竹炭有机肥对水旱作物生长发育及镉积累的影响?

张艳 严潜 吴景 曹云 吴家梅 官迪

摘要：為筛选适合镉污染农田水旱作物的有机肥，选择湖南典型镉污染农田土壤，通过室内培养试验研究竹炭有机肥对水稻、小白菜两类作物生长发育和镉积累的影响。结果表明：适量增施竹炭有机肥显著增加水稻、小白菜生物量，施用量为0.66 g/kg时，水稻生物量相比CK增加97%，同时水稻根系、茎叶中镉含量分别下降38.8%和18.8%，小白菜株高相比CK有所增加，小白菜镉含量下降34%。竹炭有机肥施用量平均每增加0.5 g/kg，土壤pH增加0.1个单位，同时土壤有效镉含量随有机肥施用量增加呈降低趋势，1.33 g/kg处理下土壤有效镉含量降幅为9.2%。竹炭有机肥和氧化钙复配处理有效降低水稻镉积累量，在旱地农田的施用方式有待改良。研究表明适量增施竹炭有机肥能提高作物产量，降低镉在土壤—水旱作物系统中的迁移效率，能有效降低作物镉的积累量。

关键词：竹炭有机肥；镉；水稻；小白菜；积累

中图分类号：S147.5文献标识码：A文章编号：1006-060X（2024）03-0023-05

Effects of Bamboo Charcoal Organic Fertilizer on Growth and Cadmium Accumulation in Paddy and Upland Crops

ZHANG Yan1，YAN Qian1，WU Jing1，CAO Yun1，WU Jia-mei2，GUAN Di2

（1. Changsha Academy of Agricultural Sciences， Changsha 410016， PRC; 2. Hunan Academy of Agricultural Sciences， Key Laboratory of Agro-Environment in Midstream of Yangtze Plain， Ministry of Agriculture， Key Lab of Prevention， Control and Remediation of Soil Heavy Metal Pollution in Hunan Province， Changsha 410125， PRC）

Abstract： In order to screen suitable organic fertilizer for paddy and upland crops in cadmium-polluted farmland， the typical cadmium-polluted farmland soil in Hunan Province was selected， and the effects of bamboo charcoal organic fertilizer on the growth and cadmium accumulation in rice and Chinese cabbage were studied by laboratory culture experiments. The results show that an appropriate application of bamboo charcoal organic fertilizer significantly increases the biomass of rice and Chinese cabbage. Specifically， the application of 0.66 g/kg of bamboo charcoal organic fertilizer leads to a 97% increase in rice biomass compared with the control （CK）. Moreover， cadmium content in the roots， stems， and leaves of rice drops by 38.8% and 18.8%， respectively. The height of Chinese cabbage increases compared with the CK， and cadmium content in Chinese cabbage decreases by 34%. As the application rate of bamboo charcoal organic fertilizer increases by 0.5 g/kg， soil pH increases by 0.1 unit. Furthermore， effective cadmium content in soil decreases with the increasing application of organic fertilizer， with a 9.2% reduction observed under the treatment of 1.33 g/kg bamboo charcoal organic fertilizer. The combination treatment of bamboo charcoal organic fertilizer and calcium oxide can effectively reduce cadmium accumulation in rice. However， the application method in dry farmland requires further improvement. The research shows that the application of bamboo charcoal organic fertilizer can increase crop yield and reduce the migration efficiency of cadmium in soil-paddy and upland crop systems， thus reducing the cadmium accumulation in crops.

Key words： bamboo charcoal organic fertilizer; cadmium; rice; Chinese cabbage; accumulation

随着工农业的快速发展和城市化进程加快，农田土壤污染问题日趋严重。镉（Cd）是南方稻田重金属污染土壤中典型的污染物，根据2014年中华人民共和国环境保护部和国土资源部联合发布的《全国土壤污染状况调查公报》可知，土壤镉污染点位超标率达7%；同时每年因为重金属污染而引起的粮食减产高达1 000万t，被污染的粮食超过1 200万t，镉污染了农产品，再通过食物链富集到人体，给人体健康带来安全隐患[1]。因此，镉污染农田作物安全生产值得关注。

