劉 源，崔二蘋，李中陽*，杜臻杰，高 峰，樊向陽

（1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所，河南新鄉(xiāng) 453002；2 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院河南新鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)水土環(huán)境野外科學(xué)觀測試驗站，河南新鄉(xiāng) 453002；3 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源高效安全利用重點開放實驗室，河南新鄉(xiāng) 453002）

生物質(zhì)炭是有機物質(zhì)在厭氧環(huán)境中經(jīng)過熱解形成的一種不完全燃燒產(chǎn)物，由于其高穩(wěn)定性、含養(yǎng)分、呈堿性、帶負電、高孔隙結(jié)構(gòu)、高吸附容量和含氧官能團[1]，施入土壤后，不僅可以改善土壤的物理、化學(xué)性質(zhì)[2]，增加土壤有機質(zhì)含量，改變土壤微生態(tài)環(huán)境[3]，促進土壤中有害物的降解及失活[8–9]，同時還減少了土壤和蔬菜中的抗生素抗性基因[10]。生物質(zhì)炭作為一種具有高度穩(wěn)定性的富碳物質(zhì)，能將生物質(zhì)中的碳素鎖定，從而避免經(jīng)微生物分解等途徑進入大氣，進而起到了增匯減排、減少溫室氣體排放的積極作用[2]。生物質(zhì)炭對環(huán)境污染物具有強烈的吸附作用，因此在環(huán)境領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。生物質(zhì)炭可以用來去除廢水和污染土壤中的農(nóng)藥、有機溶劑[5]和重金屬離子[6]等。生物質(zhì)炭對NH3、CO、SO2、H2S等也具有強大的吸附能力，還能對煙氣中的氣態(tài)Hg等有較強的吸附作用[7]。將生物炭與肥料復(fù)合制備成生物炭基肥料，能減緩肥料養(yǎng)分釋放速度，提高農(nóng)作物對肥料利用率，改善土壤生態(tài)，減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對環(huán)境的污染[4]。

果膠是一種重要的細胞壁多糖，促進細胞壁延長和植物生長，是植物根尖分泌粘液中的一種成分[11]。果膠對土壤養(yǎng)分和重金屬的遷移轉(zhuǎn)化有著重要影響。果膠能與Ca、Mg等陽離子相互作用緩解質(zhì)子對擬南芥根系的毒害作用[13]。煙草細胞壁果膠提供了Al的累積位點，并與Al發(fā)生絡(luò)合[14]。植物細胞壁的果膠含量可以與硼形成不溶的絡(luò)合物，并決定了細胞壁對硼的需求量和移動[15]。果膠能增強可變電荷土壤 (磚紅壤和紅壤) 對銅和鎘的吸附，特別是在低pH的條件下[11,16]。果膠能與重金屬Cu等發(fā)生靜電吸附和絡(luò)合作用等，從而影響其在土壤中的活性和移動性[11]。果膠可為固氮菌提供碳源和能源，其降解產(chǎn)物和發(fā)酵產(chǎn)物影響固氮酶的活性，從而影響氮的固定[12]。植物根系分泌的粘液存在于根際土壤中，粘液可與土壤相互作用，從而影響金屬、養(yǎng)分等在土壤–植物系統(tǒng)的遷移轉(zhuǎn)化，影響微生物的生長[18]。

