水稻秸稈生物炭對鎘污染農(nóng)田中番茄產(chǎn)量和品質(zhì)的影響機(jī)制

吳偉健，陳藝杰，李高洋，張偉健，林海虹，藺中，甄珍*

（1.廣東海洋大學(xué)濱海農(nóng)業(yè)學(xué)院，廣東 湛江 524088；2.廣東海洋大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，廣東 湛江 524088）

番茄是一種營養(yǎng)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益均較高的果蔬，在我國蔬菜生產(chǎn)和加工中占據(jù)重要地位。我國已成為世界上最大的番茄生產(chǎn)國，種植面積達(dá)101.17萬hm，平均產(chǎn)量超過82.5 t·hm。鎘是一種在土壤中移動(dòng)性強(qiáng)、中毒濃度低、污染面積廣的有毒重金屬。我國農(nóng)田鎘污染點(diǎn)位超標(biāo)率高達(dá)7.0%，在農(nóng)田重金屬污染種類中排位第一。我國南方地區(qū)耕地重金屬鎘含量普遍高于其他地區(qū)，廣東地區(qū)的重金屬鎘污染問題最為嚴(yán)重。南方部分土壤鎘含量達(dá)到3.15 mg·kg，已嚴(yán)重超過《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618—2018）中的農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值。鎘具有較強(qiáng)的生物遷移性及富集性，容易被番茄發(fā)達(dá)的根系吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，最終在番茄中積累，并通過食物鏈傳遞到人體從而危害人體健康。人體內(nèi)積累大量的鎘易提高癌癥的發(fā)病率，還會(huì)引發(fā)心血管系統(tǒng)疾病、器官損傷以及代謝類疾病。因此，尋找一種高效環(huán)保的方法來確保鎘污染農(nóng)田的安全生產(chǎn)刻不容緩。

生物炭是由農(nóng)業(yè)和動(dòng)物的廢棄物等低價(jià)值材料在低氧或無氧條件下經(jīng)過高溫?zé)峤庑纬傻囊环N固態(tài)多碳物質(zhì)。生物炭由于其較大的比表面積、豐富的表面官能團(tuán)和芳香結(jié)構(gòu)等理化特性而具有很強(qiáng)的吸附能力，能有效吸附土壤中的重金屬，降低土壤重金屬的生物有效性和遷移性。重金屬會(huì)與生物炭表面的羥基和羧基優(yōu)先結(jié)合，并以絡(luò)合物形式存在，從而減少作物對重金屬的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)。劉沖等表明添加生物炭可有效降低油麥菜根系和莖葉中Cd、Cu、Pb和Zn含量，且重金屬含量隨生物炭增加而降低。ALMAROAI等的研究指出生物炭的添加可降低土壤中重金屬的生物可利用度，從而降低土壤中Pb向番茄植株體內(nèi)的遷移和轉(zhuǎn)運(yùn)。此外，生物炭的礦質(zhì)養(yǎng)分和微量元素含量較高，可提供作物生長所必需的元素（N、P、K、Ca、Mg等）。生物炭的多孔特性和大的比表面積有利于土壤聚集水分，促進(jìn)土壤團(tuán)聚體形成，改善土壤水分和養(yǎng)分的保留能力，從而促進(jìn)作物生長、提高作物產(chǎn)量。生物炭可以改善土壤健康狀況、提高水分利用效率和肥料利用率。土壤中施入生物炭可有效提高陽離子交換能力、養(yǎng)分循環(huán)能力、保持植物有效水分的能力并減少養(yǎng)分淋失。因此，生物炭不僅能直接降低土壤中重金屬的遷移性和有效性，而且能增加土壤肥力、促進(jìn)作物生長，對降低農(nóng)田土壤重金屬污染和維持作物安全生產(chǎn)具有重要意義。近年來，有關(guān)生物炭對土壤重金屬的吸附固定、形態(tài)轉(zhuǎn)化和促進(jìn)作物生長方面已有大量的研究。但生物炭對作物品質(zhì)及作物體內(nèi)重金屬積累特征的研究仍非常有限。

