彭红宇，刘红恩，王秋红，李 畅，秦世玉，张玉鹏，刘亥扬，许嘉阳，赵 鹏
(河南农业大学资源与环境学院/河南省土壤污染防控与修复重点实验室，河南郑州 450002)
生物炭是来源于作物秸秆、动物粪便等的生物质或肥料(通常称为原料)在热化学转换或热解(200～700 ℃)下获得的一种固体产物[1]，已被广泛证明具有固定重金属的能力[2]，在农田土壤重金属修复中备受关注。污染农田中施用生物炭一方面可以固定土壤重金属，另一方面还可以提高土壤有机碳及有机质含量、土壤持水力，以及矿质养分的有效性[3-6]，进而改善土壤质量，促进作物生长。农业生产中单施化肥会引起土壤肥力下降、营养失调、作物减产等[7]，而生物炭作为辅料添加与化肥混施后，因其本身特性可以吸附、负载和缓释肥料养分，减少土壤养分流失，固定土壤重金属，二者配施既可满足作物生长对养分的需求又缓解农田土壤污染。近年来很多研究也证实了生物炭与化肥配施增产效果显著以及具有较强的土壤重金属固定能力，并且已经成为国内外农业领域的研究热点[8]。张志龙等研究发现，500 ℃小麦秸秆生物炭与化肥配施后可以显著提高连作黄瓜的产量并且提高肥料利用率[9]；
徐绮雯等研究发现，550 ℃玉米秸秆生物炭与化肥配施后，不仅可显著提升土壤肥力，还可以提升土壤微生物活性[10]；
王期凯等研究发现，单一施用生物炭处理没有炭与化肥配施效果好，并且炭与化肥配施处理还对降低镉污染菜地土壤中Cd的有效性有显著影响[11]；
聂新星等研究发现，竹炭生物炭与化肥配施后，可以提高土壤有机碳和速效钾含量，提高冬小麦产量[7]。李格等研究发现，450 ℃烤烟秸秆生物炭和化肥配施，可以提高烤烟产量与品质[12]。
鉴于以上众多研究中选用的生物炭炭化温度多在400～600 ℃之间，然而，在低温300 ℃以下热解制备的生物炭研究较少。因此，本研究选用来源广泛的花生壳农业废弃物为原料，制备低温250 ℃生物炭，与高温450 ℃生物炭进行对比，采用小麦温室盆栽方式，探讨低温生物炭和化肥配施对碱性重金属污染农田中小麦苗期干质量及养分含量、土壤理化性质、土壤重金属有效性等的影响，旨在为低温生物炭培肥增产作用及土壤改良应用提供科学依据。
1.1 供试土壤
供试土壤采集自河南省济源市微碱性Pb、Cd复合污染农田，于2020年12月26日取回，置于干净整洁的室内，自然风干。风干过程中多次翻动清理土中杂物后，过20目筛。供试土壤基本理化性质：有机碳含量8.52 g/kg，碱解氮含量86.45 mg/kg，速效磷含量32.36 mg/kg，速效钾含量186.19 mg/kg，有效态Cd含量1.26 mg/kg，有效态Pb含量 80.71 mg/kg，pH值为7.86。
1.2 生物炭制备
供试生物炭于2020年11月22日至12月6日制备。选取花生壳为待制备的生物炭原材料，首先清洗表面杂物，用去离子水洗净，平铺于干净整洁的室内等待自然风干，经过简单破碎处理，过20目筛，标记为PS放入自封袋中待用，开始制备时将PS放入瓷坩埚中，置于管式马弗炉中，通氮10 min后，分别设置250、450 ℃，升温速率为5 ℃/min，氮气流速为80 mL/min，保温时间为2 h。待炉子完全冷却后取出材料过100目筛，装于棕色瓶中备用。其中，250 ℃生物炭的pH值为6.95，有机碳、全氮、全磷、全钾含量分别为572.26 g/kg、10.84 g/kg、24.22 mg/kg、9.47 mg/kg；
450 ℃生物炭的pH值为9.33，有机碳、全氮、全磷、全钾含量分别为 622.53 g/kg、11.06 g/kg、53.38 mg/kg、8.45 mg/kg。
1.3 试验设计
