潘崇雙

(西藏自治區(qū)農(nóng)牧科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測研究所/西藏自治區(qū)農(nóng)畜產(chǎn)品工程技術(shù)研究中心，西藏 拉薩 850032)

2014年公布的《全國土壤污染調(diào)查公報(bào)》顯示，砷(As)、鎘(Cd)和鉛(Pb)是中國農(nóng)業(yè)土壤中廣泛分布的污染物[1，2]。土壤砷污染不僅對動物、植物的生長、代謝、發(fā)育有很強(qiáng)的危害，而且經(jīng)過食物鏈的傳遞，土壤中的砷被植物吸收，最終進(jìn)入人體并長期累積，嚴(yán)重威脅或損害了人類的健康。土壤中砷污染的主要來源包括金屬含砷礦物的開采和冶煉、化石燃料的燃燒、使用含砷化學(xué)制品和農(nóng)藥、排放木材防腐和非法傾倒工業(yè)廢水等[3，4]。土壤砷污染具有隱蔽性、長期性和不可逆性等特點(diǎn)，因此土壤一旦遭受砷污染，其治理難度大且周期長。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國土壤中砷濃度的平均值為11.2mg·kg-1，約為世界平均值(6mg·kg-1)的2倍[5]。為降低土壤砷污染帶來的危害，保障土壤生態(tài)安全和人民身體健康，需要深入研究砷污染土壤的修復(fù)技術(shù)。

生物炭指生物質(zhì)原料在缺氧或無氧條件下熱裂解得到的一類含碳的、穩(wěn)定的、高度芳香化的固態(tài)物質(zhì)，具有保持土壤肥力、固碳、去除金屬污染物等優(yōu)良特性[6]。生物炭作為重金屬砷污染土壤的潛在修復(fù)劑因其高孔隙率和比表面積、富含各種官能團(tuán)而受到廣泛關(guān)注[7]。大量研究發(fā)現(xiàn)[8-11]，生物炭可以通過吸附、沉淀、絡(luò)合等其他物理化學(xué)機(jī)制來降低重金屬的生物利用度和生物積累，同時由于降低植物毒性和改善土壤理化特性而保持甚至提高作物產(chǎn)量。此外，采用成本低、較易獲得且可循環(huán)利用的植物原材料熱解產(chǎn)生的生物炭作為改良劑，在綠色、環(huán)保的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)綠色廢棄物的最大增值效益[14-17]。

青稞是藏區(qū)主要農(nóng)作物，其重金屬富集直接影響人類身體健康，因而降低重金屬在土壤-青稞系統(tǒng)富集的研究具有重要意義。本項(xiàng)目以生物炭為試驗(yàn)材料，利用盆栽試驗(yàn)研究生物炭對砷污染土壤中青稞生長及對青稞各部位砷積累的影響，為農(nóng)田土壤中重金屬砷的防控修復(fù)提供理論和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

秸稈生物炭，購自河南立澤環(huán)?？萍加邢薰尽?/p>

1.2 供試土壤

以外源性砷(砷酸鈉)添加的形式分別制備了砷含量為0mg·kg-1、25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1砷污染土壤，分別記為T0、T1、T2、T3。4種砷污染土壤在自然條件下鈍化2周后備用。

1.3 供試品種

供試青稞品種選用“藏青2000”。挑選籽粒飽滿均勻且無明顯損失的種子在10%次氯酸鈉中消毒30min，沖洗干凈后在蒸餾水中浸泡12h后備用。

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用盆栽試驗(yàn)。分別向聚乙烯(PP)塑料桶(內(nèi)徑25cm、桶高28cm)加入供試土壤10kg，分層填壓至桶高28cm處，整平、濕潤，室外淹水1個月，土層下沉至桶高25cm處直至土壤穩(wěn)定緊實(shí)。每個水平分別加入秸稈生物碳攪拌均勻，其添加量為3%(w/w)，記為BC；以不加入生物炭的處理為對照，記為CK。加入底肥磷酸氫銨0.1620g·pot-1、尿素0.3919g·pot-1和氯化鉀0.1667g·pot-1，攪拌均勻(所有處理均施用的氮磷鉀含量為N=20.94mg·kg-1、P2O5=7.45mg·kg-1、K2O=10.00mg·kg-1)。

青稞于2023年4月30日播種，每盆種植15顆青稞種子，待生長至苗期后期進(jìn)行間苗，保持10株/盆至青稞成熟。分別于青稞的苗期、抽穗期采集青稞根部和葉部樣品，使用自來水清洗干凈后，再使用去離子水清洗3次，而后置于烘箱60℃烘干至恒重后備用。青稞成熟時，分別采集穗、葉片、莖和根，使用自來水清洗干凈后，再使用去離子水清洗3次，而后置于烘箱60℃烘干至恒重。取籽粒、穎殼、葉片、莖和根部分樣品粉碎，測定總砷含量。

