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重金属是指比重大于 5 g/cm3、密度大于 4.5 g/cm3、相对分子质量大于 55 的金属。重金属是人体非必要元素，即使微量也会对人体造成伤害。2014 年我国原环境保护部调查公报[1]显示，我国土壤中重金属超标点位占总点位的 82.8%，其中镉（Cd）的污染点位超标率高达 7.0%；研究表明我国受 Cd 污染的耕地已超过 1.33×104 hm2，涉及 11 个省市、25 个地区[2]，Cd 已经成为造成我国土壤污染的重要因素之一。重金属 Cd 具有很强的毒性且极易被作物吸收富集[3-4]，并通过迁移影响生态环境[5]、农作物品质和人体健康[6-7]，因此，治理 Cd 污染土壤已成为一些地区亟待解决的重大环境问题。
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土壤重金属污染修复技术主要是采用物理、化学、植物吸收等方法，使土壤中的重金属发生迁移、转化、吸收和降解，以保障土壤中重金属的污染程度在可控范围之内。化学修复法是向土壤中施加修复剂将土壤中的重金属固化，其原理是通过吸附、沉淀、络合作用等将重金属元素由液相转变为固相，降低其生物活性和迁移性，从而减少植物对重金属的吸收转化，该技术修复速度快、效率高、应用广泛。重金属 Cd 极易被植物吸收，且在不同作物和蔬菜中的累积能力存在差异[8]，其中菠菜和小白菜对 Cd 的富集能力较强[9]。食用 Cd 污染的叶菜类蔬菜是人类接触 Cd 的主要途径之一[10]，人体内 Cd 累积量的 70% 来自蔬菜[11]，因此，降低 Cd 向植物转移、减少蔬菜对 Cd 的吸收尤为重要。目前利用生物炭降低作物对 Cd 的吸收已有较多研究，明佳佳等[12]研究表明生物炭、羟基磷灰石及粉煤灰的混合有机钝化剂对 Cd 污染土壤中小白菜生长具有促进作用，并能够减少其对 Cd 的吸收；黄玉芬等[13]研究表明施用生物炭对小白菜的生长发育及生物量均有促进效应。但是，有关生物炭配施其他修复材料修复 Cd 污染土壤的报道较少，本研究以前期试验复配形成的菌渣基生物炭、磷矿粉和壳聚糖复合材料修复剂为原料，以小白菜为试验材料，探究复合材料用量对污染土壤理化性质、 Cd 含量和小白菜生理指标的影响，以期为土壤重金属修复提供一种新选择。
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1 材料与方法
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1.1 供试材料
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供试材料为本课题组筛选的菌渣生物炭、磷矿粉、壳聚糖复配比为 7 ∶ 1 ∶ 2 的生物炭基复合材料（MPC-BC），具体制备方法见文献[14]，其理化性质见表1。
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供试土壤采自山西农业大学晋中市榆次区东阳试验基地 0～20 cm 土层，将土壤中夹杂的石块、杂草等清理干净，经自然风干后过 2 mm 筛备用。 Cd 污染土以外源添加氯化镉（CdCl2）溶液的方式制备而成。首先配置一定浓度 CdCl2 溶液加入土壤中混匀，干湿交替循环老化处理，先保持样品的含水量为田间持水量，处理 8 h 后将其放入 60℃烘箱内烘干 16 h，干湿交替 30 次，期间通过称重法保持土壤含水量为田间持水量的 70% 左右，将老化后的 Cd 污染土混合均匀风干后备用[15]。自然土和污染土基本理化性质见表2。
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供试植物小白菜（绿宝快菜）为杂交种，具有生长速度快、耐热、耐涝和抗霜霉病的特性，其外叶呈深绿色，叶面稍皱，叶背面光泽强，无毛，叶肉厚帮白且宽，株型较直适于密植。
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1.2 试验设计
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试验采用盆栽法。盆栽试验于 2022 年 9—11 月在山西省农业科学院玻璃温室大棚进行。塑料盆直径为 23 cm、高 12 cm，每盆装 Cd 污染土 1.5 kg。MPC-BC 施入量与污染土质量比设为 0% （CK）、1%（T1）、3%（T2） 和 5%（T3），共 4 个处理，每个处理 5 次重复，共计 20 盆，随机排列，以保证稳定均匀的光照环境。在小白菜播种前，各处理土壤中施入尿素 200 mg/kg、磷酸二氢钾 190 mg/kg 和硫酸钾 250 mg/kg 的水溶液，所用肥料均为分析纯试剂。施入肥料平衡 3 d 后播种，每盆播 10～15 粒种子，15 d 后每盆定植 6 株，每天用天平称量盆钵，加水使土壤水分保持在田间持水量的 70%。生长 40 d后采集植物和土壤样品。
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1.3 测定项目与方法
