劉麗媛，李柯衡，賈永霞*，月培茜，蒲玉琳，李婷，徐小遜

（1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院，成都 611130；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，成都 611130）

隨著化肥農(nóng)藥的過度施用及污水灌溉等，土壤鎘（Cd）、鉛（Pb）等重金屬復(fù)合污染問題日益凸顯[1-2]。Cd、Pb具有生物積累性高、毒性強的特點，不僅會造成土壤質(zhì)量下降、作物產(chǎn)量和品質(zhì)降低，還會通過農(nóng)產(chǎn)品富集進入食物鏈，進而對人體健康造成嚴重威脅[3-4]。因此，為保證糧食安全，Cd、Pb復(fù)合污染土壤的治理尤為重要。

生物炭是由農(nóng)業(yè)廢棄物在厭氧條件下經(jīng)高溫熱解而成的一種富碳材料，由于其孔隙發(fā)達、比表面積大、含氧官能團豐富等特點[5]，在修復(fù)重金屬污染土壤中具有良好的應(yīng)用前景。生物炭可通過表面吸附、絡(luò)合、離子交換等多種途徑有效固定土壤中的重金屬離子，降低其生物有效性及遷移性[6]。Wang R.Z.等[7]發(fā)現(xiàn)生物炭可顯著降低土壤有效態(tài)Cd含量，并有效抑制水稻對Cd的吸收。高瑞麗等[8]表明水稻秸稈生物炭可顯著提高土壤pH，促進弱酸提取態(tài)、可還原態(tài)和可氧化態(tài)Pb向殘渣態(tài)Pb的轉(zhuǎn)化，使得Pb在土壤中的形態(tài)更加穩(wěn)定。此外，生物炭因其表面的多孔隙結(jié)構(gòu)，還能吸附固定養(yǎng)分，減少農(nóng)田氮磷流失，提高肥料利用率，增加土壤速效養(yǎng)分及有機質(zhì)含量，改善土壤理化性質(zhì)，從而促進作物的生長[9-10]。目前，關(guān)于生物炭修復(fù)重金屬污染土壤、促進作物生長方面的研究大都集中于單一元素污染土壤中。較單一元素污染，重金屬復(fù)合污染對作物與人體造成的危害更大[11]，而關(guān)于生物炭對重金屬復(fù)合污染土壤中作物體內(nèi)重金屬積累及品質(zhì)的影響研究還較為有限。

蔬菜是人們?nèi)粘ｏ嬍持胁豢苫蛉钡氖澄镏?，是人體多種維生素、礦物質(zhì)、膳食纖維以及微量元素的重要來源[12]。其中葉菜類蔬菜相比其他糧食作物，更容易受到重金屬污染[13]。因此，本文以常見葉菜類蔬菜——小白菜(Brassica chinensisL.)為研究對象，研究不同施用量的生物炭對Cd和Pb復(fù)合污染土壤養(yǎng)分及酶活性的影響，并監(jiān)測小白菜的品質(zhì)變化及體內(nèi)重金屬的積累，闡明生物炭對小白菜體內(nèi)重金屬積累及品質(zhì)的影響機制，以期為農(nóng)產(chǎn)品的安全生產(chǎn)和我國重金屬復(fù)合污染土壤的治理提供實踐參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試土壤：采自成都平原某污染農(nóng)田0～20 cm表層土，土壤類型為水稻土。土壤在室溫條件下自然風干，剔除植物根系及碎石，研磨過2 mm尼龍篩、備用。土壤基本化學(xué)性質(zhì)如下：pH 6.60，有機質(zhì)23.61 g/kg，堿解氮119.67 mg/kg，速效磷15.03 mg/kg，速效鉀91.1 mg/kg，全Cd 0.98 mg/kg，全Pb 352.67 mg/kg，Cd、Pb含量已超過GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風險管控標準》[14]所規(guī)定的農(nóng)用地土壤污染風險篩選值，低于風險管控值。

供試材料：取成都市周邊郊區(qū)農(nóng)田的油菜秸稈，將秸稈洗凈，自然風干，粉碎后放入馬弗爐中，以500 ℃高溫厭氧條件下熱解6 h炭化制備而成油菜秸稈生物炭（BC）。制備好的生物炭pH值為9.11，全Cd含量為0.05 mg/kg、全Pb含量為1.96 mg/kg在GB/T 18877—2020《有機無機復(fù)混肥料》[15]所規(guī)定的范圍內(nèi)。

