为了更好地分析评价各种生物炭及微肥处理对土壤重金属的钝化效果，以培养14 d后土壤中5种重金属Cu、Ni、Pb、Zn和Cd的有效态含量作为聚类指标，采用WARD系统聚类分析法(欧氏距离平方)，将16个处理组聚成了3大类，结果如图6所示。第1类是对重金属钝化效果最好的处理组，共6个，分别为T10(咖啡渣生物炭+铁肥)、T11(咖啡渣生物炭+锰肥)、T3(硅肥)、T8(皇竹草生物炭+锰肥)、T4(皇竹草生物炭)和T7(皇竹草生物炭+铁肥)；第2类是对重金属钝化效果中等的9个处理组，分别为T1(铁肥)、T2(锰肥)、T5(咖啡渣生物炭)、T6(花生壳生物炭)、T9(皇竹草生物炭+硅肥)、T12(咖啡渣生物炭+硅肥)、T13(花生壳生物炭+铁肥)、T14(花生壳生物炭+锰肥)和T15(花生壳生物炭+硅肥)；第3类是对照T0, 对重金属钝化效果最差。

图 6 16个处理组的聚类分析树状图Figure 6 The clustering tree of 16 treatment groups

生物炭具有较大孔隙度和比表面积，对重金属有很强的吸附能力，可降低土壤中有效态重金属含量^[21-22]。有研究证明皇竹草生物炭比花生壳生物炭颗粒更细小，其单位质量的生物炭比表面积更大；花生壳生物炭表面较光滑，而皇竹草生物炭表面较粗糙且疏松多孔^[23-24]；咖啡渣表面结构致密无孔，不利于活化剂渗透入组织结构中，但咖啡渣生物炭表面凹凸不平，结构复杂，因此吸附性能较好^[25]。生物炭的这些结构、组成差异能够对其吸附性能产生较明显的影响，施入土中将影响土壤有效态重金属的含量。本研究中，向土壤中添加皇竹草生物炭能够显著降低土壤有效态Cd、Pb、Cu和Ni含量。

施加铁肥一方面能提高土壤中的有效态Fe含量，减少膜转运蛋白OsIRT1 和OsIRT2，另一方面可与Cd²⁺竞争膜转运蛋白OsIRT1 和OsIRT2，以减少Cd的吸收^[26]。硅肥中所含的SiO 2− 3  SiO32− 与Cd、Pb和Zn等重金属发生化学反应，形成新的不易被植物吸收的硅酸化合物而沉淀下来^[27-28]。李平等^[29]已证明土壤中添加硅肥能显著降低土壤交换态Cd含量，且在15 d时达到最低值。本研究发现，铁肥、硅肥能显著降低土壤有效态Cu、Pb和Cd含量，且在14 d时降低到最小，与前人研究结果一致。

有研究证明土壤中加入紫云英在30 d时能降低土壤交换态Cd含量，而在90 d时交换态Cd含量又有显著提高，这表明添加有机物料后氧化锰结合态Cd不稳定，并向交换态Cd转化^[30]。殷飞等^[31]发现土壤中Pb和Zn的铁锰氧化物结合态、碳酸盐结合态所占比例较大，而Cd的主要赋存形态是残渣态，其次是铁锰氧化物结合态，Cu的主要赋存形态是碳酸盐结合态，其次是有机结合态，说明不同重金属在土壤中的存在形态及比例各不相同，当外源添加改良剂时可改变土壤有效态重金属含量。在本研究中，皇竹草生物炭配施铁肥以及咖啡渣生物炭配施铁肥处理后，培养14 d时土壤5种重金属Cd、Pb、Cu、Ni和Zn都分别降低，28 d时有效态Cu含量继续降低，有效态Cd含量无明显变化，但有效态Pb、Zn和Ni含量升高，分析原因可能是Pb、Zn和Ni的铁锰氧化物结合态并不稳定，28 d时向有效态转化使有效态含量升高。综合来说，生物炭配施微肥对重金属的吸附是一个复杂的过程，因为有机物料对重金属的钝化过程比较复杂，其生物有效性取决于有机物料本身的性质、对土壤pH的作用、内在的氧化还原作用、土壤类型以及重金属离子的性质等^[32]。

综上所述，生物炭配施微肥对土壤有效态重金属含量降低的效果优于单一施加生物炭或单一微肥，其中皇竹草生物炭配施铁肥对有效态Cu、Pb、Zn和Cd含量的降低效果最佳，可用于土壤重金属复合污染的钝化。