生物炭和腐殖质治理重金属污染菜地的定位试验研究

doi:10.16258/j.cnki.1674-5906.2025.12.012

生态环境学报 ›› 2025, Vol. 34 ›› Issue (12): 1952-1961.DOI: 10.16258/j.cnki.1674-5906.2025.12.012

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生物炭和腐殖质治理重金属污染菜地的定位试验研究

吴小令¹(), 杜衍红², 窦飞², 高双全², 王向琴²^,^*()

1.深圳市生态环境智能管控中心，广东深圳 518034
2.广东省科学院生态环境与土壤研究所/华南土壤污染控制与修复国家地方联合工程研究中心/广东省农业环境综合治理重点实验室，广东广州 510650

收稿日期:2025-08-21 出版日期:2025-12-18 发布日期:2025-12-10
通讯作者: *E-mail：xqwang@soil.gd.cn
作者简介:吴小令（1973年生），女，高级工程师，主要从事环境技术论证与咨询、生态环境信息化管理等研究。E-mail: 1003405501@qq.com
基金资助:
广东省重点领域研发计划项目(2023B0202010027);国家重点研发计划项目(2022YFD1700804);“十四五”广东省农业科技创新十大主攻方向“揭榜挂帅”项目(2022SDZG08);广州市重点研发计划项目(2023B03J1286);国家茶叶产业岗位专家项目(ACRS-19)

A Long-term Positioning Experiment of Heavy Metal-Contaminated Vegetable Fields Remediated by Biochar and Humus

WU Xiaoling¹(), DU Yanhong², DOU Fei², GAO Shuangquan², WANG Xiangqin²^,^*()

1. Shenzhen Ecological Environment Intelligent Management and Control Center, Shenzhen 518034, P. R. China
2. Institute of Eco-environmental and Soil Sciences, Guangdong Academy of Sciences/National local joint Engineering Research Center for Soil Pollution Control and Remediation in South China/Guangdong Key Laboratory of Agro-Environment Integrated Control, Guangzhou 510650, P. R. China

Received:2025-08-21 Online:2025-12-18 Published:2025-12-10

摘要/Abstract

摘要： 菜地因复种指数高、长期施用农药化肥，易出现土壤重金属污染、质地板结及养分供应不足问题。虽生物炭等有机改良剂修复菜地土壤有一定成效，但在综合修复重金属污染、改善肥力及促进蔬菜产业增效提质方面仍缺乏系统研究。该研究在广州市某重金属污染菜地，连续4年（4个阶段）开展8季定位试验（萝卜、头菜各4季），4个阶段分别施用生物炭、木本泥炭，对比二者在重金属污染菜地上的综合改良效应。结果显示，材料施用4个阶段后，土壤肥力显著提升：与对照相比，生物炭处理土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量分别提升11.1%、38.5%、48.4%、56.9%；木本泥炭处理分别提升17.5%、29.1%、53.7%、106%。重金属钝化效果方面，生物炭处理有效态Cd、Pb含量较对照分别下降了51.2%、47.5%；木本泥炭处理分别下降51.2%、50.9%，同时，萝卜、头菜重金属含量显著下降，可溶性糖和Vc含量显著提升，木本泥炭效果更优：其处理下萝卜、头菜Cd含量分别降53.1%、54.0%，可溶性糖含量分别升25.9%、18.5%，Vc含量分别升12.4%、18.2%。且随试验时间延长，两种改良剂处理的蔬菜产量逐步提升。投入产出比分析显示，木本泥炭处理（1.54）>生物炭处理（1.30）>对照（1.15），木本泥炭改良效应更显著。

关键词: 重金属, 生物炭, 木本泥炭, 土壤肥力, 蔬菜

Abstract:

