鐵基生物炭鈍化Cd大田試驗研究

曾曉舵，劉傳平，孫巖，吳啟堂，王向琴*

1.廣東省科學院生態環境與土壤研究所/華南土壤污染控制與修復國家地方聯合工程研究中心/廣東省農業環境綜合治理重點實驗室，廣東 廣州 510650；2.華南農業大學資源環境學院，廣東 廣州 510642

水稻是人們生活中的一種重要糧食作物，特別是在中國華南地區，水稻基本上是人們生活的必需主食。同時，中國也是世界上最大的稻米生產國，其水稻總產量約占世界總產量的30%。中國水稻的種植主要集中在華南地區。近年來，由于稻田Cd污染引起的環境及健康問題日益突出（Hu et al.，2016），稻田特殊的生境尤其是淹水環境下的稻田則更有利于Cd的遷移和轉化（Inahara et al.，2007），更有利于促進水稻植株對Cd的吸收和累積（Arao et al.，2010）。Cd污染的稻米嚴重威脅著人類的生命和健康，通過日常食用稻米而攝入Cd已經逐漸成為中國及其他亞洲地區 Cd毒害的一個重要來源（Li et al.，2014）。因此，通過鈍化技術對土壤中有效性的Cd進行鈍化對稻田生態系統中Cd的生物地球化學循環具有重要的理論和實際意義。

根據前期盆栽實驗所得結果（曾曉舵，2017），我們可以看出在稻田土壤中添加鐵基生物炭能夠有效地降低稻田土壤生物可利用性Cd和水稻作物體內的Cd含量，從而我們可以得出鐵基生物炭可以吸附稻田Cd，降低土壤Cd污染。在本文的研究中，我們把所制備的生物炭和鐵基生物炭加入到Cd污染的土壤中進行大田試驗，研究鐵基生物炭對Cd在大田土壤-水稻系統遷移的影響以及鐵基生物炭對作物產量的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗點位置

試驗點位于廣東省韶關市仁化縣董塘鎮紅星村，采集該田塊表層土壤（0—20 cm）分析，其土壤 pH 為 5.74，Cd 質量分數為 2.19 mg·kg?1，As質量分數為 32.5 mg·kg?1。該地塊為典型受礦山開采影響的As、Cd復合污染稻田。

1.2 供試作物

水稻，其中2014年早造品種：五優613。晚造品種：五豐優615。

1.3 試驗處理

試驗共設 6個處理，分別是：（1）空白對照（control）；（2）每一季水稻插秧前，一次性施加1500 kg·hm?2的普通生物炭；（3）每一季水稻插秧前，一次性施加 75 kg·hm?2的零價鐵（Fe0）；（4）每一季水稻插秧前，一次性施加1500 kg·hm?2、ω(Fe)=1%的鐵基生物炭(ω(Fe)=1% in Fe-Biochar)；（5）每一季水稻插秧前，一次性施加1500 kg·hm?2、ω(Fe)=3%的鐵基生物炭(ω(Fe)=3% in Fe-Biochar)；（6）每一季水稻插秧前，一次性施加1500 kg·hm?2、ω(Fe)=5%的鐵基生物炭(ω(Fe)=5% in Fe-Biochar)。每個處理3次重復，隨機排列；共 18個試驗小區，每個小區面積為5 m×6 m=30 m2；保證獨立排灌。

2 結果與討論

2.1 水稻產量

如表1、2所示，2014年早造水稻施用不同土壤鈍化調理劑處理后產量均無顯著差異，而晚造除了施用鐵粉處理外，其余各處理水稻產量均顯著高于對照。2014年晚造水稻生物炭、ω(Fe)=1%的鐵基生物炭、ω(Fe)=3%的鐵基生物炭和ω(Fe)=5%的鐵基生物炭處理后分別增產 9.2%、16.6%、11.5%和15.2%；而各土壤鈍化調理劑處理之間水稻產量并無顯著差異。

表1 2014年早造水稻產量統計結果Table 1 Output of early rice among different treatments in 2014

表2 2014年晚造水稻產量統計結果Table 2 Output of late rice among different treatments in 2014

2.2 稻米Cd含量

如圖1、2所示，施加土壤鈍化調理劑處理均可以顯著降低稻米 Cd含量。與對照相比，施加1500 kg·hm?2的普通生物炭、施加 75 kg·hm?2的零價鐵、施加1500 kg·hm?2的ω(Fe)=1%的鐵基生物炭、施加1500 kg·hm?2的ω(Fe)=3%的鐵基生物炭和施加1500 kg·hm?2的ω(Fe)=5%的鐵基生物炭后，2014年早造稻米 Cd質量分數分別由對照的 0.660 mg·kg?1下降到 0.459、0.349、0.412、0.363、0.382 mg·kg?1；其中以施加 75 kg·hm?2的零價鐵處理對稻米Cd降低效果最好，達到47.1%，但和其他土壤鈍化調理劑處理相比并無顯著差異。

