郭 茹，洪堅(jiān)平

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太谷 030801）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，土壤環(huán)境的污染和安全問(wèn)題日益嚴(yán)峻[1]，尤其是土壤中的重金屬污染[2]。現(xiàn)代農(nóng)田大部分引用工業(yè)和生活污水灌溉，由于長(zhǎng)期缺乏有效治理手段，使區(qū)域內(nèi)耕作土壤受重金屬污染較為嚴(yán)重[3]，從而對(duì)糧食、蔬菜造成污染[4]，并且通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體，危害到人體的健康[5]。生物炭是一種由動(dòng)植物殘?bào)w在缺氧或無(wú)氧前提條件下通過(guò)高溫裂解形成的穩(wěn)定、高度芳香化的固體物質(zhì)，一般呈堿性。國(guó)內(nèi)外很多的研究發(fā)現(xiàn)，在土壤中添加生物炭，不但能夠改善土壤的理化性質(zhì)，豐富土壤的微生物群落，提高作物的產(chǎn)量，還能很好地吸附固定土壤中的污染物，能有效控制其遷移作用，是一種很好的污染物吸附劑和土壤改良劑。

為了更好地探究不同種類(lèi)生物炭對(duì)于鉻污染土壤中油菜品質(zhì)及重金屬的影響，為蔬菜種植提供相應(yīng)參考，本研究特采用玉米秸稈炭、稻殼炭、小麥秸稈炭3種生物炭，設(shè)置3種不同添加量，通過(guò)對(duì)照試驗(yàn)，將油菜在溫室中進(jìn)行盆栽，對(duì)表征植物生長(zhǎng)發(fā)育和品質(zhì)的指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定。

1 材料和方法

1.1 材料

1.1.1 供試土壤 采自小店清澗村污水灌溉的0～20 cm表層土，屬黃土母質(zhì)發(fā)育而成的石灰性褐土，質(zhì)地為輕壤土。采集后去除雜物，過(guò)0.5 cm篩， 自然晾干備用。土壤理化性質(zhì)如表1所示。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)

1.1.2 供試作物品種和肥料

1.1.2.1 供試作物 五月慢油菜。

1.1.2.2 供試生物炭 玉米秸稈炭、稻殼炭、小麥秸稈炭，購(gòu)于平遙晟弘科技有限公司。

1.1.2.3 供試基肥 腐植酸鈉（HA-Na）；尿素（H2NCONH2（CO（NH2）2）（含氮量46.67%）；過(guò)磷酸鈣（含磷量 14%～20%）；硫酸鉀（K2SO4）（含鉀量50%～55%）；雞糞（含氮磷鉀5.3%，有機(jī)質(zhì)45%）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

盆栽試驗(yàn)于山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院溫室進(jìn)行；化驗(yàn)分析試驗(yàn)于山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室完成。盆栽試驗(yàn)采用雙因素完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)（表2），每盆稱(chēng)土2.67 kg，生物炭添加量按每千克土計(jì)算，具體添加量如下：添加腐植酸鈉5 g/kg，尿素0.625 g/kg，過(guò)磷酸鈣1.875 g/kg，硫酸鉀0.44 g/kg，雞糞6.67 g/kg。

表2 試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)方案 g/kg

試驗(yàn)共設(shè)3個(gè)處理，分別添加玉米秸稈炭、稻殼炭、小麥秸稈炭3種生物炭，每個(gè)處理設(shè)置3，6，9 g/kg共3個(gè)水平，每個(gè)水平3次重復(fù)，再加一個(gè)空白對(duì)照（CK），也做3次重復(fù)，共計(jì)30盆。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

