摘 要：植物提取修复是目前研究较多且极具发展前景的重金属污染土壤治理技术，广泛应用于砷、镉、铜、锌等重金属污染土壤的修复。然而，植物提取土壤重金属后产生大量植物残体的处置成为目前环境治理的难点。研究通过将超富集植物伴矿景天和苎麻收割后制备成生物炭(350℃)进行盆栽实验，观测了超富集植物生物炭对玉米生长的影响，评估了超富集植物炭化处理的可行性。结果显示：添加苎麻生物炭(ZM)可以显著减少玉米地上部氮磷含量，但对生物量、光合等指标无显著影响，同时玉米地上及地下部分重金属Zn、Cd含量稍有增加；而添加景天生物炭处理(JT)玉米的总生物量相比对照降低了44.4%，蒸腾速率等光合参数也显著低于对照处理，根体积、根表面积和总投影面积分别降低了35.1%、28.1%和28.1%，玉米地上部和根部Zn含量为对照的16.0、21.7倍，Cd含量为对照的11.6、25.8倍。结合原材料以及生物炭中Zn、Cd含量分析，其差异主要由苎麻、景天中Zn、Cd含量不同所致，景天和苎麻自身重金属含量是决定其是否可以生物炭化并应用于农田的关键因素。
关键词：超富集；生物炭；再利用；玉米
近年来，由于经济的快速发展，大量工业“三废”的排放，化肥、农膜的使用以及日益频繁的采矿活动，造成我国不少省区土壤受重金属污染[1]，影响着我国农业生产的可持续发展，其中矿区重金属治理已成为土壤生态保护的重点[2]。阻控土壤中重金属迁移与活化成为当前治理工作的首要任务。在众多重金属污染土壤治理方法中，植物修复技术因其环境友好、适用范围广、成本低廉等优势被广泛应用于重金属污染土壤治理[3-4]。杨肖娥等[5]在浙江衢州某铅锌矿区利用景天科植物东南景天降低了污染土壤中Zn、Pb等重金属的含量；Deng等[6]利用伴矿景天-玉米田间套作八季将土壤镉降低了18%以上。尽管上述研究中超富集植物在重金属污染土壤治理中展示了超强的提取、富集功效，但同时也产生了大量富含重金属的植物残体。这些植物残体如若处置不当(焚烧、丢弃)，会导致富集在收植物中的重金属再次进入土壤，形成二次污染。因此，合理处置收获的超富集植物残体成为保障植物修复技术效果的最后瓶颈[7-8]。
传统的植物残体处置技术有焚烧法、灰化法、堆肥法、压缩填埋法、液相萃取技术等[9]，上述方法虽达到植物残体减量化的处理要求[10]，但在大气污染、技术成熟度、处理周期、减量程度等方面仍存在缺陷[11]。近年来，将植物残体裂解转化成生物炭，作为改良剂返回农田土壤，成为超富集植物残体的一种潜在处理方法[12]。目前关于重金属超富集植物生物炭能否像常规生物炭一样应用于土壤改良，还缺乏直接证据。理论上讲，富集重金属的植物残体热解后，重金属集中于生物炭中[13]。虽然生物炭具有强吸附作用与高碱属性，有着良好的钝化功效，但依然存在潜在二次污染风险[14-15]。通常，富集植物经过高温热解后90%难以挥发的重金属都固存于生物炭中[16]，且相比原材料中重金属形态组成稳定性更高[17]，活性较低[18-19]。由此可见，富集重金属植物残体生物炭返回土壤，相比植物残体完全腐解而言[20]，虽然也将大部分重金属返回土壤，但重金属活性较低，不易被植物吸收。此外，生物炭应用有着提升土壤肥力、提高作物产量、减少温室气体排放诸多积极影响[21-22]。然而，目前有关重金属富集植物生物炭对植物的生长影响，自身重金属在土壤中赋存状态以及植物提取情况，缺乏系统研究。
因此，研究收集了不同污染地区两种典型超富集植物(苎麻、伴矿景天)，将其制备成生物炭进行玉米盆栽试验，通过观测超富集植物生物炭施加下玉米的生长状况与重金属含量变化，评估富含重金属生物炭对植物的影响，探讨富集植物残体处置的应用途径。
1材料与方法
1.1试验材料
供试土壤采自贵州省农业科学院附近玉米、蔬菜长期轮作农田(26°30′49′′N，106°39′23′′E)，土壤类型为黄壤，基本理化性质见表1。多点取样收集0~20cm表层土壤，分拣去除碎石、生物残体等杂质，风干、研磨后过2mm筛备用。
