留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

生物炭和菌肥对土壤镉形态和棉花镉吸收的影响

钟明涛 李维弟 朱永琪 王金刚 田甜 王海江

钟明涛, 李维弟, 朱永琪, 王金刚, 田 甜, 王海江. 生物炭和菌肥对土壤镉形态和棉花镉吸收的影响[J]. 土壤通报, 2022, 53(5): 1172 − 1181 doi: 10.19336/j.cnki.trtb.2021102602
引用本文: 钟明涛, 李维弟, 朱永琪, 王金刚, 田 甜, 王海江. 生物炭和菌肥对土壤镉形态和棉花镉吸收的影响[J]. 土壤通报, 2022, 53(5): 1172 − 1181 doi: 10.19336/j.cnki.trtb.2021102602
ZHONG Ming-tao, LI Wei-di, ZHU Yong-qi, WANG Jin-gang, TIAN Tian, WANG Hai-jiang. Effects of Biochar and Microbial Fertilizer on Soil Cadmium Forms and Cotton Cadmium Uptake[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2022, 53(5): 1172 − 1181 doi: 10.19336/j.cnki.trtb.2021102602
Citation: ZHONG Ming-tao, LI Wei-di, ZHU Yong-qi, WANG Jin-gang, TIAN Tian, WANG Hai-jiang. Effects of Biochar and Microbial Fertilizer on Soil Cadmium Forms and Cotton Cadmium Uptake[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2022, 53(5): 1172 − 1181 doi: 10.19336/j.cnki.trtb.2021102602

生物炭和菌肥对土壤镉形态和棉花镉吸收的影响

doi: 10.19336/j.cnki.trtb.2021102602
基金项目: 国家自然科学基金(42161042)和兵团科技项目(2018AA004,2020AB018)资助
详细信息
    作者简介:

    钟明涛(1998−),男,湖南省醴陵市人,硕士研究生,主要从事绿洲棉田重金属污染与修复:E-mail: 1531936588@qq.com

    通讯作者:

    E-mail: wanghaijiang@shzu.edu.cn

  • 中图分类号: S156

Effects of Biochar and Microbial Fertilizer on Soil Cadmium Forms and Cotton Cadmium Uptake

  • 摘要:   目的  为了明确生物炭和菌肥修复石灰性土壤镉(Cd)污染的效果,探寻适宜石灰性土壤重金属Cd修复技术。  方法  采用盆栽的试验方法,研究施用3%的生物炭(B3)和1.5%的菌肥(M1.5)对不同外源Cd浓度(0、1、2、4 mg kg−1)石灰性土壤的pH值、Cd形态分布、酶活性以及棉花各器官Cd含量的影响。  结果  结果表明,生物炭和菌肥均能显著提高土壤的pH,但随着培养时间的延续添加改良剂处理的土壤的pH值呈现出下降的趋势:生物炭和菌肥的施用均能降低土壤可交换态Cd比例,提高土壤残渣态Cd比例,与对照相比,生物炭和菌肥处理下可交换态Cd的含量分别下降了18.42% ~ 48.46%和15.21% ~ 50.19%。生物炭和菌肥的添加显著提高土壤酶活性,其中蔗糖酶、过氧化氢酶、脲酶和碱性磷酸酶的最大增幅分别为89.1%、140.1%、39.7%和38.1%,菌肥处理总体优于生物炭处理。生物炭和菌肥的施用降低了植株各器官Cd含量,其中生物炭处理各器官中Cd含量最大降幅为34.0%,菌肥处理下最大降幅为39.5%。相关性和主成分结果表明,可交换态Cd与土壤酶活性呈显著负相关(P < 0.05),与植株根、茎和叶Cd含量呈现出显著的正相关(P < 0.05)。  结论  生物炭和菌肥作为土壤重金属钝化剂能够通过影响Cd的形态分布,从而缓解Cd对土壤酶活性的影响,降低棉花对Cd的吸收。总体来看,施加1.5%菌肥较3%生物炭在石灰性土壤Cd污染修复的效果更优。
  • 图  1  不同处理下Cd在土壤中的形态分布

    Figure  1.  Distribution of Cd in soil under different treatments

    图  2  改良剂和Cd对土壤脲酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶及过氧化氢酶活性的影响

