王金剛，田 甜，王海江，朱永琪

(石河子大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，新疆石河子 832000)

土壤是人類(lèi)賴(lài)以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展以及農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，土壤重金屬污染問(wèn)題日益嚴(yán)重[1]，其中，Cd具有較強(qiáng)的蓄積性、遷移能力和生物可積累性，是最有毒性的無(wú)機(jī)污染物之一[1-2]。 據(jù)2017年環(huán)保部的數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)土壤Cd污染的點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)7%， 遠(yuǎn)高于汞(1.6%)、砷(2.7%)、鉛(1.5%)等其他重金屬元素[3]。研究表明，由于化學(xué)肥料的大量使用、殘膜等白色污染在農(nóng)田中的積累，中國(guó)已經(jīng)超過(guò)13萬(wàn)km2的耕地被鎘、鉛等重金屬污染，包含11個(gè)省市，25個(gè)地區(qū)[4]。近年來(lái)，土壤Cd污染造成的作物的Cd超標(biāo)現(xiàn)象引起了社會(huì)的極大關(guān)注。因此，針對(duì)日益嚴(yán)重的土壤和作物Cd污染問(wèn)題，為了保證農(nóng)業(yè)的質(zhì)量安全和可持續(xù)發(fā)展，降低作物中吸附的重金屬Cd污染變得尤為重要。

生物質(zhì)炭是一類(lèi)富含炭的生物質(zhì)[5]，且富含植物所需要的一些營(yíng)養(yǎng)元素，可以為植物提供大量的養(yǎng)分物質(zhì)[6]。從而為作物提供良好的生長(zhǎng)環(huán)境[7-8]。Kuzyakov等[9]研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭可以使酸性淋溶土的酸度降低，使蘿卜的干物質(zhì)量有了顯著的增加。另一方面，生物質(zhì)炭中還含有一定的微量營(yíng)養(yǎng)元素，能夠使水稻的根系鮮質(zhì)量增加，改良根系形態(tài)特征，從而增強(qiáng)水稻的生理功能，還能增加土壤中有機(jī)質(zhì)含量[10-11]。研究顯示，施用生物質(zhì)炭可以提高作物產(chǎn)量，降低土壤Cd的生物有效性，減少作物對(duì)土壤 Cd 的吸收[12-13]。對(duì)于重金屬?gòu)?fù)合污染的作物，采用可以吸附污染植物的重金屬[14]，從而達(dá)到重金屬對(duì)植物污染的改良和降低作物對(duì)重金屬的吸收的目的。張小凱等[15]研究結(jié)果表明，施用生物質(zhì)炭可以吸附土壤中的重金屬，有效地降低土壤重金屬的生物有效性和在環(huán)境中的遷移能力。但也有學(xué)者做有關(guān)黑麥草的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)施用生物質(zhì)炭27.8和55.6g·kg-1時(shí)，它的干物質(zhì)積累量能增加到20% 和52%(與對(duì)照相比)，但施用生物質(zhì)炭達(dá)到93和185g·kg-1時(shí)，較對(duì)照反而降低8% 和30%[16]。Rondon 等[17]研究表明，當(dāng)施用生物質(zhì)炭的量為30和60g·kg-1時(shí)，可顯著增加大豆產(chǎn)量，但當(dāng)施用生物質(zhì)炭量增至90g·kg-1時(shí)，較對(duì)照相比，大豆產(chǎn)量會(huì)出現(xiàn)下降趨勢(shì)，這表明施加適量的生物質(zhì)炭可以明顯的促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育，但施用過(guò)量反而抑制作物的生長(zhǎng)發(fā)育。

