添加生物炭对土壤镉形态和小白菜镉吸收的影响_邓永玺.pdf

陕西农业科学，（）：土壤农化添加生物炭对土壤镉形态和小白菜镉吸收的影响邓永玺，赵少婷，曹 阳，张东明，吕家珑，代允超，陈继平（西北农林科技大学 资源环境学院，农业农村部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西 杨凌；西安市农业技术推广中心，陕西 西安；陕西省水工环地质调查中心，陕西 西安）摘 要：为了深入研究生物炭对土壤镉（）形态及对小白菜吸收镉的影响，研究采取盆栽试验，将小白菜种植于镉污染土壤中，通过添加不同质量分数的生物炭进行培养试验。试验共设（不添加生物炭）、（添加 的生物炭）及（添加 的生物炭）三个处理，每个处理进行三次重复。试验结果表明：添加生物炭可以显著提高供试土壤的，、处理可分别将土壤 提高 、个单位；随着生物炭添加量的增加，土壤中弱酸提取态镉与可还原态镉的含量降低，而可氧化态镉与残渣态镉的含量增加，且 处理与 处理相比效果更显著；添加生物炭可以显著减少小白菜吸收镉的量，和 处理可以分别使小白菜对镉的吸收降低 和 。总的来说，添加生物炭可以降低土壤中有效态镉的含量并显著降低小白菜对镉的吸收量，是一种降低土壤镉危害、提高小白菜的食品安全性的有效方法。关键词：生物炭；土壤；镉；小白菜中图分类号：文献标识码：文章编号：（）收稿日期：修回日期：基金项目国家自然科学基金项目（）；国家重点研发计划（）；陕西省农业科技创新驱动项目（、（）；陕西省公益性地质调查项目“陕西省安康地区土地质量调查评价及综合研究”（）。第一作者简介：邓永玺（），男，新疆塔城人，资源环境科学专业本科在读。通信作者：代允超。，（，；，；，）：（），（），（）（），：；随着工业化过程中的矿物开采等活动，以及劣质农药、化肥的施用等农业活动的进行，镉（）、铜（）等重金属及有害的有机物质不断进入土壤中，对土壤造成了一定程度的污染，耕地尤以重金属污染为主。年，原环境保护部（现生态环境部）发布的全国土壤污染状况调查公报表明，中国的土壤污染物总超标率为 ，其中 较为严重，其点位超标率高达 。调查证实，全国各行政区的水稻土 超标率达 ，而中西部地区水稻土的 含量则要超过东部地区，其中以湖南省水稻土的平均 含量最高，达到了。土壤中超标的重金属对农作物甚至是人体的健康都会产生一定的不良影响，如 浓度过高会抑制小麦幼苗的生长；同时，重金属会被农作物吸收而进入人体，易造成人体身患肺癌、内膜癌、膀胱癌等多种疾病。蔬菜是一类消耗量较高的食品，蔬菜的安全问题也早已经引起相关学者的关注。相关研究表明，人体内积累的 有 来自于叶菜类蔬菜的食用。因此，叶菜类蔬菜种植地的 污染土壤修复问题亟待解决。传统的 污染土壤修复方式包括物理修复、化学修复及生物修复等。其中化学措施因成本相对较低、对土壤环境的影响较小、易于施工且不会带来二次污染，成为一种较常用的修复措施。生物炭是农作物的废弃物等物质经高温热解后生成的的固态产物，具有较强的化学稳定性，是一种具有发展潜力的土壤污染修复剂，。生物炭中存在着较多的孔隙，同时，其具有较高的含碳量，这使生物炭具有较强的吸附力，能够通过吸附重金属而降低重金属在土壤中的移动性和有效性。另外，生物炭还可以通过改变土壤，提高土壤有机质含量改善土壤重金属污染情况。由于生物炭对重金属污染物具有较好的处理效果，越来越多的研究人员开始对生物炭的相关应用进行研究。王红等人的研究表明，以水葫芦为原料制成的生物炭较杨树枝炭、玉米秸秆炭等而言，对重金属（和）有更好的吸附特性。李衍亮等发现，生物炭的施用能够有效降低土壤中 和 的含量，在降低玉米器官中重金属元素积累的同时具有增产作用。因此，笔者研究采取盆栽试验，通过向镉污染土壤中添加不同含量的玉米秸秆生物炭，并在进行了一定时间的培育后种植小白菜，来研究不同添加量的生物炭对土壤、土壤中不同形态 含量及小白菜 吸收量的影响，以期为更好地利用生物炭解决种植叶菜类蔬菜的 污染土壤修复问题提供一定理论依据。