油菜收獲后稱(chēng)質(zhì)量，記錄每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)油菜的生物量。采集新鮮油菜樣品，選擇部分處理代表性樣品進(jìn)行葉綠素、硝酸鹽、維生素C、還原糖等品質(zhì)分析，之后測(cè)定油菜地上部Cr含量。油菜中葉綠素采用10 mL丙酮和10 mL乙醇浸提，采用分光光度計(jì)比色法測(cè)定；油菜硝酸鹽含量采用紫外分光光度法測(cè)定；油菜中還原糖用3，5二硝基水楊酸比色法測(cè)定；油菜中維生素C含量采用熒光分光光度計(jì)比色法測(cè)定；油菜的生物量采用電子分析天平測(cè)定；油菜中的鉻采用ICP測(cè)定[6]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)采用Microsoft Excel 2003處理數(shù)據(jù)，采用Sigmaplot 12.5制作圖表，并且采用SPSS軟件進(jìn)行單因素方差分析，采用Duncan法進(jìn)行檢驗(yàn)（顯著水平為 α＝0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生物炭配施腐植酸對(duì)油菜生物量的影響

由圖1可知，施加生物炭和腐植酸可促進(jìn)油菜的生長(zhǎng)，生物炭和腐植酸處理下相較CK均提高了油菜生物量，與CK相比，在玉米秸稈炭處理中，3，6，9 g/kg的施用量均顯著增加了油菜的生物量，增幅分別為112%，102%，41%；稻殼炭處理中，3，6，9 g/kg的施用量均顯著增加了油菜生物量，增幅分別為78%，60%，50%；小麥秸稈炭3，6 g/kg處理下油菜生物量顯著提高，增幅分別為86%，47%，9 g/kg施用量增幅并不顯著，增幅為10%。同種生物炭隨著其施用量的增加，油菜生物量逐漸減少。3 g/kg處理下不同生物炭油菜生物量大小為玉米稻殼炭＞小麥秸稈炭＞稻殼炭；6 g/kg處理下不同生物炭油菜生物量大小為玉米稻殼炭＞稻殼炭＞小麥秸稈炭；9 g/kg處理下不同生物炭油菜生物量大小為稻殼炭＞玉米稻殼炭＞小麥稻殼炭。

2.2 不同生物炭配施腐植酸對(duì)油菜品質(zhì)的影響

2.2.1 不同生物炭配施腐植酸對(duì)油菜中葉綠素含量的影響 從圖2可以看出，添加生物炭的油菜中葉綠素的含量均比CK高，并且玉米秸稈炭3，9 g/kg和稻殼炭6，9 g/kg處理下油菜葉綠素含量顯著高于CK，分別較CK提高了13%，15%和15%，14%。在添加玉米秸稈炭的梯度處理中，9 g/kg葉綠素含量最高，3 g/kg居中，6 g/kg最少。在添加稻殼炭的梯度處理中，6 g/kg葉綠素含量最高，9 g/kg次之，3 g/kg最少。在添加小麥秸稈生物炭處理中，3 g/kg葉綠素含量最多，6 g/kg居中，9 g/kg最少。

2.2.2 不同生物炭配施腐植酸對(duì)油菜中Vc含量的影響 從圖3可以看出，對(duì)生物炭配施腐植酸下油菜中Vc含量的影響并沒(méi)有明顯規(guī)律，單施小麥秸稈炭處理下，隨著生物炭施用量的增加，油菜中Vc含量呈先增高后降低的變化趨勢(shì)，單施玉米秸稈炭也是如此；而單施稻殼炭中，隨著生物炭施用量的增加，油菜中Vc含量卻逐漸降低；施加6 g/kg小麥秸稈炭油菜中Vc含量相較CK顯著提高，提高了80%。

2.2.3 不同生物炭配施腐植酸對(duì)油菜中硝酸鹽含量的影響 由圖4可知，與CK相比，小麥秸稈炭6，9 g/kg處理下油菜中硝酸鹽含量顯著提高，增幅分別為43%，58%；玉米秸稈炭6，9 g/kg和稻殼生物炭9 g/kg處理的硝酸鹽含量均有提高，但差異不顯著；其他處理均不同程度地降低了油菜中硝酸鹽的含量，但差異都不顯著；在單施一種生物炭情況下，隨著生物炭施用量的增加，3種不同生物炭處理下油菜中硝酸鹽含量均有增高的變化趨勢(shì)，相同添加量下無(wú)明顯差異。

