环境科学学报  2017, Vol. 37 Issue (11): 4296-4304
引用本文
董淑玉, 秦俊豪, 王迟, 等. 2017. 不同生物质炭对酸雨及氧化性沉降下花生生长及累积砷镉的影响[J]. 环境科学学报, 37(11): 4296-4304.
Dong S Y, Qin J H, Wang C, et al. 2017. Effects of different biochar on peanut grown and arsenic and cadmium accumulation under acid and oxidation precipitation[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 37(11): 4296-4304.
不同生物质炭对酸雨及氧化性沉降下花生生长及累积砷镉的影响    [PDF全文]
董淑玉1,2,3 , 秦俊豪1,2 , 王迟1,2 , 曾露苹1,2 , 陈桂葵1,2 , 黎华寿1,2,3     
1. 华南农业大学农业部华南热带农业环境重点实验室, 广州 510642;
2. 广东省现代生态农业与循环农业工程技术研究中心, 广州 510642;
3. 华南农业大学资源环境学院, 广州 510642
收稿日期: 2017-03-30; 修回日期: 2017-05-21; 录用日期: 2017-06-06
基金项目: 国家高新技术研究发展（863）计划项目（No.2013AA102402）；广东省科技计划项目（No.2015A020208012，2016A020210036，2015B090903077）；广州市科技计划项目（No.201510010260）
作者简介: 董淑玉(1993—), 女, E-mail:860738564@qq.com
通讯作者（责任作者）: 黎华寿(1964—), 男, 教授, 博士生导师, 主要从事污染生态学等研究, E-mail:lihuashou@scau.edu.cn
摘要: 通过温室盆栽试验，研究了普通生物质炭和铁基生物质炭对酸雨及氧化性沉降下不同生育期花生生长及累积砷、镉（As、Cd）的影响.结果表明，酸雨及50 μmol·L-1 H2O2沉降处理对处于花期及成熟期中花生的生物量、根瘤数和瘤干重的影响不显著（p>0.05），但却显著增加了花生籽粒中Cd的含量和花生壳中As的含量（p < 0.05）.其中，铁基生物质炭可显著降低酸雨及氧化性沉降下花生地上部、根部、籽粒、壳中累积As、Cd含量（p < 0.05），且作用效果明显强于普通生物质炭.由此可知，酸雨及氧化性沉降增加了花生对土壤重金属As、Cd的富集，而施加铁基生物质炭可有效降低作物的As、Cd累积，为有效防控酸雨及氧化性沉降区域的花生砷、镉重金属污染具有重要现实意义.
关键词: 生物质炭     酸雨沉降     氧化性沉降     花生     砷镉累积    
Effects of different biochar on peanut grown and arsenic and cadmium accumulation under acid and oxidation precipitation
DONG Shuyu1,2,3, QIN Junhao1,2, WANG Chi1,2, ZENG Luping1,2, CHEN Guikui1,2, LI Huashou1,2,3    
1. Key Laboratory of Agro-Environment in the Tropics, Ministry of Agriculture, P. R. China, South China Agricultural University, Guangzhou 510642;
2. Guangdong Engineering Research Center for Modern Eco-agriculture and Circular Agriculture, Guangzhou 510642;
3. College of Resources and Environmental Sciences, South China Agricultural University, Guangzhou 510642
Received 30 March 2017; received in revised from 21 May 2017; accepted 6 June 2017
Supported by the National High-Tech R & D Program of China (No. 2013AA102402), the Science and Technology Planning Project of Guangdong Provice(No.2015A020208012, 2016A020210036, 2015B090903077) and the Science and Technology Planning Project of Guangzhou (No. 201510010260)
Biography: DONG Shuyu(1993—), famale, E-mail:860738564@qq.com
*Corresponding author: LI Huashou, E-mail:lihuashou@scau.edu.cn
Abstract: In this study, a pot experiment was conducted to examine the effects of the iron-based biochar (FeBC) and ordinary biochar (BC) on the growth of and trace element uptake by peanut plants under simulated acid rain (pH=4.3) and oxidant (50 μmol·L-1 H2O2) precipitation conditions. The results showed that acid and oxidant precipitation had no significant effects on the peanut biomass, nodule number and dry weight of nodule (p>0.05) but significantly increased the level of Cd in the seeds and As in the shell (p < 0.05). By comparison, the concentrations of As and Cd in all parts of peanut were significantly (p < 0.05) lower in the FeBC treatment than in the BC treatment. The research findings obtained from this study have implications for developing methods for reducing accumulation of potentially toxic elements in peanut plants.
Key words: biochar     acid precipitation     oxidation precipitation     peanut (Arachis hypogaea)     arsenic and cadmium uptake    
1 引言(Introduction)