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小白菜株高采用直尺测量，地上、地下部生物量（鲜重）采用电子天平称量（精确至 0.01 g），Cd 含量采用 HNO3-HClO4 消解-石墨原子吸收分光光度法测定[16]，过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶 （POD）和超氧化物歧化酶（SOD）分别采用紫外吸收法、愈创木酚法和氮蓝四唑 NBT 还原法测定[17]，叶绿素和丙二醛（MDA）含量分别采用乙醇溶液浸提-比色法和硫代巴比妥酸显色法测定[18]。
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土壤 pH 采用 pH 计法，电导率采用电导率仪法，阳离子交换量采用乙酸钠-火焰光度法，土壤有机质采用 H2SO4-K2Cr2O7 外加热容量法，有效磷采用 0.5 mol/L 碳酸氢钠溶液浸提-钼锑抗比色法，速效钾采用 1 mol/L 中性乙酸铵溶液浸提-火焰光度法，全氮采用凯氏定氮法测定[19]。
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土壤有效态和不同形态 Cd 含量分别采用二乙三胺五乙酸（DTPA）浸提[20]和欧共体标准物质局 （BCR）提出的 BCR 顺序提取法测定[21-22]。具体步骤见表3。
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1.4 数据统计与处理
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采用 Excel2003 整理与统计数据；SPSS 20 进行方差和显著性分析；Origin 2021 作图。
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2 结果与分析
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2.1 MPC-BC 施入量对小白菜生长及生理代谢的影响
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2.1.1 MPC-BC 施入量对小白菜生长的影响
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收获时，CK 处理小白菜植株矮小、叶片窄小颜色浅，而添加 MPC-BC 处理小白菜植株健壮，叶片宽厚而翠绿。由表4 可知，添加 MPC-BC 能显著促进小白菜生长，与 CK 相比，各处理小白菜株高、地上部和地下部生物量显著增加并与 MPCBC 用量成正比；小白菜株高、地上和地下部生物量在 T3 处理时增加最多，分别较 CK 增加 78.11%、 137.72% 和 60.64%。但 T2 和 T3 处理地上部生物量差异不显著，当用量为 5%（T3）时，较用量为 3% （T2）处理小白菜地上部生物量仅增加 4.85 g，增幅较小。
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注：同一指标不同小写字母表示在 0.05 水平差异显著。下同。
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2.1.2 MPC-BC 施入量对小白菜生理代谢的影响
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2.1.2.1 MPC-BC 施入量对小白菜叶绿素含量的影响
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MPC-BC 的添加促使小白菜叶绿素含量增加。由表5 可知，添加 MPC-BC 处理小白菜叶绿素 a、叶绿素 b 和总叶绿素含量显著高于 CK，T1 和T2 处理间小白菜中叶绿素 a、叶绿素 b 和叶绿素总量差异不显著，T3 处理小白菜叶绿素 a、叶绿素 b 和叶绿素总量分别较 CK 提高 86.91%、97.12% 和 88.71%，显著高于其他处理，但 MPC-BC 用量较少时对小白菜叶绿素含量提高幅度无显著差异。
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2.1.2.2 MPC-BC 施入量对小白菜叶酶活性和丙二醛含量的影响
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由图1（a-c）可知，添加 MPCBC 能提高小白菜叶片保护酶系统（POD、SOD 和 CAT）酶活性，随着 MPC-BC 用量增加小白菜叶片 POD、SOD 和 CAT 活性呈现先升高后降低的变化趋势。T1 与 CK 处理间、T2 和 T3 处理间 POD 活性差异不显著，当 MPC-BC 添加量为 3% 时，小白菜叶片 POD 活性较 CK 显著提升 20%。添加 MPCBC 提高了小白菜叶片 SOD 活性，T1、T2 和 T3 分别较 CK 提高了 22.88%、44.09% 和 17.25%，但 T1 与 T3 处理间、CK 与 T3 处理间小白菜 SOD 活性差异不显著。添加 MPC-BC 小白菜 CAT 活性较 CK 处理显著增加，其中 T2 处理 CAT 活性最高，达到 57.36 U/（g FW·min），是 CK 处理的 1.36 倍，但 MPC-BC 不同量各处理间 CAT 活性差异不显著。