High multiple cropping index and long-term application of pesticides and fertilizers in vegetable fields have resulted in issues such as soil heavy metal pollution, soil compaction, and insufficient nutrient supply. In recent years, organic amendments, such as biochar, have been used to remediate vegetable field soils with certain achievements. In-depth research has been conducted on the systematic application of organic amendments to comprehensively remediate heavy metal pollution, improve soil fertility, and enhance the efficiency, quality, and economic benefits of the vegetable industry. A four-year (four-phase) long-term fixed-site experiment was conducted in a heavy metal-contaminated vegetable field in Guangzhou City, covering eight growing seasons (four seasons each for radish and head mustard). In each of the four phases, two organic amendments, namely biochar and humic substance, were applied. Their effects on soil heavy metal immobilization, fertility improvement, vegetable quality enhancement, and economic benefit increase were comparatively analyzed, and their soil remediation effects were comprehensively evaluated. The results indicated that after the implementation of the technology across the four phases, the key soil fertility indicators significantly improved. Compared with the control group, the application of biochar increased soil organic matter, alkali-hydrolyzable nitrogen, available phosphorus, and available potassium by 11.1%, 38.5%, 48.4%, and 56.9%, respectively. For the application of humic substances, these parameters increased by 17.5%, 29.1%, 53.7%, and 106%, respectively, compared to the control. The content of bioavailable heavy metals in the soil decreased significantly. Compared to the control, biochar application reduced the content of bioavailable Cd and Pb by 51.2% and 47.5%, respectively. Humic substance application led to a reduction in the content of bioavailable As and Pb by 51.2% and 50.9%, respectively, compared with the control. Meanwhile, the heavy metal content in radish and head mustard decreased significantly, while the content of soluble sugar and Vc (Vitamin C) increased significantly compared to the control. In particular, under humic substance treatment, the Cd content in radish and head mustard decreased by 53.1% and 54.0%, respectively; soluble sugar increased by 25.9% and 18.5%, respectively; and Vc increased by 12.4% and 18.2%, respectively. As project duration increased, the yields of radish and head mustard under both biochar and humic substance treatments gradually increased. The calculation of the output-input ratio showed that the ratio of humic substance treatment (1.54) was higher than that of biochar treatment (1.30), which in turn was higher than that of the control (1.15). Humic substances exhibited better and more significant effects in improving vegetable field soils. The findings of this study provide a scientific basis for the use of organic amendments to remediate heavy metal-contaminated vegetable field soils and enhance soil fertility.

Key words: heavy metals, biochar, humus, soil fertility, vegetables

中图分类号:

吴小令, 杜衍红, 窦飞, 高双全, 王向琴. 生物炭和腐殖质治理重金属污染菜地的定位试验研究[J]. 生态环境学报, 2025, 34(12): 1952-1961.

WU Xiaoling, DU Yanhong, DOU Fei, GAO Shuangquan, WANG Xiangqin. A Long-term Positioning Experiment of Heavy Metal-Contaminated Vegetable Fields Remediated by Biochar and Humus[J]. Ecology and Environmental Sciences, 2025, 34(12): 1952-1961.

图/表 7

参考文献 32

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阶段	时间	种植模式	蔬菜类	处理
第一阶段	2015年11月－2016年2月	轮作	萝卜	（1）对照；（2）生物炭；（3）木本泥炭
第一阶段	2016年2月－ 2016年5月	轮作	头菜	（1）对照；（2）生物炭；（3）木本泥炭
第二阶段	2016年11月－2017年2月	轮作	萝卜	（1）对照；（2）生物炭；（3）木本泥炭
第二阶段	2017年2月－ 2017年5月	轮作	头菜	（1）对照；（2）生物炭；（3）木本泥炭
第三阶段	2017年11月－ 2018年2月	轮作	萝卜	（1）对照；（2）生物炭；（3）木本泥炭
第三阶段	2018年2月－ 2018年5月	轮作	头菜	（1）对照；（2）生物炭；（3）木本泥炭
第四阶段	2018年11月－2019年2月	轮作	萝卜	（1）对照；（2）生物炭；（3）木本泥炭
第四阶段	2019年2月－ 2019年5月	轮作	头菜	（1）对照；（2）生物炭；（3）木本泥炭