2.2.4 不同生物炭配施腐植酸對(duì)油菜中還原糖含量的影響 從圖5可以看出，3，6 g/kg不同生物炭和腐植酸處理下，油菜中還原糖含量并無(wú)變化；而當(dāng)生物炭施用量增加到9 g/kg，還原糖含量顯著增大，分別較CK增大了59.2%，62.1%，100%。還原糖是光合作用的最初產(chǎn)物，它暫時(shí)存儲(chǔ)于植物的葉片中[7]，隨著生物炭用量的增加，提高了油菜的光合作用，所以其還原糖含量顯著增加[8-9]。

2.3 不同生物炭配施腐植酸對(duì)油菜中鉻含量的影響

從圖6可以看出，生物炭和腐植酸處理下油菜地上部中的鉻含量均有不同幅度減少，且小麥秸稈炭6 g/kg施用量下對(duì)油菜中鉻含量的降低效果達(dá)到最優(yōu)，較CK降低了63%；并且小麥秸稈炭各施用量都比另外2種生物炭降低油菜中鉻含量要多；玉米秸稈炭和稻殼炭的施用雖降低了油菜中的鉻含量，但降低效果不顯著。

3 討論

3.1 不同生物炭配施腐植酸對(duì)油菜生物量的影響

生物炭可以改善土壤質(zhì)量[10]，提高土壤中的有機(jī)質(zhì)[11]，改善土壤中養(yǎng)分的循環(huán)[12]，提高有益菌種群數(shù)目[13]和減少有毒的離子對(duì)作物的毒害[7]，從而有益于作物生長(zhǎng)[14]。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)添加3 g/kg生物炭時(shí)可顯著提高油菜的生物量，當(dāng)施用量增加到6，9 g/kg時(shí)，油菜的生物量并未增加反而降低，這與張娜等[15]的試驗(yàn)結(jié)果相似，可能是因?yàn)樯锾康氖┯锰岣吡送寥乐杏袡C(jī)質(zhì)，使土壤更肥沃，但是施用大量的生物炭對(duì)土壤肥力的提升可能超過(guò)了作物吸收極限[16-17]。

3.2 不同生物炭配施腐植酸對(duì)油菜品質(zhì)的影響

本研究表明，施加生物炭均能提升油菜中葉綠素含量，進(jìn)而提升油菜的品質(zhì)，這與張娜等[19-20]的研究結(jié)果相似。當(dāng)生物炭的用量為3，6 g/kg時(shí)，油菜中還原糖含量相較CK無(wú)明顯變化，但當(dāng)施用量增加到9 g/kg時(shí)，油菜中還原糖含量均顯著高于CK；施加6 g/kg小麥秸稈生物炭后油菜中所含的Vc含量最高。本試驗(yàn)在3，6 g/kg施用量下，硝酸鹽的含量無(wú)明顯變化，但當(dāng)施加量增加到9 g/kg時(shí)，油菜中所含的硝酸鹽明顯提高；而且隨著生物炭施用量的增大，油菜中硝酸鹽含量有增大的趨勢(shì)，但是劉玉學(xué)等[21]研究發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)在施加180 kg/hm2氮的情況下（約合80 mg/kg），而且稻稈炭和竹炭添加水平較低時(shí)也未對(duì)作物硝酸鹽含量產(chǎn)生顯著性影響，但當(dāng)施加量達(dá)到40 t/hm2時(shí)，小青菜中所含硝酸鹽顯著減少。這與本試驗(yàn)的結(jié)果不符。有研究表明，作物中所含硝酸鹽高低通常與土壤的施氮量有關(guān)[22-24]。張萬(wàn)杰等[18]通過(guò)盆栽試驗(yàn)研究表明，在施氮量90 mg/kg水平下，施用5，10 g/kg生物炭均可顯著提高菠菜的硝酸鹽含量；而在不施氮肥和施氮量為120 mg/kg水平時(shí)，生物炭對(duì)菠菜中所含的硝酸鹽量高低并無(wú)明顯的影響。具體的原因需要綜合考慮生物炭類(lèi)型及其施加量、作物種類(lèi)、土壤類(lèi)型等因素進(jìn)行進(jìn)一步分析論證[25]。

