生物炭对铝富集酸性土壤的毒性缓解效应及潜在机制

应介官，林庆毅，张梦阳，黄 毅，彭抒昂，姜存仓



生物炭对铝富集酸性土壤的毒性缓解效应及潜在机制

应介官1，林庆毅1，张梦阳1，黄 毅3，彭抒昂2，姜存仓1

（1华中农业大学资源与环境学院，武汉 430070；2华中农业大学园艺与林学学院，武汉 430070；3荆州技师学院，湖北荆州434020）

【目的】红壤铝毒是土壤改良持续关注的问题之一。生物炭因其自身的理化和生物学特性，为探索解决该难题提供了新的思路和途径。论文通过在红壤中添加外源铝并种植作物，研究生物炭对铝富集土壤铝毒的缓解效应及潜在机制。【方法】选用酸性红壤做盆栽试验，种植小白菜，添加花生壳生物炭和外源铝，设置CK（0C+0Al）、C（2%C）、Al（1 mmol·L-1Al）、C+Al（2%C+1 mmol·L-1Al）4个处理，分析生物炭对铝富集红壤不同活性铝及作物生长的影响。【结果】铝毒会显著抑制小白菜的出苗，且加重红壤小白菜生长受抑制的情况，降低小白菜的生物量，同时，铝毒会显著提高小白菜铝含量。而施用生物炭能缓解铝毒对小白菜的抑制影响，显著改善小白菜的生长状况，降低小白菜铝含量，C+Al处理小白菜铝含量较Al处理降低89.4%。铝毒会显著降低红壤的pH，Al处理红壤pH较CK处理降低了0.36个单位，而施用生物炭能显著提高土壤pH，C+Al处理土壤pH较Al处理上升0.62个单位。Al处理较CK处理土壤活性铝含量上升276.4 μg·g-1，远大于添加量（27 μg·g-1），而施用生物炭能显著降低土壤活性铝含量，C+Al处理较Al处理下降14.9%。此外，Al处理交换性Al3+含量较CK处理上升23.1%，施用生物炭后，C+Al处理交换性Al3+含量较Al处理下降46.5%。CK与Al处理土壤活性铝形态主要以具有生物毒害性的交换性Al3+为主，C与C+Al处理土壤活性铝形态主要以单聚体羟基铝离子、胶体Al(OH)30为主。【结论】添加外源铝降低了土壤pH，加重铝的毒害，抑制作物的生长发育。此外，外源铝的添加对红壤中活性铝有较强的激发效应，使得交换性Al3+含量显著升高。然而，生物炭能显著提高酸性土壤pH，且改变不同活性铝的含量，但其对4种不同形态活性铝的效应有较大差异，其主要通过降低具有生物毒性的Al3+含量来缓解铝毒，从而改善作物生长状况。