我国土壤重金属污染形势非常严峻, 2014年环保部和国土资源部共同发布的《全国土壤污染状况调查公报》表明, 砷、镉两种重金属污染物点位超标率分别居于第三位和第一位.我国主要土壤重金属污染的类型是以砷-镉、镉-铜等为主的多种重金属复合污染, 受镉、砷等重金属污染的耕地约为0.1亿hm2, 每年因重金属污染的粮食有1000多万t, 造成直接经济损失200余亿元(周建军等, 2014).尤其是对镉具有超强富集能力的花生也面临着重金属镉超标的风险, 各国对于进口花生的重金属镉含量限量越来越严格, 使我国花生出口创汇能力受到严重影响(万书波等, 2005), 且有关花生重金属砷、镉复合污染的吸收富集的研究鲜有报道(蔡葵等, 2010).

中国是继北欧和北美后出现的世界第三大酸雨区域, 其中, 我国南方的酸雨地区是全亚洲酸雨最强、面积也最大的酸雨中心(郭朝晖等, 2003).有关酸雨沉降对土壤重金属迁移、转化和淋溶的影响已有不少报道, 酸雨在酸化土壤的同时, 对土壤重金属的吸附-解吸、溶解-沉淀等活动产生较大影响, 进而影响其对植物的有效性及对环境污染的风险程度(王代长等, 2004; 付天杭等, 2009; 许中坚等, 2005).

另外, H2O2是一种广泛存在于天然降水、地表地下水环境体系中的有较强氧化性的物质, 其中, 在天然降水中就含有微摩尔级的H2O2, 其浓度在5~200 μmol·L-1, 大部分可达50 μmol·L-1(Cooper, 1983; Goncalves et al., 2010).当前由于NOx与VOC等污染物排放增加导致大气氧化性沉降有增加的趋势.有研究表明, 天然水系中微量的H2O2可以影响水体、土壤(底泥)中某些金属元素(如Fe、Cu)的分布、氧化还原形态及其生物有效性; 另一方面, 在土壤或水体中存在的Fe2+与H2O2接触以后可以触发Fenton或类Fenton效应, Fenton效应可以通过其强烈的氧化作用和反应产物对重金属的吸附作用来缓解砷、镉污染对水稻的胁迫(Qin et al., 2013; 胡立芳, 2010; 黎俏文等, 2015).

生物质炭(Biochar)作为一种广泛使用的土壤改良剂, 主要通过络合、吸附、氧化还原等方式来固定土壤中的重金属, 从而降低其在土壤中的转化迁移速率, 具有修复治理重金属污染耕地的应用潜力(Mahar et al., 2015; 李剑睿等, 2014), 对多种重金属复合污染土壤也有较好效果(Namgay et al., 2010).铁基生物质炭(FeBC)是广东省生态环境与土壤研究所科研人员于2014年研发出的一种新型生物质炭材料, 对砷、镉复合污染土壤修复具有独特的作用.基于此, 本文研究模拟酸雨沉降和氧化性沉降对重金属砷、镉复合污染土壤中土壤-花生体系的影响, 探究普通生物质炭和铁基生物质炭在不同的大气污染物沉降条件下对花生重金属胁迫的影响, 以及As、Cd在土壤-花生体系中的转化迁移情况, 以期为合理使用生物质炭等土壤改良剂, 保护农田环境和农产品质量安全提供科学参考.

2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 供试材料

供试土壤采集于广州市华南农业大学跃进北农场水稻土, 去除杂物, 自然风干后过2 mm筛备用, 其基本理化性质见表 1.普通生物质炭(记为BC, 花生壳烧制)购买于河南三利公司, 铁基生物质炭(记为FeBC, 椰子壳烧制)由广东省生态环境与土壤研究所提供, 基本理化性质见表 2.花生(Arachis hypogaea)品种来源于梅州市平远县农业局, 品种为平远农家长粒花生(小花生).