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由图1（d）可知，T2 和 T3 处理 MDA 含量显著低于 CK，但二者差异不显著。CK 处理 MDA 含量最高，但与 T1 处理差异不显著，CK、T1 处理 MDA 含量显著高于其他处理，MPC-BC 用量与植物体内 MDA 含量呈负相关；添加 MPC-BC 可以有效防止膜脂过氧化作用产生 MDA，但是随 MPCBC 用量增大，MDA 的降幅不显著。
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图1 生物炭基复合材料对小白菜生理指标的影响
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注：不同小写字母表示在 0.05 水平差异显著。下同。
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2.2 MPC-BC 施入量对小白菜吸收镉的影响
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由图2 可知，小白菜地上部和地下部中 Cd 含量随着 MPC-BC 用量增加而降低；除 T1 处理外，其他处理小白菜地上部 Cd 含量显著低于 CK，但 MPC-BC 用量对小白菜地下部中 Cd 含量影响不显著；添加 MPC-BC 后小白菜地下部中 Cd 含量显著低于 CK。施入 1%、3%、5% MPC-BC 与 CK 相比，小白菜地上部和地下部中 Cd 含量分别降低了 41.33%、43.04%、63.02% 和 39.11%、40.16%、 58.34%，各处理小白菜地下部对 Cd 吸收量均高于地上部，说明小白菜地下部更容易吸收富集 Cd。
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图2 生物炭基复合材料对小白菜地上、地下部镉吸收的影响
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2.3 MPC-BC 施入量对土壤理化性状及镉形态变化的影响
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2.3.1 MPC-BC 施入量对土壤 pH 和电导率的影响
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添加 MPC-BC 影响土壤 pH 和电导率的变化（ 图3），随 MPC-BC 用量增加土壤 pH 降低了 0.13～0.42 个单位；当施入量为 5% 时，pH 降幅最大；所有处理土壤电导率均大于 CK，并随着MPC-BC 用量增加而增大，土壤电导率从 157 μS/ cm 增加到 373 μS/ cm，增加了 6.92%～137.6%。
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图3 添加生物炭基复合材料对污染土壤 pH 和电导率的影响
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2.3.2 MPC-BC 施入量对土壤全氮、有效磷、速效钾和有机质的影响
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由图4 可以看出，与 CK 相比，添加 MPCBC 处理能够显著提高土壤全氮、速效钾和有机质含量，并随着 MPC-BC 添加量的增多而增多，在 T3 处理下，土壤全氮、速效钾和有机质含量较 CK 分别提升 116.9%、72.6% 和 116.2%。但有效磷含量变化趋势与之不同，添加 MPC-BC 后，土壤有效磷含量呈现先增加后降低的变化趋势； T1 和 T2 处理土壤有效磷含量与 CK 间无显著差异，但 T1、T2 和 T3 处理间差异显著，且当 MPCBC 添加量为 3% 和 5% 时，有效磷含量显著低于 CK。
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图4 添加生物炭基复合材料对污染土壤理化性质的影响
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2.3.3 MPC-BC 施入量对土壤阳离子交换量的影响
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土壤阳离子交换量能够反映土壤胶体吸附各种阳离子的总量，与土壤的保肥能力呈正相关关系。相比 CK（图5），添加 MPC-BC 处理土壤阳离子交换量均有所提升。T2 和 T3 处理土壤阳离子交换量差异不显著，但显著高于其他处理；随 MPC-BC 用量增多，土壤阳离子交换量增加，T1、T2 和 T3 处理阳离子交换量分别较 CK 提升 7.25%、18.25% 和 16.11%。
