生物炭與常規(guī)施肥對煙草生長及鎘污染吸收的影響①

許躍奇，趙銘欽*，尤方芳，陳發(fā)元，李 慧，金洪石，金江華，李天鵬（ 國家煙草栽培生理生化基地，河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院，鄭州 45000； 吉林煙草工業(yè)有限責任公司，吉林延吉 00； 山西省運城市平陸縣優(yōu)質(zhì)煙葉開發(fā)服務(wù)中心，山西運城 04400）

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生物炭與常規(guī)施肥對煙草生長及鎘污染吸收的影響①

許躍奇1，趙銘欽1*，尤方芳1，陳發(fā)元1，李 慧1，金洪石2，金江華2，李天鵬3
（1 國家煙草栽培生理生化基地，河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院，鄭州 450002；2 吉林煙草工業(yè)有限責任公司，吉林延吉 133001；3 山西省運城市平陸縣優(yōu)質(zhì)煙葉開發(fā)服務(wù)中心，山西運城 044300）

摘 要：采用盆栽試驗，研究了生物炭、復(fù)合肥、有機肥施用對Cd污染土壤上煙草生物量、煙葉抗氧化酶活性、Cd含量、根際土壤pH、土壤有效態(tài)Cd含量的影響。結(jié)果表明，生物炭與常規(guī)肥料配施能顯著提高煙草各部位生物量及煙葉抗氧化酶活性，促進煙株的生長；5種處理煙株對Cd的轉(zhuǎn)運能力表現(xiàn)為莖/根＜葉/根，煙葉Cd含量表現(xiàn)為下部葉＞中部葉＞上部葉，煙株Cd含量表現(xiàn)為煙葉＞莖＞根；生物炭對上部葉Cd含量的削減效應(yīng)低于有機肥，對根系Cd含量的削減效應(yīng)高于有機肥，生物炭與復(fù)合肥、有機肥配施煙草各部位Cd含量下降最明顯；施加生物炭能顯著提高煙草根際土壤pH，而復(fù)合肥卻在一定程度上降低了土壤pH；生物炭、有機肥能降低土壤中有效態(tài)Cd含量，有效態(tài)Cd含量與根際pH呈極顯著負相關(guān)。另外，生物炭與有機肥、復(fù)合肥配施能更好地提高煙葉抗氧化酶活性，增強煙株的抗逆性，從而減少煙草對Cd的吸收。

關(guān)鍵詞：生物炭；施肥；生物量；酶活性；鎘含量；pH；有效態(tài)鎘

相關(guān)研究表明［1］，我國的耕地重金屬污染的面積占耕地總量的1/6左右，鎘（Cd）污染是最為常見的重金屬污染之一，煙草又是一種對Cd吸收能力很強的作物，Cd在土壤、煙葉、煙氣中的含量兩兩間呈極顯著正相關(guān)［2］，煙葉中的Cd主要通過煙氣以氣溶膠的形式進入人體［3］，并在人體內(nèi)逐漸積累，危害人類健康。

施肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最普遍的增產(chǎn)措施，不僅能夠為植物生長提供必需的營養(yǎng)成分，也能夠影響重金屬的形態(tài)轉(zhuǎn)化進而達到修復(fù)土壤污染的目的［4］。生物炭由于其表面豐富的微孔和官能團結(jié)構(gòu)，具有很強的吸附能力，在酸性紅壤條件下生物炭主要通過提高土壤pH，從而降低土壤重金屬的生物有效性，達到降低農(nóng)田重金屬污染的目的［5-7］。對于北方地區(qū)偏堿性的土壤條件下，有關(guān)生物炭對土壤重金屬影響的研究并不多見，而利用生物炭與施肥技術(shù)相結(jié)合改善煙葉重金屬污染的研究更鮮有報道。為此，本文以烤煙為試驗材料，研究了生物炭與常規(guī)施肥對煙草生長、葉片抗氧化酶系統(tǒng)、煙草 Cd含量、根際土壤pH、土壤有效態(tài)Cd含量的影響，旨在探索煙草重金屬的消減技術(shù)，為優(yōu)質(zhì)清潔煙葉的生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以豫煙12號為供試品種進行盆栽試驗，試驗選取當?shù)亟】禑熖锔麑樱? ～ 20 cm）土壤，土壤類型為褐土，pH為7.7，有機質(zhì)8.35 g/kg，速效鉀0.16 g/kg，速效磷7.83 mg/kg，Cd 0.04 mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2014年5—9月于山西省長子縣王峪試驗站進行，試驗設(shè)5個處理：未施肥（CK）、施用復(fù)合肥（C）、施用復(fù)合肥+生物炭（C+B）、施用有機肥+復(fù)合肥（C+M）、施用有機肥+復(fù)合肥+生物炭（C+M+B），生物炭用量20 g/kg［8］，其中復(fù)合肥Cd含量0.02 mg/kg，有機肥Cd含量0.06 mg/kg。生物炭（以花生殼為原料，在500℃ 高溫厭氧條件下熱解4 h）購于河南三利新能源公司，有機碳 647.16 g/kg，C/N為 42.52，pH 為8.2，Cd含量0.01 mg/kg。每盆純氮含量為3 g，施肥后的土壤最終養(yǎng)分含量為 N︰P2O5︰K2O = 1︰1.5︰3，每個處理設(shè)置20個重復(fù)，每盆裝土15 kg，盆栽土壤通過施加硫酸鎘調(diào)節(jié)土壤重金屬 Cd濃度為1.00 mg/kg［9-10］，老化一個月后，移栽健康長勢一致的煙苗，于煙草成熟期進行煙葉樣品采集。

1.3 測定方法

樣品前處理：煙葉樣品于105℃ 殺青，75℃ 烘干，過0.25 mm尼龍網(wǎng)篩；煙葉重金屬Cd采用微波消解，石墨爐原子吸收法［11］測定；葉片丙二醛含量測定采用硫代巴比妥酸法，SOD活性測定采用NBT光化學(xué)還原法，POD活性測定采用愈創(chuàng)木酚法，CAT活性測定采用紫外分光吸收法［12］；根際土壤pH測定采用電位法；土壤有效態(tài)Cd采用DTPA法［13］提取，測定方法同煙株樣品。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007軟件進行數(shù)據(jù)計算和作圖，SPSS19.0統(tǒng)計軟件進行差異性分析和相關(guān)描述統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對煙草生長的影響

2.1.1 不同施肥處理對煙草株高及生物量的影響 從表1可以看出，與對照CK相比，施用復(fù)合肥與復(fù)合肥+有機肥處理煙草的株高均顯著增加，分別增加了 29.34%、34.14%，復(fù)合肥+生物炭與有機肥+復(fù)合肥+生物炭處理下煙草的株高與對照相比分別增加了40.39%、45.20%，由此可以看出生物炭對煙株生長的促進作用要大于有機肥。從煙草各部分的生物量來看，就地上部分而言，4種處理下煙草地上部分生物量分別增加了 67.53%（C）、73.16% （C+B）、92.37%（C+M）、120.84%（C+M+B）；煙草地下部分根系的生物量4種施肥處理沒有顯著差異，不同處理下煙株根冠比差異也不顯著。整體來看，4種施肥處理對煙草的生長均有促進作用，以有機肥+復(fù)合肥+生物炭處理下煙草生長表現(xiàn)最優(yōu)。

表1 不同施肥處理下煙草株高及生物量Table 1 Heights and biomasses of tobacco under different fertilizer treatments

2.1.2 不同施肥處理對煙葉抗氧化酶系統(tǒng)的影響效應(yīng) 從圖1可以看出，在未添加任何肥料下，受重金屬Cd脅迫的煙葉的MDA含量最高，膜質(zhì)過氧化程度較強，其自身的組織細胞受到的破壞也較嚴重；復(fù)合肥能降低葉片中MDA含量，生物炭對MDA含量的影響要高于有機肥，以有機肥+復(fù)合肥+生物炭處理MDA含量最低，低于對照處理20.88%。不同施肥處理均可以顯著提高煙葉中 SOD、POD、CAT酶活性，施加生物炭后POD、CAT酶活性顯著高于單純施肥處理。煙葉中SOD酶活性的大小順序為有機肥+復(fù)合肥+生物炭＞有機肥+復(fù)合肥＞復(fù)合肥+生物炭＞復(fù)合肥＞CK，復(fù)合肥、有機肥、生物炭的單獨施用對葉片SOD酶活性的影響并不顯著，土壤Cd脅迫下三者協(xié)同作用能顯著增強煙葉的抗氧化酶活性，進而抵御逆境脅迫對煙草自身細胞的毒害。

