生物炭对土壤镉的固化效果及韭菜生长的影响

摘    要：为探究生物炭对土壤中总镉和镉不同形态含量、土壤化学性质及韭菜生长的影响，以添加氯化镉（CK）盆栽为对照，设置3个不同比例生物炭处理，测定韭菜生长期内以及收获后韭菜生物量和土壤中总镉含量、不同形态镉占比、土壤化学性质等指标。结果表明，与CK相比，添加不同比例生物炭改善了土壤的化学性质，土壤pH显著升高2%；韭菜生物量和株高、根长显著增加；降低土壤中交换态镉比例，增大铁锰氧化物结合态镉、有机物结合态镉、残渣态镉比例，从而降低植株中总镉含量2%。其中2%生物炭处理在提高韭菜品质和降低各部位镉含量方面效果最好，与CK相比，在不同收割期使土壤pH显著升高0.53～1.23，叶、茎、根生物量分别显著提高17.3%～32.6%、20.1%～58.6%、15.6%～30.5%，株高和根长分别显著提高4.4%～12.3%、12.6%～26.0%，叶、茎、根中总镉含量下降幅度分别为66.4%～93.6%、71.3%～92.7%、28.7%～59.0%，可在实际生产中推广应用。

关键词：韭菜；生物炭；镉；镉不同形态；产量

中图分类号：S633.3 文献标志码：A 文章编号：1673-2871（2023）12-113-07

Effect of biochar on the solidification of cadmium in soil and the growth of leek

LIU Hui， SUN Xiulan

（School of Food Science and Technology， Jiangnan University， Wuxi 214122， Jiangsu， China）

Abstract： To investigate the effects of biochar on the different forms of total cadmium and cadmium in soil， soil chemical properties， and the growth of Chinese chives， we used potted plants with added cadmium chloride （CK）as a control and set up three different ratios of biochar treatment： 1% biochar+cadmium chloride（T1）， 2% biochar+cadmium chloride（T2）， and 5% biochar+cadmium chloride（T3）. The biomass of Chinese chives during and after harvest， the total cadmium content in the soil， and the proportion of different forms of cadmium，soil chemical properties and other indicators were measured. The results showed that compared with CK， adding different proportions of biochar improved soil chemical properties and significantly increased soil pH; the biomass， plant height， and root length of leeks significantly increased; reduced the proportion of exchangeable cadmium in soil， increased the proportion of iron manganese oxide bound cadmium， organic matter bound cadmium， and residual cadmium， thereby reducing the total cadmium content in plants. Among them， T2 treatment has the best effect on improving the quality of leeks and reducing the cadmium content in various parts， compared with CK， soil pH was significantly increased by 0.53-1.23， the biomass of leaf， stem and root were significantly increased by 17.3%-32.6%， 20.1%-58.6%， 15.6%-30.5%， plant height and root length were significantly increased by 4.4%-12.3% and 12.6%-26.0%， respectively， the total cadmium content in leaves， stems and roots decreased by 66.4%-93.6%， 71.3%-92.7% and 28.7%-59.0%， respectively， which can be promoted and applied in practical production.

Key words： Leek; Biochar; Cadmium; Different forms of cadmium; Yield

随着全球现代工业的快速发展，大量的镉（Cd）排放到大气、水体和土壤中，造成重金属镉污染[1-2]。有研究表明，我国耕地土壤污染点位超标率为19.4%，其中无机污染物镉的污染点位超标率最高，达到7.0%，且镉是影响农田土壤环境质量的首要污染物[3]。污染土壤中的镉经农作物吸收后，富集在可食部位，可以通过食物链在人体中积累，危害人体健康[4]。因此，在保证作物安全种植的前提下，对镉污染的农田土壤进行修复具有重要意义[5]。

韭菜是一种绿色蔬菜，含有丰富的叶绿素和多种活性物质，如含硫化合物、含氮化合物、植物油类、维生素、微量元素等。经常食用韭菜具有诸多好处，如降低胆固醇、降血脂、清热解毒及对心血管疾病有一定的预防和治疗作用等[5]。蔬菜是人们日常生活中的主要食物，也是人类重金属暴露的主要来源[6]。徐玲玲等[7]研究发现，韭菜是一种易富集镉的草本植物，由于镉元素广泛存在于环境中，而有的地区土壤中镉水平较高，从而造成了部分生长在这种环境中的韭菜富集了大量的镉，造成镉水平畸高。近年来，韭菜中镉元素含量超过国家限量标准的报道频现，秦皇岛市、上海市、长沙市、保定市、温州市等地蔬菜中重金属镉超标率分别达到12.2%、13.3%、51.0%、89.0%、50.0%[8]。2018年至今，全国镉含量不合格韭菜样本批次数为152批次，样本中镉水平最高达0.70 mg·kg-1，为国家安全标准（GB 2762－2017）规定限量的数倍之多[9]。因此，解决韭菜中镉超标问题刻不容缓。

有效解决土壤镉污染问题有两种途径：一是改变镉在土壤中的赋存形态，使其由活化态变为稳定态，从而减小其生物毒性；二是直接减少土壤中镉的含量，使其达到本底含量。目前，土壤镉污染采用的方法主要有物理法、化学法、生物法和农业法等[10]。然而这些常规的方法大多存在着操作复杂、成本较高和可能造成二次污染等缺点[11]。寻找操作简单、成本低且安全高效的治理方法，有效解决土壤镉含量超标问题成为当前土壤修复工作的重点。