    Figure  2.  Effects of amendments and Cd on activities of soil urease, invertase, alkaline phosphatase and catalase

    图  3  改良剂对棉花不同器官中Cd含量的影响

    Figure  3.  Effect of modifiers on Cd contents in different organs of cotton

    图  4  全培养期内各指标相关性分析

    Figure  4.  Correlation analysis of each index in the whole cultivation period

    图  5  不同采样时期主成分分析

    Figure  5.  Principal component analysis of different sampling periods

    表  1  供试材料的基本理化性质

    Table  1.   Basic physical and chemical properties of tested materials

    pH全氮
    Total N
    (g kg−1
    全磷
    Total P
    (g kg−1
    全钾
    Total K
    (g kg−1
    总碳
    Total C
    (g kg−1
    总镉
    Total Cd
    (μg kg-1
    羧基
    Carboxyl
    (mmol L−1
    内酯基
    Lactone
    (mmol g−1)
    酚羟基
    Phenolic hydroxyl
    (mmol g−1)
    供试土壤 7.76 0.46 0.82 10.35 14.73 250.00
    供试生物炭 9.50 0.89 2.54 8.62 246.83 2.00 0.20 0.25 0.21
    供试菌肥 7.80 90.00 62.40 75.40 379.10 0.10
    下载: 导出CSV

    表  2   不同处理下Cd污染水平以及改良剂的种类和施用量

    Table  2.   Cadmium pollution level, types and dosage of amendments under different treatments

    处理
    Treatment
    Cd浓度
    Cd concentration
    (mg kg−1
    生物炭
    Biochar
    (%)
    菌肥
    Microbial fertilizer
    (%)
    H0CK 0 0 0
    H0B3 0 3 0
    H0M1.5 0 0 1.5
    H1CK 1 0 0
    H1B3 1 3 0
    H1M1.5 1 0 1.5
    H2CK 2 0 0
    H2B3 2 3 0
    H2M1.5 2 0 1.5
    H4CK 4 0 0
    H4B3 4 3 0
    H4M1.5 4 0 1.5
    下载: 导出CSV