棉花是新疆農(nóng)業(yè)種植的特色經(jīng)濟(jì)作物，棉花種植面積、單位面積產(chǎn)量、總產(chǎn)量一直居全國(guó)首位[18-19],其產(chǎn)量占全國(guó)棉花生產(chǎn)總量的比重則高達(dá)70%左右[20]，棉花的主要產(chǎn)物是棉纖維，副產(chǎn)品是棉籽，棉籽具有非常高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，并且棉仁中含有的30%～45%蛋白質(zhì)、20%～45%的油分，是重要的優(yōu)質(zhì)食用油資源和潛在的蛋白質(zhì)食物來(lái)源。但是，隨著新疆棉花的長(zhǎng)期連作，化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜的大量使用，農(nóng)田土壤重金屬的積累日益增多[21-22]，作物對(duì)重金屬的吸收造成重金屬在植株各器官中累積[21]，導(dǎo)致產(chǎn)品品質(zhì)下降，而且會(huì)通過(guò)食物鏈對(duì)動(dòng)物和人類(lèi)健康造成危害[23]，富含重金屬Cd的秸稈返還會(huì)造成棉田的二次Cd污染。綜上所述，生物質(zhì)炭的施入可以減少作物對(duì)重金屬Cd的富集，但在生物質(zhì)炭施入土壤的時(shí)間維度上，重金屬對(duì)棉花生長(zhǎng)發(fā)育以及各器官富集的研究較少，因此，本研究采用盆栽試驗(yàn)，研究重金屬Cd污染條件下生物質(zhì)炭施入在時(shí)間尺度上對(duì)棉花生長(zhǎng)發(fā)育的影響，探究施入生物質(zhì)炭對(duì)棉花地上部各器官中Cd的富集，為新疆棉田土壤重金屬污染治理以及棉花種植的健康發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)設(shè)在石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)站，棉花秸稈取自試驗(yàn)站棉田，生物質(zhì)炭由棉花秸稈在 450 ℃下限氧6 h制得。供試土壤取自石河子大學(xué)試驗(yàn)站長(zhǎng)期連作(1993年開(kāi)始種植，連作25 a)棉田，土壤類(lèi)型為灰漠土，土壤質(zhì)地為壤土，具體土壤理化特性見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)方案

研究采用盆栽試驗(yàn)， 供試棉花品種為魯研棉24號(hào)，試驗(yàn)設(shè)4個(gè)重金屬Cd水平，分別為施加0、1、2、4 mg·kg-1(施入劑量按照國(guó)家三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的4倍污染水平計(jì))，以H0、H1、H2和H3表示。生物質(zhì)炭施加設(shè)3個(gè)水平，分別為0、15 g·kg-1、30 g·kg-1，以C0、C1、C2表示。試驗(yàn)每盆裝土12 kg，添加生物質(zhì)炭和基肥，先讓土壤中的養(yǎng)分和水分等平衡一周，然后添加重金屬Cd，繼續(xù)靜置，平衡7周后進(jìn)行播種[24-28]，共12個(gè)處理，為了滿(mǎn)足棉花生育期取樣，每個(gè)處理設(shè)置5次重復(fù)，共60盆。試驗(yàn)每盆施肥量按照當(dāng)?shù)卮筇锩藁ǚN植施用量進(jìn)行換算，磷、鉀肥在播種前一次性施入做基肥，氮肥全部隨水追施，棉花整個(gè)生育期共灌水9次，灌水周期為7～12 d，使其田間持水量保持在的70%～80%。

1.3 采樣方法及測(cè)試指標(biāo)

1.3.1 樣品的采集 待棉花出苗后，在其生育期30 d、60 d、90 d、120 d、150 d取地上部植株樣品和土壤樣品，植株分葉片、莖稈、蕾鈴器官待測(cè)各指標(biāo)。

1.3.2 測(cè)試指標(biāo) 分別對(duì)各處理棉花生長(zhǎng)發(fā)育狀況進(jìn)行定期觀測(cè)，并詳細(xì)記錄棉花生育時(shí)期，采集植株樣品，測(cè)定棉花干物質(zhì)積累量、株高、產(chǎn)量，棉花莖、葉、蕾鈴中 Cd 的全量采用微波消解-石墨原子吸收分光光度法測(cè)定，具體為準(zhǔn)確稱(chēng)取烘干后的植株(莖，葉片和蕾鈴)0.5 g，用硝酸∶高氯酸(體積比2∶1)密封消解樣品，而后測(cè)定莖、葉和蕾鈴中的Cd全量[29]。各器官重金屬鎘的分配系數(shù)計(jì)算如下式[30]：

分配系數(shù)=(各器官Cd積累量/地上部總Cd積累量)×100%

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

采用Excel 2010、 Sigma Plot 12.5和 SPASS 17軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物質(zhì)炭對(duì)Cd污染條件下棉花生長(zhǎng)發(fā)育的影響

