竹炭對(duì)鎘污染土壤中玉米生長和鎘積累的影響

查燕， 趙博， 趙琳， 陳淇

(1.杭州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院 農(nóng)作物(生態(tài))研究所， 浙江 杭州 310024； 2.杭州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院 生物技術(shù)研究所， 浙江 杭州 310024；3.浙江農(nóng)林大學(xué) 園藝科學(xué)學(xué)院， 浙江 杭州 311300)

近年來，由于城鎮(zhèn)化和工業(yè)自動(dòng)化的迅猛發(fā)展，重金屬污染問題愈發(fā)嚴(yán)重。農(nóng)田土壤金屬污染是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的最嚴(yán)峻挑戰(zhàn)之一，嚴(yán)重破壞了耕地資源，導(dǎo)致土壤環(huán)境惡化[1]。由2014年《全國土壤污染調(diào)查公報(bào)》結(jié)果可以看出，我國土壤中鎘(Cd)點(diǎn)位超標(biāo)率為7.0%，所有重金屬污染占比最高，說明我國土壤Cd污染問題十分嚴(yán)峻。Chen等[2]研究指出，Cd具有高流動(dòng)性、高毒性和大的流通富集區(qū)等特點(diǎn)，是我國目前最重要的金屬污染物。因此，污染土壤的修復(fù)迫在眉睫，受到國家和社會(huì)的高度關(guān)注。

生物炭是一種富碳材料，由有機(jī)材料在氧氣限制或厭氧條件下熱解而成，具有比表面積大、孔隙結(jié)構(gòu)、生物化學(xué)性能穩(wěn)定及吸附能力強(qiáng)等特點(diǎn)。生物炭是近年來應(yīng)用最廣泛的土壤改良劑之一[3]，在土壤污染修復(fù)和降低作物重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)方面具有巨大潛力[4]。前人研究表明，生物炭固定化Cd的可能機(jī)制主要包括靜電作用、離子交換、化學(xué)沉淀和表面官能團(tuán)絡(luò)合[5-6]，可以大大提高土壤pH和有機(jī)碳含量，降低植物對(duì)Cd的吸收[7-8]。竹炭是近年來發(fā)展起來的一種新型生物質(zhì)(生物炭)吸附材料，它是以竹材熱解制備而成，可替代木質(zhì)活性炭。其表面具有特殊的微孔結(jié)構(gòu)、生物特性和較大的比表面積。竹子是一種快速生長的植物，在中國廣泛分布，竹子生物炭資源豐富[9]。然而，目前有關(guān)竹炭用于土壤重金屬修復(fù)效果研究并不多見，且竹炭對(duì)于土壤的改善機(jī)制仍不明確，需要進(jìn)一步研究。

玉米(ZeamaysL.)作為全世界最主要的經(jīng)濟(jì)和糧食作物，其籽粒中重金屬累積含量需要引起關(guān)注。因此，在鎘污染的土壤中，通過施用竹炭來降低玉米中鎘含量來實(shí)現(xiàn)糧食安全，也有利于實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展。為此，本研究以美玉(加甜糯)7號(hào)為供試作物，通過盆栽試驗(yàn)研究不同比例竹炭(1%、2%和5%竹炭)對(duì)鎘污染土壤中玉米生長、品質(zhì)及籽粒中鎘累積的影響。對(duì)添加不同比例竹炭的土壤理化性質(zhì)、酶活性進(jìn)行相關(guān)性分析，明確竹炭對(duì)鎘污染土壤中玉米生長、品質(zhì)及土壤酶活的影響機(jī)制，以期為竹炭在重金屬污染土壤的改良提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本研究以美玉(甜加糯)7號(hào)為材料，試驗(yàn)區(qū)位于杭州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院之江基地的溫室大棚(30°09′19″N，120°05′18″E)。試驗(yàn)區(qū)位于中國東南沿海北部，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，雨量充沛。全年平均氣溫為17.8 ℃，平均相對(duì)濕度為70.3%，年降水量為1 454 mm，年日照時(shí)數(shù)1 765 h。供試土壤采自建德市乾潭鎮(zhèn)王巖村礦山地0～20 cm耕作層的土壤。在采集區(qū)域按“S”型布設(shè)5個(gè)采樣點(diǎn)，采樣表層0～20 cm土壤，將土壤樣品進(jìn)行自然風(fēng)干、混勻，過5 mm土壤篩備用。經(jīng)測試分析，供試土壤鎘含量為4.15 mg·kg-1，土壤質(zhì)地為砂壤土，pH為5.23，有機(jī)質(zhì)含量為43.4 g·kg-1，速效磷含量為64.5 mg·kg-1，速效鉀含量為164 mg·kg-1，全氮含量為0.226 g·kg-1、全磷含量為0.74 g·kg-1、全鉀含量為5.83 g·kg-1。供試竹炭購自河南立澤環(huán)保科技公司，為700 ℃碳化的竹炭，pH值為9.16，有機(jī)碳含量為634.15 g·kg-1，全氮含量為7.74 g·kg-1，全磷含量為1.58 g·kg-1，全鉀含量為9.24 g·kg-1，鎘含量為0.03 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)開始于2020年7月，共設(shè)4個(gè)處理：不添加生物炭(CK)；施入1%竹炭(T1)；施入2%竹炭(T2)；施入5%竹炭(T3)，每個(gè)處理設(shè)9個(gè)重復(fù)。試驗(yàn)前，栽培盆裝入20 kg風(fēng)干過篩后的土壤。隨后加入相應(yīng)添加量的竹炭與土壤充分混勻，共預(yù)處理36盆。每盆種植1株。供試肥料為尿素(N 46%)、重過磷酸鈣(P2O546%)和硫酸鉀(K2O 50%)。栽培管理和施肥措施與正常生產(chǎn)一致。