我國是農(nóng)業(yè)大國，集約化畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速，畜禽養(yǎng)殖位居世界第一，養(yǎng)殖場廢水?dāng)?shù)量大，分布廣，處理利用率低，而且含有高濃度的氮磷，己成為我國農(nóng)村面源污染的主要來源之一[19]。用養(yǎng)殖廢水進行灌溉，可以利用其中富含的氮磷養(yǎng)分，在一定程度上緩解農(nóng)業(yè)水資源緊缺狀況。但其中的重金屬也會隨著灌溉進入農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)和食物鏈，影響人體健康。因此，本研究對利用生物炭和果膠調(diào)控灌溉養(yǎng)殖廢水中的重金屬進行了初步探討，為養(yǎng)殖廢水的農(nóng)業(yè)安全利用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗土壤為新鄉(xiāng)市郊區(qū)農(nóng)田表層0—20 cm土壤，土壤類型為潮土，基本性質(zhì)如下：pH 8.3，全氮、全磷、全鉀、有機質(zhì)分別為1.42、1.18、18.3、7.17 g/kg，堿解氮、有效磷、速效鉀分別為104、25.1、235 mg/kg，交換性K、Na、Ca、Mg分別為0.499、0.391、35.9、4.80 cmol (+)/kg，Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni、As、Hg 分別為 32.0、88.8、27.1、0.31、50.1、30.8、11.5、0.12 mg/kg，均未超過土壤環(huán)境質(zhì)量二級標(biāo)準 (GB15618-1995)。土樣風(fēng)干磨碎后過2 mm篩備用。小麥秸稈炭購買于河南省商丘市三利新能源有限公司，總碳、總氮、總磷、總鉀質(zhì)量分數(shù)分別為625.8、5.2、0.9、44.2 g/kg，比表面積8.8 m2/g，陽離子交換量為33.6 mmol/kg，Cu、Zn、Pb分別為26.5、42.5、9.2 mg/kg，其他重金屬未檢出。果膠購買自阿拉丁試劑公司，半乳糖醛酸 (干基計) 含量不低于74%。試驗所用養(yǎng)殖廢水取于新鄉(xiāng)市新鄉(xiāng)縣某養(yǎng)豬場厭氧發(fā)酵后的沼液，基本性質(zhì)如下：pH值為7.75，EC值為1.06 mS/cm，全氮、全磷、K+、Na+、SO42–含量分別為 154.5、6.75、56.3、23.1、15.5 mg/L，全Ca、全Mg含量分別為0.713、0.210 mg/L，全Fe、全Mn、全Cu、全Zn含量分別為84.5、0.21、0.31、4.64 mg/L，全Pb、全Cd含量分別為3.30、1.73 μg/kg，其中僅Zn超過農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準GB5084-2005規(guī)定的2 mg/L，其他的均不超標(biāo)。試驗所用蒸餾水pH 6～7.5，電阻率不低于10 MΩ·cm。玉米種子為浚單20。

1.2 根箱試驗

試驗于2016年8—10月在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所日光溫室進行。采用長14 cm、高17 cm、寬12 cm的PVC根箱[20]進行試驗，沿長邊把根箱用300目尼龍網(wǎng)分成五部分 (5 cm∶1 cm∶2 cm∶1 cm∶5 cm)，兩頭為非根際，其次為過渡區(qū)，最中間為根際。每個處理施用的肥料種類分別為尿素、過磷酸鈣 (P2O5為16%) 和氯化鉀，其中氮、磷和鉀單元素施用量分別為200、100和200 mg/kg。

試驗設(shè)計：設(shè)灌溉蒸餾水 (distilled water, DW)和沼液 (fermented waste from piggery farm, FW)，在每個灌溉處理下的土壤中設(shè)對照 (不添加生物炭，也不添加果膠，CK)、添加生物質(zhì)炭 (Bio)、添加果膠(Pec)，共6個處理 (DCK、DBio、DPec、WCK、WBio、WPec)，每個根箱裝土3 kg，生物質(zhì)炭或果膠均按1%的比例與土壤混勻[21–25]，每個處理重復(fù)3次。所有處理先灌蒸餾水400 mL，第二天在根箱中部播種玉米，每個處理播6粒種子。種子發(fā)芽一周后，每個處理間苗至三株，然后開始進行蒸餾水和沼液灌溉。試驗期間灌溉水量為100 mL/(pot·d)，總灌水量約為3 L(陰雨天氣不需要灌水)。玉米生長60 d后收獲，分為地上部分和根系，用蒸餾水清洗后，60℃烘至恒重，稱重，分根、莖和葉，研磨過0.3 mm篩備用。取根際和非根際的土樣，風(fēng)干研磨過0.3 mm篩備用。

