Cd污染條件下生物炭對(duì)種子萌發(fā)的影響研究.pdf

1、土壤是環(huán)境的重要組成部分，同時(shí)也是人類自然環(huán)境存續(xù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的必需資源。近些年，隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)和農(nóng)業(yè)也呈現(xiàn)迅速發(fā)展的態(tài)勢(shì)，農(nóng)業(yè)化學(xué)污染物的種類和數(shù)量也逐日增加，土壤問(wèn)題進(jìn)一步惡化。多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家的土壤污染問(wèn)題已經(jīng)影響到了農(nóng)業(yè)發(fā)展，這引發(fā)了人們的廣泛關(guān)注。土壤污染對(duì)于人類生存和生活質(zhì)量具有重要影響，會(huì)直接導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失，食品質(zhì)量下降，危害人類健康，引發(fā)一系列環(huán)境問(wèn)題。
　　重金屬是指密度大于6 g/cm

2、3的金屬元素（部分學(xué)者認(rèn)為重金屬是密度大于5 g/cm3的金屬元素），例如：銅（Cu）、鉛（Pb）、鋅（Zn）、鈷（Co）鎳（Ni）、鎘（Cd）、汞（Hg）、銀（Ag）、鉻（Cr）和其他金屬元素。砷是一種準(zhǔn)金屬元素，其化學(xué)性質(zhì)與環(huán)境行為與重金屬較為相似。因此，研究人員認(rèn)為砷屬于重金屬的范疇。無(wú)機(jī)重金屬污染物可以通過(guò)多種途徑進(jìn)入土壤，例如：污水灌溉、污泥利用、以及大量使用化肥等。根據(jù)國(guó)家環(huán)?？偩值慕y(tǒng)計(jì)，中國(guó)遭受重金屬污染的土地面積接近20

3、00萬(wàn)公頃，占耕地總面積的20％。
　　根據(jù)中國(guó)農(nóng)業(yè)部污水灌溉面積全國(guó)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，全國(guó)約有14,000萬(wàn)公頃的污水灌溉面積，占重金屬污染土壤總面積的34.8%，其中46.7%為輕度污染，9.7%為中度污染，8.47%為重度污染。農(nóng)業(yè)土壤遭受重金屬污染，這導(dǎo)致18.5%的農(nóng)業(yè)產(chǎn)品無(wú)法滿足衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)千萬(wàn)噸糧食無(wú)法達(dá)標(biāo)。土壤中的重金屬不可生物降解。土壤的重金屬積累轉(zhuǎn)化之后，就會(huì)超過(guò)一定的濃度，產(chǎn)生毒性，對(duì)地下水、農(nóng)作物和農(nóng)產(chǎn)品都有顯

4、著影響。重金屬會(huì)通過(guò)食物鏈對(duì)人體健康構(gòu)成威脅。
　　對(duì)于植物來(lái)說(shuō)，鎘是非必要元素，但植物對(duì)其吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)功能較強(qiáng)。當(dāng)植物從土壤或空氣中吸收鎘元素時(shí)，其體內(nèi)的生理生化過(guò)程會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，從而影響植物的正常生長(zhǎng)發(fā)育。據(jù)報(bào)道，鎘對(duì)植物有害，但是研究人員尚未對(duì)重金屬鎘在生態(tài)系統(tǒng)中的形態(tài)，遷移模式，毒性機(jī)制等進(jìn)行研究。此外，環(huán)境條件變化以及植物種類不同對(duì)植物體內(nèi)鎘含量的影響尚待研究。一般來(lái)說(shuō)，植物體內(nèi)鎘濃度越高，對(duì)植物的有害作用就越顯著，低

5、鎘濃度對(duì)植物的生理代謝的影響不顯著。
　　一定濃度的鎘可影響種子的物質(zhì)含量和所需能量，進(jìn)而抑制種子的發(fā)芽，甚至?xí)兄禄饔茫绘k會(huì)促進(jìn)植物的蒸騰強(qiáng)度，影響幼苗的水分代謝；鎘可降低葉綠素含量，造成氣孔開度降低，甚至關(guān)閉；植物中鎘的積累會(huì)破壞葉綠素的結(jié)構(gòu)，影響光合作用系統(tǒng)，降低酶的合成能力，最終導(dǎo)致光合速率下降；植物在鎘的脅迫下，會(huì)產(chǎn)生大量的活性氧，導(dǎo)致膜脂過(guò)氧化，破壞細(xì)胞膜保護(hù)系統(tǒng)，使植物保護(hù)酶（SOD, POD, CAT）變性，失活