阶段	时间	种植模式	蔬菜类	处理
第一阶段	2015年11月－2016年2月	轮作	萝卜	（1）对照；（2）生物炭；（3）木本泥炭
第一阶段	2016年2月－ 2016年5月	轮作	头菜	（1）对照；（2）生物炭；（3）木本泥炭
第二阶段	2016年11月－2017年2月	轮作	萝卜	（1）对照；（2）生物炭；（3）木本泥炭
第二阶段	2017年2月－ 2017年5月	轮作	头菜	（1）对照；（2）生物炭；（3）木本泥炭
第三阶段	2017年11月－ 2018年2月	轮作	萝卜	（1）对照；（2）生物炭；（3）木本泥炭
第三阶段	2018年2月－ 2018年5月	轮作	头菜	（1）对照；（2）生物炭；（3）木本泥炭
第四阶段	2018年11月－2019年2月	轮作	萝卜	（1）对照；（2）生物炭；（3）木本泥炭
第四阶段	2019年2月－ 2019年5月	轮作	头菜	（1）对照；（2）生物炭；（3）木本泥炭

试验阶段	指标	对照	生物炭	木本泥炭
	碱解氮	214±23b	299±17a	302±17a
第一阶段	有效磷	131±8.2b	156±4.8a	144±6.7ab
	速效钾	123±34c	189±24b	225±24a
	碱解氮	190±26b	282±20a	292±36a
第二阶段	有效磷	128±5.4b	152±10b	1434±2.4a
	速效钾	122±25c	183±14b	246±8.4a
	碱解氮	206±21b	272±12a	283±21a
第三阶段	有效磷	128±3.3b	153±9.4a	147±11a
	速效钾	122±12c	191±20b	251±17a
	碱解氮	206±7.2b	281±11a	261±16a
第四阶段	有效磷	134±5.9b	157±8.3a	143±4.3ab
	速效钾	127±13c	190±19b	261±25a

试验阶段	指标	对照	生物炭	木本泥炭
	碱解氮	214±23b	299±17a	302±17a
第一阶段	有效磷	131±8.2b	156±4.8a	144±6.7ab
	速效钾	123±34c	189±24b	225±24a
	碱解氮	190±26b	282±20a	292±36a
第二阶段	有效磷	128±5.4b	152±10b	1434±2.4a
	速效钾	122±25c	183±14b	246±8.4a
	碱解氮	206±21b	272±12a	283±21a
第三阶段	有效磷	128±3.3b	153±9.4a	147±11a
	速效钾	122±12c	191±20b	251±17a
	碱解氮	206±7.2b	281±11a	261±16a
第四阶段	有效磷	134±5.9b	157±8.3a	143±4.3ab
	速效钾	127±13c	190±19b	261±25a

试验阶段	萝卜					头菜
	对照	生物炭		木本泥炭		对照	生物炭		木本泥炭
	产量/(t∙hm⁻²)	产量/(t∙hm⁻²)	增幅/%	产量/(t∙hm⁻²)	增幅/%	产量/(t∙hm⁻²)	产量/(t∙hm⁻²)	增幅/%	产量/(t∙hm⁻²)	增幅/%
第一阶段	27.39±1.3b	31.55±0.38a	15.2	30.54±2.0a	11.5	20.54±2.16c	23.21±2.28b	13.0	24.12±1.30a	17.5
第二阶段	30.69±1.7b	38.37±3.1a	25.0	37.79±3.02a	23.1	29.51±0.81c	35.31±3.24b	19.7	52.74±3.10a	27.9
第三阶段	29.3±1.0b	39.29±2.2a	34.1	40.23±0.60a	37.3	31.55±2.22c	38.01±2.72b	20.5	39.44±1.86a	25.0
第四阶段	30.26±2.1c	38.15±1.38b	26.1	42.48±0.61a	40.4	27.56±2.58b	39.29±4.92a	42.6	42.99±4.32a	56.0

生物炭和腐殖质治理重金属污染菜地的定位试验研究

A Long-term Positioning Experiment of Heavy Metal-Contaminated Vegetable Fields Remediated by Biochar and Humus