生物炭；红壤；铝毒；活性铝；小白菜

0 引言

【研究意义】铝毒是酸性土壤限制作物生长发育的主要因素之一[1]，铝主要以硅铝酸盐的形式存在于土壤中，由于酸雨和酸雾的发生，加上不合理施肥，使土壤酸化和铝富集化作用加剧，对植物造成极大的危害。特别是中国南方红壤区土壤淋溶作用强烈[2]，铝氧化物易富集形成铝胁迫[3]。土壤中的活性铝常被土壤吸附或与磷酸结合而固定，可溶性铝含量不到1 mg·kg-1 [4]，而当pH 5.5以下时，土壤中可溶性铝会显著增加[5-6]。因此，探讨铝富集土壤的改良机制及效应日益迫切。【前人研究进展】由木材、作物秸秆和动物残体等生物质在高温、缺氧条件下产生的生物炭[7]，其对土壤容重、团粒结构和持水性等物理性质具有较好的改良效果[8-9]，也能提高土壤pH、离子交换量和土壤养分含量等化学性质[10-11]。生物炭不仅能促进作物较好的生长[12-15]，施用生物炭后对降低红壤酸性和缓解铝毒也有显著效果[16-17]，铝毒害不仅与活性铝含量有关，也与其形态相关，交换性Al3+代表了具有生物有效性的那部分铝，具有生物毒害性，其含量的高低决定土壤铝毒的程度[18]。【本研究切入点】近年来，随着生物炭研究的深入，其效果也越来越收到广泛的关注，但是结合南方红壤遭受铝毒害的实际情况，研究生物炭对铝富集红壤毒性的缓解效应较少。同时，分析生物炭对铝富集红壤不同形态活性铝的调节作用尤为重要。【拟解决的关键问题】根据生物炭自身的理化和生物学特性，本试验通过在红壤中添加外源铝并种植作物，分析铝富集红壤不同形态活性铝及作物生长等在施用生物炭后的变化，为生物炭在农业生产上缓解铝毒的应用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2015年在华中农业大学盆栽场进行，用沈阳农业大学提供的生物炭，以花生壳为原料在400℃热解制备而成，其pH为8.76，有机碳、氮、磷和钾的含量分别为321.93、18.84、2.59、8.48 g·kg-1。供试土壤为江西典型酸性红壤，其主要理化性质为：pH 4.75，有机碳5.26 g·kg-1，碱解氮16.98 mg·kg-1，速效磷0.55 mg·kg-1，速效钾21.00 mg·kg-1。供试作物为小白菜“抗热605”。

1.2 试验设计

采用土培盆栽试验，设置CK（0C+0Al），C（2%C），Al（1 mmol·L-1Al），C+Al（2%C+1 mmol·L-1Al）4个处理，每处理4次重复。外源铝为1 000 μmol·L-1的AlCl3·6H2O，27 μg·g-1Al3+[19]。盆栽取1.5 kg过2 mm筛的风干土，添加生物炭及外源铝与酸性红壤混合均匀，放在塑料盆中并施入已经配好的H·C·阿夫多宁营养液（NH4NO30.24 g·L-1；KCl 0.15 g·L-1；Na2HPO4·12H2O 0.1 g·L-1；NaH2PO4·H2O 0.1 g·L-1；CaCl2·2H2O 0.36 g·L-1；MgSO4·7H2O 0.5 g·L-1），微量元素用阿农营养液，pH为6.0。每天浇水，通过重量差减法，使水分维持约75%田间持水量，于3月31日播种，发芽后间苗培养50 d，5月20号收获。

1.3 样品采集与测定

植物样品：种植期间间苗3次，均称鲜重，烘干称重。调查小白菜的出苗率、叶片数、叶面积。收获时，将小白菜整株采集，称取鲜重，烘干称重保存。

土壤样品：小白菜收获后，分别取不同处理的土样进行分析。将土样风干并分别过20目和100目的筛子，自封袋保存，用于测定土样的常规理化指标及各形态活性铝含量。

土壤常规理化性质按照鲍士旦[20]所编《土壤农化分析》中的方法测定，具体如下：土壤pH采用pH计法（水土比2.5﹕1）；土壤碱解氮采用碱解扩散法；速效钾用醋酸铵提取-火焰分光光度计法；速效磷用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法；有机质含量用重铬酸钾容量法-外加热法。土壤活性铝的含量用庞叔薇等[21]提出的浸提方法测量，用KCl、NH4AC、HCl、NaOH四种浸提剂分别浸提，其中KCl浸提交换性Al3+；而NH4AC浸提交换性Al3+、单聚体羟基铝离子；HCl浸提出交换性Al3+、单聚体羟基铝离子及胶体Al(OH)30；NaOH能浸取的活性铝包括所有能形成羟基铝化合物的无机铝及腐殖酸铝，具体见表1。植物中的铝含量用孙建民等[22]提出的浸提方法，羊毛铬花青R比色法测定浸提出来的活性铝。

表1 不同浸提液对活性铝的浸出

1.4 数据计算与分析

土壤活性铝总量：NaOH浸提出的活性铝含量；不同形态活性铝比例：不同形态活性铝含量/活性铝总量；采用Excel2010分析数据、进行t检验（＜0.05），SPSS 20进行单因素方差分析和相关分析，不同处理间采用Ducan新复极差法比较。