表 1 供试土壤理化性质 Table 1 Physical-chemical properties of the experiment soil

表 2 生物质炭理化性质 Table 2 Physical-chemical properties of the experiment biochar
2.2 实验设计

将5.0 kg过2 mm筛土壤添加至盆栽桶(直径25 cm, 高25 cm)中, 随后按照5%质量比添加普通生物质炭(BC)和铁基生物质炭(FeBC), 以不添加生物质炭作为对照处理(CK).在花生播种前每盆施入复合肥5.0 g, 然后将花生种子和微生物肥料(根瘤菌肥)充分混匀, 每盆3穴, 每穴播种2粒, 播种深度为5 cm左右, 待花生长出第3片叶子时每盆定苗3株.

整个实验期间分别进行以下3种模拟大气沉降的淋溶处理: ①处理1:模拟酸雨沉降, 收集当地天然雨水后按H2SO4:HNO3物质的量浓度比为3:1调节其pH为4.3, 记为S; ②处理2:模拟氧化性沉降, 降雨中含50 μmol·L-1 H2O2溶液, 记为H; ③处理3:收集当地的天然雨水作为淋溶液, 记为W.实验设置3次重复.

2.3 样品采集与分析

将处于花期和成熟期的花生地上部与地下部(根系)分开, 依次用自来水、去离子水完全洗净, 然后装入信封中, 编号后置于60 ℃烘箱中烘干至恒重, 称干重后粉碎备用.准确称取烘干花生植株0.20 g放入聚四氟乙烯消解管中, 加入8 mL HNO3(优级纯)和2 mL H2O2(分析纯), 加盖后放入微波加速反应系统中进行消解, 同时设空白样进行质量控制以保证测定的准确度.采用双道原子荧光光度计(AFS-8130, 北京吉天有限公司)测定消解液中As浓度, 火焰原子吸收光谱仪(德国耶拿, 型号ZEEnit®700P)测定Cd的浓度.

2.4 数据统计与分析

试验数据用Excel(2013版)进行处理; 利用SPSS 20.0中的单因素方差分析(One-way ANOVA)对生物量、结瘤情况及花生各部分As和Cd含量进行显著性方差分析.其中, 花生的富集系数为花生体内的As、Cd含量与土壤中的As、Cd含量之比.

3 结果(Results) 3.1 不同生物质炭对酸雨及氧化性沉降处理下花生生长的影响 3.1.1 不同生物质炭对酸雨及氧化性沉降处理下花生生物量的影响

由图 1a可知, 在天然雨水(W)与酸雨沉降(S)处理组, 处于花期的生物质炭处理(FeBC和BC)的花生地上部干重均显著低于CK处理, 酸雨沉降(S)处理条件下花生地上部干重为FeBC处理显著高于BC处理(p < 0.05), 而氧化性沉降(H)处理条件下生物质炭处理与CK处理间地上部干重差异不显著(p>0.05);从不同沉降处理来看, 普通生物质炭(BC)处理下的花生地上部干重表现趋势为H>S>W, FeBC和CK处理下各沉降处理之间的地上部干重无显著差异.进一步分析图 1b结果可知, 在W沉降处理下的花期花生根部干重为FeBC和CK处理均显著高于BC处理; 从沉降处理来看, 普通生物质炭(BC)处理组下的花生根部干重为酸雨(S)及氧化性(H)沉降处理均高于天然雨水(W)沉降处理, 其余各处理组间无显著差异.

图 1 不同生物质炭对酸雨及氧化性沉降处理下花生花期(a, b)和成熟期(c, d)生物量的影响(所有数据均为均值±标准误(n=3), 不同字母表示各处理之间存在显著差异(p < 0.05), 其中, 不同大写字母表示CK、BC与FeBC 3个不同生物质炭处理间有显著性差异(p < 0.05), 不同小写字母表示同一生物质炭处理下W、S与H 3个不同沉降处理间有显著性差异(p < 0.05), 下同) Fig. 1 Effect of different biochar on biomass of peanuts in flowering (a, b) and mature stage (c, d) under acid and oxidation deposition treatment

成熟期的花生地上部和根部干重结果如图 1c、1d所示, 结果表明, BC处理下花生地上部干重在W、S与H 3个沉降处理组中均显著低于CK、FeBC处理(p < 0.05), BC处理下花生根部干重在S处理组中均显著低于FeBC和CK处理, 在W和H处理组中生物质炭处理(FeBC和BC)均显著低于CK处理, 而同一生物质炭下各沉降处理对成熟期的花生地上部和根部干重造成的差异均不显著(p>0.05).