1.3 指標(biāo)測定

指標(biāo)測定參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[26]。按1∶2.5的固液比制備土壤懸液，用電位法測定pH，用電導(dǎo)法測定EC。土壤堿解氮用堿解擴散法測定。土壤有效磷用NaHCO3提取—鉬銻抗比色法測定。土壤全氮用凱氏定氮法測定。土壤全磷用NaOH熔融—鉬銻抗比色法測定。土壤全鉀用NaOH熔融—火焰光度法 (上海傲譜，HP1401) 測定。土壤速效鉀用NH4AC提取—火焰光度法測定，土壤有機質(zhì)用重鉻酸鉀容量法測定。土壤交換態(tài)鉀鈉用NH4AC交換—火焰光度法測定。土壤交換態(tài)鈣鎂用NH4AC交換—原子吸收分光光度法(HITACHI，Z-5000) 測定。土壤交換態(tài)鉀鈉鈣鎂之和即為土壤有效陽離子交換量 (ECEC)。土壤有效態(tài)金屬用DTPA提取—原子吸收分光光度法測定。植株經(jīng)H2SO4和H2O2消解后，分別用凱氏定氮法、釩鉬黃比色法和火焰光度法測定全氮、全磷和全鉀含量。植株經(jīng)微波 (MILESTONE，ETHOS One) 消解后用原子吸收法 (HITACHI，Z-5000) 測定Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn、Pb、Cd、Ni全量。在消煮以及測定過程中都以地球物理化學(xué)勘查研究所提供的生物成分分析標(biāo)準物質(zhì)GSB-7茶葉 (CRM Tea from IGGE, GBW10016) 和 Cu、Zn、Pb、Cd、Ni標(biāo)準品 (Fluka, Switzerland) 進行質(zhì)量控制。

生物質(zhì)炭和果膠的Zeta電位采用電泳儀 (Zetaplus 90, Brookhaven Instruments Corporation, Holtsville,NY, USA) 進行測定，稱取0.125 g過0.075 mm篩的生物質(zhì)炭或果膠于1000 mL的錐形瓶中，加入500 mL 1 mmol/L NaCl溶液作為支持電解質(zhì)，超聲分散1 h后測定懸液pH值，再把懸液分成5份，用稀的HCl或者NaOH溶液將懸液體系的pH調(diào)節(jié)至4.0～8.0，然后在25℃下振蕩2 h，根據(jù)需要再調(diào)節(jié)pH值，直至調(diào)至懸液體系的pH放置24 h后保持恒定時進行Zeta電位的測定[11]。根據(jù)懸液體系的pH值和Zeta電位值制作Zeta電位—pH曲線。

1.4 數(shù)據(jù)分析及處理方法

采用SPSS 16.0 (SPSS Inc.，Chicago, IL, Version 16.0) 及Duncan多重檢驗法計算數(shù)據(jù)組間誤差，若是服從F分布，求出F值；再依據(jù)F分布表來驗證是否顯著，顯著水平為0.05。轉(zhuǎn)運系數(shù)=葉中元素含量/根中元素含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 果膠和小麥秸稈炭的帶電特征

以1 mmol/L NaCl作為支持電解質(zhì)的0.25 g/L的生物質(zhì)炭和果膠的懸液pH分別為9.17和4.31，前者呈堿性，后者呈酸性。兩者Zeta電位測定結(jié)果如圖1所示，pH越高，果膠和生物質(zhì)炭帶負電荷量越高；pH相同時，果膠帶負電荷量高于小麥秸稈炭。果膠富含半乳糖醛酸和部分發(fā)生甲氧基化的半乳糖醛酸，其主要成分是部分甲酯化的α-(l, 4)-D-聚半乳糖醛酸。一般在溫帶地區(qū)的恒電荷土壤中，有機酸主要通過與重金屬離子形成可溶性絡(luò)合物抑制土壤對重金屬的吸附[27]。因為這類土壤對有機酸的吸附能力很弱，加入體系中的有機酸的絕大部分留在溶液中，當(dāng)它們與重金屬離子形成絡(luò)合物后，離子所帶的正電荷減小，與土壤之間的吸附親和力減弱。生物質(zhì)炭表面有豐富的羧基和酚羥基等含氧官能團，既可增加土壤表面的負電荷量，增加土壤對重金屬的靜電吸附量；又可與重金屬發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，增加土壤對重金屬的專性吸附量[28]。本研究使用的堿性土壤pH為8.3，相比于南方的可變電荷土壤，帶負電荷量已經(jīng)較高，所以帶負電的生物質(zhì)炭和果膠的加入對土壤帶負電量影響較小。

圖 1 果膠和生物質(zhì)炭的Zeta電位Fig. 1 Zeta potential of biochar and pectin

2.2 植株生物量

與蒸餾水灌溉相比，沼液灌溉抑制了玉米根系的生長 (圖2)。沼液灌溉時，對照、生物炭和果膠處理的根系生物量分別比對應(yīng)的蒸餾水灌溉降低了38%、23%和50%，其中果膠處理達到了顯著水平(P＜ 0.05)。生物炭處理對根系的生長無顯著影響，果膠處理在蒸餾水和沼液灌溉時分別比對照增加了54%和25%，且在蒸餾水灌溉時達到了顯著水平(P＜ 0.05)。