1.3 樣品采集與測定方法

1.3.1 樣品采集方法

玉米植株在土壤中播種75 d后收獲，測定玉米地上和地下生物量，測定玉米根、莖、葉、棒各部分質(zhì)量。用清水沖洗玉米棒，用干凈的吸水紙將植株根部表面擦干凈，放置于自封袋中，存放于-4 ℃冰箱用于后續(xù)鎘含量及相關(guān)品質(zhì)指標(biāo)測定。測定植株的株高、穗長、穗粗、穗位高和單穗質(zhì)量。土壤經(jīng)自然風(fēng)干、研磨過篩后，存于-4 ℃冰箱用于后續(xù)土壤理化性質(zhì)和酶活測定。

1.3.2 植株生長量測定

用卷尺測定玉米株高、穗長和穗位高，用數(shù)字游標(biāo)卡尺測穗粗，用萬分之一天平測單穗質(zhì)量。

1.3.3 玉米品質(zhì)測定

參照陳剛等[10]《植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)》進(jìn)行測定，維生素C(VC)含量采用2,6-二氯靛酚滴定法測定；可溶性蛋白含量用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法測定；可溶性糖含量用蒽酮比色法測定。采用改良雙波長法測定淀粉含量。

1.3.4 鎘含量測定

玉米根、莖、籽粒及土壤中鎘含量采用濕法(HNO3-HClO4)消解，原子吸收光度計(jì)ICE-3000測定。

1.3.5 土壤酶活測定

脲酶活性采用苯酚鈉一次氯酸鈉比色法測定，以1 g土24 h后產(chǎn)生的NH3-N量表示；蔗糖酶和纖維素酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定，以1 g土在24 h和72 h后產(chǎn)生的葡萄糖量表示；過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理分析應(yīng)用 SPSS 19.0 軟件，計(jì)量采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示。為驗(yàn)證不同量竹炭處理下玉米生長的差異，對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行了單因素方差分析(one-way，ANOVA)，并采用了最小顯著性差異法(least significant difference，LSD，P<0.05)進(jìn)行檢驗(yàn)。采用Origin9.0對(duì)分析結(jié)果做圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 竹炭對(duì)玉米生長的影響

由表1可知，T3處理的玉米株高顯著高于CK，提高了16.5%，但T1、T2和T3處理間未達(dá)到顯著差異(P>0.05)。T2和T3處理的玉米穗長均顯著高于CK和T1處理，與CK處理相比，T2和T3處理的穗長顯著提高了33.03%和28.92%，但CK和T1處理無顯著差異。添加竹炭對(duì)玉米穗粗、穗位高和單穗質(zhì)量均有顯著的提升作用，T1，T2和T3處理的穗粗、穗位高和單穗質(zhì)量均顯著高于CK處理(P<0.05)，其中T2處理提升效果最好。與CK處理相比，T2處理穗粗、穗位高和單穗質(zhì)量提高54.07%、38.18%和43.81%。

