生物质炭对作物吸收镉，锌的影响
摘要： 1关键字： 1Abstract： 1Key words: 1引言： 11.材料与方法 21.1试验地点： 21.1.1河南省济源市石牛村、贾庄村 21.1.2湖南省岳阳市湘阴县 21.2试验设计： 31.2.1生物质炭田间试验设计 31.2.2田间管理： 31.3分析及测定方法： 31.3.1植物样品重金属含量测定 31.3.2土壤样品全量重金属含量测定 31.3.3 CaCl2提取态测定 31.4数据处理 32.结果与分析 32.1添加生物质炭对土壤容重的影响 42.2生物质炭对小麦、水稻产量的影响 42.3生物质炭对小麦、水稻不同部位重金属含量的影响 52.3.1生物质炭对作物籽粒和根中Cd含量的影响 52.3.2生物质炭对作物籽粒和根中Zn含量的影响 62.4添加生物质炭对土壤pH和电导率的影响 82.5生物质炭对土壤有效态重金属含量的影响 92.5.1生物质炭对土壤中CaCl2和DTPA浸提态Cd含量的影响 92.5.2生物质炭对土壤中CaCl2和DTPA浸提态Zn含量的影响 103.讨论 114.主要结论 11致谢： 12参考文献： 12生物质炭对作物吸收镉、锌的影响摘要：近年来，生物质炭已成为农业和环境领域的研究热点。研究表明，生物质炭具有改善土壤质量、增加土壤碳汇以及修复污染环境等功能。生物质炭施用到土壤以后会改变土壤性质，影响重金属和有机污染物在土壤中的环境行为。本文研究了生物质炭对土壤重金属镉、锌有效性及作物吸收的影响污染的治理。得出生物质炭可以降低土壤容重，提高土壤pH值和电导率，同时施用生物质炭之后，水稻和小麦作物中的镉含量降低，尤其籽粒中镉的含量下降明显，且生物质炭的施用降低了土壤中CaCl2浸提态镉的含量。关键字：生物质炭；重金属；吸收机制；环境行为；Biochar impact on crops absorption of cadmium and zincStudent Majoring in Resources and Environmental Sciences Wang PingTutor Lianqing LiAbstract：In recent years, the biochar has become research hotspot in the field of agriculture, ecol
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ogical restoration and environmental protection. It is generally believed biochar can improve soil quality, increase soil carbon sequestration, and repair of environmental pollution etc. A large amount of biochar applied to soil will change soil properties, impact the environmental behavior of heavy metals and organic pollutants in soil. This paper studies for how the biochar manage in the heavy metal pollution of soil ,the influence of heavy metals (crops) for winter crop after using biochar. It is concluded that the biochar can improve soil bulk density,pH value and conductivity. Meanwhile after using the biochar, the cadmium content in paddy and wheat crops has reduced, especially in crops grain. And biochar decreased CaCl2 extractable Cd content in soil. 我国农田环境污染日益严峻。据环保部（2013）公布，我国污染耕地总面积超过1.5亿亩，其中中度以上污染农田在6500万亩，每年受重金属污染的粮食多达1200多万吨，由于重金属污染导致粮食减产也达到1000多万吨。”2013年2月27日，南方日报报道，深粮集团2009年购自湖南的万吨大米检出重金属镉(Cd)含量超标（0.3毫克每公斤，超过我国现行食品/粮食卫生质量标准0.2毫克每公斤的限值），一时间引起了社会的强烈反响和食物安全的严重担忧。