沼液灌溉時，果膠處理地上部生物量比對照增加了31%，生物炭處理的地上部與對照相比有所降低。沼液灌溉時，生物質(zhì)炭處理根際土壤電導(dǎo)率增加，而果膠處理的降低 (表1)，這可能是果膠相比于生物質(zhì)炭能促進植物生長的原因之一。

2.3 土壤 pH

與蒸餾水灌溉的土壤相比，果膠處理的根際土壤除外，沼液灌溉降低了根際和非根際土壤的pH(表2)，根際土壤pH降低了0.04～0.15個單位，非根際土壤降低了0.14～0.29個pH單位，這與沼液中銨態(tài)氮含量較高，在土壤中發(fā)生硝化反應(yīng)降低了土壤pH有關(guān)。在堿性土壤中，土壤pH降低可以增加可交換態(tài)陽離子如Ca和Mg，以及植物可利用養(yǎng)分如磷、微量元素的溶解度[29]，同時也會增加土壤中有效態(tài)重金屬的含量 (表3)，進而使植物吸收更多的重金屬 (表4)。果膠處理根際土壤的pH反而升高，可能由于有機氮的礦化強度超過了銨態(tài)氮的硝化反應(yīng)強度。生物質(zhì)炭處理和果膠處理與對照根際和非根際土壤的pH均無顯著差異。生物質(zhì)炭和果膠的添加對土壤pH的影響均不顯著，一方面是由于土壤具有較強的緩沖性能，另一方面，兩種物質(zhì)的添加量尚不足以引起土壤pH的顯著變化。

圖 2 添加生物質(zhì)炭和果膠對沼液灌溉下植株生物量的影響Fig. 2 Effects of biochar and pectin on the plant biomass under the fermented waste water irrigation

表 1 添加生物質(zhì)炭和果膠對沼液灌溉下土壤電導(dǎo)率的影響 (μS/cm)Table 1 Effects of biochar and pectin on soil EC under the fermented waste water irrigation

2.4 對土壤和植株養(yǎng)分含量的影響

如表5所示，與蒸餾水灌溉相比，沼液灌溉均增加了土壤全氮、有效磷、速效鉀和有機質(zhì)含量。以根際土壤為例，CK、生物炭和果膠處理的根際土壤全氮分別比相對應(yīng)的蒸餾水處理增加了4.8%、4.8%和4.6%，有效磷分別增加了29%、37%和5.0%，速效鉀分別增加了14%、28%和1.1%，有機質(zhì)分別增加了22%、1.6%和1.1%。相同灌溉下，生物炭和果膠處理間土壤全氮、ECEC無顯著差異。果膠處理根際土壤的全磷、堿解氮、有效磷、有效Fe、有效Mn均顯著高于生物炭處理，有效磷、有效Fe比生物炭處理顯著提高了136%和70% (P＜ 0.05)。生物炭處理根際和非根際土壤的全鉀和速效鉀均高于果膠處理，速效鉀含量分別高出62%和35% (P＜ 0.05)。

表 2 不同處理的土壤pHTable 2 Soil pH as affected by different treatments

相比于蒸餾水灌溉，沼液灌溉增加了植株根莖中N含量和Ca含量，植株Mg含量、植株Fe含量、根葉中P含量、莖中K含量和莖中Mn含量無顯著差異 (表6)。植株鉀素含量整體偏低，可能與本試驗選用的玉米品種有關(guān)。沼液灌溉的對照植株根、莖中氮含量分別比蒸餾水灌溉處理增加了50%和4.8%，生物質(zhì)炭處理分別增加了22%和48%，果膠處理分別增加了117%和96%。與對照相比，生物質(zhì)炭處理植株N含量最高，果膠處理最低，可能由于果膠

