摘要
为探索改性生物炭在镉污染农田的安全利用技术，实现农产品的安全生产。试验以磷酸为改性剂对玉米秸秆生物炭进行改性处理，并采用盆栽试验，共设 7 个处理，分别为不施加生物炭和改性生物炭（CK）、生物炭施 20 g/kg（T1）、生物炭施 50 g/kg（T2）、生物炭施 100 g/kg（T3）、改性生物炭施 20 g/kg（T4）、改性生物炭施 50 g/kg（T5）、改性生物炭施 100 g/kg（T6），研究磷酸改性生物炭对镉污染土壤下小白菜（Brassica campestris L.） 镉吸收累积的影响。结果表明，施用生物炭和改性生物炭能显著提升土壤 pH 值和有机质含量。其中生物炭和改性生物炭在 100 g/kg 施用量下提升效果最显著。不同施用量的生物炭和改性生物炭均明显降低土壤有效态镉含量和小白菜根部镉富集系数，同一施用量下，其降低效果均表现为改性生物炭处理优于生物炭处理。不同施用量的生物炭和改性生物炭均能显著降低小白菜可食部镉含量、可食部镉富集系数和转运系数，其中改性生物炭施用量为 100 g/kg 时，对降低小白菜可食部镉富集系数和转运系数的效果最显著 , 分别较 CK 显著降低 80.00% 和 70.20%。综上所述，当改性生物炭施用量为 100 g/kg 时对降低小白菜根部镉富集系数、可食部镉富集系数和转运系数效果最好。施用生物炭和改性生物炭均能有效修复镉污染小白菜土壤，阻控小白菜中镉富集吸收转移，其中改性生物炭处理效果优于生物炭处理。研究结果为重金属污染农田的蔬菜安全生产提供理论依据，促进资源与环境的循环利用。
Abstract
The study aimed to explore the safe utilization technology of modified biochar in cadmium（Cd）contaminated farmland and realize the safe production of agricultural products. Corn stover biochar was modified with phosphoric acid as the modifier and a pot experiment was conducted with seven treatments，namely，no biochar or modified biochar applied （CK），20 g/kg biochar application（T1），50 g/kg biochar application（T2），100 g/kg biochar application（T3），20 g/kg modified biochar application（T4），50 g/kg modified biochar application（T5），and 100 g/kg modified biochar application（T6）to study the effect of phosphoric acid-modified biochar on Cd uptake and accumulation in Chinese cabbage （Brassica campestris L.）under Cd-contaminated soil. The results showed that the application of biochar and modified biochar significantly increased soil pH and organic matter content. Among them，biochar and modified biochar had the most significant enhancement effect at 100 g/kg application rate. Different application rates of biochar and modified biochar significantly reduced the available Cd content in soil and Cd enrichment coefficient of cabbage roots，and the reduction effect of modified biochar was better than that of biochar at the same application rate. Different application rates of biochar and modified biochar significantly reduced the Cd content in the edible part of cabbage，the enrichment coefficient of Cd in the edible part and the transfer coefficient，among which the application rate of 100 g/kg of modified biochar had the most significant effect on the reduction of the enrichment coefficient of Cd and the transfer coefficient of Cd in the edible part of cabbage. They were significantly reduced by 80.00% and 70.20%，respectively，compared with CK. In conclusion，when the application rate of modified biochar was 100 g/kg，it had the best effect on reducing the Cd enrichment coefficient in the root part，Cd enrichment coefficient in the edible part and the transfer coefficient of Chinese cabbage. The application of biochar and modified biochar could effectively remediate the Cd-contaminated cabbage soil and block the transfer of Cd enrichment and absorption in cabbage，in which the effect of modified biochar treatment was better than that of biochar treatment. The results of the study could provide theoretical basis for the safe production of vegetables in heavy metal polluted farmland and promote the recycling of resources and environment.