因此，重金属污染稻田的治理，特别是Cd污染的治理已经成为十分急迫的国家任务。土壤重金属的污染来源分为两大类：自然来源和人为干扰输入。重金属是土壤的组成成分之一，本身含有重金属元素的成土母质发育成土壤，因此一般土壤中都会含有一定量的重金属，这个含量称为重金属元素的背景值。同时，在成土过程中，由于风力和水力搬运的自然物理和化学迁移过程等多方面的差异，不同土壤的重金属的背景值也不尽相同。另外，土壤中残落的生物物质也是土壤重金属的自然来源之一[1]。人为干扰输入因素包括工业、农业和交通等引起的污染。而工业中，采矿和冶炼、废水的排放，加工制造业中的废物处置、倾销等，都是人为污染的重要来源[2]。在工业生产中，会产生大量的“三废”，如果不经过处理后直接排放就会会向环境中带来大量的重金属，尤其是建在乡镇的矿业更加严重；在农业生产过程中，使用的化肥农药也会含有一些重金属等污染元素，目前使用的动物饲料添加剂中也添加大量的Cu和Zn，随着这些流入农田，也造成了一定程度的土壤污染[3]；我国汽车数量逐渐增多，随之而来的是越来越多的尾气排放量，在自然沉降或者雨水冲刷的作用下，重金属污染物进入农田，造成污染病长期积累[4]。 生物质炭是农业废弃物无氧条件下高温（350-550℃）热解后的固态产物的统称，主要有纤维素、羧基、酸及酸的衍生物、呋喃以及脱水糖、苯酚、烷属烃及烯属烃类的衍生物等成分复杂有机碳的混合物[5]。除了应用改良土壤、农田固碳减排外，最近证明具有钝化重金属，大幅度降低作物重金属吸收的良好作用，这种作用与其较高的pH和丰富的环烃类有机质有关，但田间试验研究还表明，重金属与生物质炭颗粒发生了与氧化物结合的表面反应，产生化学捕获和固定作用[6]，而且生物质炭抑制作物重金属吸收的效应可能会因土壤、作物种类的不同存在差异，需要更多的田间试验研究。本文选择重金属污染旱地和水田，研究生物质炭对小麦、水稻籽粒重金属吸收的影响，以期为保障重金属污染土壤农产品安全生产提供重要的科学依据。 1.材料与方法1.1试验地点：1.1.1河南省济源市石牛村、贾庄村 济源市属暖热带季风气候，四季分明，气候温和，光、热、水资源丰富，受季风影响显著，冷热分明，干旱或半干旱季节明显，春季气温回升快，多风少雨、干旱频发；夏季炎热，热量充足，降雨集中，局部易涝易旱；秋季秋高气爽，气温降幅较大，雨量减少；冬季寒冷，雨雪稀少。2011年全年平均气温14.6°C，全年日照1727.6小时，全年降水量860毫米。表1小麦试验地基本性质试验点 Cd?? PbpHSOM(g/kg) (mg/kg) ?? (mg/kg)石牛村?? 1.78?? 118 8.01 9.4贾庄?? 3.81??? 230 8.03 10.5 其中石牛村采用周麦18的品种，贾庄采用矮抗58品种，他们的污染源均来自冶炼厂。1.1.2湖南省岳阳市湘阴县 岳阳市处在东亚季风气候区中，气候带上具有中亚热带向北亚热带过渡性质，属湿润的大陆性季风气候。其主要特征：其主要特征：温暖湿润，四季分明，季节性强；热量丰富，严寒期短、无霜期长，春温多变，盛夏酷热；雨水充沛，雨季明显，降水集中；年平均降水量为1289.8～1556.2mm，年日照时数为1590.2～1722.3小时。表2水稻试验地土壤基本性质pHSOM g/kgTotal N g/kgCd mg/kgSoil4.97±0.1622.75±1.021.55±0.070.90±0.08Biochar10.15±0.084675.90.03水稻试验地使用的是湘晚籼12。1.2试验设计：1.2.1生物质炭田间实验设计 选取两个不同污染水平的土壤，各设不施炭（C0），施炭20 t/ha （C1）和施炭40t/ha (C2) 三个处理，每个处理三次重复，随机区组设计，小区面积30m2，所用生物质炭为小麦秸秆生物质炭，购于河南三利新能源公司，生物质炭具有疏松多孔的结构，本身呈碱性，且能钝化土壤重金属。生物质炭于小麦播种前一周（2015年4月）施入土壤、翻匀。 对于水稻田的实验设计：用生物质炭处理试验地，各设不施炭（C0），施炭20 t/ha （C1）和施炭40t/ha (C2) 三个处理，每个处理三次重复，随机区组设计，小区面积25m2。1.2.2田间管理：水稻及小麦管理措施按照农民常规管理方式进行。其中，对于两个小麦试验点的肥料均于播种前施入50kg/亩的复合肥（N-P2O5-K2O，20-20-5）作为基肥，整个生育期不再追肥，分别于越冬前和返青前灌溉。1.3分析及测定方法：1.3.1植物样品重金属含量测定[7] 称取烘干磨细植物样品0.5000—1.000g于100ml高脚烧杯中，加HNO3:HClO4（4:1，优级纯）混合酸10ml，放置过夜，砂浴低温加热30min，加大火力（温度控制在200℃以下），待瓶内开始冒大烟时，注意经常摇动烧杯防止样品炭化变黑，必要时可以补加适量混合酸，直到瓶内溶液呈无色透明尚有约2ml时终止，冷却后用三级水洗入25ml容量瓶中，定容，必要时需要用定量滤纸过滤，样品溶液待测。