高效土壤改良剂配合科学农艺措施管理是重金属污染农作物修复的重要方式。生物质炭是一种土壤改良剂，由农作物秸秆等生物质热解炭化产生的一类高度芳香化难熔性固态物质[2]。小麦秸秆炭、竹炭、木炭等均属于常见的生物质炭，生物质炭含有丰富的碳、氮、磷、钾等植物所需的营养元素。其多孔性、比表面积大、含有丰富的化学官能团等，施入土壤中，对土壤肥力、阳离子交换量及养分循环均有改良作用，同时能降低土壤重金属迁移速率[3]。针对水田和旱地作物生长环境的差异，笔者选用竹炭质有机肥进行试验，分析水稻和白菜生长发育以及镉积累情况，为镉污染农田水旱作物高产优产提供参考。

1 材料和方法

1.1 供试材料

供试土壤为麻砂泥（沙壤土），采自长沙县北山镇中轻度镉污染农田（113°0'36"E，28°23'24''N）。土壤基本理化性质如下：pH值5.4，有机质51.08 g/kg，全氮1.945 g/kg，全磷0.860 g/kg，全钾19.61 g/kg；水解性氮141 mg/kg，有效磷2.1 mg/kg，速效钾96 mg/kg，阳离子交换量（CEC）10.2 cmol/kg；总镉为0.675 mg/kg。土壤采集经风干研磨，过5 mm筛后用于培养实验。

试验所用竹炭有机肥由竹炭粉、植物纤维、生物质有机肥复配而成（基础比例为3∶2∶5），采购于湖南省畜牧研究所养殖场和市场，其理化性质表现为pH值10.2，总氮2.40%，五氧化二磷1.58%，氧化钾1.13%，有机质39.6%，镉0.116 mg/kg；氧化钙（分析纯，≥98%），分析纯级试剂购自国药集团。供试作物有早稻‘中早39（湖南省水稻研究所），小白菜‘上海青（购自市场）。

1.2 试验设计

試验设置3种模式，分别为对照（CK）、竹炭有机肥处理（BOF）、竹炭有机肥与氧化钙1∶1复配处理（BOF–Ca，总量1.33 g/kg），其中，BOF处理设置BOF–1～BOF–4不同施用量（0.33、0.66、0.99、1.33 g/kg），每个处理重复3次。称取150 g过筛土壤，加水搅拌均匀，后依次加入不同剂量材料；土壤、供试材料混匀后加入去离子水搅拌均匀，放置平衡1周后，移栽萌芽的种子，各处理水肥管理保持一致。将培养盒放入人工气候培养箱，保持温度25～30℃，湿度75%，培育4周后取样测试。

1.3 样品采集及分析

1.3.1 样品采集 土壤培育4周后，将水稻和小白菜整株取出，同时采集适量土壤。测量作物株高生物量等参数，样品先后用自来水和纯水清洗，105℃杀青1 h后，80℃烘干至恒重，利用植物粉碎机研磨成粉末，用于测定重金属含量。土壤样品室内风干过2.0 mm孔筛，测试pH值和土壤有效态镉含量。

1.3.2 分析方法 参考GB 5009.268—2016测定植物各组织器官的Cd含量。采用硝酸–双氧水混合预处理，经微波消解后，消解试液采用电感耦合等离子体质谱仪（iCap Q ICP–MS，赛默飞世尔科技有限公司）进行分析测试[4]。测试条件：使用KED抗干扰模式，CCT气体流速为4.5 mL/min，冷却气（氩气）流速14 L/min，仪器自动扫描次数为150。过筛土壤样品用0.005 M DTPA–0.1 M TEA–0.01M CaCl2浸提，石墨炉–火焰原子吸收光谱仪（PinAAcle 900T，珀金埃尔默仪器有限公司）测定土壤中DTPA态Cd的含量；过筛土壤采用NY/T 1377—2007电位法测定土壤pH值。试验所用的试剂均为优级纯，试验器皿使用前用10%硝酸浸泡24 h以上。

1.4 数据处理

试验数据采用Excel 2019和SPSS 20软件进行统计分析。采用单因素方差分析（Duncan与Pearson法）对不同处理下各参数含量差异显著性与相关性进行分析。