Keywords
土壤是人类赖以生存的重要自然资源，随着现代社会的快速发展，工矿业和农业生产过程中排放的大量重金属污染物进入土壤环境，严重危害土壤生态环境和生物健康[1-3]。重金属污染不仅会对土壤环境造成影响，还可能对农产品的质量和产量产生负面效应[4-5]。《全国土壤污染状况调查公报》表明，我国土壤重金属污染突出，其中，镉、汞、砷、铜、铅、铬、锌、镍的点位超标率分别为 7%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、 1.1%、0.9%、4.8%[6]。土壤中的重金属污染具有隐匿性、持久性、不可逆转性和富集性等多重特性，已经演变为对未来农业可持续发展和人类健康构成重大威胁的环境问题之一[7]。近年来，修复受重金属污染的土壤并恢复其原有功能已成为国内外研究的焦点[8]。目前，重金属污染土壤修复治理的方法有多种，包括土壤置换法、水洗法、钝化法、电动力修复法、生物修复法、微生物修复法和综合法等，然而，这些方法通常需要使用昂贵的化学制剂，并需要大量的能源消耗和投资[9-10]。
生物炭是一种富碳材料，由生物质在限氧或无氧条件下热解产生[11]。由于其比表面积大、孔隙率高、富含含碳基团和矿物质养分，生物炭目前被用于提高土壤肥力、修复受污染场地和农业土壤环境[12-13]。生物炭可以通过吸附、沉淀、络合和离子交换等多种机制钝化土壤中的重金属元素[14-16]。近年来，生物炭在修复重金属污染土壤方面已有大量研究。占国艳等[17]发现以芦苇、玉米秸秆为原材料制备生物炭，将不同处理所制备的生物炭施加至土壤后，其对土壤中重金属镉和铅均起到不同程度的钝化作用；培养时间越长，钝化效果越好。王锦涛等[18]发现秸秆和牛粪生物炭均能不同程度地降低矿区菜地土壤中有效态镉的含量。Chaudhary 等[19]发现不同生物废物材料的生物炭主要通过表面络合和沉淀过程吸附重金属离子，从而降低重金属含量。
然而，原始生物炭的吸附和固定能力受到原材料结构和成分组成的限制，在面对实际环境中复杂的污染状况时，原始生物炭很难实现预期的修复效果[20-21]。解决这一问题的主要办法是对原始生物炭进行改性，以提高其对重金属的吸附能力。已有研究结果表明磷酸改性生物炭对镉有较好的吸附性能，但磷酸改性生物炭对蔬菜及作物镉吸收累积影响的研究较少[22-24]。因此，本研究以玉米秸秆为原料制备生物炭，以磷酸为改性剂对玉米秸秆生物炭进行改性处理，并通过盆栽试验探究其对镉污染土壤的钝化效果以及对小白菜作物的效应。旨在为农业废弃物的应用提供新途径，为改性生物炭的应用提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 生物炭的制备及改性
生物炭选用玉米秸秆材料制备，由云南省土壤培肥与污染修复工程研究中心制备，制备温度为 500℃。
磷酸改性生物炭的制备：依据 Peng 等[23]的方法，采用 14% 磷酸溶液对玉米生物炭进行改性。具体操作：在温度为 25℃的条件下，将 20 g 的生物炭浸泡在 40 mL 14% 磷酸溶液中，浸泡 24 h 后，用蒸馏水洗涤，直到上清液的 pH 稳定（接近 7.0），弃去上清液，并在 105℃的温度下将生物炭烘干过夜。
1.2 生物炭表征
利用扫描电镜（SEM）观察生物炭表面孔隙结构，具体操作如下：取适量的生物炭，使其分散在含有导电胶的铜柱表面，进行喷金处理后，在扫描电镜下经不同放大倍数观测样品表面的孔隙结构。采用傅里叶红外光谱仪来确定功能基团。具体操作如下：用玛瑙研钵将 1～2 mg 生物炭研磨成细粉。然后将该粉末与干燥的溴化钾（色谱级）粉末 （约 100 mg，粒度 0.074 mm）等量混合（比例约为 1∶100），装入模具，并使用压力为 25～27 MPa 的压片机压制成片剂。然后将片剂置于傅立叶红外光谱仪内，让光线以优于 0.4 cm-1 的分辨率扫描，并在片剂上呈现 2 个点，扫描范围为 4000 cm-1 至 500 cm-1[25]。
