符 倩，李 路，張皓月，孫芳強，王曉娟，趙倩，毛 暉

(1. 西北農林科技大學 資源環(huán)境學院，陜西楊凌 712100；2.山東省第五地質礦產勘查院，山東泰安 271000；3.中國地質調查局干旱-半干旱區(qū)地下水與生態(tài)重點實驗室，西安 710054；4. 中國地質調查局西安地質調查中心，西安 710054)

汞是一種劇毒重金屬，對人體中樞神經系統(tǒng)及作物生理活性有著很強的毒性作用，被世界衛(wèi)生組織(WHO)列為“重大公共衛(wèi)生關注的十大化學品或化學品類之一”[1]。環(huán)境中汞的來源主要分為自然源和人為源兩種。自然源主要包括地質活動、森林火災和自然風化等，人為源主要包括采礦冶煉、燃料燃燒和化肥農藥等[2-3]。聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)對全球汞污染調查發(fā)現(xiàn)進入大氣中的汞約為5500～8900t·a-1，其中自然源僅占10%左右，人為源是汞污染的主要來源[4]。

旬陽縣位于陜西省安康市，是中國汞的主要產地之一。旬陽縣汞礦資源豐富，開采歷史悠久，長期的汞礦開采活動嚴重的破壞了當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，污染了當?shù)氐霓r田土壤[5]。據陜西省環(huán)境科學研究設計院調查結果顯示，旬陽縣汞礦區(qū)土壤總汞濃度范圍為0.1～150mg·kg-1，參考GB15618-1995《土壤環(huán)境質量標準》中的三級標準(1.5mg·kg-1)對其進行評價，土壤汞污染超標率76.25%；土壤污染區(qū)內的農作物總汞濃度范圍為0.002～0.720mg·kg-1，參考GB2762-2005《食品中污染物限量》成品糧汞限量標準 (0.02mg·kg-1)對其進行評價，41.8%的農作物樣品汞含量超標[6]。Qiu等[7]研究表明，旬陽縣汞礦區(qū)周邊的水稻總汞含量為0.05～0.2mg·kg-1，甲基汞含量為0.0082～0.08mg·kg-1，遠超食品中汞限量標準。農作物從環(huán)境中攝取的汞可通過食物鏈的生物富集作用在人體內蓄積造成汞中毒，汞污染對當?shù)鼐用竦纳踩斐蓸O大威脅，因此修復旬陽縣汞污染土壤、提高作物的生物安全性迫在眉睫。

重金屬污染土壤的修復技術主要包括熱脫附、化學淋洗、電動修復、生物修復及固定穩(wěn)定化技術等[8-9]。固化穩(wěn)定化技術是通過物理和化學作用來共同固定土壤中污染物的修復技術。與其他技術相比，該技術具有修復效率高、修復成本低、適用范圍廣、無二次污染等優(yōu)勢。作為一種固定穩(wěn)定化修復材料，生物炭原料廉價易得、制備工藝簡單易行、生物炭材料環(huán)境友好且對土壤有一定的改良作用，是一種應用前景很好的重金屬污染土壤修復材料。生物炭是由生物質原料在缺氧或絕氧環(huán)境中，通過高溫熱解制得的多孔疏松、官能團豐富、吸附性能優(yōu)異的含碳固態(tài)產物[10]。近年來，一系列研究發(fā)現(xiàn)，生物炭由于其較高的孔隙結構、較多的表面官能團以及較大的比表面積，對于重金屬污染土壤具有良好的修復作用[11-14]。然而由于生物炭在吸附能力和環(huán)境應用等方面具有一定的局限性，通常需要對其進行改性處理以進一步提高生物炭的表面活性和吸附性能[15]。