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试验阶段	对照				生物炭				木本泥炭
试验阶段	产值/ (yuan·hm^-2)	成本/ (yuan·hm^-2)	收益/ (yuan·hm^-2)	产投比	产值/ (yuan·hm^-2)	成本/ (yuan·hm^-2)	收益/ (yuan·hm^-2)	产投比	产值/ (yuan·hm^-2)	成本/ (yuan·hm^-2)	收益/ (yuan·hm^-2)	产投比
第一阶段	3195	1794	1401	0.78	3650	2244	1406	0.63	3644	2244	1399	0.62
第二阶段	4013	1794	2219	1.24	4912	2244	2668	1.19	5035	2244	2791	1.24
第三阶段	4056	1794	2262	1.26	5153	2244	2909	1.30	5311	2244	3067	1.37
第四阶段	3854	1794	2059	1.15	5162	2244	2918	1.30	5698	2244	3454	1.54

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[5]	林泳怡, 周燕飞, 邓金环, 田纪辉, 蔡昆争. 生物炭与磷添加促进赤红壤的硅形态转化和大豆植株硅吸收转运[J]. 生态环境学报, 2025, 34(5): 710-719.
[6]	刘鸿林, 赵方凯, 杨磊, 沈琳钧, 杨恺丰, 李敏, 陈利顶. 城市公园土壤重金属污染及影响因素研究——以宁波市为例[J]. 生态环境学报, 2025, 34(5): 773-783.
[7]	崔雪丹, 段桂兰, 王向琴, 李志丰, 窦飞, 杜衍红, 袁雨珍, 刘传平, 李芳柏. 基于两地长期定位试验的铁改性木本泥炭修复中轻度镉砷污染稻田效果与土壤健康效应评价[J]. 生态环境学报, 2025, 34(4): 608-620.
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[9]	陈琳, 兰冠宇, 徐妍, 李雪, 毛雪飞. 氢键有机框架材料在环境污染物吸附和检测中的研究进展[J]. 生态环境学报, 2025, 34(3): 474-483.
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[11]	张传华, 刘力, 代杰, 李曼曼, 张凤太, 邓凌. 基于土壤重金属污染和累积性评价的耕地环境质量类别划分与风险管控[J]. 生态环境学报, 2025, 34(2): 311-320.
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[13]	赵程潇, 马江鸿, 刘虹霞, 胡静雯, 潘姿彤, 王嘉莹, 李金页. 生物炭对人工湿地的强化脱氮作用[J]. 生态环境学报, 2025, 34(12): 1985-1992.
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[15]	吉波, 程红光, 韩世明, 邢丹, 吴志兵, 张金莲, 刘芳, 朱艺, 邓丽蓉, 张晓松. 生物炭与丛枝菌根真菌对土壤中磷供应影响的研究进展[J]. 生态环境学报, 2025, 34(11): 1812-1826.