1.3 盆栽试验
1.3.1 供试材料
供试土壤：盆栽所用土壤取自云南省红河哈尼族彝族自治州大屯镇（23°25′37″N，103°14′12″E），该地区土壤为酸性红壤，由于早年周边存在矿区开采，土壤镉污染较为严重，土壤性质如表1所示。
供试蔬菜：小白菜种子购买于京研益农（北京）种业科技有限公司，品种为‘京研快菜 6 号 F1’。
供试生物炭：选择未改性的玉米秸秆生物炭和改性生物炭为研究对象，基本性质如表1所示。
表1供试材料性质
注：供试土壤中的镉含量已经超出了《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》（GB 15618—2018）（试行）所规定的农用地土壤污染风险管制值（5.5<pH ≤ 6.5，Cd ≤ 2.0 mg/kg）。
1.3.2 试验设计
2023 年 5—7 月在云南农业大学后山阳光大棚内进行盆栽试验，试验共设置 7 个处理，以不施生物炭为空白对照，未改性和改性的生物炭均设置 3 个水平的施用量处理，施用量均为 20、 50、100 g/kg；每个处理设置 3 个重复，共计 21 盆。具体处理见表2。向塑料盆（直径 20 cm，高 30 cm）中装土，每盆装过筛土 8 kg，将一定比例的生物炭加入盆中，和土壤混合均匀，去离子水浇灌，调节盆栽水分为田间持水量的 65%。平衡 2 周后播种小白菜，每盆播种 10 粒，出苗 7 d 后进行间苗，保持每盆小白菜苗数为 5 株，生长期间定期浇水除虫，待 30 d 后收获小白菜植株样品。
表2盆栽试验设计
1.4 样品采集与测定分析
植株和土壤样品采集：小白菜收获时，将小白菜分为根部和可食部两部分，先用自来水冲洗，再用蒸馏水淋洗 3 次，最后用无尘纸将植株表面的水分吸干，将处理好的小白菜样品放入 105℃的烘箱中进行 60 min 的杀青处理，紧接着干燥至恒重、研磨、过筛（0.5 mm），待测。采集收获小白菜后的根际周围土壤，自然风干、研磨、过筛（2 和 0.149 mm），待测。
测定分析：土壤有机质根据农业行业标准《土壤有机质的测定》（NY 1121.6—2006）重铬酸钾外加热法测定土壤有机质含量；土壤 pH 值采用土水比 1∶2.5 电位法测定，称取 10 g 过 0.425 mm 筛的土壤样品于锥形瓶中，加入 25 mL 去离子水，放入恒温振荡器振荡 30 min，取出静置 30 min 后，用 pH 计测定上清液的 pH 值；土壤镉全量参考《土壤质量铅、镉的测定石墨炉原子吸收分光光度法》（GB/ T17141—1997），采用四酸法（HCl-HNO3-HFHClO4） 消解，利用石墨炉原子吸收分光光度法测定； 土壤有效态镉含量测定参考《 土壤质量有效态铅和镉的测定原子吸收法 》（GB/ T3739—2009），使用二乙三胺五乙酸浸提，原子吸收仪测定；小白菜镉含量测定参考食品安全国家标准《 食品中镉的测定 》（GB 5009.15— 2014），利用石墨炉原子吸收分光光度法测定。同时计算小白菜的生物富集系数和转运系数[26]。
(1)
(2)
式中，BCF 为富集系数，TF 为转运系数，C1 为小白菜可食部镉含量，C2 为根部镉含量；Csoil 为小白菜根际土壤中镉含量。
1.5 数据分析