本文以番茄為研究對象，探究不同比例生物炭（1%、3%和5%生物炭）對鎘污染土壤中番茄產(chǎn)量和品質(zhì)及根系、莖部和果實(shí)中鎘累積的影響。對添加不同比例生物炭的土壤理化性質(zhì)、酶活性和番茄系列指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，明確生物炭對鎘污染土壤中番茄產(chǎn)量和品質(zhì)的影響機(jī)制，以期為我國鎘污染農(nóng)田的安全利用提供可行性技術(shù)方案。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本研究以千禧番茄（Mill.）為材料。試驗(yàn)區(qū)位于廣東省湛江市廣東海洋大學(xué)后山園林實(shí)習(xí)基地的溫室大棚（21°09'20″N，110°18'10″E）。試驗(yàn)區(qū)地處粵、桂、瓊?cè)》萁粎R處，屬熱帶和亞熱帶季風(fēng)氣候。年平均溫度為23℃，年平均降水量為1 417～1 802 mm，年平均日照時(shí)數(shù)為1 817～2 106 h。供試土壤采自廣東海洋大學(xué)后山旱地0～20 cm耕作層的土壤（磚紅壤）。土壤除去地表石子、植被等雜物后，混勻，自然風(fēng)干，過0.84 mm篩備用。供試土壤鎘含量為0.09 mg·kg，土壤質(zhì)地為砂壤土，pH為6.08，有機(jī)質(zhì)含量為14.83 g·kg，堿解氮含量為26.18 mg·kg，速效磷含量為65.78 mg·kg，速效鉀含量為49.13 mg·kg。供試生物炭購自江蘇華豐農(nóng)業(yè)生物工程有限公司，為450℃碳化的水稻秸稈生物炭：pH為8.75，有機(jī)碳含量為647.34 g·kg，全氮含量為6.21 g ·kg，全磷含量為1.85 g·kg，全鉀含量為28.96 g·kg，鎘含量為0.04 mg·kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理：不添加生物炭（CK）；施入1%生物炭（T）；施入3%生物炭（T）；施入5%生物炭（T）。每個(gè)處理設(shè)9個(gè)重復(fù)。試驗(yàn)前，栽培盆裝入2.5 kg風(fēng)干過篩后的土壤，量取10 mL濃度為1 mol·L的CdCl·2.5 HO母液，加到290 mL去離子水中，澆入試驗(yàn)土壤并充分?jǐn)嚢杌靹?，模擬土壤鎘含量為5.0 mg·kg，形成以鎘為單一污染源的污染土壤。隨后加入相應(yīng)添加量的生物炭與污染土壤充分混勻，共預(yù)處理36盆。待預(yù)處理土壤老化30 d后用于番茄的種植，每盆種植1株。番茄栽培管理和施肥措施與正常生產(chǎn)一致。

1.3 樣品采集和測定方法

1.3.1 樣品采集方法

分別在番茄的初果期（50 d）、盛果期（65 d）和生長末期（80 d），每個(gè)處理隨機(jī)取3盆，將植株整體挖出，并將土壤和植株分開。土壤經(jīng)自然風(fēng)干、研磨過篩后，存于-4℃冰箱用于后續(xù)土壤理化性質(zhì)（pH、腐殖質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀）和酶活性（脲酶、過氧化氫酶、纖維素酶和蔗糖酶）的測定。番茄植株用清水沖洗根部泥土，用干凈的吸水紙將植株根莖表面擦干凈，然后將根系和莖部分開，分別放置于自封袋中，存于-4℃冰箱中，用于后續(xù)鎘含量的測定。在盛果期時(shí)，收獲番茄果實(shí)用于測定番茄產(chǎn)量、品質(zhì)（維生素C含量、番茄紅素含量、可溶性糖含量、糖酸比和可溶性蛋白含量）和鎘含量。

1.3.2 番茄產(chǎn)量和品質(zhì)的測定

番茄產(chǎn)量取每株番茄的果實(shí)總數(shù)。

番茄品質(zhì)根據(jù)陳剛等的《植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)》進(jìn)行測定，具體方法如下：維生素C含量采用2，6-二氯靛酚滴定法測定；番茄紅素含量采用高效液相色譜法測定；可溶性蛋白含量用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法測定；可溶性糖含量用蒽酮比色法測定；有機(jī)酸含量用堿性滴定法測定；糖酸比（%）為可溶性糖含量與有機(jī)酸含量的比值。