植物培养试验于2021年1月3日在河南农业大学土壤污染控制与修复重点实验室进行。小麦品种为百农207。试验设置：CK1(不加生物炭、不施肥)、CK2(不加生物炭、基础施肥)、T3(基础施肥、1%250 ℃花生壳生物炭)、T4(基础施肥、2% 250 ℃ 花生壳生物炭)、T5(基础施肥、1%450 ℃花生壳生物炭)、T6(基础施肥、2% 450 ℃花生壳生物炭)。每个处理设置3个重复，将原状污染土壤与生物炭均匀混合装盆500 g。肥源：尿素(纯N 0.2 g/kg)、磷酸二氢钾(P2O50.2 g/kg)、氯化钾(K2O 0.2 g/kg)，均购自国药集团化学试剂有限公司。保持土壤湿度为田间持水量的60%～70%，温室培养条件：25 ℃，光照周期16 h/8 h(白天/黑夜)。每盆播种16颗小麦种子，出苗后，进行定株，每盆保持8株小麦幼苗培养30 d。
1.4 样品测定
生物炭养分含量及pH值测定参照NY 525—2012《有机肥料》。
播种后30 d分别采集小麦地上部、地下部和土壤样品。小麦样品预处理及指标测定：收获后，依次使用自来水、去离子水清洗干净，平铺于干净吸水纸中吸干水分。在烘箱中经过105 ℃杀青 30 min，然后再65 ℃烘干处理，称取地上部、根部干质量及总干质量。地上部、地下部养分含量采用硫酸-过氧化氢消化后分别测定。镉和铅含量测定采用硫酸-高氯酸消化后用原子吸收上机检测。土壤样品预处理及指标测定：风干剔除杂物后，分别过0.84 mm和0.149 mm筛用于测定土壤常规5项，以及以 DTPA为提取剂测定土壤有效态铅(Pb)和镉(Cd)的含量(使用原子吸收分光光度计上机测样)。以上所有测定方法均参照鲍士旦的《土壤农化分析》教材第3版[13]。
1.5 数据分析
试验数据处理采用DPS 7.05进行统计分析，采用LSD法进行多重比较，Excel 2018完成数据整理，Origin 2018、Sigma-Plot 10作图。
2.1 添加生物炭对小麦生长状况的影响
如图1所示，与CK1相比，其余处理显著提高小麦地上部干质量，但显著降低小麦根部的干质量和根冠比。其中对地上部干质量促进效果为T6>T3>T5>T4>CK2，较CK1处理分别提高了64.75%、58.39%、46.99%、44.79%、35.09%，平均提高了50.00%；
与CK2相比添加生物炭的4个处理促进效果为T6>T3>T5>T4，较CK2处理分别提高了21.96%、17.25%、8.81%、7.18%，平均提高了13.80%，说明随着低温生物炭添加量的增加地上部干质量下降，而高温生物炭添加量的增加显著促进了地上部干质量的积累(图1-A)。对于根部干质量来说，与CK1相比降幅变化趋势为T5>T4>CK2>T3>T6，分别为53.69%、46.49%、44.61%、24.62%、21.15%，添加生物炭的4个处理较CK2也有不同程度的变化，其中T3、T6与CK2相比根部干物质质量分别增加36.09%、42.35%，T4、T5与CK2相比根部干物质质量分别降低3.39%、16.39%，其中添加了低温250 ℃生物炭的T3、T4处理随着添加量的增加根部干质量降低，而高温处理的T5、T6则相反(图1-B)。对于根冠比来说，不施肥CK1最大，为0.32，施肥(CK2)和在施肥的基础上添加生物炭的4个处理根冠比均降低，依次为0.13、0.15、0.12、0.10和0.15，其中T5最小(图1-C)。对于总干质量来说，与CK1处理相比其余处理均对小麦总干质量促进作用显著，促进效果为T6>T3>T4>T5>CK2，较CK1处理分别提高了44.05%、38.39%、22.79%、22.73%、15.88%，平均提高了28.77%；
