李轉(zhuǎn)玲 李培嶺 黃國(guó)勤 MUHAAMAD A

(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)科學(xué)研究中心， 南昌 330045； 2.江西青年職業(yè)學(xué)院經(jīng)濟(jì)管理系， 南昌 330045；3.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)土資源與環(huán)境學(xué)院， 南昌 330045)

0 引言

生物質(zhì)炭具有特殊的孔隙結(jié)構(gòu)、較大的比表面積和多種化學(xué)官能團(tuán)，可以吸附和負(fù)載肥料養(yǎng)分，延緩肥料在土壤中的釋放，降低養(yǎng)分淋失[1-3]，因此炭肥混合是提高土壤養(yǎng)分有效性的重要方式。生物質(zhì)炭作為一種新型多功能材料，多用來改良土壤理化性質(zhì)[4]，增加土壤碳匯，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量[5]，還能有效地保存土壤水分和養(yǎng)料，提高土壤肥力[6]。生物質(zhì)炭輸入土壤后，通過提高土壤的碳氮比，增強(qiáng)了土壤對(duì)礦質(zhì)氮的吸持容量，提高了礦質(zhì)氮肥的利用率[7]。生物質(zhì)炭對(duì)氮肥影響主要是通過吸附土壤中極性化合物，并通過微孔儲(chǔ)存氮素得以保持[8-10]，另外生物質(zhì)炭施入土壤后可抑制微生物的反硝化作用以降低氮氧化物的排放[11]，從而減少氮肥的損失，因此在生物質(zhì)炭基肥吸附銨態(tài)氮和硝態(tài)氮作用下[12-14]，顯著減少土壤速效養(yǎng)分的損失，從而提高肥料的利用率。在土壤重金屬污染植物修復(fù)領(lǐng)域，肥料有效性是影響重金屬富集植物生育特性以及修復(fù)效率的重要因素[15-16]。目前的常規(guī)施肥方式，容易隨灌溉等因素影響造成養(yǎng)分流失[17-18]，施肥調(diào)控對(duì)于植物修復(fù)特性影響有限。本試驗(yàn)借助于炭肥混施方式提高土壤養(yǎng)分有效性，以改善富集植物生理特性；研究炭肥混施下土壤養(yǎng)分有效性及印度芥菜鎘富集特征，以提高重金屬富集植物的生育水平和富集能力，為農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的重金屬污染修復(fù)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)區(qū)位于江西省南昌市江西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)科技園內(nèi)，屬亞熱帶季風(fēng)區(qū)，以雙季稻等耕種為主，近年來隨周圍工業(yè)發(fā)展以及農(nóng)田過量施肥等影響致使土壤重金屬污染呈現(xiàn)加重趨勢(shì)，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)土壤重金屬及養(yǎng)分含量見表1。依據(jù)土壤重金屬植物修復(fù)模式及芥菜吸收、轉(zhuǎn)移和富集鎘元素特性，本文于2016年1月—2017年12月進(jìn)行了炭肥混施下土壤養(yǎng)分緩釋特征及芥菜鎘富集響應(yīng)試驗(yàn)。通過起壟(壟頂開溝5 cm)撒種、炭肥混施和灌溉后進(jìn)行回填，每壟種植兩行(壟頂間距30 cm，行距15 cm)。試驗(yàn)設(shè)置不同施炭量(C0、C1、C2分別為炭肥質(zhì)量比0、3%、9%)和不同施肥量(F0、F0.2、F0.4、F0.7、F1.0分別為基準(zhǔn)施肥量的0、20%、40%、70%和100%，基準(zhǔn)施肥量：N 350 kg/hm2、P2O5180 kg/hm2、K2O 180 kg/hm2)共15個(gè)處理。生物炭由水稻秸稈通過SK2-1-12型管式爐 (上海實(shí)驗(yàn)電爐廠) 500～600℃的高溫缺氧狀態(tài)下，對(duì)其有控制地進(jìn)行高溫分解得到，生物炭比表面積5次取樣均值為(338±52)m2/g，pH值為10.08±2.30，N質(zhì)量比為(1.23±0.18)g/kg，P質(zhì)量比為(0.42±0.11)g/kg。肥料為尿素、磷酸二氫鉀、硫酸鉀(分析純),作為底肥一次性施入，試驗(yàn)灌水定額整個(gè)生育期共灌溉5次，灌水日期和灌水量各處理均一致，試驗(yàn)材料為湖北太谷科技公司生產(chǎn)的印度芥菜。

