铜是植物必需的微量元素之一，适量的铜可以促进植物的生长和发育^[1]，但铜过量也会对植物有很高的毒性，致使植物体内代谢紊乱，影响植物的品质和产量^{[2, 3, 4, 5]}。有研究表明，当铜浓度高于100 mg·kg^-1时，小白菜的生物量明显下降^[6]。当铜浓度在50~800 mg·kg^-1的污染水平时，油菜幼苗的鲜重等一系列指标呈逐渐下降的趋势^[7]。土壤重金属污染具有持久性，难以去除或者降解的特点。因此，许多技术被用来修复重金属污染土壤，包括物理修复^[8]、化学修复^[9]、电动修复^[10]、生物修复^{[11, 12]} 以及其他复合修复技术^[13]。这些修复方法能够在一定程度上降低重金属的移动性和生物有效性，但是却也存在破坏土壤性质，造成二次污染等问题^[14]。而化学固定/钝化技术因其在土壤原位中进行，具有修复速率快、成本低、周期短、操作简单等优点而被广泛应用^{[15, 16]}。

生物炭具有含碳量高、孔状结构丰富和较大的比表面积等特性，这些特性使它拥有较强的吸附能力，并被广泛的应用于农业、生态修复以及环境保护等领域。生物炭在农业领域上的应用主要是作为改良剂来增加土壤肥力以促进作物的生长和产量的提高^{[17, 18]}。Chintala等^[19]研究在酸性土壤和碱性土壤中分别加入玉米秸秆炭、松木炭和柳枝稷炭，3种生物炭都可不同程度地增加酸性土壤的pH值，并且随着用量的增加pH值呈上升趋势。Fellet等^[20]通过向含重金属的尾矿中添加0~10%的果木枝条生物炭，发现生物炭的施用量越高，土壤可溶出的Cd、Pb、Zn越少。Xu等^[21]通过向受Cu、Pb、Cr污染的土壤中添加花生壳生物炭和油菜秸秆生物炭，发现生物炭增加了土壤对Cu、Pb、Cr的吸附能力。张振宇^[22]通过向重金属镉污染土壤中施入不同的生物炭量发现，生物炭可以消减水稻地上不同部位的镉积累量。此外，生物炭作为一种廉价的强力吸附材料，应用于原位修复污染土壤，如对Cu、Cd、As等重金属污染的修复，也是目前环境保护的研究热点。常见的用于污染修复生物炭有作物秸秆炭、竹炭、稻壳炭，也有一些动物粪便烧制的生物炭^{[23, 24, 25]}，但是对于利用商陆炭修复土壤重金属污染的文章还鲜有见报。有研究表明，经锰氧化物改性过后的生物炭能够显著降低红壤中铜有效性^[26]，而商陆是一种锰超积累植物，并且污染矿区中的超积累植物利用过后并未有相应的后续处理。因此，本文选取产量较大的玉米秸秆和采自锰污染矿区的植物商陆，并将其根制成生物炭，向铜污染土壤中施加两种生物炭以探究其对于铜污染土壤中小油菜生物量、重金属累积量、土壤pH值、以及土壤有效态铜含量的影响，以期寻找一种高效治理土壤重金属污染的材料并为蔬菜安全生产提供依据和参考。

供试土壤采自江西鹰潭农田(28°15′37.87″N，117°04′14.02″E)，为0~20 cm耕层的红壤，黏土矿物以高岭石为主，并含有较多的氧化铁和氧化铝。土壤风干，过1 mm尼龙筛以备用。红壤的基本理化性质见表 1。具体测定方法参见土壤农业化学分析方法^[27]。向土壤中添加外源铜水平分别为50、100 mg·kg^-1，采用逐步稀释法向土壤中添加硝酸铜溶液，并保持土壤水分在田间持水量的60%~70%，在室温避光条件下平衡培养8周，风干混匀后，备用。

表 1 土壤基本理化性质 Table 1 Physical and chemical properties of tested soil

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供试蔬菜品种为四月慢小油菜(Brassica campestris,L varConmunis)，购自天津市种子公司。

供试生物炭为商陆根源生物炭、玉米源生物炭，以下简记为商陆炭、玉米炭。将商陆根和玉米秸秆磨碎过筛，在马弗炉内，在300 cm³·min^-1氮气流速保护下600 ℃热解2 h，冷却至室温后过100目筛备用。玉米炭、商陆炭的性质见表 2。

