生物炭与氮肥配施对高粱生长及镉吸收的影响

时间：2024-05-24

聂新星，张自咏，黄玉红，冯敬云，张志毅，杨利*

（1.湖北省农业科学院植保土肥研究所，武汉430064；2.农业农村部废弃物肥料化利用重点实验室，武汉430064；3.农业环境治理湖北省工程研究中心，武汉430064；4.湖北工程学院生命科学技术学院，湖北孝感432000；5.长江大学化学与环境工程学院，湖北荆州434023）

近百年来，全球工业化、城镇化的快速发展，加速了重金属通过大气沉降、灌溉水或农业投入品等途径进入农田，许多国家和地区农田土壤重金属超标问题日益突出[1-2]。重金属具有较强的生物毒性，可降解性低，易在生物体内富集，是威胁粮食安全和人体健康的主要风险因子之一，其中镉（Cd）因其生物毒性大、生物活性高、污染面积广而受到广泛关注。为修复中轻度Cd 污染农田土壤，国内外学者开展了大量的相关研究工作[3-4]。在众多Cd 污染土壤修复措施中，原位钝化技术即通过向土壤中加入各类钝化材料，调控Cd 的赋存形态、降低其生物有效性，进而阻控其向植物体迁移，实现Cd中轻度超标农田的“边利用、边修复”，是一种行之有效的修复方式[5-6]。

生物炭作为一种由生物质在高温缺氧条件下缓慢热解得到的富含碳的有机物质，一般呈碱性，且具有丰富的孔隙结构、较大的比表面积及大量羟基、羧基基团[7]。生物炭能够通过提高土壤pH[5]，或吸附、离子交换等作用[8]钝化土壤Cd，是一种受到广泛关注的钝化材料。施用生物炭虽然能钝化土壤Cd，但生物炭在高温热解条件下剩余的氮结构复杂，对土壤速效氮的添加作用有限[9]，因此，生物炭配施化肥，特别是氮肥对作物增产至关重要[10]。施用氮肥虽然能显著促进作物光合作用及干物质积累[11]，但也促进作物对Cd 的吸收。Li 等[12]3 年的多点田间试验研究表明，当施氮量为200 kg·hm-2时，春小麦籽粒平均Cd 含量从对照处理的53 μg·kg-1上升至87 μg·kg-1。Xiao 等[13]的盆栽试验结果表明，在施用2.5%（m/m）的生物炭时，菊苣Cd含量随施氮量增加显著降低；而不施或施用1.5%的生物炭时，氮肥的施用能显著促进菊苣对Cd 的吸收。Yang 等[14]研究也表明，施用过量硝态氮能够促进水稻对Cd 的吸收。因此，在Cd 污染土壤上合理配施生物炭与氮肥，对确保作物增产、粮食安全具有重要意义。

有关生物炭材质、用量及改性生物炭施用对作物Cd 吸收的影响研究较多[5，15]，而生物炭配施氮肥对作物Cd 吸收的研究鲜有报道。本研究选取不同Cd 污染程度的土壤，以高粱为研究材料，通过盆栽试验探究生物炭与氮肥（尿素）配施对高粱地上部Cd吸收的影响，并从土壤理化、作物光合特性等方面初步解释其机理，以期为合理施用生物炭钝化修复Cd 污染农田提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2019 年5 月23 日至7 月26 日在湖北省农业科学院植保土肥研究所（114°18′ E，30°29′ N）盆栽场进行。根据前期土壤调查结果，两种供试黄棕壤取自湖北省大冶市稻田0～20 cm 耕层土壤，分别代表中、轻度Cd 污染农田土壤（以YB1、YB2 表示），其基本理化性质见表1。YB1 和YB2 全Cd 含量分别为1.27 mg·kg-1和0.46 mg·kg-1，均超过《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）规定的风险筛选值。

生物炭是水稻秸秆在450 ℃高温缺氧条件下裂解制备而成，由湖北金日生态能源股份有限公司生产提供，其基本理化性质为pH 8.81，有机碳含量151.8 g·kg-1，全氮0.66%，全磷0.39%，全钾1.21%。