2.2 不同施肥處理對煙草鎘含量、土壤 pH及土壤有效態(tài)鎘含量的影響

2.2.1 不同施肥處理對煙草各部位 Cd含量的影響 從圖2可以看出，5種處理煙葉中重金屬Cd含量表現(xiàn)為下部葉＞中部葉＞上部葉，在煙株的含量表現(xiàn)為煙葉＞莖＞根，這與吳玉萍等［14］研究相一致。煙葉是整個煙株經(jīng)濟價值最高的部位，對煙草的產(chǎn)量和質(zhì)量影響最大，4種施肥處理煙葉上、中、下部位重金屬Cd含量均顯著低于對照處理，說明在土壤Cd脅迫下，通過合理施肥可以減小葉片中重金屬Cd含量。

施用復(fù)合肥能夠降低煙草Cd含量，復(fù)合肥與生物炭配施后對上部葉Cd含量影響不顯著，而復(fù)合肥與有機肥配施能顯著降低上部葉的Cd含量，就上部葉而言有機肥對葉片 Cd含量的削減作用大于生物炭；就中、下部葉來看，施用生物炭和有機肥能降低葉片Cd含量，但兩者的削減作用差異不顯著；對煙株根系來說，施加生物炭處理顯著降低根系Cd含量，且生物炭對 Cd的削減作用大于有機肥。有機肥+復(fù)合肥+生物炭處理后煙葉上、中、下部位 Cd含量均顯著性下降，相比對照分別下降 84.74%、86.53%、80.57%，莖、根中重金屬 Cd含量相比對照下降65.87%、60.46%，說明生物炭與有機肥、復(fù)合肥配施可以降低煙草重金屬Cd含量，從而提高煙葉大田生產(chǎn)過程中的安全性。

圖1 不同施肥處理對煙葉MDA含量、SOD活性、POD活性、CAT活性的影響Fig.1 Effects of different fertilizer treatments on MDA contents and activities of SOD， POD and CAT of tobacco

圖 2 不同施肥處理下煙草各部位 Cd 含量Fig.2 Cadmium contents of tobacco different organs under different fertilizer treatments

圖3 不同施肥處理下煙草Cd轉(zhuǎn)運系數(shù)Fig.3 Cadmium transport coefficients of tobacco under different fertilizer treatments

2.2.2 不同施肥處理對煙草 Cd轉(zhuǎn)運系數(shù)的影響葉/根、莖/根轉(zhuǎn)運系數(shù)分別是煙葉 Cd含量與根系Cd含量、煙莖Cd含量與根系Cd含量的比值，該轉(zhuǎn)運系數(shù)用來表示煙草對重金屬Cd由根部向地上部位的有效轉(zhuǎn)運程度［15］，煙株對Cd的轉(zhuǎn)運能力規(guī)律表現(xiàn)為莖/根＜葉/根。煙草對重金屬Cd的吸收能力很強，本試驗的結(jié)果也表明整個煙株中煙葉 Cd含量是最高的，其次為煙莖，根系Cd含量最低。從圖3可以看出，未施肥處理下煙草葉/根的值最大，說明煙葉中的Cd含量最高，不利于煙株的正常生長。有機肥處理下煙葉 Cd轉(zhuǎn)運系數(shù)要顯著低于生物炭處理，有機肥對煙葉Cd含量的影響要大于生物炭。有機肥、復(fù)合肥、生物炭配施下煙葉 Cd轉(zhuǎn)運系數(shù)為4.25，與對照處理相比減小了 57.92%，與其他 4個處理達到顯著性差異（P＜0.05），煙莖 Cd轉(zhuǎn)運系數(shù)并沒有因為不同的施肥處理表現(xiàn)出顯著差異。

