黃 慶，張建文，黃連喜，魏 嵐，黃玉芬，楊曉娟，許桂芝，劉忠珍

（1.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南方植物營(yíng)養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣東省農(nóng)業(yè)資源循環(huán)利用與耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640；2.云浮市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，廣東 云浮 527300；3.云浮市云城區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，廣東 云浮 527300）

【研究意義】花生（Arachis hypogaeaL.）是重要的經(jīng)濟(jì)作物和油料作物之一，眾多研究表明，花生莢果對(duì)土壤鎘具有很強(qiáng)的富集能力，花生米鎘含量偏高已成為制約我國(guó)花生生產(chǎn)的重要因素[1-4]。廣東省粵北地區(qū)的礦山和冶煉廠(chǎng)等是主要的重金屬污染源，其周邊農(nóng)田土壤重金屬污染突出問(wèn)題由來(lái)已久，受到社會(huì)的廣泛關(guān)注[5-6]，而當(dāng)?shù)剞r(nóng)民常年有規(guī)模化種植花生的習(xí)慣，花生莢果存在高重金屬含量的風(fēng)險(xiǎn)。本試驗(yàn)的目的在于探索一種新型高效生物炭組合材料，并驗(yàn)證其在花生生產(chǎn)上的應(yīng)用效果。

【前人研究進(jìn)展】2018年8月1日開(kāi)始實(shí)施的《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB15618-2018），要求“對(duì)于土壤重金屬含量高于風(fēng)險(xiǎn)篩選值，等于或者低于風(fēng)險(xiǎn)管制值時(shí)，土壤可能存在食用農(nóng)產(chǎn)品不符合質(zhì)量安全標(biāo)準(zhǔn)等風(fēng)險(xiǎn)，原則上應(yīng)采取農(nóng)藝調(diào)控、替代種植等安全利用措施”[7]。對(duì)于這種重金屬含量不高，但存在重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)的耕地，采用向土壤中施用鈍化劑的辦法，通過(guò)鈍化劑與土壤重金屬發(fā)生絡(luò)合、沉淀、吸附、離子交換以及氧化還原反應(yīng)，以減少重金屬的遷移性和生物有效性，從而降低植株對(duì)重金屬的吸收，生產(chǎn)出符合質(zhì)量安全標(biāo)準(zhǔn)的農(nóng)產(chǎn)品，這種安全利用措施不影響正常農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，可以達(dá)到邊生產(chǎn)邊修復(fù)的目的[8-9]。

【本研究切入點(diǎn)】常用的鈍化劑包括石灰性物質(zhì)、生物炭、有機(jī)肥、粘土礦物和磷酸鹽材料等[10-12]。其中生物炭被證明能有效降低土壤重金屬的生物有效性，減少污染物的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，可以作為土壤重金屬污染治理修復(fù)的較好材料[13-14]。試驗(yàn)證明，堿渣鈣鎂肥呈弱堿性，富含鈣、鎂和硅等多種營(yíng)養(yǎng)元素。同時(shí)，堿渣鈣鎂肥以其價(jià)格低廉、效果明顯的優(yōu)點(diǎn)，更多地被應(yīng)用于鈍化土壤重金屬活性上[15-16]。本試驗(yàn)選擇廣東省仁化縣存在鎘污染風(fēng)險(xiǎn)農(nóng)田為試驗(yàn)地，以椰殼生物炭和堿渣鈣鎂肥為試驗(yàn)材料。方法是在NPK常規(guī)施肥的基礎(chǔ)上，配施生物炭、堿渣鈣鎂肥、生物炭+堿渣鈣鎂肥，對(duì)不同處理進(jìn)行比較，研究生物炭+堿渣鈣鎂肥的施用對(duì)土壤pH、土壤有效鎘含量，以及花生米、花生殼、花生莖葉不同植株部位鎘累積量的影響?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】生物炭和堿渣鈣鎂肥各自在改良土壤理化性狀、增產(chǎn)和改善品質(zhì)等方面有諸多研究，但兩者配合施用對(duì)改良重金屬污染土壤，培肥地力，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)，以及降低作物對(duì)鎘等重金屬的吸收累積卻鮮見(jiàn)報(bào)道。另外，目前有關(guān)降低花生籽粒中重金屬含量的研究報(bào)道多來(lái)自盆栽試驗(yàn)，偶有大田研究結(jié)果。本研究解決生物炭“有機(jī)+無(wú)機(jī)”的組配在花生大田的效應(yīng)問(wèn)題，以期為生物炭材料的增效利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)地位于廣東省仁化縣某礦區(qū)附近農(nóng)田。該地冬春冷，夏秋熱，年平均氣溫為19.6℃，氣候?yàn)橹衼啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，年平均降雨量為1 665 mm左右。種植的主要作物為水稻、花生和玉米。