工作曲线用1%硝酸溶液配制。1.3.2土壤样品全量重金属含量测定 称取风干磨细过100目土样0.5000g于30ml聚四氟乙烯坩埚内，滴几滴三级水浸润，加10mlHF和5ml HNO3:HClO4（1:1优级纯）混合酸，放置过夜，砂浴低温（100℃以下）消化1小时以后，升到200度1小时，再升高温度（250-300℃之间以下），继续消化至HClO4 大量冒烟，再加5mlHF和5ml 混合液，消化至HClO4大量冒烟并至干(糊状)，再加5ml硝酸消解至余约2ml，如剩余液不是清亮透明则须补加HF，直至消煮完全。冷却后用三级水定容至25ml待测，标线用1%硝酸定容，标准曲线与样品酸度条件尽量保持一致。1.3.3 CaCl2提取态测定称取风干土壤（过2mm筛）5.00g，置于离心管，用移液管准确添加50ml 0.01mol/LCaCl2溶液，拧紧管塞，在25℃恒温条件下，以每分钟180次的频率在振荡器上振荡2h，然后离心分离，测量上清液中的待测元素。每批样品中制备两个不加土壤样品的空白。1.4数据处理采用Microsoft Excel 软件整理数据，利用SPSS进行统计分析。2.结果与分析在不同试验点分三个生物质炭浓度梯度，分析不同浓度的生物质炭对作物吸收镉、锌的影响，以及比较不同施炭水平及两个不同试验点之间的差异。2.1添加生物质炭对土壤容重的影响由于长期大量施用化肥和机械化耕种，使得大面积土壤板结，土壤结构变差，小麦旱地两块土壤的容重分别为1.43g/cm3和1.29g/cm3。从图1中可以看出两试验点在施用生物质炭之后容重均有下降，施用生物质炭量为C2>C1>C0，施用的越多，土壤容重下降越多，这说明由于生物质炭具有疏松多孔的特性，添加生物质炭显著降低了供试土壤的容重[8]，可见生物质炭有利于改善土壤结构，提高土壤质量，这对大面积因长期机械化耕作及不合理施肥导致的土壤板结问题有重要参考意义[9]。图1生物质炭对土壤容重的影响2.2生物质炭对小麦、水稻产量的影响如图2，添加生物质炭并未增加小麦的产量，这可能是由于供试土壤为碱性（pH=8.0），而生物质炭也为碱性，所以生物质炭的添加并没有使得小麦产量的大幅度的改变。不过20和40t/ha的施炭量也并未造成小麦减产。可见土壤的pH是影响生物质炭增产效应的一个重要因素。研究表明，土壤pH越低，生物质炭的增产效果越好[10]。水稻试验田的pH相比小麦田pH值低，因此施用生物质炭之后，水稻产量有显著提升，同时高含量的生物质炭施用土壤的水稻产量大于低含量生物质炭水稻产量。图2生物质炭对小麦、水稻产量的影响2.3生物质炭对小麦、水稻不同部位重金属含量的影响 添加生物质炭之后的土壤，会吸附一定量的土壤重金属，我们这里研究施用生物质炭之后小麦以及水稻对土壤中重金属离子吸收含量的情况，由于作物不同结构吸收重金属的量存在差异，于是我们研究小麦、水稻不同部位吸收重金属的含量变化。2.3.1生物质炭对作物籽粒和根中Cd含量的影响 从图3可以看出，污染程度较高的贾庄的小麦不同部位Cd均高于较低的地块（石牛村），且小麦根中的镉含量高于籽粒中含量。在施用生物质炭之后，两个试验点的小麦籽粒Cd离子含量均有所降低，尤其40t/ha施用量效果较好，因此我们可以推断出小麦籽粒对土壤Cd离子的吸收有减少，施用生物质炭使两个试验点小麦籽粒中的Cd分别下降11.5-19.3%和12.5-16.1%。而小麦根中Cd含量没有较大变化。图3生物质炭对小麦籽粒和根中Cd含量的影响 由图4可知，施用生物质炭后，水稻籽粒以及根部中的Cd离子的含量显著下降，水稻籽粒镉含量在施用不同量生物质炭之后分别降低了0.14-0.71mg/kg。高含量的生物质炭量的施用使得Cd离子的含量下降多于低含量的生物质炭。生物质炭的施用使得水稻根部对镉离子的吸收大大降低，这是由于生物质炭钝化土壤Cd离子，从而使得植株对Cd离子的吸收减少[11]，同时可能由于水稻本身吸收Cd离子多，施用生物质炭之后，效果显著。相较于旱地高pH小麦土壤，水稻田生物质炭施用效果更佳。图4生物质炭对水稻籽粒和根中Cd含量的影响2.3.2生物质炭对作物籽粒和根中Zn含量的影响结合图5可知施用生物质炭处理小麦各个部位，变化并不显著，比如小麦籽粒中Zn的含量，由于生物质炭本身含有Zn，且供试土壤为碱性，生物质炭本身也为碱性，因此变化效果不显著。同时由于贾庄的高污染使得其籽粒中Zn的含量高于石牛村。图5生物质炭对小麦根和籽粒中Zn含量的影响结合图6可知，生物质炭的施用显著降低了水稻籽粒中的Zn含量，20和40t/ha的生物质炭使用量分别降低了水稻籽粒中0.05和0.78mg/kg的锌含量。