2 结果

2.1 生物炭与外源铝对酸性土壤上小白菜生长的影响

如图1，从CK处理与C处理的小白菜长势对比看出，生物炭可以显著促进小白菜的生长发育。虽然，CK处理小白菜的长势较弱，但是添加外源铝后，小白菜长势更弱，因此，酸性红壤的铝富集会严重抑制小白菜的生长。同时，对比Al与C+Al处理可以看出，C+Al的小白菜长势明显要好于CK和Al处理，说明生物炭具有缓解酸性土壤铝毒和改善小白菜的生长状况的效应。

图1 生物炭与外源铝对红壤上小白菜长势的影响（播种1个月）

从表2看出，对照处理的小白菜出苗率为57.1%，小白菜出苗率在添加外源铝后出现显著下降，降低了14.2%，而有外源铝情况下施用生物炭，出苗率上升21.4%。此外，小白菜叶片数、叶面积、株高、生物量等农艺性状均在添加外源铝后受到了抑制。然而在施用生物炭后，小白菜的农艺性状得到明显的改善。

表2 生物炭与外源铝对红壤上小白菜农艺性状的影响

ER：出苗率；LN：叶片数；LA：叶面积；PH：株高；FW：鲜重；DW：干重；MPP：最大单株重。同列不同小写字母表示＜0.05差异显著。下同

ER: Emergence ratio; LN: Leaf number; LA: Leaf area; PH: Plant height; FW: Fresh weight; DW: Dry weight; MPP: Maximum weight per plant. Differentsmall letters within a column are significant differences at＜0.05. The same as below

2.2 生物炭与外源铝对酸性土壤上小白菜铝含量的影响

如图2所示，Al处理小白菜铝含量显著高于CK处理，提高了178.8%；而C+Al处理小白菜铝含量显著低于Al处理，降低了89.4%，说明施用生物炭可以减少小白菜吸收土壤中的铝，降低小白菜体内的铝含量。

图中不同的字母代表处理间存在显著差异（P＜0.05）。下同

2.3 生物炭与外源铝对土壤理化性质的影响

如表3，Al处理红壤pH较CK降低0.36个单位，C+Al处理红壤pH较C处理降低0.38个单位，因此，外源铝会使酸性红壤pH显著下降。C处理pH较CK处理上升0.64个单位，C+Al处理pH较Al处理上升0.62个单位。同时，C和C+Al处理红壤速效钾、速效磷和有机碳含量均较CK和Al处理的高，而碱解氮含量降低。因此，生物炭和外源铝会对土壤pH、速效钾、速效磷、碱解氮、有机碳含量产生综合影响。

2.4 生物炭与外源铝对土壤活性铝总量的影响

外源铝会显著提高红壤活性铝总量，图3可以看出，CK处理红壤活性铝总量为985.7 μg·g-1，加Al处理为1 262.1 μg·g-1，因而，红壤活性铝总量增加量（276.4 μg·g-1Al3+）要远大于添加外源铝的量（27μg·g-1Al3+），说明外源铝的加入对土壤自身的铝毒存在激发效应。此外，添加C处理的红壤活性铝总量减少为652.1μg·g-1，比CK处理下降33.8%；C+Al处理红壤活性铝总量为1 074.0 μg·g-1，比加Al处理下降14.9%。因此，施用生物炭会显著降低红壤活性铝总量。

表3 生物炭与外源铝对红壤理化性质的影响

2.5 生物炭与外源铝对土壤各形态活性铝含量的影响

如表4所示，红壤活性铝含量在添加外源铝后显著上升，各形态铝含量都出现上升，交换性Al3+含量上升23.1%。同时，红壤活性铝含量在施用生物炭后显著下降，C+Al比Al处理的交换性Al3+含量下降46.5%，但不是所有形态铝均下降，单聚体羟基铝离子、胶体Al(OH)30含量却有上升，主要是交换性Al3+及腐殖酸铝含量下降。上述结果表明，生物炭与外源铝会改变各形态活性铝的含量，并且各形态活性铝会发生转化。