    表  3  改良剂施用对土壤pH的影响

    Table  3.   Effects of amendment application on soil pH

    处理
    Treatment
    培养时间(d)
    Cultivation time
    30 d60 d90 d120 d
    H0CK 7.60 ± 0.18 d 7.63 ± 0.06 d 7.61 ± 0.08 b 7.62 ± 0.04 d
    H0B3 8.44 ± 0.02 bc 8.45 ± 0.08 a 7.99 ± 0.06 a 7.89 ± 0.04 bc
    H0M1.5 8.42 ± 0.02 c 8.37 ± 0.05 a 7.94 ± 0.02 a 7.86 ± 0.04 c
    H1CK 7.63 ± 0.09 d 7.60 ± 0.10 d 7.63 ± 0.08 b 7.66 ± 0.10 d
    H1B3 8.58 ± 0.07 a 8.18 ± 0.14 b 8.01 ± 0.04 a 7.88 ± 0.08 bc
    H1M1.5 8.57 ± 0.01 ab 7.92 ± 0.12 c 7.95 ± 0.01 a 7.85 ± 0.11 c
    H2CK 7.65 ± 0.02 d 7.62 ± 0.08 d 7.64 ± 0.08 b 7.67 ± 0.04 d
    H2B3 8.45 ± 0.11 bc 8.02 ± 0.10 bc 7.99 ± 0.11 a 7.99 ± 0.03 ab
    H2M1.5 8.47 ± 0.01 abc 7.95 ± 0.12 c 7.98 ± 0.04 a 7.95 ± 0.02 abc
    H4CK 7.66 ± 0.03 d 7.65 ± 0.06 d 7.64 ± 0.11 b 7.69 ± 0.03 d
    H4B3 8.51 ± 0.03 abc 8.17 ± 0.14 b 7.99 ± 0.05 a 8.04 ± 0.08 a
    H4M1.5 8.40 ± 0.02 c 8.08 ± 0.13 bc 8.03 ± 0.08 a 7.99 ± 0.06 ab
      注:不同的小写字母表示不同处理间的差异显著(P < 0.05); **表示在0.01水平上差异极显著;*表示在0.05水平上差异显著;ns表示差异不显著,下同。
    下载: 导出CSV
  • [1] 环境保护部, 国土资源部. 全国土壤污染状况调查公报[R]. 中国: 环境保护部国土资源部, 2014.
    [2] 王泓博, 苟文贤, 吴玉清, 等. 重金属污染土壤修复研究进展: 原理与技术[J]. 生态学杂志, 2021, 40(8): 2277 − 2288.
    [3] 徐美丽, 陈永光, 肖荣波, 等. 生物炭对土壤有效态重金属的作用机制进展[J]. 环境工程, 2021, 39(08): 165-172 + 226. .
    [4] Yu X N, Zhou H J, Ye X F, et al. From hazardous agriculture waste to hazardous metal scavenger: Tobacco stalk biochar-mediated sequestration of Cd leads to enhanced tobacco productivity[J]. Journal of Hazardous Materials, 2021, 413: 125303. doi: 10.1016/j.jhazmat.2021.125303
    [5] 周 媛. 秸秆生物炭改良土壤和修复重金属污染的效能与机制[D]. 北京: 北京林业大学, 2020.
    [6] Vassiley N, Vassileva M, Lopez A, et al. Unexploited potential of some biotechnological techniques for biofertilizer production and formulation[J]. Appl Microbiol Biotechnol, 2015, 99: 4983 − 4996. doi: 10.1007/s00253-015-6656-4
    [7] Zouboulis A I, Loukidou M X, Matis K A. Biosorption of toxic metals from aqueous solutions by bacteria strains isolated from metal-polluted soils[J]. Process Biochem, 2004, 39: 909 − 916. doi: 10.1016/S0032-9592(03)00200-0
    [8] 王 垚, 胡 洋, 马友华, 等. 生物炭对Cd污染土壤有效态Cd及土壤酶活性的影响[J]. 土壤通报, 2020, 51(4): 979 − 985.
    [9] 王 垚. 生物炭对两种Cd污染土壤的修复效果研究[D]. 安徽: 安徽农业大学, 2020.
    [10] Shang C, Chen A, Chen G, et al. Microbial Biofertilizer Decreases Nicotine Content by Improving Soil Nitrogen Supply[J]. Appl Biochem Biotechnol, 2017, 181: 1 − 14. doi: 10.1007/s12010-016-2195-4
    [11] 刘师豆, 朱新萍, 韩耀光, 等. 棉秆炭对碱性水稻土壤-水稻中Cd迁移转化的阻控作用[J]. 环境科学, 2020, 41(4): 1871 − 1879.
    [12] 张德林, 余星语, 喻 文, 等. 3种微生物菌肥对川芎生长发育、产质量和Cd富集的影响[J]. 中国实验方剂学杂志, 2022, 28(5): 124 − 132.
    [13] Jing F, Chen X, Yang Z, et al. Heavy metals status, transport mechanisms, sources, and factors affecting their mobility in Chinese agricultural soils[J]. Environmental Earth, 2018, 77(3): 104. doi: 10.1007/s12665-018-7299-4