供試植物：小白菜，品種為京秋3號，由北京農(nóng)林科學(xué)院提供。

1.2 試驗設(shè)計

盆栽試驗共設(shè)4個處理，分別以土重的0.5%（0.5BC）、1%（1BC）和2%（2BC）添加油菜秸稈生物炭，以不添加生物炭為對照(CK)，每個處理重復(fù)3次。試驗前，稱取2.5 kg Cd、Pb污染土壤，加入相應(yīng)添加量的生物炭與污染土壤充分混勻，置于塑料花盆中，室溫靜置30 d。期間每隔2 d采用稱重法補充去離子水，使水分保持在土壤田間持水量的60%左右。

取顆粒飽滿、大小整齊一致的小白菜種子，浸種催芽后播于上述土壤中，待小白菜長出第4片真葉時進行間苗，每盆留下長勢一致的3棵小白菜。生長期間定期澆水，按稱重法補充水分使其保持土壤田間持水量的60%左右。40 d后收獲，采集植物、土壤樣品，測定土壤理化性質(zhì)、DTPA-Cd含量、DTPA-Pb含量、土壤酶活性、小白菜各部位Cd、Pb含量、生長狀況及品質(zhì)。

1.3 分析測定方法

土壤化學(xué)性質(zhì)（pH[16]163-165、有機質(zhì)[16]30-34、堿解氮[16]56-58、速效磷[16]81-83、速效鉀[16]106-108）根據(jù)鮑士旦等進行測定，土壤有效態(tài)Cd、Pb含量采用DTPA提取法提取和測定[17]。土壤脲酶采用靛酚藍比色法測定[18]296-297，土壤磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法[18]310-312，土壤蔗糖酶采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定[18]275-276。

小白菜株高、根長均采用直尺測量；小白菜生物量采用烘干稱重法測定。小白菜維生素C采用2，6-二氯酚靛酚滴定法[16]360-363、可溶性蛋白采用考馬斯亮藍G-250法測定[19]40-42、可溶性糖采用蒽酮比色法測定[19]37-39；小白菜各部位Cd、Pb含量采用HNO3-HClO4法消解[20]，原子吸收分光光度計測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用富集系數(shù)（BCF）和轉(zhuǎn)運系數(shù)（TF）來評價重金屬在小白菜各部位中的富集遷移情況，計算公式如下[21]：

式中，Cp表示小白菜根系或地上部的重金屬含量，Cs表示土壤中的重金屬含量；Cst表示小白菜地上部重金屬含量，Cr表示小白菜根系中的重金屬含量。

使用Microsoft Excel 2019進行數(shù)據(jù)整理，采用SPSS.Statistic.27統(tǒng)計分析軟件進行單因素方差分析，用LSD法進行多重比較，顯著性水平設(shè)置為P<0.05，利用Origin 2021b制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對土壤屬性的影響

生物炭對土壤屬性的影響如表1所示。與對照相比，1%、2%生物炭能顯著提高土壤pH值和有機質(zhì)含量，其中，土壤pH值提高了0.55～0.79個單位，土壤有機質(zhì)含量提高了19.58%～35.27%，且1%、2%生物炭處理間達到了顯著性差異。生物炭對土壤堿解氮含量無顯著影響，但顯著提高了土壤速效磷和速效鉀含量。土壤速效磷和速效鉀含量分別較對照提高了13.75%～22.51%和27.15%～49.33%，且1%、2%生物炭處理間無顯著性差異?？梢姡砑?%、2%對土壤pH、有機質(zhì)及土壤養(yǎng)分都有良好的提升效果。

表1 生物炭對土壤屬性的影響Table 1 The effects of biochar on soil properties

2.2 生物炭對土壤有效態(tài)鎘鉛含量的影響

本試驗選用DTPA提取法提取土壤有效態(tài)Cd和Pb。添加生物炭后可降低DTPA提取態(tài)Cd和Pb含量（圖1），DTPA提取態(tài)Cd降幅為14.91%～44.74%，DTPA提取態(tài)Pb降幅為14.07%～36.09%，1%、2%生物炭處理的DTPA提取態(tài)Pb含量顯著低于0.5%生物炭處理。添加1%、2%生物炭均能顯著降低土壤有效態(tài)Cd、Pb含量，且兩者間差異不顯著。

圖1 生物炭對土壤有效態(tài)Cd和Pb含量的影響Figure 1 The effects of biochar on available Cd and Pbcontent in soil

2.3 生物炭對土壤酶活性的影響

向土壤施加不同濃度的生物炭后，對根際土壤酶活性的影響如圖2所示。添加生物炭顯著增強了土壤脲酶及蔗糖酶活性，其中，土壤脲酶隨生物炭施用量的增加而增加，增幅為24.24%～90.91%，且各處理間均差異顯著；土壤蔗糖酶增幅為15.12%～23.60%，各處理間無顯著性差異。0.5%和1%生物炭對土壤磷酸酶活性無影響，而添加2%生物炭可顯著提升土壤磷酸酶活性。