超富集植物苎麻(Boehmerianivea(L.)Gaud-ich.)、伴矿景天(Sedumplumbizincicola)分别采自广西省阳朔县和云南省兰坪县重金属铅锌污染土壤治理修复现场。将上述植物烘干粉碎后，装入石英坩埚中，在高温管式炉中进行生物炭制备。通入气流量0.1L/min的氮气作为保护气隔绝氧气，保持11℃/min的升温速率，升至350℃持续热解0.5h，然后自然冷却，制备成超富集植物生物炭。生物炭研磨过2mm筛后备用。试验选用种植的玉米品种为我国广泛种植的“京粘一号”黄粘糯玉米，由山东寿光金鹏种业公司提供。
1.2试验设计
试验于2020年8~10月在贵州省农科院温室大棚展开，设置3种处理，分别是不添加生物炭的对照处理(CK)、景天生物炭处理(土与生物炭质量比为96∶4，下同。标记为JT)、苎麻生物炭处理(标记为ZM)，每个处理种植4盆为4次重复。将混合均匀的土壤(或已施入生物炭的土壤)用自来水调至25%含水率(质量)，预培养2周，称取(相当于干重500g)至塑料花盆中(高9.8cm，口直径14.8cm，底面直径12cm)，将两粒预先萌发好的玉米种子移栽至盆中，每隔2d补充水分，两周后间苗，后期每隔10d每盆浇50mL改良的霍格兰营养液(成分见表2)，以保证养分供应。
1.3测定内容与方法
1.3.1生物炭、土壤性质测定
土壤与生物炭的pH采用pH计(pHS-3E，上海材料与方法雷磁仪器有限公司)测定，其中土壤pH按照水土比5∶1，生物炭pH按照水土比10∶1；电导率(EC)用电导率仪(DDS-307，上海雷磁仪器有限公司)室温下测定；硝态氮和铵态氮分别用紫外双波长分光光度法和靛酚蓝比色法用分光光度计测定；生物炭与土壤重金属含量经HNO3-HF-HCl(v∶v∶v=4∶2∶2)消解后用电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS，ThermoFisherScientificX2)测定；生物炭灰分含量在576℃的马弗炉中灼烧16h后根据质量差计算所得；生物炭表面结构和表面元素组成用扫描电子显微镜-X射线能谱仪(SEM-EDS)在电流25kV下完成；比表面积(SSA)使用表面积和孔隙度分析仪(ASAP2460，Micromeritics，美国)测定；总碳、总氮、总硫采用元素分析仪Variomicrocube(Elementar，德国)测定；土壤有机质用重铬酸钾外加热法测定；土壤阳离子交换量用三氯化六氨合钴浸提-分光光度法测定；土壤碱解氮用碱解扩散法测定；有效磷用0.5mol/L的NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定；土壤速效钾用1mol/L的NH4OAc浸提-火焰光度计法测定。
表1 土壤基本性质
表2 霍格兰营养液配方
1.3.2 生物指标测定
株高、茎粗在收获前用卷尺、游标卡尺测定。玉米生长50d后，将地上与地下部分分离，用去离子水洗净擦干后，在105℃下杀青0.5h，于75℃下烘至恒重，记录其地上和地下部分干质量。在收获日选取每株从上至下第三片叶子，用刻度尺测量叶宽和叶长。单叶面积=长×宽×0.75(其中0.75为校正系数)。在实验结束时，使用WinRHIZO根系扫描分析系统对玉米根系进行扫描(分辨率设为300dpi)。将玉米根系用去离子水洗涤放入透明托盘，加入自来水并晃动，拨开缠绕的根系，然后盖上遮光板进行全景扫描。通过WinRHIZO2012b软件对所得扫描图像进行分析，测得玉米根系的根长、根直径、根体积、根表面积、总投影面积和根尖数等特征参数。
1.3.3光合特性指标测定
在玉米生长期内每隔7d，用SPAD仪(soil and plant analyzer development，SPAD)测定植株顶端完全展开且健康叶片的相对叶绿素含量值(SPAD值)。在收获前夕的晴天9：00~11：00，采用Li-6400便携式光合作用测定仪(Li-COR，美国)测定叶片的气体交换参数：净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)等光合参数，水分利用效率(WUE)依照WUE=Pn/Tr计算。测量条件如下：光强为1000~1200μmol/(m2·s)，样品室CO2浓度为470~480cm3/m3，叶片温度为23.4℃~25.5℃，相对湿度60%。