圖1 2014年早造水稻各個處理稻米Cd含量Fig.1 Cd contents in early rice grain of different treatments in 2014

圖2 2014年晚造水稻各個處理稻米Cd含量Fig.2 Cd contents in late rice grain of different treatments in 2014

2014年晚造水稻土壤鈍化調理劑處理后，稻米Cd含量也有不同程度的下降；其中施加 1500 kg·hm?2的普通生物炭、施加 75 kg·hm?2的零價鐵施加1500 kg·hm?2的ω(Fe)=3%的鐵基生物炭處理后，稻米Cd質量分數分別由對照的0.296 mg·kg?1，下降到 0.171、0.167、0.192 mg·kg?1，分別下降了42.4%、43.4%和35.2%，差異達到顯著水平。

2.3 鐵基生物碳處理增加鐵膜對Cd的固定

水稻根表鐵膜對Cd在土壤-水稻系統的遷移具有重要意義（Zhang et al.，1999；Liu et al.，2004；Chang et al.，2013；曾曉舵，2017）。

鐵膜的主要成分為鐵（氫）氧化物，可對Cd進行吸附固定，從而抑制Cd進入水稻內部。由我們前期的研究（曾曉舵，2017）可知，施加鐵基生物碳材料之后，水稻根表鐵膜含量增加，其表面固定的Cd含量亦增加，相應地，進入水稻內部尤其是水稻糙米中的Cd發生了明顯的降低效果。在大田實驗中，我們亦測定了水稻根表鐵膜 Fe和 Cd的含量（如圖3、4所示），發現土壤經零價鐵、含鐵量不同的鐵基生物炭鈍化處理后，均可以提高水稻根表鐵膜Fe的含量，其中施加75 kg·hm?2的零價鐵、施加 1500 kg·hm?2的ω(Fe)=3%的鐵基生物炭和施加 1500 kg·hm?2的ω(Fe)=5%的鐵基生物炭后 2014年早造水稻根表鐵膜鐵含量顯著高于對照，與對照相比分別增加29.6%、36.4%和29.7%；而晚造所有處理的水稻根表鐵膜鐵含量均顯著高于對照。

圖3 2014年早造水稻各個處理水稻根表鐵膜鐵含量Fig.3 Fe contents in Fe plaque of early rice root in 2014

圖4 2014年晚造水稻各個處理水稻根表鐵膜鐵含量Fig.4 Fe contents in Fe plaque of late rice root in 2014

如圖5和圖6所示，鐵基材料處理后，水稻根系根表鐵膜固定的Cd的量均有不同程度的增加。其中2014年晚造水稻，施加75 kg·hm?2的零價鐵、施加1500 kg·hm?2的ω(Fe)=1%的鐵基生物炭、施加1500 kg·hm?2的ω(Fe)=3%的鐵基生物炭和施加1500 kg·hm?2的ω(Fe)=5%的鐵基生物炭處理后，水稻根表鐵膜 Cd均顯著高于對照，分別比對照增加了77.4%、71.4%、50.1%、和75.4%。

圖5 2014年早造水稻各個處理水稻根表鐵膜Cd含量Fig.5 Cd contents in Fe plaque of early rice root in 2014

圖6 2014年晚造水稻各個處理水稻根表鐵膜Cd含量Fig.6 Cd contents in Fe plaque of late rice root in 2014

如圖7和圖8所示，水稻根系根表鐵膜的形成有利于Cd的固定，抑制其向籽粒轉運。根表鐵膜鐵含量與其固定的Cd含量均呈顯著正相關關系；而根表鐵膜Fe含量與水稻籽粒Cd含量呈顯著負相關關系，且 2014年早造時達到顯著水平。這一結果說明，零價鐵和含鐵生物炭材料的施加有利于水稻根表鐵膜的形成，從而導致更多的Cd被根表鐵膜固定從而抑制其向地上部以及籽粒轉運。

圖7 早造水稻根表鐵膜Cd、糙米Cd含量根表鐵膜鐵含量的關系Fig.7 Correlation between Cd contents in iron plaque, brown rice and Fe in iron plaque of early rice

圖8 2014年晚造水稻根表鐵膜Cd、糙米Cd含量與根表鐵膜鐵含量的關系Fig.8 Correlations between Cd contents in iron plaque, brown rice and Fe in iron plaque of late rice

3 結論

（1）2014年廣東省韶關市仁化縣大田水稻試驗表明，施用生物炭、鐵粉和鐵基生物炭土壤鈍化調理劑后可增加水稻產量，顯著降低籽粒重金屬 Cd含量。

（2）施用鐵基生物炭可以顯著增加水稻根表鐵膜 Fe含量，同時顯著增加水稻根表鐵膜固定的Cd的量，抑制重金屬Cd向籽粒運輸累積。綜合考慮施用成本以及鈍化效果，對于 Cd污染稻田，建議施用 1500 kg·hm?2、ω(Fe)=3%的鐵基生物炭材料。