生物炭是以椰殼為原料經(jīng)550～600℃厭氧炭化，粉粹過(guò)0.4 mm孔篩，pH7.34、比表面積114.8 m2/g、總C 78.6%，Ca O1.19%。堿渣鈣鎂肥由氨堿法制堿產(chǎn)生的廢渣經(jīng)過(guò)無(wú)害化處理和改性工藝加工而成，pH8.52、MgO 7.1%、CaO 28.2%、SiO24.1%。

供試土壤是由紅壤母質(zhì)發(fā)育的水稻土，常年水旱輪作，土壤pH6.20、有機(jī)質(zhì)3.64%、堿解氮154.7 mg/kg、有效磷127.3 mg/kg、速效鉀76.0 mg/kg、陽(yáng)離子交換量（CEC）12.35 cmol/kg、交換性鈣11.09 cmol/kg、交換性鎂0.41 cmol/kg、有效硅170.3 mg/kg、有效鎘0.428 mg/kg、全鎘0.748 mg/kg。土壤鎘高于風(fēng)險(xiǎn)篩選值（0.3 mg/kg）[7]，鎘污染指數(shù)Pi=Ci/Si=2.49，屬中度累積。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)常規(guī)施肥NPK（CK）、NPK+生物炭20 t/hm2（B）、NPK+堿渣鈣鎂肥3 t/hm2（C）、NPK+生物炭20 t/hm2+堿渣鈣鎂肥3 t/hm2（BC）4個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積15 m2（10 m×1.5 m）。生物炭和堿渣鈣鎂肥全部用作基肥撒施，結(jié)合整地起畦與耕層土壤充分混勻。NPK用量每667 m2N、P2O5、K2O分別為10、4、8 kg。

花生種子直播，種植規(guī)格為每畦種5行，株行距約20 cm×23 cm，每穴播種子2粒。統(tǒng)一灌溉、防治病蟲(chóng)害、除草等田間常規(guī)管理。晚造花生播種期為2018年8月5日，收獲期為12月1日，全生育期為118 d。

花生成熟采收時(shí)，每處理小區(qū)采取耕層（0～20 cm）土壤混合樣1 kg，進(jìn)行風(fēng)干，分別過(guò)孔徑0.850、0.150 mm篩，儲(chǔ)存?zhèn)溆?。每處理小區(qū)分別收獲，進(jìn)行莢果稱(chēng)重，隨機(jī)取2 kg花生莢果，曬干測(cè)定各處理莢果水分，折算莢果產(chǎn)量。每小區(qū)隨機(jī)采取花生10株，分莖葉、果仁、果殼分別烘干，粉碎備用。

1.3 分析方法

土壤pH值按V（水）∶m（土）=2.5∶1，采用電位法測(cè)定。生物炭pH按V（水）∶m（炭）=10∶1，采用電位法測(cè)定。土壤有機(jī)質(zhì)含量采用高溫外加熱-重鉻酸鉀容量法測(cè)定。陽(yáng)離子交換量采用乙酸鈉浸提-火焰光度計(jì)法測(cè)定。土壤堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定。土壤有效磷含量采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定。土壤速效鉀含量采用1 mol/L NH4OAc浸提-火焰光度法測(cè)定。生物炭全C元素含量使用元素分析儀測(cè)定（德國(guó)Elementar公司Vario ELⅢ）。

植株Cd含量采用HNO3-HClO4消煮-原子吸收分光光度法測(cè)定。土壤有效態(tài)Cd含量采用0.005 mol/L DTPA-0.1 mol/L TEA-0.001 mol/L CaCl2浸提-原子吸收分光光度法測(cè)定（美國(guó)PerkinElmer公司AA800）?；ㄉ状值鞍缀坎捎肏2SO4-K2SO4-CuSO4-Se消煮，N含量測(cè)定換算法。花生米油脂含量采用近紅外分析儀測(cè)定。土壤其他指標(biāo)的測(cè)定采用《土壤農(nóng)化分析》常規(guī)方法[17]。

采用Microsoft Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，SPSS 19統(tǒng)計(jì)分析軟件單因素隨機(jī)區(qū)組ANOVA進(jìn)行方差分析和Duncan多重比較，以及Pearson指標(biāo)間的相關(guān)性分析、線(xiàn)性回歸和相關(guān)顯著性測(cè)驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同材料處理對(duì)土壤的影響