3.1.2 不同生物质炭对酸雨及氧化性沉降处理下花生结瘤的影响

根瘤是花生共生固氮的场所, 花生的结瘤情况可反映花生的固氮功能.由图 2a、2b结果可知, 同一沉降处理组下的普通生物炭处理(BC)的处于花期的花生根瘤数和瘤干重均小于CK和FeBC处理, 且在W沉降处理组下达显著水平(p < 0.05);从沉降处理来看, 普通生物质炭(BC)处理组下的酸雨(S)及氧化性沉降(H)处理较天然雨水(W)处理均在一定程度上提高了花生根瘤数和瘤干重, FeBC和CK处理组下各沉降处理之间无显著差异(p>0.05).

图 2 不同生物质炭对酸雨及氧化性沉降处理下花生花期(a, b)和成熟期(c, d)的根瘤数和瘤干重的影响 Fig. 2 Effect of different biochar on nodule number and dry weight of nodule of peanuts in flowering (a, b) and mature stage (c, d) under acid and oxidation deposition treatment

成熟期的花生根瘤数和瘤干重结果如图 2c、2d所示, 结果表明, 同一沉降处理组下的BC处理的花生根瘤数和瘤干重均显著低于CK、FeBC处理(p < 0.05), 而同一生物质炭下W、S与H 3个处理间成熟期的花生根瘤数和瘤干重差异不显著(p>0.05).

3.2 不同生物质炭对酸雨及氧化性沉降处理下花生富集As的影响

分析表 3可知, 天然雨水(W)处理下普通生物质炭(BC)处理的处于花期的花生地上部及根部富集As的含量均显著高于CK和FeBC处理(p < 0.05), 而在酸雨沉降(S)处理下生物质炭处理(FeBC和BC)的花期花生地上部富集的As含量显著高于CK处理, 根部富集的As含量趋势刚好相反; 在氧化性沉降(H)处理下的花生地上部富集的As含量为BC处理显著高于CK和FeBC(p < 0.05)处理, 根部As含量则无显著差异。从沉降处理来看, BC处理下的酸雨沉降(S)与氧化性沉降(H)处理组的花期花生地上部与根部富集的As含量均显著低于W处理(p < 0.05).

表 3 不同生物质炭对酸雨及氧化性沉降处理下花生各部分富集As的影响 Table 3 Effect of different biochar on As accumulation on different portions of peanuts in flowering and mature stage under acid and oxidation deposition treatment

进一步分析比较可知, 3种沉降处理下的铁基生物质炭(FeBC)处理的成熟期的花生地上部富集的As含量均显著低于未添加生物质炭(CK)和普通生物质炭(BC)处理(p < 0.05), 而花生根部As含量则表现为BC处理显著高于CK和FeBC处理.从沉降处理来看, 除CK处理下的成熟期花生根部As含量为S处理显著高于W和H处理外, 其余同种生物质炭下的W、S与H处理间的差异均未达显著水平(p>0.05), 但S和H沉降处理较W沉降处理均在一定程度上增加了花生地上部与根部富集的As含量.

对于花生籽粒和壳富集的As含量来说, 3种沉降处理下的铁基生物质炭(FeBC)处理与未添加生物质炭的CK处理下的花生籽粒富集的As含量差异未达显著水平(p>0.05), 但S和H沉降处理下FeBC处理的花生壳富集的As含量显著低于CK处理.从沉降处理来看, 同种生物质炭处理下的对照无沉降(W)、酸雨沉降(S)与氧化性沉降(H)处理下的花生籽粒富集的As含量差异未达显著水平(p>0.05), 但CK处理下的W、S与氧处理间的花生壳富集的As含量差异显著(p < 0.05), 表现趋势为S>H>W.