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图5 添加生物炭基复合材料对污染土壤阳离子交换量的影响
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2.3.4 MPC-BC 施入量对土壤有效态镉的影响
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图6 表明，添加 MPC-BC 处理有效态 Cd 含量显著低于 CK，但 T2 和 T3 处理间差异不显著。添加 1%、3% 和 5% MPC-BC 的土壤中有效态 Cd 含量分别下降了 9.5%、34.49% 和 36.24%。随着 MPC-BC 用量的增加，有效态 Cd 含量降低越多，但 T2 到 T3 处理土壤有效态 Cd 降幅不显著，仅下降 2.25%。
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图6 添加生物炭基复合材料对污染土壤中有效态镉含量的影响
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2.3.5 MPC-BC 施入量对土壤镉赋存形态变化的影响
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采用 BCR 顺序提取法测定的土壤中不同形态 Cd 包括弱酸提取态 Cd（ACT）、可还原态 Cd （FEM）、氧化态 Cd（ORG）和残渣态 Cd（RES） 4 种，其中 ACT 和 FEM 生物活性较高，可以被植物吸收利用。由图7 可知，CK 处理土壤中 Cd 主要以 ACT 和 FEM 为主，分别占总 Cd 含量的 44% 和 38%； 向 Cd 污染土壤中添加 MPC-BC 能够降低土壤中 ACT 和 FEM 含量，下降幅度分别在 3%～9% 和 2%～4% 之间，ACT 和 FEM 降低程度与 MPC-BC 用量成正比；与 CK 相比，添加 MPC-BC 处理的土壤中 RES 含量均呈现上升趋势，从 7% 提高至 18%，ORG 含量升高幅度较小，为 1%～2%；在整个小白菜生长过程中土壤中 ACT 的减少量与相对应土壤 RES 含量的增加量基本相同。
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图7 添加生物炭基复合材料对污染土壤中镉赋存形态的影响
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3 讨论
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3.1 MPC-BC 施入量对小白菜生长及生理代谢的影响
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本试验研究表明添加 MPC-BC 能显著促进小白菜生长。与 CK 相比，各处理小白菜株高、地上部和地下部生物量显著增加，增长量与 MPCBC 用量成正比，这与 Lu 等[23]、李晓晖等[24]和 Pansooriya 等[25]研究结果一致。
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叶绿素是植物进行光合作用的主要色素，Mg2+ 是构成复杂化合物叶绿素的重要元素，研究表明 Cd2+ 是一种强亲巯基（-SH）的重金属元素[26]，Cd2+ 进入植物叶绿体与体内蛋白质上空巯基结合，或取代巯基上的 Fe2+、Mg2+ 等元素，而过量 Cd2+ 存在植物体内会破坏叶绿素结构与功能，影响植物对养分、水分的吸收、光合作用以及植物的生理代谢，进而抑制植物生长发育[27]。本研究发现，MPC-BC 用量小于 3% 时对小白菜叶绿素含量的影响无显著差异，添加 MPC-BC 用量为 5% 的处理小白菜叶绿素 a、叶绿素 b 和总叶绿素含量显著高于 CK，说明适量的 MPCBC 可以缓解 Cd 对小白菜的胁迫，促进叶绿素的合成。这与明佳佳等[12]的研究结果相一致。
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植物体内的 SOD、POD 和 CAT 统称为保护酶系统，其活性高低是衡量植物抗氧化能力强弱的重要指标[28-29]。在 Cd 胁迫下植物体内产生了更多自由基对植物酶系统造成损害，导致植物体内保护酶含量较低，不足以对抗重金属带来的伤害；随着 MPCBC 用量增加，植物叶片 POD、SOD 和 CAT 活性呈先升高后降低的趋势，T2 处理较 CK 显著提升；而小白菜的 MDA 含量变化表现为随 MPC-BC 用量增加逐渐降低趋势，T1 与 CK 处理间差异不显著，T2 和 T3 处理 MDA 含量显著低于 CK，但 T2 与 T3 处理差异不显著。有研究表明生物炭能促进苋菜的抗氧化酶（SOD、POD、CAT）活性的上升，使 MDA 含量显著下降[30-31]；Cd 胁迫下生物炭用量对小青菜 POD 活性变化影响不显著[10]；生物炭-石灰石-蛇纹石钝化材料的用量对卷丹百合 CAT 活性无显著性影响[32]。这可能与试验的 Cd 胁迫浓度、修复材料的成分、修复材料用量和供试作物对 Cd 胁迫的响应不同有关。