Liu等[16]通過KOH浸漬生物炭制得堿改生物炭，發(fā)現(xiàn)改性后的生物炭具有更大的比表面積、更豐富的孔隙度和更多的含氧官能團，對土壤Zn的吸附能力顯著增強。范家俊[17]利用疏基乙醇催化酯化法制備了疏基改性水稻秸稈生物炭，改性后的生物炭對于土壤Cd的吸附量提高了約3倍，且土壤Cd被改性生物炭吸附之后不容易解吸下來。在重金屬污染地區(qū)施用改性生物炭，一方面能夠鈍化土壤重金屬降低土壤重金屬的生物有效性，有效的修復重金屬污染土壤；另一方面能夠實現(xiàn)農業(yè)廢棄物資源的再利用?？梢钥闯?，改性生物炭在鈍化修復重金屬污染土壤和改善土壤環(huán)境質量方面具有一定的研究前景和可行性。但是，目前應用改性生物炭修復重金屬污染主要集中在對砷(As)、鎘(Cd)、鉛(pb)、鉻(Cr)、銅(Cu)、鋅(Zn)污染土壤的修復，對于改性生物炭修復Hg污染土壤的報道較少，改性生物炭的應用還有待進一步的研究[18-20]。綠豆具有良好的食用價值與藥用價值，是旬陽縣主要種植作物之一，省內種植面積近40hm2。同時，綠豆對于土壤汞污染較敏感，可以作為土壤汞污染的指示植物。

綜上所述，本試驗選用改性生物炭作為研究對象，選用綠豆作為模式作物來研究改性生物炭對于綠豆生長和果實汞含量的影響，以期通過本研究對修復旬陽縣汞污染土壤和提高作物的生物安全性提供理論依據和技術參考，本研究對于改善當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境與保障人民生命安全具有重要的現(xiàn)實意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗供試土壤取自陜西省旬陽縣某鎮(zhèn)汞礦區(qū)的農田表層(0～20 cm)土壤，農田采取的土壤經除雜自然風干后研磨過100目篩。供試土壤中總汞含量為52.3 mg·kg-1，甲基汞含量為4.9 μg·kg-1，土壤pH為6.2，有機質含量為 25.67 g·kg-1，Hg主要存在形態(tài)為HgS。供試生物炭為CaO改性生物炭，制備過程為將水稻谷殼去除雜質使用超純水清洗干凈，烘箱60 ℃烘干后粉碎，然后在馬弗爐中550 ℃高溫炭化4 h得到初始稻殼生物炭。隨后將初始稻殼生物炭與改性劑CaO以10∶1的質量比混合均勻，在缺氧條件下300 ℃加熱2 h，冷卻至室溫后取出過35目篩去除多余CaO，即得到CaO改性生物炭。為了解改性生物炭結構，對制備的改性生物炭進行了掃描電鏡(SEM)觀察，掃描圖如圖1所示。改性生物炭為中空結構，外表粗糙有凹凸顆粒，內部表面光滑平整。生物炭基本性質見表1。供試綠豆品種為綠寶綠豆，購于山西省太谷縣綠寶種業(yè)有限 公司。

圖1 改性生物炭掃描電鏡內(左)外(右)結構圖Fig.1 Internal (left) and external (right) structures of modified biochar under scanning electron microscopy

表1 改性生物炭基本性質Table 1 Basic properties of modified biochar

1.2 試驗設計

本試驗在西北農林科技大學資源環(huán)境學院旱棚以土培盆栽方式進行，以綠豆為供試作物。試驗選取底部鏤空的23 cm×13 cm的塑料花盆，每盆裝干土1.50 kg。試驗共設置4個處理：(1)不施加改性生物炭(記為CK)；(2)施加0.67%土質量的改性生物炭(每盆10 g，記為C-10)；(3)施加 2.00%土質量的改性生物炭(每盆30 g，記為C-30)；(4)施加3.33%土質量的改性生物炭(每盆50 g，記為C-50)，每個處理設置4個重復。基肥為尿素 (0.30 g·kg-1)和磷酸二氫鉀(0.20 g·kg-1)。將生物炭、基肥與土壤混合均勻后裝盆，然后用蒸餾水澆灌使得土壤含水率達到田間最大持水量的70%，待土壤平衡1周后播種。每盆播種15粒種子，播種15 d后間苗，每盆留5株長勢良好的幼苗。