前人研究表明，生物炭具有高抗分解性、高比表面积和高碳氮[12]，是有潜力的土壤改良剂，它不仅可以有效地改善土壤结构，增加土壤养分、提高土壤肥力和微生物多样性，还可以吸附重金属，降低重金属的有效性，从而促进植物生长[13-14]。在重金属污染土壤修复中，生物炭得到越来越多学者的关注[11]。国内外专家学者对生物炭降低土壤及作物的镉含量做了大量研究[15]。胡祖武等[16]以镉污染的红壤性水稻土为研究对象，采用盆栽试验，研究不同添加量的低硅（BW3）和高硅（AH、AB）含量的3种不同类型的生物炭对土壤镉形态含量及水稻产量、生物量和镉吸收、累积的影响。上官宇先等[17]田间试验揭示不同钝化剂处理对土壤镉及小麦和水稻吸收镉的影响，试验得出选用适当的钝化材料并进行适当处理能够有效降低小麦与水稻籽粒中的镉含量，降低污染风险，同时还可以改善土壤理化性状，起到修复受污染土壤的作用。简敏菲等[18]选用玉米秸秆生物炭，通过盆栽试验在镉污染土壤中施加生物炭并栽培紫花地丁，研究生物炭不同施加量对紫花地丁生长及生理生态的影响。目前有关生物炭对韭菜生长及其产地土壤化学性质的影响还未见报道。为降低韭菜中重金属镉的含量，笔者通过盆栽试验，比较不同生物炭添加量对土壤中镉的固化效果，探究生物炭对韭菜体内镉迁移转化以及植物生长的影响，为降低韭菜中重金属镉的含量提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

生长旺盛、长势均匀、未受重金属污染的韭菜秧苗购于苏州市某一菜园内，品种未知。玉米秸秆生物炭购于河南立泽环保科技有限公司，基本理化性质见表1。供试土壤为黄棕壤，采集自苏州市吴中区越溪镇张桥村菜园表层（0～20 cm），土样自然风干、磨碎后过20目筛。具体理化性质见表2。

1.2 方法

1.2.1 试验设计 试验于2022年4－10月在苏州市吴中区越溪镇张桥村开展，共设置4个处理（表3）。试验不外加任何肥料，用水为蒸馏水，采用随机区组排列，每个处理3次重复，共12盆，每盆栽苗20株，小区面积20 m2（2 m×10 m）。从网上购买盆栽箱（长40 cm×宽40 cm×高22 cm），每盆装土5 kg，设置土壤中镉浓度（w，后同）为2 mg·kg-1，以氯化镉水溶液的形式加入，并保持适当含水量稳定培养2周。

1.2.2 栽培管理 韭菜移栽前先剪掉地上部分，预留5 cm，减少叶片蒸发。将韭菜连根取出，用超纯水冲洗掉根部土壤，剪去须根前端，保留2～3 cm，从而促进新根发育，维持根系吸收和叶片蒸发平衡。选择晴朗无风的17：00进行盆栽试验，每隔5 d及时喷施适量的水，整个韭菜生长期为40 d，每10 d收割1次，共进行4次收割。盆栽试验场所设有防风防雨棚，防止雨水淋洗盆栽，韭菜生长期内及时除草、松土。

1.2.3 样品采集与测定 在韭菜收获时，用超纯水洗净韭菜，并用去离子水清洗3次，在实验室自然晾干后测量株高和根长。

将各部分韭菜样品取0.5 g于研钵中研磨至匀浆状，用于测定韭菜中的镉含量。参考《土壤农化分析》[19]测定土壤化学性状，采用酸度计测定土壤pH；采用重铬酸钾法测定土壤中有机质含量；采用电感耦合等离子体质谱法[20]测定韭菜及土壤中重金属元素含量；采用Tessier法对土壤中镉形态进行分步提取，分别为可交换态镉（EX-Cd）、碳酸结合态镉（CA-Cd）、铁锰氧化物结合态镉（OM-Cd）、有机结合态镉（OX-Cd）以及残渣态镉（RE-Cd），每种Cd形态含量以所占质量分数表示，即由各形态含量与各形态含量之和的比值计算获得[21]。

在不同生长期韭菜收获以后，将韭菜的根、茎、叶分别用去离子水清洗3遍，用纸擦干装入样品袋中。各部位用吸水纸吸干表面的水分，分开装入玻璃器皿中，于85 ℃杀青30 min，随即在80 ℃下烘干至恒质量，用电子天平测定各部分的干质量作为生物量。

1.3 统计分析

采用Excel 2016和SPSS 26.0软件进行数据统计、差异显著性检验（ANOVA）及相关性分析（Duncan）等。

2 结果与分析

2.1 添加不同比例生物炭对土壤化学性状的影响

2.1.1 添加不同比例生物炭对土壤pH的影响 由表4可以看出，在添加生物炭后，随着韭菜的生长，土壤pH呈现出缓慢上升再下降的趋势，并在第3次收割期达到最大值。在第1次收割期，T1、T2、T3处理pH分别较CK显著上升了0.13、0.53、0.13；在第2次收割期，T1、T2、T3处理pH分别较CK显著上升了0.44、1.04、0.94；在第3次收割期，T1、T2、T3处理pH分别较CK显著上升了0.93、1.23、0.95；在第4次收割期，T1、T2、T3处理pH分别较CK显著上升了0.82、1.12、0.92。和CK相比，所有生物炭处理均显著提高土壤pH，其中T2处理的土壤pH在4次收割期均显著高于T1和T3处理，在第3次收割期时达到最大，为7.71。