采用 Excel 2016 进行数据统计；采用 SPSS 26.0 进行数据的平均值、标准偏差和显著性分析；采用 Duncan 多重比较分析各处理间差异显著性，显著性差异水平为 P<0.05；采用 OriginPro 2021 进行作图。
2 结果与分析
2.1 生物炭表征分析
图1所示的是玉米秸秆生物炭和磷酸改性生物炭在 10 和 50 μm 波长下的微观表面形貌特征。由图1可知，未经改性的玉米秸秆生物炭表面存在少数气孔，并且表面粗糙并带有颗粒，这可能是玉米秸秆生物炭表面存在的杂质；而经过磷酸改性后玉米秸秆生物炭表面变得更为平滑，其孔隙结构也更为丰富，与原始生物炭相比，其大孔结构更为明显，这表明在磷酸改性处理过程中可能除去了玉米秸秆生物炭表面附着的杂质颗粒，使得改性生物炭具有更多的吸附位点。
采用傅利叶红外光谱仪对生物炭官能团的表征结果如图2所示。生物炭和改性生物炭显示出相同的红外吸收特征峰，这表明它们的表面官能团结构具有相似性。磷酸改性使得部分原有官能团数量增多，如-OH 基团与 C=O 双键峰发生了较为明显的变化，此外，在 1046 cm-1 处出现了 1 个新的伸缩振动峰。该峰值可能是磷酸基团通过化学键合作用在生物炭表面形成 P-O-P 键所产生的，磷酸改性使得生物炭产生 P-O-P 键[27]。
2.2 改性生物炭对镉污染土壤 pH 值的影响
不同施用量的生物炭和改性生物炭处理对镉污染土壤 pH 值的影响如图3所示。施用生物炭和改性生物炭均能显著提升土壤 pH 值。所有处理中，与 CK 相比，T3 和 T6 处理对镉污染土壤 pH 值提升效果是最显著的，较 CK 分别显著提升了 1.09 和 0.98；这说明当生物炭和改性生物炭施用量为 100 g/kg 时，对土壤 pH 值的提升效果最佳。
2.3 改性生物炭对镉污染土壤有机质的影响
土壤有机质是衡量土壤质量的关键指标，在增强土壤理化性质和生物功能方面发挥着重要作用[28]。不同施用量的生物炭和改性生物炭处理在提升土壤有机质方面具有不同效果（如图4所示）。施用生物炭和改性生物炭均能显著提升镉污染的土壤有机质含量。所有处理中，与 CK 相比，T3 和 T6 处理对土壤有机质含量提升效果最显著，较 CK 分别显著提升 18.05% 和 18.42%，说明生物炭和改性生物炭在施用量为 100 g/kg 时对土壤有机质的提升效果最好。
图1生物炭扫描电镜图
图2生物炭的傅利叶红外光谱仪图谱
图3不同处理对土壤 pH 值的影响
注：柱上不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。下同。
图4不同处理对土壤有机质含量的影响
2.4 改性生物炭对镉污染土壤有效态镉含量的影响
生物炭富含高比例的有机质，这可能有助于将土壤中的离子态镉转化为有机结合态镉，从而降低作物对镉的吸收水平[29]。不同施用量的生物炭和改性生物炭处理对镉污染土壤有效态镉含量的影响如图5所示，生物炭与改性生物炭在不同施用量下均明显降低土壤有效态镉含量，且降低效果均随施用量的增加而增加。所有处理中，T6 处理对土壤有效态镉含量的降低效果最显著，较 CK 显著降低 56.73%。这表明当改性生物炭施用量为 100 g/kg 时对土壤有效态镉含量降低效果最佳。此外，由图5还得知，在同一施用量下，改性生物炭对土壤有效态镉含量的降低效果优于生物炭。
图5不同处理对土壤有效态镉的影响
2.5 改性生物炭对小白菜可食部镉含量的影响
不同施用量的生物炭和改性生物炭处理对小白菜可食部镉含量影响不同，如图6所示。施加生物炭和改性生物炭均能显著降低小白菜可食部镉含量。所有处理中，与 CK 相比，T3 和 T6 处理对降低小白菜可食部镉含量效果最显著，较 CK 分别显著降低 79.82% 和 81.04%。说明生物炭和改性生物炭施用量为 100 g/kg 时对降低小白菜可食部镉含量效果最显著。此外，在同一施用量下，改性生物炭对小白菜可食部镉含量的降低效果优于生物炭。