供试甜高粱品种为阿尔托2 号，由湖南隆平高科耕地修复技术有限公司提供，属于中早熟品种，播后70～85 d进入开花期，全生育期90～110 d。

1.2 试验设计

试验采用裂区设计，以生物炭施用量为主区，施氮量为副区。生物炭设0、2%、5% 3 个施用比例（以B0、B2、B5表示）；氮肥用量设0、200、500 mg·kg-13 个水平（以N0、N200、N500表示），每种土壤共9 个处理，每个处理3 次重复。氮、磷、钾肥分别为尿素、磷酸二氢钙和氯化钾。磷、钾肥用量分别为P2O550 mg·kg-1、K2O 100 mg·kg-1，全部底肥施用。氮肥分底肥（5月23日）60%、6～8 叶期（7 月3 日）20%、10～12 叶期（7 月15日）20% 3 次施用。每盆装过1 cm 筛的风干土3 kg，生物炭、底肥与土壤混匀后装入盆中，用自来水调节土壤含水量至田间持水量的60%，平衡一周后每盆播种3 粒，播种深度约为3 cm，苗期（2～3 叶）间苗，每盆保留生长较为一致的幼苗1 株。高粱生长期间，根据土壤水分状况用自来水对土壤进行补水，防治病虫害一次。

表1 试验土壤基本理化性质Table 1 Physicochemical properties of studied soils

1.3 样品采集及分析

根据天气情况，于7 月23 日9：00—11：30 使用便携式光合测定仪（LI-6400XT，Li-Cor Biosciences，Lincoln，NE，USA）对高粱进行净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）和蒸腾速率（Tr）的测定，每株高粱选择中部3 片叶子进行测定，取平均值。测定时使用内置红蓝光源，测定气体流速为500 mmol·s-1，光照强度为1000 mmol·s-1，叶面温度为25 ℃，CO2浓度为400 μmol·mol-1，测定过程中每30 min 进行匹配一次，以保证测定数据的准确性。

7 月26 日对高粱地上部生物量进行收获，105 ℃杀青30 min，75 ℃烘干至恒质量、称质量、粉碎。全Cd 含量采用HNO3-H2O2湿法消解，石墨炉原子吸收仪（900T；PerkinElmer，Waltham，MA，USA）测定，采用标准物质GBW（E）100348 进行质量控制。植株收获后，将整盆土壤混匀，取土壤样品0.5 kg，土样风干后过20 目和100 目尼龙筛，分别用于pH 和有效态Cd、有机质含量的测定。土壤和生物炭pH、有机质含量等基本理化性质参照《土壤农化分析》常规方法测定[16]；由于YB1 和YB2 均为酸性土壤，有效态Cd 采用0.1 mol·L-1CaCl2提取[17]，石墨炉原子吸收仪测定。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010 进行数据处理，SPSS 24.0 进行方差分析，Origin 9.0进行图表绘制。

2 结果与分析

2.1 生物炭与氮肥配施对土壤pH和有机质含量的影响

由表2 可知，生物炭用量及其与施氮水平的交互作用对YB1 和YB2 土壤pH 均有极显著影响（P＜0.01），土壤pH 在B5添加量时达到最高。此外，在不施或低生物炭用量（B0和B2）时，增加氮肥用量显著（P＜0.05）降低YB2 土壤pH。两种土壤有机质含量仅随生物炭用量的增加显著增加（P＜0.05）。

表2 生物炭与氮肥配施对土壤pH和有机质含量的影响Table 2 Effects of simultaneous biochar with nitrogen fertilizer application on soil pH and organic matter content

2.2 生物炭与氮肥配施对土壤有效Cd含量的影响

由图1 可看出，生物炭用量对两种土壤CaCl2-Cd含量有显著影响（P＜0.05）。在同一施氮水平下，CaCl2-Cd 含量随生物炭用量的增加而降低，且与B0处理相比，B5处理CaCl2-Cd含量显著降低（P＜0.05）。施氮水平仅对YB1 土壤CaCl2-Cd 含量有显著影响（P＜0.05），施氮水平为N0时，B0、B2和B5用量下CaCl2-Cd含量分别为0.54、0.45 mg·kg-1和0.42 mg·kg-1；施氮水平为N500时，CaCl2-Cd 含量分别上升至0.60、0.56 mg·kg-1和0.46 mg·kg-1。