2.1.1 不同材料處理對(duì)土壤pH值的影響 花生成熟收獲后，按不同材料處理小區(qū)采取耕層（0～20 cm）土樣進(jìn)行pH值測(cè)定，得出不同處理土壤pH值變化，結(jié)果見(jiàn)圖1。從圖1可以看出，在習(xí)慣施肥NPK的基礎(chǔ)上，增施生物炭、堿渣鈣鎂肥、生物炭+堿渣鈣鎂肥處理，種植一造花生后，與對(duì)照比較，堿渣鈣鎂肥（C）處理和生物炭+堿渣鈣鎂肥（BC）處理土壤pH值分別提高0.34和0.91個(gè)單位，達(dá)顯著水平；而單施生物炭（B）處理，土壤pH值升高不顯著。

圖1 不同材料處理土壤pH比較Fig.1 Comparison of soil pH under different material treatments

2.1.2 不同材料處理對(duì)土壤有效Cd含量的影響 花生收獲后，按不同處理小區(qū)采取耕層（0～20 cm）土樣進(jìn)行有效Cd含量測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)圖2。從圖2可以看出，與對(duì)照相比，生物炭+堿渣鈣鎂肥（BC）處理、堿渣鈣鎂肥（C）處理均顯著降低了土壤有效Cd含量，而單施生物炭（B）處理對(duì)降低土壤有效Cd含量的效果不顯著。

2.1.3 土壤pH值與有效Cd含量之間的回歸分析 以不同處理的土壤pH值為自變量（X），以土壤有效Cd含量為因變量（Y），n=12進(jìn)行線(xiàn)性回歸和Pearson相關(guān)性分析，畫(huà)出散點(diǎn)圖，得出回歸方程和相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)圖3。從圖3可以看出，土壤pH值與土壤有效Cd含量之間存在顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R2=0.4975，直線(xiàn)回歸方程為Y=-0.0646X+0.7926。

圖2 不同材料處理土壤有效Cd含量比較Fig.2 Comparison of soil available Cd contents under different material treatments

圖3 土壤pH與土壤有效Cd含量的線(xiàn)性回歸分析Fig.3 Regression analysis between soil pH and available Cd contents

2.1.4 不同材料處理對(duì)土壤養(yǎng)分的影響 花生收獲后，按不同材料處理小區(qū)采取耕層（0～20 cm）土樣進(jìn)行有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀、交換性鈣、交換性鎂和有效硅含量的測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以看出，與對(duì)照比較，生物炭+堿渣鈣鎂肥（BC）處理和生物炭（B）處理，土壤有機(jī)質(zhì)含量分別提高21.71%和21.61%，均達(dá)顯著水平；與對(duì)照比較，生物炭+堿渣鈣鎂肥（BC）處理土壤交換性Mg和有效Si含量分別提高72.05%和39.34%，均達(dá)顯著水平。這主要與堿渣鈣鎂肥中Mg和Si含量較高有關(guān)。土壤堿解氮、有效磷、速效鉀、交換性鈣含量處理間無(wú)顯著差異。

表1 不同處理土壤養(yǎng)分含量Table 1 Nutrients content in soil under different material treatments

2.2 不同材料處理對(duì)花生植株各部位Cd含量的影響

花生成熟收獲后，按材料處理小區(qū)采集花生莖葉和莢果進(jìn)行干燥處理，分別測(cè)定花生米、花生殼和花生莖葉重金屬Cd含量，結(jié)果見(jiàn)圖4。從圖4可以看出，與對(duì)照比較，堿渣鈣鎂肥（C）處理、生物炭+堿渣鈣鎂肥（BC）處理成熟期花生莖葉重金屬Cd含量下降20.31%，達(dá)顯著水平；而花生殼重金屬Cd含量下降24.32%，花生米重金屬Cd含量下降18.68%，但兩者均未達(dá)到顯著水平。

圖4 成熟期花生植株各部位Cd含量比較Fig.4 Cd content in different parts of peanut plant at maturity

2.3 不同材料處理對(duì)花生產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

2.3.1 不同材料處理對(duì)花生莢果產(chǎn)量的影響 花生成熟期對(duì)各材料處理小區(qū)進(jìn)行單獨(dú)收獲、脫粒、曬干和稱(chēng)重，得出不同材料處理花生莢果產(chǎn)量，結(jié)果見(jiàn)圖5。從圖5可以看出，與對(duì)照比較，生物炭+堿渣鈣鎂肥（BC）處理花生莢果產(chǎn)量提高9.39%，達(dá)顯著水平；生物炭（B）處理、鈣鎂肥（C）處理與對(duì)照對(duì)花生莢果產(chǎn)量均無(wú)顯著影響。