图6不同处理对小白菜可食部镉含量的影响
2.6 改性生物炭对小白菜镉富集系数和转运系数的影响
不同施用量的生物炭和改性生物炭处理对小白菜镉富集系数和转运系数有不同影响，如表3所示。施加改性生物炭和生物炭均能降低小白菜根部镉富集系数。其中 T6 处理显著降低小白菜根部镉富集系数，较 CK 显著降低 30.77%，说明改性生物炭在施用量为 100 g/kg 时对降低小白菜根部镉富集系数效果最好。另外，施加生物炭和改性生物炭均能显著降低小白菜可食部镉富集系数。其中 T6 处理对降低小白菜可食部镉富集系数效果最显著，较 CK 显著降低 80%，说明当改性生物炭施用量为 100 g/kg 时对降低小白菜可食部镉富集系数效果最好。
由表3还可得，施加生物炭和改性生物炭均能显著降低小白菜可食部镉转运系数。所有处理中，与 CK 相比，T6 处理对小白菜可食部镉转运系数降低效果最显著，较 CK 显著降低 70.20%，说明当改性生物炭施用量为 100 g/kg 时对重金属镉从小白菜根部向可食部转移的阻控效果最好。
表3改性生物炭对小白菜镉吸收转运的影响
注：同列不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。下同。
综上所述，当改性生物炭施用量为 100 g/kg 时对降低小白菜根部镉富集系数、可食部镉富集系数和转运系数效果最好。
3 讨论
3.1 磷酸改性生物炭对镉吸附性能的分析
原始生物炭钝化土壤中镉的能力有限，解决这一问题的主要办法是对原始生物炭进行改性，以提高其对重金属的吸附能力，然而，不同的改性处理方法对提高不同生物炭的吸附能力有不同的效果[30]。本研究以磷酸为改性剂，对玉米秸秆生物炭进行改性。经磷酸改性后，生物炭表面变得更为平滑，其孔隙结构也更为丰富、大孔结构更为明显，具有更多的吸附位点（图1）；磷酸改性使得生物炭部分原有官能团数量增多（如-OH 基团与 C=O 双键），并产生 P-O-P 键（ 图2）。这与郭丹丹等[31]的研究结果是相似的，磷酸改性使生物炭的表面发生坍塌，生物炭骨架发生破坏，孔隙结构更加连通，同时磷酸改性促进-OH 及 C=O 的生成。这是因为磷酸改性生物炭在改性后表面会负载部分酸性颗粒，在侵蚀作用下能够对磷酸改性生物炭产生扩孔作用，造成生物炭孔径的增大，同时也会导致总孔容有一定的增加。除此之外，酸及碱的侵蚀性也可能会使改性生物炭的孔隙结构发生坍塌而相互连通，使生物炭比表面积降低，从而使得改性生物炭提升对镉的吸附性能[31]。
3.2 施用生物炭和改性生物炭对镉污染土壤 pH 值和有机质的影响
生物炭被添加到受重金属污染的土壤中，通过提高土壤 pH 值，增加土壤有机质含量，提高土壤肥力，减少重金属的毒性和作物对重金属的吸收[32]。本研究结果表明，生物炭和改性生物炭显著提升了土壤 pH 值和有机质含量（图3、图4）。一方面可能是生物炭和改性生物炭 pH 值、有机质含量较高（表1），因此生物炭和改性生物炭施用量较高时，使得土壤 pH 值和有机质含量变化较大。另一方面是生物炭中含有众多可溶的碱性离子，而供试土壤为红壤，使得生物炭中碱性离子能够与红壤中的酸性物质发生中和反应，因此能显著提升土壤的 pH 值[33]。已有研究表明，生物炭的表面含有大量的碱性官能团，如-COOH 和-OH，这些元素会消耗土壤中的 H+，再加上生物炭自身具有较高的 pH 值，二者均可提升土壤 pH 值[34]。黄成真等[35]研究结果表明，普通生物炭在添加量较低时对土壤 pH 值改良效果不理想，添加量越大，改良效果越明显；施加生物炭使土壤中有机质含量增加是因为生物炭中有机质含量较高，能有效提高土壤的有机质含量。