2.6 生物炭与外源铝对红壤各形态活性铝比例的影响

如图4，CK处理与Al处理的红壤交换性Al3+比例均是铝形态中较大的，而交换性Al3+是最具有生物毒害性的铝形态。同时，施用生物炭后，C+Al处理红壤的交换性Al3+比例较Al处理下降，C处理红壤的交换性Al3+比例较CK下降，说明生物炭降低了交换性Al3+的比例。因此，外源铝会导致交换性Al3+含量上升，而生物炭有助于降低交换性Al3+所占的比例。

表4 生物炭与外源铝对红壤不同形态活性铝含量的影响

图4 生物炭与外源铝对红壤各形态活性铝比例的影响

3 讨论

3.1 铝毒对作物生长发育的影响

中国南方分布着大面积的酸性土壤，土壤酸化与铝毒伴生[23]，铝毒害是酸性土壤作物生长的最主要限制因子之一。本试验表明，红壤铝富集会造成铝毒，显著降低小白菜出苗率，抑制其生长发育，降低其株高，叶片数，叶面积及生物量等农艺性状。近年来，随着全球工业的迅速发展，酸性的沉降及大量酸性肥料的使用加速了土壤酸化，激活了土壤铝的活性，严重制约作物的生长发育[24]。刘强等[19]研究发现，高铝浓度浸种小白菜种子，会显著降低小白菜的发芽势。Ishikawa等[25]研究也发现，铝毒会改变细胞膜通透性，物质外泄作用加强，从而使用于植株正常生长发育的同化物减少，导致植株生长发育减缓，生物量下降。然而，本研究显示，在红壤中添加生物炭显著降低了作物体内的铝含量，并明显改善了其生长状况，这与生物炭缓解铝毒和促进作物生长有关，Biederman等[26]也有相似结果。

3.2 生物炭对红壤铝毒缓解效应及不同形态活性铝的影响

本试验表明，添加外源铝后土壤pH显著下降，活性铝含量显著上升。主要是由于pH下降能使部分非活性铝转化为活性铝，从而使土壤的活性铝总量上升[27]。同时，徐仁扣等[28]也研究发现，pH降低会引起土壤交换性Al3+含量上升，交换性Al3+占总单核无机铝的比例增加。由于交换性Al3+含量常来判断酸性土壤是否存在铝毒，因此，土壤铝胁迫下会使交换性Al3+含量显著上升，会加重土壤铝毒危害[18]。也有研究表明，活性铝水解导致土壤溶液pH降低，K、Ca、Mg等营养元素的有效性降低[29]，这与本试验土壤pH、速效钾含量在添加活性铝后下降的结果一致。同时，有机质、速效磷含量在添加活性铝后出现上升。戴万宏等[30]发现，中国地带性土壤表层有机质含量与pH存在显著负相关关系，有机质含量随pH升高而降低，而添加活性铝会显著降低土壤的pH。王献华等[31]模拟用酸处理不同pH的土壤，用Olsen法测定土壤速效磷在不同pH条件下动态变化，发现在酸性条件下，Olsen-P的测定值随着pH值下降而升高。此外，本试验研究发现，添加少量外源铝使得土壤活性铝增加量远远大于添加量，存在明显的激发效应。Sierra等[32]研究表明，交换性Al3+含量在土壤pH＞5时可忽略不计，当土壤pH继续下降时，交换性Al3+含量会呈指数增长，这或许是添加外源铝产生激发效应的原因之一。

本试验也表明，施用生物炭后，红壤活性铝含量显著下降，但不是所有形态的活性铝都下降，主要是交换性Al3+及腐殖酸铝含量下降，而单聚体羟基铝离子、胶体Al(OH)30含量却有上升，因此，生物炭与外源铝会改变土壤中各形态活性铝的含量。一些研究指出，生物质炭对酸性土壤中交换性Al3+的影响主要是通过改变土壤的pH实现的。随着土壤pH提高，交换性Al3+发生水解转化成羟基铝并部分形成铝的氢氧化物或氧化物沉淀[28]。生物质炭表面含有丰富的含氧官能团，这些有机官能团能与铝形成稳定的配（鳌）合物，使土壤交换性铝转化为活性较低的有机络合态铝，从而减缓了铝毒对作物的危害[32]。

