随着工业化、城镇化的持续推进，农田重金属累积和超标等环境问题日益突出，重金属污染问题已受到社会各界的广泛关注，特别是2013年湖南等地的“镉大米”事件发生以来，对重金属问题的重视更是提到了前所未有的高度。环保部2014年公布的《全国土壤污染状况调查公报》结果显示，与“七五”时期相比，土壤中重金属的含量在全国范围内普遍增加，其中镉（Cd）污染点位超标率达7.0%^[1-2]，给粮食安全和人体健康带来巨大风险。我国农田土壤重金属污染在某些典型区域的表现程度已经不适宜耕作，但从全国范围来看，中度污染和轻度污染面积所占的比例较大。对于不能被弃耕或者改变农作物种植属性的耕地，如何做到“边利用、边修复”，通过调控土壤重金属的赋存形态进而阻控其由土壤向植物体迁移，已经成为土壤学、环境学研究的热点。

生物炭是生物质在厌氧或缺氧条件下，经高温热解产生的一种固态物质^[3]，由于具有孔隙结构发达、比表面积大、阳离子交换量高等特性^[4-5]，其作为一种新的土壤原位钝化修复剂引起了诸多研究者的关注^[6-8]。生物炭的施用效果与炭的来源和土壤性质有关。蒋田雨等^[9]将生物炭添加到红壤中发现，生物炭的添加可以中和土壤酸度，提高土壤pH，并增强土壤吸附和固定Pb的能力。李建宏等^[10]的研究表明，椰纤维生物炭添加到砖红壤中有长期吸附固定重金属Pb的作用，同时可降低重金属的移动性和生物有效性。

棕壤是东北地区典型的地带性土壤，由于受老工业基地“三废”排放影响，重金属Cd污染较为严重，而有关生物炭修复棕壤重金属污染的研究报道并不多。本研究选用水稻稻壳为原材料制备生物炭，以受重金属Cd污染的棕壤为研究对象，研究不同生物炭施用量条件下棕壤中重金属Cd赋存形态的变化，并分析Cd赋存形态与pH之间的关系，在此基础上探讨生物炭对Cd在油菜体内转运的影响，为生物炭修复重金属Cd污染土壤提供科学依据。

1 材料与方法 1.1 试验材料

供试土壤采自沈阳农业大学后山科研基地旱地0~20 cm表层棕壤，基本理化性质如表 1所示。

生物炭由水稻稻壳在缺氧条件下，经500 ℃高温裂解制备而成。供试生物炭过孔径为0.15 mm的尼龙筛后保存备用。生物炭基本理化性质如表 2所示。

供试作物为油菜，品种为青县钰禾蔬菜育种中心研发的绿秀杂交油菜F₁。

1.2 试验设计 1.2.1 土壤培养试验

向试验土壤中加入一定量的Cd（NO₃）₂·4H₂O，使Cd²⁺浓度达到5 mg·kg^-1，形成以Cd为单一污染源的污染土壤。调节污染后的土壤含水量，使其保持在田间持水量的60%，室温下稳定两周后将生物炭以0（CK）、1%（BC-1）、3%（BC-3）、5%（BC-5）的施加量（质量比）与Cd污染土样混合，每个处理3次重复。在室温条件下进行培养，调节土壤含水量使其保持在田间持水量的60%，每隔1 d用去离子水给土壤补充水分，培养30 d后进行土壤样品的采集。

1.2.2 盆栽试验

将上述培养30 d后的土壤以每盆2.276 kg的用量装入聚乙烯材料盆中（按照土壤容重1.3 g·cm^-3计），并基施一定量的底肥（尿素1.064 1 g·kg^-1，二铵0.96 g·kg^-1，硫酸钾0.817 4 g·kg^-1），每个处理3次重复，调节土壤含水量使其保持在田间持水量的60%，每隔1 d用去离子水给土壤补充水分。土壤稳定一周后进行播种，每盆播种10粒，出苗后每盆保留5株生长一致的幼苗。利用称重法控制油菜生长过程中土壤的含水量，并保持其他生长条件一致。每隔10 d采集油菜地上部及地下部样品，共采集5次。

1.3 测定项目及方法 1.3.1 土壤培养试验

培养30 d后的土样自然风干，分别过孔径为0.83 mm和0.15 mm的尼龙筛，保存备用。土壤全镉采用HCl-HNO₃-HClO₄体系消化；镉赋存形态采用Tessier五步连续提取法^[11]浸提，利用CCD Simultaneous ICP-OES测定Cd全量及各形态的Cd含量，其中残渣态含量通过差减法求得。土壤pH值采用EUTECH pH510测定，水:土比为2.5:1。

1.3.2 盆栽试验

在油菜生长的第10、20、30、40、50 d采集油菜样品，用自来水和去离子水洗净，将地上部和地下部分别装入纸质信封并编号，置于105 ℃烘箱内杀青30 min，再调节温度至65 ℃，烘至恒重。将烘干后的植物样品粉碎保存备用。植株地上部和地下部全Cd含量采用HNO₃-HClO₄体系消化、利用CCD Simultaneous ICP-OES测定。

