王 芳，刘林峰，冉秋霞，杨金礼，罗 洋

(1.贵州师范学院 地理与资源学院，贵州 贵阳 550018； 2.曲靖师范学院 物理与电子工程学院，云南 曲靖 655011)

近年来由于矿业开采、汽车尾气排放、农药化肥滥用以及污水灌溉等，使得大量镉等有害重金属不断进入到农业生产环境中，对农作物造成了不同程度的污染[1]。我国土壤镉污染形势日渐严峻，目前我国耕地被镉污染的已超过13万km2，其中包含11个省市，25个地区[2]，污染范围逐渐扩大，对人们赖以生存的生态环境构成了巨大的威胁。根据调查得知，西南地区是重金属污染最严重地区之一，其中镉污染物从东北到西南呈逐渐升高的地理分布态势[3]。重金属镉是“五毒”元素之一，具有很强的毒性、不可逆性和迁移性，因此镉极易被作物吸收富集[4]。镉是人体非必需的微量元素，具有较强的致癌、致畸及致突变作用，当农作物在镉污染土壤上进行种植时，会导致镉在农作物体内累积，一旦被动物或人类食用，可能会通过食物链的方式进入人体，对人体健康造成极大危害[5]。

生物炭能改善土壤的理化性质与微生态环境，使其降低重金属在土壤中的活性以及有效含量，从而减少重金属对作物生长发育的影响[6]。秸秆炭是一种生物质炭，具有孔隙结构发达、吸附性强、透气性好、比表面积大等特点，在控制污染及重金属修复等方面均有良好的应用前景[7]。通过添加水稻秸秆炭开展对玉米植株镉累积的影响，结果表明：施用秸秆炭能有效的减少镉的生物可利用态含量，降低了玉米植株中的生物有效性，从而减小玉米植株对重金属Cd的富集，抑制植株根部Cd向地上部分的转运[8]；通过添加秸秆炭对水稻植株中镉迁移累积的影响，结果表明：施用秸秆炭能使土壤中酸溶态镉向还原态转化，从而降低镉的生物有效性，减少了镉在水稻中的累积[9]。

据全国土壤重金属调查显示，镉在贵州土壤中的平均值高达0.659 mg/kg，明显超出对农业生产用地的标准，使食品安全问题受到威胁[10]。有研究结果表明：镉是贵州省土壤中主要污染物之一，其单因子污染指数达到了4.05，说明贵州省属于镉的重污染区[11]。黄壤是贵州省面积最大的土壤类型，占全省土壤总面积的46.4%，大多分布贵州中部和北部。开展黄壤重金属镉污染的治理工作对贵州省粮食、蔬菜、水果等作物的安全生产和人民身体健康具有重要意义。因此，本研究以黄壤为供试土壤，用贵州本地产出较多的农业废弃物水稻秸秆和辣椒秸秆制备生物炭，开展盆栽试验，通过测定模拟镉污染黄壤上小白菜的株高、生物量和镉含量等数据，探讨秸秆炭对镉污染黄壤上小白菜生长及镉吸收的影响，为贵州镉污染黄壤的修复工作和农作物的安全生产提供参考。

供试土壤：采自贵阳市乌当区贵州师范学院对面的空地农田0～20 cm表土层，土壤类型为黄壤。用“S”型多点取样法进行取样，将土壤用编织袋装好后带回实验室阳台自然风干，并挑出其中的石块和木棍等杂物，用研钵磨细过2 mm尼龙筛，装入自封袋备用。

供试植物：小白菜(学名：普通白菜)，拉丁学名：BrassicacampestrisL. ssp. ，别称：青菜、瓢儿菜。具有抗病、抗湿和耐热等品质，网上购买。

供试秸秆炭：采集于贵州省丰富而廉价的水稻和辣椒秸秆，自然晾干后用粉碎机粉碎。再于实验室控温马弗炉中限氧热解，将温度升至400 ℃度时保持2 h，冷却后用钳子取出瓷坩埚，用研钵磨细，过100目尼龙筛，编号装袋备用。秸秆中未检测出重金属镉。

试验在贵州师范学院温室大棚进行。采集未受镉污染的清洁黄壤，通过添加CdCl2溶液的形式制备模拟污染土壤。试验共设计5个处理，具体情况见表1。

将制备好的模拟污染土壤装入圆形塑料盆中，每盆装土1.8 kg，室温下平衡7 d后，水稻和辣椒秸秆炭按比例与模拟镉污染土充分混匀，每个处理重复3次。将小白菜种子(25粒)均匀播种在每个盆中并覆土，15 d后即小白菜生长至两片真叶时间苗，在盆栽中挑选12株长势较均匀的小白菜作为试验对象。在植株生长期间浇去离子水，并注意观察生长情况，定期除去杂草。在平衡至收获期间均保持土壤的水分为田间持水量的70%，且不添加任何肥料。

盆栽试验进行44 d后收获，对地上部植株进行采集，用自来水洗去粉尘杂质和蒸馏水润洗3次，晾干后对植株的株高及鲜重进行测量。再于105 ℃下杀青30 min，80 ℃下烘干至恒重，用研钵磨细，过100目尼龙筛，装袋备用。植株收获后用不锈钢土钻取200 g土壤样品，自然风干后，以四分法取60 g土壤，研钵磨细，过100目尼龙筛，装入自封袋备用。其中原始土壤镉含量为0.03 mg/kg；pH值为7.20；有机质含量为38.42 g/kg。