1.5 檢測方法

青稞中總砷采用微波消解-原子熒光光譜法測定。

1.6 數(shù)據(jù)處理

本文所有數(shù)據(jù)均采用Excel、SPSS 23.0辦公軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和單因素方差分析，顯著性水平p=0.05，不同處理組之間的顯著差異用不同字母a、b等表示，并用Origin 2019b進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對砷污染土壤中青稞生長的影響

由表1可知，不同砷污染土壤對青稞產(chǎn)量影響顯著，土壤砷污染濃度為0mg·kg-1、25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1下，生物量從大到小依次為0mg·kg-1>25mg·kg-1>50mg·kg-1>75mg·kg-1；籽粒產(chǎn)量從大到小依次為0mg·kg-1>25mg·kg-1>50mg·kg-1>75mg·kg-1。在T0處理下，生物炭的添加顯著增加了籽粒產(chǎn)量(增產(chǎn)10.93%)，但對株高、分蘗數(shù)、單株有效穗數(shù)、千粒重和生物量差異不顯著。在T1處理下，生物炭的添加顯著增加了株高、單株有效穗數(shù)、千粒重和籽粒產(chǎn)量，分別增加了23.39%、89.20%、23.40%和10.65%，但對分蘗數(shù)和生物量差異不顯著。在T2處理下，生物炭的添加顯著增加了株高、單株有效穗數(shù)、千粒重、生物量和籽粒產(chǎn)量，分別增加了42.12%、64.67%、39.65%、56.73和80.65%，但對分蘗數(shù)差異不顯著。在T3處理下，生物炭的添加顯著增加了株高、單株有效穗數(shù)、千粒重和籽粒產(chǎn)量，分別增加了35.49%、170.39%、22.79%和114.89%，但對分蘗數(shù)和生物量差異不顯著。在不同砷污染土壤處理下，生物炭的添加能夠提高株高、增加單株有效穗數(shù)和千粒重，起到一定增產(chǎn)作用，且增產(chǎn)效果隨著砷污染濃度的增加而增加。這也與馬創(chuàng)業(yè)[16，17]等通過添加生物炭促進(jìn)水稻株高增加從而提高產(chǎn)量的研究結(jié)論一致。

表1 生物炭對青稞生長的影響

2.2 生物炭對不同生育期青稞各部位砷濃度的影響

2.2.1 生物炭對苗期青稞各部位砷濃度的影響

由圖1a可知，不同砷污染土壤對青稞苗期根部砷含量影響顯著，土壤砷污染濃度為0mg·kg-1、25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1下，青稞苗期根部砷含量從小到大依次為0mg·kg-1<25mg·kg-1<50mg·kg-1<75mg·kg-1。T0處理下，生物炭添加沒有顯著影響青稞苗期根部總砷濃度；當(dāng)土壤砷污染濃度為25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1時，即T1、T2、T3處理，生物炭的添加能夠顯著降低青稞苗期根部總砷濃度。土壤砷污染濃度為25mg·kg-1時，BC處理苗期青稞根部總砷濃度為312.66±3.73mg·kg-1，與對照組442.35±1.79mg·kg-1相比，降低了29.32%；土壤砷污染濃度為50mg·kg-1時，BC處理苗期青稞根部總砷濃度為334.80±5.14mg·kg-1，與對照組469.82±0.93mg·kg-1相比，降低了28.74%；土壤砷污染濃度為75mg·kg-1時，BC處理苗期青稞根部總砷濃度為536.12±1.07mg·kg-1，與對照組811.29±22.96mg·kg-1相比，降低了33.92%。

圖1 生物炭對青稞苗期各部位砷含量的影響(p<0.05)

由圖1b可知，不同砷污染土壤對青稞苗期葉部砷含量影響顯著，土壤砷污染濃度為0mg·kg-1、25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1下，青稞苗期葉部砷含量從小到大依次為0mg·kg-1<25mg·kg-1<50mg·kg-1<75mg·kg-1。T0、T1處理下，生物炭添加沒有顯著影響青稞苗期葉部總砷濃度；土壤砷污染濃度為50mg·kg-1、75mg·kg-1時，即T2、T3處理，生物炭的添加反而顯著增加青稞苗期葉部總砷濃度。土壤砷污染濃度為50mg·kg-1時，BC處理苗期青稞葉部總砷濃度為15.45±0.87mg·kg-1，與對照組12.46±1.01mg·kg-1相比，增加了23.94%；土壤砷污染濃度為75mg·kg-1時，BC處理苗期青稞葉部總砷濃度為22.04±0.58mg·kg-1，與對照組17.68±0.31mg·kg-1相比，增加了34.68%。