6、等。
　　生物炭（Biochar）是生物質(zhì)（例如，秸稈、草、木屑、畜禽糞便等農(nóng)林廢棄物）的不完全燃燒或在缺氧條件下熱解所產(chǎn)生的富含碳顆粒。生物炭在減少溫室氣體排放、土壤改良等應(yīng)用中潛力巨大，已引起國(guó)際環(huán)境界和土壤界的極大關(guān)注。生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物炭不僅可生產(chǎn)再生能源（合成氣和生物油），同時(shí)能夠有效降低大氣中的CO2，可望成為人類應(yīng)對(duì)氣候變化的一條重要途徑，呼吁加強(qiáng)生物炭人為輸入土壤后的環(huán)境行為和環(huán)境效應(yīng)研究。生物炭施用于土壤可改善土壤

7、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，增加土壤保水能力和有機(jī)質(zhì)含量（SOM）、改善土壤的通氣條件、提高土壤pH值和陽(yáng)離子交換容量（CEC）；提高土壤肥力、增加作物產(chǎn)量；改善土壤微生物的棲息生長(zhǎng)環(huán)境，促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成；提高土壤C/N比，固定大氣中的CO2，同時(shí)減少溫室氣體N2O、CH4的排放；生物炭可有效降低土壤中N、P等營(yíng)養(yǎng)元素的淋溶。
　　生物炭具有孔洞結(jié)構(gòu)、表面電荷和表面官能團(tuán)（如羧基、羥基、酚羥基、羰基等）等特征，施入土壤后不僅對(duì)土壤的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

8、產(chǎn)生影響，也必將影響污染物的遷移轉(zhuǎn)化行為。研究發(fā)現(xiàn)，生物炭具有吸附重金屬的性能，向土壤中添加生物炭可減弱重金屬污染物的遷移性，降低重金屬污染物在植物體內(nèi)的累積水平，有望成為土壤重金屬污染的固定化修復(fù)途徑之一。
　　目前，有關(guān)生物炭對(duì)重金屬污染土壤的固定化修復(fù)研究主要集中在以下幾個(gè)方面：（1）生物炭對(duì)重金屬的吸附規(guī)律、機(jī)制及其影響因素。研究表明，生物炭對(duì)重金屬的吸附作用除靜電作用和表面吸附外，尚可能存在沉淀作用、表面配位作用等。（2

9、）生物炭對(duì)黃土中重金屬的吸附-固定化機(jī)理、構(gòu)效關(guān)系、穩(wěn)定性及影響因素。一般地，生物炭施入土壤可顯著增強(qiáng)土壤對(duì)重金屬的吸附能力，降低重金屬有效態(tài)含量，減弱其生物有效性。（3）生物炭對(duì)土壤-植物系統(tǒng)中重金屬遷移的阻控作用機(jī)制、時(shí)效性及影響因素。研究表明，土壤中添加一定比例的生物炭，可明顯提高土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量、陽(yáng)離子交換容量等，可阻控重金屬向植物體內(nèi)遷移，降低重金屬對(duì)制物的毒害作用，提高作物產(chǎn)量。
　　然而，目前有關(guān)生物炭對(duì)重金屬

10、植物有效性的研究多集中在植物的生長(zhǎng)期和成熟期，對(duì)于不同重金屬脅迫下生物炭對(duì)種子發(fā)芽的影響研究鮮見(jiàn)。一定濃度的重金屬（如Cd）對(duì)種子發(fā)芽具有明顯的抑制作用，那么是否可以通過(guò)施加生物炭，以吸附-固定化作用降低體系內(nèi)重金屬的有效濃度，提高種子的發(fā)芽率，改善幼苗的生長(zhǎng)狀況？再者，環(huán)境條件對(duì)于種子發(fā)芽影響很大。生物炭本身作為外源物質(zhì)，其施入后可明顯提升體系的pH值、CEC值、SOM、電導(dǎo)率（EC）等，那么變化后的環(huán)境條件對(duì)種子的發(fā)芽影響如何？這些

11、問(wèn)題尚待研究。
　　因此，本文以西北地區(qū)常見(jiàn)的農(nóng)業(yè)廢棄物-棉花秸稈、玉米秸稈和豬糞為生物質(zhì)，分別在300 oC和500 oC下限氧熱解制得生物炭（分別標(biāo)記為：棉花秸稈生物炭BCM300和BCM500；玉米秸稈生物炭BCY300和BCY500；豬糞生物炭BCZ300和BCZ500），采用培養(yǎng)皿試驗(yàn)、浸泡試驗(yàn)和盆栽試驗(yàn)，研究了不同Cd(II)污染濃度下，施加不同比例的生物炭對(duì)種子（白菜、胡蘿卜、玉米和小麥）發(fā)芽率及芽根長(zhǎng)的影響，并考察

