改革开放以来, 因城市化和工业化的快速发展及农业生产中农药、化肥的长期不合理施用, 我国农田土壤重金属污染问题日趋严重, 对我国生态环境、粮食安全及人民健康造成严重威胁.众多重金属元素中, 镉(Cd)因其生物毒性大、生物活性高、迁移性强且易吸收等特点而受到广泛关注.《全国土壤污染状况调查公报》显示^[1], 我国土壤总点位超标率为16.1%, 各种无机和有机污染物中以Cd污染程度最为严重, 其点位超标率高达7.0%.污染土壤中的Cd经农作物吸收后, 富集在可食部位中的Cd可以通过食物链在人体中积累, 危害人体健康.因此, 开展Cd污染农田土壤的改良修复工作对保障我国粮食安全具有重要意义.

针对重金属污染农田土壤, 研究人员研发了多种治理修复技术, 其中尤以施用各种重金属钝化材料的原位化学修复技术应用最为广泛^{[2, 3]}.重金属钝化剂通过物理化学作用使土壤重金属由高活性形态向潜在有效态或无效态转变, 进而降低重金属的生物有效性, 减少农作物对土壤重金属的吸收^{[4, 5]}.生物炭是一种由作物秸秆、污泥、家畜粪便和木材等生物质经过热化学过程转化而制成的有机材料, 因其高养分含量特性常被用于培肥改良土壤, 提高地力.已有研究发现, 施用生物炭显著提高土壤速效养分含量, 促进水稻对氮、磷和钾养分的吸收, 进而提高水稻产量^{[6, 7]}.另一方面, 生物炭也是一种高度芳香化的有机化合物, 其化学结构中富含大量含氧官能团, 且生物炭的结构孔隙度和表面积较大, 因而能够通过吸附作用固定土壤和沉积物中的活性重金属离子^{[8, 9]}.近20年来, 生物炭被广泛用于重金属污染土壤的改良修复.田间试验结果表明, 不同类型的生物炭对中轻度Cd污染稻田有很好的修复效果, 土壤有效态Cd含量与水稻籽粒Cd含量随生物炭施用量的增加而显著下降^[10~12].近几年, 研究人员研发了多种功能性改性方法, 以进一步改善生物炭的物理化学性质, 提高其对土壤重金属活性的钝化效果.王鑫宇等^[13]利用K₃PO₄、KMnO₄和NaOH对稻壳生物炭进行改性处理, 发现改性生物炭的比表面积和孔容有不同程度的增加, 改性生物炭对Cu和Cd污染土壤的修复效果也有所提升.王俊楠等^[14]的研究也发现, 磁性生物炭可有效降低土壤Cd、Cu、Ni、Pb和Zn的生物有效性, 且生物炭施用量越高, 其对土壤重金属活性的钝化效果越好.

施肥是保证农作物正常生长, 维持农产品高产优质的必要农艺措施.施入土壤的肥料可影响土壤理化性质, 进而通过吸附、解吸、沉淀和络合等作用影响土壤重金属的存在形态及其有效性^[15].氮是植物生长的必需营养元素, 参与植物体内影响植物生长的重要生理过程.铵态氮、硝态氮和酰胺态氮等无机氮肥是当前我国农业生产中应用较为广泛的氮肥类型.有研究表明, 施入土壤的无机氮肥在不同氮形态间的转化过程, 以及各形态氮与土壤中不同组分的化学反应过程会影响土壤理化性质, 进而影响土壤重金属的生物有效性及作物对土壤重金属的吸收富集^{[16, 17]}, 且这种影响因氮肥类型、施用量和施用时间的不同而差异明显^{[18, 19]}.因此, 针对中轻度重金属污染土壤的安全利用, 可选择边修复边生产的策略, 在施用生物炭等钝化剂的同时, 施用一定量氮肥以维持农作物正常生长所需的氮素营养供应, 这对于确保粮食产量, 达到修复和生产双赢目的具有重要意义.

