張艷 嚴潛 吳景 曹云 吳家梅 官迪

摘要：為篩選適合鎘污染農田水旱作物的有機肥，選擇湖南典型鎘污染農田土壤，通過室內培養(yǎng)試驗研究竹炭有機肥對水稻、小白菜兩類作物生長發(fā)育和鎘積累的影響。結果表明：適量增施竹炭有機肥顯著增加水稻、小白菜生物量，施用量為0.66 g/kg時，水稻生物量相比CK增加97%，同時水稻根系、莖葉中鎘含量分別下降38.8%和18.8%，小白菜株高相比CK有所增加，小白菜鎘含量下降34%。竹炭有機肥施用量平均每增加0.5 g/kg，土壤pH增加0.1個單位，同時土壤有效鎘含量隨有機肥施用量增加呈降低趨勢，1.33 g/kg處理下土壤有效鎘含量降幅為9.2%。竹炭有機肥和氧化鈣復配處理有效降低水稻鎘積累量，在旱地農田的施用方式有待改良。研究表明適量增施竹炭有機肥能提高作物產量，降低鎘在土壤—水旱作物系統(tǒng)中的遷移效率，能有效降低作物鎘的積累量。

關鍵詞：竹炭有機肥；鎘；水稻；小白菜；積累

中圖分類號：S147.5文獻標識碼：A文章編號：1006-060X（2024）03-0023-05

Effects of Bamboo Charcoal Organic Fertilizer on Growth and Cadmium Accumulation in Paddy and Upland Crops

ZHANG Yan1，YAN Qian1，WU Jing1，CAO Yun1，WU Jia-mei2，GUAN Di2

（1. Changsha Academy of Agricultural Sciences， Changsha 410016， PRC; 2. Hunan Academy of Agricultural Sciences， Key Laboratory of Agro-Environment in Midstream of Yangtze Plain， Ministry of Agriculture， Key Lab of Prevention， Control and Remediation of Soil Heavy Metal Pollution in Hunan Province， Changsha 410125， PRC）

Abstract： In order to screen suitable organic fertilizer for paddy and upland crops in cadmium-polluted farmland， the typical cadmium-polluted farmland soil in Hunan Province was selected， and the effects of bamboo charcoal organic fertilizer on the growth and cadmium accumulation in rice and Chinese cabbage were studied by laboratory culture experiments. The results show that an appropriate application of bamboo charcoal organic fertilizer significantly increases the biomass of rice and Chinese cabbage. Specifically， the application of 0.66 g/kg of bamboo charcoal organic fertilizer leads to a 97% increase in rice biomass compared with the control （CK）. Moreover， cadmium content in the roots， stems， and leaves of rice drops by 38.8% and 18.8%， respectively. The height of Chinese cabbage increases compared with the CK， and cadmium content in Chinese cabbage decreases by 34%. As the application rate of bamboo charcoal organic fertilizer increases by 0.5 g/kg， soil pH increases by 0.1 unit. Furthermore， effective cadmium content in soil decreases with the increasing application of organic fertilizer， with a 9.2% reduction observed under the treatment of 1.33 g/kg bamboo charcoal organic fertilizer. The combination treatment of bamboo charcoal organic fertilizer and calcium oxide can effectively reduce cadmium accumulation in rice. However， the application method in dry farmland requires further improvement. The research shows that the application of bamboo charcoal organic fertilizer can increase crop yield and reduce the migration efficiency of cadmium in soil-paddy and upland crop systems， thus reducing the cadmium accumulation in crops.

Key words： bamboo charcoal organic fertilizer; cadmium; rice; Chinese cabbage; accumulation

隨著工農業(yè)的快速發(fā)展和城市化進程加快，農田土壤污染問題日趨嚴重。鎘（Cd）是南方稻田重金屬污染土壤中典型的污染物，根據2014年中華人民共和國環(huán)境保護部和國土資源部聯(lián)合發(fā)布的《全國土壤污染狀況調查公報》可知，土壤鎘污染點位超標率達7%；同時每年因為重金屬污染而引起的糧食減產高達1 000萬t，被污染的糧食超過1 200萬t，鎘污染了農產品，再通過食物鏈富集到人體，給人體健康帶來安全隱患[1]。因此，鎘污染農田作物安全生產值得關注。