12、分析相關(guān)的影響因素，以期初步探究不同重金屬脅迫下生物炭對(duì)種子萌發(fā)的影響。論文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下：
　　（1）不同Cd濃度下生物炭對(duì)種子發(fā)芽的影響（培養(yǎng)皿試驗(yàn)）
　　將50粒經(jīng)消毒處理的種子置于底襯定性濾紙的培養(yǎng)皿（8.5 cm）中，施入不同量的生物炭（0，0.1，0.5和1.0 g/皿），加入20 mL含Cd(II)溶液（0，1，5和10 mg/L，分別標(biāo)記為Cd0，Cd1，Cd5和Cd10），將樣品置于培養(yǎng)箱中進(jìn)行發(fā)

13、芽試驗(yàn)（溫度20±2℃；光照16/8 h；濕度80-90%）。
　　不同處理?xiàng)l件下，體系 pH值、電導(dǎo)率（EC）和 NH4+呈現(xiàn)不同變化。培養(yǎng)皿中體系的pH值較生物炭的pH值降低（<8）。體系EC值隨著生物炭的施用量增加而增大，以BCM300為例，其施加量分別為0.1、0.5和1.0 g/皿時(shí)，體系的EC值分別為265、990和1285μS/cm；高溫條件下（500℃）制備的生物炭引起體系EC值升高的幅度較低溫條件下（300℃）制

14、備的生物炭為高，例如，1.0 g BCY500時(shí)的EC值為5230μS/cm，而1.0 g BCY300的EC值僅為3120μS/cm。隨著加入Cd(II)溶液濃度的增大，體系EC值升高，以0.5 g/皿BCZ300為例，加入Cd0、Cd1、Cd5和Cd10后體系EC值分別為927、2060、4880和7670μS/cm。生物炭制備溫度與體系EC值亦相關(guān)。在1.0g/皿BCM300+ Cd1、1.0g/皿BCM500+ Cd1和BCY3

15、00體系中NH4+有較明顯的檢出，其余體系下NH4+濃度極低或未檢出。生物炭施加體系下，溶液中有效Cd(II)濃度隨著生物炭的施加量增大而降低，例如BCZ500+ Cd5體系下，有效Cd(II)濃度隨BCZ500施加量（0.1、0.5和1.0 g/皿）的增大依次下降為46.07、45.63和44.14?g/mL。
　　在生物炭施加量較低的情況下（0.1g/皿），其對(duì)白菜（Brassica rapa L.）和胡蘿卜（Daucus c

16、arotaL.）種子發(fā)芽無(wú)影響或略有促進(jìn)，但在高施加量的情況下（0.5和1.0g/皿），白菜和胡蘿卜種子發(fā)芽率降低。例如，0.1 g/皿BCM500下，白菜的發(fā)芽率較對(duì)照（94%）提高至98%；0.1 g/皿BCZ500和BCY300下，胡蘿卜的發(fā)芽率較對(duì)照（68%）分別提高至70%和76%，但0.1 g/皿 BCM500對(duì)胡蘿卜發(fā)芽率無(wú)顯著影響；1.0 g/皿BCY500下，胡蘿卜的發(fā)芽率最低。對(duì)于小麥，施加少量生物炭（0.1 g/皿

17、）均提升了其發(fā)芽率，較對(duì)照（48%）而言，0.1g/皿BCZ300, BCZ500, BCM300, BCM500和BCY500存在下，發(fā)芽率分別為60%,56%,68%,64%和68%。對(duì)于玉米，0.1g/皿生物炭對(duì)其發(fā)芽率沒(méi)有顯著影響或有略微的降低。例如，對(duì)照條件下玉米發(fā)芽率為92%，0.1g/皿BCZ300、BCZ500、BCY300、BCM300、BCM500和BCY500條件下，玉米發(fā)芽率分別為92%、90%、92%、86%、