1.3.3 番茄內(nèi)鎘含量的測定

番茄的根、莖和果實(shí)中的鎘含量采用濕法（HNO-HClO）消解，原子吸收光度計(jì)ICE-3000測定。

1.3.4 土壤理化性質(zhì)的測定

土壤理化性質(zhì)根據(jù)鮑士旦的《土壤農(nóng)化分析》進(jìn)行測定，具體如下：土壤pH用pH計(jì)電位法測定，水土比為2.5∶1。土壤腐殖質(zhì)含量用焦磷酸鈉提取重鉻酸鉀法測定。土壤堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法測定。土壤速效鉀含量用NaOH熔融-火焰光度法測定。土壤速效磷含量用NaHCO浸提-鉬銻抗比色法測定。

1.3.5 酶活性的測定

土壤酶活性根據(jù)關(guān)松蔭的《土壤酶及其研究法》進(jìn)行測定，具體方法如下：脲酶活性采用靛酚藍(lán)比色法測定，其活性以每1 d每1 g土生成銨態(tài)氮的量表示，單位為mg·g·d。過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定，其活性以每20 min每1 g土壤消耗0.1 mol·L高錳酸鉀溶液的體積（mL）表示，單位為mL·g·20 min。蔗糖酶和纖維素酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定，其活性以每1 d每1 g土生成葡萄糖的量表示，單位為mg·g·d。

1.4 傅里葉變換紅外光譜（FTIR）分析

通過FTIR檢測生物炭的化學(xué)官能團(tuán)。將生物炭樣品與KBr混合并研磨成細(xì)粉。FTIR分析在400～4 000 cm波數(shù)范圍內(nèi)以4 cm的分辨率進(jìn)行，獲得的紅外光譜以相對于波數(shù)（cm）的透射率的形式呈現(xiàn)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

使用Excel 2019完成數(shù)據(jù)整理，采用SPSS25.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行單因素方差（One-way ANOVA）分析，不同處理之間采用Duncan's法進(jìn)行多重比較（＜0.05），利用Origin 2021繪制柱形圖和生物炭FTIR光譜圖。同時(shí)，基于Spearman相關(guān)性分析計(jì)算番茄產(chǎn)量、品質(zhì)與土壤理化性質(zhì)、番茄體內(nèi)鎘含量的相關(guān)性大小，利用Origin 2021繪制相關(guān)性熱圖（＜0.01）。

2 結(jié)果與分析

2.1 FTIR分析

生物炭的FTIR光譜圖見圖1。生物炭的主要特征峰如下：波數(shù)在746 cm的吸收峰為芳香族C—H的彎曲振動(dòng)；波數(shù)在1 028 cm和1 055 cm的吸收峰為多糖物質(zhì)C—O鍵伸縮振動(dòng)；波數(shù)在1 404 cm的吸收峰為羧基（—COOH）的正反對稱伸縮；波數(shù)在1 579 cm的吸收峰為芳香族C=C的伸縮振動(dòng)；波數(shù)在3 332 cm的吸收峰為醇/酚羥基存在的締合—OH伸縮振動(dòng)。綜上所述，該生物炭含有大量的C—H、C—O、—COOH、C=C和—OH官能團(tuán)，且具有高度的芳香化。

