生物炭對砷污染土壤中青稞生長及砷積累的影響

潘崇雙

(西藏自治區農牧科學院農業質量標準與檢測研究所/西藏自治區農畜產品工程技術研究中心，西藏 拉薩 850032)

2014年公布的《全國土壤污染調查公報》顯示，砷(As)、鎘(Cd)和鉛(Pb)是中國農業土壤中廣泛分布的污染物[1，2]。土壤砷污染不僅對動物、植物的生長、代謝、發育有很強的危害，而且經過食物鏈的傳遞，土壤中的砷被植物吸收，最終進入人體并長期累積，嚴重威脅或損害了人類的健康。土壤中砷污染的主要來源包括金屬含砷礦物的開采和冶煉、化石燃料的燃燒、使用含砷化學制品和農藥、排放木材防腐和非法傾倒工業廢水等[3，4]。土壤砷污染具有隱蔽性、長期性和不可逆性等特點，因此土壤一旦遭受砷污染，其治理難度大且周期長。據統計，中國土壤中砷濃度的平均值為11.2mg·kg-1，約為世界平均值(6mg·kg-1)的2倍[5]。為降低土壤砷污染帶來的危害，保障土壤生態安全和人民身體健康，需要深入研究砷污染土壤的修復技術。

生物炭指生物質原料在缺氧或無氧條件下熱裂解得到的一類含碳的、穩定的、高度芳香化的固態物質，具有保持土壤肥力、固碳、去除金屬污染物等優良特性[6]。生物炭作為重金屬砷污染土壤的潛在修復劑因其高孔隙率和比表面積、富含各種官能團而受到廣泛關注[7]。大量研究發現[8-11]，生物炭可以通過吸附、沉淀、絡合等其他物理化學機制來降低重金屬的生物利用度和生物積累，同時由于降低植物毒性和改善土壤理化特性而保持甚至提高作物產量。此外，采用成本低、較易獲得且可循環利用的植物原材料熱解產生的生物炭作為改良劑，在綠色、環保的基礎上實現綠色廢棄物的最大增值效益[14-17]。

青稞是藏區主要農作物，其重金屬富集直接影響人類身體健康，因而降低重金屬在土壤-青稞系統富集的研究具有重要意義。本項目以生物炭為試驗材料，利用盆栽試驗研究生物炭對砷污染土壤中青稞生長及對青稞各部位砷積累的影響，為農田土壤中重金屬砷的防控修復提供理論和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

秸稈生物炭，購自河南立澤環保科技有限公司。

1.2 供試土壤

以外源性砷(砷酸鈉)添加的形式分別制備了砷含量為0mg·kg-1、25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1砷污染土壤，分別記為T0、T1、T2、T3。4種砷污染土壤在自然條件下鈍化2周后備用。

1.3 供試品種

供試青稞品種選用“藏青2000”。挑選籽粒飽滿均勻且無明顯損失的種子在10%次氯酸鈉中消毒30min，沖洗干凈后在蒸餾水中浸泡12h后備用。

1.4 試驗設計

試驗采用盆栽試驗。分別向聚乙烯(PP)塑料桶(內徑25cm、桶高28cm)加入供試土壤10kg，分層填壓至桶高28cm處，整平、濕潤，室外淹水1個月，土層下沉至桶高25cm處直至土壤穩定緊實。每個水平分別加入秸稈生物碳攪拌均勻，其添加量為3%(w/w)，記為BC；以不加入生物炭的處理為對照，記為CK。加入底肥磷酸氫銨0.1620g·pot-1、尿素0.3919g·pot-1和氯化鉀0.1667g·pot-1，攪拌均勻(所有處理均施用的氮磷鉀含量為N=20.94mg·kg-1、P2O5=7.45mg·kg-1、K2O=10.00mg·kg-1)。

青稞于2023年4月30日播種，每盆種植15顆青稞種子，待生長至苗期后期進行間苗，保持10株/盆至青稞成熟。分別于青稞的苗期、抽穗期采集青稞根部和葉部樣品，使用自來水清洗干凈后，再使用去離子水清洗3次，而后置于烘箱60℃烘干至恒重后備用。青稞成熟時，分別采集穗、葉片、莖和根，使用自來水清洗干凈后，再使用去離子水清洗3次，而后置于烘箱60℃烘干至恒重。取籽粒、穎殼、葉片、莖和根部分樣品粉碎，測定總砷含量。

