松木生物炭聯合油菜修復鉛污染農田的效應

倪 娟,莫愛麗,樊鑫婷,蔣圓圓,楊 飛,3,4,彭堂見,劉 俊,,5,6,7*

(1.南華大學 基礎醫學院,湖南 衡陽 421001;2.南華大學 公共衛生學院,湖南 衡陽 421001;3.南華大學 典型環境污染與健康危害湖南省重點實驗室,湖南 衡陽 421001;4.中南大學 臨床流行病學湖南省重點實驗室,湖南 長沙 410000;5.南華大學 有色金屬礦區耕地重金屬污染生態阻抗技術研究衡陽市重點實驗室,湖南 衡陽 421001;6.南華大學 生態健康與人類重要疾病防控湖南省高校重點實驗室,湖南 衡陽 421001;7.南華大學 生物毒理與生態修復衡陽市重點實驗室,湖南 衡陽 421001)

0 引 言

農耕土壤Pb污染是一個全球性嚴峻的生態農業和健康安全問題。由于工業采礦和冶煉中廢水、廢渣處理未達標或未經處理直接排放以及用污水灌溉農用地等原因導致水體沉積物、土壤和農作物重金屬污染嚴重[1]。重金屬鉛通過食物鏈進入人體,危害人類健康[2-3]。湖南省素有“有色金屬之鄉”的美稱。2010年湖南郴州、2014年湖南衡東均出現了“血Pb超標”事件。湖南省多地農耕土壤和農作物如大米和油菜中Pb的質量比超過了《食品安全國家標準 食品中污染物限量》(GB 2762—2017)中規定的Pb的限值,嚴重威脅著食品安全和人民健康[4-5]。重金屬Pb通過土壤-農作物-人體途徑進入機體內,Pb可以替代具有神經元信號傳導、神經發生、髓質化、突觸可塑性等功能的關鍵元素鈣(Ca),并通過Ca離子通道進入大腦,導致活化氧形成、線粒體“自我破壞”從而損傷乃至破壞神經元和膠質細胞[6]。通過環境暴露和飲食等方式攝入Pb很可能引發一系列神經系統疾病和心血管系統的慢性疾病,如阿爾茨海默病(alzheimer’s disease,AD)、帕金森病(parkinson disease,PD)、肌萎縮側索硬化(amyotrophic lateral sclerosis,ALS)、注意缺陷多動障礙(attention deficit and hyperactivity disorder,ADHD)、高血壓、動脈粥樣硬化等[7-8]。因此,農耕土壤Pb污染的治理與修復成了刻不容緩的問題。

油菜是一種一年生的大生物量草本植物,在湖南省的種植面積達127萬hm2左右,也是湖南省僅次于水稻的第二大農作物,在重金屬污染的耕作土壤中廣泛種植。研究表明,油菜在重金屬污染土壤中生長時很容易吸收重金屬,且具有高生物量、生長快速等特點因而備受學者們的關注[9-10]。湖南省人民政府發布的《湖南省水稻生產功能區和油菜籽、棉花生產保護區劃定實施方案》中,規劃了要完成100萬hm2的油菜種植任務。因此,湖南省的重金屬污染耕地需要進行整治、降低油菜中的重金屬含量,以保障農產品食用安全。油菜籽中重金屬的含量不但與土壤Pb總量及其生物有效性有關,同時與油菜吸收、累積、分配重金屬的能力和格局也密切相關。因此,在不改變湖南省耕地用途的前提下,如何有效降低耕作土壤重金屬的總量以保障糧油食品安全是湖南省亟待解決的環境污染問題與生態農業問題。