2.3.2 不同材料處理對(duì)花生農(nóng)藝性狀的影響 花生收獲期，隨機(jī)選取10株花生進(jìn)行主莖高、每株分枝數(shù)、單株莢果數(shù)和飽果率調(diào)查，并對(duì)曬干的莢果樣品進(jìn)行百果重、百果仁重和出仁率調(diào)查，結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可以看出，與對(duì)照比較，生物炭+堿渣鈣鎂肥（BC）處理收獲期花生植株主莖高、分枝數(shù)、莢果數(shù)、飽果率、百果重和百果仁重均呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。

圖5 不同材料處理花生莢果產(chǎn)量比較Fig.5 Comparison of yield of peanut pods under different material treatments

表2 不同材料處理花生農(nóng)藝性狀Table 2 Peanut agronomic traits under different material treatments

2.3.3 不同材料處理對(duì)花生米品質(zhì)的影響 花生成熟期對(duì)各材料處理小區(qū)莢果采樣、去殼、烘干和粉碎，進(jìn)行花生米粗蛋白含量和脂肪含量測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)圖6和圖7。從圖6可以看出，與對(duì)照比較，生物炭+堿渣鈣鎂肥（BC）處理花生米粗蛋白提高9.39%，達(dá)顯著水平。與對(duì)照比較，生物炭（B）處理和堿渣鈣鎂肥（C）處理花生米粗蛋白含量分別提高2.31%和0.99%，均未達(dá)到顯著水平。

圖6 不同材料處理花生米粗蛋白含量Fig.6 Comparison of crude protein content of peanut kernel under different material treatments

圖7 不同材料處理花生米脂肪含量Fig.7 Comparison of crude fat content of peanut kernel under different material treatments

從圖7可以看出，與對(duì)照比較，生物炭（B）處理、生物炭+堿渣鈣鎂肥（BC）處理花生米粗脂肪分別提高2.82%和3.08%，均達(dá)顯著水平。與對(duì)照比較，堿渣鈣鎂肥（C）處理花生米粗脂肪含量有一定程度的提高，但未達(dá)顯著水平。

3 討論

由于生物炭是由木材或秸稈等林業(yè)、農(nóng)業(yè)廢棄物經(jīng)厭氧高溫炭化而成，含有一定量的堿金屬化合物灰分，所以大多數(shù)生物炭材料偏堿性。而本研究采用的是椰子殼作為原材料，炭化之后還進(jìn)行了一定程度的洗滌活化，是一種接近中性的生物炭材料，椰殼生物炭pH值7.34、堿性成分CaO含量1.19%。因此，在本試驗(yàn)處理中可以排除生物炭材料對(duì)土壤pH的影響。也就是本研究中對(duì)降低土壤有效鎘起主要作用的是堿渣鈣鎂肥。堿渣鈣鎂肥pH 8.52、MgO 7.1%、CaO 28.2%、SiO 24.1%，堿渣鈣鎂肥功效與石灰或白云石的性質(zhì)相似[18-20]。

堿渣鈣鎂肥、生物炭+堿渣鈣鎂肥處理，均顯著地提高了酸性土壤pH值，說(shuō)明土壤pH是影響土壤鎘有效性的關(guān)鍵因素，這與黃慶等的研究結(jié)果相吻合[21-22]。當(dāng)然，因?yàn)樯锾勘旧硎且环N多孔材料，比表面積很大（114.8 m2/g），具有較高的吸附性能，在一定程度上也可吸持土壤溶液中重金屬鎘，從而在降低土壤有效態(tài)鎘含量方面起到一定的輔助作用。

酸性土壤受重金屬的污染，采用有機(jī)-中性化技術(shù)的關(guān)鍵是提高土壤的pH，降低鎘等重金屬的有效性，從而減輕重金屬對(duì)作物的危害。本試驗(yàn)中由于堿渣鈣鎂肥的施入，土壤pH值明顯升高，為土壤提供了較多的羥基[OH]-離子，與土壤溶液中的活性鎘離子Cd2+共沉淀，致使土壤有效鎘下降，可以明顯降低花生莖葉對(duì)重金屬鎘的累積，這與以往諸多研究結(jié)果相一致[23-24]。此外，成熟期花生植株各部位重金屬鎘含量為：莖葉＞花生米＞花生殼。雖然種植花生的土壤只是重金屬鎘中度污染，處于風(fēng)險(xiǎn)篩選值范圍，但花生米重金屬鎘含量，各處理均超過(guò)《食品中污染物限量GB 2762-2012》中規(guī)定的花生Cd 0.5 mg/kg的限量值[7]，說(shuō)明花生莢果極容易累積重金屬鎘，對(duì)于存在鎘污染風(fēng)險(xiǎn)的農(nóng)田上種植花生，需要引起足夠的重視。