与CK2相比添加生物炭的4个处理也有不同程度的促进，促进效果为T6>T3>T4>T5，较CK2处理分别提高了24.31%、19.42%、5.96%、5.90%，平均提高了13.90%，表明随着低温生物炭添加量的增加总干质量下降，而高温生物炭添加量的增加显著促进了冬小麦总干质量的积累(图1-D)。
2.2 添加生物炭对冬小麦氮、磷、钾养分吸收的影响
由表1可知，与CK1处理相比其余处理小麦幼苗对氮、磷、钾的吸收量均有不同程度的增加，其中均显著提高了小麦对氮素的吸收，促进效果为T3>T6>T4>T5>CK2，分别提高了186.60%、156.48%、155.44%、125.94%、85.50%，平均提高了141.99%；
与CK2相比添加生物炭的4个处理促进效果为T3>T6>T4>T5，较CK2处理分别提高了54.50%、38.26%、37.70%、21.80%，平均提高了38.07%，说明随着低温生物炭添加量的增加对氮素吸收降低，随着高温生物炭添加量的增加对氮素吸收增加。同样与CK1相比其余处理均不同程度地提高了小麦对磷素的吸收，T3、T6处理均显著高于CK1，其余处理均不显著，所有处理促进效果为T3>T6>CK2>T4>T5，分别提高了47.89%、25.12%、12.89%、12.35%、7.20%，平均提高了21.09%；
与CK2相比添加生物炭的4个处理促进效果为T3>T6>T4>T5，其中T3、T6分别提高了31.00%、10.83%，而T4、T5则降低。与CK1相比其余处理均不同程度提高了小麦对钾素的吸收，所有处理均显著高于CK1，其促进效果为 T4>T6>T3>T5>CK2，分别提高了83.83%、83.66%、67.29%、46.17%、25.03%，平均提高了61.20%；
与CK2相比添加生物炭的4个处理促进效果为 T4>T6>T3>T5，分别提高了47.03%、46.89%、33.80%、16.91%，平均提高了36.16%，说明随着添加量的增加对钾素吸收增加。
表1 不同处理小麦植株的养分吸收量
2.3 施用生物炭对小麦中铅、镉含量的影响
2.3.1 施用生物炭对小麦中镉含量的影响 由图2可知，与CK1处理相比其余处理小麦地上部、根部镉含量有所上升，推测是由于施肥后小麦长势较好，对土壤中各元素吸收量增大所致。与CK2相比添加生物炭的4个处理小麦镉含量有所下降，说明添加生物炭能够在一定程度上降低小麦地上部、地下部中有效态镉含量。一方面对于地上部而言，添加生物炭的4个处理较CK2小麦地上部镉含量降低，但处理间并不显著，其降低效果为T6>T4>T5>T3，较CK2处理分别降低了0.45、0.32、0.27、0.24 mg/kg，说明随着添加量的增加降低小麦地上部Cd含量(图2-A)；
另一方面对于根部而言，添加生物炭的4个处理较CK2小麦根部镉含量降低，其中CK2与T4、T5、T6处理之间达到显著水平，其降低效果为T4>T6>T5>T3，较CK2处理分别降低了3.67、2.06、0.73、0.68 mg/kg，说明小麦根部Cd含量随着添加量的增加而降低(图2-B)。
2.3.2 施用生物炭对小麦中铅含量的影响 由图3可知，相较于不施肥的空白组(CK1)，同样基础施肥和添加一定量生物炭处理后小麦长势较好，对土壤中各元素吸收量增大，也会影响小麦对铅的吸收，其中对于地上部除T4处理外其余处理均达显著，而对于根部而言发现T6处理较CK1显著降低。与CK2相比添加生物炭的4个处理小麦铅含量有所下降，说明添加生物炭能够在一定程度上降低小麦地上部、根部中有效态铅含量。一方面对于地上部而言，添加生物炭的4个处理较CK2小麦地上部铅含量降低，其中CK2与T4、T5、T6处理之间达到显著水平，其降低效果为T4>T6>T5>T3，较CK2处理分别降低了6.21、3.82、3.47、1.55 mg/kg，说明小麦地上部Cd含量随着添加量的增加而降低(图3-A)；