表1 播種前芥菜主要根區(qū)范圍內(nèi)土壤鎘及養(yǎng)分含量(質(zhì)量比)Tab.1 Soil contents of cadmium and nutrient in main root zone of mustard before sowing mg/kg

1.2 測(cè)定項(xiàng)目及方法

土壤鎘含量背景值：取土?xí)r間為播種前35 d，考慮炭肥混施作用、芥菜生長(zhǎng)的關(guān)鍵期以及生物炭作用范圍，土壤養(yǎng)分及鎘含量檢測(cè)的采樣時(shí)間均為種植后110 d，并在垂直壟方向及種植行中間(距離莖稈底端水平7.5 cm)及地表以下0～30 cm土層采樣并混合均勻檢測(cè)。

芥菜生物量：從土壤中挖出芥菜，將根系沖洗干凈，用濾紙吸去明水，稱量。植株于干燥箱內(nèi)105℃殺青2 h，70℃干燥，地上部和根部分別稱量。

土壤養(yǎng)分(堿解氮、有效磷、有效鉀)含量：堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定，速效磷含量采用鹽酸氟化銨浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定，速效鉀含量則采用乙酸銨浸提-原子吸收分光光度法測(cè)定。芥菜鎘含量采用石墨爐原子吸收光譜法檢測(cè)(GB/T 5009.15—2003)，提取地上部和根部分別檢測(cè)。土壤鎘含量采用原子吸收分光光度計(jì)(Z-5000 ASS型)測(cè)定。富集系數(shù)(Bioaccumulation factors，BCFs)為植物重金屬含量與土壤中的重金屬含量的比值。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

采用SPSS 18.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。每個(gè)處理3次重復(fù)，共有9個(gè)樣本計(jì)算平均值和誤差。依據(jù)兩年炭肥對(duì)土壤養(yǎng)分和植物生理指標(biāo)影響，采用Logistic累積曲線模擬該模型，表述為

(1)

式中K、a、b——模型待定參數(shù)

當(dāng)研究炭肥混施下土壤養(yǎng)分緩釋對(duì)施肥比例響應(yīng)時(shí)，y表示土壤養(yǎng)分(有效氮、有效磷、有效鉀)含量，x表示肥料施用比例，分別為0、20%、40%、70%、100%。當(dāng)研究芥菜生物量及富集特性對(duì)土壤養(yǎng)分響應(yīng)時(shí)，y表示模擬指標(biāo)值 (生物量、鎘含量和鎘富集系數(shù))，x表示土壤養(yǎng)分(有效氮、有效磷、有效鉀)含量。

對(duì)式(1)進(jìn)行一階、二階、三階求導(dǎo)可以得到模擬指標(biāo)高效增長(zhǎng)的變量起始值(X1)、高效增長(zhǎng)結(jié)束的變量值(X2)、最高效率的變量值(X0)以及最大效率值(Vmax)，各參數(shù)的計(jì)算公式分別為

(2)

(3)

(4)

(5)

模型各參數(shù)依據(jù)2016年試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，通過2017年試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，計(jì)算分析均方根誤差(RMSE)，均方根誤差越小，表明各指標(biāo)變化一致性越好。模型驗(yàn)證中均方根誤差計(jì)算式為

(6)

式中PRMSE——均方根誤差

n——樣本數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 炭肥混施下土壤養(yǎng)分含量變化趨勢(shì)及緩釋特征

通過模型模擬炭肥混施下土壤養(yǎng)分對(duì)施肥比例的響應(yīng)，結(jié)果表明有效氮、有效磷和有效鉀含量的RMSE占實(shí)測(cè)平均值3.29%～6.70%,相關(guān)系數(shù)R2不低于0.983 5(表2)。從土壤養(yǎng)分緩釋的實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)來看(圖1)，土壤養(yǎng)分含量在施肥比例區(qū)間F0至F0.7的增幅為48.74%～362.58%，F(xiàn)0.7至F1.0處理下增幅為1.85%～23.91%；施炭處理下C1、C2的土壤養(yǎng)分含量比C0分別增長(zhǎng)5.75%～101.46%、9.39%～106.42%。從土壤養(yǎng)分模型擬合曲線及特征參數(shù)來看(表3)，有效氮、有效磷和有效鉀高效緩釋的施肥比例區(qū)間(X1～X2)為0.99%～55.18%，施炭緩釋作用下有效氮、有效磷和有效鉀的最高含量比未施炭處理提高25.89%～40.93%、24.86%～36.08%和17.38%～26.68%，有效氮、有效磷的緩釋最大效率值(Vmax)提高49.17%～90.00%、13.25%～37.35%。因此施炭有利于土壤養(yǎng)分緩釋，提高了土壤養(yǎng)分有效含量和緩釋效率，為芥菜鎘富集提供養(yǎng)分支持。