3.3 不同生物炭配施腐植酸對(duì)油菜中鉻含量的影響

研究發(fā)現(xiàn)，由于生物炭本身具有較大的比表面積[26]和很高的陽(yáng)離子交換量[27]，能夠提高土壤的靜電吸附能力[28]，進(jìn)而作用于重金屬的遷移轉(zhuǎn)化[29]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，施加不同生物炭后，油菜中鉻含量相比CK均顯著降低，添加生物炭能夠顯著降低油菜中鉻的含量，提高油菜的食用安全性，與王寧等[31]的試驗(yàn)結(jié)果相符。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)結(jié)果表明，施加生物炭有利于油菜生物量提高，但是油菜的生物量并未隨著所施加生物炭的增多而增多，反而有所減少，添加玉米秸稈生物炭為3g/kg時(shí)，油菜的生物量最大，較CK高112%。從3種不同生物炭配施腐植酸對(duì)油菜的品質(zhì)影響可以看出，施加生物炭的油菜中所含葉綠素均高于CK，其中，稻殼炭為6 g/kg時(shí)，油菜中所含葉綠素最高，比CK增加15%。施加稻殼生物炭3 g/kg時(shí)，油菜中所含硝酸鹽最低，比CK減少28%。小麥秸稈炭為6 g/kg時(shí)，油菜中維生素C含量最高，比CK增加了80%；施加生物炭均減少了油菜中鉻含量，施加小麥秸稈炭為6 g/kg時(shí)，油菜中鉻含量最低，比CK降低了63%。生物炭的施用對(duì)污灌土壤中油菜產(chǎn)量和品質(zhì)的研究可為污灌土壤栽培作物提供參考,可以結(jié)合油菜的用途及生產(chǎn)需求來(lái)控制施炭量，以提高油菜品質(zhì)。

［1］周建軍，周桔，馮仁國(guó).我國(guó)土壤重金屬污染現(xiàn)狀及治理戰(zhàn)略[J].中國(guó)科學(xué)院院刊，2014，29（3）：315-320.

［2］趙銘.土壤重金屬污染現(xiàn)狀、原因、危害及修復(fù)研究[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2016（4）：181，184.

［3］蔣煜峰，袁建梅，盧子揚(yáng)，等.腐殖酸對(duì)污灌土壤中Cu、Cd、Pb、Zn形態(tài)影響的研究[J].西北師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005（6）：48-52.

［4］NICHOLSON F A，SMITH S R，ALLOWAY B J，et al.An inventory of heavymetals inputs toagricultural soils in England and Wales[J].Science ofthe Total Environment，2003，311：205-219.

［5］劉維濤，周啟星.不同土壤改良劑及其組合對(duì)降低大白菜鎘和鉛含量的作用[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2010（9）：1846-1853.

［6］鮑士旦.土壤農(nóng)化分析[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2000.

［7］李力，劉婭，陸宇超，等.生物炭的環(huán)境效應(yīng)及其應(yīng)用的研究進(jìn)展[J].環(huán)境化學(xué)，2011，30（8）：1411-1421.

［8］李靜靜.生物炭與氮肥配施對(duì)植煙土壤特性、烤煙生長(zhǎng)及煙葉品質(zhì)的影響[D].鄭州：河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2016.

［9］GUO W，LIN Q H，ZHANG C F，et a1.Changes of glutamine synthetase and other amm-onia assimilating enzymes during the germination ofthe seed and the development ofthe cotyledon in cushaw[J].J Wuhan Bot Res，2002，20：236-240.