表1 不同處理對(duì)玉米生長的影響

2.2 竹炭對(duì)玉米品質(zhì)的影響

由表2可知，T3和T2處理的玉米鮮籽粒含水率顯著高于CK和T1處理，分別較CK提高了6.95和11.31百分點(diǎn)，但T1和CK間未達(dá)到顯著差異。T2和T3處理的蔗糖含量和可溶性糖含量均顯著高于CK和T1處理，其中T2處理的蔗糖含量和可溶性糖含量的提升效果最好，分別較CK提升了3.22和7.35百分點(diǎn)。添加竹炭對(duì)玉米對(duì)VC含量有顯著的提升效果，T1、T2和T3處理的籽粒中VC含量顯著提高了43.69%、57.74%和48.89%、總體上，添加竹炭對(duì)玉米淀粉含量無顯著影響。

表2 不同處理對(duì)玉米品質(zhì)的影響

2.3 竹炭對(duì)玉米鎘吸收的影響

在苗期T2和T3處理的玉米地上部鎘含量顯著低于CK和T1處理(圖1)。與CK處理相比，T2和T3處理的玉米地上鎘含量分別降低了11.72%和14.48%，但T2和T3處理無顯著差異。在玉米拔節(jié)期和成熟期，T1、T2和T3處理的地上部鎘含量均與CK處理達(dá)到顯著差異，其中T3處理的地上部鎘含量的降低效果最好。在拔節(jié)期和成熟期，與CK處理相比，T3處理的地上部鎘含量分別顯著降低了33.81%和44.90%。由此可知，在玉米整個(gè)生長期內(nèi)，添加竹炭能夠有效降低玉米地上部鎘含量，其中T2處理對(duì)玉米地上部鎘含量降低效果最為顯著。

同生長期柱上無相同小寫字母表示組間差異顯著(P<0.05)。圖2同。圖1 不同處理對(duì)玉米鎘累積的影響

在玉米整個(gè)生長期內(nèi)，T1、T2和T3處理的玉米地下部鎘含量均顯著低于CK處理(圖1)。其中在苗期和拔節(jié)期，T1和T3處理的玉米地下部鎘含量無顯著差異。與CK處理相比，T3處理的玉米地下部鎘含量分別顯著降低了55.04%和41.47%。在玉米成熟期，與CK相比，T1、T2和T3處理的玉米地下部鎘含量分別顯著降低了23.51%、38.50%和44.70%。由此可知，添加竹炭能夠顯著降低玉米地下部鎘含量，且在玉米成熟期，不同竹炭處理對(duì)地下部鎘含量的降低效果最為顯著。

玉米籽粒作為重要的可食部分，其重金屬含量與人類健康密切相關(guān)。通過添加不同處理的竹炭可知(圖1)，T1、T2和T3處理的玉米籽粒鎘含量均顯著低于CK處理，與CK處理相比，T3處理的玉米籽粒鎘含量顯著降低了53.97%。綜上所示，添加竹炭能夠有效降低玉米籽粒中鎘含量，且以T2處理的玉米籽粒含量降低效果最為顯著。

2.4 竹炭對(duì)玉米生理指標(biāo)的影響

由表3可知，T1、T2和T3處理的玉米葉片凈光合速率與CK處理均達(dá)到顯著差異，且T2處理的葉片凈光合速率達(dá)到最大值，較CK處理提升了23.63%。T1和T2處理的玉米葉片氣孔導(dǎo)度與CK處理均達(dá)到顯著差異，T3處理與CK處理無顯著差異。與CK處理相比，T1和T2處理的氣孔導(dǎo)度分別上升了14.87%和27.90%。T1、T2和T3處理的玉米葉片葉綠素a和葉綠素b均與CK處理達(dá)到顯著差異，與CK相比，T1、T2和T3處理的玉米葉片葉綠素a分別增加了33.18%、39.25%和52.34%，T1、T2和T3處理的玉米葉片葉綠素b分別增加了22.83%、40.16%和37.00%。綜上所述，添加竹炭有利于玉米葉綠素含量增加，進(jìn)而促進(jìn)了光合產(chǎn)物向籽粒的運(yùn)輸，因此，有利于提高玉米品質(zhì)。