不同作物对氮肥类型的喜好不同, 通常水稻喜好铵态氮肥, 小麦等旱作物则喜好硝态氮肥, 农业生产中应根据不同作物的氮素需求特性选择合适的氮肥类型.目前, 有关生物炭和氮肥对作物吸收土壤Cd的影响研究较多, 但相关研究大多是针对单一因素开展, 有关不同形态氮肥配施生物炭影响作物吸收土壤Cd的研究鲜见报道.因此, 本文选取Cd污染农田土壤, 以青菜(Brassica chinensis L.)为研究对象, 通过盆栽试验研究尿素、硫酸铵和硝酸钙这3种氮肥配施生物炭对青菜生长、土壤Cd有效性和青菜吸收Cd的影响, 以期为重金属污染土壤改良修复过程中氮肥的合理选择与施用, 保证蔬菜产量和品质提供科学依据和技术参考.

供试土壤为采自江苏省新沂市某Cd污染水稻田的耕作层土壤(0~20 cm), 土壤pH值为5.37, 土壤ω(全Cd)为1.56 mg·kg^-1, 超出《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》(GB 15618-2018)中的Cd污染风险筛选值(pH≤5.5、0.3 mg·kg^-1)4.2倍, ω(有效态Cd)为0.341 mg·kg^-1.供试生物炭为杭州聚能生物科技有限公司生产的水稻秸秆生物炭, ω(Cd)为0.08 mg·kg^-1, pH值为9.75, 比表面积为164.9 m²·g^-1.供试青菜品种为新选上海青(Brassica chinensis L.), 购自河北省高碑店市科高种业有限公司.供试氮肥为尿素、硫酸铵和硝酸钙, 均为分析纯试剂.

本研究采用温室青菜盆栽试验的方法, 试验在南京信息工程大学玻璃温室进行.共设置8个处理, 每个处理3个重复, 具体处理设置及添加材料见表 1.将1.5 kg风干过2 mm筛的污染土壤、生物炭(添加量为40 g·kg^-1, 以风干土计)及适量满足青菜生长所需的氮、磷和钾肥充分混匀后置于一个直径16 cm、高12 cm的塑料盆中, 为保证施氮处理氮施用量一致, 尿素、硫酸铵和硝酸钙(四水)的添加量(以风干土计)分别为0.32、0.71和1.26 g·kg^-1, 磷酸二氢钙(一水)和硫酸钾的添加量(以风干土计)分别为0.24 g·kg^-1和0.33 g·kg^-1.于2020年6月20日每盆播种20粒青菜种子, 待植株生长至4片真叶间苗, 每盆留3株苗, 2020年7月21日青菜成熟收获.

表 1 (Table 1)

表 1 试验处理设计 Table 1 Experimental treatment design 处理 添加材料 处理 添加材料 CK 磷酸二氢钙+硫酸钾 B 生物炭+磷酸二氢钙+硫酸钾 N 尿素+磷酸二氢钙+硫酸钾 BN 生物炭+尿素+磷酸二氢钙+硫酸钾 L 硫酸铵+磷酸二氢钙+硫酸钾 BL 生物炭+硫酸铵+磷酸二氢钙+硫酸钾 X 硝酸钙+磷酸二氢钙+硫酸钾 BX 生物炭+硝酸钙+磷酸二氢钙+硫酸钾

表 1 试验处理设计 Table 1 Experimental treatment design

青菜成熟后, 收获地上部称鲜重以测定生物量, 然后依次用自来水和去离子水清洗, 滤纸吸干水分后装入信封, 105℃杀青30 min, 70℃烘干至恒重.将烘干后的样品用不锈钢粉碎机磨细后密封保存, 用于测定青菜Cd含量.青菜收获后采集部分土壤样品, 风干后磨碎过2 mm筛, 用于测定土壤pH值和有效态Cd含量.

