生物炭對(duì)鎘脅迫下煙草鎘含量動(dòng)態(tài)變化及土壤理化性質(zhì)的影響

梁仲哲，齊紹武，2，淡俊豪，靳輝勇，朱 益，和七紅

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410000；2.湖南雜交水稻研究中心，湖南長(zhǎng)沙 410128)

煙草作為我國(guó)的重要經(jīng)濟(jì)作物，在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有舉足輕重的地位[1]。鎘(Cd)是植物體內(nèi)的非必需元素[2]，同樣也是一種毒性很強(qiáng)的重金屬[3]，土壤中的鎘不易降解且容易被植物吸收[4]。煙草是鎘富集植物，鎘更容易在煙株體內(nèi)積累[5]，同時(shí)有研究指出，煙葉中的鎘可通過吸食方式進(jìn)入人體成為潛在危害[6]。

近年來，生物炭作為一種土壤改良劑而成為研究熱點(diǎn)[7]。袁金華等通過研究發(fā)現(xiàn)，生物炭對(duì)重金屬、有機(jī)污染物等有很強(qiáng)的吸附力[8]。目前，生物炭在大豆、水稻等作物上已有研究而對(duì)煙葉中鎘的消減則應(yīng)用較少。本試驗(yàn)?zāi)M土壤鎘脅迫以不同施用量的生物炭處理煙草，旨在探究生物炭施用量對(duì)煙株鎘含量的影響，為生物炭的施用量及大田鎘污染治理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2016年在湖南省長(zhǎng)沙市湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)耘園基地進(jìn)行，所取土壤為水稻耕作土壤，所用盆缽為25 cm×40 cm，土壤類型為壤土，經(jīng)風(fēng)干過篩后裝盆，每盆30 kg，通過施加四水硝酸鎘調(diào)節(jié)盆栽土壤中鎘含量，至2 mg/kg。試驗(yàn)所用生物炭為秸稈在450 ℃高溫厭氧條件下制備而成，其基本成分見表1。煙草品種為云煙87，為目前煙草主要栽培品種之一。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理，分別為：(1)常規(guī)對(duì)照(CK)；(2)T1：生物炭施加量為0.1%；(3)T2：生物炭施加量為0.2%；(4)T3：生物炭施加量為 0.3%。每處理15盆，每盆裝土30 kg。因煙草根系存在，故生物炭在土壤風(fēng)干過程中添加混勻。不同處理除生物炭用量不同外其他用量均相同。煙草于4月23日移栽，8月5日采收結(jié)束。其他各項(xiàng)田間管理措施與當(dāng)?shù)卮筇锷a(chǎn)管理相同，均符合煙草生長(zhǎng)要求。

表1 土壤基本理化性質(zhì)

1.3 樣品測(cè)定

取不同處理煙草根、莖、葉，測(cè)定不同時(shí)期(團(tuán)棵期、旺長(zhǎng)期、成熟期)的鎘含量，每個(gè)處理隨機(jī)取5株生長(zhǎng)勢(shì)良好煙株進(jìn)行測(cè)量，以平均值作為測(cè)量值；在每個(gè)小組內(nèi)隨機(jī)取土測(cè)其基本理化性質(zhì)。

根系Cd吸收系數(shù)=根系Cd含量/土壤Cd含量；

Cd初級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)=莖稈Cd含量/根系Cd含量；

Cd次級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)=煙葉Cd含量/莖稈Cd含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 22.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并在Excel上體現(xiàn)。簡(jiǎn)單相關(guān)分析采用多元分析模塊中的pearson相關(guān)分析。相關(guān)系數(shù)中，|r|≥0.8，視為高度相關(guān)，0.5≤|r|<0.8視為中度相關(guān)，0.3≤|r|<0.5視為弱相關(guān)[9]。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對(duì)土壤理化性狀的影響

從表2中可以看出，土壤中施加生物炭能顯著提高土壤速效磷含量，各試驗(yàn)組之間速效磷含量差異不顯著，但與對(duì)照差異顯著，其中，T2處理提升效果最為明顯，隨著生物炭施加量的增多土壤速效磷的含量反而減少，表明當(dāng)生物炭過量時(shí)提升效果反而有一定減弱。有機(jī)質(zhì)含量高低依次為T3>T2>T1>CK，其中T2、T3處理間差異不顯著，但與T1、CK處理間差異顯著，生物炭對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量提升效果在 1.3%～6.6%。T2處理速效鉀含量最高且與CK差異顯著，而T1、T2處理間差異不顯著，T3處理比CK高21%，處理間差異顯著。堿解氮T1、CK間差異不顯著，T2、T3處理間差異顯著，T2處理含量最高，比對(duì)照提高6%，提高效果依次為 T2>T3>T1。從pH值中可以看出，生物炭施用量越高pH值越高，T1、T2處理間差異不顯著，但與T3處理間顯著差異，處理組與對(duì)照差異顯著。