1.3 樣品采集及測定方法

待植株成熟后整株收獲，先用自來水洗干凈根系泥土再用超純水將整株沖洗干凈，然后用濾紙吸干表面水分。根據組織器官將植株分為根、莖、葉和果實，用電子天平稱量各器官鮮生物量。為了避免根部表面附著的汞對最終測定結果產生影響，將根部用0.01 mol·L-1HNO3超聲清洗 30 s，然后用超純水沖洗3次并擦干表面水分。將植物各部分的組織器官分別裝入紙袋，在烘箱中105 ℃殺青30 min后使用65 ℃烘干至樣品恒質量。用電子天平稱量各器官干生物量，然后將干燥樣品在碳化鎢球磨儀(萊馳MM 400，德國)中粉碎后裝到密封袋保存?zhèn)溆?。將綠豆粉碎樣用濃HNO3-H2O2微波消解(屹堯WX-8000，中國)處理，利用液相-原子熒光光度計(海光LC-AFS-8530，中國)測定各器官中的汞含量，利用石墨爐原子吸收分光光度計(日立Z-2000，日本)測定各器官中微量元素含量，利用近紅外品質分析儀測定果實品質指標(波通 DA 7250，瑞典)，利用南京建成試劑盒對綠豆葉片過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)活性進行測定。

1.4 數(shù)據處理

采用SPSS 26.0對試驗數(shù)據進行統(tǒng)計分析，采用LSD法進行多重比較，顯著性差異為P< 0.05。

2 結果與分析

2.1 施用改性生物炭對汞污染地區(qū)綠豆各器官生物量的影響

由圖2綠豆種植15 d后的生長狀況可知：與CK相比，C-10處理生長狀況無明顯變化；C-30與C-50處理較為顯著的促進了綠豆幼苗的生長，C-30與C-50處理間無顯著差異。由表2綠豆各器官生物量的變化可知：施加改性生物炭后，綠豆各器官的鮮重干重生物量相較于CK均有不同程度的增加，各器官含水率無顯著性差異。總體來看生物量提升效果以C-30處理最好，其根、莖、葉、果實的干生物量增幅分別達到7.04%、 40.86%、33.33%和52.76%。

圖2 綠豆種植15 d后生長狀況Fig.2 Growth of mung bean after 15 days of sowing

表2 施用不同比例的改性生物炭對綠豆各器官生物量的影響Table 2 Effects of different proportions of modified biochar on biomass of mung bean organs

2.2 施用改性生物炭對汞污染地區(qū)綠豆各器官汞含量的影響

生物炭具有很強的吸附性能，可以通過吸附固定土壤中的汞降低植株對于汞元素的吸收。由圖3綠豆各器官汞含量變化可知：施加不同比例的改性生物炭后，綠豆各器官中的汞含量相較于CK均顯著降低，且汞含量隨著改性生物炭施加量的增加而降低，其中以C-50處理效果最佳，根、莖、葉、果實中的汞含量降幅分別達到74.34%、86.02%、70.66%和84.93%。

圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05),下同

施加改性生物炭后，莖葉中的汞含量顯著降低。相較于CK，C-10、C-30和C-50處理的莖汞含量分別降低了64.82%、85.41%和86.02%；葉汞含量分別降低了63.41%、65.77%和70.66%。在CK處理中，果實中的總汞含量高達0.073 mg·kg-1，遠超過GB 2762-2017《食品安全國家標準食品中污染物限量》規(guī)定的谷物及其制品中的總汞限量標準0.02 mg·kg-1。施加生物炭后，C-10、C-30、C-50處理中的果實汞含量分別達到0.025 mg·kg-1、0.012 mg·kg-1和0.011 mg·kg-1，相較于CK分別降低65.75%、 83.56%和84.93%。其中C-30和C-50處理中的汞含量顯著低于國標食品中總汞限量標準，達到可食用標準。

2.3 施用改性生物炭對汞污染地區(qū)綠豆各器官微量元素含量的影響

由表3綠豆各器官中微量元素含量的變化可知：在C-10與C-30處理中，相較于CK，施加改性生物炭后根中的微量元素含量總體上呈下降趨勢，而莖、葉、果實中的微量元素含量總體上呈上升趨勢。在C-50處理中，相較于CK，施加改性生物炭后綠豆各器官中微量元素的含量整體上呈下降趨勢。綠豆各器官微量元素含量受施加劑量的影響。