2 结果与分析

2.1 竹炭有机肥对水旱作物营养生长影响

对培育4周后的水稻和小白菜生物量进行统计，不同剂量的BOF和BOF–Ca处理对水稻以及小白菜发育影响各不相同。图1所示，水稻株高随BOF施用量增加而增加，BOF–4处理下水稻株高最高，达到59 cm，相比CK，增加15.7%（P＜0.05）；相较BOF–3处理，BOF–Ca处理下水稻株高略有降低，BOF–2、BOF–3、BOF–4、BOF–Ca处理间水稻株高无显著差异。图1所示，小白菜在BOF–Ca处理下长势最好，相比CK，增加60.7%（P＜0.05）； BOF不同浓度处理下白菜长势与CK无显著性差异，其中，当施用高剂量竹炭有机肥（BOF–4）时，白菜株高略有降低。由图2可知，与CK相比，BOF–2和BOF–4处理均表现为显著增加水稻生物量，平均增幅97%和65%（P＜0.05），其次是BOF–Ca和BOF–3处理；低剂量处理（BOF–1）对水稻生物量影响差异不显著。

2.2 竹炭有机肥对土壤pH值和镉生物有效性影响

如图3所示，对照组CK土壤pH值为5.51，土壤随BOF施用量而显著增加，施用高剂量BOF，土壤pH增加0.32（P＜0.05）；BOF施用量平均每增加0.5 g/kg，土壤pH增加0.1；BOF–Ca处理下土壤pH最高，相较CK，增加了0.5个单位（P＜0.05）。由图4可知，土壤DTPA提取态镉在各处理下含量各不相同。CK土壤有效镉含量为0.363 mg/kg，BOF–Ca处理有效镉含量最低，相比CK降幅21.8%，其次是BOF–2和BOF–4，降幅7.5%和9.2%，均呈现显著差异（P＜0.05）。BOF–1和BOF–3处理略有降低，与CK差异不显著。

2.3 竹炭有机肥对水旱作物镉积累的影响

水稻组织中镉积累情况如图5所示，镉在根系中积累量高于茎叶，地下部镉的平均含量是茎叶组织中Cd含量的3～4倍。根系中镉含量随BOF施用量增加呈现出先降低后升高变化；BOF–2处理下，根系镉含量最低，为8.62 mg/kg，相较CK显著降低38.8%（P＜0.05），BOF–Ca处理根系镉含量降低19%（P＜0.05）。高剂量BOF处理，根系镉积累降低效果减弱；茎叶中镉的变化与根系表现一致，BOF–2和BOF–Ca处理下，茎叶镉含量最低，为2.95 mg/kg和3.27 mg/kg，相较CK显著降低18.8%、16.9%（P＜0.05）。如图6所示，小白菜地上部分镉含量随BOF施用量增加呈现出先降低后升高变化，BOF–2处理下，镉含量最低，相较CK，降幅34%（P＜0.05）；BOF–1和BOF–3处理对镉积累影响水平一致，均与CK无显著差异。同时，BOF–Ca处理小白菜镉含量相较CK略有增加，差异不显著。

2.4 土壤pH值、有效镉和作物镉相关性分析

由表1可知，土壤pH值与有效镉含量呈极显著负相关，相关系数R为-0.749，（P＜0.01）；土壤有效镉含量与水稻茎叶镉含量呈显著正相关（R=0.482，P＜0.05），与水稻根系Cd无显著相关。水稻茎叶中镉含量与根系镉含量呈显著正相关关系（R=0.550，P＜0.05）。白菜镉含量与土壤pH以及土壤有效镉含量均无显著相关。

3 讨论

生物炭具有含碳率高、孔隙结构丰富、比表面积大、理化性质稳定及高pH等特点，施入土壤后，能直接或间接改变土壤理化性质、改变微生物活性，影响土壤肥力状况，对作物的生长、生物量及产量有积极影响[5-6]。研究表明，施用一定剂量竹炭有机肥能促进作物株高增高、增加生物量，其中添加竹炭0.66 g/kg处理作物生物量水平最高，一方面竹炭有机肥的施用直接提高了土壤肥力，另一方面竹炭的多孔性和吸附性提高了土壤盐离子交换量，增加了土壤微环境的稳定性，土壤pH值的提高可以改变土壤养分形态，促进根系对营养元素的吸收利用，提高了土壤养分利用效率。有研究表明，适量施用生物炭可提高作物根系代谢活动，在一定程度上能促进作物生物量积累，增强作物长势[7]。而随着施用量的增加，水稻根系生长水平以及白菜株高受到了一定程度的抑制，这与前人研究结果一致[8]，从某种程度上来说，竹炭有机肥的施用效果受多种因素制约，包括土壤类型、生物炭种类、土壤水分环境、肥料施用量和作物种类等[9-10]。