圖1 生物炭FTIR光譜圖Figure 1 FTIRdiagramof biochar

2.2 生物炭對番茄各部位鎘累積的影響

由圖2可知，番茄根、莖中鎘含量隨生長發(fā)育進(jìn)程的推進(jìn)呈逐漸上升的趨勢。鎘含量在番茄根系中最高，其次為莖部和果實(shí)。在番茄生長末期，各處理間的根系鎘含量達(dá)到顯著性差異（＜0.05）。CK處理根系鎘含量（2.75 mg·kg）最高，T、T和T處理中根系鎘含量分別為1.81、1.53 mg·kg和1.31 mg·kg，較CK處理顯著減少了34.18%、44.36%和52.36%（圖2A）。番茄莖部鎘含量變化趨勢與根系相似（圖2B），T、T和T處理的鎘含量顯著低于CK處理（0.70 mg·kg），分別為0.58、0.47 mg·kg和0.33 mg·kg，較CK處理降低了17.14%、32.86%和52.86%。T處理與T和T處理達(dá)到顯著差異，但T和T處理間差異不顯著（＜0.05）。由圖2C可得，與CK處理相比，T、T和T處理均顯著降低了番茄果實(shí)中的鎘含量，T和T處理之間無顯著差異（＞0.05）。T和T處理果實(shí)中的鎘含量分別為0.05 mg·kg和0.03 mg·kg，較CK處理（0.33 mg·kg）顯著降低84.8%和90.9%。由此可得，添加生物炭能夠顯著減少重金屬鎘在番茄體內(nèi)累積，且隨著生物炭含量的增加，番茄體內(nèi)累積的鎘含量減少。

圖2 不同處理番茄體內(nèi)的鎘含量Figure 2 The Cd content of tomato in different treatments

2.3 生物炭對番茄產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

由表1可知，T處理的番茄產(chǎn)量顯著高于T處理和T處理，且三者均顯著高于CK處理，分別較CK提升了34.4%、74.7%和49.0%，但T和T處理間未達(dá)到顯著差異（＞0.05）。添加生物炭對番茄品質(zhì)有顯著的提升作用，T、T和T處理的果實(shí)中維生素C、番茄紅素、可溶性蛋白、可溶性糖含量和糖酸比均顯著高于CK處理（＜0.05），其中T處理提升效果最好。與CK處理相比，T處理中維生素C、番茄紅素、可溶性蛋白和可溶性糖含量顯著提高了24.7%、114.4%、12.0%和37.4%。同時(shí)，T處理的果實(shí)糖酸比為8.65%±0.15%，在最佳范圍（8.00%～9.00%）內(nèi)，且與其余處理達(dá)到顯著差異（＜0.05）。由此可見，添加生物炭能夠緩解鎘帶來的危害，顯著提高番茄的產(chǎn)量和維生素C、番茄紅素、可溶性蛋白、可溶性糖含量和糖酸比，其中以T處理提高效果最佳。

表1 不同處理對番茄產(chǎn)量和品質(zhì)的影響Table 1 Effects of different treatmentson tomato yields and quality

2.4 生物炭對土壤理化性質(zhì)的影響

由圖3可得，在番茄生育期內(nèi)，CK處理的土壤理化性質(zhì)（pH、腐殖質(zhì)）和養(yǎng)分含量（堿解氮、速效鉀和速效磷）均呈下降趨勢，而生物炭處理則呈穩(wěn)步上升的趨勢，且均顯著高于CK處理（＜0.05）。在番茄的生長末期，T、T和T處理的pH分別為6.77、7.05和7.15，較CK處理提高了1.75、2.02個(gè)和2.12個(gè)單位，T和T處理間無顯著差異（＞0.05，圖3A）。T處理中土壤腐殖質(zhì)含量為23.64 g·kg，顯著高于CK處理（9.47 g·kg）和T處理（19.60 g·kg），但與T處理無顯著差異（24.56 g·kg）（＞0.05，圖3B）。由圖3C可知，在生長末期，T處理中土壤堿解氮含量為47.42 mg·kg，顯著高于CK處理（23.77 mg·kg）、T處理（43.70 mg·kg）和T處理（44.45 mg·kg），T和T處理之間無顯著差異（＞0.05）。圖3D和3E中，CK處理的速效鉀和速效磷含量在番茄生長末期降至最小值，而生物炭處理（T、T和T）則相反。T處理速效鉀和速效磷含量顯著高于其余處理，分別為167.76 mg·kg和165.85 mg·kg，較CK處理提升了287.88%和156.50%（＜0.05）。綜上所述，添加生物炭使土壤pH趨于中性，同時(shí)顯著提高土壤腐殖質(zhì)含量和土壤養(yǎng)分含量，其中以T處理效果最優(yōu)。

圖3 不同處理對土壤理化性質(zhì)的影響Figure 3 Soil physicochemical properties in different treatments