图6生物质炭对水稻籽粒中Zn含量的影响2.4添加生物质炭对土壤pH和电导率的影响生物质炭表面一般带有负电荷同时具有很高的CEC，生物质炭与重金属和土壤的静电吸附作用，同时还可能涉及到离子交换过程，而土壤溶液中的离子吸附交换等一系列过程可能会引起其pH的改变和电导率的变化。于是我们研究添加生物质炭之后对土壤中pH和EC的可能存在的变化。结合图6，pH值是土壤溶解-沉淀、吸附-解吸等反应的重要影响因素[12]，从图中可以看出在施用生物质炭之后，pH值较对照组有所上升。土壤的pH值上升，意味着土壤的酸性降低，碱性增强。而生物质炭施加得越多，土壤pH值升得越高。可能由于生物质炭本身特性有关,生物质炭呈碱性，施用之后土壤pH升高。两个试验点的土壤电导率在施用生物质炭之后呈上升趋势,由此可知施用生物质炭后土壤pH和电导率均显著增加，土壤pH的增幅分别为0.1-0.29（SN）和0.07-0.09（JZ）个 单位，增幅较小。石牛村（SN）和贾庄（JZ）相比，贾庄污染严重，所以与石牛村相比，相同量的生物质炭对它的pH以及电导率的影响要小。研究表明pH值提高，可促进生物质炭表面的离子交换作用，降低重金属的移动性[13]。图7生物质炭对土壤pH和电导率的影响2.5生物质炭对土壤有效态重金属含量的影响2.5.1生物质炭对土壤中CaCl2和DTPA浸提态Cd含量的影响 结合图8，图9可以看出，生物质炭的施用，使得水稻田土壤以及小麦地土壤中的CaCl2和DTPA浸提态Cd含量降低，贾庄的污染程度高于石牛村，由图表可知，贾庄高污染地块的重金属有效性总体显著高于低污染地块石牛村。生物质炭显著降低了土壤CaCl2浸提态Cd的含量，其中小麦地土壤Cd的降幅为29.6-51.4%（SN）和6.3-26.7%（JZ），水稻田土壤在20t/ha和40t/ha施炭量时CaCl2浸提态Cd的含量分别降低了0.09mg/kg,0.16mg/kg。低污染地块DTPA浸提态的Cd显著降低，对于高污染地块贾庄，施用生物质炭后DTPA浸提态的Cd含量降低但并不显著。图8小麦地土壤DTPA,CaCl2浸提态Cd的变化 图9水稻田土壤DTPA,CaCl2浸提态Cd的变化2.5.2生物质炭对土壤中CaCl2,DTPA浸提态Zn含量的影响 结合图10石牛村土壤DTPA浸提态Zn的含量显著增加，高污染土壤（贾庄）无显著影响；这可能是由于生物质炭本身含有较高的Zn，而且低污染土壤含Zn量较低而高污染土壤含Zn量较高导致石牛村土壤中Zn含量增加明显。图11可知在水稻田土壤中，CaCl2浸提态Zn含量随着生物质炭量的施用而有所降低，且生物质炭施用量越大，下降越明显。由于水稻田土壤本身pH低，生物质炭呈碱性，在施用之后，使得土壤中CaCl2浸提态Zn含量有显著的变化。CaCl2浸提态Zn含量的降低，说明土壤中有效态的Zn含量有所降低，促进作物对Zn的吸收量的降低。图10小麦地土壤DTPA浸提态锌的变化图11水稻田土壤CaCl2浸提态锌的变化3.讨论本实验中旱地小麦实验采取不同污染程度的两个试验点，贾庄和石牛村。水稻田试验采取施用生物质炭与未施用生物质炭对照，研究生物质炭施用后对土壤的影响。总体上由于贾庄的污染高于石牛村，在同等条件下施用生物质炭，贾庄不如石牛村反应明显，结合图表分析我们可知：生物质炭显著降低了供试土壤容重，生物质炭具有疏松多孔的特性，同时拥有较大的比表面积，实验说明其在改良板结土壤、改善旱地土壤性质方面有很大潜力[8]。本试验中添加生物质炭并未提高小麦产量，但也并未造成减产，土壤本身pH越低，生物质炭施用效果越好。由于小麦土壤呈碱性，因此在添加生物质炭之后小麦产量无显著提升。但是水稻土壤pH低，施用生物质炭之后水稻产量有显著的提升。生物质炭的碱性，促进pH值升高，从而促进重金属离子的水解，有利于土壤胶体对重金属离子的吸附[14]，因此施加生物质炭之后，小麦以及水稻中Cd、锌含量有所降低。生物质炭增加了土壤的pH和Ec，在碱性土壤中加入碱性材料导致pH变化幅度较小，从而使得生物质炭在钝化土壤重金属中的石灰效应较小，故在碱性土壤中其对重金属的吸附作用是降低作物重金属吸收的主要原因。 提高土壤pH值，可增加土壤及生物质炭表面的可变电荷，增强阳离子吸附能力，降低重金属的解吸，还可促进重金属沉淀产生[14]；大多数生物质炭比表面积大，有多孔结构，pH值高，含有可溶性盐，能通过吸附和沉淀作用降低土壤中重金属的溶解性［15］，重金属的酸溶态迁移性强，可以直接被生物利用;生物质炭的添加减少了酸溶态Cd、Cu、Pb和Zn含量，使植物最易吸收态重金属比例降低［16］。主要结论 （1）生物质炭具有疏松多孔的特性，施加之后降低了供试土壤的容重[8]，可见生物质炭有利于改善土壤结构，提高土壤质量。 （2）施用生物质炭可以提高水稻的产量，且高含量的生物质炭施用造成的水稻产量的提高要高于低含量生物质炭施用地。 （3）施用生物质炭有利于减少小麦和水稻籽粒对土壤Cd离子的吸收，两个试验点小麦籽粒中的Cd分别下降11.5-19.3%和12.5-16.1%。