肖瑞芳，沈普翠，趙秀蘭*

（1.西南大學資源環(huán)境學院，教育部三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境重點實驗室，重慶 400715；2.重慶市農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究重點實驗室，重慶 400716；3.重慶市石柱縣農(nóng)業(yè)委員會，重慶石柱 409100）

三種生物質(zhì)炭對紅壤和黃壤鎘有效性的影響

肖瑞芳1，2，沈普翠3，趙秀蘭1，2*

（1.西南大學資源環(huán)境學院，教育部三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境重點實驗室，重慶 400715；2.重慶市農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究重點實驗室，重慶 400716；3.重慶市石柱縣農(nóng)業(yè)委員會，重慶石柱 409100）

采用盆栽試驗，研究了5%的花生殼炭、竹炭和小麥秸稈炭對紅壤和黃壤中有效鎘含量及玉米幼苗鎘吸收和轉(zhuǎn)運的影響。結(jié)果表明：3種生物質(zhì)炭使紅壤和黃壤的pH分別提高0.12～0.59和0.21～1.00，有機質(zhì)含量分別提高35.43%～83.34%和52.14%～142.82%，均達到顯著性水平（P＜0.05）；生物質(zhì)炭使紅壤和黃壤有效鎘含量分別降低12.8%～20.1%和17.7%～29.9%，降幅在紅壤中以花生殼炭處理最大，黃壤中則以小麥秸稈炭處理最大，但兩種土壤中花生殼炭、小麥秸稈炭處理有效鎘含量差異不顯著；3種生物質(zhì)炭一定程度上可抑制紅壤中玉米的生長，但花生殼炭和竹炭可促進黃壤中玉米幼苗的生長；花生殼炭和竹炭使紅壤中玉米幼苗地上部鎘含量分別降低19.63%和23.10%，竹炭使黃壤中玉米幼苗根部鎘含量提高14.88%，其余處理對玉米幼苗根部和地上部的鎘含量影響均不顯著。這說明盡管生物質(zhì)炭可通過提高土壤pH和有機質(zhì)含量降低紅壤和黃壤的有效鎘含量，但對植物鎘含量的影響則因土壤類型和生物質(zhì)炭種類而異。

生物質(zhì)炭；鎘；生物有效性

工業(yè)“三廢”的排放、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等活動造成的土壤重金屬污染問題日益嚴重[1]。2014年公布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》表明，我國土壤環(huán)境狀況不容樂觀，部分地區(qū)土壤污染較重，耕地土壤環(huán)境質(zhì)量堪憂，無機污染物超標點位數(shù)占全部超標點位的82.8%，其中鎘（Cd）的點位超標率高達7%[2]，對鎘污染土壤的修復治理十分迫切。

生物質(zhì)炭是生物質(zhì)在有限供氧的密閉環(huán)境中于相對較低的溫度條件下（＜700℃）熱解生成的一類富含碳素的固態(tài)物質(zhì)[3]。因其具有來源廣泛、比表面積大、孔隙豐富、pH及陽離子交換量高、吸附性和穩(wěn)定性強等獨特的理化性質(zhì)，在重金屬污染農(nóng)田原位修復中具有較大的應用潛力和前景，成為近年來重金屬污染土壤領(lǐng)域的研究熱點之一[3-6]。但是，受生物質(zhì)炭的性質(zhì)和施用量、土壤性質(zhì)及肥力、重金屬種類等多方面因素的影響，關(guān)于生物質(zhì)炭修復重金屬污染土壤效果的研究結(jié)果并不一致，國內(nèi)外對生物質(zhì)炭的廣泛應用尚存在爭議，必須根據(jù)土壤條件和重金屬類型選擇合適的生物質(zhì)炭，才能獲得較好的修復效果[7]。紅壤和黃壤是我國重要的土壤資源，本研究采用盆栽試驗，研究了花生殼炭、竹炭和小麥秸稈炭對兩種土壤有效鎘含量、玉米幼苗生長及玉米對鎘吸收和轉(zhuǎn)運的影響，為合理選用生物質(zhì)炭，修復治理這兩種土壤的鎘污染提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤為紅壤和黃壤，采自云南昭通0～20 cm表層旱地土壤，將土壤自然風干，粉碎過2mm篩，待用。花生殼炭、竹炭和小麥秸稈炭購自某公司，炭化溫度為450～500℃，土壤及生物質(zhì)炭基本理化性質(zhì)見表1。