4 结论

添加外源铝使土壤铝富集，显著降低了土壤pH，加重土壤酸化，并显著抑制小白菜的生长，导致小白菜体内铝含量的增加。此外，外源铝会导致红壤活性铝总量升高，产生对红壤铝毒自身的激发效应，使交换性Al3+增加量远大于添加量。而生物炭能改变土壤中不同形态铝的含量，且降低红壤中具有生物毒害性的交换性Al3+含量和比例，有效的缓解铝毒，改善作物生长状况。

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（责任编辑 杨鑫浩）

Mitigative Effect of Biochar on Aluminum Toxicity of Acid Soil and the Potential Mechanism

YING Jie-guan1, LIN Qing-yi1, ZHANG Meng-yang1, HUANG Yi3, PENG Shu-ang2, JIANG Cun-cang1

(1College of Resources and Environment, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070;2College of Horticulture and Forestry Sciences, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070;3Jingzhou Technician College, Jingzhou 434020, Hubei )

【Objective】Aluminum toxicity of acid soil is one of the hot topics in soil science research, and biochar with some bio-characters give a new method to solve this problem. The objective of this experiment is mainly to clarify the mitigative effect of biochar on aluminum toxicity of acid soil and the potential mechanism. 【Method】An experiment including CK (0C+0Al), C (2%C), Al (1 mmol·L-1Al), and C+Al (2%C+1 mmol·L-1Al) treatments indoor planting pakchoi in pots added with biochar and exogenous aluminum was conducted. The effects of biochar on different active aluminum and the growth of crop of aluminum enrichment red soil were analyzed. 【Result】The results showed that aluminum toxicity significantly decreased the emergence rate of pakchoi. The growth of pakchoi restrained significantly and the biomass of pakchoi decreased under aluminum toxicity, meanwhile, the Al content of the pakchoi increased significantly under aluminum toxicity. However, the growth of pakchoi improved significantly and the Al content reduced under biochar addition, and the aluminum content of C+Al treatment pakchoi reduced by 89.4% compared with Al treatment. Aluminum toxicity decreased the pH of the red soil, the pH of Al treatment decreased by 0.36 compared with CK treatment, but the pH of the red soil increased significantly under biochar addition, the pH of C+Al treatment increased by 0.62 compared with Al treatment. The active aluminum of Al treatment was 276.4 mg·kg-1more than CK treatment. Application of biochar decreased the active aluminum of red soil, and the active aluminum in C+Al treatment decreased by 14.9% compared with Al treatment. Besides, the exchangeable Al3+of Al treatment increased by 23.1% compared with CK treatment, but the exchangeable Al3+of C+Al treatment decreased by 46.5% compared with Al treatment. The main active aluminum form of CK and Al treatment soil was the exchangeable Al3+that had biological toxicity, the main active aluminum form of C and C+Al treatment soil was dimer hydroxy aluminum ion and colloid Al(OH)30. 【Conclusion】Exogenous aluminum had a strong stimulating effect on the addition of active aluminum of red soil. Exchangeable Al3+which has biological toxicity increased significantly under aluminum toxicity. Besides, adding exogenous aluminum can decrease the pH and stimulate the poison,restrain the growth of the crops. Although application of biochar can increase the pH and ease the aluminum toxicity of red soil, its effect on different 4 forms of active aluminum has a quite large difference. Application of biochar can reduce the poison by decreasing the exchangeable Al3+which has biological toxicity, and thusimprove the growth of crop.

biochar; red soil; aluminum toxicity; active Al; pakchoi

2016-06-12；接受日期：2016-11-02

国家公益性行业（农业）科研专项（201303095）

应介官，E-mail：yingjieguan@webmail.hzau.edu.cn。通信作者姜存仓，E-mail：jcc2000@mail.hzau.edu.cn