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3.2 MPC-BC 施入量对土壤理化性状及镉形态变化的影响
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MPC-BC 添加对土壤理化性质和 Cd 形态转化具有一定的影响，施用 MPC-BC 显著提高土壤全氮、速效钾、有机质含量和电导率，而土壤 pH 和有效磷含量有所降低。这与 Liu 等[33]关于玉米秸秆生物炭的研究结果相同，加入 MPC-BC 可能导致碱性钠盐转化成中性钙盐，可交换性钠被可交换性钙代替所造成土壤 pH 下降；此外，添加 MPC-BC 提高了土壤的有机质含量，其分解产生的酸性物质也可能会导致 pH 降低[34]。王宇轩[35]研究表明生物炭显著提高苯磺隆胁迫土壤的有机质含量，且添加量越高，土壤的有机质含量提高越多；黄凯等[36] 研究表明施入不同浓度生物炭可以显著增加矿区污染土土壤速效钾含量，降低土壤有效磷含量，这与本试验研究结果一致；但杨彩迪等[37]研究表明，酸性土壤中施用小麦、玉米秸秆生物炭会使土壤有效磷含量提高，本试验研究结果与其不一致。这可能与 MPC-BC 生物炭原料有关，菌渣中含有一定量的石灰，钙磷生成沉淀降低了磷的有效性。
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Cd 污染土壤中添加生物炭修复材料可以改变土壤中 Cd 的赋存形态，生物炭与沸石 1∶1 混合修复材料能够降低 Cd 污染土壤中有效态 Cd 含量[38]； 不添加修复剂处理的 Cd 污染土壤中 Cd 以 ACT 和 FEM 为主[39]，添加修复材料土壤中 ACT 的减少量与相对应土壤 RES 含量的增加量基本相同[40-41]。本试验也表明添加 MPC-BC 后土壤中有效态 Cd 含量均显著下降，CK 处理土壤中 Cd 以 ACT 和 FEM 为主，分别占总 Cd 含量的 44% 和 38%，在整个小白菜生长过程中土壤中 ACT 的减少量与相对应土壤 RES 含量的增加量基本相同，其原因可能是一方面 MPC-BC 表面含有更多可与 Cd2+ 发生化学反应的官能团，通过络合、离子交换等方式降低了 Cd2+ 活性[42-43]，促使活性 Cd 向稳定态 Cd 转化；另一方面，添加的 MPC-BC 中存在 Ca5（PO4）3（OH），可能会与 Cd2+ 作用生成沉淀，降低 Cd2+ 活性，促使活性 Cd 向稳定态 Cd 转化；综上说明，向 Cd 污染土壤中添加 MPC-BC 后，促进土壤中 Cd 由 ACT 向 OGR 和 RES 转换，降低 Cd 的活性，减少其对作物的伤害。
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4 小结
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（1）添加 MPC-BC 明显促进小白菜地上部生长，显著提高小白菜叶绿素 a、叶绿素 b 和总叶绿素的含量，保护酶系统（SOD、POD 和 CAT）的活性随 MPC-BC 用量的增加呈现先增加后降低的趋势，在 T3 处理下小白菜叶片 SOD、POD 和 CAT 活性最高；随 MPC-BC 用量增多，植物体内 MDA 含量降低幅度越大，在 T3 处理下小白菜体内保护酶含量较高，MDA 含量较低，因此，施入 3% MPC-BC 为最佳用量。
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（2）添加 MPC-BC 能够减少小白菜地上部对 Cd 的吸收，同时降低土壤有效态 Cd 含量，促进 ACT 和 FEM 向 RES 转化，有效地钝化 Cd2+，降低其对土壤和作物的危害。
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（3）MPC-BC 可以改善土壤理化性质、提高土壤肥力，随 MPC-BC 用量增多，各处理土壤 pH 降低 0.13～0.42 个单位；土壤电导率增加了 6.92%～137.6%；土壤全氮、速效钾、有机质含量和阳离子交换量升高，但土壤有效磷含量降低。
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摘要