供試植物為玉米（ZeaMays L.），品種東單3號。

1.2 試驗設計

盆栽試驗在西南大學溫室進行。施加尿素0.33 g·kg-1、磷酸二氫鉀0.52 g·kg-1作為基肥。設對照（CK，不加生物炭）、花生殼炭、竹炭和小麥秸稈炭4個處理，每處理3個重復。生物質(zhì)炭的添加量根據(jù)前期靜態(tài)培養(yǎng)實驗中土壤性質(zhì)變化與吸附解吸結(jié)果確定為5%（W/W）。稱取土壤1.0 kg，以CdCl2·2.5H2O溶液形式添加鎘，添加濃度為3mg·kg-1，混勻，將基肥和生物質(zhì)炭一次性加入土壤，調(diào)節(jié)含水量至田間持水量的60%～70%，再次混勻，裝入高19 cm、口徑21 cm的塑料盆內(nèi)陳化1周。每盆播種玉米4粒，三葉期留下長勢一致的苗2株，定期補充去離子水以保持水分含量。生長1個月后測量玉米株高，取樣，分成根和地上部，用去離子水洗凈，于105℃殺青、60℃烘干，稱量根部和地上部干重，粉碎備用。試驗結(jié)束時取出土壤樣品，風干、磨細，分別過2mm和0.25mm篩備用。

1.3 分析方法

土壤及生物質(zhì)炭基本理化性質(zhì)測定參照《土壤農(nóng)化分析與環(huán)境監(jiān)測》[8]進行。具體方法為：土壤pH采用固液比1∶2.5浸提-酸度計測定，有機碳采用重鉻酸鉀容量法測定，CEC采用乙酸銨浸提-凱氏蒸氮法測定；Cd全量采用HCl-HNO3-HClO4消解，土壤Cd有效量采用DTPA浸提，植株Cd含量采用HNO3-HClO4消解，原子吸收分光光度計（TAS-990）測定。測定過程中采用標樣GBW 07428（GSS-14）和GBW10046（GSB-24）進行質(zhì)量控制。生物質(zhì)炭Cd全量采用HNO3-HF-HClO4消化法測定，比表面積采用JW-004型氮吸附比表面儀測定，表面官能團采用TENSOR27型傅里葉變換紅外光譜儀測定。

表1 供試土壤及生物質(zhì)炭的基本理化性質(zhì)Table 1 Physiochemicalpropertiesof tested soilsand biochar

1.4 數(shù)據(jù)分析

應用Excel 2007、SPSS 21.0和Origin8.5進行相關(guān)數(shù)據(jù)的計算、方差分析、相關(guān)性分析和圖形制作，所有數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析均在α=0.05水平上進行。

2 結(jié)果與討論

2.1 生物質(zhì)炭對土壤pH和有機質(zhì)的影響

pH是土壤溶解-沉淀、吸附-解吸等反應的重要影響因素。通過添加堿性物質(zhì)提高酸性土壤pH是重金屬污染土壤原位鈍化修復最常用的方法之一。生物質(zhì)炭呈堿性，具有中和土壤酸度的能力，可有效降低土壤酸度，提高土壤pH[9]。從表2看出，與CK相比，添加花生殼炭、竹炭和小麥秸稈炭使紅壤pH分別提高0.59、0.12和0.49，黃壤pH分別提高1.00、0.21和0.81，均達到顯著性水平（P＜0.05）。楊惟薇等[9]研究發(fā)現(xiàn)，在鎘污染潮土中分別添加1%蠶沙炭、水稻秸稈炭、木薯桿炭和甘蔗葉炭，45 d后土壤pH值分別升高了0.98、0.76、0.63和0.52；Cui等[10]研究表明，施加不同用量小麥秸稈生物質(zhì)炭使鉛鎘污染土壤pH值提高了1.8%～22.6%。本研究的結(jié)果與上述結(jié)果基本一致。在所有處理中，土壤pH的提高幅度以花生殼炭處理最大，可能與豆科物料制備的生物質(zhì)炭的含堿量高于非豆科物料制備的生物質(zhì)炭有關(guān)[11]。Yuan等[12]的研究也發(fā)現(xiàn)，以豆科物料制備的生物質(zhì)炭對紅壤酸度的改良效果較非豆科物料制備的生物質(zhì)炭更好。竹炭的pH最高，而其對土壤pH的提高幅度最低，可能與其比表面積最大（表1）、吸附性能強、緩沖容量大、釋放的能中和土壤酸性的堿性物質(zhì)少有關(guān)。表2還表明，生物質(zhì)炭對黃壤pH的提升作用強于紅壤。這可能與黃壤的陽離子交換量低、緩沖性較弱有關(guān)。