1.5 檢測方法

青稞中總砷采用微波消解-原子熒光光譜法測定。

1.6 數據處理

本文所有數據均采用Excel、SPSS 23.0辦公軟件進行統計和單因素方差分析，顯著性水平p=0.05，不同處理組之間的顯著差異用不同字母a、b等表示，并用Origin 2019b進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 生物炭對砷污染土壤中青稞生長的影響

由表1可知，不同砷污染土壤對青稞產量影響顯著，土壤砷污染濃度為0mg·kg-1、25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1下，生物量從大到小依次為0mg·kg-1>25mg·kg-1>50mg·kg-1>75mg·kg-1；籽粒產量從大到小依次為0mg·kg-1>25mg·kg-1>50mg·kg-1>75mg·kg-1。在T0處理下，生物炭的添加顯著增加了籽粒產量(增產10.93%)，但對株高、分蘗數、單株有效穗數、千粒重和生物量差異不顯著。在T1處理下，生物炭的添加顯著增加了株高、單株有效穗數、千粒重和籽粒產量，分別增加了23.39%、89.20%、23.40%和10.65%，但對分蘗數和生物量差異不顯著。在T2處理下，生物炭的添加顯著增加了株高、單株有效穗數、千粒重、生物量和籽粒產量，分別增加了42.12%、64.67%、39.65%、56.73和80.65%，但對分蘗數差異不顯著。在T3處理下，生物炭的添加顯著增加了株高、單株有效穗數、千粒重和籽粒產量，分別增加了35.49%、170.39%、22.79%和114.89%，但對分蘗數和生物量差異不顯著。在不同砷污染土壤處理下，生物炭的添加能夠提高株高、增加單株有效穗數和千粒重，起到一定增產作用，且增產效果隨著砷污染濃度的增加而增加。這也與馬創業[16，17]等通過添加生物炭促進水稻株高增加從而提高產量的研究結論一致。

表1 生物炭對青稞生長的影響

2.2 生物炭對不同生育期青稞各部位砷濃度的影響

2.2.1 生物炭對苗期青稞各部位砷濃度的影響

由圖1a可知，不同砷污染土壤對青稞苗期根部砷含量影響顯著，土壤砷污染濃度為0mg·kg-1、25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1下，青稞苗期根部砷含量從小到大依次為0mg·kg-1<25mg·kg-1<50mg·kg-1<75mg·kg-1。T0處理下，生物炭添加沒有顯著影響青稞苗期根部總砷濃度；當土壤砷污染濃度為25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1時，即T1、T2、T3處理，生物炭的添加能夠顯著降低青稞苗期根部總砷濃度。土壤砷污染濃度為25mg·kg-1時，BC處理苗期青稞根部總砷濃度為312.66±3.73mg·kg-1，與對照組442.35±1.79mg·kg-1相比，降低了29.32%；土壤砷污染濃度為50mg·kg-1時，BC處理苗期青稞根部總砷濃度為334.80±5.14mg·kg-1，與對照組469.82±0.93mg·kg-1相比，降低了28.74%；土壤砷污染濃度為75mg·kg-1時，BC處理苗期青稞根部總砷濃度為536.12±1.07mg·kg-1，與對照組811.29±22.96mg·kg-1相比，降低了33.92%。

圖1 生物炭對青稞苗期各部位砷含量的影響(p<0.05)

由圖1b可知，不同砷污染土壤對青稞苗期葉部砷含量影響顯著，土壤砷污染濃度為0mg·kg-1、25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1下，青稞苗期葉部砷含量從小到大依次為0mg·kg-1<25mg·kg-1<50mg·kg-1<75mg·kg-1。T0、T1處理下，生物炭添加沒有顯著影響青稞苗期葉部總砷濃度；土壤砷污染濃度為50mg·kg-1、75mg·kg-1時，即T2、T3處理，生物炭的添加反而顯著增加青稞苗期葉部總砷濃度。土壤砷污染濃度為50mg·kg-1時，BC處理苗期青稞葉部總砷濃度為15.45±0.87mg·kg-1，與對照組12.46±1.01mg·kg-1相比，增加了23.94%；土壤砷污染濃度為75mg·kg-1時，BC處理苗期青稞葉部總砷濃度為22.04±0.58mg·kg-1，與對照組17.68±0.31mg·kg-1相比，增加了34.68%。