2.2 鎘污染下土壤養(yǎng)分含量變化對(duì)芥菜生物量累積的影響

生物量反映生長(zhǎng)發(fā)育程度而且是影響芥菜鎘富集的重要因素。依據(jù)芥菜鎘富集對(duì)土壤養(yǎng)分響應(yīng)模型模擬(表4)，結(jié)果表明地上部和根部生物量的RMSE分別占其平均值5.81%和6.57%且R2不小于0.957 0。圖2表明土壤鎘污染下芥菜生物量隨養(yǎng)分含量增加呈上升趨勢(shì)，其中土壤養(yǎng)分高效緩釋區(qū)間地上部和根部生物量分別增長(zhǎng)119.65%～141.77%、246.20%～263.36%，而生物量最高的地上部、根部實(shí)測(cè)均值分別達(dá)模型預(yù)測(cè)最高值(K值)的60.94%～93.32%、44.86%～63.30%。生物量高效累積對(duì)土壤養(yǎng)分有效氮、有效磷和有效鉀含量的響應(yīng)區(qū)間分別為6.26～137.96 mg/kg、6.22～41.43 mg/kg和97.25～382.00 mg/kg，其中地上部生物量高效累積相比根部的有效氮、有效磷響應(yīng)區(qū)間(X1～X2)分別擴(kuò)大150.00%、12.51%，最大效率值(Vmax)提高166.67%～300.00%，實(shí)現(xiàn)了芥菜同化物質(zhì)由根部至地上部的有效轉(zhuǎn)移，為芥菜鎘由根部向地上部轉(zhuǎn)移提供動(dòng)力。依據(jù)表4中參數(shù)K值及對(duì)應(yīng)自變量排序，比較土壤養(yǎng)分對(duì)生物量累積的驅(qū)動(dòng)潛力影響，則地上部由大到小順序?yàn)橛行У?、有效鉀、有效磷含量；根部由大到小順序?yàn)橛行р洝⒂行Я?、有效氮含量?/p>

表2 炭肥混施下土壤養(yǎng)分含量變化的模型參數(shù)Tab.2 Regression model parameters and soil nutrient content under mixed carbon-fertilizer treatment

圖1 炭肥混施下土壤養(yǎng)分含量的變化曲線Fig.1 Changing trend of soil nutrient content under combined application of carbon and fertilizer

土壤養(yǎng)分施炭處理特征參數(shù)土壤養(yǎng)分高效緩釋含量/(mg·kg-1)X1/%X2/%X0/%Vmax初始值結(jié)束值效率最高值C01.5345.4323.481.2016.8663.9640.75有效氮C10.9938.6219.801.7921.5380.5250.80C22.3435.2618.802.2824.0790.1457.43C02.5055.1828.840.8314.1053.0233.70有效磷C12.3154.9928.650.9415.8766.2046.99C21.8945.7923.841.1416.1072.1551.54C01.6854.3628.029.54121.40531.18368.36有效鉀C11.7854.4628.129.65131.53623.50448.65C22.0754.7528.4110.32166.80672.92535.48

表4 芥菜生物量累積對(duì)土壤養(yǎng)分響應(yīng)的模型參數(shù)及特征參數(shù)Tab.4 Model parameters and characteristic parameters of mustard biomass accumulation in response to soil nutrients

圖2 芥菜生物量累積對(duì)土壤養(yǎng)分的響應(yīng)趨勢(shì)Fig.2 Response trends of biomass accumulation of mustard to soil nutrients