2.2.2 生物炭對拔節(jié)期青稞各部位砷濃度的影響

由圖2a可知，不同砷污染土壤對青稞拔節(jié)期根部砷含量影響顯著，土壤砷污染濃度為0mg·kg-1、25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1下，青稞拔節(jié)期根部砷含量從小到大依次為0mg·kg-1<25mg·kg-1<50mg·kg-1<75mg·kg-1。T0處理下，生物炭添加沒有顯著影響青稞拔節(jié)期根部總砷濃度；在土壤砷污染濃度為25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1時，即T1、T2、T3處理，生物炭的添加能夠顯著降低青稞根部總砷濃度。土壤砷污染濃度為25mg·kg-1時，BC處理青稞拔節(jié)期根部總砷濃度為160.29±24.68mg·kg-1，與對照組245.92±4.82mg·kg-1相比，降低了34.82%；土壤砷污染濃度為50mg·kg-1時，BC處理青稞拔節(jié)期根部總砷濃度為305.62±2.32mg·kg-1，與對照組317.77±1.66mg·kg-1相比，降低了3.82%；土壤砷污染濃度為75mg·kg-1時，BC處理青稞拔節(jié)期根部總砷濃度為475.68±8.25mg·kg-1，與對照組541.87±1.34mg·kg-1相比，降低了12.22%。

圖2 生物炭對青稞拔節(jié)期各部位砷含量的影響(p<0.05)

由圖2b可知，不同砷污染土壤對青稞拔節(jié)期葉部砷含量影響顯著，土壤砷污染濃度為0mg·kg-1、25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1下，青稞拔節(jié)期葉部砷含量從小到大依次為0mg·kg-1<50mg·kg-1<25mg·kg-1<75mg·kg-1。T0處理下，生物炭添加沒有顯著影響青稞拔節(jié)期葉部總砷濃度；在土壤砷污染濃度為25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1時，即T1、T2、T3處理，生物炭的添加顯著降低青稞拔節(jié)期葉部總砷濃度。土壤砷污染濃度為25mg·kg-1時，BC處理青稞拔節(jié)期葉部總砷濃度為12.21±0.33mg·kg-1，與對照組25.57±2.22mg·kg-1相比，降低了52.23%；土壤砷污染濃度為50mg·kg-1時，BC處理青稞拔節(jié)期葉部總砷濃度為13.53±0.60mg·kg-1，與對照組18.73±0.47mg·kg-1相比，降低了27.76%；土壤砷污染濃度為75mg·kg-1時，BC處理青稞拔節(jié)期葉部總砷濃度為23.12±0.81mg·kg-1，與對照組42.89±1.11mg·kg-1相比，降低了46.09%。

2.2.3 生物炭對成熟期青稞各部位砷濃度的影響

由圖3a可知，不同砷污染土壤對青稞成熟期根部砷含量影響顯著，土壤砷污染濃度為0mg·kg-1、25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1下，青稞成熟期根部砷含量從小到大依次為0mg·kg-1<25mg·kg-1<50mg·kg-1<75mg·kg-1。T0、T1處理下，即土壤砷污染濃度為0mg·kg-1、25mg·kg-1時，生物炭添加沒有顯著影響青稞成熟期根部總砷濃度；T2、T3處理下，即土壤砷污染濃度為50mg·kg-1、75mg·kg-1時，生物炭的添加能夠顯著降低青稞成熟期根部總砷濃度。土壤砷污染濃度為50mg·kg-1時，BC處理青稞成熟期根部總砷濃度為97.36±0.95mg·kg-1，與對照組104.56±1.94mg·kg-1相比，降低了6.88%；土壤砷污染濃度為75mg·kg-1時，BC處理青稞成熟期根部總砷濃度為200.47±1.42mg·kg-1，與對照組208.20±3.65mg·kg-1相比，降低了3.72%。

圖3 生物炭對青稞成熟期各部位砷含量的影響(p<0.05)

由圖3b可知，當(dāng)土壤砷污染濃度為0mg·kg-1、25mg·kg-1時，砷污染土壤對青稞成熟期莖部砷含量影響顯著，砷含量從小到大依次為0mg·kg-1<25mg·kg-1；當(dāng)土壤砷污染濃度為50mg·kg-1、75mg·kg-1時，砷污染土壤對青稞成熟期莖部砷含量影響不顯著。在T0、T2、T3處理下，即土壤砷污染濃度為0mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1時，生物炭添加沒有顯著影響青稞成熟期莖部總砷濃度；在T1處理下，即土壤砷污染濃度為25mg·kg-1時，生物炭的添加能夠顯著降低青稞成熟期莖部總砷濃度。土壤砷污染濃度為25mg·kg-1時，BC處理青稞成熟期莖部總砷濃度為6.41±0.26mg·kg-1，與對照組8.89±0.50mg·kg-1相比，降低了27.87%。