2.2.2 生物炭對拔節期青稞各部位砷濃度的影響

由圖2a可知，不同砷污染土壤對青稞拔節期根部砷含量影響顯著，土壤砷污染濃度為0mg·kg-1、25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1下，青稞拔節期根部砷含量從小到大依次為0mg·kg-1<25mg·kg-1<50mg·kg-1<75mg·kg-1。T0處理下，生物炭添加沒有顯著影響青稞拔節期根部總砷濃度；在土壤砷污染濃度為25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1時，即T1、T2、T3處理，生物炭的添加能夠顯著降低青稞根部總砷濃度。土壤砷污染濃度為25mg·kg-1時，BC處理青稞拔節期根部總砷濃度為160.29±24.68mg·kg-1，與對照組245.92±4.82mg·kg-1相比，降低了34.82%；土壤砷污染濃度為50mg·kg-1時，BC處理青稞拔節期根部總砷濃度為305.62±2.32mg·kg-1，與對照組317.77±1.66mg·kg-1相比，降低了3.82%；土壤砷污染濃度為75mg·kg-1時，BC處理青稞拔節期根部總砷濃度為475.68±8.25mg·kg-1，與對照組541.87±1.34mg·kg-1相比，降低了12.22%。

圖2 生物炭對青稞拔節期各部位砷含量的影響(p<0.05)

由圖2b可知，不同砷污染土壤對青稞拔節期葉部砷含量影響顯著，土壤砷污染濃度為0mg·kg-1、25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1下，青稞拔節期葉部砷含量從小到大依次為0mg·kg-1<50mg·kg-1<25mg·kg-1<75mg·kg-1。T0處理下，生物炭添加沒有顯著影響青稞拔節期葉部總砷濃度；在土壤砷污染濃度為25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1時，即T1、T2、T3處理，生物炭的添加顯著降低青稞拔節期葉部總砷濃度。土壤砷污染濃度為25mg·kg-1時，BC處理青稞拔節期葉部總砷濃度為12.21±0.33mg·kg-1，與對照組25.57±2.22mg·kg-1相比，降低了52.23%；土壤砷污染濃度為50mg·kg-1時，BC處理青稞拔節期葉部總砷濃度為13.53±0.60mg·kg-1，與對照組18.73±0.47mg·kg-1相比，降低了27.76%；土壤砷污染濃度為75mg·kg-1時，BC處理青稞拔節期葉部總砷濃度為23.12±0.81mg·kg-1，與對照組42.89±1.11mg·kg-1相比，降低了46.09%。

2.2.3 生物炭對成熟期青稞各部位砷濃度的影響

由圖3a可知，不同砷污染土壤對青稞成熟期根部砷含量影響顯著，土壤砷污染濃度為0mg·kg-1、25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1下，青稞成熟期根部砷含量從小到大依次為0mg·kg-1<25mg·kg-1<50mg·kg-1<75mg·kg-1。T0、T1處理下，即土壤砷污染濃度為0mg·kg-1、25mg·kg-1時，生物炭添加沒有顯著影響青稞成熟期根部總砷濃度；T2、T3處理下，即土壤砷污染濃度為50mg·kg-1、75mg·kg-1時，生物炭的添加能夠顯著降低青稞成熟期根部總砷濃度。土壤砷污染濃度為50mg·kg-1時，BC處理青稞成熟期根部總砷濃度為97.36±0.95mg·kg-1，與對照組104.56±1.94mg·kg-1相比，降低了6.88%；土壤砷污染濃度為75mg·kg-1時，BC處理青稞成熟期根部總砷濃度為200.47±1.42mg·kg-1，與對照組208.20±3.65mg·kg-1相比，降低了3.72%。

圖3 生物炭對青稞成熟期各部位砷含量的影響(p<0.05)

由圖3b可知，當土壤砷污染濃度為0mg·kg-1、25mg·kg-1時，砷污染土壤對青稞成熟期莖部砷含量影響顯著，砷含量從小到大依次為0mg·kg-1<25mg·kg-1；當土壤砷污染濃度為50mg·kg-1、75mg·kg-1時，砷污染土壤對青稞成熟期莖部砷含量影響不顯著。在T0、T2、T3處理下，即土壤砷污染濃度為0mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1時，生物炭添加沒有顯著影響青稞成熟期莖部總砷濃度；在T1處理下，即土壤砷污染濃度為25mg·kg-1時，生物炭的添加能夠顯著降低青稞成熟期莖部總砷濃度。土壤砷污染濃度為25mg·kg-1時，BC處理青稞成熟期莖部總砷濃度為6.41±0.26mg·kg-1，與對照組8.89±0.50mg·kg-1相比，降低了27.87%。