不含氮，微生物在利用果膠時需要氮，就與根系產(chǎn)生了競爭作用。除了氮，生物質(zhì)炭處理的植株根莖P含量、莖鉀含量、根莖葉Ca含量、根莖Mg含量高于加果膠處理。但是沼液灌溉時果膠處理葉片中N、P、Mg含量并未顯著降低，生物質(zhì)炭處理N、P、Mg的轉(zhuǎn)運系數(shù)分別為1.09、1.50和1.08，果膠處理分別為1.23、2.43和1.07；蒸餾水灌溉時，生物質(zhì)炭處理N、P、Mg的轉(zhuǎn)運系數(shù)分別為1.09、1.34和1.01，果膠處理分別為1.90、2.03、1.17。根系鐵的含量較高，是因為根表形成了鐵膜。果膠處理根系的Fe、Mn含量高于生物質(zhì)炭處理，但轉(zhuǎn)運系數(shù)低于生物質(zhì)炭處理。在蒸餾水灌溉和沼液灌溉時，果膠處理植株Fe的轉(zhuǎn)運系數(shù)為0.02和0.09，Mn的轉(zhuǎn)運系數(shù)為0.20和0.23；生物質(zhì)炭處理植株Fe的轉(zhuǎn)運系數(shù)為0.07和0.10，Mn的轉(zhuǎn)運系數(shù)為0.34和0.30。

表3 沼液灌溉下添加生物質(zhì)炭和果膠對土壤有效態(tài)重金屬含量的影響(mg/kg)Table 3 Effects of biocharandpectinonthe contents of soil available heavy metalsunder the fermentedwaste water irrigation

表4 添加生物質(zhì)炭和果膠對沼液灌溉下植株重金屬含量的影響(mg/kg)Table 4Effects of biochar andpectinonthe contents of plant heavy metals under the fermentedwaste water irrigation

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2.5 對土壤鹽漬化的影響

與蒸餾水灌溉相比，沼液灌溉的根際土壤電導(dǎo)率無顯著變化，但非根際土壤有所增加，且在生物質(zhì)炭處理和果膠處理差異顯著 (P＜ 0.05, 表1)。對照、生物質(zhì)炭處理和果膠處理沼液灌溉的非根際土壤電導(dǎo)率分別比蒸餾水灌溉增加了21%、74%和50%。沼液的高電導(dǎo)率導(dǎo)致了被灌溉土壤含鹽量的增加，這與 Kiziloglu 等[30]和 García 和 Hernández[31]的研究結(jié)果一致。另一方面，種植植物的根際土壤電導(dǎo)率并沒有被沼液的高電導(dǎo)顯著影響。沼液灌溉時，生物質(zhì)炭處理和果膠處理根際土壤的電導(dǎo)率與對照無顯著差異，但生物質(zhì)炭處理比果膠處理顯著提高了53% (P＜ 0.05)；非根際土壤中生物質(zhì)炭處理土壤的電導(dǎo)率依然最高，比果膠處理和對照顯著提高了31%和35% (P＜ 0.05)。許健[32]研究表明，生物炭 (竹炭和木炭) 對土壤鹽分表聚現(xiàn)象有顯著的影響，當(dāng)生物炭含量較大時 (不小于10%)，增強土壤蒸發(fā)能力，加劇表層土壤鹽堿化的程度。但本實驗添加了1%小麥秸稈炭，造成了土壤電導(dǎo)率的增加，可能由于供試土壤性質(zhì)和生物質(zhì)炭的種類不同。由于生物質(zhì)炭的添加增加了土壤電導(dǎo)率，生物質(zhì)炭增加植株養(yǎng)分 (表6) 和降低植株重金屬 (表4) 的效果就被抵消了，所以生物質(zhì)炭對植株生長無明顯影響 (圖2)。