水稻籽粒中Cd含量在不同施炭量分别降低了0.14mg/kg,0.71mg/kg。但施用生物质炭之后，对小麦体内Zn的含量影响变化并不显著，水稻籽粒中Zn含量在20t/ha和40t/ha施炭量分别降低了0.05mg/kg,0.75mg/kg。 （4）施用生物质炭可增加土壤的pH 值和电导率，其中小麦田施用生物质炭之后，土壤pH的增幅分别为0.1-0.29（SN）和0.07-0.09（JZ）个 单位。（5）生物质炭降低了土壤CaCl2浸提态Cd的含量，其中小麦田土壤中CaCl2浸提态Cd的降幅为29.6-51.4%（SN）和6.3-26.7%（JZ），水稻田土壤中CaCl2浸提态Cd含量在C2和C1施炭量时分别降低了0.79mg/kg,1.25mg/kg。致谢：非常感谢这么一段时间给予我帮助的实验室导师，师兄师姐。参考文献：[1] 何容, 杜佳佳, 许波峰, 等. 土壤重金属污染研究概况[J]. 山东林业科技, 2008, 1: 85-87（与13已换）[2] Zhou J, Ma D S, Pan J Y, et al. 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ogical restoration and environmental protection. It is generally believed biochar can improve soil quality, increase soil carbon sequestration, and repair of environmental pollution etc. A large amount of biochar applied to soil will change soil properties, impact the environmental behavior of heavy metals and organic pollutants in soil. This paper studies for how the biochar manage in the heavy metal pollution of soil ,the influence of heavy metals (crops) for winter crop after using biochar. It is concluded that the biochar can improve soil bulk density,pH value and conductivity. Meanwhile after using the biochar, the cadmium content in paddy and wheat crops has reduced, especially in crops grain. And biochar decreased CaCl2 extractable Cd content in soil. 我国农田环境污染日益严峻。据环保部（2013）公布，我国污染耕地总面积超过1.5亿亩，其中中度以上污染农田在6500万亩，每年受重金属污染的粮食多达1200多万吨，由于重金属污染导致粮食减产也达到1000多万吨。”2013年2月27日，南方日报报道，深粮集团2009年购自湖南的万吨大米检出重金属镉(Cd)含量超标（0.3毫克每公斤，超过我国现行食品/粮食卫生质量标准0.2毫克每公斤的限值），一时间引起了社会的强烈反响和食物安全的严重担忧。因此，重金属污染稻田的治理，特别是Cd污染的治理已经成为十分急迫的国家任务。土壤重金属的污染来源分为两大类：自然来源和人为干扰输入。重金属是土壤的组成成分之一，本身含有重金属元素的成土母质发育成土壤，因此一般土壤中都会含有一定量的重金属，这个含量称为重金属元素的背景值。同时，在成土过程中，由于风力和水力搬运的自然物理和化学迁移过程等多方面的差异，不同土壤的重金属的背景值也不尽相同。另外，土壤中残落的生物物质也是土壤重金属的自然来源之一[1]。人为干扰输入因素包括工业、农业和交通等引起的污染。而工业中，采矿和冶炼、废水的排放，加工制造业中的废物处置、倾销等，都是人为污染的重要来源[2]。在工业生产中，会产生大量的“三废”，如果不经过处理后直接排放就会会向环境中带来大量的重金属，尤其是建在乡镇的矿业更加严重；在农业生产过程中，使用的化肥农药也会含有一些重金属等污染元素，目前使用的动物饲料添加剂中也添加大量的Cu和Zn，随着这些流入农田，也造成了一定程度的土壤污染[3]；我国汽车数量逐渐增多，随之而来的是越来越多的尾气排放量，在自然沉降或者雨水冲刷的作用下，重金属污染物进入农田，造成污染病长期积累[4]。 