工业“三废”的排放、农业生产等活动造成的土壤重金属污染问题日益严重^[1]。2014年公布的《全国土壤污染状况调查公报》表明，我国土壤环境状况不容乐观，部分地区土壤污染较重，耕地土壤环境质量堪忧，无机污染物超标点位数占全部超标点位的82.8%，其中镉 (Cd) 的点位超标率高达7%^[2]，对镉污染土壤的修复治理十分迫切。

生物质炭是生物质在有限供氧的密闭环境中于相对较低的温度条件下 (＜700 ℃) 热解生成的一类富含碳素的固态物质^[3]。因其具有来源广泛、比表面积大、孔隙丰富、pH及阳离子交换量高、吸附性和稳定性强等独特的理化性质，在重金属污染农田原位修复中具有较大的应用潜力和前景，成为近年来重金属污染土壤领域的研究热点之一^[3-6]。但是，受生物质炭的性质和施用量、土壤性质及肥力、重金属种类等多方面因素的影响，关于生物质炭修复重金属污染土壤效果的研究结果并不一致，国内外对生物质炭的广泛应用尚存在争议，必须根据土壤条件和重金属类型选择合适的生物质炭，才能获得较好的修复效果^[7]。红壤和黄壤是我国重要的土壤资源，本研究采用盆栽试验，研究了花生壳炭、竹炭和小麦秸秆炭对两种土壤有效镉含量、玉米幼苗生长及玉米对镉吸收和转运的影响，为合理选用生物质炭，修复治理这两种土壤的镉污染提供依据。

供试土壤为红壤和黄壤，采自云南昭通0~20 cm表层旱地土壤，将土壤自然风干，粉碎过2 mm筛，待用。花生壳炭、竹炭和小麦秸秆炭购自某公司，炭化温度为450~500 ℃，土壤及生物质炭基本理化性质见表 1。

表 1 供试土壤及生物质炭的基本理化性质 Table 1 Physiochemical properties of tested soils and biochar

表选项

供试植物为玉米 (Zea Mays L.)，品种东单3号。

盆栽试验在西南大学温室进行。施加尿素0.33 g·kg^-1、磷酸二氢钾0.52 g·kg^-1作为基肥。设对照 (CK，不加生物炭)、花生壳炭、竹炭和小麦秸秆炭4个处理，每处理3个重复。生物质炭的添加量根据前期静态培养实验中土壤性质变化与吸附解吸结果确定为5%(W/W)。称取土壤1.0 kg，以CdCl₂·2.5H₂O溶液形式添加镉，添加浓度为3 mg·kg^-1，混匀，将基肥和生物质炭一次性加入土壤，调节含水量至田间持水量的60%~70%，再次混匀，装入高19 cm、口径21 cm的塑料盆内陈化1周。每盆播种玉米4粒，三叶期留下长势一致的苗2株，定期补充去离子水以保持水分含量。生长1个月后测量玉米株高，取样，分成根和地上部，用去离子水洗净，于105 ℃杀青、60 ℃烘干，称量根部和地上部干重，粉碎备用。试验结束时取出土壤样品，风干、磨细，分别过2 mm和0.25 mm筛备用。

土壤及生物质炭基本理化性质测定参照《土壤农化分析与环境监测》^[8]进行。具体方法为：土壤pH采用固液比1:2.5浸提-酸度计测定，有机碳采用重铬酸钾容量法测定，CEC采用乙酸铵浸提-凯氏蒸氮法测定；Cd全量采用HCl-HNO₃-HClO₄消解，土壤Cd有效量采用DTPA浸提，植株Cd含量采用HNO₃-HClO₄消解，原子吸收分光光度计 (TAS-990) 测定。测定过程中采用标样GBW07428(GSS-14) 和GBW10046(GSB-24) 进行质量控制。生物质炭Cd全量采用HNO₃-HF-HClO₄消化法测定，比表面积采用JW-004型氮吸附比表面仪测定，表面官能团采用TENSOR27型傅里叶变换红外光谱仪测定。