2.6 對土壤和植株重金屬含量的影響

與蒸餾水灌溉相比，沼液灌溉增加了根際和非根際土壤中有效Cu和Zn尤其是有效Zn的含量，對土壤有效Pb、Cd、Ni無顯著影響 (表3)。由于沼液中Zn含量較高，沼液灌溉的土壤有效Zn含量也較高，沼液灌溉時對照、生物質(zhì)炭處理和果膠處理根際土壤中有效Cu含量分別比蒸餾水灌溉時增加了24% (P＜ 0.05)、24% (P＜ 0.05) 和 8.5%，有效 Zn 含量分別增加了 293% (P＜ 0.05)、295% (P＜ 0.05) 和281% (P＜ 0.05)。在蒸餾水灌溉條件下，果膠處理的根際土壤有效Cu含量顯著高于生物質(zhì)炭處理和對照(P＜ 0.05)，生物質(zhì)炭處理的根際土壤有效Cu含量低于對照，可能是由于在堿性土壤中果膠與Cu形成絡(luò)合物增加了土壤中有效Cu的含量，而生物質(zhì)炭吸附Cu對Cu起了固定作用；同樣，沼液灌溉時，果膠處理根際土壤有效Cu含量最高，生物質(zhì)炭處理最低。在蒸餾水和沼液灌溉的非根際土壤中，果膠處理土壤的有效Cu含量均顯著高于生物質(zhì)炭處理和對照 (P＜ 0.05)，生物質(zhì)炭處理的土壤有效Cu含量低于對照。果膠和生物質(zhì)炭的加入對根際和非根際土壤有效Zn的含量無顯著影響，可能由于Zn的吸附能力較弱。從土壤有效Pb含量的結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，果膠處理根際和非根際土壤有效Pb含量均高于相應(yīng)的生物質(zhì)炭處理和對照，說明果膠對土壤Pb起到了較好的絡(luò)合作用。生物質(zhì)炭和果膠對根際和非根際土壤有效Cd的含量無明顯影響。在根際土壤中，生物質(zhì)炭和果膠對土壤中有效Ni的影響與Cu相似，生物質(zhì)炭顯著降低了土壤有效Ni含量 (P＜ 0.05)，果膠顯著增加了土壤有效Ni含量 (P＜ 0.05)。生物質(zhì)炭和果膠對土壤中不同重金屬的影響規(guī)律不同，主要受兩種物質(zhì)自身性質(zhì) (pH、帶電量、官能團種類及含量)、重金屬與兩種物質(zhì)的絡(luò)合穩(wěn)定常數(shù)和作用方式等因素影響。以絡(luò)合能力為例，研究表明酸性土壤中有機質(zhì)與Cu的絡(luò)合能力大于Pb、Cd、Zn等重金屬[11]。

與土壤中有效態(tài)重金屬含量高低基本一致，沼液灌溉的植株根莖葉中Cu、Zn、Pb含量均高于蒸餾水灌溉處理，而對植株Cd、Ni含量基本無影響 (表4)。植株Zn含量增加最明顯，對照、生物質(zhì)炭處理和果膠處理根中Zn含量在沼液灌溉時分別比蒸餾水灌溉時顯著增加了102%、176%和67% (P＜ 0.05)，莖中Zn含量分別顯著增加了244%、277%和498%(P＜ 0.05)，葉中分別顯著增加了68%、125%和293%(P＜ 0.05)。與對照相比，不管是蒸餾水還是沼液灌溉時，生物質(zhì)炭降低了根中Cu含量，果膠增加了根中Cu含量，根中Zn含量也有同樣的趨勢。對于Pb、Cd、Ni，在灌溉水源相同時，果膠處理根系重金屬含量依然最高，但生物質(zhì)炭處理和對照相比無顯著變化。雖然，生物質(zhì)炭和果膠造成了植株根系重金屬含量不同，轉(zhuǎn)移到植株莖中也各有差異，但是最終轉(zhuǎn)移到葉片中的重金屬基本無顯著差異，也就是說，果膠促進了重金屬在根系的累積，但又有效降低了其向地上部的轉(zhuǎn)運。沼液灌溉時，生物質(zhì)炭處理Zn、Pb、Cd、Ni的轉(zhuǎn)運系數(shù)分別為0.94、0.62、2.72、0.23，果膠處理分別為0.86、0.57、1.94和0.14。在土壤中重金屬含量差別較小的情況下，生物質(zhì)炭和果膠對玉米吸收不同重金屬的影響規(guī)律不同，主要受植株生長情況、根系對不同重金屬的吸收轉(zhuǎn)運能力影響。本研究所選用的玉米品種對植物必需金屬元素Zn的吸收和轉(zhuǎn)運能力最強。玉米對重金屬有較強的忍耐力，在Pb、Cd、Ni這三種元素中，對Pb的吸收能力最強。

