施用生物黑炭對(duì)烤煙鎘吸收的抑制效應(yīng)

尹力初，龔亞琴，舒榮波

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，長沙410128)

施用有機(jī)物料以提高土壤有機(jī)質(zhì)含量是增強(qiáng)土壤肥力的根本途徑。但由于煙草特殊的需N規(guī)律，煙田土壤有機(jī)質(zhì)含量過高或過低都將對(duì)煙葉生產(chǎn)帶來負(fù)面影響［1，2］。土壤有機(jī)質(zhì)含量過高，煙株生長后期土壤有機(jī)質(zhì)仍將礦化較多的N，從而影響煙株上部葉的正常落黃，烤后煙葉化學(xué)成分不協(xié)調(diào)，吃味辛辣，可用性差;而土壤有機(jī)質(zhì)含量過低，植煙土壤結(jié)構(gòu)不良，前期土壤養(yǎng)分不易釋放，煙株生長矮小，葉小而薄，煙葉吃味平淡［3～5］。由此，煙田施用有機(jī)物料時(shí)應(yīng)選擇適宜的種類及用量。

研究表明，利用各種作物秸稈在無氧條件下高溫?zé)峤舛频玫纳锖谔靠赡苁潜容^適合在煙田廣泛施用的一種有機(jī)物料［6］。究其原因，一方面生物黑炭具有高度的化學(xué)和微生物惰性，施進(jìn)土壤后難以在短期內(nèi)被土壤微生物利用［7，8］，從而不會(huì)導(dǎo)致煙株生長后期土壤N的奢量供應(yīng)而影響煙葉正常落黃。同時(shí)，生物黑炭的施用將直接改善植煙土壤結(jié)構(gòu)由于偏施無機(jī)化肥而趨于惡化的現(xiàn)狀［9］，而其豐富的K、Ca、Mg和各種微量養(yǎng)分的供應(yīng)，為煙株的生長提供均衡的礦質(zhì)營養(yǎng)。此外，生物黑炭具有強(qiáng)大的吸附能力，施入土壤后將有利于促進(jìn)對(duì)重金屬的吸附固定而減輕它們的危害［10～12］。本研究利用室內(nèi)培養(yǎng)及溫室盆栽試驗(yàn)，以煙稈和玉米秸稈為原料而制得相應(yīng)生物黑炭，探討了生物黑炭的施用對(duì)提高植煙土壤對(duì)鎘的吸附能力，促進(jìn)烤煙生長，降低煙株對(duì)鎘吸收的影響，從而為生物黑炭在煙田的合理施用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤及生物黑炭

供試土壤取自湖南省桑植縣官地坪鄉(xiāng)金星村連續(xù)植煙長達(dá)5年的煙田。其有機(jī)C、堿解N、速效P、有效K 含量分別為 12.1 g/kg、105.7 mg/kg、17.5 mg/kg、205 mg/kg，全 Cd含量僅為0.008 mg/kg，土壤 pH值為6.42。供試的生物黑炭分別用煙稈與玉米秸稈在炭化爐中燒制，并在使用前磨細(xì)過0.25 mm篩。煙稈黑炭與玉米秸稈黑炭的有關(guān)性質(zhì)見表1。其中煙稈黑炭的pH比玉米秸稈黑炭明顯偏高，N、P、K、Ca、Mg、S、Cu、Zn、B 等養(yǎng)分含量也是前者為高，但玉米黑炭的含C量相對(duì)較大。

表1 不同生物黑炭的性質(zhì)

1.2 吸附試驗(yàn)

以不加生物黑炭為對(duì)照，在過20目篩的供試土壤中分別加入2種生物黑炭30 g/kg(共計(jì)3種處理)，在室內(nèi)培養(yǎng)30 d(土壤水分含量控制在35%)，然后陰干磨細(xì)過10目篩以備吸附試驗(yàn)使用。吸附試驗(yàn)的具體步驟為:準(zhǔn)確稱取已制備好的土壤2.000 g于100 mL離心管中，加入含系列濃度的Cd(NO3)2溶液40 mL(用0.745 g/kg的 KCl溶液配制)，Cd2+的系列濃度為 0、2、4、8、12、16、30 mg/kg，水土比為20∶1，每種處理土壤重復(fù)5次。在25℃下連續(xù)恒溫振蕩48 h后，以轉(zhuǎn)速為4 000 r/min的高速離心機(jī)進(jìn)行離心處理30 min后，倒出上清液，測(cè)定上清液中Cd2+濃度，用差量法計(jì)算出Cd2+吸附量，然后用Freundlich方程(lnS=1/n lnC+lnK)對(duì)各處理下Cd2+的吸附曲線進(jìn)行擬合，并推導(dǎo)其吸附常數(shù)K值。

1.3 盆栽試驗(yàn)

本試驗(yàn)為裂區(qū)設(shè)計(jì)，主處理為Cd添加處理，設(shè)不添加、20 mg/kg兩個(gè)水平;副處理為生物黑炭處理，即在每Cd添加水平下設(shè)以下5個(gè)處理:僅施肥料(A1);施肥料的基礎(chǔ)上分別添加1.5%煙稈黑炭(A2)、3.0%煙稈黑炭(A3)、1.5%玉米秸稈黑炭(A4)、3.0%玉米秸稈黑炭(A5)。由此，本試驗(yàn)共計(jì)10個(gè)處理，每處理3次重復(fù)。每盆裝土2 kg，其施N量為 0.2 g/kg，N∶P2O5∶K2O=1∶1.5∶3，分別以(NH4)2SO4、KNO3、KH2PO4為肥源?？緹熎贩N為中煙201，移栽前10 d將肥料、生物黑炭添加到土壤中混合均勻，并維持土壤水分含量為35%。每盆種植煙苗1株，煙苗移栽35 d后收獲，然后測(cè)定其全株生物量及吸Cd量。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同黑炭處理下土壤對(duì)Cd2+的吸附量