试验阶段	指标	萝卜					头菜
		对照	生物炭		木本泥炭		对照	生物炭		木本泥炭
		w/(mg·kg⁻¹)	w/(mg·kg⁻¹)	降幅/%	w/(mg·kg⁻¹)	降幅/%	w/(mg·kg⁻¹)	w/(mg·kg⁻¹)	降幅/%	w/(mg·kg⁻¹)	降幅/%
第一阶段	Cd	0.089±0.01a	0.066±0.01b	25.8	0.063±0.00b	29.2	0.116±0.02a	0.098±0.01b	15.52	0.083±0.01c	28.5
	As	0.359±0.04a	0.282±0.03b	21.5	0.227±0.26b	36.8	0.496±0.05a	0.410±0.05b	17.34	0.425±0.06b	14.3
	Pb	0.280±0.03a	0.230±0.04b	17.9	0.200±0.01c	28.6	0.350±0.04a	0.289±0.02b	17.43	0.264±0.04b	24.9
	Vc	26.6±2.20c	30.4±4.51b	−14.3	33.5±3.72a	−25.9	75.0±11.7c	81.2±12.2b	−8.27	84.6±13.5a	−12.8
	可溶性糖	2.02×10³± 0.23×10³c	2.18×10³± 0.31×10³b	−7.92	2.27×10³± 0.27×10³a	−12.4	1.26×10³± 0.17×10³b	1.36×10³± 0.26×10³a	−7.94	1.38×10³± 0.22×10³a	−9.92
第二阶段	Cd	0.103±0.00a	0.064±0.01b	37.9	0.055±0.00b	46.6	0.108±0.01a	0.078±0.01b	27.78	0.066±0.01b	38.9
	As	0.327±0.04a	0.245±0.04b	25.08	0.211±0.0.2b	35.5	0.476±0.38a	0.372±0.02b	21.85	0.327±0.04c	31.3
	Pb	0.190±0.03a	0.123±0.02b	35.3	0.117±0.01b	38.4	0.330±0.03a	0.210±0.02b	36.36	0.180±0.01b	45.5
	Vc	31.7±4.93b	33.2±5.46a	−4.73	35.2±3.60a	−11.0	82.1±15.6b	92.3±12.3a	−12.56	93.6±17.5a	−14.2
	可溶性糖	1.64×10³± 0.32×10³b	1.73×10³± 0.14×10³a	−5.30	1.82×10³± 0.30×10³a	−10.9	1.25×10³± 0.26×10³b	1.43×10³± 0.31×10³a	−14.40	1.38×10³± 0.22×10³a	−10.4
第三阶段	Cd	0.096±0.02a	0.053±0.12b	44.8	0.045±0.00b	53.1	0.113±0.01a	0.063±0.01b	44.25	0.052±0.01b	53.9
	As	0.306±0.01a	0.206±0.00b	32.9	0.186±0.02b	39.22	0.312±0.03a	0.214±0.03b	31.41	0.234±0.02b	25.0
	Pb	0.190±0.02a	0.110±0.01b	42.1	0.082±0.01b	56.8	0.210±0.02a	0.130±0.02b	38.10	0.103±0.01b	50.9
	Vc	33.7±0.11b	36.9±2.33a	−9.50	37.2±5.42a	−10.4	81.4±21.3b	94.0±12.3a	−16.05	96.0±18.3a	−18.5
	可溶性糖	1.58×10³± 0.21×10³b	1.67×10³± 0.31×10³a	−5.70	1.62×10³± 0.32×10³b	−2.53	1.54×10³± 0.27×10³b	1.76×10³± 0.16×10³a	−14.29	1.82×10³± 0.26×10³a	−18.2
第四阶段	Cd	0.121±0.02a	0.076±0.01b	37.2	0.084±0.01b	30.6	0.128±0.3a	0.082±0.01b	35.94	0.072±0.01b	43.8
	As	0.318±0.03a	0.229±0.03b	27.9	0.234±0.02b	26.4	0.323±0.03a	0.241±0.02b	25.39	0.226±0.03b	30.0
	Pb	0.197±0.02a	0.131±0.01b	33.5	0.148±0.02b	24.8	0.270±0.03a	0.180±0.01b	33.33	0.150±0.03b	44.4
	Vc	31.4±5.18a	31.8±0.45a	−1.13	31.6±3.26a	−0.76	82.3±19.6b	86.0±12.7b	−4.88	90.2±18.5a	−10.0
	可溶性糖	1.41×10³± 0.23×10³a	1.46×10³± 0.21×10³a	−3.77	1.45×10³± 0.22×10³a	−3.49	1.34×10³± 0.24×10³b	1.45×10³± 0.16×10³a	−8.21	1.39×10³± 0.27×10³b	−3.73

