氧的情況下經熱解炭化產生的一類高度芳香化難熔性固態物質，是黑碳的一種類型。生物炭孔隙發達，比表面積大，富含碳與芳香族基團，表面富有含氧官能 團[4]。生物炭具備價格低廉、吸附力強、穩定性高和多功能性等優點，能吸附固持污染物[5]，可作為一種高效、廉價的生物吸附劑，用于重金屬污染土地的開發利用。

已有研究表明生物炭能夠影響土壤中重金屬的形態和遷移行為[6-7]。但對于降低重金屬污染的程度、生產上的應用以及用量等問題，目前還沒有統一的標準。筆者以金銀花為材料，通過盆栽試驗研究在鎘鉛污染土壤中添加不同劑量的生物炭對金銀花生理特性及其鎘鉛積累的影響，旨在為運用生物炭實現重金屬污染土地的安全利用提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

植物材料為金銀花。供試土壤采自廢棄耕地，土壤中鎘、鉛含量分別為0.19 和30.7 mg/kg。松木制生物炭購于市場，篩選粒徑在0.5～1.0 cm 之間的生物炭備用。

1.2 試驗方法

將土壤自然風干，研碎過0.25 mm 孔徑篩備用。在土壤中以CdCl2·2.5H2O 和Pb(NO3)2形式分別加入Cd 25 mg/kg 和Pb 500 mg/kg。先將CdCl2·2.5H2O 和Pb(NO3)2同時溶于蒸餾水中后加入土壤。噴去離子水充分攪拌混勻后平衡處理50 d。在污染土壤中按0、2%、4%、6%、8%、10%、12%、14%和16%（炭與土壤的干重比）的比例添加生物炭，代號分別為B-0、B-2、B-4、B-6、B-8、B-10、B-12、B-14 和B-16，其中B-0 為對照。將土壤裝入直徑15 cm、深20 cm 的盆中，每盆裝土4.0 kg。采集金銀花插穗，選取長度15 cm 左右、粗細一致的枝條，在室內砂培扦插培養，待到營養葉長出3～4 片時，挑選長勢一致的幼苗，移植入盆中，每盆3 株。每個處理6 個重復。定期澆水，開花時采集金銀花植株，用自來水和蒸餾水沖洗植株，再用去離子水沖洗，晾干樣品，105℃條件下烘1 h，80℃條件下烘8 h 至恒重。

參照張志良等[8]方法，于2017 年測定葉綠素含量、根系活力和SOD 活性。用濃硝酸+氫氟酸+高氯酸消解土壤樣品，用濃硝酸+高氯酸消解植物樣品。重金屬含量用原子吸收分光光度法測定。采用 L I-6400便攜式光合作用測量儀測定凈光合速率[μmol/(m2·s)]。將生物炭表面擦干凈，用刀片橫切，然后用洗耳球吹去表面小顆粒，在掃描電鏡（ESEM）下觀察其多孔結構（圖1）。其大孔隙度（孔隙截面100～200 μm×50～100 μm 以上）所占面積達39%，小孔隙度（15～30 μm×10～20 μm）面積達44%，大小孔徑總面積比為1 ∶0.89。

2 結果與分析

2.1 添加生物炭對金銀花凈光速率和葉綠素含量的影響

由圖2 可知，污染土壤中添加生物炭后金銀花葉片的凈光速率明顯提升，葉綠色含量明顯增加，差異均達顯著水平（P ＜0.05）；添加2%～16%生物炭后金銀花葉片的凈光合速率比對照提升27.6%～78.9%；同時，添加2%～16%生物炭后金銀花葉片的葉綠素含量比對照增加31.8%～67.5%。

2.2 添加生物炭對金銀花SOD 活性和根系活力的影響

由圖3 可知，添加6%～16%生物炭后金銀花的SOD 活性比對照降低15.9%～25.7%，差異達顯著水平（P ＜0.05）；添加2%～16%生物炭后金銀花根系活力比對照增加20.0%～37.8%，差異達顯著水平（P＜0.05）。

2.3 添加生物炭對金銀花不同部位鎘鉛積累的影響

2.3.1 根 部 由圖4 可知，污染土壤中添加生物炭能有效減少金銀花根部對鎘與鉛的吸收積累。與對照相比，添加2%和4%的生物炭處理雖然能減少金銀花根部鎘的含量，但差異未達顯著水平（P ＞0.05）；而添加6%～16%的生物炭處理使金銀花根部鎘的含量降低27.6%～43.7%，差異達顯著水平（P ＜0.05）。與對照相比，添加2%的生物炭雖減少了金銀花根部鉛的含量，但差異未達顯著水平（P ＞0.05）；而添加4%～16%的生物炭處理使金銀花根部鉛的含量降低15.4%～48.9%，差異達顯著水平（P ＜0.05）。