2.1.1 棉花株高 由圖1可知，棉花株高隨著生育期的延續(xù)呈現(xiàn)前期增長(zhǎng)快，后期慢的趨勢(shì)，施用生物質(zhì)炭對(duì)棉花的株高具有一定的促進(jìn)作用。相同重金屬處理水平下，C1處理和C2處理較對(duì)照C0對(duì)棉花的株高有一定的促進(jìn)作用，且C2處理較C1處理對(duì)棉花株高的促進(jìn)作用更明顯。H0水平下，培養(yǎng)90 d時(shí)，C2H0棉花株高為47.38 cm，C1H0棉花株高為46.68 cm, 較對(duì)照C0H0增高5.96%和7.6%；在H1水平下，培養(yǎng)30 d和90 d時(shí)，C1和C2處理棉花株高顯著高于對(duì)照C0(P<0.05)，30 d的C1H1、C2H1處理的株高為11.71、12.15 cm，90 d的C1H1、C2H1處理的株高為47.68、48.38 cm，較對(duì)照C0H1增高了 13.48%、17.85%、8.24%、9.83%。H3水平下，C1H3、C2H3在生育期30 d的株高分別為10.71 cm和11.15 cm，90 d的株高分別為43.68 cm和46.38 cm，較對(duì)照C0H3增高了15.02%、 19.76%、3.86%、10.26%。在培養(yǎng)期60 d、120 d和150 d，生物質(zhì)炭的施入對(duì)棉花株高的影響不顯著，C1H3處理和C2H3處理較對(duì)照C0H3處理數(shù)值有一定的提升，且C2H3處理下更明顯。

同組數(shù)據(jù)不同小寫(xiě)字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)，下圖同

The different lowercase letters after the same group data indicate the significant difference between different treatment(P<0.05),the same below

圖1 生物質(zhì)炭處理下不同Cd污染水平的棉花株高
Fig.1 Cotton plant height with different Cd pollution levels under biochar treatment

2.1.2 棉花單株干物質(zhì)積累量 由表2可以看出，隨著棉花生育期的延長(zhǎng)，棉花干物質(zhì)積累量也在不斷地增加，且在相同重金屬處理水平下，與對(duì)照C0相比，添加生物質(zhì)炭使棉花干物質(zhì)積累量有明顯的增加。對(duì)棉花同一生育期不同處理間進(jìn)行方差分析發(fā)現(xiàn)，30 d時(shí)，C2水平與C1水平的棉花干物質(zhì)積累量顯著大于對(duì)照C0，且C1與C2之間的差異顯著，C2H3處理下的單株干物質(zhì)量為6.08 g，與對(duì)照C0H3相比高出36.63%。60 d時(shí)，C1和C2水平與對(duì)照C0相比，生物質(zhì)炭對(duì)棉花干物質(zhì)的積累有顯著的影響，但C1和C2之間沒(méi)有顯著的差異，最大積累量為C2H0處理下的8.9 g， 與對(duì)照相比干物質(zhì)積累量增加了 41.05%。在90 d的H0水平下，C1和C2處理與對(duì)照C0相比差異顯著(P<0.05)，H1水平下，C1和C2處理顯著高于對(duì)照，但兩處理之間差異不顯著。生育期120、150 d，C1處理較對(duì)照C0差異不顯著，C2處理積累量顯著高于對(duì)照(P<0.05)，其中C2H0、C2H3處理棉花的最大單株積累量為70.57 g和70.56 g，較對(duì)照增加了 20.44%，20.62%。相同生物質(zhì)炭添加量，不同重金屬Cd污染濃度間各生育期棉花干物質(zhì)積累量差異均不顯著，表明在本研究中Cd污染濃度小于4 mg·kg-1時(shí)，土壤Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)棉花干物質(zhì)積累量影響不顯著。

注：數(shù)據(jù)為5個(gè)重復(fù)的平均值，同列數(shù)據(jù)后不同小寫(xiě)字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)，下同。

Note: Data are the average of 5 replicates. The different lowercase letters after the same column data indicate the significant differences among different treatments(P<0.05), the same below.

