生物炭对设施菜地土壤重金属有效性和蔬菜品质的影响机制

The excess of heavy metal content in protected vegetables is closely related to soil heavy metal contamination. Therefore, it is important to seek an economic and efficient way to control the transportation of heavy metal from soil to vegetables. Recently, the application of biochar in protected farmland soil has been conceived as a good solution due to its unique property of high adsorption. However, systematic study is lacking in how biochar properties translate into purported functions such as heavy metal sequestration. In view of this, pot trial and field experiment will be carried out in Wuhan suburb to study the effects of applying biochar on the distribution, mobility and persistence of heavy metals in different forms in greenhouse soil-vegetable system. The soil will be analyzed and the quality and yield of vegetables will also be measured in field experiment. This project aims to study the mechanism of biochar on the transportation and persistence of soil heavy metals, especially their availability in greenhouse soil-plant system. These results will provide information for applying biochar to reduce soil contamination in agricultural production.

设施菜地蔬菜重金属含量超标与土壤重金属积累密切相关，因此，寻求经济、高效控制土壤重金属向地上部运输的途径是解决设施蔬菜重金属超标的关键所在。近年来，引起世界广泛关注、具有高吸附性能的生物炭有望解决此问题。然而，生物炭作为土壤重金属改良剂是如何改善土壤重金属污染还缺乏系统研究。鉴于此，本项目拟以武汉市郊设施菜地土壤-蔬菜为研究对象，采用盆栽和大棚小区试验相结合的方法，进行生物炭对设施土壤不同形态重金属含量、分布特征、向地上部运输规律及土壤理化特性和蔬菜营养品质影响的系统研究。以期揭示生物炭施用后土壤中不同形态，尤其是生物有效态重金属含量变化及其向地上部的运输规律，阐明生物炭施用修复设施菜地重金属污染土壤和控制设施蔬菜重金属积累的机理。为指导设施菜地科学合理施用生物炭控制蔬菜重金属污染和促进农业可持续发展提供理论依据。

土壤重金属污染对农业安全生产是一个全球性的热点问题，目前我国受重金属污染的农业耕地面积占总耕地面积的1/5，严重影响了我国农业产品的食用安全性及产量。尤其是设施条件下土壤重金属污染更为严峻，造成设施种植农产品可食用部分重金属含量超过国家规定的标准，对人体健康造成不可逆转的严重伤害。因此，有效防治重金属在设施蔬菜中的积累至关重要。近年来的研究表明生物炭有望解决这一问题。因为生物炭是一种具有多孔、大比表面积，结构稳定的物质，其丰富的微孔结构和极强的吸附力，其能够起到修复重金属污染土壤，控制重金属在作物中积累的双重效果。. 基于此，本项目以设施重金属复合污染土壤-蔬菜为研究对象，深入研究了生物炭修复重金属污染设施土壤效果及控制重金属从土壤向蔬菜运输和转化机理：包括设施菜地土壤、蔬菜重金属含量及相关性特征分析，生物炭对设施菜地土壤-蔬菜重金属生物有效性及迁移规律和蔬菜营养品质及产量的影响。. 研究结果表明，设施大棚土壤表层土壤重金属Cd、Pb、Cr元素含量呈现出随着大棚种植年限增加其含量逐年增加的趋势，尤其是重金属Pb和Cr，但两者含量均在国家土壤环境质量二级标准范围之内，而Cd总含量则超出国家质量标准。关于Cd、Pb、Cr重金属不同形态含量的变化，Cd和Cr主要以残渣态为主，其次为有机结合态，而酸可提取态和氧化物结合态含量最低，说明其潜在的危害很小。Pd酸可提取态含量不高，但其与铁锰氧化物结合态比列很高，平均达到总量的65%，这表明在还原条件下，这些土壤Pb将有较高的生物有效性和较大的潜在危害。受重金属污染塑料大棚中所种植的植物可食部分重金属含量呈现出与土壤中重金属含量呈正相关特点，即土壤中的重金属含量高则所种植蔬菜可食部分含量较高，反之含量较低。在重金属中度污染土壤中添加20g/kg生物炭可以提高土壤pH值，降低重金属酸可提取态，增加有机态、氧化态和碳酸盐结合态重金属的含量从而降低重金属在土壤-植物系统的迁移而减少重金属在植物中的积累，减少重金属在植物系统中的富集。但是，在重金属重度污染土壤中，添加生物炭未能降低生菜Cd 含量，且随着生物炭施入量增加反而增加了生菜可食部分Cd含量，是未加生物炭的1.2倍。综合以上我们可以看出生物炭在一定程度上可以降低设施大棚蔬菜受重金属污染的目的。