生物炭具有孔隙結構好、比表面積大、表面具有豐富的含氧官能團等特性,可以有效地吸附土壤中重金屬,被廣泛應用于修復重金屬污染土壤。研究表明,生物炭對重金屬污染土壤的修復效應與生物炭中的材質有關,不同原料和材質所制備得到的生物炭其元素含量和重金屬吸附效果具有較大差異[11]。迄今為止,生物炭生產所需的充足原料供應主要由植物和作物殘留物組成[12]。松木、木屑、硬木、果樹樹干、荔枝木等材質的生物炭已經被證明可以改善土壤肥力,修復重金屬污染土壤及促進作物生長,增加其產量,達到可持續生產的目的[13-15]。湖南省種植有大面積的松木林,每年疏剪的松木樹枝被大量廢棄,或者被直接焚燒,造成資源浪費和環境污染。如何合理利用廢棄的松木樹枝,以減少焚燒導致的碳排放成了一個科學問題。有關生物炭對油菜累積重金屬的研究主要采用秸稈類材質的生物炭[16-17]。迄今未見有關松木生物炭與油菜聯合修復Pb污染土壤的效應研究。

本文利用松木生物炭改良湖南湘潭縣某地Pb污染的農田土,分析了油菜植株各器官生物量、油菜根系土壤Pb的質量比及其形態分布和油菜植株各器官中累積的Pb的質量比和總量。

1 材料和方法

1.1 試驗農田概況

本試驗小區位于湖南省湘潭縣的某塊農田(112°83′E,27°81′N),海拔110 m。當地屬于亞熱帶季風性濕潤氣候,年平均氣溫為17.2 ℃,年平均降雨量1 350～1 700 mm;該地區的農田長期種植水稻,每年種植兩季水稻。該農田表層土壤(0～10 cm)基本性質為:pH值為5.81,陽離子交換量為588.5 mmol/kg,有機質為39.80 mg/kg,有效氮為58.35 mg/kg,速效鉀為23.14 mg/kg,有效磷為8.31 mg/kg,重金屬Pb的質量比為149.75 mg/kg。土壤溶液pH和土壤基本理化性質參照《土壤農化分析》進行測定[18]。根據《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 15618—2018),該農田土壤受到輕度Pb污染。

1.2 試驗材料

本試驗選用的油菜品種為創雜油5號;生物炭是由松木在400 ℃低氧條件下熱解碳化所制,過篩(0.25 mm)。2020年9月30日,按照當地農民的耕作方式,將油菜種子播種在翻土后的空菜地中,油菜幼苗移栽前培育至幼苗長出第4片葉子,期間以自來水澆灌。

1.3 試驗設計

2020年10月20日,將水稻秋收后的農田表層土壤(0～15 cm)翻土、平整;選建12個種植單元(每單元5 m×1.5 m),每個單元間距0.3 m,以避免不同水平生物炭之間的干擾。試驗設3個生物炭水平,施用量分別為200、400和600 g/m2,未施加生物炭的為對照;用鋤具將生物炭與農田各種植單元表層土壤(0～15 cm)混合均勻,每個梯度處理設3次重復。

2020年10月24日將具有4片完全葉、長勢均勻健壯的油菜幼苗移栽至試驗田,種植密度為每單元5 m×1.5 m,單元間距0.3 m,每單元60株油菜。在苗期以水溶液的形式噴灑復合肥,使每株油菜施肥量為0.57 g N、0.855 g P2O5、0.712 5 g K2O。在油菜花期追施1次硼肥(H3BO3),施用量為7.5 kg/hm2。生長期間,按當地常規農作進行田間管理、定期除雜草。2021年5月2日油菜植株成熟,每種植單元隨機選取長勢一致的3株油菜及其根際土樣帶回實驗室,土樣放置在室內進行風干,過篩處理。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 生物炭表征分析

用元素分析儀(Vario EL III,Elementar,Germany)測定了生物炭有機元素C、N、H的質量分數;生物炭樣品的比表面積(brunner-emmett-teller,BET)在Autosorb比表面積分析儀(Quantachrome,USA)下進行分析;利用傅里葉變換紅外光譜儀(Nicolet iS5,Thermo Fisher,USA)分析松木生物炭官能團;掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)(JSM-7600F,日本電子,日本)分析生物炭表觀形態。