高效土壤改良劑配合科學農藝措施管理是重金屬污染農作物修復的重要方式。生物質炭是一種土壤改良劑，由農作物秸稈等生物質熱解炭化產生的一類高度芳香化難熔性固態(tài)物質[2]。小麥秸稈炭、竹炭、木炭等均屬于常見的生物質炭，生物質炭含有豐富的碳、氮、磷、鉀等植物所需的營養(yǎng)元素。其多孔性、比表面積大、含有豐富的化學官能團等，施入土壤中，對土壤肥力、陽離子交換量及養(yǎng)分循環(huán)均有改良作用，同時能降低土壤重金屬遷移速率[3]。針對水田和旱地作物生長環(huán)境的差異，筆者選用竹炭質有機肥進行試驗，分析水稻和白菜生長發(fā)育以及鎘積累情況，為鎘污染農田水旱作物高產優(yōu)產提供參考。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試土壤為麻砂泥（沙壤土），采自長沙縣北山鎮(zhèn)中輕度鎘污染農田（113°0'36"E，28°23'24''N）。土壤基本理化性質如下：pH值5.4，有機質51.08 g/kg，全氮1.945 g/kg，全磷0.860 g/kg，全鉀19.61 g/kg；水解性氮141 mg/kg，有效磷2.1 mg/kg，速效鉀96 mg/kg，陽離子交換量（CEC）10.2 cmol/kg；總鎘為0.675 mg/kg。土壤采集經風干研磨，過5 mm篩后用于培養(yǎng)實驗。

試驗所用竹炭有機肥由竹炭粉、植物纖維、生物質有機肥復配而成（基礎比例為3∶2∶5），采購于湖南省畜牧研究所養(yǎng)殖場和市場，其理化性質表現(xiàn)為pH值10.2，總氮2.40%，五氧化二磷1.58%，氧化鉀1.13%，有機質39.6%，鎘0.116 mg/kg；氧化鈣（分析純，≥98%），分析純級試劑購自國藥集團。供試作物有早稻‘中早39（湖南省水稻研究所），小白菜‘上海青（購自市場）。

1.2 試驗設計

試驗設置3種模式，分別為對照（CK）、竹炭有機肥處理（BOF）、竹炭有機肥與氧化鈣1∶1復配處理（BOF–Ca，總量1.33 g/kg），其中，BOF處理設置BOF–1～BOF–4不同施用量（0.33、0.66、0.99、1.33 g/kg），每個處理重復3次。稱取150 g過篩土壤，加水攪拌均勻，后依次加入不同劑量材料；土壤、供試材料混勻后加入去離子水攪拌均勻，放置平衡1周后，移栽萌芽的種子，各處理水肥管理保持一致。將培養(yǎng)盒放入人工氣候培養(yǎng)箱，保持溫度25～30℃，濕度75%，培育4周后取樣測試。

1.3 樣品采集及分析

1.3.1 樣品采集 土壤培育4周后，將水稻和小白菜整株取出，同時采集適量土壤。測量作物株高生物量等參數(shù)，樣品先后用自來水和純水清洗，105℃殺青1 h后，80℃烘干至恒重，利用植物粉碎機研磨成粉末，用于測定重金屬含量。土壤樣品室內風干過2.0 mm孔篩，測試pH值和土壤有效態(tài)鎘含量。

1.3.2 分析方法 參考GB 5009.268—2016測定植物各組織器官的Cd含量。采用硝酸–雙氧水混合預處理，經微波消解后，消解試液采用電感耦合等離子體質譜儀（iCap Q ICP–MS，賽默飛世爾科技有限公司）進行分析測試[4]。測試條件：使用KED抗干擾模式，CCT氣體流速為4.5 mL/min，冷卻氣（氬氣）流速14 L/min，儀器自動掃描次數(shù)為150。過篩土壤樣品用0.005 M DTPA–0.1 M TEA–0.01M CaCl2浸提，石墨爐–火焰原子吸收光譜儀（PinAAcle 900T，珀金埃爾默儀器有限公司）測定土壤中DTPA態(tài)Cd的含量；過篩土壤采用NY/T 1377—2007電位法測定土壤pH值。試驗所用的試劑均為優(yōu)級純，試驗器皿使用前用10%硝酸浸泡24 h以上。

1.4 數(shù)據處理

試驗數(shù)據采用Excel 2019和SPSS 20軟件進行統(tǒng)計分析。采用單因素方差分析（Duncan與Pearson法）對不同處理下各參數(shù)含量差異顯著性與相關性進行分析。