3.3 施用生物炭和改性生物炭对小白菜中镉吸收累积的影响
本研究中，不同施用量的生物炭和改性生物炭均明显降低土壤有效态镉含量，同一施用量下，其降低效果均表现为改性生物炭处理优于生物炭处理，这可能是因为生物炭经磷酸改性后，生物炭孔径的增大导致总孔容有一定的增加，从而提升了改性生物炭对镉的吸附性能[31]。这与李晓晖等[36]的研究结果一致，新型改性稻壳生物炭较未改性生物炭对降低小白菜叶片镉含量具有良好的效果。改性后增大了生物炭比表面积以及表面功能基团活性，使得改性后生物炭对重金属镉的吸附性能明显提升，并能增强土壤中镉的稳定性。不同施用量的生物炭和改性生物炭不仅均显著降低小白菜可食部镉含量，还显著降低小白菜可食部镉富集系数和转运系数，其中施用量为 100 g/kg 的改性生物炭对小白菜可食部镉含量、根部镉富集系数、可食部镉富集系数和转运系数的降低效果最好。研究结果表明，施用磷酸改性生物炭能够有效地阻控镉在小白菜中的吸收和迁移，从而降低小白菜可食部镉的积累和转移。这与 Houben 等[37]的研究结果是相似的，生物炭的施用显著降低了作物中的镉富集系数，尤其是在使用改性生物炭时效果更为显著。Beesley 等[38]的研究结果表明，磷酸改性生物炭能够显著降低镉的转运系数，减少镉从根部向地上部分的转移。这与本研究结果是一致的，这是因为磷酸改性生物炭能够通过化学吸附和固定作用，减少土壤中有效态镉的含量（改性生物炭表面的磷酸盐可以与镉形成难溶的磷酸镉，从而降低镉的生物可利用性），磷酸改性生物炭可以通过减少土壤中有效态镉的含量，从而降低作物的镉富集系数和转运系数[37-38]。施用生物炭和改性生物炭能降低土壤中镉的有效性，一方面原因是生物炭通过其表面丰富含氧官能团（例如-OH、-COOH、C=O 等）或 π 电子与重金属结合，触发络合反应来钝化重金属，从而降低镉在土壤中的有效性[39]；另一方面原因可能是生物炭和改性生物炭通常具有较高的 pH 值，可以显著改良土壤酸度并提高土壤保肥性和土壤肥力，从而利于植物生长，提高植物抗性，间接减小了土壤重金属的生物有效性[40]。同时生物炭中包含了如 CaCO3 和 Mg2PO4OH 等矿物成分，这些成分能够释放 CO3 2-、PO4 3- 和 OH- 等离子，这些离子可以与重金属结合，形成沉淀，改变重金属的形态，进而影响重金属在土壤中的有效性[41]；施加生物炭（生物炭含有大量有机碳）有助于提升土壤中有机碳的含量，加速土壤团聚体的生成，并促使土壤中的重金属离子与有机质发生反应，从而降低土壤中重金属的生物有效性[42]。
4 结论
（1）磷酸改性后玉米秸秆生物炭表面变得更为平滑，其孔隙结构也更为丰富、大孔结构更为明显，具有更多的吸附位点；磷酸改性使得生物炭部分原有官能团数量增多，并产生 P-O-P 键。
（2）施用生物炭和改性生物炭能显著提升土壤 pH 值和有机质含量。其中生物炭和改性生物炭在 100 g/kg 施用量下提升效果最显著。不同施用量的生物炭和改性生物炭均明显降低土壤有效态镉含量，同一施用量下，其降低效果均表现为改性生物炭处理优于生物炭处理。
（3）不同施用量的生物炭和改性生物炭不仅均显著降低小白菜可食部镉含量，还显著降低小白菜可食部镉富集系数和转运系数，其中施用 100 g/kg 的改性生物炭对小白菜可食部镉含量、根部镉富集系数、可食部镉富集系数和转运系数的降低效果最好。总之，磷酸改性生物炭处理对小白菜镉吸收的阻控效果表现优于生物炭处理。