土壤有机质采用重铬酸钾容量法-外加热法测定；土壤pH值采用去离子水浸提(土水比1∶2.5)，精密pH计(雷兹PHS-3C)测定；上述指标具体测定步骤均参考文献鲍士旦中的方法[12]。

小白菜地上部Cd含量采用HNO3-HClO4体系消解，土壤全Cd含量采用HCl：HNO3(4∶1)的混合酸液消煮，利用原子吸收光谱仪法测定镉含量。测试过程均设置空白对照，实验所用试剂均为优级纯。

本试验通过Microsoft Excel 2010和IBM SPSS Statistics 22.0软件进行数据整理及计算，单因素方差分析显著性水平设置为P

在水稻秸秆炭处理组中，土壤pH值随着添加量的增多与对照相比分别增加了0.09、0.22个单位，达到显著水平(P

图1 不同处理的土壤pH值

在水稻秸秆炭处理组中，土壤的有机质含量随着添加量的增多与对照相比分别增加41.41%和64.19%，在0.5%～2.5%用量范围内均达显著水平(P

图2 不同处理的土壤有机质含量

从图3得知，在水稻秸秆炭处理组中，小白菜的株高随着添加量的增多与CK(14.17 cm)相比分别增加26.00%和33.22%，在0.5%和2.5%两个用量水平下均呈升高趋势(P

图3 不同处理的小白菜生长情况

由图4可知，小白菜在施用秸秆炭的镉污染黄壤上生长44 d后，其地上部镉含量随着秸秆炭的施用量增加有着不同程度的降低。在水稻秸秆炭处理组中，小白菜地上部镉含量随着添加量的增多与对照相比分别降低了15.67%和23.92%，达显著水平(P

图4 不同处理的小白菜镉含量

通过试验结果得知，两种秸秆炭的施用显著升高了土壤pH值，并且均随添加量的增多而升高。原因是生物炭本身含有一定量的碱性物质，同时生物炭中的钾、钠、镁等盐基离子降低了土壤的交换性铝离子水平，使得土壤pH值提高[13]。此外，本试验施用了水稻秸秆炭和辣椒秸秆炭，两种秸秆炭均提高了土壤有机质含量，且都随添加量的增多而增加。可能是秸秆中的有机物质在缺氧状态下，对其有控制的进行高温分解，所制得的炭具有一定的养分含量及稳定性，在一定程度上能促进土壤对养分的吸收[14，15]。不同秸秆炭对土壤pH值和有机质的响应不同[16]，本试验中主要用了水稻和辣椒秸秆炭，在施用量为2.5%时，土壤pH值和有机质在两种秸秆炭之间均有显著性差异，其他指标无明显区别。可能是由于秸秆炭的钝化作用除了与土壤中镉浓度有关外，还受环境和污染类型等因素的影响[17]。

在本研究中，两种秸秆炭的施入均促进了小白菜生长，可能是因为一方面秸秆炭提高了土壤有机质含量及pH值、增加了土壤肥力、改善了土壤通气性等理化性质，从而促进作物生长[18]。另一方面秸秆炭能与土壤中的微生物、无机和有机组分之间相互作用，在秸秆炭表面形成有机-矿质-生物覆膜，增加秸秆炭表面官能团数量，加快秸秆炭对重金属镉的钝化，降低了镉对作物的危害[19]。水稻秸秆炭和辣椒秸秆炭的施用均降低了小白菜地上部的镉含量，原因可能是秸秆炭能够与土壤中镉发生络合、吸附、离子交换等一系列反应，从而减少镉在植物中的迁移，降低了镉在作物的富集[20]。土壤pH值的升高降低了镉在植株中的移动性，减少植株根系对镉的吸收，因此降低了重金属镉在植株中的有效含量[21]。

本研究通过向土壤中添加两种类型不同用量的秸秆炭，开展了盆栽实验，探索了不同类型秸秆炭及不同秸梯度处理中，对镉污染黄壤上小白菜生长及镉吸收的影响。从试验结果来看有一定成效，但仍需从野外试验、不同秸秆炭之间的配比、秸秆炭施用对微生物的影响、土壤镉形态等方面开展进一步的探索，以多角度地评价其施用效果和解释有关作用机制。

(1)秸秆炭的施用明显改善了土壤的理化性质，随着秸秆炭施用量的增加，土壤pH值、有机质都有着不同程度的增加。

(2)施用一定量的秸秆炭能明显促进小白菜的生长，当两种秸秆炭在用量为0.5%和2.5%水平时，与对照相比极大提高了小白菜地上部鲜重。其中在水稻秸秆炭处理组中，地上部鲜重随着添加量的增多与对照相比分别是对照组的4.95和6.66倍；在辣椒秸秆炭处理组中，地上部鲜重随着添加量的增多与对照相比分别是对照组的5.47和7.17倍。

(3)秸秆炭施用明显降低了小白菜地上部镉含量。在水稻秸秆炭处理组中，镉含量随着添加量的增多与对照相比分别降低了15.67%和23.92%；在辣椒秸秆炭处理组中，镉含量随着炭添加量的增多与对照相比分别降低了15.88%和21.65%。

绿色科技2021年16期