应用Excel 2007、SPSS 21.0和Origin8.5进行相关数据的计算、方差分析、相关性分析和图形制作，所有数据的统计分析均在α=0.05水平上进行。

pH是土壤溶解-沉淀、吸附-解吸等反应的重要影响因素。通过添加碱性物质提高酸性土壤pH是重金属污染土壤原位钝化修复最常用的方法之一。生物质炭呈碱性，具有中和土壤酸度的能力，可有效降低土壤酸度，提高土壤pH^[9]。从表 2看出，与CK相比，添加花生壳炭、竹炭和小麦秸秆炭使红壤pH分别提高0.59、0.12和0.49，黄壤pH分别提高1.00、0.21和0.81，均达到显著性水平 (P < 0.05)。杨惟薇等^[9]研究发现，在镉污染潮土中分别添加1%蚕沙炭、水稻秸秆炭、木薯杆炭和甘蔗叶炭，45 d后土壤pH值分别升高了0.98、0.76、0.63和0.52；Cui等^[10]研究表明，施加不同用量小麦秸秆生物质炭使铅镉污染土壤pH值提高了1.8%~22.6%。本研究的结果与上述结果基本一致。在所有处理中，土壤pH的提高幅度以花生壳炭处理最大，可能与豆科物料制备的生物质炭的含碱量高于非豆科物料制备的生物质炭有关^[11]。Yuan等^[12]的研究也发现，以豆科物料制备的生物质炭对红壤酸度的改良效果较非豆科物料制备的生物质炭更好。竹炭的pH最高，而其对土壤pH的提高幅度最低，可能与其比表面积最大 (表 1)、吸附性能强、缓冲容量大、释放的能中和土壤酸性的碱性物质少有关。表 2还表明，生物质炭对黄壤pH的提升作用强于红壤。这可能与黄壤的阳离子交换量低、缓冲性较弱有关。

表 2 生物质炭对土壤pH和有机质的影响 Table 2 Effect of biochar on basic properties of tested soils

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有机质是衡量土壤肥力的主要指标之一，也是影响土壤重金属行为的重要性质之一。添加生物质炭后，红壤和黄壤中有机质含量均显著提高 (P < 0.05)，其原因与生物质炭本身富含碳，且结构稳定不易矿化，能显著提高土壤碳库有关^[13]，也可能是生物质炭抑制土壤固有有机碳的矿化作用从而提高了土壤有机碳的含量^[14]。两种土壤有机质的提高幅度均以小麦秸秆炭处理效果最明显，增幅分别达83.34%和142.82%。这与小麦秸秆炭本身有机碳含量高有关。

土壤有效态重金属指能够被植物吸收利用的部分^[15]。由图 1可知，添加生物质炭显著降低了两种土壤的有效Cd含量 (P < 0.05)，表明生物质炭对两种土壤Cd具有钝化作用。花生壳炭、竹炭和小麦秸秆炭处理使红壤中有效Cd含量分别降低20.1%、12.8%和17.1%，以花生壳炭处理降低幅度最大，但花生壳炭、小麦秸秆炭之间的差异不显著；使黄壤中有效Cd含量分别显著降低23.5%、17.7%和29.9%，降幅大于红壤。这表明生物质炭对黄壤中Cd的钝化效果优于红壤，小麦秸秆炭和花生壳炭对Cd的钝化效果优于竹炭。目前，生物质炭可降低土壤Cd的有效性已为大量研究所证实^{[11, 16]}。土壤pH和有机质是影响土壤重金属有效态含量的重要因素，相关分析结果表明，红壤和黄壤有效Cd含量与其pH的相关系数分别为-0.86^**和-0.71^**，与有机质的相关系数分别为-0.72^**和-0.77^**，均达极显著水平 (r_(10，0.01)=0.71)，表明提高土壤pH和有机质是生物质炭钝化土壤Cd的重要途径。此外，花生壳炭和小麦秸秆炭对Cd的钝化效果优于竹炭，可能也与前两种生物质炭对土壤pH的提升效果高于竹炭有关 (表 2)。

不同小写字母表示同一土壤不同处理间差异达显著水平 Different lowercase letters indicate significant differences (P < 0.05) 图 1生物炭施用对棕壤重金属Cd赋存形态的影响 (P < 0.05) Figure 1Effects of biochar application on soil Cd fractions

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不同处理下玉米幼苗的株高及地上部、根部干物质量见表 3。生物质炭对红壤中玉米株高的影响不显著，但花生壳炭使黄壤中玉米幼苗的株高显著提高。与CK相比，生物质炭使红壤中玉米幼苗根和地上部的干重均降低，降低幅度以小麦秸秆炭处理最大，达显著水平 (P < 0.05)。黄壤中各处理对根干重的影响不显著，但花生壳炭和竹炭处理使玉米幼苗地上部干重分别显著提高11.43%和13.84%，小麦秸秆炭则使玉米幼苗地上部干重显著降低，表明不同生物质炭在不同土壤中对作物生长状况影响不同。