生物质炭是农业废弃物无氧条件下高温（350-550℃）热解后的固态产物的统称，主要有纤维素、羧基、酸及酸的衍生物、呋喃以及脱水糖、苯酚、烷属烃及烯属烃类的衍生物等成分复杂有机碳的混合物[5]。除了应用改良土壤、农田固碳减排外，最近证明具有钝化重金属，大幅度降低作物重金属吸收的良好作用，这种作用与其较高的pH和丰富的环烃类有机质有关，但田间试验研究还表明，重金属与生物质炭颗粒发生了与氧化物结合的表面反应，产生化学捕获和固定作用[6]，而且生物质炭抑制作物重金属吸收的效应可能会因土壤、作物种类的不同存在差异，需要更多的田间试验研究。本文选择重金属污染旱地和水田，研究生物质炭对小麦、水稻籽粒重金属吸收的影响，以期为保障重金属污染土壤农产品安全生产提供重要的科学依据。 1.材料与方法1.1试验地点：1.1.1河南省济源市石牛村、贾庄村 济源市属暖热带季风气候，四季分明，气候温和，光、热、水资源丰富，受季风影响显著，冷热分明，干旱或半干旱季节明显，春季气温回升快，多风少雨、干旱频发；夏季炎热，热量充足，降雨集中，局部易涝易旱；秋季秋高气爽，气温降幅较大，雨量减少；冬季寒冷，雨雪稀少。2011年全年平均气温14.6°C，全年日照1727.6小时，全年降水量860毫米。表1小麦试验地基本性质试验点 Cd?? PbpHSOM(g/kg) (mg/kg) ?? (mg/kg)石牛村?? 1.78?? 118 8.01 9.4贾庄?? 3.81??? 230 8.03 10.5 其中石牛村采用周麦18的品种，贾庄采用矮抗58品种，他们的污染源均来自冶炼厂。1.1.2湖南省岳阳市湘阴县 岳阳市处在东亚季风气候区中，气候带上具有中亚热带向北亚热带过渡性质，属湿润的大陆性季风气候。其主要特征：其主要特征：温暖湿润，四季分明，季节性强；热量丰富，严寒期短、无霜期长，春温多变，盛夏酷热；雨水充沛，雨季明显，降水集中；年平均降水量为1289.8～1556.2mm，年日照时数为1590.2～1722.3小时。表2水稻试验地土壤基本性质pHSOM g/kgTotal N g/kgCd mg/kgSoil4.97±0.1622.75±1.021.55±0.070.90±0.08Biochar10.15±0.084675.90.03水稻试验地使用的是湘晚籼12。1.2试验设计：1.2.1生物质炭田间实验设计 选取两个不同污染水平的土壤，各设不施炭（C0），施炭20 t/ha （C1）和施炭40t/ha (C2) 三个处理，每个处理三次重复，随机区组设计，小区面积30m2，所用生物质炭为小麦秸秆生物质炭，购于河南三利新能源公司，生物质炭具有疏松多孔的结构，本身呈碱性，且能钝化土壤重金属。生物质炭于小麦播种前一周（2015年4月）施入土壤、翻匀。 对于水稻田的实验设计：用生物质炭处理试验地，各设不施炭（C0），施炭20 t/ha （C1）和施炭40t/ha (C2) 三个处理，每个处理三次重复，随机区组设计，小区面积25m2。1.2.2田间管理：水稻及小麦管理措施按照农民常规管理方式进行。其中，对于两个小麦试验点的肥料均于播种前施入50kg/亩的复合肥（N-P2O5-K2O，20-20-5）作为基肥，整个生育期不再追肥，分别于越冬前和返青前灌溉。1.3分析及测定方法：1.3.1植物样品重金属含量测定[7] 称取烘干磨细植物样品0.5000—1.000g于100ml高脚烧杯中，加HNO3:HClO4（4:1，优级纯）混合酸10ml，放置过夜，砂浴低温加热30min，加大火力（温度控制在200℃以下），待瓶内开始冒大烟时，注意经常摇动烧杯防止样品炭化变黑，必要时可以补加适量混合酸，直到瓶内溶液呈无色透明尚有约2ml时终止，冷却后用三级水洗入25ml容量瓶中，定容，必要时需要用定量滤纸过滤，样品溶液待测。工作曲线用1%硝酸溶液配制。1.3.2土壤样品全量重金属含量测定 称取风干磨细过100目土样0.5000g于30ml聚四氟乙烯坩埚内，滴几滴三级水浸润，加10mlHF和5ml HNO3:HClO4（1:1优级纯）混合酸，放置过夜，砂浴低温（100℃以下）消化1小时以后，升到200度1小时，再升高温度（250-300℃之间以下），继续消化至HClO4 大量冒烟，再加5mlHF和5ml 混合液，消化至HClO4大量冒烟并至干(糊状)，再加5ml硝酸消解至余约2ml，如剩余液不是清亮透明则须补加HF，直至消煮完全。冷却后用三级水定容至25ml待测，标线用1%硝酸定容，标准曲线与样品酸度条件尽量保持一致。1.3.3 CaCl2提取态测定称取风干土壤（过2mm筛）5.00g，置于离心管，用移液管准确添加50ml 0.01mol/LCaCl2溶液，拧紧管塞，在25℃恒温条件下，以每分钟180次的频率在振荡器上振荡2h，然后离心分离，测量上清液中的待测元素。每批样品中制备两个不加土壤样品的空白。1.4数据处理采用Microsoft Excel 软件整理数据，利用SPSS进行统计分析。