表 2 玉米源生物炭和商陆根源生物炭基本理化性质 Table 2 Physicochemical characteristics of maize biochar and phytolacca root biochar composite

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试验于2015年5—7月在农业部环境保护科研监测所的玻璃温室内进行。

采用盆栽实验。商陆炭和玉米炭的施配比例为0、1%(W/W)、2%(W/W)、4%(W/W)，添加尿素、磷酸二氢钾和硫酸钾使各处理氮、磷、钾保持一致，分别为0.2、0.1、0.2 g·kg^-1，充分混匀后将受试土壤分装于高10 cm、直径16.7 cm塑料小桶中，每桶装土1.0 kg。小油菜于2015年5月初播种，在生长15 d后间苗，每盆留长势均一的苗3株，每组试验重复3次。小油菜在生长期间，按重量法，每日以去离子水补充水分，其他按常规管理。出苗8周后收获，测定其相应指标。

小油菜采收后，将土壤取出晾干，并磨碎过2 mm筛备用。土壤样品的基本理化性质按常规方法测定^[27]。土壤pH值以电位测定法测定，土水比为1：2.5。土壤EDTA可提取态Cu含量测定：称取5.00 g土壤于小塑料瓶中，加入25 mL 0.05 mol·L^-1 EDTA-2Na盐溶液，置于SKY-2102C往复振荡器中180 r·min^-1振荡2 h。经过滤后，用Zeenit 700原子吸收测定滤液中Cu的含量。

植物样品的Cu含量测定：称取0.250 0 g经粉碎处理的植物地上部样品于微波消解罐中，加入7.0 mL硝酸，浸泡0.5 h，然后加入1.0 mL过氧化氢，拧上罐盖，进行微波消解。消解后取出消解罐，置于智能控制电加热器上赶酸至近干，将管中溶液转移至25 mL容量瓶中，定容、过滤后，用原子吸收测定Cu含量。

数据分析处理采用软件 Excel 2010 和SPSS 19.0软件进行数据处理，利用新复极差法(Duncan法)检验不同处理之间的差异显著性(P < 0.05)。作图采用软件Origin 8.6处理。

由表 3可以看出，不同生物炭类型、不同炭添加量之间差异达到显著性水平。在未受铜污染的空白土壤中，小油菜涨势较弱，添加生物炭后可明显增加小油菜的生物量，且随着添加量的增加而增大。4%的玉米炭和商陆炭处理的小油菜生物量较对照分别增加了15.4倍和20.9倍；低铜和高铜污染水平下的趋势与空白组相似，未添加生物炭的土壤中的小油菜植株矮小，叶片泛白，受到严重的抑制。其中在低铜污染下，4%玉米炭和商陆炭处理小油菜生物量较对照处理分别提高21.2倍和67.9倍，但在高铜污染下，玉米炭处理小油菜的生物量的增加并不显著，4%玉米炭处理小油菜生物量较对照增加了8.6倍，而4%商陆炭处理小油菜的生物量较对照增加了109.6倍，可见两种生物炭均能够增加小油菜的生物量，但商陆炭的效果更好。

表 3 不同生物炭处理对油菜生物量的影响 Table 3 Effects of different biochar treatments on biomass of rape

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添加生物炭对土壤的pH值影响见图 1。与空白相比，添加生物炭会显著增加土壤的pH值，并且随着生物炭用量的增加而递增。但是玉米炭的添加对于对照组中土壤pH值的增加效果并不显著，玉米炭处理土壤pH值升高了0.09~0.32，商陆炭处理增加了0.37~1.53个单位；低铜处理中玉米炭处理土壤pH值增加了0.15~0.31个单位，商陆炭处理增加了0.4~1.66个单位；高铜污染土壤中玉米炭处理土壤pH值增加了0.03~0.27个单位，商陆炭处理增加了0.33~1.52个单位。其中，低污染土壤pH值高于空白水平，高污染土壤中pH值低于空白水平。

不同小写字母表示同一土壤污染程度不同处理间差异显著(P < 0.05)。下同炭添加量/% 图 1 不同生物炭处理对土壤pH值的影响 Figure 1 Effects of different biochar treatments on soil pH value