2.4 生物炭對小白菜生長和營養(yǎng)品質(zhì)的影響

向土壤施加0.5%、1%和2%的生物炭后能夠促進小白菜的生長（表2）。添加生物炭后，小白菜的株高、根長、地上部干重和根系干重均顯著高于對照，分別為對照的1.30～1.63倍，1.20～1.53倍，1.65～2.27倍和1.54～2.13倍。除株高外，添加1%與2%的生物炭處理對小白菜都具有良好的促生作用，且兩處理間無顯著差異。

表2 生物炭對小白菜生長及營養(yǎng)品質(zhì)的影響Table 2 The effects of biochar on growth and quality of Brassica chinensis L.

添加0.5%、1%和2%生物炭后對小白菜可溶性蛋白無顯著影響，但是對可溶性糖、維生素C均有顯著提升作用（表2），其中，可溶性糖含量較對照提高了28.45%～30.23%，3個生物炭處理間無顯著差異；維生素C含量提高了23.53%～51.99%，添加1%和2%的生物炭處理間無顯著差異。說明生物炭可以改善小白菜的生長狀況和營養(yǎng)品質(zhì)。

2.5 生物炭對小白菜鎘鉛吸收積累的影響

添加生物炭后可顯著降低小白菜對Cd、Pb的積累（圖3）。與對照相比，小白菜根系和地上部Cd、Pb含量隨生物炭施用量的增加而顯著減少，根系Cd、Pb含量分別降低了22.09%～59.10%、29.11%～48.89%，地上部Cd、Pb含量分別降低了27.53%～71.46%、31.00%～55.43%。添加1%、2%的生物炭對小白菜地上部Cd、Pb積累都具有良好的抑制作用，且兩者間差異不顯著。

富集系數(shù)代表小白菜對土壤Cd和Pb的吸收富集能力，轉(zhuǎn)運系數(shù)能體現(xiàn)重金屬在植株體內(nèi)的轉(zhuǎn)運情況[21]。將生物炭施入土壤后，可顯著降低小白菜根系、地上部Cd、Pb富集系數(shù)（表3）。其中地上部Cd、Pb富集系數(shù)分別降低了27.53%～71.46%、31.00%～55.43%，1%、2%生物炭處理顯著低于0.5%生物炭處理。施入1%、2%生物炭后，Cd轉(zhuǎn)運系數(shù)顯著降低了28.82%～30.01%，但處理間無顯著差異?？梢娞砑?%、2%的生物炭均可顯著抑制小白菜對Cd、Pb的積累，且兩者無差異。

表3 生物炭對小白菜Cd和Pb富集轉(zhuǎn)運系數(shù)的影響Table 3 The effects of biochar on Cd/Pb biological concentration factor and translocation factor in Brassica chinensis L.

3 討論

作物品質(zhì)主要分為營養(yǎng)品質(zhì)及安全品質(zhì)，其中可溶性蛋白、可溶性糖和維生素C等是評價小白菜營養(yǎng)品質(zhì)的常用指標，重金屬含量是評價小白菜安全品質(zhì)的重要指標之一[22]。生物炭施入土壤后，能夠與土壤中的重金屬發(fā)生吸附、離子交換、絡(luò)合沉淀等反應(yīng)，從而降低土壤中重金屬的有效性，減少作物體內(nèi)重金屬的累積，進而影響作物品質(zhì)[23]。在本試驗中，向土壤分別施入0.5%、1%和2%生物炭后，可顯著降低小白菜體內(nèi)Cd、Pb含量（圖3），促進小白菜的生長，提升其可溶性糖和維生素C含量（表2），但1%與2%生物炭處理間差異并不顯著，這與蔣欣梅等[24]的研究相似。表明生物炭的添加可抑制小白菜對重金屬的積累，同時可提升小白菜的生長及品質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，土壤pH是影響土壤有效態(tài)重金屬含量的重要因素之一，一般來說土壤pH值越大，土壤中重金屬有效性越小[25]。本研究中添加1%、2%生物炭后可顯著提高土壤pH值（表1），并顯著降低土壤有效態(tài)Cd、Pb含量（圖1）。從土壤有效態(tài)重金屬含量、pH值及小白菜重金屬含量間的相關(guān)性可知，土壤有效態(tài)Cd、Pb與土壤pH呈極顯著（P<0.01）負相關(guān)關(guān)系，小白菜體內(nèi)重金屬含量與土壤有效態(tài)重金屬呈極顯著（P<0.01）或顯著（P<0.05）正相關(guān)關(guān)系（圖4），這與Xu P.等[23]的研究結(jié)果相似。說明生物炭可通過提高土壤pH值降低土壤Cd、Pb有效性，減少小白菜對Cd、Pb的吸收。這是由于生物炭呈堿性，添加到土壤中后能夠在一定程度上提高土壤pH值，有利于增加土壤中OH-等的形成，促使Cd、Pb通過絡(luò)合、沉淀等作用被有效固定在土壤中，從而降低土壤中有效態(tài)重金屬的含量，進而減少了作物對Cd、Pb的吸收積累[26]。此外，生物炭自身表面存在著如-OH、-COOH、C=C和N—C=O等含氧官能團，可直接吸附固定重金屬，降低其生物有效性，從而抑制重金屬在作物體內(nèi)的積累[27]。由小白菜各指標和土壤有效態(tài)重金屬含量相關(guān)性可知，小白菜的可溶性糖和維生素C含量與小白菜體內(nèi)重金屬含量呈極顯著（P<0.01）或顯著（P<0.05）負相關(guān)關(guān)系，而小白菜體內(nèi)重金屬含量與土壤有效態(tài)重金屬呈極顯著（P<0.01）或顯著（P<0.05）正相關(guān)關(guān)系（圖4），這與Z.Muhammad等[28]研究結(jié)果相似。表明生物炭添加到土壤中后通過降低土壤有效態(tài)Cd、Pb含量，減少了小白菜對Cd、Pb的吸收，從而改善了小白菜的生長狀況，提升了其營養(yǎng)品質(zhì)。