2.3 鎘污染下土壤養(yǎng)分含量對(duì)芥菜鎘富集趨勢(shì)影響

依據(jù)芥菜鎘富集對(duì)土壤養(yǎng)分響應(yīng)模型，鎘含量、富集系數(shù)的模擬結(jié)果表明(表5)RMSE值占實(shí)測(cè)平均值為4.76%～8.37%，R2不小于0.973 0，模型較好地反映了芥菜鎘富集對(duì)土壤養(yǎng)分的響應(yīng)趨勢(shì)。圖3表明芥菜鎘富集隨土壤養(yǎng)分含量增加呈上升趨勢(shì)，在土壤養(yǎng)分高效緩釋區(qū)間內(nèi)(有效氮、有效磷和有效鉀質(zhì)量比分別為：16.86～91.14 mg/kg、14.10～72.15 mg/kg和121.40～672.92 mg/kg)，鎘含量、富集系數(shù)分別增長(zhǎng)97.79%～201.96%、122.40%～143.02%，并隨土壤養(yǎng)分增加地上部、根部的鎘含量試驗(yàn)處理最高均值達(dá)模型預(yù)測(cè)最高值(K值)的80.49%～98.85%、62.07%%～90.33%，富集系數(shù)則為26.78%～60.08%、45.27%～66.30%，可見芥菜鎘含量隨土壤養(yǎng)分含量增加已達(dá)較高水平，而富集系數(shù)仍有上升潛力。依據(jù)表5中參數(shù)K值及相應(yīng)自變量排序，比較土壤養(yǎng)分的驅(qū)動(dòng)潛力，鎘含量由大到小排序?yàn)椋河行р?、有效磷、有效氮含量；富集系?shù)由大到小排序?yàn)椋河行Я住⒂行р?、有效氮含量?/p>

2.4 芥菜鎘高效富集的土壤養(yǎng)分含量及炭肥混施策略

從芥菜鎘富集對(duì)土壤有效養(yǎng)分響應(yīng)的特征參數(shù)來看(表6)，鎘含量高效累積的土壤有效氮、有效磷和有效鉀質(zhì)量比響應(yīng)區(qū)間分別為5.76～67.01 mg/kg、10.07～39.34 mg/kg和143.99～447.23 mg/kg，而土壤養(yǎng)分高效緩釋的有效氮、有效磷和有效鉀質(zhì)量比分別在91.14、72.15、672.92 mg/kg以下，表明本試驗(yàn)中炭肥混施下高效緩釋土壤養(yǎng)分含量能夠滿足鎘含量高效累積需求。另外鎘含量高效累積中根部比地上部的有效氮、磷響應(yīng)區(qū)間(X1～X2)擴(kuò)大9.30%、22.21%，且最大效率值(Vmax)提高68.39%～136.84%，表明地上部鎘含量提升可通過土壤養(yǎng)分緩釋驅(qū)動(dòng)根部鎘的轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)。富集系數(shù)高效提升的有效氮、有效磷和有效鉀質(zhì)量比響應(yīng)區(qū)間分別為3.22～96.74 mg/kg、10.34～75.58 mg/kg、32.01～342.60 mg/kg，表明富集系數(shù)提升所需的有效氮、有效磷含量略高于土壤養(yǎng)分高效緩釋區(qū)間。綜合比較芥菜鎘含量、富集系數(shù)高效提升需求，土壤有效氮、有效磷和有效鉀含量分別應(yīng)滿足96.74、75.58、447.23 mg/kg。結(jié)合土壤養(yǎng)分緩釋特征及節(jié)約肥料的原則，通過模型式(1)反算，確定芥菜鎘高效富集的炭肥混施策略：C2情況下有效氮、有效磷和有效鉀肥的比例為60.58%、61.32%、21.48%。

表5 芥菜鎘富集特性對(duì)土壤養(yǎng)分響應(yīng)的模型參數(shù)及特征參數(shù)Tab.5 Model parameters and characteristic parameters of mustard cadmium enrichment in response to soil nutrient

圖3 芥菜鎘含量和富集系數(shù)對(duì)土壤養(yǎng)分的響應(yīng)趨勢(shì)Fig.3 Response trends of cadmium content and enrichment coefficient of mustard to soil nutrients

表6 芥菜鎘含量和富集系數(shù)對(duì)土壤養(yǎng)分響應(yīng)的特征參數(shù)Tab.6 Characteristic parameters of response of cadmium accumulation in mustard plants to soil nutrient content