1.3.4玉米植株养分及重金属含量测定
玉米地上部分养分含量参考鲁如坤[23]的方法，样品经H2SO4-H2O2消煮后，全氮用凯氏定氮仪测定，全磷用钼锑抗比色法测定，全钾用火焰光度计测定。玉米植株中的重金属含量通过HNO3-HClO4(v∶v=4∶2)消解后用电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)测定。
实验中同步消解国家标准物质大米生物成分分析标准物质[GBW10010(GSB-1)]、土壤成分标准物质[GBW07448(GSS-19)]以及空白样进行质量控制，测试回收率均在85%~115%之间。转运系数(TF)=玉米地上部重金属含量/根部重金属含量；富集系数(BCF)=玉米地上部(或根部)重金属含量/盆栽土壤重金属含量。
1.4数据处理
用Microsoft Excel 2016 进行数据整理作图，采用SPSS25.0软件对数据进行统计分析，用多重比较法(Least significance difference，LSD)检验处理之间的差异显著性。
2结果
2.1超富集植物以及生物炭的性质
超富集植物的重金属含量及其生物炭的性质如表3、4所示。苎麻植株中的Zn、Cd、Pb含量均值分别为155.97、2.97、13.99mg/kg，景天植株中的Zn、Cd、Pb含量均值分别为7279.44、217.49、6.72mg/kg，不同材料制备成生物炭后重金属浓度富集倍数为1.77~6.44。苎麻、景天生物炭pH均为碱性，分别为9.68、8.41；苎麻生物炭的灰分含量、电导率、比表面积均值分别为13.82%、5.12μS/cm、2.77m2/g，Zn、Cd、Pb含量均值分别为585.82、12.34、65.57mg/kg；景天生物炭的灰分含量、电导率、比表面积均值分别为35.36%、11.35μS/cm、3.08m2/g，Zn、Cd、Pb含量均值分别为24120.89、385.64、43.28mg/kg。由图1中两种生物炭的SEM图可以看出，苎麻生物炭为纤维状生物炭，有条状孔隙及少量絮状物，而景天生物炭有大量中空孔隙，层状结构明显且无填充物；由能谱分析元素组成表可以看到，两种生物炭主要元素成分都为C、O，其他少量元素组成中，苎麻生物炭按占比高低顺序为Ca、K、Pb、Mg、P等，景天生物炭为Ca、K、Fe、Zn、Mg、Si等。
2.2施用超富集植物生物炭后的玉米生长状况
玉米的株高、茎粗以及叶面积等生长指标如表5所示。与对照相比，添加苎麻生物炭处理显著增加了玉米的株高(P<0.05)，对其它指标无显著影响。而添加景天生物炭处理相比对照处理，玉米株高没有明显差别，但是玉米的茎粗、叶面积、地上部和根部生物量显著降低(P<0.05)，分别降低了23.1%、41.1%、44.9%和41.4%。
表3 超富集植物及生物炭中的重金属含量
表4 生物炭的基本性质
图1 两种生物炭的SEM图以及EDS分析结果
表5 施用生物炭后玉米的生长状况
2.3施用超富集植物生物炭后的玉米根系形态
三种处理下玉米的根系形态学指标如表6所示。与对照相比，苎麻生物炭处理中玉米的根系指标基本没有差别，但景天生物炭处理中显著降低了玉米的根体积、根表面积和总投影面积(P<0.05)，分别降低了35.1%、28.1%和28.1%。
2.4施用超富集植物生物炭后的叶绿素含量(SPAD值)变化
不同处理中的叶绿素含量结果如图2所示。在前21d，各处理之间的SPAD值并无显著差异。从第28d起到第49d，景天生物炭处理的SPAD值均显著低于对照处理(P<0.05)，为对照处理的78.4%~87.6%；但苎麻生物炭处理的SPAD值与对照处理没有明显差异。
2.5不同处理中玉米光合气体交换参数