表2 生物質(zhì)炭對土壤pH和有機質(zhì)的影響Table 2 Effectofbiocharon basic propertiesof tested soils

有機質(zhì)是衡量土壤肥力的主要指標之一，也是影響土壤重金屬行為的重要性質(zhì)之一。添加生物質(zhì)炭后，紅壤和黃壤中有機質(zhì)含量均顯著提高（P＜0.05），其原因與生物質(zhì)炭本身富含碳，且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不易礦化，能顯著提高土壤碳庫有關(guān)[13]，也可能是生物質(zhì)炭抑制土壤固有有機碳的礦化作用從而提高了土壤有機碳的含量[14]。兩種土壤有機質(zhì)的提高幅度均以小麥秸稈炭處理效果最明顯，增幅分別達83.34%和142.82%。這與小麥秸稈炭本身有機碳含量高有關(guān)。

2.2 生物質(zhì)炭對土壤有效態(tài)Cd含量的影響

土壤有效態(tài)重金屬指能夠被植物吸收利用的部分[15]。由圖1可知，添加生物質(zhì)炭顯著降低了兩種土壤的有效Cd含量（P＜0.05），表明生物質(zhì)炭對兩種土壤Cd具有鈍化作用。花生殼炭、竹炭和小麥秸稈炭處理使紅壤中有效Cd含量分別降低20.1%、12.8%和17.1%，以花生殼炭處理降低幅度最大，但花生殼炭、小麥秸稈炭之間的差異不顯著；使黃壤中有效Cd含量分別顯著降低23.5%、17.7%和29.9%，降幅大于紅壤。這表明生物質(zhì)炭對黃壤中Cd的鈍化效果優(yōu)于紅壤，小麥秸稈炭和花生殼炭對Cd的鈍化效果優(yōu)于竹炭。目前，生物質(zhì)炭可降低土壤Cd的有效性已為大量研究所證實[11，16]。土壤pH和有機質(zhì)是影響土壤重金屬有效態(tài)含量的重要因素，相關(guān)分析結(jié)果表明，紅壤和黃壤有效Cd含量與其pH的相關(guān)系數(shù)分別為-0.86**和-0.71**，與有機質(zhì)的相關(guān)系數(shù)分別為-0.72**和-0.77**，均達極顯著水平（r（10，0.01）=0.71），表明提高土壤pH和有機質(zhì)是生物質(zhì)炭鈍化土壤Cd的重要途徑。此外，花生殼炭和小麥秸稈炭對Cd的鈍化效果優(yōu)于竹炭，可能也與前兩種生物質(zhì)炭對土壤pH的提升效果高于竹炭有關(guān)（表2）。

圖1 生物質(zhì)炭對土壤有效Cd含量的影響Figure1 Effectofbiocharon availability ofcadmium in soils

2.3 生物質(zhì)炭對玉米幼苗生長的影響

不同處理下玉米幼苗的株高及地上部、根部干物質(zhì)量見表3。生物質(zhì)炭對紅壤中玉米株高的影響不顯著，但花生殼炭使黃壤中玉米幼苗的株高顯著提高。與CK相比，生物質(zhì)炭使紅壤中玉米幼苗根和地上部的干重均降低，降低幅度以小麥秸稈炭處理最大，達顯著水平（P＜0.05）。黃壤中各處理對根干重的影響不顯著，但花生殼炭和竹炭處理使玉米幼苗地上部干重分別顯著提高11.43%和13.84%，小麥秸稈炭則使玉米幼苗地上部干重顯著降低，表明不同生物質(zhì)炭在不同土壤中對作物生長狀況影響不同。