2.5 生物炭對土壤酶活性的影響

由圖4A可知，在番茄的整個(gè)生育期內(nèi)，T、T和T處理的脲酶活性均與CK處理達(dá)到顯著差異（＜0.05），且在盛果期達(dá)到最大值，分別為5.97、6.70 mg·g·d和6.22 mg·g·d，較CK處理提升了107.29%、132.64%和115.97%。在生長末期，T處理與其余處理脲酶活性差異顯著，T和T處理無顯著差異（＞0.05）。在盛果期，T處理的過氧化氫酶活性（3.47 mL·g·20 min）顯著高于CK處理（1.66 mL·g·20 min）、T處理（2.94 mL·g·20 min）和T處理（3.16 mL·g·20 min）。而在生長末期，T和T處理間的過氧化氫酶活性無顯著差異（＞0.05，圖4B）。由圖4C可得，CK處理的蔗糖酶活性呈逐漸下降趨勢，T、T和T處理則呈先上升后下降的趨勢，并在盛果期達(dá)到最大值，且各處理間均呈顯著差異（＜0.05），分別為0.94、1.15 mg·g·d和1.02 mg·g·d。纖維素酶活性變化趨勢與蔗糖酶相似，且在番茄的整個(gè)生育期內(nèi)，T和其余處理間呈顯著差異，T和T處理間的纖維素酶活性無顯著差異（＞0.05，圖4D）。在盛果期，T處理纖維素酶活性（2.22 mg·g·d）顯著高于CK處理（1.37 mg·g·d）、T處理（1.98 mg·g·d）和T處理（2.07 mg·g·d）。由此可得，添加生物炭可以顯著提高番茄土壤中脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶和纖維素酶的活性，且酶活性在盛果期達(dá)到最高值，其中T處理對酶活性促進(jìn)效果更為顯著。

圖4 不同處理對土壤酶活性的影響Figure 4 Soil microbial and enzyme activity in different treatments

2.6 相關(guān)性熱圖分析

在盛果期，運(yùn)用Origin 2021軟件構(gòu)建番茄產(chǎn)量、品質(zhì)（維生素C、番茄紅素、可溶性蛋白、可溶性糖含量和糖酸比）與土壤理化性質(zhì)、番茄體內(nèi)（根系、莖部和果實(shí)）鎘含量的相關(guān)性分析（＜0.01），得到相關(guān)性熱圖（圖5）。腐殖質(zhì)與番茄糖酸比的相關(guān)性系數(shù)為0.73，呈顯著正相關(guān)關(guān)系，而與番茄的產(chǎn)量、維生素C、番茄紅素、可溶性蛋白和可溶性糖含量的相關(guān)性不顯著。pH與番茄的番茄紅素、可溶性蛋白含量和糖酸比的相關(guān)系數(shù)為0.73～0.76，呈顯著正相關(guān)關(guān)系，而與番茄的產(chǎn)量、維生素C和可溶性糖含量的相關(guān)性不顯著。堿解氮含量與番茄的產(chǎn)量和品質(zhì)（除可溶性蛋白含量外）的相關(guān)性系數(shù)為0.94～0.97，呈顯著正相關(guān)關(guān)系。速效磷和速效鉀含量與番茄的產(chǎn)量和品質(zhì)呈顯著正相關(guān)關(guān)系。番茄根系鎘含量與番茄的產(chǎn)量和品質(zhì)的相關(guān)系數(shù)為-0.74～-0.90，呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；番茄莖部和果實(shí)鎘含量與番茄的產(chǎn)量和品質(zhì)（除可溶性蛋白含量外）的相關(guān)系數(shù)為-0.88～-0.95，呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，而與可溶性蛋白含量相關(guān)性不顯著。

圖5 番茄產(chǎn)量和品質(zhì)與土壤理化性質(zhì)和番茄鎘含量的相關(guān)性熱圖Figure 5 Correlation heatmap of tomato yield and quality with soil physicochemical properties and the Cd concentration of tomato