另一方面对于根部而言，与CK2相比添加生物炭的4个处理小麦地上部铅含量降低且均达到显著水平，其降低效果为T6>T4>T3>T5，较CK2处理分别降低了15.26、3.14、2.51、2.47 mg/kg，说明小麦地上部Pb含量随着添加量的增加而降低(图3-B)。
2.4 施用生物炭对土壤理化性质的影响
由表2可知，与CK1处理相比其余处理对土壤pH值有不同程度的降低，pH值下降变化趋势为 T4>T3>CK2>T5>T6，土壤pH值分别下降0.49、0.37、0.32、0.30、0.20。与CK2相比，低温生物炭的2个处理(T3、T4)土壤pH值都有所下降但处理之间差异不显著，分别下降0.05、0.17，随着添加量增加pH值降低有增强趋势；
高温450 ℃生物炭(T5、T6)的2个处理土壤pH值有所上升，同样处理之间差异不显著，分别上升0.02、0.12，有随着添加量增加pH值上升的趋势。
由表2可知，与CK1处理相比其余处理均使土壤有机质含量显著增加，促进效果为T4>T6>T3>T5>CK2，分别提高了206.49%、199.58%、124.66%、109.79%、48.05%，平均提高了137.71%；
与CK2相比添加生物炭的4个处理促进效果为T4>T6>T3>T5，分别提高了107.02%、102.35%、51.75%、41.70%，平均提高了75.71%，说明随着添加量的增加土壤有机质含量增加。这说明生物炭能够通过土壤有机质含量水平的提升，提高土壤肥力，进而促进植物的生长发育。
由表2可知，与CK1处理相比其余处理均能显著增高土壤中的碱解氮含量，各处理增高变化趋势为T5>T3>T4>T6>CK2，增幅分别为108.45%、105.53%、93.29%、63.55%、48.68%；
与CK2相比，添加生物炭的4个处理增高变化趋势为T5>T3>T4>T6，增幅分别为40.20%、38.24%、30.01%、10.01%。其中低温T3、T4处理中土壤的碱解氮含量随着生物炭用量的增加而下降，分别为123.38、116.03 mg/kg；
高温T5、T6处理中土壤碱解氮含量也随着生物炭用量的增加而下降，分别为125.13、98.18 mg/kg。
由表2可知，与CK1处理相比，其余处理均能显著增高土壤中的速效磷含量，各处理增高变化趋势为T6>T3>T5>T4>CK2，增幅分别为110.64%、99.86%、93.72%、72.03%、66.11%；
与CK2相比，添加生物炭的4个处理增高变化趋势为T6>T3>T5>T4，增幅分别为26.80%、20.32%、16.62%、3.56%，其中T3、T4处理随着生物炭用量的增加而下降，分别为141.84、122.09 mg/kg，T5、T6中土壤速效磷含量随着生物炭用量的增加而增加，分别为137.48、149.49 mg/kg。可以明显看出，添加相同用量生物炭的前提下，其中T3、T6处理之间没有显著差异，T4、T5处理之间没有显著差异，说明1%的250 ℃生物炭添加量可以达到2% 450 ℃生物炭添加效果，而2%的250 ℃生物炭添加量可以达到1% 450 ℃生物炭添加效果。
由表2可知，与CK1处理相比，除CK2外其余处理均能显著增高土壤中的速效钾含量，各处理增高变化趋势为T6>T3>T5>T4>CK2，增幅分别为124.51%、93.79%、81.37%、72.55%、23.53%；
与CK2相比，添加生物炭的4个处理增高变化趋势为T6>T3>T5>T4，增幅分别为81.75%、56.88%、46.82%、39.68%，其中T3、T4处理中土壤的速效钾含量随着生物炭用量的增加而下降，分别为527.11、469.33 mg/kg，T5、T6处理中土壤速效钾含量随着生物炭用量的增加而增加，分别为493.33、610.67 mg/kg。T6处理与T3、T4、T5处理之间差异显著，而T3、T4、T5之间差异不显著。