生物質(zhì)炭含有豐富的營養(yǎng)元素，施入土壤后可提高土壤肥力、促進作物生長、提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)[17]，已在印度芥菜[18]、煙草[19]、青菜和蘿卜[20]、油菜[21]等作物上得到證實，但也有研究認為生物質(zhì)炭對作物產(chǎn)量無顯著影響，甚至抑制作物生長。本研究中小麥秸稈炭抑制了玉米幼苗生長，與張晗芝等[22]的結(jié)果一致，他們的盆栽試驗結(jié)果表明，玉米苗期的前33 d，小麥秸稈炭（添加量為2.4、12、48 t·hm-2）對玉米苗期的生物量均有不同程度抑制作用，且炭用量越多抑制作用越強，可能是由于生物質(zhì)炭的碳氮比很高，其易分解部分生物炭的分解導致土壤對氮素的固定，降低了土壤的有效氮，從而限制了植株對有效氮的吸收。此外，張娜等[23]施用小麥秸稈炭的田間試驗結(jié)果還表明，與低施用量（5 t·hm-2）相比，高施用量生物炭（10 t·hm-2）會造成玉米早衰，不利于玉米粒重的形成。本研究中花生殼炭和竹炭對玉米幼苗的生長在紅壤中表現(xiàn)為抑制、在黃壤中表現(xiàn)為促進，說明生物質(zhì)炭對作物生長的影響因土壤性質(zhì)的不同而異。

2.4 生物質(zhì)炭對玉米幼苗Cd含量及轉(zhuǎn)移系數(shù)的影響

不同處理玉米幼苗根部和地上部的Cd含量及轉(zhuǎn)移系數(shù)如表4所示。與CK相比，紅壤中，生物質(zhì)炭對玉米根部Cd含量的影響不顯著，小麥秸稈炭對玉米地上部Cd含量影響也不顯著，但花生殼炭和竹炭使玉米地上部Cd含量顯著降低，降幅分別為19.63% 和23.10%；黃壤中，除竹炭使根部Cd含量顯著提高外，其余處理根和地上部的Cd含量差異均不顯著。這進一步說明，生物質(zhì)炭對玉米根和地上部Cd含量的影響因土壤和生物質(zhì)炭類型的不同而異。

相關(guān)分析（表5）結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩種土壤中玉米根部和地上部Cd含量與土壤pH、有機質(zhì)含量和有效Cd含量相關(guān)性均不顯著，表明生物質(zhì)炭盡管提高了土壤pH和有機質(zhì)含量，降低了土壤中Cd的有效性，但并不一定能降低植物中的Cd含量。這可能與植物對Cd的吸收受土壤條件、氣候等眾多因素的影響有關(guān)。

轉(zhuǎn)移系數(shù)（地上部重金屬含量/根部相應重金屬含量）表示重金屬在植株地上部-根間的轉(zhuǎn)移能力[24]。如表4所示，兩種土壤中，各處理下玉米幼苗體內(nèi)Cd的轉(zhuǎn)運系數(shù)均小于1，表現(xiàn)為根部＞地上部。這符合Cd在大多數(shù)植物體中的分布規(guī)律[15，25]。添加生物質(zhì)炭使紅壤中玉米幼苗Cd的轉(zhuǎn)移系數(shù)降低，結(jié)果與Zheng等[26]和崔立強[25]分別在水稻和小麥中的研究一致。黃壤中，竹炭處理使Cd的轉(zhuǎn)移系數(shù)略有降低，其他兩種處理的轉(zhuǎn)運系數(shù)略有增加，表明生物質(zhì)炭對Cd在玉米幼苗體內(nèi)的向上轉(zhuǎn)移作用也因土壤類型的不同而異，產(chǎn)生原因有待進一步研究。

表3 生物質(zhì)炭對玉米幼苗生長的影響Table 3 Effectofbiocharon the growth ofcorn seeding

表4 生物質(zhì)炭對玉米幼苗各部位Cd含量的影響Table 4 Effectofbiocharon the contentand transformation ofCd in corn seedlings

表5 玉米幼苗植株鎘含量與土壤性質(zhì)的相關(guān)分析結(jié)果（n=12）Table 5 Correlation between Cd contentin the rootand rootof corn seedlingsand soilbasic properties