不同生物黑炭處理下植煙土壤對(duì)Cd2+的吸附量具有一定的差異(圖1)。不添加生物黑炭時(shí)供試土壤對(duì)Cd2+的平均吸附率為60.7%;添加3.0%的煙稈黑炭和玉米秸稈黑炭后，土壤對(duì)Cd2+的吸附能力極大增強(qiáng)，其吸附率分別達(dá)到73.8%、68.0%。進(jìn)一步運(yùn)用Freundlich模型對(duì)Cd2+的等溫吸附曲線進(jìn)行擬合后發(fā)現(xiàn)，供試土壤中添加生物黑炭后其吸附常數(shù)K相應(yīng)增大(表2)，其中以添加煙稈黑炭后增加的幅度最大。而吸附常數(shù)K在一定程度上反映了土壤吸附溶質(zhì)的能級(jí)，K值為正，說明反應(yīng)能在常溫下自發(fā)進(jìn)行，K值的大小反映該吸附反應(yīng)的自發(fā)程度，K越大，反應(yīng)自發(fā)程度越強(qiáng)，生成物越穩(wěn)定，對(duì)溶質(zhì)的吸附能力越強(qiáng)［13］。試驗(yàn)結(jié)果說明添加生物黑炭能增強(qiáng)土壤對(duì)Cd2+的吸附能力，其中，添加煙稈黑炭的效果要大于玉米秸稈黑炭。

表2 不同處理下土壤對(duì)Cd2+的等溫吸附曲線及其擬合參數(shù)

2.2 添加Cd2+及生物黑炭對(duì)煙株生物量的影響

伴隨生物黑炭的施用，其中所含豐富的各種養(yǎng)分也勢(shì)必進(jìn)入土壤而有利于煙株的生長。盆栽試驗(yàn)結(jié)果表明，無論在土壤中是否添加Cd2+，施用生物黑炭都能顯著促進(jìn)煙株的生長，且隨著添加量的增加而顯著增強(qiáng)(圖2);同時(shí)，由于煙稈黑炭比玉米秸稈黑炭相對(duì)具有更高的N、P、K、Ca、S及各種微量元素養(yǎng)分，所以前者比后者相對(duì)更能促進(jìn)煙株生物量的提高。添加Cd2+后，煙株的生長受到明顯抑制(圖1)。不施用生物黑炭時(shí)在土壤中添加20 mg/kg Cd2+后煙株生物量降低了25.9%，而施用1.5%、3.0%的煙稈生物黑炭后其降低比例僅為14.6%、10.1%，施用1.5%、3.0%的玉米秸稈生物黑炭后其降低比例為19.7%、14.3%。由此，任何一種生物黑炭的施入都能顯著降低Cd2+對(duì)煙株生長的毒害作用，且隨其施用量的增加而更加顯著。在兩種生物黑炭中，施用煙稈黑炭的“解毒”效應(yīng)更加理想。

圖2 添加Cd2+及生物黑炭對(duì)煙株生物量的影響

2.3 不同生物黑炭處理下添加Cd2+后煙株的吸Cd量

不施用生物黑炭時(shí)在土壤中添加20 mg/kg Cd2+后煙株的吸 Cd量為 2.30 mg/株，而施用1.5%、3.0%的煙稈生物黑炭后其吸Cd量為1.42、1.05 mg/株，施用1.5%、3.0%的玉米秸稈生物黑炭后其吸Cd量為1.65、1.37 mg/株。如以不施用生物黑炭且在土壤中添加20 mg/kg Cd2+后煙株的吸Cd量為對(duì)照，施用1.5%、3.0%的煙稈生物黑炭后其吸Cd量分別降低了38.1%、54.3%，而施用1.5%、3.0%的玉米秸稈生物黑炭后其吸Cd量分別降低了28.4%、40.5%。由此，任何一種生物黑炭的施入都能顯著降低煙株吸Cd量，且煙株吸Cd量與生物黑炭的施用量成反比。在兩種生物黑炭中，施用煙稈黑炭后煙株的吸Cd量相對(duì)更低(表3)，這可能歸因于添加煙稈黑炭后土壤具有更強(qiáng)Cd吸附能力而限制了煙株根系對(duì)Cd的吸收。

表3 不同生物黑炭處理下添加Cd2+后煙株的吸Cd量(mg/株)

3 結(jié)論

(1)施用生物黑炭后土壤對(duì)Cd的吸附能力顯著增強(qiáng)，同時(shí)生物黑炭的施用也能顯著促進(jìn)煙株的生長，且隨其施入量的增加而愈加明顯。

(2)土壤中添加Cd后，煙株的生長受到明顯抑制，但生物黑炭的施入能顯著降低煙株的Cd吸收量而降低其毒害作用。

(3)相對(duì)于玉米秸稈黑炭，施用煙稈黑炭更有利于促進(jìn)煙株的生長、增強(qiáng)土壤對(duì)Cd的吸附能力而降低煙株對(duì)Cd的吸收。

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