生物質(zhì)炭對土壤重金屬有效性和作物吸收影響的整合分析及田間試驗(yàn).pdf

1、近年來，我國農(nóng)田土壤重金屬污染的問題引起極大的關(guān)注。對重金屬污染的農(nóng)田進(jìn)行改良、修復(fù)，提高農(nóng)產(chǎn)品安全顯得必要且緊迫。已有研究表明，將秸稈、畜禽糞便等固體廢棄物通過熱裂解制備成生物質(zhì)炭后施入土壤可有效降低土壤中重金屬的有效性并減少作物對重金屬的吸收。然而，由于土壤條件、生物質(zhì)炭類型、重金屬種類及作物種類的差異，不同研究之間生物質(zhì)炭對植物重金屬吸收的影響程度有很大差別。為了提高生物質(zhì)炭對重金屬污染土壤的修復(fù)效果，在更大程度上降低作物對重金屬

2、的吸收，以提高農(nóng)產(chǎn)品的安全性，本文首先通過搜集已發(fā)表的文獻(xiàn)資料，運(yùn)用整合分析(Meta-analysis)的方法從總體上評估了生物質(zhì)炭對土壤重金屬(Cd、Pb、Cu、Zn及類金屬元素As)有效性、植物重金屬吸收及土壤主要性質(zhì)(pH、有機(jī)碳、CEC等)的影響;并分析了不同土壤性質(zhì)(pH、有機(jī)碳和質(zhì)地等)，不同生物質(zhì)炭（來源、性質(zhì)、用量）及不同植物類型對生物質(zhì)炭降低植物重金屬吸收效應(yīng)的影響。在整合分析的基礎(chǔ)上，通過田間試驗(yàn)重點(diǎn)研究了小麥秸稈

3、生物質(zhì)炭對不同品種水稻Cd吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和積累的影響;以及小麥秸稈生物質(zhì)炭對小麥、玉米籽粒中Cd和Pb積累的影響。主要研究結(jié)果如下:
　　1.整合分析結(jié)果表明，生物質(zhì)炭處理顯著提高了土壤pH值、有機(jī)碳、CEC、EC等，平均增加幅度分別為9％、69％、123％及93％。生物質(zhì)炭能顯著降低土壤中有效態(tài)Cd、Pb、Cu及Zn的含量，平均降幅分別為52％、46％、29％和36％;而生物質(zhì)炭顯著增加了土壤中有效態(tài)As的含量，平均增幅為64％。生

4、物質(zhì)炭施入土壤后，植物體內(nèi)Cd、Pb、Cu及Zn的濃度平均分別降低了38％、39％、25％及17％。盡管生物質(zhì)炭增加了土壤中有效態(tài)As的含量，但植物體內(nèi)As的濃度整體上是顯著降低的，平均降幅為12％。
　　2.生物質(zhì)炭對植物吸收重金屬的影響效應(yīng)會(huì)受到土壤條件，生物質(zhì)炭性質(zhì)、用量及植物類型等因素的影響，對不同種類重金屬的影響也不同。總體來說，在酸性土壤中施用生物質(zhì)炭，植物體內(nèi)Cd和Pb的降低幅度較大，Cu和As則相反。在砂性土壤中施

5、用生物質(zhì)炭，植物體內(nèi)Cd、Pb和As的降低幅度較大。土壤有機(jī)碳含量越高，施用生物質(zhì)炭后植物體內(nèi)Cd、Pb、Cu、Zn和As的降低幅度越大。
　　3.畜禽糞便制備的生物質(zhì)炭比其他原料制備的生物質(zhì)炭能更大幅度地降低植物體內(nèi)Cd和Pb的濃度，降低幅度分別為73％和65％;污泥生物質(zhì)炭對植物吸收Cd的影響不顯著，不確定性較大;除此之外，其他來源的生物質(zhì)炭（秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物生物質(zhì)炭、木炭及綠色廢棄物生物質(zhì)炭等）均能有效降低Cd、Pb及Cu在

6、植物體內(nèi)的積累;不同原料生物質(zhì)炭對植株吸收Zn及As的影響并不一致，農(nóng)業(yè)廢棄物生物質(zhì)炭和綠色廢棄物生物質(zhì)炭能顯著降低植物體內(nèi)Zn的濃度，綠色廢棄物生物質(zhì)炭和污泥炭能顯著降低植物體內(nèi)As的含量。生物質(zhì)炭的pH越高，植物體內(nèi)Cd、Cu和Zn的下降幅度越大，但是對Pb影響不大，對As有相反的影響。在一定施用范圍內(nèi)，生物質(zhì)炭用量越高，植物體內(nèi)重金屬的下降幅度越大。
　　4.施用生物質(zhì)炭能顯著降低植物不同部位（地上部、地下部以及可食部位、不