［10］ LEON E，DE LA HABA P，MALDONADO J M.Changes in the levels of enzymes involved in ammonia assimilation during the development of phaseolus vulgaris seedlings[J].Effects of Exogenous Ammonia Physiol Plant，1990，80：20-26.

［11］趙蘭坡.施用有機(jī)物料對(duì)土壤的培肥作用 [J].土壤通報(bào)，1996，27（2）：76-78.

［12］SOHI S P，KRULLE，LOPEZ-CAPELE，et al.Areviewofbiochar and its use and function in soil[J].Advances in Agronomy，2010，105：47-82.

［13］ KIMETU J M，LEHMANN J，NGOZE S O，et al.Reversibility of soil productivity decline with organic matter of offering quality along a degradation gradient [J].Ecosystems，2008，11 （5）：726-739.

［14］STEINER C，DAS KC，GARCIAM，et al.Charcoal and smoke extract stimulate the soil microbial counity in a highly weathered xan-thic Ferralsol[J].Pedobiologia，2008，51（5）：359-366.

［15］張娜，李佳，劉學(xué)歡，等.生物炭對(duì)夏玉米生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2014，33（8）：1569-1574.

［16］UCHIMIYA M，WARTELLE L H，KLASSON K T，et al.Influence ofpyrolysis temperature on biochar popertyand function as a heavy metal sorbent in soil[J].Journal of Agricultural and Food Chem istry，2011，59（6）：2501-2510.

［17］付春娜.生物炭對(duì)不同馬鈴薯品種生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響 [D].哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2016.

［18］張萬(wàn)杰，李志芳，張慶忠，等.生物質(zhì)炭和氮肥配施對(duì)菠菜產(chǎn)量和硝酸鹽含量的影響 [J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，30（10）：1946-1952.

［19］陳心想.生物炭對(duì)土壤性質(zhì)、作物產(chǎn)量及養(yǎng)分吸收的影響[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2014.

［20］劉玉學(xué)，王耀鋒，呂豪豪，等.不同稻稈炭和竹炭施用水平對(duì)小青菜產(chǎn)量、品質(zhì)以及土壤理化性質(zhì)的影響[J].植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2013，19（6）：1438-1444.

［21］卜曉莉，薛建輝.生物炭對(duì)土壤生境及植物生長(zhǎng)影響的研究進(jìn)展[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2014，23（3）：535-540.

［22］都韶婷，金崇偉，章永松.蔬菜硝酸鹽積累現(xiàn)狀及其調(diào)控措施研究進(jìn)展[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，43（17）：3580-3589.

［23］陳慶飛.基質(zhì)添加生物炭對(duì)鐵皮石斛生長(zhǎng)及品質(zhì)的影響[D].杭州：浙江師范大學(xué)，2015.

［24］ GLASER B，LEHMANN J，ZECH W.Ameliorating physical and chemical properties of highly weathered soils in the tropics with charcoal-a review[J].Biol Fert Soils，2002，35：219-230.

［25］袁帥，趙立欣，孟海波，等.生物炭主要類(lèi)型、理化性質(zhì)及其研究展望[J].植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2016，22（5）：1402-1417.

［26］武玉，徐剛，呂迎春，等.生物炭對(duì)土壤理化性質(zhì)影響的研究進(jìn)展[J].地球科學(xué)進(jìn)展，2014，29（1）：68-79.

［27］李建宏，楚穎超，吳蔚東.椰纖維生物炭添加對(duì)海南花崗巖磚紅壤吸附Pb（Ⅱ）的影響 [J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2016，10（8）：4553-4558.

［28］UCHIMIYA M，LIMA I M，KLASSON K T，et al．Immobiliza-tion ofheavymetal ions（CuII，CdII，NiII,and PbII）bybroiler litter-derived biochars in water and soil[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry，2010，58（9）：5538-5544．

［29］王寧.生物炭對(duì)復(fù)合污染土壤植物修復(fù)效果的影響研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2012.