2.结果与分析在不同试验点分三个生物质炭浓度梯度，分析不同浓度的生物质炭对作物吸收镉、锌的影响，以及比较不同施炭水平及两个不同试验点之间的差异。2.1添加生物质炭对土壤容重的影响由于长期大量施用化肥和机械化耕种，使得大面积土壤板结，土壤结构变差，小麦旱地两块土壤的容重分别为1.43g/cm3和1.29g/cm3。从图1中可以看出两试验点在施用生物质炭之后容重均有下降，施用生物质炭量为C2>C1>C0，施用的越多，土壤容重下降越多，这说明由于生物质炭具有疏松多孔的特性，添加生物质炭显著降低了供试土壤的容重[8]，可见生物质炭有利于改善土壤结构，提高土壤质量，这对大面积因长期机械化耕作及不合理施肥导致的土壤板结问题有重要参考意义[9]。图1生物质炭对土壤容重的影响2.2生物质炭对小麦、水稻产量的影响如图2，添加生物质炭并未增加小麦的产量，这可能是由于供试土壤为碱性（pH=8.0），而生物质炭也为碱性，所以生物质炭的添加并没有使得小麦产量的大幅度的改变。不过20和40t/ha的施炭量也并未造成小麦减产。可见土壤的pH是影响生物质炭增产效应的一个重要因素。研究表明，土壤pH越低，生物质炭的增产效果越好[10]。水稻试验田的pH相比小麦田pH值低，因此施用生物质炭之后，水稻产量有显著提升，同时高含量的生物质炭施用土壤的水稻产量大于低含量生物质炭水稻产量。图2生物质炭对小麦、水稻产量的影响2.3生物质炭对小麦、水稻不同部位重金属含量的影响 添加生物质炭之后的土壤，会吸附一定量的土壤重金属，我们这里研究施用生物质炭之后小麦以及水稻对土壤中重金属离子吸收含量的情况，由于作物不同结构吸收重金属的量存在差异，于是我们研究小麦、水稻不同部位吸收重金属的含量变化。2.3.1生物质炭对作物籽粒和根中Cd含量的影响 从图3可以看出，污染程度较高的贾庄的小麦不同部位Cd均高于较低的地块（石牛村），且小麦根中的镉含量高于籽粒中含量。在施用生物质炭之后，两个试验点的小麦籽粒Cd离子含量均有所降低，尤其40t/ha施用量效果较好，因此我们可以推断出小麦籽粒对土壤Cd离子的吸收有减少，施用生物质炭使两个试验点小麦籽粒中的Cd分别下降11.5-19.3%和12.5-16.1%。而小麦根中Cd含量没有较大变化。图3生物质炭对小麦籽粒和根中Cd含量的影响 由图4可知，施用生物质炭后，水稻籽粒以及根部中的Cd离子的含量显著下降，水稻籽粒镉含量在施用不同量生物质炭之后分别降低了0.14-0.71mg/kg。高含量的生物质炭量的施用使得Cd离子的含量下降多于低含量的生物质炭。生物质炭的施用使得水稻根部对镉离子的吸收大大降低，这是由于生物质炭钝化土壤Cd离子，从而使得植株对Cd离子的吸收减少[11]，同时可能由于水稻本身吸收Cd离子多，施用生物质炭之后，效果显著。相较于旱地高pH小麦土壤，水稻田生物质炭施用效果更佳。图4生物质炭对水稻籽粒和根中Cd含量的影响2.3.2生物质炭对作物籽粒和根中Zn含量的影响结合图5可知施用生物质炭处理小麦各个部位，变化并不显著，比如小麦籽粒中Zn的含量，由于生物质炭本身含有Zn，且供试土壤为碱性，生物质炭本身也为碱性，因此变化效果不显著。同时由于贾庄的高污染使得其籽粒中Zn的含量高于石牛村。图5生物质炭对小麦根和籽粒中Zn含量的影响结合图6可知，生物质炭的施用显著降低了水稻籽粒中的Zn含量，20和40t/ha的生物质炭使用量分别降低了水稻籽粒中0.05和0.78mg/kg的锌含量。图6生物质炭对水稻籽粒中Zn含量的影响2.4添加生物质炭对土壤pH和电导率的影响生物质炭表面一般带有负电荷同时具有很高的CEC，生物质炭与重金属和土壤的静电吸附作用，同时还可能涉及到离子交换过程，而土壤溶液中的离子吸附交换等一系列过程可能会引起其pH的改变和电导率的变化。于是我们研究添加生物质炭之后对土壤中pH和EC的可能存在的变化。结合图6，pH值是土壤溶解-沉淀、吸附-解吸等反应的重要影响因素[12]，从图中可以看出在施用生物质炭之后，pH值较对照组有所上升。土壤的pH值上升，意味着土壤的酸性降低，碱性增强。而生物质炭施加得越多，土壤pH值升得越高。可能由于生物质炭本身特性有关,生物质炭呈碱性，施用之后土壤pH升高。两个试验点的土壤电导率在施用生物质炭之后呈上升趋势,由此可知施用生物质炭后土壤pH和电导率均显著增加，土壤pH的增幅分别为0.1-0.29（SN）和0.07-0.09（JZ）个 单位，增幅较小。石牛村（SN）和贾庄（JZ）相比，贾庄污染严重，所以与石牛村相比，相同量的生物质炭对它的pH以及电导率的影响要小。研究表明pH值提高，可促进生物质炭表面的离子交换作用，降低重金属的移动性[13]。