3 結(jié)論

（1）花生殼炭、竹炭和小麥秸稈炭均能顯著提高紅壤和黃壤的pH和有機質(zhì)含量，土壤pH的提高幅度以花生殼炭處理最大，有機質(zhì)的提高幅度則以小麥秸稈炭處理最大。

（2）生物質(zhì)炭可顯著降低兩種土壤的有效Cd含量，對土壤Cd具有鈍化作用，其對黃壤中Cd的鈍化效果優(yōu)于紅壤，花生殼炭和小麥秸稈炭處理效果優(yōu)于竹炭處理。

（3）3種生物質(zhì)炭對紅壤中玉米的生長有一定抑制作用，但花生殼炭和竹炭可促進黃壤中玉米地上部生長。

（4）花生殼炭和竹炭可顯著降低紅壤中玉米幼苗地上部的Cd含量，竹炭可顯著提高黃壤中玉米幼苗根部的Cd含量，其余處理對兩種土壤中玉米幼苗根部和地上部的Cd含量均無顯著影響。紅壤中生物質(zhì)炭可抑制玉米Cd的向上轉(zhuǎn)運，但黃壤中生物質(zhì)炭對玉米Cd的向上轉(zhuǎn)運影響不明顯。

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Effectsof three typesof biochar on bioavailability of cadm ium in a red soiland a yellow soil

XIAORui-fang1,2,SHENPu-cui3,ZHAOXiu-lan1,2*

（1.College ofResourcesand Environment,SouthwestUniversity,the Key Laboratory of Eco-environments in Three Gorges Reservoir Region, Ministry of Education,Chongqing 400715,China;2.Chongqing Key Laboratory of Agricultural Resources and Environment,Chongqing 400716,China;3.Agriculture Committee Shizhu Tujia Nationality AutonomousCounty,Shizhu 409100,China）

A potexperimentwas carried out to investigate the effects of three types ofbiochar-peanut shell biochar（PSB）,bamboo biochar （BB）and wheatstraw biochar（WSB）on the bioavailability of cadmium（Cd）in a red soil and a yellow soil.The biocharwas applied at the rate of5%.The results showed that the pH values of the red soiland the yellow soilwere increased by 0.12 to 0.59 unit,and 0.21 to 1.00 units,respectively,the contents of organicmatter were increased by 35.43%to 83.34%and 52.14%to 142.82%respectively,but the contents of available Cd were decreased by 12.8%to 20.1%and 17.7%to 29.9%,respectively.Although the highest decrease in the available Cd contentwasobserved in the PSB-treatment for the red soiland in theWSB-treatment for the yellow soil,therewere no significant difference for soilavailable Cd between the two treatments.The growth of corn seedlingswere,to a certain extent,inhibited by biocharapplication in red soil,butwere promoted by application of PSB and BB in the yellow soil.The contents of Cd in the shoot of corn seedlingswere decreased by 19.63%and 23.10%for the treatmentof PSB and BB,respectively,in the red soil,but the Cd content in the rootwas increased by 14.88%for the BB treatment in the yellow soil.The other treatments had no significant influence on Cd contents in corn seedlings.Therefore,it is concluded that although the biochar could decrease the content of available Cd through increasing pH values and organicmatter contentofsoils,the effectofbiocharon Cd content in plants varieswith the typesofsoiland biochar.

biochar;cadmium;bioavailability

X53

A

1672-2043（2017）05-0915-06

10.11654/jaes.2016-1441

2016-11-14

肖瑞芳（1991—），女，山西呂梁人，碩士研究生，主要研究方向為環(huán)境污染化學。E-mail：572578042@qq.com

*通信作者：趙秀蘭E-mail：zxl@swu.edu.cn

國家自然科學基金項目（41471272）

Project supported：The NationalNaturalScience Foundation ofChina（41471272）

肖瑞芳，沈普翠，趙秀蘭.三種生物質(zhì)炭對紅壤和黃壤鎘有效性的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報,2017,36（5）：915-920.

XIAORui-fang,SHENPu-cui,ZHAOXiu-lan.Effectsof three typesofbiocharon bioavailabilityofcadmium in a red soiland a yellow soil[J].JournalofAgro-EnvironmentScience,2017,36（5）:915-920.