表3 竹炭對(duì)玉米生理指標(biāo)的影響

2.5 竹炭對(duì)土壤酶活特性的影響

在玉米的整個(gè)生育期內(nèi)，T1、T2和T3處理的土壤脲酶活性與CK處理均達(dá)到顯著差異。在苗期，T2處理的脲酶活性達(dá)到最大值(圖2)。與CK處理相比，T2處理的脲酶活性提升了78.20%。在拔節(jié)期，T1、T2和T3處理的土壤脲酶活性之間無顯著差異。在成熟期，T1和T2處理的土壤酶尿活性均顯著高于T1處理，但T2和T3處理的土壤脲酶活性之間無顯著差異。在玉米的整個(gè)生育期內(nèi)，T1、T2和T3處理的土壤過氧化氫酶活性與CK處理均達(dá)到顯著差異，但T2和T3處理的過氧化物酶活性之間無顯著差異(圖2)。T2處理的過氧化氫酶活性達(dá)到最大值。與CK處理相比，不同生育期T2處理的脲酶活性分別提升了223.96%、83.28%和67.04%。在玉米的整個(gè)生育期內(nèi)，T1、T2和T3處理的土壤蔗糖酶活性與CK處理均達(dá)到顯著差異。在苗期和成熟期，T1和T3處理的蔗糖酶活性之間無顯著差異(圖2)。在玉米的整個(gè)生育期內(nèi)，T1、T2和T3處理的土壤纖維素酶活性與CK處理均達(dá)到顯著差異，T1和T3處理的纖維素酶活性之間無顯著差異。在拔節(jié)期，T2處理的纖維素酶活性達(dá)到最大值。與CK處理相比，T2處理的纖維素酶活性提升了42.92%(圖2)。

圖2 不同處理對(duì)土壤酶活性的影響

3 討論

研究表明，添加適量的生物炭可以促進(jìn)植物生長[11]。T2處理明顯有利于玉米株高、穗長、穗粗、穗位高和單穗質(zhì)量提升。然而，有研究發(fā)現(xiàn),在高pH或很高的施用量下，生物炭的堿性會(huì)導(dǎo)致土壤養(yǎng)分有效性的降低，從而抑制植物生長和減產(chǎn)。例如在大豆田間試驗(yàn)中，施加15 t·hm-2的火山灰會(huì)降低大豆的產(chǎn)量[12]。李昌見等[13]報(bào)道40 t·hm-2的生物炭施用使番茄增產(chǎn)51.6%，而60 t·hm-2生物炭的施用量僅增產(chǎn)49.6%，說明過高的生物炭施加量可能會(huì)降低番茄產(chǎn)量。在本試驗(yàn)中5%的竹炭施用量對(duì)促進(jìn)玉米生長的效果低于2%的竹炭施用量，但并未抑制玉米生長，說明在該范圍施用量下不會(huì)導(dǎo)致土壤養(yǎng)分有效性的降低。究其原因，可能是與竹炭的復(fù)雜孔隙能夠有效固定土壤中的鎘[14]，進(jìn)而減少了鎘對(duì)玉米的脅迫作用。此外，本研究表明向土壤施入2%和5%的竹炭顯著增加了玉米鮮籽粒含水率、蔗糖、可溶糖和VC含量，這可能是因?yàn)槭┤肷锾吭黾恿巳~綠素含量，進(jìn)而促進(jìn)了光合產(chǎn)物向籽粒的運(yùn)輸，有利于提高植株對(duì)營養(yǎng)元素的利用效率，從而提高了玉米品質(zhì)。

酶活性是衡量土壤質(zhì)量和肥力的重要指標(biāo)之一，對(duì)植物生長起重要作用[15]。本研究表明，CK處理的玉米地土壤中脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶和纖維素酶活性均顯著降低，而添加竹炭后能夠有效提升各種酶活性，從而有效降低了鎘對(duì)酶活性的抑制作用。研究表明，生物炭通過自身較強(qiáng)的吸附性能和多孔結(jié)構(gòu)，可以吸附酶促反應(yīng)底物，為土壤酶提供更多的結(jié)合位點(diǎn)，進(jìn)而提高土壤酶活性[16]。Tu等[17]研究表明，1%生物炭能夠明顯提高脲酶和過氧化氫酶活性，而5%生物炭則使酶活性降低。王豪吉等[18]的研究表明，與1%生物炭相比，3%生物炭顯著提高了土壤酶活性。在本研究中，施用竹炭對(duì)土壤酶活性起到了促進(jìn)作用，其中2%竹炭處理的土壤酶活性提高效果最為顯著。

4 小結(jié)

添加竹炭有助于玉米生長，提高了玉米葉綠素a、b含量，有利于光合產(chǎn)物向籽粒的運(yùn)輸，提高植株對(duì)營養(yǎng)元素的利用效率，從而提高了玉米籽粒中蔗糖、可溶性糖和VC含量。

添加竹炭顯著提高了土壤中脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶和纖維素酶的活性，能夠起到改善土壤生態(tài)環(huán)境的作用。

添加竹炭能夠固定土壤中的鎘，抑制了玉米對(duì)鎘的吸收。其中，2%竹炭處理中玉米地上部、地下部和籽粒中鎘含量降低效果顯著。綜上所述，施用2%竹炭對(duì)玉米生長及土壤改良的效果最為顯著。