7、可食部位）重金屬的含量。其中，植物地上部Cd的下降幅度顯著大于地下部，植物可食部分As的含量顯著降低，不可食部分無顯著變化。除個(gè)別植物類型外，生物質(zhì)炭總體上能顯著降低不同類型植物體內(nèi)的Cd、Pb和Cu的含量;而不同類型植物體內(nèi)Zn及As濃度的變化并不一致;不同類型植物體內(nèi)重金屬濃度的變化存在顯著差異。此外，在土壤重金屬含量較高和生物質(zhì)炭本身重金屬含量較低的條件下，施用生物質(zhì)炭對降低植物重金屬吸收的效果較好。
　　5.連續(xù)兩年的田間

8、試驗(yàn)表明，施用20和40 t ha-1小麥秸稈生物質(zhì)炭可持續(xù)提高水稻土的pH值、有機(jī)碳并降低有效態(tài)Cd的含量;40tha-1生物質(zhì)炭效果更佳，連續(xù)四個(gè)水稻季土壤中CaCl2浸提態(tài)Cd的濃度與對照相比分別降低了70％、85％、54％和43％。施用生物質(zhì)炭顯著降低了Cd從水稻根向莖的轉(zhuǎn)運(yùn)，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)降低了20-80％。施用生物質(zhì)炭或采用低Cd積累品種均能顯著降低水稻籽粒中Cd的濃度，除第一季外，在后面三個(gè)水稻季中生物質(zhì)炭處理均顯著降低了不同水

9、稻品種籽粒中Cd的濃度，最大降幅分別為61％、86％及57％;秈型常規(guī)稻籽粒中Cd的濃度要低于對應(yīng)的秈型雜交稻。施用生物質(zhì)炭后，低積累品種籽粒中Cd的降幅要大于高積累品種。在兩個(gè)晚稻季中，生物質(zhì)炭結(jié)合低Cd積累品種水稻籽粒中Cd的濃度降低了69-80％，降幅大于單獨(dú)施用生物質(zhì)炭或者單獨(dú)種植低積累品種。
　　6.生物質(zhì)炭顯著降低了水稻土中有效態(tài)Zn的含量(35-91％)，而水稻籽粒中Zn的濃度卻沒有顯著變化。秈型雜交稻籽粒中Cd的濃

10、度顯著高于秈型常規(guī)稻，但前者籽粒中Zn的濃度卻顯著低于后者，秈型常規(guī)稻籽粒的Cd/Zn比更低，其食用安全性更高。施用生物質(zhì)炭后部分水稻品種籽粒中的Cd/Zn比與對照相比降低了31-85％。生物質(zhì)炭配合低Cd吸收品種能更有效降低水稻籽粒的Cd/Zn比（降幅在72-80％之間），從而更有效地提高稻米的食用安全。
　　7.連續(xù)兩個(gè)作物季的田間試驗(yàn)表明，與對照相比，在旱地土壤中施用生物質(zhì)炭后，小麥和玉米季土壤容重均顯著降低(18-29％)

11、，土壤有機(jī)碳含量顯著增加(45-218％);土壤pH和EC僅在第一季（小麥季）顯著增加，在玉米季與對照相比無顯著差異。生物質(zhì)炭施用對小麥、玉米產(chǎn)量沒有顯著影響。生物質(zhì)炭顯著降低了小麥、玉米季不同污染程度土壤中有效態(tài)Cd和Pb的含量，并降低了小麥籽粒中Cd和Pb的濃度（最大降幅分別為21％和43％）;但生物質(zhì)炭對玉米籽粒中Cd和Pb的濃度無顯著影響。玉米籽粒中Cd和Pb的含量顯著低于小麥籽粒，且處于國家食品污染物限量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全范圍之內(nèi)

12、。
　　綜上所述，生物質(zhì)炭在顯著改善土壤性質(zhì)、增加作物產(chǎn)量的同時(shí)，能有效降低土壤中不同重金屬的有效性(As除外)和重金屬在作物體內(nèi)的積累，從而有利于農(nóng)產(chǎn)品的安全生產(chǎn);而田間試驗(yàn)的結(jié)果也表明生物質(zhì)炭的上述效應(yīng)具有可持續(xù)性。但是需要注意的是，生物質(zhì)炭鈍化土壤重金屬、降低作物吸收的效果在不同作物品種、不同作物種類、不同土壤條件下有很大不同;而且還受生物質(zhì)炭本身的性質(zhì)以及不同重金屬種類和含量的影響。在應(yīng)用生物質(zhì)炭治理土壤重金屬污染時(shí)要綜合