生物炭+堿渣鈣鎂肥施入土壤中，一方面，生物炭的總C含量達(dá)78.6%，土壤中有機(jī)碳含量顯著提高。生物炭的輸入，在培肥地力的同時(shí)，對(duì)土壤起到保水保肥的效果，從而營(yíng)造有利于花生生長(zhǎng)的土壤環(huán)境[26-28]；另一方面，堿渣鈣鎂肥含有的鎂是花生中葉綠素和植酸鹽的組成元素，鎂能促進(jìn)磷酸酶和葡萄糖轉(zhuǎn)化酶的活化，在碳水化合物代謝中起著重要作用。硅酸還具有置換土壤中磷酸根的作用，因而可促進(jìn)土壤磷的釋放和增加有效磷含量，利于花生對(duì)磷的吸收。綜上，施入生物炭顯著地增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量，有機(jī)質(zhì)與無(wú)機(jī)鎂、硅元素的配合，可使有機(jī)肥的“容量因子”和無(wú)機(jī)肥的“強(qiáng)度因子”有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，營(yíng)養(yǎng)全面，供肥平穩(wěn)。本試驗(yàn)利用生物炭+堿渣鈣鎂肥組配材料，種植一造花生后，土壤有機(jī)質(zhì)、交換性鎂和有效硅含量均明顯提高，收獲期花生植株主莖高、分枝數(shù)、莢果數(shù)、飽果率、百果重和百果仁重都呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，顯著地提高了花生莢果的產(chǎn)量和花生米粗纖維、粗脂肪的含量，這與戰(zhàn)秀梅、王月、陳華等的研究結(jié)果相一致[29-31]。

越來(lái)越多的土壤重金屬污染治理修復(fù)材料都是采用兩種或以上的材料組合的方式。比如生物炭+生物有機(jī)肥[11]、生物炭+石灰[21-22]、石灰+海泡石[23]、沸石+石灰石+鈣鎂磷肥+豬糞[32]、羥基磷灰石+沸石+酸改性炭化秸稈[33]等，都是“有機(jī)+無(wú)機(jī)”或者“有機(jī)+無(wú)機(jī)”進(jìn)行混配。這種組合可以綜合發(fā)揮多種材料各自的優(yōu)點(diǎn)。生物炭、堿渣鈣鎂肥單獨(dú)施用均為耕地土壤重金屬鈍化的良好材料，本試驗(yàn)結(jié)果表明，兩者的配合作用，獲得了良好的效果。至于生物炭+堿渣鈣鎂肥組合材料，對(duì)其他重金屬污染土壤、作物的確切效果如何，還需做進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。

4 結(jié)論

在重金屬鎘中度污染的農(nóng)田，采用生物炭+堿渣鈣鎂肥組合配施，顯著地提高了土壤的pH值，土壤pH與土壤中有效鎘含量之間呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)，從而降低了土壤中重金屬鎘的生物有效性，明顯地減少土壤中鎘向花生植株地上莖葉部位的吸收累積。施入土壤中的生物炭營(yíng)造了良好的土壤理化性狀，堿渣鈣鎂肥則向花生植株提供了大量的鈣、鎂和硅等重量營(yíng)養(yǎng)元素，在顯著提高花生莢果產(chǎn)量的同時(shí)，有效地改善了花生莢果的品質(zhì)。

由于同一作物對(duì)不同重金屬的吸收不同，不同種類(lèi)的作物對(duì)重金屬的吸收亦存在一定的差異，盡管施用生物炭+堿渣鈣鎂肥，花生莖葉、花生殼和花生米中鎘含量均有降低的趨勢(shì)，花生果仁中鎘的含量依然未達(dá)到國(guó)家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。因此，建議在重金屬污染農(nóng)田上，在施用重金屬鈍化材料的同時(shí)，選擇重金屬低累積的作物品種種植，結(jié)合適當(dāng)?shù)霓r(nóng)藝措施，以減少鎘等重金屬通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體。