    [14] 徐启胜, 李雨晴, 陈 燕, 等. 我国中南地区土壤重金属污染状况及其空间分布研究[J]. 北方农业学报, 2018, 46(3): 93 − 100. doi: 10.3969/j.issn.2096-1197.2018.03.18
    [15] 唐熙雯, 周 旋, 黄凤球, 等. 不同污染程度耕地下稻米Cd综合治理效果研究[J]. 生态与农村环境学报, 2020, 36(10): 1339 − 1346.
    [16] 张 妍, 张 磊, 程红光, 等. 南方某矿区土壤Cd污染及作物健康风险研究[J]. 农业环境科学学报, 2020, 39(12): 2752 − 2761. doi: 10.11654/jaes.2020-0485
    [17] ISO 10390: 2005 Soils quality Determination of pH[S].
    [18] Tessier A, Campbell P G, Bisson M, et al. Sequential Extraction Procedure for the Speciiiiation of Particulate Trace Metals[J]. Analytical Chemistry, 1979, 51(7): 19 − 32.
    [19] 关松荫. 土壤酶及其研究方法[M] . 北京: 农业出版社, 1986.
    [20] Bandare T, Herath I, Kumarathilaka P, et al. Efficacy of woody biomass and biochar for alleviating heavy metal bioavailability in serpentine soil[J]. Environmental Geochemistry & Health, 2017, 39(02): 391 − 401.
    [21] 杨 洁, 瞿 攀, 王金生, 等. 土壤中重金属的生物有效性分析方法及其影响因素综述[J]. 环境污染与防治, 2017, 39(2): 217 − 223.
    [22] 和君强, 贺前锋, 刘代欢, 等. 土壤Cd食品卫生安全阈值影响因素及预测模型−以长沙某地水稻土为例[J]. 土壤学报, 2017, 54(5): 1181 − 1194.
    [23] 黄 康, 谭中欣. 生物炭原位钝化修复重金属污染农田的技术集成与示范[A]. 中国环境科学学会、同济大学、清华大学、湖南农业大学. 2020年全国有机固废处理与资源化利用高峰论坛论文集[C]. 中国环境科学学会、同济大学、清华大学、湖南农业大学: 中国环境科学学会, 2020: 9.
    [24] 丁 园, 敖师营, 陈怡红, 等. 4种钝化剂对污染水稻土中Cu和Cd的固持机制[J]. 环境科学, 2021, 42(8): 4037 − 4044.
    [25] 梁仲哲, 齐绍武, 淡俊豪, 等. 生物炭对Cd胁迫下烟草Cd含量动态变化及土壤理化性质的影响[J]. 江苏农业科学, 2018, 46(1): 56 − 59.
    [26] Ahmad M, Moon D H, Vithangage M, et al. Production and use of biochar from buffalo‐weed (Ambrosia trifida L. ) for trichloroethylene removal from water[J]. Journal of Chemical Technology & Biotechnology, 2014, 89(1): 150 − 157.
    [27] 马二磊, 黄芸萍, 臧全宇, 等. 4种微生物菌剂对多年连作甜瓜土壤理化性质的影响[J]. 浙江农业科学, 2021, 62(6): 1129 − 1132.
    [28] Blaya J, Lloret E, Ros M, et al. Identification of predictor parameters to determine agro-industrial compost suppressiveness against Fusarium oxysporum and Phytophthora capsici diseases in muskmelon and pepper seedlings[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture, 2015, 95: 1482 − 1490. doi: 10.1002/jsfa.6847
    [29] Song N, Ma Y, Zhao Y, et al. Elevated ambient carbon dioxide and Trichoderma inoculum could enhance cadmium uptake of Lolium perenne explained by changes of soil pH, cadmium availability and microbial biomass[J]. Applied Soil Ecology, 2015, 85: 56 − 64. doi: 10.1016/j.apsoil.2014.09.007
    [30] Han H, Cal H, Wang Xu, et al. Heavy metal-immobilizing bacteria increase the biomass and reduce the Cd and Pb uptake by pakchoi (Brassica chinensis L. ) in heavy metal-contaminated soil[J]. Ecotoxicologyand Environmental Safety, 2020, 195: 110375. doi: 10.1016/j.ecoenv.2020.110375
    [31] 吕金岭, 李太魁, 寇长林. 生物质炭和微生物菌肥对酸化黄褐土农田土壤改良及玉米生长的影响[J]. 河南农业科学, 2021, 50(6): 61 − 69.