表2 生物炭對(duì)土壤理化性狀的影響

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

2.2 生物炭對(duì)煙草不同部位鎘含量的影響

2.2.1 生物炭對(duì)不同生育期根鎘吸收的影響 從圖1可以看出，與對(duì)照相比生物炭能顯著降低根部鎘含量，團(tuán)棵期T1、T2、T3處理分別降低了39.1%、56.8%、41.6%，T2處理顯著低于T1、T3處理，表明生物炭能夠顯著抑制根部對(duì)鎘的吸收，且生物炭施用量增加抑制效果先增強(qiáng)后減弱。旺長(zhǎng)期根部鎘含量由大至小依次排序?yàn)镃K>T3>T2>T1，隨著生物炭施用量增加抑制效果減弱，T3處理與CK差異不顯著。成熟期T1與T3處理差異不顯著，T2處理最低。在不同生育期中團(tuán)棵期鎘降低效果最明顯，隨生育時(shí)期推進(jìn)降低效果減弱。

2.2.2 生物炭對(duì)莖不同生育期鎘吸收的影響 團(tuán)棵期隨著生物炭施用量增加莖中鎘含量逐步降低，T1、T2處理差異不顯著，T3處理隔含量最低，為CK的40.08%。旺長(zhǎng)期與團(tuán)棵期相比處理間差異縮小，由于旺長(zhǎng)期植株處于快速生長(zhǎng)發(fā)育階段，對(duì)土壤中物質(zhì)吸收能力增強(qiáng)。旺長(zhǎng)期T1、T3處理間差異不顯著，而T2處理與CK差異顯著。從生物炭施用量對(duì)旺長(zhǎng)期莖部鎘含量影響變化可知，當(dāng)生物炭施用量持續(xù)增加時(shí)莖部鎘含量先降低后升高，高低順序依次為T1>T3>T2。成熟期與前兩個(gè)時(shí)期相比生物炭施用量與莖部鎘含量呈正相關(guān)關(guān)系，即生物炭施用量增加莖部鎘含量增加，T1、T3處理間差異顯著。T1、T2、T3處理莖部鎘含量分別為CK的57.13%、70.42%、75.77%(圖2)。成熟期不同處理莖部鎘含量與對(duì)照接近，表明隨著煙株生長(zhǎng)發(fā)育生物炭對(duì)莖部鎘含量的影響越來越小。

2.2.3 生物炭對(duì)葉不同生育期鎘吸收的影響 從圖3可以看出，生物炭對(duì)葉片中鎘含量有降低作用，最佳降低效果為旺長(zhǎng)期，T2處理煙葉鎘含量為CK的33.02%。團(tuán)棵期T1處理與CK差異不顯著，T2處理與CK顯著差異，表明當(dāng)生物炭施用量達(dá)到一定程度時(shí)其抑制作用才明顯，此后鎘施用量增加抑制作用降低。旺長(zhǎng)期除T2處理外T1、T3、CK處理差異不顯著，鎘含量大小依次為CK>T1>T3>T2。成熟期T1與T2處理間差異不顯著，T3與CK處理間差異不顯著。與旺長(zhǎng)期期相比，成熟期T1處理煙葉中鎘含量增長(zhǎng)幅度較小，而T2處理增長(zhǎng)幅度較大，為84%，CK增長(zhǎng)幅度為51.16%，T2處理為所有處理組最低，表明生物炭對(duì)煙葉影響主要在旺長(zhǎng)期。

2.3 生物炭對(duì)煙草鎘轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

2.3.1 生物炭對(duì)團(tuán)棵期鎘轉(zhuǎn)運(yùn)的影響 從表3可以看出，與CK相比生物炭能夠顯著降低根系Cd吸收系數(shù)，但對(duì)于Cd初級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)影響不一，Cd次級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)整體呈增加態(tài)勢(shì)。根系吸收系數(shù)T2處理最低，T1處理大于T3處理，表明隨著生物炭施用量增加根系吸收系數(shù)先降低后增加，生物炭施用量對(duì)根系Cd吸收系數(shù)的影響為先隨施用量增加而增加，而后降低，T2處理效果最好，比CK降低56.8%。Cd初級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)指標(biāo)上整體表現(xiàn)為促進(jìn)作用。其中T1、T2處理為促進(jìn)作用，T2處理促進(jìn)作用最強(qiáng)，比CK高42.9%；而初級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)越高說明根部轉(zhuǎn)移至莖部占比越高。生物炭對(duì)Cd次級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)影響，T1、T2處理與CK差異不明顯，而T3處理對(duì)次級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)提升效果達(dá)60.1%。當(dāng)生物炭較低時(shí)對(duì)Cd次級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)不明顯，生物炭施用量逐漸增加，Cd次級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)逐步增大，最終表現(xiàn)為促進(jìn)鎘從煙草莖部向葉片轉(zhuǎn)運(yùn)影響吸食。