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由图 2可以看出，两种生物炭的添加均会降低土壤有效态铜的含量。在对照中添加生物炭对土壤有效态铜含量的影响不明显。在低铜处理中，玉米炭处理土壤有效态铜含量下降11.6%~21.9%，商陆炭处理的土壤有效态铜含量下降27.5%~45.2%。在高铜污染中，玉米炭处理土壤有效态铜含量降低9.5%~41.9%，商陆炭处理的土壤有效态铜含量下降了39.2%~53.8%。添加商陆炭土壤有效态铜含量显著低于玉米炭。

图 2 不同生物炭处理对土壤有效态铜含量的影响 Figure 2 Effects of different biochar trearments on soil available Cu content

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图 3为收获后的小油菜地上部铜累积量随外源铜以及生物炭添加的变化趋势。由图 3可以看出，向不同铜污染程度的土壤中添加生物炭后，均能够影响小油菜地上部铜含量。其中，在未受铜污染土壤中，两种生物炭处理的小油菜地上部中铜含量变化并不大；在低铜污染土壤中，1%的玉米炭处理小油菜地上部中铜含量较对照有所增加，但随着玉米炭用量的增加，油菜地上部铜含量下降。商陆炭处理的小油菜铜累积量随着商陆炭用量的增加显著下降，与对照相比，小油菜地上部铜含量降低了36.6%~67.8%；在高铜污染土壤中，添加玉米炭的效果并不显著，小油菜地上部铜的含量较对照降低了7.1%~19.9%，商陆炭能够显著降低油菜地上部的铜含量，较对照降低了55.6%~66.8%。

图 3 不同生物炭处理对小油菜地上部铜含量的影响 Figure 3 Effects of different biochar treatments on Cu content of rape above ground

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许多研究表明，向土壤添加生物炭可增加作物产量。如Graber等^[28]认为施加生物炭能够增加土壤微生物群落，因此提高植物的生物量。王典等^[29]研究发现，向黄棕壤中添加1%的生物炭可以显著增加油菜籽粒的产量，比对照提高了114.8%。本试验中，向土壤中施用玉米炭和商陆炭，均能够增加小油菜的生物量，并且随着施用量的增加而递增。空白土壤中小油菜的生物量较低，究其原因，可能是铝离子的作用，影响了小油菜的生长^[30]。由于供试土壤呈酸性(pH=4.51)，其盐基饱和度低和铝离子的饱和度较高，可对植物产生铝毒害作用^[31]，因此尽管向对照土壤中施加化肥，小油菜生物量仍然很低。向土壤中施加生物炭会提高土壤pH值，从而减轻铝毒害作用，因此小油菜的生物量显著增加，这与朱盼等^[32]的研究结果类似，施用生物炭后，烟草株高、茎粗和叶片数目等农艺性状明显改善，生物量显著提高，并能够提高红壤pH值，降低其交换性铝含量。生物炭能够促进作物生物量的增加，首先是因为生物炭作为一种土壤改良剂，能够调控土壤营养元素循环，改善土壤肥力^{[33, 34]}；其次由于生物炭的特殊结构，能改善微生物环境理化性质，提高微生物活性^[35]；第三，由于生物炭具有较大的比表面积和孔隙结构，通过吸附等作用或是通过植物体内的迁移平衡、以及植物与土壤之间的平衡分配，对土壤中的重金属产生一定的稀释作用^{[36, 37]}，从而影响了作物的生长。但是也有研究发现生物炭对作物产量的提高并没有作用，Asai等^[38]向水稻中添加0~16 t·hm^-2的生物炭，发现在低氮水平下，生物炭并没有提高水稻产量。Van等^[39]在酸性土壤上施加造纸废料烧制的生物炭能够增加小麦和萝卜的生物量，而在碱性土壤上却降低了小麦和萝卜的生物量。在本研究中添加商陆炭的小油菜的生物量显著高于玉米炭，说明生物炭对作物的生长和产量的提高是多方因素综合作用的结果。