表3 施用不同比例的改性生物炭對綠豆各器官微量元素含量的影響Table 3 Effects of different proportions of modified biochar on trace element contents in mung bean organs mg·kg-1

2.4 施用改性生物炭對汞污染地區(qū)綠豆果實品質的影響

由表4果實氨基酸含量變化可知，相較于CK，施加生物炭抑制了C-10處理的氨基酸含量，促進了C-30與C-50處理的氨基酸含量，C-30與C-50處理無顯著性差異。由表5果實品質指標含量變化可知，施加生物炭后灰分、碳水化合物、蛋白質、脂肪與氨基酸含量變化趨勢一致，C-10處理均降低了其含量，C-30與C-50處理均增加了其含量。結合表3果實的微量元素含量來看，果實品質以C-30處理最佳。相較于CK，C-30處理的第一限制性氨基酸蛋氨酸含量提高了 13.16%，人體必須的八大氨基酸總含量提高了 10.93%；灰分、碳水化合物、蛋白質和脂肪含量分別提高了2.83%、1.78%、10.21%和14.97%。

表4 施用不同比例的改性生物炭對綠豆果實氨基酸含量的影響Table 4 Effects of different proportions of modified biochar on amino acid content in mung bean fruit %

表5 施用不同比例的改性生物炭對綠豆果實品質的影響Table 5 Effects of different proportions of modified biochar on mung bean quality %

2.5 施用改性生物炭對汞污染地區(qū)綠豆葉片酶活性的影響

由圖4綠豆葉片酶活性的變化曲線可以看出：施加改性生物炭后，綠豆葉片中的POD與CAT活性均呈現(xiàn)出低促高抑的趨勢。在C-10和C-30處理中，酶活性隨著改性生物炭施加量的增加而增加，POD和CAT活性均在C-30處理中達到最大值，其增幅分別為215.03%和 86.31%。隨著改性生物炭施加量的增加，POD與CAT活性在C-50處理中達到最小值，其降幅分別為 2.70%和28.02%。

圖4 施用不同比例的改性生物炭對綠豆葉片酶活性的影響Fig.4 Effects of different proportions of modified biochar on enzyme activities of mung bean leaves

3 討 論

3.1 施用改性生物炭對綠豆各器官生物量的影響

施加改性生物炭后綠豆各器官生物量有所提升的原因可能是：首先，改性生物炭本身含有豐富的礦質元素，施加改性生物炭能夠為土壤補充N、P、K等營養(yǎng)元素，改善土壤理化性質，提升土壤肥力，進而促進植物對于營養(yǎng)元素的吸收轉運[21-22]。其次，改性生物炭具有較高的孔隙結構、較多的表面官能團以及較大的比表面積，因此改性生物炭在使用過程中能夠表現(xiàn)出較強的吸附能力，可以有效的固化土壤中的營養(yǎng)元素，防止土壤養(yǎng)分的流失[23]。此外，本試驗采用堿性氧化物CaO對生物炭進行改性，改性生物炭中富含堿性物質CaO且含有很多的K、Ca、Na、Mg等鹽基離子，施用改性生物炭能夠提高土壤pH，增加土壤膠體表面的負電荷，強化土壤對于汞的吸附作用，降低土壤汞的生物利用度，緩解汞元素對于植物生長的脅迫作用，促進植株的生長發(fā)育從而提高植株生物量[24]。然而，當改性生物炭施加量過多時也會抑制植物的生長。在本試驗中，當改性生物炭施加量達到50 g時，綠豆植株生物量相較于施加30 g改性生物炭時稍有下降，這可能是因為施加過多的改性生物炭提高了土壤的pH，改性生物炭在鈍化汞的同時也鈍化了土壤中的營養(yǎng)元素，降低了營養(yǎng)元素的生物可利用性，阻礙了植物對于營養(yǎng)元素的吸收，延緩了作物的生長從而使得植株的生物量有所降低[25]。