表3 團(tuán)棵期煙草Cd吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

2.3.2 生物炭對(duì)旺長(zhǎng)期鎘轉(zhuǎn)運(yùn)的影響 從表4可以看出，旺長(zhǎng)期根系Cd吸收系數(shù)除T1處理大幅下降外，T2、T3處理仍低于CK，根系Cd吸收系數(shù)大小排序依次為T3>T2>T1，表明旺長(zhǎng)期生物炭能夠促進(jìn)根部鎘吸收，生物炭施用量對(duì)根系吸收影響較大。Cd初級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)T1處理為促進(jìn)作用且促進(jìn)效果較大，T2、T3處理為抑制作用。旺長(zhǎng)期Cd次級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均為促進(jìn)作用，與團(tuán)棵期相比T1處理次級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)大幅增加、T2略有上升、T3大幅下降，T2與T3處理差異較小，表明當(dāng)生物炭施用量較高時(shí)施用量次級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)變化不明顯。

表4 旺長(zhǎng)期煙草Cd吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

2.3.3 生物炭對(duì)成熟期鎘轉(zhuǎn)運(yùn)的影響 生物炭能在成熟期降低煙草根系Cd吸收系數(shù)，其中T2降低效果最為明顯，為CK的57.1%，T3、T1處理差異不明顯。Cd初級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)按大小排序依次為CK>T2>T3>T1，與旺長(zhǎng)期相比T1處理由促進(jìn)轉(zhuǎn)為抑制。次級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)中T1處理與前一時(shí)期相比差異變化較小，T2處理呈增加態(tài)勢(shì)且增加幅度較大，T3處理略有降低(表5)。

表5 成熟期煙草Cd吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

2.4 生物炭對(duì)煙草不同部位鎘含量的影響

從表6可以看出，煙草中鎘分布為煙葉>莖>根，本結(jié)果與前人相關(guān)研究結(jié)論[10]一致。煙葉是整個(gè)煙株經(jīng)濟(jì)價(jià)值最高的部位，對(duì)煙葉產(chǎn)質(zhì)影響最大，施用生物炭煙葉中鎘含量均明顯低于對(duì)照，表明生物炭能夠降低煙葉鎘含量。T1處理根、莖、葉中鎘含量與CK相比，分別下降4.03%、42.93%、28.04%，T2處理與CK相比根、莖、葉鎘含量則分別下降42.83%、29.62%、37.92%，T3處理分別下降了7.09%、24.27%、 7.51%。表明生物炭能夠降低煙葉鎘含量，但不同施用量降低效果不一致。

表6 生物炭對(duì)煙草不同部位鎘含量的影響

2.5 土壤pH值與鎘含量的相關(guān)性分析

從表7可以看出，pH值與煙株根鎘含量的相關(guān)性為 -0.744，為中度相關(guān)，同時(shí)與莖、葉的相關(guān)性分別為-0.811、-0.853，表明提高土壤pH值是控制煙株吸收鎘的關(guān)鍵因素之一。根與莖、葉的相關(guān)系數(shù)分別為0.291、0.765，根與莖為極弱相關(guān)，與葉為中度相關(guān)。莖與葉的相關(guān)系數(shù)為0.771，也為中度相關(guān)，表明煙葉對(duì)鎘的富集能力最強(qiáng)，因此，提升pH值有重要意義，

表7 土壤pH值與煙草鎘含量的Pearson相關(guān)系數(shù)

3 討論與結(jié)論

本試驗(yàn)研究結(jié)果，施用生物炭能夠提高土壤肥力，降低土壤養(yǎng)分損失，本結(jié)果與陳敏等研究結(jié)論[11]一致。王麗淵研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭能夠改良土壤理化性質(zhì)促進(jìn)煙株根系發(fā)育[12]。鎘污染條件下煙株對(duì)重金屬鎘的吸收表現(xiàn)為葉>莖、根，本結(jié)論與前人研究煙草重金屬鎘吸收規(guī)律一致[13]。施用生物炭后土壤pH值提高可能是由于一方面生物炭本身呈堿性，通過水土交融作用交換H+，從而提高土壤pH值[14-16]，pH值與根系鎘含量呈中度負(fù)相關(guān)，可能是由于pH值提高進(jìn)一步促進(jìn)生物炭表面陽離子交換位點(diǎn)，提高對(duì)金屬的吸附作用[17]，與前人研究得出施用土壤改良劑能夠降低煙葉中Cd含量相符合[18]。同時(shí)生物炭改良土壤理化性質(zhì)增強(qiáng)對(duì)Cd的吸附，降低Cd的生物遷移性及有效性并在Cd各級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)上體現(xiàn)，與王艷紅等的研究結(jié)果[19]一致，在大田中施用生物炭能改善土壤理化性質(zhì)，降低煙葉中Cd含量。

施用生物炭能夠改善土壤理化性質(zhì)，降低煙草根部吸收系數(shù)從而降低煙葉鎘含量。在本試驗(yàn)條件下，T2處理對(duì)煙葉鎘含量降低效果最為明顯，能夠促進(jìn)土壤鎘的有效性，降低煙葉中鎘的含量。根據(jù)本試驗(yàn)結(jié)果，生物炭施用量為0.2%為最佳處理，其他條件還需要進(jìn)一步研究驗(yàn)證。

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