表2 施用生物炭对土壤理化性质的影响
2.5 施用生物炭对土壤中有效态铅、镉含量的影响
2.5.1 施用生物炭对土壤中有效态镉含量的影响 由图4可以看出，施用生物炭的4个处理与CK1和CK2相比均显著降低土壤中有效态镉含量，其中相较于CK1其余处理降低效果为T6>T3>T4>T5>CK2，分别比CK1降低了0.24、0.21、0.16、0.11、0.03 mg/kg，降幅分别为21.19%、17.65%、15.93%、10.25%、2.19%，其中T3与T6处理之间差异不显著，T4与T5处理之间差异不显著；
相较于CK2，添加生物炭的4个处理土壤有效镉含量均显著降低，降低效果为T6>T3>T4>T5，分别降低了0.22、0.19、0.14、0.08 mg/kg，降幅分别为17.49%、15.41%、11.23%、6.86%。综上可以看出，添加低温生物炭的 T3、T4处理的土壤有效态镉含量随着添加量的增加有增加趋势，而添加高温生物炭的T5、T6处理的土壤有效态镉含量则随着添加量的增加显著降低。
2.5.2 施用生物炭对土壤中有效态铅含量的影响 由图5可以看出，相较于CK1，其余处理降低效果为T4>T6>T3>T5>CK2，分别较CK1降低了11.47、8.86、8.70、3.48、1.11 mg/kg，降幅分别为14.02%、10.83%、10.63%、4.26%、1.36%，其中T3、T4和T6处理之间差异不显著；
相较于CK2，添加生物炭的4个处理土壤有效铅含量均降低，降低效果为T4>T6>T3>T5，分别降低了10.36、7.75、7.59、2.37mg/kg，降幅分别为12.84%、9.61%、9.40%、2.94%。综上可以看出，添加低温生物炭的T3、T4处理土壤有效态铅含量随着添加量的增加有降低趋势，而添加高温生物炭的T5、T6处理土壤有效态铅含量随着添加量的增加显著降低。
3.1 施用生物炭对小麦植株生长发育的影响
本试验发现，在施肥的基础上施加低温、高温生物炭都可促进小麦苗期生长，其中对于地上部干质量、地下部干质量、总干质量的积累均有提高，这与方明等的研究结果[14]一致：施用生物炭可以改善土壤性状，提高土壤肥力，促进白菜生长；
刘玉学等研究也发现，施用生物炭的处理可以改善土壤理化性质，促进小青菜生长[15]。本研究发现，生物炭对小麦生长发育干质量的积累与添加量有密切关系。方明等研究发现，在红壤土上白菜地上、地下生物量的积累随着生物炭施用量的增加而增加[14]；
张继旭等研究发现，在烤烟生长中，其根系生物量与根冠比随生物炭添加量的增加而增加[16]；
宋婷婷等研究发现，不同生物炭和添加量对小麦和黄瓜根茎生长影响显著[17]；
刘阿梅等以萝卜和青菜为研究对象，添加不同比例生物炭发现，均对其鲜质量有着不同程度的促进作用，且随着添加生物炭的比例增大，其鲜质量增加得更明显[18]；
高海英在试验中添加炭基肥料使小麦的干物质质量显著增大[19]，可见本研究中对于高温生物炭的添加与前人结果保持一致，而对于在基础施肥上添加低温生物炭而言，本试验发现，随着生物炭添加量的增加小麦地上部、根部生物量积累有所下降，表明短时间内施用可能会抑制小麦生长。此外对于小麦根冠比来说，施肥后可减少生物量向根系的分配，但是，施用生物炭对作物地上、地下部的调节作用，仍有待进一步研究。
本研究表明，添加生物炭后冬小麦对氮、磷、钾的吸收均有提升，其中T3处理中小麦对氮、磷的吸收最高，T4、T6处理下小麦对钾素吸收最高。康日峰等的研究表明，施用生物炭基肥料均促进了小麦对氮、磷养分的吸收，其中氮平均提高了19.07%，磷平均提高了15.00%[20]。生物炭对植株生长发育的促进作用，推测原因是生物炭因其本身特性，在吸附和保持土壤养分、激活土壤微生物等方面起到良好的作用[21-22]。