2.1.3 棉花產(chǎn)量 由表3可以看出，施加生物質(zhì)炭能夠有效增加棉花的單鈴質(zhì)量和單株鈴數(shù)，從而顯著增加棉花的產(chǎn)量。H0水平下，C1處理較對(duì)照C0單鈴質(zhì)量差異不顯著， C2處理較對(duì)照C0顯著增加了13.04%，H1、H2處理與H0表現(xiàn)出類(lèi)似的趨勢(shì)，H3水平下，C1、C2處理的單鈴質(zhì)量與對(duì)照相比差異顯著。H0、H1、H2和H3水平，C1和C2處理與對(duì)照C0相比蕾鈴數(shù)有顯著的增加，蕾鈴數(shù)最多的為C2H3處理，為6.5個(gè)，與對(duì)照C0H3相比蕾鈴數(shù)增加了25%； H1水平下，C1、C2處理與對(duì)照C0相比蕾鈴數(shù)顯著增加了12%和18%，但C1和C2處理間沒(méi)有顯著的差異。由不同Cd污染條件下棉花單鈴質(zhì)量和蕾鈴數(shù)來(lái)看，外源Cd的添加對(duì)棉花的單鈴質(zhì)量和蕾鈴數(shù)均沒(méi)有顯著的影響。施加生物質(zhì)炭對(duì)棉花產(chǎn)量有顯著的增產(chǎn)效果，C0、C1、C2處理間差異顯著，C2施用量棉花單株產(chǎn)量最高，C2H0、C2H1、C2H2、C2H3棉花單株產(chǎn)量分別為32.24、34.22、32.33和35.75 g。

2.2 生物質(zhì)炭對(duì)棉花地上部Cd富集的影響

2.2.1 生物質(zhì)炭施入對(duì)Cd富集的差異性比較 由表4、表5和表6可以看出，隨著向土壤中施入重金屬Cd的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越多，棉花地上部分各器官對(duì)重金屬的吸收越多，且棉花葉片中的Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，莖稈、蕾鈴質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低；在C0H3處理下，棉花葉片中的Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)在其生育期90 d達(dá)到最大為0.799 2 mg·kg-1，莖在120 d達(dá)到最大為0.083 9 mg·kg-1，蕾鈴與莖、葉相比Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，在90 d達(dá)到最大為 0.066 0 mg·kg-1。施入生物質(zhì)炭可以明顯地減少棉花地上部各器官對(duì)重金屬Cd的富集，在H0水平下，與對(duì)照相比，生物質(zhì)炭的施入對(duì)棉花地上部各器官中Cd的積累沒(méi)有顯著影響；H1、H2水平下， 在90、120和150 d時(shí)生物質(zhì)炭處理C1、C2對(duì)棉花地上部器官中Cd的積累較對(duì)照顯著降低(P<0.05)，H3水平下，生物質(zhì)炭的添加在各生育時(shí)期均顯著低于對(duì)照C0。施入生物質(zhì)炭能夠降低棉花地上部各器官Cd的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，即生物質(zhì)炭可以通過(guò)吸附土壤中的重金屬Cd，降低重金屬的生物有效性，從而減少棉花對(duì) Cd 的吸收[31]。在時(shí)間尺度上則表現(xiàn)出未添加生物質(zhì)炭處理隨著生育期延續(xù)，棉花葉片、莖稈、蕾鈴Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)略微增加的趨勢(shì)，施入生物質(zhì)炭處理C1、C2均表現(xiàn)出生育后期低于生育前期，且隨著Cd污染濃度的增大，生物質(zhì)炭對(duì)地上部各器官Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低幅度也越大。

表3 生物質(zhì)炭處理下不同Cd污染水平的棉花產(chǎn)量及構(gòu)成因子Table 3 Cotton yield composition factors of different Cd pollution levels under treatment of different biomass charcoal

表4 生物質(zhì)炭處理下不同Cd污染水平的棉花葉片Cd富集Table 4 Cd enrichment of cotton leaves with different Cd pollution levels under biochar treatment mg·kg-1

表5 生物質(zhì)炭處理下不同Cd污染水平的棉花莖Cd富集Table 5 Cd enrichment of cotton stems with different Cd pollution levels under biochar treatment mg·kg-1

表6 生物質(zhì)炭處理下不同Cd污染水平的棉花蕾鈴Cd富集Table 6 Cotton bud bell Cd enrichment with different Cd pollution levels under biochar treatment mg·kg-1