1.4.2 土壤中Pb的質量比和形態分布

土壤樣品風干過篩(0.150 mm)后,樣品在HNO3-HF-HClO4消化系統下消化,微孔濾膜(0.45 μm)過濾后的消解液用電感耦合等離子體原子發射光譜(ICP-AES,6300型)測定重金屬Pb的質量比[19]。另一部分樣品采用歐洲共同體參考局(European Community Bureau of Reference,BCR)順序提取法分析了根系土壤中重金屬Pb的形態,分為以下4種形態:弱酸可提取態、可還原態、可氧化態以及殘渣態[20]。

1.4.3 植物各器官生物量及Pb的質量比

將采挖的收獲期的油菜植株分為根、莖、豆莢、籽粒四個部分。用自來水沖洗樣品,再用蒸餾水洗凈。將樣品置于103 ℃烘箱中殺青1 h,在80 ℃下干燥至恒重,稱量各器官的干重;用高速粉碎機將各器官樣品磨碎、混勻后過0.2 mm篩,并做好標記保存在塑封袋中。分別稱取0.2 g過篩后的根、莖、豆莢和籽粒樣品,在HNO3-HClO4的混合物中消化[19]。用體積分數為2%的硝酸將所得溶液稀釋至25 mL,微孔濾膜(0.45 μm)過濾。測定濾液中Pb的質量比,采用雙平行樣和加標回收率法,Pb元素的加標回收率為96.4%,符合元素分析質量。

1.5 數據處理與分析

分別使用式(1)和式(2)兩個公式計算油菜植株不同器官的生物富集系數BCF(bioconcentration factor,BCF)和轉運系數TFi-j(translocation factor,TF)[21]。

BCF=ωi/ωsoil

(1)

TFi-j=ωj/ωi

(2)

式中,ωi和ωj分別表示同一株植物兩個不同器官中Pb的質量比,ωsoil表示在土壤中Pb的質量比(mg/kg)。

所有試驗數據均采用SPSS 16.0和Excel 2016軟件進行數據整理和統計學分析,實驗數據用“平均值±標準差”表示,組間數據差異用單因素方差分析進行比較(P<0.05)。

2 結 果

2.1 松木生物炭的表征

圖2 松木生物炭傅里葉紅外光譜圖

2.2 松木生物炭對土壤中Pb的質量比和形態分布的影響

松木生物炭處理后,油菜根際土壤重金屬Pb的質量比及形態分布如圖3所示。生物炭能有效降低根際土壤中Pb的質量比。隨著生物炭的增加,土壤中Pb的質量比下降;在400和600 g/m2生物炭水平,油菜根際土壤中Pb的質量比較對照組顯著降低了20.73%和28.70%(P<0.05),且低于《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 15618—2018)規定中Pb的風險篩選值(100 mg/kg)。生物炭對油菜根際土壤中Pb的弱酸可提取態比例無影響,但改變了土壤中Pb的可還原態及殘渣態的比例;與對照組相比,Pb的可還原態比例的增幅為5.7%～24.4%;Pb的殘留態比例的降幅為8.4%～58.8%。但200 g/m2生物炭對油菜根際土壤中Pb的質量比和Pb形態無顯著影響。

圖3 松木生物炭對土壤重金屬Pb的質量比和形態分布的影響

2.3 松木生物炭對油菜植株和各器官生物量的影響

松木生物炭顯著降低了油菜植株和各器官的生物量(P<0.05)(見表1)。隨生物炭增加,油菜植株總生物量顯著降低,其降幅為9.68%～36.68%(P<0.05)。與對照組相比,油菜莖、豆莢和籽粒的生物量顯著下降了4.37%～27.94%、8.80%～42.31和5.14%～42.91%(P<0.05)。雖然施用生物炭后,油菜根部生物量顯著下降,但與生物炭的用量關系不大。