土壤pH值采用电位法测定(水土比为2.5∶1); 土壤Cd全量采用HF-HNO₃-HClO₄消煮, 青菜Cd全量采用HNO₃-H₂O₂消煮^[20], 土壤有效态Cd采用0.01 mol·L^-1 CaCl₂溶液提取^[21], 消煮液和提取液中Cd浓度采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定, 每批试验均做3个空白和20%的样品重复, 植物和土壤样品Cd含量测定过程中分别插入了生物标准物质GBW10015(GSB-6菠菜)和土壤标准物质GBW07450(GSS-21)进行质量控制, 两种标准物质中Cd的回收率分别为92.7%~105%和95.1%~103%.

全文采用Origin 9.0软件进行试验数据的分析与制图, 采用SPSS 22.0软件进行单因素方差分析(ANOVA), 各处理间的差异通过Duncan法进行显著性检验(P < 0.05), 相关性分析方法采用皮尔逊相关性分析.

不同处理青菜生物量见图 1, 从中可知, 氮肥和生物炭的施用均促进了青菜的生长, 增加了青菜生物量.与不施氮肥的CK处理相比, 单施尿素、硫酸铵、硝酸钙和生物炭处理青菜生物量分别增加了5.02%、19.3%、32.9%和27.8%, 除单施尿素处理外, 其余处理的增幅均达显著水平(P < 0.05).与单施尿素、硫酸铵和硝酸钙处理相比, 尿素、硫酸铵和硝酸钙配施生物炭处理青菜生物量分别增加了50.8%、36.7%和8.84%, 增幅均达显著水平(P < 0.05).不同处理间青菜生物量的大小顺序为：BL>BN>BX>X>B>L>N>CK.

图 1

Fig. 1

不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05) 图 1 不同处理青菜生物量 Fig. 1 Biomass of pakchoi during different treatments

图 2显示, 不同形态氮肥和生物炭的施用对土壤pH值的影响有所不同.与不施氮肥的CK处理相比, 单施硝酸钙对土壤pH值无明显影响(P>0.05); 而单施尿素和硫酸铵后, 土壤pH值分别显著下降0.27和0.33个单位(P < 0.05).与单施氮肥处理不同的是, 单施生物炭后土壤pH值比CK处理显著提高了0.35个单位(P < 0.05).尿素、硫酸铵和硝酸钙配施生物炭处理土壤pH值分别比单施尿素、硫酸铵和硝酸钙处理提高了0.14、0.17和0.28个单位, 增幅均达显著水平(P < 0.05).不同处理间土壤pH值的大小顺序为：B>BX>CK>X>BN>BL>N>L.

图 2

Fig. 2

不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05) 图 2 不同处理土壤pH值、有效态Cd含量及两者间相关性 Fig. 2 Soil pH and available Cd content in soil during different treatments and their correlation

从图 2还可以看出, 与不施氮肥的CK处理相比, 施用尿素和硫酸铵后土壤有效态Cd含量分别增加了30.0%和12.7%, 而施用硝酸钙和生物炭后土壤有效态Cd含量分别显著降低了38.4%和57.4%(P < 0.05).与单施尿素、硫酸铵和硝酸钙处理相比, 尿素、硫酸铵和硝酸钙配施生物炭处理土壤有效态Cd含量分别降低了30.1%、16.5%和17.0%, 降低幅度均达显著水平(P < 0.05).不同处理间土壤有效态Cd含量的大小顺序为：N>L>CK>BL>BN>X>BX>B.相关分析结果显示, 土壤pH值和有效态Cd含量呈显著负相关.