1.4 数据处理及分析

采用Excel 2013软件和Origin 8.5软件进行数据处理与图表的绘制，利用SPSS 19.0进行显著性分析（Duncan）及Pearson相关性分析。

根富集系数=植物根内的重金属含量/土壤中重金属含量

地上部转运系数=地上部重金属含量/地下部重金属含量^[12]。

2 结果与分析 2.1 生物炭施用对棕壤重金属Cd赋存形态的影响

生物炭施用量对土壤重金属Cd赋存形态的影响如图 1所示。与对照相比，向土壤中添加不同用量的生物炭时，土壤中交换态Cd和铁锰氧化物结合态Cd含量随施用量的增加而逐渐降低，碳酸盐结合态Cd含量则显著增加（P < 0.05），但是不同生物炭施用量对碳酸盐结合态Cd含量的影响差异并不显著，有机结合态Cd和残渣态Cd含量随生物炭施用量的增加而增加。与未施用生物炭的处理相比，添加1%、3%、5%生物炭处理的交换态Cd含量分别降低了12.00%、27.81%和35.35%，碳酸盐结合态Cd含量分别增加了1.86%、1.74%和1.41%，铁锰氧化物结合态Cd含量分别降低了1.76%、4.91%和5.25%，有机结合态Cd含量分别增加了28.38%、44.86%和80.32%，残渣态Cd含量分别增加了1.24倍、3.08倍和3.80倍。由此可知，生物炭的添加能够促进土壤Cd由活性较强的交换态向稳定的有机结合态和残渣态转化，而且这种促进作用随生物炭施用量的增加而增加。

2.2 生物炭施用对棕壤pH的影响

生物炭施用对棕壤pH的影响如图 2所示。添加1%、3%、5%生物炭处理的土壤pH分别为5.92、6.09和6.16，与未添加生物炭的处理相比，pH值分别增加了0.01、0.18、0.25个单位，且1%的生物炭添加量未使土壤pH的变化达到显著水平（P>0.05），而3%、5%的生物炭施用量可以使土壤pH显著提高。

2.3 棕壤重金属Cd赋存形态与pH的相关性

土壤中重金属Cd的某种赋存形态与土壤pH之间存在一定的相关关系。由图 3可知，土壤中可交换态Cd含量与土壤pH呈极显著负相关关系（P < 0.01），有机结合态、铁锰氧化物结合态和残渣态Cd与土壤pH存在显著正相关关系（P < 0.05），而碳酸盐结合态Cd含量与土壤pH无显著相关关系。

2.4 生物炭施用对油菜地上部、地下部Cd含量的影响

如图 4所示，油菜地上部和地下部的Cd含量随生物炭施用量的不同而产生显著性差异，整体表现为Cd含量随生物炭施用量的增加而减少，且生长后期Cd的减量更显著。在油菜生长的前期，植物的根系处于发育不完整时期，从土壤中吸收的各类物质都比较少，因而油菜地上部及地下部的Cd含量也较少，生长第10 d时，1%、3%、5%处理的油菜地上部Cd含量分别为0.95、0.85、0.85 mg·kg^-1，与对照相比，分别降低了8.69%、18.60%、18.60%，地下部与对照相比分别降低了0.43%、4.62%、3.13%。随着时间的推移，油菜植株逐渐发育，从土壤中吸收的Cd量逐渐增加，但施用生物炭处理植株Cd含量始终低于对照。生长第20 d时，1%、3%、5%处理的油菜地上部及地下部Cd含量与对照相比明显下降，地上部分别降低了14.23%、43.29%、60.59%，地下部分别降低了11.55%、35.35%、50.52%。直到成熟期，油菜植株发育完整，1%、3%、5%处理的油菜地上部和地下部Cd含量仍低于对照，第50 d时，地上部Cd含量下降百分比分别为18.86%、64.22%、68.40%，地下部下降百分比分别为11.03%、57.93%、60.62%。

通过对油菜根富集系数和地上部转运系数（表 3、表 4）的分析可知，同一时期油菜的根富集系数和地上部转运系数随生物炭施用量的增加均呈现减小的趋势，其中根富集系数减幅在0.01~1.26范围内，地上部转运系数减幅在0.22~0.32范围内。