2.2.2 棉花地上部器官重金屬Cd的分配系數(shù) Cd的分配系數(shù)是隨作物發(fā)育進(jìn)程變化的一個(gè)動(dòng)態(tài)參數(shù)，能夠精確表征Cd向莖、葉和儲(chǔ)存器官的積累與分配規(guī)律。通過(guò)圖2、圖3、圖4和圖5可以看出棉花葉片中Cd的分配系數(shù)最高，莖中Cd的分配系數(shù)次之，蕾鈴中Cd的分配系數(shù)最小。生物質(zhì)炭的施加對(duì)棉花地上部分各器官Cd的分配系數(shù)沒(méi)有顯著影響， 如C2H2處理下，棉花生育期150 d葉片的分配系數(shù)為0.869 1，較對(duì)照C0H2差異不顯著。生物質(zhì)炭施入對(duì)棉花葉片和蕾鈴的分配系數(shù)有略微下降趨勢(shì)，而莖稈的分配系數(shù)有略微的提高，隨著Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，莖稈和蕾鈴的Cd分配系數(shù)在減小，而葉片的Cd分配系數(shù)有增大趨勢(shì)，如棉花莖稈和蕾鈴在其生育期90 d時(shí)C0H3較C0H0 Cd分配系數(shù)分別降低了 63.5%和48.3%，葉片卻升高了11.78%。葉片的Cd分配系數(shù)隨著生育期的延長(zhǎng)略微降低，而莖稈和蕾鈴卻有所提升，如棉花葉片的Cd分配系數(shù)在C0H3處理下由生育期60 d到生育末期150 d降低了1.3%，莖稈和蕾鈴升高了2.2%和 1.3%。Cd分配系數(shù)與地上部各器官Cd積累量和地上部總Cd積累量有關(guān)，這與Cd在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制有關(guān)[32]，而生物質(zhì)炭施入對(duì)Cd的積累和分配并沒(méi)有直接影響。因此，棉花體內(nèi)各器官Cd的運(yùn)輸與積累等生理過(guò)程并不因?yàn)榧尤肷镔|(zhì)炭而發(fā)生改變。

圖2 棉花生育期60 d時(shí)Cd的分配系數(shù)Fig.2 Distribution coefficient of cadmium in cotton at 60 days of growing period

圖3 棉花生育期90 d時(shí)Cd的分配系數(shù)Fig.3 Distribution coefficient of cadmium at 90 days of cotton growth period