采用盆栽试验研究了生物炭基复合材料（MPC-BC）不同添加量（质量比 1%、3%、5%，记为 T1、T2、 T3 处理）对土壤理化性质、镉（Cd）形态转化以及小白菜生长、生理特性及 Cd 吸收的影响。结果表明：添加 MPC-BC 能显著促进 Cd 胁迫下小白菜的生长，与不添加 MPC-BC（CK）比，小白菜株高、地上和地下部生物量显著增加，T3 处理增加最多，分别较 CK 提升 78.11%、137.72% 和 60.64%；随着 MPC-BC 施入量增多，超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）活性先升高后降低，丙二醛（MDA）含量显著降低，T2 处理小白菜叶片 SOD、POD 和 CAT 活性最高；小白菜中 Cd 含量随 MPC-BC 施用量增加而减少。添加 MPC-BC 处理土壤 pH 降低 0.13 ～ 0.42 个 pH 单位，土壤电导率增加了 6.92% ～ 137.6%，土壤全氮、速效钾、有机质含量和阳离子交换量升高，但土壤有效磷含量降低。添加 MPC-BC 可有效降低土壤中有效态 Cd 含量，同时促进弱酸提取态 Cd 和可还原态 Cd 向残渣态 Cd 转化。因此，复合材料能有效地固定污染土壤中的 Cd，缓解 Cd 胁迫对作物的伤害，本试验条件下配施 3% 的 MPC-BC 修复效果最佳。
Abstract
The pot experiments were carried out to study the effects of different amounts of biochar-based composites（ MPC-BC ）（ mass ratio of 1 %，3 %，5 %，marking as T1，T2，T3，respectively）on soil physicochemical characteristics，forms transformation of cadmium （ Cd ），Chinese cabbage growth，physicochemical characteristics and Cd absorption by plant. The results showed that the application of MPC-BC significantly promoted the growth of Chinese cabbage under Cd stress. Compared with CK（without MPC-BC applicaion），the plant height，aboveground and underground biomass of Chinese cabbage increased significantly，and those in T3 treatment increased the most，which was 78.11%，137.72% and 60.64% higher than that of CK，respectively. With the increased application of MPC-BC，the activities of superoxide dismutase（ SOD ），peroxidase（ POD ）and catalase（ CAT ）were increased first and then decreased，and the content of malondialdehyde（ MDA ）were decreased significantly. The activities of SOD，POD and CAT in Chinese cabbage leaves were the highest under T2 treatment. The absorptive capacity of Cd by Chinese cabbage decreased with the increased application of MPC-BC. Under the condition of applying MPC-BC，The soil pH was decreased by 0.13-0.42 pH unit，soil electrical conductivity was increased by 6.92%-137.6%，soil total nitrogen，available potassium，organic matter content and cation exchange capacity were increased，and soil available phosphorus was content decreased. The application of MPC-BC reduced the content of available Cd in soil，and the weak acid extractable Cd and reducible Cd were transformed into residual Cd. Therefore，the composite material can effectively fix Cd in contaminated soil and alleviate the damage of Cd stress to crops. Under the conditions of this experiment，the application of 3 % has the best remediation effect.