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2.3生物炭对土壤养分的影响
土壤养分是土壤肥力的物质基础。生物炭的多孔特性能截留更多的养分,施入土壤后通过缓解土壤养分流失来影响养分在土壤中的含量。生物炭施用对土壤有效磷和速效钾含量的改变各不相同。研究发现,各处理生物炭均能提高土壤有效磷的含量,当施用量为10 t˙hm-2时,生物炭对土壤有效磷的提高效果最好,T2、T4、T5 处理之间差异并不明显。土壤速效钾含量的提升则随生物炭的增加而增加,当施用量达到30 t˙hm-2 时,速效钾含量是CK 处理的3.1 倍,达到292.70 mg˙kg-1(图 4)。相对于种植玉米前采集的原土,未施用生物炭处理(CK)土壤速效钾含量也有所提升,可能是田间管理常规施肥所致。土壤碱解氮含量最高的是T2 处理,达到164.50 mg˙kg-1,而最低为T4 处理的140.00 mg˙kg-1,不同生物炭施用量对土壤碱解氮含量的影响并不显著。生物炭特别是植物来源的生物炭含有丰富的钾元素,本试验所使用的生物炭速效钾含量高达3416.95 mg˙kg-1,施用于土壤中显著提高了土壤速效钾含量。
2.4生物炭对植物吸收重金属的影响
不同用量生物炭处理均能降低土壤有效铅和有效镉的含量,降低幅度最为明显的是T4 处理,有效铅由CK 的352.7 mg˙kg-1 降低为312.9 mg˙kg-1,而有效镉由CK 的5.44 mg˙kg-1 降低为4.14 mg˙kg-1,降低幅度分别为11.3%和23.9%。而对于作物地上部,各处理均能有效降低Pb、Cd 在玉米粒、玉米芯、玉米叶和玉米秆中的累积,以最重要的可食部分玉米粒为例,当施用量为20 t˙hm-2 时(T4),玉米粒中Pb 的含量为0.39 mg˙kg-1,相对于CK 处理的0.77 mg˙kg-1,降低幅度高达49.4%;玉米粒中Cd 的含量为0.59 mg˙kg-1,相对于CK 处理的1.08 mg˙kg-1, 降低幅度高达45.4%。虽然根据食品安全国家标准《食品中污染物限量》(GB 2762—2012)的要求(铅≤0.2 mg˙kg-1;镉≤0.1 mg˙kg-1),各处理玉米粒重金属含量均超标,但两种常见重金属Pb 和Cd 含量比CK 处理降低的幅度均接近一半,说明生物炭有利于减少重金属在植物体内的输送和积累。
图 5 和图 6 分别为Pb 和Cd 在玉米地上各部位的分布,对于Pb 而言,更多地富集于玉米秆中,其次为玉米叶。T2~T5 各处理随生物炭用量的增加,玉米地上部Pb 的总含量呈降低趋势,但是T2 处理比CK 更容易富集Pb。而对于Cd 来说,更容易富集的部位是玉米叶,其次为玉米秆,生物炭处理后玉米均不容易富集Cd,T5 处理Cd 的总含量仅为CK 的46.33%。不管是Pb 还是Cd,其在最重要的可食部位玉米粒中的含量均最少。生物炭富含各种官能团,在添加到土壤中后,会与土壤中的Pb 和Cd 结合,降低其可移动性和生物有效性。另外,生物炭的碱性属性也会提升土壤的pH,从而影响Pb、Cd 的水解平衡,使这些金属离子通过络合、沉淀等作用被固定下来。因此,通过向重金属污染土壤中施入生物炭,可以增强土壤的吸附性能,消减土壤环境中重金属向水体和生物体迁移的能力,降低其生物有效性,不失为一种快捷有效的土壤改良与环境治理手段。
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