3.3 不同生物质炭对酸雨及氧化性沉降处理下花生富集Cd的影响

分析表 4可知, 在天然雨水(W)处理下花期的花生地上部富集的Cd含量表现趋势为CK>BC>FeBC; 而在氧化性沉降(H)处理下是FeBC处理显著低于CK和BC处理.3种沉降处理下花期根部富集的Cd含量均表现为生物质炭处理(FeBC和BC)显著低于未添加生物质炭(CK)处理(p < 0.05).从沉降处理来看, FeBC处理下的花期花生地上部富集的Cd含量表现为酸雨沉降(S)处理均高于氧化性沉降(H)和天然雨水(W)处理, 生物质炭处理(FeBC和BC)下S和H沉降处理较W处理提高了花生根部Cd含量, 而CK处理下相较S和W沉降处理, H沉降处理显著降低了花生根部Cd含量.

表 4 不同生物质炭对酸雨及氧化性沉降处理下花生各部分富集Cd的影响 Table 4 Effect of different biochar on Cd accumulation on different portions of peanuts in flowering and mature stage under acid and oxidation deposition treatment

进一步分析比较可知, 生物质炭处理(FeBC和BC)的成熟期花生地上部与根部富集的Cd含量均低于未添加生物质炭处理CK(p < 0.05);从沉降处理来看, FeBC处理下的酸雨沉降(S)与氧化性沉降(H)处理的地上部富集的Cd含量显著高于天然雨水(W)处理(p < 0.05), BC处理下S和H沉降处理的根部富集的Cd含量显著高于W处理(p < 0.05).

对花生籽粒和壳富集的Cd含量来说, 3种沉降处理下的FeBC处理的花生籽粒富集的Cd含量均显著低于CK处理(p < 0.05);从沉降处理来看, CK与FeBC处理下的酸雨沉降(S)与氧化性沉降(H)处理的花生籽粒富集的Cd含量显著高于W处理(p < 0.05).花生壳富集的Cd含量在生物质炭处理间(FeBC和CK)和3种沉降处理间(W、S、H)差异均未达显著水平(p>0.05).

3.4 不同生物质炭对酸雨及氧化性沉降处理下花生砷镉富集系数的影响

分析表 5可知, 花生对镉的富集能力远远大于对砷的富集能力, 富集系数均在2.00以上.3种沉降处理下铁基生物质炭处理(FeBC)和普通生物质炭处理(BC)的花生对As的富集系数均低于未添加生物质炭处理(CK), 且在S和H沉降处理下差异达显著水平(p < 0.05).从沉降处理来看, 在CK和BC处理下酸雨沉降(S)与氧化性沉降(H)处理的花生对As的富集系数均高于对照天然雨水(W)处理, 且在CK处理下差异达显著水平(p < 0.05).

表 5 不同生物质炭对酸雨及氧化性沉降处理下的花生富集砷、镉的影响 Table 5 Effect of different biochar on the accumulation coefficients of As and Cd in peanuts under acid and oxidation deposition treatment

进一步分析比较可知, 3种沉降处理下花生对Cd的富集系数均表现为CK> FeBC>BC, 可能是因为普通生物质炭处理(BC)抑制了花生的生长, 未结实、生物量减少等, 对重金属的富集也相应降低.从沉降处理来看, 同种生物质炭处理下的酸雨沉降(S)与氧化性沉降(H)处理的花生对Cd的富集显著高于对照无沉降(W)处理(p < 0.05).

4 讨论(Discussion) 4.1 酸雨沉降和氧化性沉降对花生生长及重金属暴露的影响

大气酸化和大气氧化性污染是全球重大环境问题之一, 早已引起国际社会的关注, 酸雨及氧化性物质沉降对自然环境、工农业生产和人类健康等产生的严重危害也受到世界各国的关注.大量研究表明, 酸雨沉降会通过改变土壤理化性质来影响土壤重金属的溶解度、迁移性和生物有效性(郭朝晖等, 2003), 氧化性物质的沉降作用也受到关注, H2O2在Fe2+的作用下发生Fenton或类Fenton反应并将其应用于水体或污泥中污染物的吸附清除(唐文伟等, 2006)的研究较多, 但有关氧化性物质对土壤环境重金属的活性、迁移转化等影响的研究较少.