生物炭能够提高土壤的pH值，除了因为生物炭中含有一定的碱性物质^[40]，通过中和部分土壤酸度，提高土壤pH值，还因为土壤的酸碱性是由K⁺、Ca²⁺、Na⁺、Mg²⁺等盐离子所支配，而生物炭中含有丰富的盐离子，这些离子可以降低交换性氢离子和铝离子，从而提高土壤pH值 ^[39]。有研究指出，油菜种子萌发和幼苗生长的最适pH值是6，在该pH值下，脂肪酶、蛋白酶和淀粉酶活力均最高，贮存物质分解速度较快^[41]。本文中在未受铜污染的土壤中添加玉米炭和商陆炭土壤pH值从4.50分别升高到4.82和6.03，在低铜污染水平中和高污染水平下也分别升高到4.82和6.17、4.70和5.95，可以看出，向土壤中添加玉米炭和商陆炭都能够提高土壤的pH值，而商陆炭的添加能够使土壤pH值达到小油菜生长的最佳条件，因而显著增加了小油菜的生物量。黄超等^[42]向红壤中添加生物炭也得到相同的结果。

试验用的商陆是从湘潭锰矿恢复区采集而来，土壤污染主要以锰、铅污染为主。商陆对锰有超富集作用，根部锰含量为2 000 mg·kg^-1左右，铅的含量为10 mg·kg^-1，镉含量为0.95 mg·kg^-1。制成生物炭后，锰的含量为1.23%，铅、镉含量分别为64.3 mg·kg^-1和5.86 mg·kg^-1。因此，按4%的生物炭用量计算，每公斤土施用40 g生物炭会带进2.57 mg铅、0.23 mg镉，施用到土壤中的铅镉含量很低，可以忽略不计。向土壤中添加两种生物炭均能够降低土壤有效态铜的含量以及植物体内的铜累积量，并且随着生物炭用量的增加下降幅度增大。其中，在未受铜污染红壤中，加入生物炭，通过缓解红壤铝毒效应，促进小油菜的生长；而在铜污染红壤上，施入生物炭，不仅缓解了铝毒毒害作用，更为重要的是，施用生物炭后，提高了土壤pH值。土壤pH值是影响土壤铜有效性的重要因素之一^[43]，对铜在土壤中的行为变化起主要作用^[44]。由于生物炭提高了土壤pH值，一方面可以促使重金属降低小油菜对铜的吸收，缓解铜离子对小油菜的毒害离子形成碳酸盐或磷酸盐等沉淀，或者是增加了土壤中某些活性位点，不仅降低重金属离子的活性，减轻了有害的重金属元素对作物的毒害作用，还能够增加植物对有益营养元素的摄取，从而促进植株的生长。另一方面，生物炭表面的官能团也可以和重金属离子结合形成络合物，降低了植物对重金属的富集程度^{[45, 46, 47]}，这与匡崇婷等^[48]在铜、锌污染的红壤水稻土施用生物炭的研究结果一致。唐行灿等^[49]通过向外源铜污染土壤施加生物炭后，也发现土壤铜形态发生钝化，并且小白菜可食用部分铜含量显著下降。而商陆炭的效果显著好于玉米炭，这可能是因为商陆炭富含锰元素，并与氧元素结合形成锰氧化物，从而降低了红壤中铜的有效性以铜在植物体内的累积。

(1)两种生物炭均能够促进小油菜的生长，增加小油菜的生物量，而商陆炭的效果显著好于玉米炭。其中，向低铜污染水平的红壤中施加4%的玉米炭和商陆炭，小油菜生物量较对照处理分别增加了21.2倍和67.9倍；向高铜污染水平的土壤中施加玉米炭效果并不显著，而4%商陆炭处理小油菜生物量较对照增加了109.6倍。

(2)两种生物炭均能够不同程度的增加土壤pH值，并使铜形态钝化，降低土壤有效态铜的含量。其中，在高污染水平土壤上添加4%的玉米炭和商陆炭土壤pH值分别增加了0.27、1.52个单位，土壤有效态铜含量分别下降了41.9%、53.8%。可以看出，商陆炭的效果显著好于玉米炭。

(3)两种生物炭均能够降低铜在小油菜体内的累积量。其中，在高铜污染土壤中，添加玉米炭的效果并不显著，而商陆炭能够显著降低油菜地上部铜的含量，较对照降低了55.6%~66.8%。

(4)综合来看，商陆炭对于铜污染土壤的修复以及植物生长具有较好的效果，因此，可以将商陆炭作为一种土壤改良剂，尝试进行大田试验来进一步研究。