试验阶段	指标	萝卜					头菜
		对照	生物炭		木本泥炭		对照	生物炭		木本泥炭
		w/(mg·kg⁻¹)	w/(mg·kg⁻¹)	降幅/%	w/(mg·kg⁻¹)	降幅/%	w/(mg·kg⁻¹)	w/(mg·kg⁻¹)	降幅/%	w/(mg·kg⁻¹)	降幅/%
第一阶段	Cd	0.089±0.01a	0.066±0.01b	25.8	0.063±0.00b	29.2	0.116±0.02a	0.098±0.01b	15.52	0.083±0.01c	28.5
	As	0.359±0.04a	0.282±0.03b	21.5	0.227±0.26b	36.8	0.496±0.05a	0.410±0.05b	17.34	0.425±0.06b	14.3
	Pb	0.280±0.03a	0.230±0.04b	17.9	0.200±0.01c	28.6	0.350±0.04a	0.289±0.02b	17.43	0.264±0.04b	24.9
	Vc	26.6±2.20c	30.4±4.51b	−14.3	33.5±3.72a	−25.9	75.0±11.7c	81.2±12.2b	−8.27	84.6±13.5a	−12.8
	可溶性糖	2.02×10³± 0.23×10³c	2.18×10³± 0.31×10³b	−7.92	2.27×10³± 0.27×10³a	−12.4	1.26×10³± 0.17×10³b	1.36×10³± 0.26×10³a	−7.94	1.38×10³± 0.22×10³a	−9.92
第二阶段	Cd	0.103±0.00a	0.064±0.01b	37.9	0.055±0.00b	46.6	0.108±0.01a	0.078±0.01b	27.78	0.066±0.01b	38.9
	As	0.327±0.04a	0.245±0.04b	25.08	0.211±0.0.2b	35.5	0.476±0.38a	0.372±0.02b	21.85	0.327±0.04c	31.3
	Pb	0.190±0.03a	0.123±0.02b	35.3	0.117±0.01b	38.4	0.330±0.03a	0.210±0.02b	36.36	0.180±0.01b	45.5
	Vc	31.7±4.93b	33.2±5.46a	−4.73	35.2±3.60a	−11.0	82.1±15.6b	92.3±12.3a	−12.56	93.6±17.5a	−14.2
	可溶性糖	1.64×10³± 0.32×10³b	1.73×10³± 0.14×10³a	−5.30	1.82×10³± 0.30×10³a	−10.9	1.25×10³± 0.26×10³b	1.43×10³± 0.31×10³a	−14.40	1.38×10³± 0.22×10³a	−10.4
第三阶段	Cd	0.096±0.02a	0.053±0.12b	44.8	0.045±0.00b	53.1	0.113±0.01a	0.063±0.01b	44.25	0.052±0.01b	53.9
	As	0.306±0.01a	0.206±0.00b	32.9	0.186±0.02b	39.22	0.312±0.03a	0.214±0.03b	31.41	0.234±0.02b	25.0
	Pb	0.190±0.02a	0.110±0.01b	42.1	0.082±0.01b	56.8	0.210±0.02a	0.130±0.02b	38.10	0.103±0.01b	50.9
	Vc	33.7±0.11b	36.9±2.33a	−9.50	37.2±5.42a	−10.4	81.4±21.3b	94.0±12.3a	−16.05	96.0±18.3a	−18.5
	可溶性糖	1.58×10³± 0.21×10³b	1.67×10³± 0.31×10³a	−5.70	1.62×10³± 0.32×10³b	−2.53	1.54×10³± 0.27×10³b	1.76×10³± 0.16×10³a	−14.29	1.82×10³± 0.26×10³a	−18.2
第四阶段	Cd	0.121±0.02a	0.076±0.01b	37.2	0.084±0.01b	30.6	0.128±0.3a	0.082±0.01b	35.94	0.072±0.01b	43.8
	As	0.318±0.03a	0.229±0.03b	27.9	0.234±0.02b	26.4	0.323±0.03a	0.241±0.02b	25.39	0.226±0.03b	30.0
	Pb	0.197±0.02a	0.131±0.01b	33.5	0.148±0.02b	24.8	0.270±0.03a	0.180±0.01b	33.33	0.150±0.03b	44.4
	Vc	31.4±5.18a	31.8±0.45a	−1.13	31.6±3.26a	−0.76	82.3±19.6b	86.0±12.7b	−4.88	90.2±18.5a	−10.0
	可溶性糖	1.41×10³± 0.23×10³a	1.46×10³± 0.21×10³a	−3.77	1.45×10³± 0.22×10³a	−3.49	1.34×10³± 0.24×10³b	1.45×10³± 0.16×10³a	−8.21	1.39×10³± 0.27×10³b	−3.73