本实验结果表明, 普通生物质炭处理组下酸雨沉降和氧化性沉降处理显著提高了花期花生地上部、根部干重、根瘤数和瘤干重, 但对成熟期花生生物量和结瘤情况无显著影响.从花生累积重金属砷、镉来说, 对照和普通生物质炭处理下酸雨及氧化性沉降均增加了成熟期花生对砷的富集及花生对镉的富集.陈学政(2007)研究发现, 模拟酸雨沉降是否损害花生生长是与酸雨的酸度密切相关的, 酸度越大, 伤害越严重; 但低酸度的酸雨对花生生长有一定的促进作用, 本实验所模拟的酸雨pH为4.3(pH>3.0), 且花生是一种抗逆性较强的作物, 其本身对酸雨的抵抗能力也很强, 研究结果与前人研究一致.凌大烔等(2007)证明在酸雨条件下, 土壤酸度及土壤性质会发生改变, 如pH降低、阳离子交换量降低、有机质淋失增加等变化, 而且酸雨沉降下污染土壤中重金属离子的释放与酸雨pH值、重金属离子种类和土壤性质有关.首先pH降低, 会降低土壤胶体对可溶态重金属离子的吸附量, 增大土壤有毒重金属元素Cd的溶解度, 并使土壤重金属形态向活性形态转化, 从而提高重金属的生物有害性(Ramachandran et al., 1997; Elzahabi et al., 2001; Kuo et al., 2006).另一方面, 酸雨对不同重金属元素影响不同, 研究发现, 土壤pH值越小, Cd可供生物利用的活性越大, 而且吸附在氧化物表面、粘土矿物表面和有机质上的含量较小.As的土壤化学性质与Cd不同, 在酸性土壤中, AsO43-较容易与铝铁锰氧化物形成比较稳定的络合物, 水溶态As含量随pH值的降低而降低, 可氧化态As含量较高, 而且只有在强酸性酸雨条件下As的迁移速率才会下降, 弱酸性酸雨条件下其迁移速率反而会增加(吴宝麟, 2014; 魏显有等, 1999).但由于本实验选用pH=4.3的酸雨来淋溶, 土壤pH为弱酸性, 因此, 酸雨沉降对砷的形态变化及生物有效性无抑制反而有促进作用.

另外, 前人研究发现, 模拟天然降水中的微摩尔级浓度的H2O2与土壤中的Fe2+等离子接触后会发生Fenton或类Fenton反应(Jackson et al., 2015; Lei et al., 2011).本课题组之前关于Fenton效应对水稻的影响研究也发现, Fenton效应可以缓解砷、镉污染对水稻的胁迫, 促进水稻生长(黎俏文等, 2015).也有研究表明, 具有较强氧化性的H2O2可以影响重金属元素Cd、As的生物有效性(Borch et al., 2010; Wang et al., 2009).本实验结果与前人数据不一致, 一方面可能是与所研究的植物不同, 其生物学特性不同有关, 水稻根际可富集土壤环境中的Fe元素形成铁膜, 从而与H2O2发生Fenton效应, 而花生则不同.另一方面也可能因为在砷、镉复合污染下, 花生作为高富集镉植物发生了加和作用, 具体原因需进一步研究.

4.2 生物质炭对花生生长及其重金属砷镉累积的影响

生物质炭是具有抗氧化力、强吸附力和抗生物分解能力的一种新型环境功能材料, 在修复治理受重金属污染的土壤方面具有较大的应用潜力(史明等, 2011).有研究发现, 生物质炭的施加对大豆与水稻的生长发育起到了一定的促进效应, 如生物质炭对水稻的株高, 以及叶、茎干物质的量具有较明显的促进作用, 这和土壤微生态环境的优化是密切联系的(张伟明, 2012).本研究结果发现, 生物质炭处理(FeBC、BC)对花生的生物量及普通生物质炭处理(BC)对花生结瘤情况具有一定的抑制作用, 这与前人研究结果不一致, 主要是因为本实验参考王建超等(2016) “5.0%的生物质炭对花生生物量和产量的增加效果最为明显”的试验结果确定生物质炭添加量, 但由于生物炭对于作物生长的综合效应还与土壤类型和性质及作物类型和施肥情况等有关, 本次实验土壤用量为相对较少的5 kg, 且为水稻土, 与菜园土相比较贫瘠, 因此, 导致5%生物质炭的添加量抑制了花生生长, 且导致BC处理的花生均未结实.据Wang等(2017)利用稻壳、锯屑、菖蒲3种材料快速热解制备的生物炭对微生物(铜绿假单胞菌)、植物(Triticum spp)和动物(秀丽隐杆线虫)的毒性试验表明, 生物炭的生物毒性随生物量的变化而变化, 来自稻壳和锯屑的生物炭对所有测试的生物体具有可忽略的毒性作用, 表明从农业废物获得的生物炭对于土壤施用是安全的, 相比之下源自菖蒲的相对高剂量生物炭对所有测试生物显示出毒性, 表明在生物质碳使用之前进行风险评估是必要的.另外, 与普通生物质炭比较, 铁基生物质炭对花生的伤害较小, 随着花生生育期的推进, 这种抑制作用逐渐消失并在一定程度上促进了花生的结瘤固氮.