2 結果與分析

2.1 竹炭有機肥對水旱作物營養(yǎng)生長影響

對培育4周后的水稻和小白菜生物量進行統(tǒng)計，不同劑量的BOF和BOF–Ca處理對水稻以及小白菜發(fā)育影響各不相同。圖1所示，水稻株高隨BOF施用量增加而增加，BOF–4處理下水稻株高最高，達到59 cm，相比CK，增加15.7%（P＜0.05）；相較BOF–3處理，BOF–Ca處理下水稻株高略有降低，BOF–2、BOF–3、BOF–4、BOF–Ca處理間水稻株高無顯著差異。圖1所示，小白菜在BOF–Ca處理下長勢最好，相比CK，增加60.7%（P＜0.05）； BOF不同濃度處理下白菜長勢與CK無顯著性差異，其中，當施用高劑量竹炭有機肥（BOF–4）時，白菜株高略有降低。由圖2可知，與CK相比，BOF–2和BOF–4處理均表現(xiàn)為顯著增加水稻生物量，平均增幅97%和65%（P＜0.05），其次是BOF–Ca和BOF–3處理；低劑量處理（BOF–1）對水稻生物量影響差異不顯著。

2.2 竹炭有機肥對土壤pH值和鎘生物有效性影響

如圖3所示，對照組CK土壤pH值為5.51，土壤隨BOF施用量而顯著增加，施用高劑量BOF，土壤pH增加0.32（P＜0.05）；BOF施用量平均每增加0.5 g/kg，土壤pH增加0.1；BOF–Ca處理下土壤pH最高，相較CK，增加了0.5個單位（P＜0.05）。由圖4可知，土壤DTPA提取態(tài)鎘在各處理下含量各不相同。CK土壤有效鎘含量為0.363 mg/kg，BOF–Ca處理有效鎘含量最低，相比CK降幅21.8%，其次是BOF–2和BOF–4，降幅7.5%和9.2%，均呈現(xiàn)顯著差異（P＜0.05）。BOF–1和BOF–3處理略有降低，與CK差異不顯著。

2.3 竹炭有機肥對水旱作物鎘積累的影響

水稻組織中鎘積累情況如圖5所示，鎘在根系中積累量高于莖葉，地下部鎘的平均含量是莖葉組織中Cd含量的3～4倍。根系中鎘含量隨BOF施用量增加呈現(xiàn)出先降低后升高變化；BOF–2處理下，根系鎘含量最低，為8.62 mg/kg，相較CK顯著降低38.8%（P＜0.05），BOF–Ca處理根系鎘含量降低19%（P＜0.05）。高劑量BOF處理，根系鎘積累降低效果減弱；莖葉中鎘的變化與根系表現(xiàn)一致，BOF–2和BOF–Ca處理下，莖葉鎘含量最低，為2.95 mg/kg和3.27 mg/kg，相較CK顯著降低18.8%、16.9%（P＜0.05）。如圖6所示，小白菜地上部分鎘含量隨BOF施用量增加呈現(xiàn)出先降低后升高變化，BOF–2處理下，鎘含量最低，相較CK，降幅34%（P＜0.05）；BOF–1和BOF–3處理對鎘積累影響水平一致，均與CK無顯著差異。同時，BOF–Ca處理小白菜鎘含量相較CK略有增加，差異不顯著。

2.4 土壤pH值、有效鎘和作物鎘相關性分析

由表1可知，土壤pH值與有效鎘含量呈極顯著負相關，相關系數(shù)R為-0.749，（P＜0.01）；土壤有效鎘含量與水稻莖葉鎘含量呈顯著正相關（R=0.482，P＜0.05），與水稻根系Cd無顯著相關。水稻莖葉中鎘含量與根系鎘含量呈顯著正相關關系（R=0.550，P＜0.05）。白菜鎘含量與土壤pH以及土壤有效鎘含量均無顯著相關。

3 討論

生物炭具有含碳率高、孔隙結構豐富、比表面積大、理化性質穩(wěn)定及高pH等特點，施入土壤后，能直接或間接改變土壤理化性質、改變微生物活性，影響土壤肥力狀況，對作物的生長、生物量及產量有積極影響[5-6]。研究表明，施用一定劑量竹炭有機肥能促進作物株高增高、增加生物量，其中添加竹炭0.66 g/kg處理作物生物量水平最高，一方面竹炭有機肥的施用直接提高了土壤肥力，另一方面竹炭的多孔性和吸附性提高了土壤鹽離子交換量，增加了土壤微環(huán)境的穩(wěn)定性，土壤pH值的提高可以改變土壤養(yǎng)分形態(tài)，促進根系對營養(yǎng)元素的吸收利用，提高了土壤養(yǎng)分利用效率。有研究表明，適量施用生物炭可提高作物根系代謝活動，在一定程度上能促進作物生物量積累，增強作物長勢[7]。而隨著施用量的增加，水稻根系生長水平以及白菜株高受到了一定程度的抑制，這與前人研究結果一致[8]，從某種程度上來說，竹炭有機肥的施用效果受多種因素制約，包括土壤類型、生物炭種類、土壤水分環(huán)境、肥料施用量和作物種類等[9-10]。