3 討論

3.1 生物炭施入對鎘在番茄體內(nèi)累積的影響

重金屬含量是評價(jià)食品安全的一項(xiàng)重要指標(biāo)。研究表明，番茄體內(nèi)的鎘主要是由根系從土壤中吸收鎘，并通過木質(zhì)部長距離運(yùn)送到莖部和果實(shí)。本研究結(jié)果表明，不同比率的生物炭施入均可顯著降低番茄體內(nèi)（根系、莖部和果實(shí)）鎘含量，施入3%和5%的生物炭均使番茄果實(shí)中鎘含量符合《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)：食品中污染物限量》（GB 2762—2012）中的標(biāo)準(zhǔn)值（≤0.05 mg·kg）。生物炭可通過其自身的多孔徑結(jié)構(gòu)和強(qiáng)吸附力與土壤中的鎘結(jié)合形成沉淀，降低土壤中鎘的生物有效性，減少其被植株吸收富集的量。黃雁飛等通過施用秸稈生物炭降低了水稻體內(nèi)的鎘含量，其中4.5%桑樹枝稈生物炭效果最佳，降鎘效果與本研究結(jié)果相似。研究表明，pH是影響土壤有效鎘含量的重要因素之一。在本研究中，與不添加生物炭的處理相比，施用生物炭的土壤pH顯著提高。土壤pH的增加有利于土壤表面呈負(fù)電性，增加土壤粒子與鎘的結(jié)合位點(diǎn)。同時(shí)，高pH有利于土壤溶液中氫氧根和碳酸根離子的形成，鎘可與之結(jié)合生成難溶的Cd（OH）和CdCO沉淀，進(jìn)一步阻礙了作物對鎘的吸收。同時(shí)也有研究表明，土壤pH的升高會(huì)增強(qiáng)土壤膠體及土壤黏粒對重金屬離子的吸附能力，改變土壤鎘的存在形態(tài)，抑制鎘的流動(dòng)性。王義祥等的研究表明生物炭主要通過提高土壤pH減少土壤中有效態(tài)鎘含量和鎘的生物有效性，進(jìn)而降低水稻對鎘的吸收能力，這與本研究結(jié)果相似。此外，腐殖質(zhì)和速效磷被認(rèn)為可以減少土壤有效態(tài)鎘含量，其通過將可交換態(tài)鎘固定在土壤中，從而減少鎘的生物可利用度。GU等發(fā)現(xiàn)土壤腐殖質(zhì)和速效磷含量的升高導(dǎo)致甜菜根部對鎘的吸收減少，進(jìn)而減少甜菜莖部和葉子的鎘含量，這與本研究結(jié)果相似。本研究結(jié)果表明生物炭可有效抑制番茄對鎘的吸收，降低番茄作物中鎘的健康風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 生物炭施入對番茄品質(zhì)和產(chǎn)量的影響

番茄的品質(zhì)和產(chǎn)量受到很多因素的影響，重金屬污染會(huì)阻礙番茄的正常生長發(fā)育，進(jìn)而影響其品質(zhì)和產(chǎn)量。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)施入生物炭顯著提升鎘污染土壤中番茄的品質(zhì)和產(chǎn)量，其中3%生物炭提高效果最為顯著。由于生物炭具有較大的比表面積，同時(shí)還富含芳香結(jié)構(gòu)和含氧官能團(tuán)，能夠有效吸附固定土壤中的鎘，進(jìn)而減少鎘對番茄的脅迫作用。此外，生物炭有疏松多孔的結(jié)構(gòu)和較高的全碳含量，可以改善土壤的理化特性和保水能力，并且適于土壤微生物的生存。同時(shí)生物炭可改變土壤容重和增加土壤孔隙度，有利于番茄根系生長，從而促進(jìn)番茄植株對營養(yǎng)成分的吸收能力，進(jìn)而提高番茄產(chǎn)量。AKHTAR等研究了生物炭比率對溫室生長的番茄的影響，表明高生物炭比率（3%）可提高原有番茄產(chǎn)量的30%，與本研究結(jié)果相似。李昌見等報(bào)道40 t·hm的生物炭施用量使番茄增產(chǎn)51.6%，而60 t·hm的生物炭施用量僅增產(chǎn)49.6%，說明過高的生物炭施用量可能會(huì)降低番茄產(chǎn)量。同時(shí)有研究指出適量生物炭的添加也可促進(jìn)番茄品質(zhì)的提升，本研究表明向土壤中施入3%的生物炭顯著增加了番茄的維生素C、番茄紅素、可溶性蛋白和可溶性糖含量，這可能是因?yàn)槭┤肷锾吭黾恿巳~片的光合和蒸騰速率，增加番茄葉綠素含量和葉面積，進(jìn)而促進(jìn)了光合產(chǎn)物向果實(shí)的運(yùn)輸，并且提高了植株氮、磷和鉀的利用效率，提高了番茄品質(zhì)。AGBNA等發(fā)現(xiàn)，添加生物炭顯著增加番茄維生素C和可溶性糖的含量，可能歸因于生物炭能夠改善土壤的保水能力和增加土壤養(yǎng)分含量（堿解氮、速效磷和速效鉀）。本研究中，T、T和T處理的土壤養(yǎng)分含量顯著高于CK處理，且相關(guān)性熱圖顯示土壤養(yǎng)分含量均和番茄的產(chǎn)量、品質(zhì)呈顯著正相關(guān)關(guān)系（圖5），也證實(shí)了這一觀點(diǎn)。ALMAROAI等的研究表明，在適量生物炭施用量下番茄的維生素C、番茄紅素和可溶性糖含量分別增加了39%、24%、29%，這與本研究結(jié)果相似。