2.2.3 不同施肥處理對土壤根際pH及土壤有效態(tài)Cd含量的影響 pH是影響土壤重金屬Cd生物活性的重要因素［16-17］，從圖 4來看，施用復(fù)合肥后煙草根際土壤pH與對照處理相比下降0.03個單位，且達到顯著水平（P＜0.05），施加有機肥后pH有所回升，這與蔡澤江等［18-19］的研究相一致。施用生物炭后無論是復(fù)合肥處理還是有機肥+復(fù)合肥處理，土壤 pH均顯著增加，且以有機肥+復(fù)合肥+生物炭處理pH最高，與對照處理相比升高 0.11個單位。在生物炭與有機肥處理之間，施用生物炭對土壤根際pH的影響更為明顯。土壤中有效態(tài)重金屬含量是影響植物體對重金屬吸收的重要因素之一，從本試驗的處理來看，4種施肥處理對土壤有效態(tài)Cd含量的影響達到顯著差異水平。施用復(fù)合肥能夠增加土壤中有效態(tài)Cd含量，高出對照處理19.44%，施用生物炭、有機肥后，土壤中有效態(tài)Cd含量顯著下降，與對照處理相比分別下降了 38.89%、33.33%。生物炭與有機肥、復(fù)合肥配施下土壤的有效態(tài)Cd含量最低，低于對照處理50.00%。對土壤根際pH與土壤有效態(tài)Cd進行相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，兩者相關(guān)系數(shù)達到-0.94（P＜0.01），為極顯著負相關(guān)，說明隨著土壤pH的增加，土壤中有效態(tài)Cd含量下降，煙株從土壤中吸收重金屬Cd的幾率也相對降低。

圖4 不同施肥處理下土壤根際pH及土壤有效態(tài)Cd含量Fig.4 pHs and soil available Cd contents in soil rhizospheres under different fertilizer treatment

3 討論

重金屬Cd脅迫下，煙草的葉面積指數(shù)及植物學(xué)性狀明顯下降，營養(yǎng)器官發(fā)育受到極大的影響［20］。從本試驗的結(jié)果來看，土壤Cd脅迫下，采用不同施肥處理均能促進煙株的生長，顯著提高地上、地下部位的生物量。合理施肥配比及施肥量能明顯提高植物的保護酶活性，降低其自身的膜質(zhì)過氧化程度，從而增強作物的抗逆性［21-23］，但是關(guān)于生物炭對作物抗氧化酶系統(tǒng)影響的研究并不多見。在未添加任何肥料下，受重金屬Cd脅迫的煙葉的MDA含量最高，膜質(zhì)過氧化程度較強，不同施肥處理均可以顯著提高煙葉中SOD、POD、CAT酶活性，復(fù)合肥、有機肥、生物炭的單獨施用對葉片SOD酶活性的影響并不顯著。綜合來看，土壤 Cd脅迫下煙株在有機肥+復(fù)合肥+生物炭處理下表現(xiàn)出的抗逆性更強，由于生物炭本身富含相對穩(wěn)定的含碳有機化合物，可以吸附在煙株根系部位，在一定程度上抵御外來病菌及重金屬對煙株的危害，另外生物炭也能提升葉片對胞間 CO2的同化能力，改善煙株葉片的光合性能，進而增強煙株地上部分的生長［24］。