3 討 論

3.1 生物質(zhì)炭對(duì)Cd污染條件下棉花生長(zhǎng)發(fā)育的影響

本研究通過(guò)生物質(zhì)炭施入對(duì)棉花生長(zhǎng)發(fā)育的影響發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭的添加對(duì)棉花的生長(zhǎng)發(fā)育有一定的促進(jìn)作用，在未添加外源Cd污染H0水平下，培養(yǎng)90 d時(shí)，C2處理較對(duì)照C0株高、干物質(zhì)量、單鈴質(zhì)量、單株蕾鈴數(shù)和產(chǎn)量分別增加了 7.6%、 21.74%、13.04%、16.98%和32.24%；王欣欣等[33]在以竹材廢棄物為原料制成的生物質(zhì)炭較對(duì)照顯著増加了水稻產(chǎn)量，李正東等[34]在麥田土壤中的研究也表明，6種生物質(zhì)炭復(fù)合肥均顯著提高小麥產(chǎn)量，增幅達(dá)20.0%～35.4%。生物質(zhì)炭的之所以對(duì)棉花的生長(zhǎng)發(fā)育有促進(jìn)作用，主要是因?yàn)樯镔|(zhì)炭含有大量的有機(jī)質(zhì)和一定量養(yǎng)分元素，施入土壤后不僅可以為作物生長(zhǎng)發(fā)育提供養(yǎng)分，而且顯著促進(jìn)了作物對(duì)氮、磷等元素的吸收[35]，從而通過(guò)協(xié)調(diào)土壤養(yǎng)分供應(yīng)進(jìn)而影響作物生長(zhǎng)發(fā)育。本研究中重金屬Cd的添加對(duì)棉花生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量沒(méi)有顯著影響(P<0.05)，重金屬Cd為1 mg·kg-1和2 mg·kg-1時(shí)，對(duì)棉花的生長(zhǎng)有稍微的促進(jìn)作用，但是目前針對(duì)低濃度Cd對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的促進(jìn)作用的具體機(jī)理尚不清楚，可能是低濃度的Cd通過(guò)加速植物體內(nèi)某些生理生化反應(yīng)，進(jìn)一步促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育[36]。有關(guān)研究[37-38]發(fā)現(xiàn)棉花生長(zhǎng)發(fā)育最好的濃度是1 mg·kg-1，在高濃度(5 mg·kg-1和10 mg·kg-1)的情況下，生長(zhǎng)狀況都要差于對(duì)照組，這說(shuō)明低濃度的Cd對(duì)棉花的生長(zhǎng)有促進(jìn)作用，而高濃度的Cd對(duì)棉花的生長(zhǎng)有抑制作用；本研究發(fā)現(xiàn)生育初期30 d時(shí)，棉花株高由C0H0的10.306 7 cm 到高濃度Cd處理C0H3的9.306 67 cm，降低了10.75%，高濃度Cd對(duì)棉花的株高有一定的抑制作用，但是隨著生育期的延長(zhǎng)，到120 d，株高由C0H0的55.675 cm 到C0H3的55.675 cm，前后基本沒(méi)有變化，說(shuō)明這種抑制作用逐漸減弱。陳悅等[39]在研究Cd污染條件下發(fā)現(xiàn)高濃度Cd 對(duì)棉花生長(zhǎng)發(fā)育的影響主要表現(xiàn)在生育前期，到生育后期影響較小，與本研究結(jié)果一致。這可能是因?yàn)樯捌冢酌鐚?duì)Cd的適應(yīng)能力弱，Cd的濃度過(guò)高，對(duì)棉花有一定毒害作用，隨著生育的延長(zhǎng)，棉花對(duì) Cd 的適應(yīng)能力增強(qiáng)，對(duì)棉花的影響減小，所以影響不顯著，但是高濃度Cd處理下棉花在生育前期受到比較嚴(yán)重的損壞，影響同化產(chǎn)物和養(yǎng)分的運(yùn)輸，抑制棉花發(fā)育，使得棉花鈴質(zhì)量、單株鈴數(shù)和產(chǎn)量稍微有些下降[40-41]。

圖4 棉花生育期120 d時(shí)Cd的分配系數(shù)Fig.4 Distribution coefficient of cadmium at 120 days of cotton growth period

圖5 棉花生育期150 d時(shí)Cd的分配系數(shù)Fig.5 Distribution coefficient of cadmium at 150 days of cotton growth period

3.2 生物質(zhì)炭對(duì)棉花地上部Cd富集的影響

3.2.1 生物質(zhì)炭施入對(duì)Cd富集的差異性比較 重金屬脅迫下植物的生長(zhǎng)和生理特性會(huì)受到明顯影響，施用土壤改良劑能夠有效的減輕重金屬對(duì)植物的毒害作用，促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育[42]。本研究中，重金屬Cd在棉花地上部各器官的富集情況為棉花葉片中的Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，莖稈、蕾鈴質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，這與任秀娟等[43]研究的結(jié)果一致。葉片中累積的Cd最高，可能是由于葉片葉柄屬于維管束組織，在維管束中有載體蛋白的存在，如螯合蛋白[44]，可以與Cd形成復(fù)合物來(lái)減輕傷害，進(jìn)而阻止Cd向其他部位轉(zhuǎn)運(yùn)，所以棉花營(yíng)養(yǎng)器官葉片Cd積累量遠(yuǎn)高于莖稈和蕾鈴[45]。在相同Cd水平下， 施入生物質(zhì)炭對(duì)棉花地上部各器官Cd的富集明顯降低，且隨著棉花生育時(shí)期的延長(zhǎng)，棉花地上部分各器官的Cd的富集明顯降低，這與劉阿梅等[46]在研究Cd脅迫下施用不同處理的生物質(zhì)炭能夠吸附降解蔬菜中重金屬Cd的積累、提高蔬菜產(chǎn)量結(jié)果一致；另有研究表明生物質(zhì)炭在1%、2% 以及 4% 的施用量下，土壤可交換態(tài)Cd降低了28.5%～59.4%，對(duì)水稻Cd積累量的降幅為 2.7%～23.8%[47]，這些都說(shuō)明生物質(zhì)炭能夠通過(guò)表面陽(yáng)離子的交換、官能團(tuán)絡(luò)合作用、增加土壤 pH 以及碳酸鹽、磷酸鹽等無(wú)機(jī)鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)從而與土壤中的重金屬離子進(jìn)行結(jié)合、吸附、沉淀，最后減少植物對(duì)重金屬Cd的吸收[48-52]。