2.3 生物炭与氮肥配施对高粱叶片光合特性和地上部生物量的影响

YB1土壤上，氮肥水平对高粱叶片Pn有显著影响（P＜0.05），对Gs 和Tr 有极显著影响（P＜0.01），均有随施氮量增加而增加的趋势（表3）。YB2 土壤上，生物炭用量对Pn、Gs、Ci和Tr均有极显著影响（P＜0.01），其中Pn有随生物炭用量增加而增加的趋势。施氮水平能显著（P＜0.05）影响两种土壤高粱地上部生物量（图2），均在N500处理时生物量最高；而生物炭用量增加时，两种土壤高粱地上部生物量整体表现为先上升后下降的趋势。

2.4 生物炭与氮肥配施对高粱地上部Cd含量的影响

由图3 可知，YB1 土壤上，生物炭用量对高粱地上部Cd 含量有显著影响（P＜0.05），但氮肥水平及其与生物炭配施的交互作用对高梁地上部Cd含量影响均不显著（P＞0.05）。B5N0处理高粱地上部Cd 含量最低为3.87 mg·kg-1，B0N200处理高粱地上部Cd 含量最高为6.79 mg·kg-1。同一生物炭用量下，与N0相比，除B2N200处理外，施氮均能促进高粱地上部对Cd 的吸收。YB2 土壤上，生物炭用量、施氮水平及两者交互作用均未对高粱地上部Cd 含量产生显著影响（P＞0.05）。但同一生物炭用量下，随着施氮水平增加，高粱地上部Cd 含量有降低的趋势。B2N500处理高粱地上部Cd 含量最低为3.79 mg·kg-1，B0N0处理高粱地上部Cd 含量最高，为5.32 mg·kg-1。可见，生物炭用量、施氮水平在不同土壤上对高粱地上部Cd吸收的影响不同。

图1 生物炭与氮肥配施对土壤CaCl2-Cd含量的影响Figure 1 Effects of simultaneous biochar with nitrogen fertilizer application on soil CaCl2-Cd content

图2 生物炭与氮肥配施对高粱地上部生物量的影响Figure 2 Effects of simultaneous biochar with nitrogen fertilizer application on aboveground biomass of sorghum

2.5 高粱地上部Cd含量影响因素相关性分析

运用Pearson 双侧检验对YB1（表4）和YB2（表5）土壤中影响高粱地上部Cd 吸收的土壤因素、高粱地上部生物量和叶片光合作用参数进行相关性分析。结果表明，YB1 土壤上，高粱地上部Cd 含量与土壤pH、有机质含量呈显著负相关关系（P＜0.05），与土壤CaCl2-Cd 呈显著正相关关系（P＜0.05），而与Pn、Gs、Ci、Tr和地上部生物量均无显著相关关系。YB2土壤上，高粱地上部Cd 含量与Gs 和Tr 呈显著正相关关系（P＜0.05），与地上部生物量呈显著负相关关系（P＜0.05）。

表3 生物炭与氮肥配施对高粱叶片光合特性的影响Table 3 Effects of simultaneous biochar with nitrogen fertilizer application on the photosynthesis of sorghum

3 讨论

3.1 生物炭与氮肥配施对土壤理化性质及有效态Cd的影响

生物炭一般呈碱性，富含碳和矿质元素，同时具有多孔结构及丰富的表面官能团，可以通过改良土壤酸碱性、吸附、沉淀等多种机理或途径降低土壤Cd的生物有效性[7-8]。土壤CaCl2-Cd 含量与作物Cd 含量具有很好的相关性，能够较好地表征Cd 的生物有效性[17-18]，而pH 是影响土壤Cd 生物有效性的重要土壤因素[19]。本研究得到了较为一致的结果，即两种土壤上生物炭用量均能显著影响土壤pH，且在5%生物炭用量时能显著提高pH，而pH与CaCl2-Cd含量呈显著负相关关系。施用氮肥能直接或间接引起土壤酸化[20]，促进土壤Cd 的形态转化和生物有效性的提高[21]。本研究中，YB1 土壤上氮肥水平显著影响土壤CaCl2-Cd 含量，同一生物炭施用比例下，施氮水平增加能提高CaCl2-Cd含量；YB2土壤上虽然施氮水平也对土壤pH有显著影响，但CaCl2-Cd含量变化不显著。这可能与两种土壤中Cd的赋存形态不同有关。