3.2 施用改性生物炭對綠豆各器官汞含量的影響

對于綠豆的根來說，其與土壤中的汞污染物直接接觸，受土壤汞污染物的影響較大。在本試驗中，根中的汞含量顯著高于莖葉和果實中的總汞含量，說明根是植株中汞元素的主要富集部位，這與前人的研究結果一致[26]。施加改性生物炭后根中的汞含量顯著降低，這可能是因為改性生物炭較大的比表面積和較高的孔隙結構使其具有較強的吸附能力，可以將汞吸附固化起來，降低土壤中的汞含量；另外，改性生物炭表面的活性官能團可以作為配體與土壤中的汞發(fā)生絡合反應，形成金屬絡合物從而降低汞的遷移性，抑制植物對于汞的吸收[27]。一般來說，植物主要通過根系吸收污染物，然后將污染物轉運到植株的地上部器官，因此污染物在植物體內的含量一般遵循根>莖>葉。然而在C-30與C-50處理中，葉片中的汞含量幾乎是莖中汞含量的兩倍。這可能是因為土壤中的汞含量相對較高，在植物生長過程中土壤中有一部分汞經高溫揮發(fā)進入大氣中，然后揮發(fā)的氣態(tài)汞通過植物葉片的氣孔重新進入植物體內，致使葉片中的汞含量高于莖中的汞含量[28]。

土壤汞污染不僅會抑制植株的生長，還會通過食物鏈進行生物蓄積和生物放大，對人體健康造成嚴重威脅，因此食品安全問題很值得關注。C-30和C-50處理中的汞含量顯著低于國標食品中總汞限量標準，達到可食用標準。這一結果表明改性生物炭在治理修復汞污染農田土壤中具有較好的鈍化效果，施加改性生物炭降低了汞的生物有效性與遷移性并抑制了其向地上部的轉運與分配，緩解了汞污染農田對于植物生長的危害性，提高了可食用部分的生物安全性[29]。綜合來看，C-30與C-50處理的汞鈍化效果無顯著性差異。同時考慮經濟成本與鈍化效果，生物炭施加量以C-30處理為宜。

3.3 施用改性生物炭對綠豆各器官微量元素含量的影響

微量元素在植物的各種生理代謝過程中起著關鍵的調控作用，是植物生長過程中必不可少的營養(yǎng)成分[30]。施加生物炭后，地下部與地上部微量元素含量呈現(xiàn)不同趨勢的原因可能是根部作為與改性生物炭直接接觸的植物器官受改性生物炭鈍化效果較強，施加改性生物炭明顯的抑制了其對于微量元素的吸收，而莖、葉、果實屬于植物的地上部器官受改性生物炭鈍化的效果較弱，并且改性生物炭孔隙結構豐富，施加改性生物炭可能會降低土壤容重、提高土壤孔隙度、改善土壤的水肥氣熱狀況，從而促進微量元素向地上部器官轉運[31]。此外，根從土壤中吸收微量元素后，依次將微量元素轉運到莖、葉、果實中。由于不同微量元素在植物體內的吸收轉運能力以及植物不同器官對于微量元素的需求不同，各元素在不同器官中的含量有所差異。

相較于CK，C-50處理各器官的微量元素整體上呈下降趨勢，說明在汞污染土壤上施加高劑量的改性生物炭會抑制綠豆植株對于微量元素的吸收。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能是CK土壤pH偏酸性，土壤中有效態(tài)微量元素含量較高，有利于植株吸收微量元素。改性生物炭中含有較高的灰分以及K、Ca、Na、Mg等鹽基離子，施加改性生物炭后土壤pH有所提高，抑制了土壤中微量元素的生物有效性，從而降低了植株對于微量元素的吸收。楊麗娟等[32]通過田間長期定位試驗研究發(fā)現(xiàn)土壤pH是影響土壤微量元素含量的首要因素，土壤有效態(tài)Fe、Mn、Cu含量與土壤pH呈極顯著負相關。謝忠雷等[33]通過調查研究中國13個茶園茶葉Mn含量發(fā)現(xiàn)，土壤pH顯著影響茶葉Mn含量，茶葉中的Mn含量隨pH的降低而增加。可見，土壤pH是影響植物對微量元素吸收利用的重要因素。過多的施加生物炭會提高土壤堿度，抑制微量元素的生物有效性從而降低作物對于土壤中微量元素的吸收。因此，在應用改性生物炭作為汞污染土壤鈍化劑時要合理施用改性生物炭。