表1 不同松木生物炭處理下油菜植株和各器官的生物量

2.4 松木生物炭對油菜植株累積、分配Pb的影響

生物炭處理的油菜植株及根莖器官中的Pb的質量比顯著增加(P<0.05),而籽粒中Pb的質量比顯著降低(P<0.05)(圖4)。隨著生物炭的增加,油菜植株中Pb的質量比增加,較對照組增加了10.82%～79.32%。與對照組相比,根和莖中Pb的質量比分別增加了6.6%、64.06%和119.1%,105.58%、89.45%和138.13%,而籽粒中的Pb質量比顯著降低了28.76%、76.5%和46.70%(P<0.05)。

圖4 松木生物炭對油菜植株和各器官中Pb的質量比的影響

隨著生物炭的增加,油菜植株中Pb的總量增加,其增幅為4.50%～22.5%,但200 g/m2生物炭處理中差異不顯著(見圖5)。400和600 g/m2生物炭處理的油菜根和莖器官中Pb的總量顯著增加,其增幅為80.6%～74.01%和68.76%～72.12%(P<0.05);與對照組相比,施用生物炭后籽粒中Pb的總量分別顯著降低了34.78%、81.91%、67.54%(P<0.05),且400 g/m2生物炭處理的籽粒中Pb的總量最低。

圖5 松木生物炭對油菜植株和各器官中Pb的總量的影響

2.5 松木生物炭對油菜植株富集與轉運Pb的影響

不同生物炭處理組油菜植株各器官中Pb的生物富集系數(BCF)和轉運系數(TF)如表2所示,油菜植株中Pb主要富集在根部。隨著生物炭的增加,油菜根和莖的生物富集系數(BCF)顯著增加,其增幅為11.87%～207.12%和116.76%～232.96%(P<0.05);籽粒的富集系數(BCF)顯著下降,與對照組相比,分別降低了25.19%、70.28%和25.19%(P<0.05)。添加生物炭后,植株轉運系數TF根-莖顯著增加,TF莖-豆莢和TF豆莢-籽粒顯著下降(P<0.05);TF莖-豆莢較對照組分別降低了40.48%、50.33%和19.99%,TF豆莢-籽粒分別顯著降低了45.05%、76.60%和73.81%(P<0.05)。顯然,生物炭能促進油菜植株中Pb由根向莖轉運,抑制Pb由莖向豆莢及豆莢向籽粒轉運,從而減少重金屬Pb在油菜可食用部位的累積。在400 g/m2生物炭處理的植株中BCF籽粒和TF豆莢-籽粒達到最小值。

表2 不同松木生物炭處理對油菜植株各器官中Pb生物富集系數和轉運系數的影響

3 討 論

1)松木生物炭促進油菜對Pb的吸收,提高了污染農田的修復效應。

研究表明,某些條件下的生物炭處理會增加重金屬污染土壤中可交換態的重金屬含量,減少殘渣態重金屬含量[26]。例如,在稻草生物炭處理后的銅冶煉廠周圍土壤中,重金屬Cu、Pb和Zn的殘渣態含量降低[27]。本研究中,施用松木生物炭后,油菜根際土壤中Pb由活性低的殘渣態向活性較高的可還原態轉化。土壤中可還原態的Pb易被油菜根系所吸收。生物炭可以通過提高植物對重金屬的吸收和累積,從而降低土壤中重金屬的含量以達到修復重金屬污染土壤的目的[28]。例如,J.Liu等人報告了荔枝木生物炭促進了向日葵植株吸收和累積土壤中重金屬Pb、Cd和As[24];桉木生物炭的施用能減少玉米芽中Cd和Cu的濃度,但顯著增加了幼苗中的Pb和Zn含量[29]。本研究中,施用生物炭后土壤重金屬Pb形態比例的改變可能是導致油菜植株中Pb的質量比增加的主要原因。本研究中油菜植株累積的Pb隨生物炭的增加而增加。在生物炭熱解碳化過程中產生的多環芳烴(polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)、多氯二苯二噁英(polychlorinated dibenzo para dioxins,PCDDs)和多氯二苯并呋喃(polychlorinated dibenzofurans,PCDFs)等多種污染物,因其具有致癌性、致突變或致畸變性,可能對生物體造成不同程度的生物毒性[30]。因此,植株體內Pb的質量比的增加和生物炭中多種污染物的釋放對植株產生的毒害作用都可能是油菜生物量下降的原因。