材料与方法 供试材料试验所用土壤采集于陕西省汉中市勉县受 污染的土壤，采样深度为 。采集后的土壤在进行风干、大土块破碎等处理后，按不同处理（，）的要求添加生物炭，之后放于花盆中备用。在进行实验前，对土壤的基本性质进行了检测，检测结果见表。表 供试土壤的基本性质有机质（）（）弱酸提取态（）可还原态（）可氧化态（）残渣态（）总（）实验所用小白菜的品种为金旱生。实验所用的生物炭由玉米秸秆经风干粉碎后 高温热解而成。在生物炭制备后，对其基本性质进行了测定，得到生物炭的 为，有机质含量为 陕西农业科学 年第 卷第 期。盆栽试验设计试验共设计三种处理，分别是不加生物炭（），施加土壤质量 （质量百分数）的生物炭（）以及 的生物炭（），每种处理设置三次重复。将经过筛选、处理的小白菜幼苗移栽至高为，直径为 的花盆中，每盆盆栽移植 株。每组处理均放在相同且适宜的环境中培养，每 浇一次蒸馏水，共培养 。培养结束后采集土壤和植物样品，测定其相关性质后进行数据处理与分析。样品的采集植物样品通过采集小白菜的地上部叶片部分，用蒸馏水冲洗干净并晾干，放置于 的烘箱中杀青，杀青后继续用 烘干，称重后再粉碎，用于植物中 含量的测定。土壤样品为采集收获小白菜后的土壤，经过风干、研磨，并过 目尼龙筛后备用。测定指标及测定方法 土壤 的测定称取过 目筛的土样 ，按水土比 加入蒸馏水震荡。震荡完成后，使用 计（）进行测定。土壤中各形态 的测定取供试土壤，在采用 连续提取法处理试样后，获得了弱酸提取态、可还原态、可氧化态 及残渣态。弱酸提取态 具有较强的迁移性，所以其生物有效性也较强；可还原态、可氧化态 在一定条件下可转化为弱酸提取态或者残渣态；残渣态 则是最稳定的形态。过滤得到的浸提液使用石墨炉原子吸收光谱仪（）测定 含量。小白菜地上部 含量的测定称取风干粉碎后的植物样 于消解管，加入混合酸（与 的体积比为 ），在消解装置中进行消解，直至混合酸完全挥发，消煮管析出结晶。之后，在消解管中加入 的 溶解，涡旋后放置于 水浴装置中，原 子 吸 收 分 光 光 度 法 测 定 小 白 菜 的 含量。数据处理与分析采用 进行单因素方差分析，用 法（）进行多重比较。采用 对数据进行分析以及进行图表的绘制。结果与分析 生物炭添加对土壤 的影响添加生物炭土壤与未添加生物炭土壤的 值变化状况如图 所示。由图 可知，不同施用量的生物炭添加处理均可提高土壤的 值，且 提高的量随生物炭施用量的增加而增加。处理的土壤 提高了 个单位，较 提高了；处理的土壤 提高了 个单位，较 提高了 ，且三个处理相比具有显著差异。图 生物炭添加对土壤 的影响注：不同的小写字母表示处理间差异显著（），下同。土壤 不仅会影响土壤中的各种生化反应，同时，也会通过影响重金属的形态来影响重金属的生物有效性与移动性。已有不少研究证明，生物炭的添加可以提高土壤的 。生物炭之所以能够改变土壤 值，除了因为其本身的碱度能直接提高土壤，还能通过其碱度作用抑制土壤的硝化作用，减少硝酸的产生，从而提高土壤的。同时，生物炭还含有一定的有机质，可以提高土壤有机质含量，同时可以有效提高土壤的 值。吴愉萍等利用多种原料制成的 在 的生物炭，在施用量为 时，能够将土壤的 值提高 个单位；在施用量为 时，能够将土壤 值提高 个单位。笔者研究供试土壤 值为 ，为酸性土壤，制得的生物炭 为 ，在生物炭施用量为 时能够将土壤 提高 个单位，在生物炭施用量为 能够提高 个单位，这与前者得到的结果一致。生物炭添加对土壤 形态的影响如图 所示，炭添加处理会减少弱酸提取态邓永玺，等：添加生物炭对土壤镉形态和小白菜镉吸收的影响 及可还原态 的含量，并提高可氧化态 与残渣态 的含量。在笔者试验中，土壤弱酸提取态 的含量随生物炭施用量的增加而显著下降。处理的土壤弱酸提取态 含量可减少，而 处理的土壤弱酸提取态 含量可降低。