3.4 施用改性生物炭對綠豆果實品質的影響

綠豆不但營養(yǎng)豐富，而且含有多種人體必須的營養(yǎng)元素。隨著人們生活水平的提高，對于食品品質的關注越來越多，因此有必要研究食品品質。施加生物炭后，果實品質出現(xiàn)先降低后升高的原因可能是因為土壤汞污染程度較嚴重，施加少量的生物炭不足以鈍化土壤中的汞元素反而提高了土壤堿度，鈍化了營養(yǎng)元素的生物有效性，抑制了營養(yǎng)元素在植物體內的吸收轉運，致使C-10處理的各品質指標呈現(xiàn)出不同程度的降低；生物炭施加量增加后，外源生物炭固化了土壤汞，緩解了汞污染對于植株的生長脅迫進而促進植株的生長發(fā)育與營養(yǎng)轉運，改善果實品質?？傮w來看，C-30處理能夠較為顯著地緩解汞污染土壤對于綠豆植株的生長抑制，促進綠豆植株的生長發(fā)育，提高果實中的營養(yǎng)含量，改善果實的品質。

3.5 施用改性生物炭對綠豆葉片酶活性的影響

一般情況下，植物體內活性氧(ROS)的產生與消除處于動態(tài)平衡之中。但是當植物受到環(huán)境脅迫時，植物體內ROS的含量就會增加，一旦ROS的積累量超過抗氧化防御系統(tǒng)的清除能力，就會產生氧化脅迫損傷細胞。過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)是廣泛存在于生物體內的抗氧化防御酶，其功能是催化細胞新陳代謝過程中產生的H2O2的分解，緩解過量ROS積累對植物組織產生的直接或間接傷害，如氧化應激、DNA和蛋白損傷、膜脂過氧化、細胞功能喪失、細胞死亡等[34-35]。當植物機體受到重金屬脅迫時，體內的ROS含量會大幅增加，細胞內ROS的產生和清除之間的平衡會遭到破壞，可能會導致植物代謝紊亂，影響植物正常的生長代謝功能。對于豆科作物而言，少量的自由基會激發(fā)植物的生理活性促進植物的生長，而當自由基的積累量超過了抗氧化防御系統(tǒng)的清除能力時就會抑制植物的生長[36]?？寡趸富钚缘脑黾幽軌蛱岣咧参餀C體抗氧化的能力，從而提高植物應對環(huán)境脅迫的能力。本試驗中所用的生物炭采用CaO改性，其成品中大量的Ca2+可以促進植物體內氨基酸和多胺等物質的生成，氨基酸和多胺等物質可以直接清除植物體內的ROS也可以通過調節(jié)植物體內抗逆酶的活性來清除ROS緩解重金屬引起的氧化損傷，在重金屬污染土壤上施加此生物炭能夠有效的緩解重金屬脅迫對于植物生長的影響[37]。POD與CAT酶活性隨著改性生物炭施加量的增加而降低，可能是因為綠豆植株體內ROS的產生速率大于清除速率，機體內產生的ROS無法及時被清除導致ROS在植株體內大量積累，對植株的細胞膜、細胞器造成氧化損傷，進而使植株體內抗氧化防御保護酶活性大幅降低[38-39]。

4 結 論

(1)改性生物炭中含有豐富的礦質元素，施加改性生物炭能夠提升土壤肥力，促進植株的生長發(fā)育，增加綠豆各器官的生物量。

(2)改性生物炭能夠緩解汞污染對綠豆植株的脅迫，提高植株應對汞脅迫的能力。同時，改性生物炭能夠有效鈍化土壤中的汞，降低植株對于汞的吸收，提高綠豆可食用部分的生物安全性。

(3)改性生物炭能在一定程度上改善果實品質，但是施加過量的改性生物炭會抑制營養(yǎng)元素吸收延緩作物生長，因此在實際應用中應根據其劑量-效應關系合理施用改性生物炭，在本試驗中改性生物炭施加量以C-30處理效果最佳。