本試驗土壤為北方的略偏堿性土壤（pH = 7.7），結(jié)果表明，4種施肥處理均降低了煙株中的Cd含量，施用生物炭處理后無論是復(fù)合肥處理還是有機肥+復(fù)合肥處理，土壤 pH均顯著增加，且以有機肥+復(fù)合肥+生物炭處理 pH最高，可能是由于生物炭自身是強堿性，可以通過水土交融作用交換土壤的 H+，降低其在土壤中的濃度，進而提高了土壤的pH［25-26］。前人研究表明［10］，施用土壤改良劑可以不同程度地降低煙葉中Cd含量，不同改良劑處理的土壤有效態(tài)Cd與煙葉中Cd含量呈極顯著正相關(guān)。4種施肥處理下土壤有效態(tài)Cd的含量變化規(guī)律與根際土壤pH有極強的負相關(guān)性，隨著根際土壤pH的增加，土壤有效態(tài)Cd含量下降，這也與許超等［27］的研究相一致，生物炭能改變土壤的理化狀況和理化條件，增強了對重金屬離子的吸附能力，降低了重金屬Cd的生物有效性和遷移性，最終降低了重金屬的生態(tài)風險。結(jié)合不同施肥處理煙株各部位Cd含量來看，在略偏堿性的土壤中，生物炭與有機肥、復(fù)合肥的交互作用能明顯提高根際土壤pH，進而降低了煙草從土壤中吸收Cd的能力。

4 結(jié)論

施加生物炭及肥料均能促進煙株的生長，增加煙草的生物量，生物炭與有機肥、復(fù)合肥配施對煙草的生長有明顯的促進作用。綜合來看，生物炭與有機肥、復(fù)合肥配施能提高煙草根際土壤pH和煙葉抗氧化酶活性，增強煙株的抗逆性，減少煙草對Cd的吸收。

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中圖分類號：S153

DOI:10.13758/j.cnki.tr.2016.03.014

基金項目：①吉林煙草工業(yè)有限責任公司、中國煙草總公司山西省公司重點科技攻關(guān)項目（JY201201）資助。

* 通訊作者（zhaomingqin@126.com）

作者簡介：許躍奇（1988—），男，河南新鄭人，碩士研究生，主要研究方向為煙草質(zhì)量評價。E-mail：15093385318@163.com

Effects of Biochar and Conventional Fertilization on Tobacco Growth and Cadmium Uptake

XU Yueqi1， ZHAO Mingqin1*， YOU Fangfang1， CHEN Fayuan1， LI Hui1， JIN Hongshi2，

JIN Jianghua2， LI Tianpeng3
（1 National Tobacco Cultivation Physiology and Biochemistry Research Center， Institute of Tobacco of Henan Agricultural University， Zhengzhou 450002， China； 2 Tobacco Industrial Limited Company of Jilin， Yanji， Jilin 133001， China； 3 Pinglu County Service Center for Development of High-quality Flue-cured Tobacco， Yuncheng， Shanxi 044300， China）

Abstract:The influences of biochar on the biomass of tobacco， antioxidant enzymes activity in leaves， cadmium （Cd）content in tobacco， rhizosphere soil pH and soil available Cd content under the organic fertilizer and compound fertilizer were studied with pot experiment to investigate the effect of combination of biochar and conventional fertilization on tobacco growth and Cd cumulation.The results showed that the combination of biochar and conventional fertilization promoted the growth of tobacco plants， increased the biomass of each part of tobacco and enhanced the root activity and antioxidant enzyme activity of tobacco.Among the five groups of experiment， the transport capacity of Cd in tobacco plant showed that stem/root＜leaf/root， Cd content in tobacco leaves were in order of lower leaves ＞mid-leaves ＞ upper leaves， Cd contents in tobacco were of leaf ＞ stem ＞root.The treatment with biochar was less effective than organic fertilizer in decreasing Cd content in top leaves， but more effective in decreasing Cd content in root.Cd content of various parts of tobacco was significantly decreased under the combination of biochar， organic fertilizer and compound fertilizer.The combination of organic fertilizer and compound fertilizer was more effective than the combination of biochar and compound fertilize in reducing Cd pollution in tobacco because biochar treatment significantly increased soil pH and compound fertilizer decreased soil pH.Biochar and organic fertilizer decreased the content of available Cd whose content was extremely significantly negative correlation with rhizosphere pH.As a result， the tobacco under the combination of biochar， organic fertilizer and compound fertilizer reduced Cd absorption because the combination led better growth and stronger resistance to tobacco.

Key words:Biochar； Fertilization； Biomass； Enzyme activity； Cd content； pH； Available Cd