2)松木生物炭改變了Pb在油菜植株內的累積與分配格局,抑制了Pb向籽粒中轉移,降低了菜籽油的食品安全風險。

植物可以通過根系吸收土壤中的重金屬,其中一部分重金屬滯留在根細胞中,另一部分則通過根細胞間的運輸由中柱鞘輸送到導管中,隨植物的蒸騰作用向地上部轉運并累積在植物莖葉和籽粒中[31]。隨著松木生物炭施用量的增加,油菜植株累積Pb的總量呈上升趨勢,但各器官中Pb的總量變化趨勢不一致。對照組各器官累積的Pb的總量變化規律如下:根>籽粒>莖>豆莢;施用松木生物炭后,各器官累積的Pb的總量基本上遵循如下規律:根>莖>豆莢>籽粒。顯然,松木生物炭改變了Pb在油菜植株各器官的累積與分配格局。這與前人有關生物炭影響高累積油料作物如向日葵、芥菜型油菜等植物累積、分配重金屬格局的研究結果一致[24,28]。生物炭促進了Pb在根莖部的累積,抑制了Pb向籽粒中轉移,籽粒Pb的總量顯著下降。研究表明,油菜籽經工藝能顯著降低植物油中重金屬濃度,油菜籽中的鎘轉移到菜籽油中的比例為2%～10%[32]。Pb在油菜籽向菜籽油中的轉移率(油菜作物的無毒劑量)低于Cd的轉移率,不易帶來健康風險[33]?？蓪κ斋@后的油菜籽進行加工后制成菜籽油,以進一步降低其食品安全風險。

3)松木生物炭-油菜修復模式在減少碳排放的同時也可獲得一定的經濟效益。

按本研究中油菜樣地種植密度(每單元5 m×1.5 m,單元間距0.3 m,約每公頃80 000株油菜),當生物炭施用量為400 g/m2和600 g/m2水平時,每公頃油菜可以分別從污染農田土壤去除Pb 36.77 g和39.34 g;同時每公頃土壤可以分別生產能安全產出植物油的油菜籽約1 580 kg和1 244 kg,按現在(2022年4月油菜籽集貿市場價6.03元/kg)的油菜籽市場價,估算可分別產出9 527.4元和7 501.3元的經濟效益。隨著全球能源需求日益增長,石油、天然氣和煤炭等化石燃料不可再生,生物燃料的生產和應用逐漸占據著重要地位;油菜作為油料作物可為生物燃料提供農產品原料,促進可持續的生物能源生產,減少碳排放的同時帶來商業價值[34]。在對40項研究中的76種生物炭的特性進行分析比較后發現,與肥料或農業生物質原料相比,由氮和灰分含量較低的木材生產的生物炭更能減少土壤中的N2O的排放[35]。本研究中松木生物炭C/N>30、且含氮量低,具有能顯著減少土壤N2O排放的潛能?？紤]到湖南省油菜和兩季水稻不同的種植時間和生長周期,可通過冬季插播油菜并施用松木生物炭的模式,部分去除農田土壤中Pb以顯著降低稻谷中Pb的食品安全風險。

4 結 論

1)施用400和600 g/m2生物炭能顯著降低油菜根際土壤中Pb的質量比,其濃度低于《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 15618—2018)中規定Pb的風險篩選值。

2)松木生物炭改變了油菜根際圈土壤中Pb的賦存形態,可還原態Pb的比例增加,殘渣態Pb的比例下降。

3)松木生物炭顯著增加了油菜植株累積的Pb,在600 g/m2生物炭水平下增幅最大,增幅為22.5%(P<0.05)。

4)松木生物炭顯著增加了油菜植株及根、莖等器官中累積的Pb質量比(P<0.05),但顯著降低了籽粒中Pb質量比(P<0.05)。在400 g/m2松木生物炭水平,籽粒中Pb的質量比最低。