3.2 施用生物炭对土壤肥力与重金属有效性的影响
本试验发现，氮磷钾复合肥的施用使土壤pH值下降，这与赵晶等的研究结论[23]一致，但生物炭添加后造成土壤pH值变化可能是短期复合肥单独施用的原因，也可能与生物炭联合施用的原因，其中施用低温生物炭的处理虽然土壤pH值降低不显著，但比高温生物炭的添加效果略好。施用生物炭后，可以提高土壤肥力，促进小麦生长发育，这与唐志文等发现生物炭与土壤肥料关系紧密，其中包括促进生长、改善土壤等研究结果[24]相似；
同样和郭帅等发现生物炭和复合肥配施后促进白菜和玉米生长、改善土壤理化性质研究结果[25-26]相似；
还和王智慧等发现田间试验中生物炭与化肥配施后可以在不同程度上提高土壤有机质、全氮、速效磷、速效钾含量研究结果[27]相似。另外发现，高温和低温生物炭处理土壤碱解氮含量均随着生物炭添加量增加有降低趋势，这可能是因为生物炭的碳氮比较高的原因直接影响碱解氮的生物固定降低了土壤中的有效氮含量，从而对农作物对土壤中氮的吸收造成影响[28-29]。
研究发现，生物炭能够降低污染土中铅、镉的迁移率[30]，进而减少植物铅、镉的吸收。黄敏等研究发现，生物炭用量大于5%时，土壤中有效态铅、镉含量分别降低了54.41%和77.47%，达到了最大降幅[31]。本试验中在施肥后添加生物炭同样也显著降低了土壤中有效态铅、镉的含量，并且发现低温生物炭的施用几乎与高温生物炭发挥同样的效果。对于添加量来说施用低温生物炭土壤中有效镉变化随着添加量的增加略有上升但不显著，其余处理均随着生物炭用量的增加对土壤中有效铅、镉固定效果增强。一般来说土壤pH值升高会增强土壤有机/无机胶体及土壤黏粒对重金属离子的吸附能力，使土壤中重金属离子有效性降低，减少可交换态重金属离子浓度。对于本试验来说，添加高温生物炭的处理较施肥、添加低温生物炭的处理短期土壤pH值有略微提升，可能因为土壤pH值与Cd、Pb生物有效性以及生物炭的吸附作用有紧密联系[31]。对于低温生物炭来说本试验应用在碱性土壤中，短期内不仅土壤pH值有所减低表现出修正土壤碱化问题，并且对土壤中铅、镉有效性固定效果和高温生物炭效果几乎相当。原因可能本试验制备的低温生物炭呈酸性，添加到土壤中使土壤pH值短期有降低趋势，也可能因为氮磷钾复合肥中也含有一定的磷和磷酸盐，磷酸盐可通过诱导吸附和沉淀作用影响镉的有效性，大量研究已经证明磷肥能够显著降低植株中Cd的含量，还有研究认为施用肥料后，土壤表面净负电荷增加导致其对Cd离子的吸附增强，使重金属离子不断以静电吸附方式吸附在土壤颗粒周围，从而降低土壤有效态Cd含量[32-34]，本研究也进一步看出施肥后土壤中有效态Cd、Pb含量有降低的趋势。
总之，在碱性土壤中化肥和低温生物炭共施不仅能有效地固定污染土壤中的重金属，也可以降低碱性土壤pH值，但低温生物炭与化肥之间的进一步协作机制需要进一步研究。由于本研究试验期较短，低温生物炭与化肥最佳配比以及对小麦产量的形成也需投入田间试验进行后期验证，同时低温生物炭与化肥配施对土壤肥力和小麦生长的作用机制尚需进行深入、系统的研究。本研究也为下一步生物炭低温炭基肥开发和低温生物炭与化肥配施减肥增产修复农田重金属进一步研究提供支撑。
综上所述，在小麦苗期，施肥和施肥的基础上添加低温、高温生物炭后均可以显著提高小麦苗期地上部的干质量、总干质量，但显著降低了小麦根部的干质量和根冠比。施肥的基础上添加低温、高温生物炭后可以提高小麦对氮元素的吸收，一定程度降低小麦幼苗对镉和铅的吸收，其中T4、T5、T6处理对抑制根部吸收效果显著；
另外，还增加土壤有机质、速效磷、速效钾、碱解氮含量，降低土壤有效态镉和铅含量。