圖1 生物炭及其結構

2.3.2 莖 部 由圖5 可知，污染土壤中添加生物炭能有效減少金銀花莖部鎘與鉛的積累。與對照相比，添加2%和4%的生物炭難以顯著降低金銀花莖部的鎘含量（P ＞0.05）；添加6%～16%的生物炭處理使金銀花莖部鎘的含量降低40.7%～75.2%，差異達顯著水平（P ＜0.05）。與對照相比，添加2%的生物炭雖然減少了金銀花莖部鉛的含量，但是降幅未達顯著水平（P ＞0.05）；添加4%～16%的生物炭處理使金銀花莖部的鉛含量降低29.0%～81.4%，降幅達顯著水平 （P ＜0.05）。

2.3.3 葉 部 由圖6 可知，污染土壤中添加生物炭能顯著降低金銀花葉部鎘與鉛的含量。與對照相比，添加2%～16%的生物炭處理使金銀花葉部鎘含量下降18.7%～52.4%，鉛含量下降13.6%～42.9%，且降幅均達顯著水平（P ＜0.05）。

2.3.4 花 由圖7 可知，污染土壤中添加生物炭能顯著降低金銀花花中鎘與鉛的含量。與對照相比，添加2%～16%的生物炭處理使金銀花花中鎘含量降低56.1%～92.0%，差異達顯著水平（P ＜0.05）。添加8%～16%的生物炭處理后，金銀花花中的鎘含量在0.20～0.37 mg/kg 之間。與對照相比，添加2%～16%的生物炭處理使金銀花花中鉛含量降低22.2%～80.1%，差異達顯著水平（P ＜0.05）。添加6%～16%的生物炭處理后，金銀花花中的鉛含量在1.55～4.04 mg/kg 之間。

圖2 添加生物炭對金銀花凈光合速率和葉綠素含量的影響

圖3 添加生物炭對金銀花SOD 活性和根系活力的影響

圖4 添加生物炭對金銀花根部鎘與鉛含量的影響

圖5 添加生物炭對金銀花莖部鎘與鉛含量的影響

圖6 添加生物炭對金銀花葉部鎘與鉛含量的影響

圖7 添加生物炭對金銀花花中鎘與鉛含量的影響

3 討論與結論

有研究報道，添加生物炭能增加基質pH 值、CEC 和持水力，降低鎘、鉛和鋅的生物有效性[9-10]。牛糞制生物炭能有效地吸附水中的鉛，吸附鉛的效率遠高于活性炭[11]。可用牛糞制生物炭固持土壤中的鉛，鉛與生物炭中的磷形成難溶性的Pb5(PO4)3(OH)而被固持[12]。添加生物炭顯著提高了土壤pH、CEC和有機質含量，降低了土壤鉛有效態含量，顯著提高大豆產量，降低了大豆對砷和鉛的吸收[13]。經筆者研究發現鎘與鉛污染土壤中添加生物炭能有效降低金銀花根、莖、葉和花對鎘與鉛的積累。添加6%～16%的生物炭時，金銀花根部及莖部的鎘與鉛的含量下降均達顯著水平（P ＜0.05）。添加2%～16%的生物炭時，金銀花葉部和花中的鎘與鉛的含量下降均達顯著水平（P ＜0.05）。添加8%～16%的生物炭時，金銀花花中的鎘含量在0.20～0.37 mg/kg 之間；添加6%～16%的生物炭時，金銀花花中的鉛含量在1.55～4.04 mg/kg 之間。依據《藥用植物及制劑進出口綠色行業標準》鉛含量≤5.0 mg/kg，鎘含量≤0.38 mg/kg 的限量規定[14]，添加8%以上的生物炭能將金銀花花中的鎘與鉛含量降低到安全范圍。

鎘與鉛污染土壤中沒有添加生物炭時，金銀花根、莖、葉和花各器官中的鎘與鉛含量高，2 種重金屬對其造成生物毒害，導致其根系活力、葉綠素和凈光合速率低，SOD 活性高。當污染土壤中添加生物炭之后，金銀花根、莖、葉和花中鎘與鉛含量下降，削弱了重金屬對植物體的毒害作用，使其根系活力、葉綠素和凈光合速率升高，SOD 活性下降。鎘和鉛是毒性強的重金屬元素，植物受到鎘與鉛脅迫時，鎘與鉛會抑制光合酶的活性和葉綠素的合成，降低光合效率，使葉綠素總量和光合作用都呈下降趨勢[15]。植物Bacopa monnieri 經鎘處理后葉綠素總量和蛋白質含量都下降[12]。 基質中重金屬含量高時，植物細胞會受到損害，細胞膜脂發生過氧化而產生MDA，植物體內自由基增加，誘導SOD 等過氧化物酶活性升高[16]。重金屬污染土壤中添加生物炭，生物炭可以吸附固持重金屬，降低重 金屬的生物有效性，減輕重金屬對植物的生物毒性[17]。

綜合考慮，在鎘與鉛污染土壤中添加生物炭能有效減少金銀花根、莖、葉和花各器官對鎘與鉛的積累，并顯著增加金銀花的凈光合速率、葉綠素含量和根系活力，顯著降低其SOD 活性；添加8%以上的生物炭使花朵中的鎘與鉛的含量降低到安全范圍。