不同氮肥和生物炭的施用影响了青菜对土壤Cd的吸收(图 3).从中可知, 不施氮肥的CK处理青菜ω(Cd)达1.14 mg·kg^-1, 是《食品安全国家标准食品中污染物限量》(GB 2762-2017)中对叶菜蔬菜中Cd限量标准(0.2 mg·kg^-1)的5.7倍.单施尿素和硫酸铵后, 青菜Cd含量分别比不施氮肥的CK处理增加了6.11%和29.2%, 而单施硝酸钙和生物炭后青菜Cd含量分别比CK处理降低了11.0%和53.7%, 生物炭显著抑制了青菜对土壤Cd的吸收(P < 0.05).与单施尿素、硫酸铵和硝酸钙处理相比, 尿素、硫酸铵和硝酸钙配施生物炭处理青菜Cd含量分别显著降低了26.9%、28.6%和15.3%(P < 0.05).不同处理间青菜Cd含量的大小顺序为：L>N>CK>BL>X>BN>BX>B.相关分析结果显示, 青菜Cd含量与土壤pH值呈显著负相关, 与土壤有效态Cd含量呈显著正相关(图 4).

图 3

Fig. 3

不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05) 图 3 不同处理青菜Cd含量 Fig. 3 Content of Cd in pakchoi during different treatments

图 4

Fig. 4

图 4 青菜Cd含量与土壤pH值、有效态Cd含量的相关性 Fig. 4 Correlations between Cd content in pakchoi and soil pH, available Cd content in soil

氮是植物生长必需的营养元素, 土壤氮主要以有机态存在, 而作物只能吸收利用无机氮.因此, 农业生产中需要施用化学氮肥以弥补土壤无机氮供应的不足.适量施用氮肥可促进作物根系生长发育, 增加根密度和长度, 提高根系吸水能力, 从而促进作物的生长^[22].本研究结果表明, 3种氮肥的施用显著促进了青菜生长, 提高了青菜生物量, 其中尤以硝酸钙的增产效果最好, 这可能与青菜作为旱作物更喜好硝态氮肥有关.施用生物炭的增产效果优于尿素和硫酸铵, 这与生物炭对土壤物理化学性质的改善作用有关.生物炭含丰富的碳、氮、磷和钾等营养元素, 施入土壤的生物炭通过矿化作用使其中的有机态养分转变为无机态养分以供青菜吸收利用, 从而促进青菜生长^{[7, 23]}.此外, 生物炭可以改善土壤结构, 增加土壤总孔隙度, 提高土壤透气性, 促进作物高产^{[24, 25]}.本研究结果还显示, 氮肥配施生物炭对青菜生长的促进效果要显著优于单施氮肥.张伟明等^[26]的研究也发现, 生物炭配施化肥比单施化肥更能显著提高大豆产量.一方面, 氮肥配施生物炭比单施氮肥为青菜生长补充了更多的养分元素; 另一方面, 生物炭改善了土壤环境, 为土壤微生物和作物提供了良好的生长与繁殖条件^{[27, 28]}, 且生物炭显著降低了土壤有效态Cd含量(图 2), 减轻了Cd对青菜根系的毒害作用.因此, 在生物炭与氮肥的共同作用下, Cd污染对青菜生长的毒性效应有了明显改善, 青菜生物量得以显著提高, 而青菜生物量的显著增加可能导致生长稀释效应, 进而有助于降低青菜Cd含量.

外源无机氮进入土壤后的形态转化过程会对土壤理化性质产生影响, 进而影响重金属在土壤中的化学行为.本研究结果表明, 施用尿素和硫酸铵显著降低了土壤pH值(图 2).尿素进入土壤后的水解过程产生铵态氮, 铵态氮经硝化作用转化为硝态氮, 此过程同时会释放H⁺, 进而降低土壤pH值^[29].硫酸铵是生理酸性肥料, 植物在吸收铵态氮时, 根系会分泌H⁺至土壤中, 从而降低土壤pH值^[30].本研究中施用硝酸钙对土壤pH值没有显著影响, 这可能与肥料施用量较少有关.孙磊等^[31]的研究也发现, 施用0.4 g·kg^-1(以风干土计)用量的硝酸钙后, 土壤pH没有显著变化.Eriksson^[32]报道指出, 不同形态氮肥对土壤的酸化效应大小顺序为：硫酸铵>硝酸铵>硝酸钙.本研究所使用的生物炭是一种强碱性材料(pH值9.75), 生物炭结构中的大量碱性基团进入土壤后可以显著提高土壤pH值^[33].此外, 生物炭也可以通过降低土壤交换性铝含量来提高土壤pH^[34].强碱性物料生物炭的施用显著改善了尿素和硫酸铵两种氮肥对土壤的酸化效应, 土壤pH值与单施氮肥时相比有显著提升(图 2).因此, 对于喜爱铵态氮肥的作物而言, 农业生产过程中有必要配合施用诸如生物炭之类的碱性物料以防止长期过量施肥而导致土壤酸化的产生.