生物质炭一般呈碱性，适用于酸性土壤改良。研究结果显示，土壤pH值随竹炭有机肥施用量增加显著升高。有研究表明[11-13]，竹炭在提高土壤养分和有机碳的同时，还能改善根基土壤化学性质，增加土壤吸附养分能力，从而减少营养物质淋失。土壤酸碱度与土壤养分有效性密切相关，当土壤pH值较低时，会出现土壤肥力不足，质量下降，影响作物正常生长[14]。众多学者研究发现施用生物炭能使酸性土壤pH值有不同程度上升[15-16]。竹炭有机肥提升土壤酸碱度可能有以下3个原因：（1）竹炭生物肥自身含有较强的碱性物质，进入土壤后碱性物质释放，提升高土壤pH值[17]；（2）生物炭促进土壤中有机氮的矿化，该过程消耗了团粒中的质子，同时有机质制备过程中的碳酸根、有机酸根在土壤中发生脱羧作用，或官能团的配体交换作用，同样消耗了环境中的质子，从而在一定程度上改善土壤酸碱度[16-18]；（3）竹炭质有机肥具有良好的吸附性能，吸附了土壤中的NH4+，可抑制硝化作用，降低了土壤环境中质子的产生，间接提升土壤pH值[19]。土壤酸碱度水平与有效态镉呈极显著负相关关系（R=-0.749），竹炭有机肥的施用在提高土壤pH值的同时，有效降低了土壤活性镉含量，土壤有效镉含量与BOF施用量呈负相关，当竹炭有机肥施用量到一定程度时，降低效果趋于一致，而在竹炭有机肥和氧化钙复配处理中，土壤有效镉含量得到显著降低。

相关研究表明[19]，有机肥中的还原性有机酸再分解过程中生成的胡敏酸、氨基酸或是含氮、硫杂环化合物，通过螯合或络合作用可有效降低土壤中重金属的迁移效率；同时竹炭有机肥比表面积大，吸附能力强，能有效固定土壤中活性金属镉。研究结果显示，2种不同类型作物镉积累均表现出随竹炭有机肥施用量增加而降低，竹炭有机肥0.66 g/kg处理效果最佳，当有机肥施用量超过一定范围时，呈现上升趋势，说明竹炭有机肥对作物阻控镉积累效应受其他环境因子制約。同时，竹炭有机肥和氧化钙复配处理下，水稻和小白菜镉积累表现相反，且白菜中镉的积累与土壤pH值和土壤有效镉含量无显著相关。由此看出，旱地作物通过施用调理剂降低重金属积累在施用方式和改良剂种类的选择上需要重点考量。

4 小结

（1）竹炭有机肥能促进作物生长发育，提高作物产量，施用量在0.66和1.33 g/kg时，水稻增产效果最为显著，竹炭有机肥和氧化钙复配处理对提升白菜生长水平效果更佳。

（2）竹炭有机肥有效提升土壤pH值，对改善南方酸性土壤具有潜在价值，施用量平均每增加0.5 g/kg，土壤pH增加0.1个单位。同时土壤有效镉含量随着竹炭有机肥施用而呈降低趋势，施用量在0.66 g/kg时，综合效果较好。

（3）竹炭有机肥对于不同水旱作物镉的积累均表现出低剂量时阻控镉积累效果好，高剂量时阻隔效果差的趋势，综合推荐竹炭有机肥施用量为0.66 g/kg。竹炭有机肥和氧化钙复配处理降低了水稻镉积累量；在镉污染旱地应用上需要改良施用方式，以增强阻控效果。

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（责任编辑：肖彦资）