低温生物炭和化肥配施对冬小麦生长和土壤铅镉生物有效性的影响

       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，已被广泛 证明具有固定重金属的能力，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，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，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。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; 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; 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; 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。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。
      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。

  讨论与结论
       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。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; 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; 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; 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; 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，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%。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。
     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。
      研究发现，生物炭能够降低污染土中铅、镉的迁移率，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。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。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，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。