试验表明，两种生物炭处理均不同程度降低了玉米叶片的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和胞间CO2浓度，增加了玉米叶片的水分利用效率(表7)。其中，苎麻生物炭处理与对照相比，Pn、Tr、Gs、Ci这四项参数影响并不显著；景天生物炭处理与对照相比显著降低了玉米叶片的Tr、Gs和Ci(P<0.05)，分别为对照处理的33.9%、32.6%和63.1%。
2.6施用超富集植物生物炭后的玉米养分含量
种植50d后玉米地上部分全氮(TN)、全磷(TP)和全钾(TK)含量如图3所示，可知生物炭添加对这三种养分含量均有显著影响(P<0.05)。景天生物炭处理玉米地上部全氮、全磷含量分别较对照显著降低了14.8%和43.4%，但其全钾含量是对照处理的1.19倍；苎麻生物炭处理玉米地上部全氮、全磷含量分别较对照降低了23.3%和40.9%，其全钾含量是对照处理的1.13倍。
2.7不同处理中土壤养分情况
由表8可知，两种生物炭处理均显著提高了土壤pH，土壤有机质较对照分别提升了76.4%、124.5%(P<0.05)，对土壤阳离子交换量无显著影响；两种生物炭处理显著提高了土壤速效钾含量，分别为对照的3.40和3.71倍；同样生物炭对土壤速效磷含量也有显著提高作用(P<0.05)，苎麻生物炭的提高程度更大；对照和景天生物炭处理的土壤碱解氮含量无明显差异，但是苎麻生物炭处理对其有显著降低的效果(P<0.05)。
2.8不同处理中植株及土壤Zn、Cd含量
不同处理中植株与土壤的Zn和Cd含量如表9、10所示。与对照处理相比，景天生物炭施加显著提高了玉米中Zn、Cd的含量(P<0.05)，其玉米地上部和根部Zn含量分别是对照的16.01、21.70倍，Cd含量为11.64、25.81倍；施加苎麻生物炭对玉米Zn、Cd含量无显著影响。施用景天生物炭提高了玉米对Zn的富集能力且降低了对Cd的富集能力(P<0.05)；施用苎麻生物炭显著提高了玉米对Zn、Cd的转运能力，提高了玉米地上部对Zn的富集能力，降低了玉米根部对Cd的富集能力(P<0.05)。由表10可知，施用景天生物炭显著提高了土壤Zn、Cd总量，高达1131.36和31.56mg/kg，为对照处理的7.59和45.74倍(P<0.05)，但苎麻生物炭的施加未对其产生显著影响。
表11、12展示了生物炭处理对土壤-玉米系统中Zn、Cd总量分配占比情况的影响。可以看到景天生物炭引入的Zn量占到81.69%，苎麻生物炭引入的Zn量占到9.78%；景天生物炭引入的Cd量占到96.05%，苎麻生物炭引入的Cd量占到43.79%。景天生物炭处理土壤由于其远高于其他两处理的Zn、Cd含量，使得玉米生物量下降，更多的重金属留在了土壤-植物系统的土壤中；苎麻生物炭由于其较景天生物炭更低的Zn、Cd含量，一定程度上发挥了生物炭的特性及功能优势，增加了玉米地上及地下部的生物量，其土壤-植物系统中土壤重金属总量占比相对更低。
3讨论
3.1富集生物炭对植物生长和土壤养分的影响
生物炭通过改良对土壤理化性质来影响植物的生长发育。首先自身含有的矿质养分具有缓释效果，其次生物炭的多孔结构、较大的比表面积可以有效地吸持养分。通过调节土壤pH、阳离子交换量改变可利用磷钾、可交换钙镁钠含量，提高植物的养分利用效率[24]。研究中，相比对照两种富集植物生物炭施用均显著提高了玉米地上部钾含量及土壤pH、有机质、速效钾与速效磷，表明生物炭添加改善了土壤对植物根系所需的K+、PO34-等营养元素的供应，有利于植物的生长[25]，然而，两种生物炭对玉米生物量、光合等指标的影响并不一致。苎麻生物炭的施加对玉米的生物量、SPAD值、光合参数、根系形态指标等并无显著抑制作用，对植株生长并无显著负效应，这与大多数的生物炭盆栽实验结果一致[26-27]。景天生物炭的施加显著降低了玉米的茎粗、叶面积、生物量、部分根系形态、SPAD值和光合指标，这与以往大多数生物炭的添加实验结果并不相同[28]。可能原因是两种不同原材料的性质差异所致，尤其是原材料中重金属含量。植物根系是重金属等污染物进入植物地上部参与物质循坏的重要媒介，植物会通过改变根系形态来适应重金属胁迫下的生长和代谢[29-30]。研究中景天生物炭施加抑制了植物根系的生长(表6)，导致作物生物量减小、光合作用活性降低及叶绿素合成减少，这与景天生物炭含有高浓度重金属密切相关[31-32]。由此可见超富集植物生物炭对植物生长的促进作用与生物炭释放的重金属毒害作用共同控制植物的生长[33]。