施用氮肥和生物炭后土壤pH值的变化会进一步影响活性重金属离子在土壤中的沉淀/溶解、吸附/解吸和配位/解离等各种化学行为, 进而影响其生物有效性和作物吸收.已有的研究均报道, 土壤pH值越高, 土壤中Cd的移动性和有效性越低^[35].本研究结果也表明, 土壤pH值与土壤有效态Cd含量呈极显著负相关(图 2).本研究中施用尿素和硫酸铵处理土壤有效态Cd含量显著高于不施氮肥的CK处理, 可能与尿素和硫酸铵显著降低土壤pH值有关.通常酸性土壤趋于增加作物对Cd²⁺、Pb²⁺和Hg²⁺等重金属阳离子的吸收, 土壤pH值的下降使得土壤颗粒表面的正电荷数量增加, 因“同性相斥”原理, 限制了土壤胶体对Cd²⁺的吸附^[36]; 尿素和硫酸铵带入的NH₄⁺与Cd²⁺产生交换性吸附, 或是与Cd²⁺形成络合物, 从而减少土壤对Cd²⁺的吸附^[37], 最终提高土壤Cd的生物有效性.而尿素和硫酸铵配施生物炭后, 土壤pH值相比单施氮肥条件下有显著提高, 生物炭的介入减缓了尿素和硫酸铵对土壤的酸化效应及由此引发的Cd活化效应, 降低了土壤有效态Cd含量(图 2), 进而抑制青菜对土壤Cd的吸收, 两者间呈极显著正相关(图 4).本研究所有处理中, 单施生物炭处理土壤有效态Cd含量和青菜Cd含量均为最低, 部分原因与此处理土壤具有最高的pH值有关.通常土壤胶体表面负电荷数随土壤pH值的升高而增加, 土壤对活性Cd²⁺的电性吸附也随之增强^[38], Cd²⁺与土壤中有机、无机胶体结合得更牢固, 更难被解吸进入土壤溶液.因此, 高pH值显著抑制了青菜对活性Cd²⁺的吸收.相关分析结果也表明, 土壤pH值与青菜Cd含量呈极显著负相关(图 4).此外, 生物炭在制备过程中形成的芳环结构可以为Cd²⁺吸附提供孤对电子和π电子, 使Cd²⁺易于被生物炭吸附^[39], 进而降低其生物有效性.