生物質炭一般呈堿性，適用于酸性土壤改良。研究結果顯示，土壤pH值隨竹炭有機肥施用量增加顯著升高。有研究表明[11-13]，竹炭在提高土壤養(yǎng)分和有機碳的同時，還能改善根基土壤化學性質，增加土壤吸附養(yǎng)分能力，從而減少營養(yǎng)物質淋失。土壤酸堿度與土壤養(yǎng)分有效性密切相關，當土壤pH值較低時，會出現(xiàn)土壤肥力不足，質量下降，影響作物正常生長[14]。眾多學者研究發(fā)現(xiàn)施用生物炭能使酸性土壤pH值有不同程度上升[15-16]。竹炭有機肥提升土壤酸堿度可能有以下3個原因：（1）竹炭生物肥自身含有較強的堿性物質，進入土壤后堿性物質釋放，提升高土壤pH值[17]；（2）生物炭促進土壤中有機氮的礦化，該過程消耗了團粒中的質子，同時有機質制備過程中的碳酸根、有機酸根在土壤中發(fā)生脫羧作用，或官能團的配體交換作用，同樣消耗了環(huán)境中的質子，從而在一定程度上改善土壤酸堿度[16-18]；（3）竹炭質有機肥具有良好的吸附性能，吸附了土壤中的NH4+，可抑制硝化作用，降低了土壤環(huán)境中質子的產生，間接提升土壤pH值[19]。土壤酸堿度水平與有效態(tài)鎘呈極顯著負相關關系（R=-0.749），竹炭有機肥的施用在提高土壤pH值的同時，有效降低了土壤活性鎘含量，土壤有效鎘含量與BOF施用量呈負相關，當竹炭有機肥施用量到一定程度時，降低效果趨于一致，而在竹炭有機肥和氧化鈣復配處理中，土壤有效鎘含量得到顯著降低。

相關研究表明[19]，有機肥中的還原性有機酸再分解過程中生成的胡敏酸、氨基酸或是含氮、硫雜環(huán)化合物，通過螯合或絡合作用可有效降低土壤中重金屬的遷移效率；同時竹炭有機肥比表面積大，吸附能力強，能有效固定土壤中活性金屬鎘。研究結果顯示，2種不同類型作物鎘積累均表現(xiàn)出隨竹炭有機肥施用量增加而降低，竹炭有機肥0.66 g/kg處理效果最佳，當有機肥施用量超過一定范圍時，呈現(xiàn)上升趨勢，說明竹炭有機肥對作物阻控鎘積累效應受其他環(huán)境因子制約。同時，竹炭有機肥和氧化鈣復配處理下，水稻和小白菜鎘積累表現(xiàn)相反，且白菜中鎘的積累與土壤pH值和土壤有效鎘含量無顯著相關。由此看出，旱地作物通過施用調理劑降低重金屬積累在施用方式和改良劑種類的選擇上需要重點考量。

4 小結

（1）竹炭有機肥能促進作物生長發(fā)育，提高作物產量，施用量在0.66和1.33 g/kg時，水稻增產效果最為顯著，竹炭有機肥和氧化鈣復配處理對提升白菜生長水平效果更佳。

（2）竹炭有機肥有效提升土壤pH值，對改善南方酸性土壤具有潛在價值，施用量平均每增加0.5 g/kg，土壤pH增加0.1個單位。同時土壤有效鎘含量隨著竹炭有機肥施用而呈降低趨勢，施用量在0.66 g/kg時，綜合效果較好。

（3）竹炭有機肥對于不同水旱作物鎘的積累均表現(xiàn)出低劑量時阻控鎘積累效果好，高劑量時阻隔效果差的趨勢，綜合推薦竹炭有機肥施用量為0.66 g/kg。竹炭有機肥和氧化鈣復配處理降低了水稻鎘積累量；在鎘污染旱地應用上需要改良施用方式，以增強阻控效果。

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（責任編輯：肖彥資）