3.2 生物炭与氮肥配施对高粱光合特性和生长的影响

光合作用是植物最基本的生理活动，影响着植物对土壤养分和重金属的吸收与转运、干物质的积累等[22-23]。Pn、Gs、Ci和Tr作为重要的光合参数，是衡量植物光合作用强度的主要指标[24]。氮是影响作物光合作用最关键的矿质元素，而增加氮素供应有利于光合作用的提高和干物质积累。本研究中，YB1 土壤上，氮肥水平对高粱叶片Pn、Gs 和Tr 有显著影响，均有随施氮量增加而增加的趋势，进而促进高粱生长。Abid 等[25]研究还发现，生物炭的施用可以减轻Cd 对西红柿生长的胁迫，使光合作用增强。本研究结果表明，YB1土壤上施用生物炭未对高粱光合特性产生显著影响，这可能与高粱对Cd 有较强的耐性[26]，而YB1土壤Cd污染（1.27 mg·kg-1）未对高粱生长产生胁迫有关。YB2 土壤上，生物炭用量对Pn、Gs、Ci 和Tr 均有极显著影响，而高粱叶片Gs、Ci和Tr有随生物炭用量增加而降低的趋势，这可能是高生物炭施用量（5%）抑制高粱生长的原因之一。张晗芝等[27]的研究也发现，玉米苗期施用高量生物炭对玉米生长有一定程度的抑制作用。

图3 生物炭与氮肥配施对高粱地上部Cd含量的影响Figure 3 Effects of simultaneous biochar with nitrogen fertilizer application on Cd concentration in shoot of sorghum

表4 YB1土壤高粱地上部Cd含量影响因素相关性分析Table 4 Correlation analysis on factors influencing Cd concentration in shoot of sorghum in soil YB1

表5 YB2土壤高粱地上部Cd含量影响因素相关性分析Table 5 Correlation analysis on factors influencing Cd concentration in shoot of sorghum in soil YB2

3.3 生物炭与氮肥配施对高粱地上部Cd吸收的影响

高粱地上部Cd 含量不仅受土壤Cd 生物有效性的影响，还与高粱植株对Cd 的吸收密切相关。本研究中，YB1 土壤上，高粱地上部Cd 含量有随生物炭用量增加而降低的趋势；除B2N200处理外，施氮均能在一定程度上提高高粱地上部Cd 含量；且高粱地上部Cd含量与土壤CaCl2-Cd 含量呈显著正相关关系，而与高粱光合作用参数均无显著相关关系。本研究结果还发现，施用生物炭能降低YB1 土壤CaCl2-Cd 含量；而同一生物炭施用比例下，施氮水平增加能提高土壤CaCl2-Cd含量。这表明YB1土壤上，生物炭和氮肥主要通过影响土壤CaCl2-Cd 含量，进而影响高粱地上部对Cd 的吸收。而YB2 土壤上，生物炭用量与氮肥水平对高粱地上部Cd 含量均无显著影响，但随着施氮水平增加，高粱地上部Cd 含量有降低的趋势。这可能是因为施氮水平增加能提高地上部生物量，对其Cd 含量有一定“稀释作用”。虽然施用5%生物炭时能显著降低YB2 土壤CaCl2-Cd 含量，但高粱地上部Cd 含量与CaCl2-Cd 含量无显著相关关系，而与叶片Gs 和Tr 显著正相关。这可能是因为在YB2 土壤上，5%生物炭用量抑制了高粱的生长，从而引起高粱地上部对Cd 的富集。Liu 等[28]研究发现，干旱抑制花生生长也导致花生籽粒中Cd含量升高。