3.3 生物炭施入對鎘污染土壤理化性質(zhì)的影響

生物炭作為改善環(huán)境的外源材料，能夠直接有效地改善土壤的理化性質(zhì)。本研究表明，添加生物炭的處理可顯著改善土壤理化性質(zhì)（pH、腐殖質(zhì)）并提高養(yǎng)分含量（堿解氮、速效磷和速效鉀），其中3%生物炭處理對土壤養(yǎng)分含量提高效果最顯著，與5%生物炭處理對土壤理化性質(zhì)的影響無顯著差異。生物炭具有較高的pH，同時(shí)可向土壤釋放更多的碳酸鹽、氧化物和氫氧化物，從而增加土壤pH。此外，生物炭在微生物的作用下形成土壤腐殖質(zhì)，同時(shí)生物炭緩慢的分解有利于腐殖質(zhì)的形成，可長期有效地促進(jìn)土壤腐殖質(zhì)的提高。QUAN等發(fā)現(xiàn)鎘污染土地中施入生物炭可顯著提高0～20 cm表層土壤的腐殖質(zhì)含量，這與本研究結(jié)果相似。另外，生物炭富含氮、磷、鉀等元素，加入土壤中起直接補(bǔ)充作用。生物炭的施入顯著提高了與氮、磷、鉀循環(huán)相關(guān)的微生物活性，進(jìn)一步提高堿解氮、速效磷和速效鉀的含量。張海晶等的研究表明玉米秸稈生物炭顯著提高土壤的pH和堿解氮、速效磷、速效鉀含量，這與本研究結(jié)果相似。此外，生物炭的添加有利于形成并提高土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，促進(jìn)土壤氮的礦化作用，從而減少土壤氮素的淋失?；示哂蟹市Э臁⒉怀志玫奶匦?。生物炭因具有較高的吸附性能，而能夠吸附固定土壤的速效鉀和速效磷。隨著番茄的生長發(fā)育、生物炭的老化及番茄和土壤微生物促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的分解，生物炭吸附固定的速效磷和速效鉀緩慢釋放。在兩者的共同作用下，土壤的速效磷和速效鉀含量隨著番茄的生長而升高。崔虎等發(fā)現(xiàn)生物炭能夠提高土壤氮、鉀元素的滯留能力，進(jìn)而提高作物對土壤養(yǎng)分的利用率。魏永霞等發(fā)現(xiàn)連續(xù)4 a施用生物炭，土壤pH、堿解氮和速效鉀含量隨著施炭量增加而升高。同時(shí)，研究表明較高的生物炭施用量對土壤氮素起固持作用且導(dǎo)致土壤C/N過高，從而降低微生物和酶活性，進(jìn)而減少土壤中有效氮、磷和鉀等的含量，這也證實(shí)了本研究中T處理的土壤養(yǎng)分含量顯著低于T處理的結(jié)果。因此3%生物炭的添加量更有利于提高土壤pH和腐殖質(zhì)含量，促進(jìn)并維持土壤的養(yǎng)分。