3 讨论

本文通过土壤培养试验发现，生物炭的添加使土壤重金属Cd由交换态向铁锰氧化物结合态、有机结合态和残渣态转化，从而降低重金属Cd的生物有效性，且不同生物炭施用量对土壤重金属Cd赋存形态的影响差异显著（图 1）。曹莹等^[13]的研究结果与本试验相似，即生物炭的施用可以促使水溶态镉向其他各形态镉转化，从而降低镉的有效性。Houben等^[14]的研究表明，生物炭在砂质壤土中的施用可以通过直接吸附作用，或对土壤组分和性质的间接改变，来影响重金属在土壤中的赋存形态，进而影响重金属在土壤中的迁移及生物有效性。本研究发现，添加生物炭的三个处理之间碳酸盐结合态Cd、铁锰氧化物结合态Cd含量变化不显著（P < 0.05），可能是由于生物炭与土壤的培养时间较短，土壤中碳酸盐与铁锰氧化物在短期内相对较为稳定^[15]。进入土壤中的重金属通过溶解、沉淀、凝聚、络合吸附等反应，在土壤中形成不同的赋存形态，其中pH值是决定土壤重金属赋存形态的关键因素^[16]。Méndez等^[17]研究结果表明，生物炭的添加使黏土土壤pH增加的同时改变了重金属的赋存形态，且能够有效削减土壤重金属在植株中的累积能力及迁移能力。本文通过分析土壤重金属Cd赋存形态与土壤pH的相关性发现，交换态Cd和铁锰氧化物结合态Cd含量与土壤pH存在显著负相关关系，有机结合态Cd和残渣态Cd含量与土壤pH存在显著正相关关系（图 3）。本研究发现，较高用量的生物炭提高了土壤pH（图 2），可能是由于生物炭表面存在能与H⁺结合的有机酸根-COO^-和-O^-基团，另外，生物炭中含有一定的灰分，施加到土壤中后会中和土壤的酸度，从而使土壤pH提高^[18-20]。本研究使用的稻壳生物炭的灰分含量较高，对土壤pH的提高有一定的作用。土壤pH的提高会增加土壤胶体上的负电荷，促进土壤对Cd的吸附，同时也会促进CdCO₃和Cd（OH）₂沉淀的生成，使污染土壤中的Cd由活性较高的可交换态向活性较低的形态转化^[21-22]，以达到固定土壤中重金属Cd的目的。

根系是植物吸收养分及各种元素的重要器官，也是有毒物质进入植株的最后一道屏障，重金属Cd主要在蔬菜的根部富集^[23]，因此植物对重金属的积累能力取决于根系对重金属的吸收能力^[24]。土壤中不同形态的重金属对植物具有不同的生物有效性和毒性：可交换态和碳酸盐结合态是植物可以直接吸收的形态；铁锰氧化物结合态重金属由于专性吸附或共沉淀存在于土壤中，成为植物的潜在可利用形态，一般情况下不易被植物吸收利用；有机结合态和残渣态属于植物的难利用态；残渣态与土壤结合最牢固，生物活性最低^[25]。本试验通过分析油菜各生长时期、各部位Cd的积累量发现，各个时期植株地上部和地下部的Cd累积量随生物炭施用量的增加而降低，与毛懿德等^[26]、Park等^[27]、王艳红等^[28]研究结果一致。这说明添加生物炭在一定程度上能够通过改变土壤中Cd的赋存形态，尤其是土壤中可交换态Cd、残渣态Cd的比例及作物根系中Cd的含量，从而阻控Cd在土壤-植物体系内的迁移。

根富集系数和地上部转运系数分别代表根从土壤中吸收重金属的能力和重金属由植物根部向地上部转运的能力^[29]，是评价植物吸收重金属状况的重要指标之一，系数越大代表该种元素越容易迁移^[30]。通过对本试验的根富集系数和地上部转运系数的分析可知，随生物炭施用量的增加油菜根部从土壤中吸收Cd的能力逐渐减弱，且Cd从根部向地上部转运的迁移量也相应降低（表 3、表 4），说明生物炭的添加可以通过改变土壤重金属Cd的形态，有效控制土壤重金属Cd在油菜根系中的积累及向地上部转运的能力。本研究结果表明，施用3%、5%生物炭处理的油菜鲜样中镉的含量分别为0.17、0.14 mg·kg^-1，与我国食品安全标准中新鲜叶菜蔬菜镉限量^[31]（≤0.2 mg·kg^-1）相比，均未超标。

从长远来看，生物炭本身所含的大量元素及微量元素在土壤微生物及水分子的交互作用下会有一定程度的释放，为土壤及作物补充一定的养分，改善土壤理化性质，提高土壤肥力，促进作物生长，从而提高作物产量，对农业发展有一定的积极意义。但是目前多数研究者的研究周期较短，而且针对不同土壤类型和作物种类如何施用不同类型和用量的生物炭尚未统一。因此，还需在室内培养试验的基础上开展大量的生物炭长期田间试验研究。

4 结论

（1）生物炭的施用改变了土壤中Cd的形态分布，使活性较强的交换态Cd含量降低，而不易被植物吸收利用的有机结合态Cd和残渣态Cd含量增加。

（2）较高用量的生物炭施用提高了土壤pH，且可交换态Cd含量与土壤pH存在显著负相关关系（P < 0.05），有机结合态Cd、铁锰氧化物结合态Cd及残渣态Cd含量与土壤pH存在显著正相关关系（P < 0.05）。

（3）生物炭施用降低了油菜根富集系数和地上部转运系数，有效阻控重金属Cd进入植株中，5%的生物炭施用量作用效果显著。