本研究中, 施用硝酸钙后土壤pH值没有明显变化, 但土壤有效态Cd含量显著降低, 青菜Cd含量也有一定幅度的下降, 说明硝酸钙对土壤重金属的解毒作用不是通过影响土壤pH值来实现, 而可能与土壤中Cd存在形态的变化有关.前人研究发现, 施用硝酸钙显著降低了污染土壤中盐提取态和水溶态这两种易被作物吸收利用的Cd形态含量, 降低了土壤Cd的生物有效性; 而尿素和硫酸铵显著增加了这两种Cd形态含量, 增加了土壤Cd的生物有效性^[31], 这与本研究中硝酸钙处理青菜Cd含量低于尿素和硫酸铵处理的结果一致.生物炭对土壤Cd生物有效性的影响除了提高土壤pH增加Cd吸附这一原因外, 也和土壤Cd形态转变有关.前人研究表明, 生物炭可以促进土壤中高有效性的交换态Cd向活性较弱的铁锰氧化物结合态Cd、有机结合态Cd和残渣态Cd转化, 且转化效率与生物炭的添加量呈正相关^{[40, 41]}.一方面, 生物炭结构表面富含的羧基、羟基、酚类和氨基等官能团可与土壤中的Cd²⁺发生络合反应或螯合反应, 形成更稳定的表面络合物或配合物^{[42, 43]}, 降低土壤Cd有效性.另一方面, 施用生物炭可以增加土壤有机碳含量并将可溶性有机碳转化为稳定态有机组分, 进而促进水溶态Cd和交换态Cd向残渣态Cd转变^[44].本研究结果还表明, 尿素、硫酸铵和硝酸铵与生物炭配施对土壤Cd的钝化效果弱于单施生物炭(图 3), 一方面是因为尿素和硫酸铵对土壤的酸化效应; 另一方面, 施入土壤的硝酸钙解离产生的Ca²⁺与土壤中Cd²⁺的竞争关系降低了土壤对Cd²⁺的吸附^[45], 一定程度上增加了土壤Cd有效性, 正是这两个原因弱化了生物炭对土壤Cd有效性的钝化效果.值得注意的是, 不同氮肥配施生物炭除了通过影响土壤pH值和Cd存在形态而影响青菜Cd吸收, 还可能影响Cd在青菜不同部位间的转运, 进而导致不同氮肥处理青菜Cd含量的显著差异.潘维等^[46]的研究发现, 铵态氮和酰胺态氮可促进Cd由小白菜根系向茎的转运, 而硝态氮则能促进Cd由小白菜茎向叶的转运.本文中, 施用硝酸钙处理虽然显著降低了土壤有效态Cd含量(图 2), 但其青菜Cd含量与CK处理间的差异未达显著水平(图 3), 这可能与硝态氮促进Cd由青菜茎向叶的转运有关, 相关机制还有待于进一步深入研究.

综上所述, 氮肥施用影响了Cd在土壤中的化学行为及其生物有效性, 配施生物炭能够调节氮肥对土壤中Cd有效性的影响.在改良修复重金属污染土壤过程中, 为实现修复和生产双赢的目标, 一要依据土壤性质和作物类型选择合适的氮肥类型, 对于水稻等喜爱铵态氮肥的作物而言, 可考虑适量施用硝态氮肥; 二要掌握适量原则, 防止氮肥过量施用带来土壤酸化问题, 进而影响修复效果.针对轻中度重金属污染土壤的改良修复, 可探索氮肥与生物炭配合施用, 充分提高氮肥利用率, 使经济效益和环境效益最大化, 达到经济高效修复重金属污染土壤的目的.

施用氮肥和生物炭促进了青菜生长, 氮肥配施生物炭对青菜的增产效应比单施氮肥时更明显.单施尿素和硫酸铵显著降低了土壤pH值, 增加了土壤有效态Cd含量, 促进了青菜对土壤Cd的吸收.尿素和硫酸铵配施生物炭减缓了这2种氮肥对土壤的酸化效应及由此引发的Cd活化效应, 降低了土壤有效态Cd含量和青菜对土壤Cd的吸收.硝酸钙比尿素和硫酸铵更有利于维持土壤pH值和低Cd有效性, 配施生物炭进一步加强了硝酸钙对土壤Cd活性的钝化效果.因此, 实际种植叶菜类蔬菜时需加强氮肥管理, 建议在Cd污染土壤上优先选用硝态氮肥, 并配合施用适量生物炭或其它有机肥, 以达到修复和生产双赢目标.值得注意的是, 本研究只进行了一季盆栽试验, 今后应开展多年大田试验以进一步明确氮肥和生物炭影响污染土壤重金属活性和作物吸收重金属的长效性及机制.