18、84%和84%。隨著生物炭施加量增大（0.5和1.0 g/皿），玉米發(fā)芽率顯著降低。隨著Cd(II)濃度增大，不同種子的發(fā)芽率均降低，例如Cd5條件下，玉米種子發(fā)芽率極低，Cd10條件下，玉米種子無(wú)發(fā)芽。隨著Cd(II)濃度從1.0 mg/L增大至10 mg/L時(shí)，白菜芽根長(zhǎng)縮短；在BCZ500體系下，胡蘿卜根長(zhǎng)隨著Cd(II)濃度（1,5和10 mg/L）的增大而縮短。在0.1g/皿BCY300、BCY500和Cd(II)濃度分別為1

19、,5和10 mg/L體系下，白菜根長(zhǎng)較無(wú)生物炭情況下增長(zhǎng)，但仍不及對(duì)照條件下的根長(zhǎng)。這表明，生物炭的施入可減弱Cd(II)對(duì)種子根長(zhǎng)的影響，但生物炭自身對(duì)芽根長(zhǎng)的影響不可忽略。Pearson相關(guān)系數(shù)結(jié)果顯示，白菜、胡蘿卜的發(fā)芽率和根長(zhǎng)與體系pH值、EC值、有效Cd(II)濃度和NH4+濃度之間的相關(guān)性強(qiáng)度較低（r<0.2）。
　　（2）不同Cd濃度下生物炭對(duì)種子發(fā)芽的影響（浸泡試驗(yàn)）
　　將50粒經(jīng)消毒處理的白菜（或小麥Tr

20、iticum aestivum L.）種子置入塑料瓶中，以相對(duì)于溶液質(zhì)量0，0.5%，1%和2%的量施入生物炭，加入50 mL的去離子水（或10 mg/L的Cd(II)溶液），將樣品置于溫度20±2?C和濕度約50%的室內(nèi)進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)。
　　無(wú)Cd(II)存在下，體系的pH值在6.54-9.07范圍內(nèi)，生物炭和Cd(II)同時(shí)存在下，體系的pH值降低至5.28-7.01的范圍內(nèi)；總體上，隨著生物炭加入量的增大，體系pH值升高。類似

21、地，隨著生物炭加入量的增大，體系EC值升高。例如，0.5%、1%和2%的BCZ300體系的EC值分別為1253、1805和3772μS/cm。10 mg/L Cd(II)存在下，體系EC值明顯升高（例如，0.5%BCM3001430μS/cm,1%BCM3002410μS/cm，2%BCM3002960μS/cm，而0.5%BCM300+Cd1012460μS/cm,1%BCM300+ Cd10，12230μS/cm，2%BCM300+

22、 Cd1011980μS/cm）。無(wú)Cd(II)條件下，加入生物炭，體系中NH4+均有檢出，且隨著生物炭加入量的增大，NH4+濃度增大。但是，Cd(II)和生物炭共存時(shí)，體系中NH4+無(wú)檢出。隨著生物炭施用量的增大，體系中有效Cd(II)濃度下降（例如，0.5%BCM300+Cd10=49.01μg/mL,1%BCM300+Cd10=48.47μg/mL,2%BCM300+Cd10=45.20μg/mL）。
　　無(wú)Cd(II)時(shí)，

23、隨著生物炭加入量的增大，白菜和小麥的發(fā)芽率及根長(zhǎng)均減小。例如，0.5，1.0和2.0% BCM300下，白菜芽的根長(zhǎng)分別為68%，52%和18%。在Cd10存在下，這種變化趨勢(shì)依然存在，而且Cd10會(huì)進(jìn)一步降低發(fā)芽率及根長(zhǎng)。以白菜大發(fā)芽情況為例，0.5% BCZ500時(shí)為80%，而2%BCZ500+Cd10時(shí)僅為18%；以白菜芽根長(zhǎng)情況為例，0.5%BCZ500時(shí)為70.4 cm，而2%BCZ500+Cd10時(shí)僅為11.3 cm。當(dāng)Cd

24、10存在、且生物炭用量較大時(shí)，根長(zhǎng)狀況最差，如白菜1% BCZ300+ Cd1012.5 cm，小麥1%BCZ300+ Cd1010.6 cm；白菜2% BCZ500+ Cd1011.3,小麥2% BCZ500+ Cd1010.4 cm；白菜2% BCM500+ Cd1010.5 cm,白菜2% BCY500+ Cd108.8 cm。Pearson相關(guān)系數(shù)結(jié)果顯示，白菜發(fā)芽率及根長(zhǎng)與體系的pH值呈現(xiàn)弱正相關(guān)（0.20.29），白菜