普通生物质炭(BC)处理下的花生镉含量显著低于CK处理, 但砷含量则显著高于CK处理.与前人(曹莹等, 2015; 关连珠等, 2013; Bolan et al., 2013; Steiner et al., 2007)提出的“生物质炭施入土壤后增大土壤pH值, 影响重金属的吸附固定, 降低土壤中水溶态镉含量, 增加土壤砷的活性, 从而减轻了镉的生物有害性, 增加了砷的生物有效性”的观点一致.Namgay等(2010)就生物炭对受砷(As)和镉(Cd)污染的玉米的影响研究表明, 生物炭的应用对玉米生物量影响不大, 但显著降低了玉米中As和Cd的含量, 降低了土壤中Cd的生物利用性但却增加了As的有效性, 这与本文研究结果一致.而铁基生物质炭(FeBC)处理下的花生各部分对As、Cd的吸收富集显著低于未添加生物质炭(CK)处理, 并且在酸雨沉降和氧化性沉降处理下, 铁基生物质炭(FeBC)处理也可促进花生结瘤、降低花生对重金属砷、镉的吸收累积, 推测原因可能是铁基生物质炭不同于普通生物质炭, 其在制备生物质炭过程中, 加入含铁化合物, 形成具有特殊结构和功能的铁基生物质炭材料.目前常用于土壤修复的铁盐类钝化剂有Fe2(SO4)3、FeSO4和FeCl3等(Seidel et al., 2005; Subacz et al., 2007), 并且含铁物质已被公认为As的解毒剂, 能有效降低砷的有效性, 铁盐主要通过沉淀和吸附作用来达到砷解毒的作用.除此以外, 铁盐也可用来钝化其他重金属.另外, 氧化性沉降中的H2O2与铁基生物质炭中Fe2+接触发生Fenton反应, 通过其强氧化作用和反应产物的吸附作用可以缓解砷、镉污染对花生的胁迫, 因此, 施加铁基生物质炭相比普通生物质炭能显著降低土壤砷镉的活性及花生累积砷的能力, 从而达到修复砷镉污染土壤及生产优质、安全作物的目的.

5 结论(Conclusions)

1) 除了普通生物质炭(BC)处理下酸雨沉降(S)和氧化性沉降(H)处理促进了花期花生生长(生物量和结瘤情况)外, FeBC和CK处理下S和H沉降处理对花期和成熟期花生的生长均无显著影响; 从花生累积重金属砷、镉来说, BC处理下的S和H沉降降低了花期花生地上部和根部对砷的吸收, 却提高了花生对镉的吸收, 另外, 酸雨及氧化性沉降在一定程度上增加了成熟期花生对砷、镉的富集, 且部分达到显著水平.

2) 生物炭(FeBC、BC)处理下的花生地上部生物量低于对照(CK)处理, 显著降低了花生富集镉的能力, 而且同一沉降处理组下的BC处理的花生根瘤数和瘤干重均显著低于CK、FeBC处理.另外, 铁基生物炭处理(FeBC)下的花生除籽粒中砷含量有轻微增加外, 其他各部分砷、镉含量均小于普通生物炭(BC)处理和对照(CK)处理, 说明施加铁基生物炭能有效降低土壤重金属暴露的生态风险, 减少花生的砷、镉累积.因此, 和普通生物质炭相比, 铁基生物质炭对防控酸雨及氧化性沉降区域土壤重金属污染, 以及生产安全农产品等方面具有重要的现实意义.

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