3 討論

目前關(guān)于沼液灌溉條件下養(yǎng)分和重金屬在土壤-植物系統(tǒng)遷移轉(zhuǎn)化的研究已有很多[33–40]，但關(guān)于添加生物質(zhì)炭和果膠對該過程影響的研究較少。與蒸餾水灌溉相比，沼液灌溉對植株地上部的生長無顯著影響。生物質(zhì)炭對植株的生長無顯著影響，而果膠促進了植株的生長。沼液灌溉向土壤中引入了重金屬Cu和Zn，這與前人研究結(jié)果一致[41]。生物質(zhì)炭不僅在南方酸性土壤的肥力增加、酸度改良、重金屬修復(fù)、固碳等方面有優(yōu)異的表現(xiàn)，也在北方堿性土壤的肥力增加、重金屬等污染物修復(fù)中表現(xiàn)突出。而關(guān)于果膠對土壤中養(yǎng)分和重金屬遷移轉(zhuǎn)化的研究不多。有機酸影響土壤和礦物對重金屬的吸附量，其影響的方向決定于土壤、礦物和有機酸的性質(zhì)及反應(yīng)條件[42]。Wang等[11,16]研究表明果膠可以使磚紅壤和紅壤表面正電荷降低，負電荷增加，增加其對銅和鎘的靜電吸附，同時與銅形成表面絡(luò)合物并被土壤吸附，從而降低了土壤中銅和鎘的活性和移動性?？勺冸姾赏寥篮偷V物中的情況與恒電荷土壤中的有所不同，一般在酸性條件下，有機酸增強了土壤和礦物對重金屬離子的吸附能力，因為這時土壤和礦物對有機酸有很高的吸附容量，有機酸和重金屬的協(xié)同吸附增加了土壤和礦物對重金屬離子的吸附量。但在北方恒電荷土壤中，有機酸的存在反而降低了礦物和土壤對重金屬離子的吸附量[43]，因為高pH下土壤和礦物對有機酸的吸附量減小，加入體系中的大部分有機酸留在溶液中，這部分有機酸通過與金屬離子的絡(luò)合降低了土壤對其的吸附量。果膠主要與重金屬形成可溶性絡(luò)合物[11–16]，且果膠具有一定的水溶性同時很難被恒電荷土壤吸附，因此，重金屬在土壤中的活性和移動性因果膠的添加而變大。對于養(yǎng)分元素來說，果膠起到了匯的作用，提高了養(yǎng)分的利用率；對于重金屬來說，果膠起到了屏障的作用。Zhang和van Kan[44]研究表明，果膠阻擋了植物病原菌入侵植物體，但又為病原菌提供了養(yǎng)分來源，和本研究結(jié)果有相似之處。有研究表明果膠的甲基化程度影響植物的耐鋁毒能力[45]，還可以改善腸道功能，促進養(yǎng)分吸收[46]。所以，果膠對養(yǎng)分和重金屬的影響值得深入研究。本研究只使用了1%的添加量，不同添加量的影響有待進一步研究。同時，果膠存在于大多數(shù)原細胞壁中，在陸地植物的非木質(zhì)部分特別豐富，來源廣泛，應(yīng)用前景廣闊。在實際應(yīng)用中，應(yīng)綜合考慮土壤pH、電導(dǎo)率、土壤和植株的養(yǎng)分和重金屬含量以及植株生物量等因素，在灌溉沼液時合理地添加生物質(zhì)炭或果膠。該研究不僅為沼液的農(nóng)業(yè)安全利用提供理論依據(jù)，同時為我國北方溫帶地區(qū)以及世界上其他類似地區(qū)擬定植物根際污染物阻控和生態(tài)環(huán)境保護措施提供科學(xué)依據(jù)，提高對養(yǎng)分和重金屬離子與果膠、生物質(zhì)炭之間的相互作用機理的認識，將豐富土壤表面化學(xué)和環(huán)境化學(xué)的理論。

4 結(jié)論

在本試驗條件下，沼液灌溉植株的生長狀況與蒸餾水灌溉無顯著差異，但沼液灌溉降低了土壤pH，增加了土壤全氮、有效磷、速效鉀和有機質(zhì)含量，增加了土壤中有效Cu和Zn尤其是有效Zn的含量。生物質(zhì)炭可以增加土壤和植株養(yǎng)分含量，降低土壤有效態(tài)重金屬和植株重金屬含量。相比于生物質(zhì)炭，添加果膠降低了土壤電導(dǎo)率，增加了土壤有效養(yǎng)分含量，促進了養(yǎng)分在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運，導(dǎo)致土壤有效態(tài)重金屬的含量升高，促進了植株根系對重金屬的累積，但降低了重金屬從植株根系向地上部的轉(zhuǎn)運，促進了植物的生長。

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