圖4 小白菜、土壤各項指標的相關(guān)性熱圖Figure 4 Correlation heatmap of Brassica chinensis L.and soil indexes

作物的生長及品質(zhì)同時受到土壤有效養(yǎng)分與土壤酶活性的影響。研究表明，土壤有機質(zhì)、速效養(yǎng)分含量及土壤酶活性是土壤肥力的主要指標[29]。土壤酶活性的變化可反映土壤養(yǎng)分循環(huán)及能量流動，其中脲酶能將土壤中的尿素分解為氨；磷酸酶能促進有機磷礦化，增加土壤中可溶性磷含量；蔗糖酶能促進土壤有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化[30]。本研究發(fā)現(xiàn)，向土壤施入1%和2%生物炭，均顯著增加了土壤有機質(zhì)、速效磷和速效鉀含量（表1），并顯著提升了土壤脲酶與蔗糖酶活性（圖2）。這與王智慧等[30]的研究結(jié)果相似。這是由于生物炭本身含有一定的磷、鉀元素，施加到土壤后可直接補充土壤養(yǎng)分[29]；同時，生物炭富含有機碳，添加到土壤后有利于土壤固碳，增加土壤中有機質(zhì)含量[17]；此外，生物炭具有多孔結(jié)構(gòu)和較強的吸附性能，能夠吸附酶促反應(yīng)底物，為土壤酶提供更多的結(jié)合位點，進而提高土壤酶活性[32]，促進養(yǎng)分循環(huán)和轉(zhuǎn)化，從而增強土壤肥力。同時由土壤各指標及小白菜品質(zhì)指標間的相關(guān)性分析可知，土壤有機質(zhì)、速效磷、速效鉀、土壤酶活性與土壤有效態(tài)重金屬含量呈極顯著（P<0.01）或顯著（P<0.05）負相關(guān)關(guān)系，小白菜可溶性糖、維生素C與土壤有機質(zhì)、速效磷、速效鉀、土壤酶活性呈極顯著（P<0.01）或顯著（P<0.05）正相關(guān)關(guān)系（圖4），這與鐘明濤[33]和吳偉健等[34]研究結(jié)果相似。表明生物炭降低了土壤的重金屬有效性，改善了小白菜的根際環(huán)境，提高了土壤的肥力條件，有利于小白菜對養(yǎng)分的吸收利用，最終促進了小白菜的生長及營養(yǎng)品質(zhì)的提升。

4 結(jié)論

① 向土壤添加0.5%、1%和2%生物炭后，生物炭可通過降低土壤有效態(tài)Cd、Pb含量，抑制小白菜對Cd、Pb的吸收積累，進而提升小白菜的營養(yǎng)品質(zhì)。其中添加1%、2%生物炭處理間差異不顯著，從經(jīng)濟效益角度出發(fā)，1%的生物炭添加量較為適宜。

② 向土壤添加0.5%、1%和2%生物炭后，可促進土壤養(yǎng)分循環(huán)，提高土壤有效養(yǎng)分含量，從而改善土壤肥力，有利于小白菜的生長和品質(zhì)的提升。