3.2.2 分配系數(shù) 分配系數(shù)體現(xiàn)了重金屬總量在地上部各個(gè)器官中的分配情況，是評(píng)估植物重金屬積累和富集情況的重要指標(biāo)，本研究發(fā)現(xiàn)不同地上部各器官Cd分配系數(shù)與積累Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)順序是一致的，葉片分配系數(shù)遠(yuǎn)高于莖稈和蕾鈴。有研究表明，重金屬Cd在水稻、小麥根系周?chē)|(zhì)量分?jǐn)?shù)較多[53]，但是，對(duì)有些雙子葉植物而言，在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)旺盛的部位(綠葉)往往Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，而營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的貯存器官(根系、蕾鈴等) Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，如棉花葉的Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)較根系高[45]，這可能與Cd在棉花中的存在形態(tài)和運(yùn)輸機(jī)制有關(guān)。隨著Cd濃度的增大，莖稈和蕾鈴的Cd分配系數(shù)在減小，而葉片的Cd分配系數(shù)有增大趨勢(shì)，但是葉片的Cd分配系數(shù)隨著生育期的延長(zhǎng)略微降低，而莖稈和蕾鈴卻有所提高，這可能是因?yàn)殡S著生育期的延長(zhǎng)，棉花的生長(zhǎng)發(fā)育由的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)轉(zhuǎn)化，Cd也會(huì)隨著各類(lèi)載體向生長(zhǎng)旺盛的地方進(jìn)行少量轉(zhuǎn)移[54]。生物質(zhì)炭對(duì)棉花地上部各器官 Cd 的分配系數(shù)影響不顯著，隨著生育期的延長(zhǎng)，各器官Cd的分配系數(shù)無(wú)顯著差異，但是整體有稍微的上升趨勢(shì)。赫天一[55]研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭對(duì)棉花各個(gè)器官的Cd分配系數(shù)沒(méi)有顯著影響。Cd在地上部分各器官累積分配是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程[56]，大量研究表明，植物主要通過(guò)與細(xì)胞壁的結(jié)合、液泡的區(qū)域化以及與某些有機(jī)物的螯合等途徑積累Cd，進(jìn)行自我解毒作用[57]，而有研究發(fā)現(xiàn)Cd在植物體內(nèi)的分配累積主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：首先從細(xì)胞水平來(lái)講，Cd在植物體內(nèi)的積累過(guò)程主要是在液泡及質(zhì)外體中；從組織水平上講，此過(guò)程表現(xiàn)為Cd在植物的表皮細(xì)胞以及亞表皮細(xì)胞中累積分配[58]，而跟是否添加生物質(zhì)炭沒(méi)有直接的關(guān)系。

4 結(jié) 論

生物質(zhì)炭對(duì)棉花的株高、干物質(zhì)積累、單鈴質(zhì)量、蕾鈴數(shù)和棉花產(chǎn)量有顯著的促進(jìn)作用，且施入3%較1.5%促進(jìn)作用更明顯。

土壤中Cd(小于等于4 mg·kg-1)對(duì)棉花的干物質(zhì)積累、鈴質(zhì)量、鈴數(shù)和單株產(chǎn)量的影響均不顯著(P>0.05)；重金屬Cd在棉花地上部各器官的富集情況為棉花葉片>莖>蕾鈴，施入生物質(zhì)炭對(duì)棉花地上部各器官Cd的富集明顯降低，時(shí)間尺度上表現(xiàn)出生育前期降幅較快，后期趨于 穩(wěn)定。

施入生物質(zhì)炭對(duì)棉花地上部各器官Cd的分配系數(shù)影響不顯著，各生育時(shí)期分配系數(shù)差異也不大。