3.2富集生物炭对植物重金属含量的影响
两种重金属富集植物裂解过程中大部分重金属都残留在生物炭中，数据表明苎麻生物炭的Zn、Cd含量分别是苎麻植株的3.76、4.15倍，景天生物炭的Zn、Cd含量分别是景天植株的3.31、1.77倍。其中景天生物炭的Zn、Cd含量是苎麻生物炭的41.17和31.25倍。盆栽实验结果显示苎麻生物炭处理中玉米植株Zn、Cd含量相比对照处理没有显著差异，而景天生物炭的施加导致玉米中Zn、Cd含量(相比对照、苎麻生物炭处理)达10倍以上。由此可以推测景天生物炭在土壤环境中释放大量的Zn、Cd，并被植物吸收，造成景天生物炭处理中玉米重金属累积[28]。而苎麻生物炭的施加对玉米植株Zn、Cd含量稍有提高但并不显著，一方面因为苎麻生物炭中含有的Zn、Cd含量较低，能够释放到土壤中的可溶态Zn、Cd较少；另一方面，生物炭可通过物理吸附、离子交换、络合作用等对土壤重金属实现钝化作用[34]，同时，也有研究表明生物炭在土培过程中的稳定性与其自身重金属的可提取态和潜在释放性有关[35]，苎麻生物炭在促进生长和释放重金属产生毒害两方面的影响较为均衡，从而未对玉米生长产生显著负效应，可见富集植物生物炭能否施用于土壤中与其对重金属钝化与释放的平衡关系有关。由于超高重金属含量的景天生物炭施入使得原始种植基质中80%以上的重金属都来自于生物炭，因此相对于其自身来说尽管浸出能力较小，但其浸出部分仍有大量重金属可被植物吸收，可见富集植物生物炭能否施用有一定重金属浓度范围，若重金属含量过高，难以避免其再一次进入土壤-植物循环。本研究中苎麻生物炭可通过改性、提高热解温度、增加保温时长等措施使其发挥更多正向功能，有进一步应用的可能性；而景天生物炭除进一步研究制备条件外可发挥其超高Zn含量的特点，为制备生物炭基锌肥提供思路。
3.3富集植物炭化处理对土壤环境的影响
本研究中的伴矿景天作为锌镉超富集植物已广泛应用在我国铅锌矿区的污染治理过程[36]，一年内可以收获地上部3-4次且单季干物质量可达1800kg/hm2，苎麻也是我国南方地区大面积种植的多年生草本植物[37]，这两种植物均为急需探求低污染处置方法的富集者。通常使用的富集植物处置方法焚烧法和堆肥法往往将高重金属含量的产物残留于土壤中，有土培实验表明作物秸秆直接还田在初期会显著提高土壤水溶态Cd和EDTA结合态Cd[38]，而高含量重金属植物高温炭化处理在显著减少富集生物质的生物量的同时也将进一步富集重金属，且绝大部分重金属以残渣态存在[39]。本研究中两种富集生物炭的农用为超富集植物处置及资源化利用提供了依据与参考，虽然均提高了土壤的Zn、Cd含量，但在土壤-植物系统的应用中需关注植物的转运富集能力，较低Zn、Cd含量的苎麻生物炭存在施用的可行性但需进一步评估，而较高Zn、Cd含量的景天生物炭在农用前必须去除或降低其含量，在具体应用中仍要依据富集植物材料及其裂解后生物炭中重金属含量及活性来决定，这需要在后续实验中进一步探索。
4结论
植物修复技术产生的超富集植株体能否炭化处置主要受原材料中重金属含量控制，施用更高Zn、Cd含量的景天生物炭会显著降低玉米的生物量、根系形态、部分光合参数、地上部氮磷含量等指标，使玉米地上部和根部的Zn、Cd含量显著高于对照组11~26倍，二次污染风险较大；苎麻生物炭的施加提高了玉米株高和土壤有机质、速效钾等养分含量，对植株及土壤Zn、Cd含量无显著提高，对玉米苗期生长的毒害作用相对较小，存在施用的可能性，其具体应用潜力需进一步评估。
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文章摘自：王玺，林杉，程红光，邢丹，邓朝霞，毛明明.施用超富集植物生物炭对土壤性质及玉米苗期生长的影响[J/OL].地球与环境：1-10[2022-09-04].