表 3 生物质炭对玉米幼苗生长的影响 Table 3 Effect of biochar on the growth of corn seeding

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生物质炭含有丰富的营养元素，施入土壤后可提高土壤肥力、促进作物生长、提高作物产量和品质^[17]，已在印度芥菜^[18]、烟草^[19]、青菜和萝卜^[20]、油菜^[21]等作物上得到证实，但也有研究认为生物质炭对作物产量无显著影响，甚至抑制作物生长。本研究中小麦秸秆炭抑制了玉米幼苗生长，与张晗芝等^[22]的结果一致，他们的盆栽试验结果表明，玉米苗期的前33 d，小麦秸秆炭 (添加量为2.4、12、48 t·hm^-2) 对玉米苗期的生物量均有不同程度抑制作用，且炭用量越多抑制作用越强，可能是由于生物质炭的碳氮比很高，其易分解部分生物炭的分解导致土壤对氮素的固定，降低了土壤的有效氮，从而限制了植株对有效氮的吸收。此外，张娜等^[23]施用小麦秸秆炭的田间试验结果还表明，与低施用量 (5 t·hm^-2) 相比，高施用量生物炭 (10 t·hm^-2) 会造成玉米早衰，不利于玉米粒重的形成。本研究中花生壳炭和竹炭对玉米幼苗的生长在红壤中表现为抑制、在黄壤中表现为促进，说明生物质炭对作物生长的影响因土壤性质的不同而异。

不同处理玉米幼苗根部和地上部的Cd含量及转移系数如表 4所示。与CK相比，红壤中，生物质炭对玉米根部Cd含量的影响不显著，小麦秸秆炭对玉米地上部Cd含量影响也不显著，但花生壳炭和竹炭使玉米地上部Cd含量显著降低，降幅分别为19.63%和23.10%；黄壤中，除竹炭使根部Cd含量显著提高外，其余处理根和地上部的Cd含量差异均不显著。这进一步说明，生物质炭对玉米根和地上部Cd含量的影响因土壤和生物质炭类型的不同而异。

表 4 生物质炭对玉米幼苗各部位Cd含量的影响 Table 4 Effect of biochar on the content and transformation of Cd in corn seedlings

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相关分析 (表 5) 结果发现，两种土壤中玉米根部和地上部Cd含量与土壤pH、有机质含量和有效Cd含量相关性均不显著，表明生物质炭尽管提高了土壤pH和有机质含量，降低了土壤中Cd的有效性，但并不一定能降低植物中的Cd含量。这可能与植物对Cd的吸收受土壤条件、气候等众多因素的影响有关。

表 5 玉米幼苗植株镉含量与土壤性质的相关分析结果 (n=12) Table 5 Correlation between Cd content in the root and root of corn seedlings and soil basic properties

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转移系数 (地上部重金属含量/根部相应重金属含量) 表示重金属在植株地上部-根间的转移能力^[24]。如表 4所示，两种土壤中，各处理下玉米幼苗体内Cd的转运系数均小于1，表现为根部>地上部。这符合Cd在大多数植物体中的分布规律^{[15, 25]}。添加生物质炭使红壤中玉米幼苗Cd的转移系数降低，结果与Zheng等^[26]和崔立强^[25]分别在水稻和小麦中的研究一致。黄壤中，竹炭处理使Cd的转移系数略有降低，其他两种处理的转运系数略有增加，表明生物质炭对Cd在玉米幼苗体内的向上转移作用也因土壤类型的不同而异，产生原因有待进一步研究。

(1) 花生壳炭、竹炭和小麦秸秆炭均能显著提高红壤和黄壤的pH和有机质含量，土壤pH的提高幅度以花生壳炭处理最大，有机质的提高幅度则以小麦秸秆炭处理最大。

(2) 生物质炭可显著降低两种土壤的有效Cd含量，对土壤Cd具有钝化作用，其对黄壤中Cd的钝化效果优于红壤，花生壳炭和小麦秸秆炭处理效果优于竹炭处理。

(3) 3种生物质炭对红壤中玉米的生长有一定抑制作用，但花生壳炭和竹炭可促进黄壤中玉米地上部生长。

(4) 花生壳炭和竹炭可显著降低红壤中玉米幼苗地上部的Cd含量，竹炭可显著提高黄壤中玉米幼苗根部的Cd含量，其余处理对两种土壤中玉米幼苗根部和地上部的Cd含量均无显著影响。红壤中生物质炭可抑制玉米Cd的向上转运，但黄壤中生物质炭对玉米Cd的向上转运影响不明显。