由圖3c可知，不同砷污染土壤對青稞成熟期葉部砷含量影響顯著，土壤砷污染濃度為0mg·kg-1、25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1下，青稞成熟期葉部砷含量從小到大依次為0mg·kg-1<25mg·kg-1<50mg·kg-1<75mg·kg-1。在T0、T1處理下，即土壤砷污染濃度為0mg·kg-1、25mg·kg-1時，生物炭添加沒有顯著影響青稞成熟期葉部總砷濃度；在T2、T3處理下，土壤砷污染濃度為50mg·kg-1、75mg·kg-1時，生物炭的添加能夠顯著降低青稞成熟期葉部總砷濃度。土壤砷污染濃度為50mg·kg-1時，BC處理青稞成熟期葉部總砷濃度為27.49±3.50mg·kg-1，與對照組28.84±2.19mg·kg-1相比，降低了4.69%；土壤砷污染濃度為75mg·kg-1時，BC處理青稞成熟期葉部總砷濃度為31.22±1.01mg·kg-1，與對照組34.94±1.78mg·kg-1相比，降低了10.63%。

由圖3d可知，不同砷污染土壤對青稞成熟期穎殼砷含量影響顯著，土壤砷污染濃度為0mg·kg-1、25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1下，青稞成熟期穎殼砷含量從小到大依次為0mg·kg-1<25mg·kg-1<50mg·kg-1<75mg·kg-1。在T0、T1、T2處理下，即土壤砷污染濃度為0mg·kg-1、25mg·kg-1、50mg·kg-1時，生物炭添加沒有顯著影響青稞成熟期穎殼總砷濃度；在T3處理下，即土壤砷污染濃度為75mg·kg-1時，生物炭的添加能夠顯著降低青稞成熟期穎殼總砷濃度。土壤砷污染濃度為75mg·kg-1時，BC處理青稞成熟期穎殼總砷濃度為9.51±0.83mg·kg-1，與對照組11.14±0.44mg·kg-1相比，降低了14.61%。

由圖3e可知，不同砷污染土壤對青稞成熟期籽粒砷含量影響顯著，土壤砷污染濃度為0mg·kg-1、25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1下，青稞成熟期籽粒砷含量從小到大依次為0mg·kg-1<25mg·kg-1<50mg·kg-1<75mg·kg-1。在T0、T1、T2、T3處理下，即土壤砷污染濃度為0mg·kg-1、25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1時，生物炭添加沒有顯著影響成熟期籽粒總砷濃度。土壤砷污染濃度為25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1時，BC處理和CK處理的青稞籽粒的As濃度均超過《食品中污染物限量》的標(biāo)準(zhǔn)值(0.50mg·kg-1)，且青稞籽粒砷濃度隨著土壤砷污染濃度的增加而增加。

3 結(jié)論

通過盆栽試驗(yàn)，研究生物炭對砷污染土壤中青稞生長及對青稞各部位砷積累的影響，主要結(jié)論如下。

添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的生物炭能夠促進(jìn)25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1砷污染土壤中青稞生長，通過提高株高、增加單株有效穗數(shù)和千粒重起到一定增產(chǎn)作用，且增產(chǎn)效果隨著砷污染濃度的增加而增加。

不同砷污染土壤對青稞砷含量影響顯著，從大到小依次為75mg·kg-1>50mg·kg-1>25mg·kg-1>0mg·kg-1。青稞各部位積累砷能力也不同，依次為根>葉>莖>穎殼>籽粒。

添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的生物炭能夠顯著降低25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1砷污染土壤中青稞苗期根部砷濃度、拔節(jié)期根部和葉部砷濃度以及成熟期根部和葉部砷濃度；但當(dāng)土壤砷污染濃度為50mg·kg-1、75mg·kg-1時，生物炭的添加反而顯著增加青稞苗期葉部總砷濃度。

添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的生物炭對青稞籽粒砷濃度影響不顯著。土壤砷污染濃度為0mg·kg-1、25mg·kg-1、50mg·kg-1、75mg·kg-1時，生物炭添加沒有顯著降低青稞成熟期籽?？偵闈舛?。當(dāng)外源性砷添加量≥25mg·kg-1時，青稞籽粒的As濃度超過《食品中污染物限量》的標(biāo)準(zhǔn)值(0.50mg·kg-1)，且青稞籽粒砷濃度隨著土壤砷污染濃度的增加而增加。故在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)用生物炭防控砷污染應(yīng)該積極探索更為合適的生物炭防控材料及其復(fù)合改良材料用于土壤砷污修復(fù)。