25、、小麥的發(fā)芽率及根長(zhǎng)與體系的EC值和有效Cd(II)濃度分別呈較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)（0.400.69），而與NH4+濃度相關(guān)系較差（01.9）。
　　（3）不同Cd濃度下生物炭對(duì)種子發(fā)芽的影響（盆栽試驗(yàn)）
　　以黃土為受試土壤，過(guò)2 mm篩，混勻。將土壤填裝入直徑14 cm高8 cm的塑料花盆中，倒入500 mL10 mg/L的CdCl2溶液，混勻，放置過(guò)夜；以質(zhì)量比0，0.5%，1%和2%的比例加入生物炭，混勻（以S標(biāo)

26、記土壤）。將50粒經(jīng)消毒處理的白菜（或小麥）種子置入花盆中，定期補(bǔ)充水分，控制室溫19±2?C，12天后觀測(cè)種子發(fā)芽率及根長(zhǎng)。
　　隨生物炭施入量的增大，體系pH值呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)。例如，SBCZ5000.5%=7.46, SBCZ5001%=7.58, SBCZ5002%=7.73, SBCZ5000.5%+Cd10=6.98, SBCZ5001%+Cd10=7.07, SBCZ5002%+Cd10=7.21。體系EC值亦呈現(xiàn)相同

27、的變化趨勢(shì)。例如， SBCY3000.5%=350μS/cm, SBCY3001%=680μS/cm, SBCY3002%=763μS/cm；SBCY3000.5%+Cd10=5480μS/cm, SBCY3001%+Cd10=6290μS/cm, SBCY3002%+Cd10=6979μS/cm。生物炭制備溫度升高，相應(yīng)地土壤EC值也高（如SBCZ3001%=365μS/cm, SBCZ5001%=742μS/cm）。除SBCZ300

28、和SBCM300（Cd10存在或不存在）外，其余樣品中NH4+均有檢出。土壤浸提液（以去離子水）中Cd(II)濃度隨生物炭施入量增大有降低的趨勢(shì)。例如，SBCZ5000.5%+Cd10=39.15μg/mL, SBCZ5001%+Cd10=39.01μg/mL, SBCZ5002%+Cd10=35.21μg/mL。
　　發(fā)芽率與根長(zhǎng)的結(jié)果表明，在 Cd(II)污染條件下，隨著生物炭施加量的增大，白菜和小麥的發(fā)芽率和根長(zhǎng)均增大。例如

29、，對(duì)于小麥，其最大根長(zhǎng)與發(fā)芽率（G）出現(xiàn)在生物炭+Cd10的情況下。例如，SBCZ5002%+Cd10=62.3(G70%), SBCM5002%+Cd10=59.70(G70%), SBCY5002%+Cd10=62.50(G64%)。對(duì)于白菜，則有SBCZ5002%+Cd10=12.8(G30%), SBCY5002%+Cd10=16.6(G30%)。Pearson相關(guān)系數(shù)結(jié)果顯示，種子發(fā)芽率與根長(zhǎng)與體系pH值呈現(xiàn)弱負(fù)相關(guān)（-0.2

30、-0.29），與EC值和Cd(II)濃度呈現(xiàn)較強(qiáng)正相關(guān)（0.400.69），與NH4+濃度相關(guān)系較差（0-0.19）。
　　總結(jié)了以下結(jié)論：
　　1）反應(yīng)溫度是控制碳原材料性質(zhì)的重要因素，溫度越高，原料分解越充分，生物質(zhì)炭的產(chǎn)量下降，其碳含量越高，在高溫下形成的孔隙結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，PH值也有所增加；
　　2）生物炭中含有大量植物生長(zhǎng)所必需的元素，特別是碳。同時(shí)，添加生物質(zhì)炭對(duì)種子萌發(fā)的抑制作用不明顯，從

31、數(shù)據(jù)中，實(shí)驗(yàn)組的芽長(zhǎng)和發(fā)芽率下降（在無(wú)土培養(yǎng)皿實(shí)驗(yàn)和水），可能是由于以下因素：生物炭添加可附著在種子表面，種子的呼吸作用的影響，并一定程度上抑制種子萌發(fā)；生物量碳主要是酸性或堿性，在種子萌發(fā)階段可能有或多或少的影響。上述因素都能影響植物種子萌發(fā)的因素，由于本試驗(yàn)的水平有限，未能對(duì)各因素進(jìn)行分離的實(shí)驗(yàn)分析，因此不能排除這些因素的影響；
　　3）所有生物炭沒(méi)有對(duì)種子萌發(fā)和早期生長(zhǎng)有顯著影響，這表明生物炭可以作為一個(gè)合格的土壤修復(fù)材料；