    [32] 窦韦强, 安 毅, 秦 莉, 等. 土壤pH对Cd形态影响的研究进展[J]. 土壤, 2020, 52(3): 439 − 444.
    [33] 李鸿博, 钟 怡, 张昊楠, 等. 生物炭修复重金属污染农田土壤的机制及应用研究进展[J]. 农业工程学报, 2020, 36(13): 173 − 185. doi: 10.11975/j.issn.1002-6819.2020.13.021
    [34] 程为波, 杨丽娟. 重金属污染环境的微生物修复原理研究[J]. 中国资源综合利用, 2019, 37(6): 164 − 166. doi: 10.3969/j.issn.1008-9500.2019.06.054
    [35] 杨娇娇, 柴冠群, 刘桂华, 等. 微生物肥料修复重金属污染土壤研究进展[J]. 山地农业生物学报, 2019, 38(6): 37 − 42.
    [36] 黄云凤, 高 扬, 毛 亮, 等. Cd、Pb单一及复合污染下土壤酶生态抑制效应及生态修复基准研究[J]. 农业环境科学学报, 2011, 30(11): 2258 − 2264.
    [37] Hu X F, Jiang Y, Shu Y, et al. Effects of mining wastewater discharges on heavy metal pollution and soil enzyme activity of the paddy fields[J]. Journal of Geochemical Exploration, 2014, 147: 139 − 150. doi: 10.1016/j.gexplo.2014.08.001
    [38] Cui J, Wang W, Peng Y, et al. Effects of simulated Cd deposition on soil Cd availability, microbial response, and crop Cd uptake in the passivation-remediation process of Cd-contaminated purple soil[J]. Science of The Total Environment, 2019, 683: 782 − 792. doi: 10.1016/j.scitotenv.2019.05.292
    [39] 廖 洁, 王天顺, 范业赓, 等. Cd污染对甘蔗生长、土壤微生物及土壤酶活性的影响[J]. 西南农业学报, 2017, 30(9): 2048 − 2052.
    [40] 黄家庆, 赖永翔, 翁伯琦, 等. 花生壳生物炭对Cd污染菜园土壤细菌群落结构的影响[J]. 应用与环境生物学报, 2020, 26(5): 1115 − 1128.
    [41] 李晓越, 段淑辉, 周志成, 等. 不同微生物肥对植烟区Cd污染土壤的修复效果[J]. 地学前缘, 2018, 25(5): 314 − 322.
    [42] 陆 琴, 李冬琴. 土壤酶及其生态指示作用研究进展[J]. 安徽农业科学, 2020, 48(18): 14 − 17. doi: 10.3969/j.issn.0517-6611.2020.18.005
    [43] 李 超, 艾绍英, 唐明灯, 等. 矿物调理剂对稻田土壤Cd形态和水稻Cd吸收的影响[J]. 中国农业科学, 2018, 51(11): 2143 − 2154. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2018.11.012
    [44] 李 玲. Cd胁迫对陆地棉生长发育、产量和品质的影响及其耐Cd性的遗传研究[D]. 浙江: 浙江大学, 2012.
    [45] Yang J, Sun L, Shen X, et al. Effects of exogenous addition of cadmium on cadmium speciation in hyperaccumulator of Sedum alfredii Hance[J]. E3S Web of Conferences, 2021, (24): 03016.
    [46] 龚 力, 姚旭松. 不同Cd化合物对土壤Cd形态变化的影响研究[J]. 四川农业科技, 2019, (2): 31 − 34. doi: 10.3969/j.issn.1004-1028.2019.02.014
    [47] 闵 涛, 罗 彤, 陈丽丽, 等. 溶解性有机质强化棉花修复Cd污染土壤[J]. 环境科学, 2022, 43(3): 1577 − 1583.
    [48] He T , Meng J , Chen W , et al. Effects of Biochar on Cadmium Accumulation in Rice and Cadmium Fractions of Soil: A Three-Year Pot Experiment[J]. Bioresources, 2016, 12(1).
    [49] 王金刚, 田 甜, 王海江, 等. 生物质炭对棉花生长发育及地上部各器中Cd富集的影响[J]. 西北农业学报, 2020, 29(5): 687 − 699.
    [50] 任秀娟, 朱东海, 高杨帆, 等. 土壤Cd处理对棉花Cd吸收及分布规律的影响[J]. 资源开发与市场, 2012, 28(03): 206 − 207 + 237.1.
    [51] 陈 悦, 李 玲, 何秋伶, 等. Cd胁迫对三个棉花品种(系)产量、纤维品质和生理特性的影响[J]. 棉花学报, 2014, 26(6): 521 − 530.
  • 加载中
图(5) / 表(3)
计量
  • 文章访问数:  182
  • HTML全文浏览量:  27
  • PDF下载量:  22
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2021-11-19
  • 录用日期:  2022-04-20
  • 修回日期:  2022-04-09
  • 刊出日期:  2022-09-30

目录

    /

    返回文章
    返回