3.4 生物炭施入對鎘污染土壤酶活性的影響

酶活性是反映土壤肥力和質(zhì)量的指標(biāo)之一，在土壤養(yǎng)分循環(huán)中起重要作用，其活性與植物生長密切相關(guān)。脲酶是促進(jìn)土壤中氮素轉(zhuǎn)化的酶。過氧化氫酶可直接改變重金屬離子價(jià)態(tài)以實(shí)現(xiàn)重金屬解毒。蔗糖酶和纖維素酶是催化碳循環(huán)的酶。本研究表明，CK處理番茄土壤中酶（脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶和纖維素酶）活性均顯著降低，而添加生物炭的處理，可消除鎘對酶活性的抑制作用，并使各個(gè)酶活性顯著提高。重金屬鎘因其高毒性而會(huì)損傷細(xì)胞和使土壤微生物死亡，同時(shí)鎘也會(huì)與酶巰基反應(yīng)，或與底物發(fā)生螯合反應(yīng)，產(chǎn)生與底物的競爭性抑制，進(jìn)而導(dǎo)致酶活性下降。而生物炭可以吸附固定土壤中的鎘，與鎘形成絡(luò)合物，進(jìn)一步降低了有效態(tài)鎘含量和生物可利用度，從而減輕鎘對土壤微生物的毒害作用。研究表明在鎘污染土壤中添加2%生物炭提高了過氧化氫酶活性，減少植物組織細(xì)胞膜的破裂。同時(shí)，生物炭自身巨大的比表面積及豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，為微生物提供良好的棲息環(huán)境，促進(jìn)微生物的生長。此外，生物炭通過自身的多孔結(jié)構(gòu)和較強(qiáng)的吸附性能，可以吸附酶促反應(yīng)底物，為土壤酶提供更多的結(jié)合位點(diǎn)，進(jìn)而提高土壤酶活性。生物炭還可通過促進(jìn)水分保持，增加土壤的孔隙度來增強(qiáng)酶活性。王垚等的研究表明施入生物炭增加了土壤穩(wěn)定的碳組分，調(diào)節(jié)了土壤水肥平衡，為酶促反應(yīng)提供了充足的底物和良好的條件，進(jìn)而提高了土壤酶活性。同時(shí)，pH和土壤陽離子交換能力的提高也對酶活性有積極的影響。因此，酶活性的增強(qiáng)與土壤pH增加、土壤養(yǎng)分淋失減少及施用生物炭降低了鎘的生物可利用度有關(guān)。此外，TU等的研究表明1%生物炭能明顯提高脲酶和過氧化氫酶活性，而5%生物炭則使酶活性降低，主要是因?yàn)楦弑嚷实纳锾繉ν寥牢⑸锂a(chǎn)生了有害影響。王豪吉等的研究表明，與1%生物炭相比，3%生物炭顯著提高了土壤的脲酶、過氧化氫酶和蔗糖酶活性，本研究結(jié)果也證實(shí)了上述的觀點(diǎn)。在本研究中，施用生物炭對土壤酶活性起到了促進(jìn)作用，其中3%生物炭處理的土壤酶活性提高效果最為顯著，表明土壤中添加3%生物炭為較適宜的添加量。

4 結(jié)論

（1）番茄根系、莖部和果實(shí)中鎘的累積隨著生物炭添加量的增加而減少，3%生物炭處理中番茄體內(nèi)鎘含量已達(dá)到國家食品安全標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）添加生物炭顯著提高土壤中脲酶、蔗糖酶、纖維素酶和過氧化氫酶的活性，改善土壤的生態(tài)環(huán)境。

（3）生物炭通過吸附固定土壤中的鎘，抑制了番茄對鎘的吸收，提高了土壤pH、腐殖質(zhì)、速效氮、速效磷和速效鉀的含量，從而提高番茄產(chǎn)量和果實(shí)的維生素C、番茄紅素、可溶性蛋白、可溶性糖含量和糖酸比。綜合以上研究結(jié)果，施用3%的生物炭提升效果最佳。