图7生物质炭对土壤pH和电导率的影响2.5生物质炭对土壤有效态重金属含量的影响2.5.1生物质炭对土壤中CaCl2和DTPA浸提态Cd含量的影响 结合图8，图9可以看出，生物质炭的施用，使得水稻田土壤以及小麦地土壤中的CaCl2和DTPA浸提态Cd含量降低，贾庄的污染程度高于石牛村，由图表可知，贾庄高污染地块的重金属有效性总体显著高于低污染地块石牛村。生物质炭显著降低了土壤CaCl2浸提态Cd的含量，其中小麦地土壤Cd的降幅为29.6-51.4%（SN）和6.3-26.7%（JZ），水稻田土壤在20t/ha和40t/ha施炭量时CaCl2浸提态Cd的含量分别降低了0.09mg/kg,0.16mg/kg。低污染地块DTPA浸提态的Cd显著降低，对于高污染地块贾庄，施用生物质炭后DTPA浸提态的Cd含量降低但并不显著。图8小麦地土壤DTPA,CaCl2浸提态Cd的变化 图9水稻田土壤DTPA,CaCl2浸提态Cd的变化2.5.2生物质炭对土壤中CaCl2,DTPA浸提态Zn含量的影响 结合图10石牛村土壤DTPA浸提态Zn的含量显著增加，高污染土壤（贾庄）无显著影响；这可能是由于生物质炭本身含有较高的Zn，而且低污染土壤含Zn量较低而高污染土壤含Zn量较高导致石牛村土壤中Zn含量增加明显。图11可知在水稻田土壤中，CaCl2浸提态Zn含量随着生物质炭量的施用而有所降低，且生物质炭施用量越大，下降越明显。由于水稻田土壤本身pH低，生物质炭呈碱性，在施用之后，使得土壤中CaCl2浸提态Zn含量有显著的变化。CaCl2浸提态Zn含量的降低，说明土壤中有效态的Zn含量有所降低，促进作物对Zn的吸收量的降低。图10小麦地土壤DTPA浸提态锌的变化图11水稻田土壤CaCl2浸提态锌的变化3.讨论本实验中旱地小麦实验采取不同污染程度的两个试验点，贾庄和石牛村。水稻田试验采取施用生物质炭与未施用生物质炭对照，研究生物质炭施用后对土壤的影响。总体上由于贾庄的污染高于石牛村，在同等条件下施用生物质炭，贾庄不如石牛村反应明显，结合图表分析我们可知：生物质炭显著降低了供试土壤容重，生物质炭具有疏松多孔的特性，同时拥有较大的比表面积，实验说明其在改良板结土壤、改善旱地土壤性质方面有很大潜力[8]。本试验中添加生物质炭并未提高小麦产量，但也并未造成减产，土壤本身pH越低，生物质炭施用效果越好。由于小麦土壤呈碱性，因此在添加生物质炭之后小麦产量无显著提升。但是水稻土壤pH低，施用生物质炭之后水稻产量有显著的提升。生物质炭的碱性，促进pH值升高，从而促进重金属离子的水解，有利于土壤胶体对重金属离子的吸附[14]，因此施加生物质炭之后，小麦以及水稻中Cd、锌含量有所降低。生物质炭增加了土壤的pH和Ec，在碱性土壤中加入碱性材料导致pH变化幅度较小，从而使得生物质炭在钝化土壤重金属中的石灰效应较小，故在碱性土壤中其对重金属的吸附作用是降低作物重金属吸收的主要原因。 提高土壤pH值，可增加土壤及生物质炭表面的可变电荷，增强阳离子吸附能力，降低重金属的解吸，还可促进重金属沉淀产生[14]；大多数生物质炭比表面积大，有多孔结构，pH值高，含有可溶性盐，能通过吸附和沉淀作用降低土壤中重金属的溶解性［15］，重金属的酸溶态迁移性强，可以直接被生物利用;生物质炭的添加减少了酸溶态Cd、Cu、Pb和Zn含量，使植物最易吸收态重金属比例降低［16］。主要结论 （1）生物质炭具有疏松多孔的特性，施加之后降低了供试土壤的容重[8]，可见生物质炭有利于改善土壤结构，提高土壤质量。 （2）施用生物质炭可以提高水稻的产量，且高含量的生物质炭施用造成的水稻产量的提高要高于低含量生物质炭施用地。 （3）施用生物质炭有利于减少小麦和水稻籽粒对土壤Cd离子的吸收，两个试验点小麦籽粒中的Cd分别下降11.5-19.3%和12.5-16.1%。水稻籽粒中Cd含量在不同施炭量分别降低了0.14mg/kg,0.71mg/kg。但施用生物质炭之后，对小麦体内Zn的含量影响变化并不显著，水稻籽粒中Zn含量在20t/ha和40t/ha施炭量分别降低了0.05mg/kg,0.75mg/kg。 （4）施用生物质炭可增加土壤的pH 值和电导率，其中小麦田施用生物质炭之后，土壤pH的增幅分别为0.1-0.29（SN）和0.07-0.09（JZ）个 单位。（5）生物质炭降低了土壤CaCl2浸提态Cd的含量，其中小麦田土壤中CaCl2浸提态Cd的降幅为29.6-51.4%（SN）和6.3-26.7%（JZ），水稻田土壤中CaCl2浸提态Cd含量在C2和C1施炭量时分别降低了0.79mg/kg,1.25mg/kg。致谢：非常感谢这么一段时间给予我帮助的实验室导师，师兄师姐。参考文献：[1] 何容, 杜佳佳, 许波峰, 等. 土壤重金属污染研究概况[J]. 山东林业科技, 2008, 1: 85-87（与13已换）[2] Zhou J, Ma D S, Pan J Y, et al. 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