由圖3c可知，不同砷污染土壤對青稞成熟期葉部砷含量影響顯著，土壤砷污染濃度為0mg·kg-1、25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1下，青稞成熟期葉部砷含量從小到大依次為0mg·kg-1<25mg·kg-1<50mg·kg-1<75mg·kg-1。在T0、T1處理下，即土壤砷污染濃度為0mg·kg-1、25mg·kg-1時，生物炭添加沒有顯著影響青稞成熟期葉部總砷濃度；在T2、T3處理下，土壤砷污染濃度為50mg·kg-1、75mg·kg-1時，生物炭的添加能夠顯著降低青稞成熟期葉部總砷濃度。土壤砷污染濃度為50mg·kg-1時，BC處理青稞成熟期葉部總砷濃度為27.49±3.50mg·kg-1，與對照組28.84±2.19mg·kg-1相比，降低了4.69%；土壤砷污染濃度為75mg·kg-1時，BC處理青稞成熟期葉部總砷濃度為31.22±1.01mg·kg-1，與對照組34.94±1.78mg·kg-1相比，降低了10.63%。

由圖3d可知，不同砷污染土壤對青稞成熟期穎殼砷含量影響顯著，土壤砷污染濃度為0mg·kg-1、25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1下，青稞成熟期穎殼砷含量從小到大依次為0mg·kg-1<25mg·kg-1<50mg·kg-1<75mg·kg-1。在T0、T1、T2處理下，即土壤砷污染濃度為0mg·kg-1、25mg·kg-1、50mg·kg-1時，生物炭添加沒有顯著影響青稞成熟期穎殼總砷濃度；在T3處理下，即土壤砷污染濃度為75mg·kg-1時，生物炭的添加能夠顯著降低青稞成熟期穎殼總砷濃度。土壤砷污染濃度為75mg·kg-1時，BC處理青稞成熟期穎殼總砷濃度為9.51±0.83mg·kg-1，與對照組11.14±0.44mg·kg-1相比，降低了14.61%。

由圖3e可知，不同砷污染土壤對青稞成熟期籽粒砷含量影響顯著，土壤砷污染濃度為0mg·kg-1、25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1下，青稞成熟期籽粒砷含量從小到大依次為0mg·kg-1<25mg·kg-1<50mg·kg-1<75mg·kg-1。在T0、T1、T2、T3處理下，即土壤砷污染濃度為0mg·kg-1、25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1時，生物炭添加沒有顯著影響成熟期籽粒總砷濃度。土壤砷污染濃度為25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1時，BC處理和CK處理的青稞籽粒的As濃度均超過《食品中污染物限量》的標準值(0.50mg·kg-1)，且青稞籽粒砷濃度隨著土壤砷污染濃度的增加而增加。

3 結論

通過盆栽試驗，研究生物炭對砷污染土壤中青稞生長及對青稞各部位砷積累的影響，主要結論如下。

添加質量分數為3%的生物炭能夠促進25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1砷污染土壤中青稞生長，通過提高株高、增加單株有效穗數和千粒重起到一定增產作用，且增產效果隨著砷污染濃度的增加而增加。

不同砷污染土壤對青稞砷含量影響顯著，從大到小依次為75mg·kg-1>50mg·kg-1>25mg·kg-1>0mg·kg-1。青稞各部位積累砷能力也不同，依次為根>葉>莖>穎殼>籽粒。

添加質量分數為3%的生物炭能夠顯著降低25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1砷污染土壤中青稞苗期根部砷濃度、拔節期根部和葉部砷濃度以及成熟期根部和葉部砷濃度；但當土壤砷污染濃度為50mg·kg-1、75mg·kg-1時，生物炭的添加反而顯著增加青稞苗期葉部總砷濃度。

添加質量分數為3%的生物炭對青稞籽粒砷濃度影響不顯著。土壤砷污染濃度為0mg·kg-1、25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1時，生物炭添加沒有顯著降低青稞成熟期籽粒總砷濃度。當外源性砷添加量≥25mg·kg-1時，青稞籽粒的As濃度超過《食品中污染物限量》的標準值(0.50mg·kg-1)，且青稞籽粒砷濃度隨著土壤砷污染濃度的增加而增加。故在農業生產中，應用生物炭防控砷污染應該積極探索更為合適的生物炭防控材料及其復合改良材料用于土壤砷污修復。