同时，可还原态 的含量也随着生物炭施用量的增加而呈显著的下降趋势。可氧化态 的含量会随生物炭施用量的增加而增加，但不同的生物炭施用量之间并不会产生显著的差异性。残渣态 含量也随生物炭施用量的增加而显著提高，其中 处理使残渣态 含量提高 ，处理使残渣态 含量提高。图 所示为不同处理中各形态 占总 的百分比。由图 可知，各处理土壤中的 仍然以弱酸提取态 为主，而其它形态 含量的百分比依次以可还原态、残渣态、可氧化态 的顺序递减。虽然可交换态 仍然占总 的大部分，但随着生物炭施用量的添加，可交换态 所占的百分比显著下降，残渣态 含量显著上升。在 处 理 的 土 壤 中，弱 酸 提 取 态 占 比，残渣态 占比 ；在 处理中，弱酸提 取 态 占 比 ，残 渣 态 占 比；处理的土壤中，弱酸提取态 占比，残渣态 占比 。图 生物炭添加对土壤中 形态的影响图 不同处理土壤中各形态 的分布 生物炭除了可以通过它对重金属离子的静电吸附、离子交换、专性吸附等来影响重金属的有效性，还可以通过改变土壤 影响重金属在土壤中的生物有效性，。土壤 主要通过影响重金属的沉淀作用、水解作用等，直接影响重金属在土壤中的有效性。从试验得到的数据可以发现，生物炭的添加显著地提高了酸性土的，从而降低了土壤中有效态 的含量。笔者研究结果显示，生物炭添加可以使残渣态 含量显著提高，同时显著降低弱酸提取态 的含量。曹莹等证明，土壤有效态 及水溶态 的含量随生物炭添加量升高而减少。安梅等人研究表明，生陕西农业科学 年第 卷第 期物炭添加可以减少土壤中的弱酸提取态 及可还原态 含量，同时将弱酸提取态 向可氧化态、残渣态转变。聂新星等发现当生物炭添加量为 时可以显著减少土壤中的 含量。这些结果与笔者试验的结果相似。由此证明，添加生物炭可以显著减少土壤中有效态 的含量，从而降低土壤中 的移动性。生物炭添加小白菜地上部 含量的影响图 所示为生物炭添加对小白菜地上部 吸收的影响。由图 可知，添加生物炭可以显著降低小白菜地上部的 含量。与 处理相比，处理的小白菜地上部 含量减少了 ，处理的小白菜地上部 含量的减少量为 ，小白菜地上部的 积累量也随着生物炭施用量的增加显著减少。图 生物炭添加对小白菜 吸收的影响研究已经证明，蔬菜中的 含量与土壤中的有效态 含量有极显著的正相关关系。在笔者研究中，生物炭的添加显著降低了土壤有效 的含量，随着土壤中有效态 含量的降低，小白菜地上部 含量也显著的下降，与 相比，施加的生物炭处理可使小白菜地上部 含量降低，施加 的生物炭可将小白菜地上部的 含量降低 ，与 相比具有更加明显的阻控作用。何梓林等研究发现，施用菌渣生物炭最高可将小白菜的 吸收量降低 。李明等人发现，生物炭添加可以减少生菜根中 的积累量。小白菜的镉积累量随着生物炭添加量的增加而显著降低，以上试验结果与笔者试验相似。由此表明，生物炭添加可以显著降低小白菜地上部 的含量。结论试验探讨了添加生物炭对土壤 值、土壤 形态及小白菜对 吸收的影响。添加生物炭可以显著提高酸性土壤的 值，值的增量随着生物炭添加量的增加而增加。此外，添加生物炭可以显著降低土壤中弱酸提取态 与可还原态 的含量，提高可氧化态 与残渣态 的含量，且添加量较高的处理效果更显著。添加生物炭还可以显著降低小白菜地上部分对 的吸收量。笔者研究从添加生物炭对土壤 形态分布特征的影响出发，证明了添加生物炭是一种降低土壤 的危害、提高小白菜的食品安全性的有效方法，为实现叶菜类蔬菜的安全食用、污染土地的治理以及降低重金属对叶菜类蔬菜的毒害风险提供了理论依据。参 考 文 献：骆永明，滕应 中国土壤污染与修复科技研究进展和展望 土壤学报，（）：中华人民共和国环境保护部，中华人民共和国国土资源部 全国土壤污染状况调查公报 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