3 討論

土壤重金屬污染植物修復(fù)技術(shù)已經(jīng)取得了一定的研究成果，其中土壤養(yǎng)分管理、植物生長(zhǎng)發(fā)育調(diào)控、重金屬富集特性等是影響植物修復(fù)效率的重要環(huán)節(jié)[19-22]。目前施肥對(duì)植物修復(fù)調(diào)控效應(yīng)有限，主要是土壤養(yǎng)分損失問題突出，而施加生物炭能夠提高土壤養(yǎng)分有效性和利用效率，因此本文采用炭肥混施方式研究土壤養(yǎng)分緩釋特征。同目前相關(guān)炭肥混施或施加生物炭對(duì)肥料利用等研究相比[23-25]，本研究的特點(diǎn)是依據(jù)Logistic曲線模型模擬土壤養(yǎng)分緩釋特征，通過對(duì)比土壤養(yǎng)分高效緩釋區(qū)間和最大緩釋效率值等參數(shù)，分析炭肥混施對(duì)土壤養(yǎng)分緩釋的影響。結(jié)果表明在肥料中添加施炭量相比未施炭的有效氮、有效磷最大緩釋效率值分別提升49.17%～90.00%、13.25%～37.35%，高效緩釋下土壤養(yǎng)分含量提高17.38%～40.93%，因此施炭提高了土壤養(yǎng)分含量和緩釋效率。但超過土壤養(yǎng)分高效緩釋區(qū)間的施肥比例，可能由于一定施炭量情況下肥料養(yǎng)分維持和儲(chǔ)存能力有限，隨施肥量增加土壤有效養(yǎng)分含量增幅有所下降，生物炭的緩釋作用有所降低[26]，因此提高土壤養(yǎng)分緩釋效率可以考慮減少施肥量或增加施炭量，尤其是對(duì)于重金屬污染土壤植物修復(fù)的養(yǎng)分需求持續(xù)性具有重要意義。

生物量反映生長(zhǎng)發(fā)育程度而且是影響重金屬富集植物的重要因素。通過同化物質(zhì)由根部向地上部有效轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)植物重金屬富集，在本試驗(yàn)中鎘富集下芥菜生物量在土壤養(yǎng)分高效緩釋區(qū)間增長(zhǎng)119.65%～263.36%，且地上部相比根部的生物量高效累積最大效率值提高166.67%～300.00%，有效氮、有效磷響應(yīng)區(qū)間分別擴(kuò)大150.00%、12.51%，說明在土壤養(yǎng)分緩釋作用下提升了光合產(chǎn)物合成與轉(zhuǎn)移效率[26-27]，為芥菜鎘由根部向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)提供動(dòng)力基礎(chǔ)。土壤養(yǎng)分可能有助于消減根部的重金屬脅迫影響進(jìn)而提升重金屬富集特性，為土壤重金屬芥菜修復(fù)效率的提升奠定基礎(chǔ)[28-29]。本試驗(yàn)中芥菜鎘含量、富集系數(shù)在土壤養(yǎng)分高效緩釋區(qū)間增長(zhǎng)97.79%～201.96%，表明土壤養(yǎng)分緩釋作用下芥菜鎘富集效率較高；鎘含量高效累積中根部比地上部的有效氮、有效磷響應(yīng)區(qū)間擴(kuò)大9.30%、22.21%，且最大效率值提高68.39%～136.84%，表明地上部鎘含量提升可通過土壤養(yǎng)分緩釋驅(qū)動(dòng)根部鎘的轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)。因此總體上炭肥混施土壤養(yǎng)分緩釋作用促進(jìn)了芥菜生物量累積以及鎘高效富集，實(shí)現(xiàn)芥菜鎘富集提升并節(jié)約肥料資源的目的。

4 結(jié)束語

Logistic曲線模型模擬炭肥混施下土壤養(yǎng)分緩釋特征及芥菜鎘富集趨勢(shì)效果較好，模型反映出炭肥混施相比未施炭可顯著提高土壤養(yǎng)分的含量和緩釋效率，高效緩釋作用下土壤養(yǎng)分含量提高17.38%～40.93%。在土壤養(yǎng)分高效緩釋區(qū)間內(nèi)生物量增長(zhǎng)119.65%～263.36%，鎘含量、富集系數(shù)增長(zhǎng)97.79%～201.96%，可見炭肥混施對(duì)土壤養(yǎng)分的緩釋作用驅(qū)動(dòng)了芥菜生長(zhǎng)發(fā)育及鎘高效累積。為滿足芥菜鎘高效富集并兼顧肥料節(jié)約原則，通過模型計(jì)算得炭肥混施最優(yōu)策略為：9%施炭下有效氮、有效磷和有效鉀肥的比例為60.58%、61.32%、21.48%。