生物炭與不同肥料配施對鎘脅迫下煙株生長的影響

尤方芳，趙銘欽，*，陳發(fā)元，孫翠紅，許躍奇，李　慧，金洪石，金江華

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 煙草學(xué)院/國家煙草栽培生理生化研究基地，河南 鄭州 450002；2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450002；3.吉林煙草工業(yè)有限責(zé)任公司，吉林 延吉 133001)

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生物炭與不同肥料配施對鎘脅迫下煙株生長的影響

尤方芳1，趙銘欽1，*，陳發(fā)元1，孫翠紅1，許躍奇1，李慧2，金洪石3，金江華3

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 煙草學(xué)院/國家煙草栽培生理生化研究基地，河南 鄭州 450002；2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450002；3.吉林煙草工業(yè)有限責(zé)任公司，吉林 延吉 133001)

以豫煙12號為供試材料，采用盆栽土培試驗，探討在重金屬鎘脅迫下，生物炭與不同肥料配施后，煙株根系活力、保護(hù)酶活性、煙葉中鎘含量及煙葉生物量的變化。結(jié)果表明：生物炭的添加在一定程度上提高了根際土壤的pH值，添加生物炭的施肥處理土壤中的有效態(tài)鎘含量和煙葉鎘含量均在旺長期(60 d)后顯著下降。成熟期(90 d)時，復(fù)合肥處理和有機肥+復(fù)合肥處理在添加生物炭后，土壤中的有效態(tài)鎘含量分別降低了22.2%和7.14%，煙葉鎘含量分別降低了61.3%和40.3%。生物炭與復(fù)合肥配施和生物炭與有機肥+復(fù)合肥配施的煙株根系活力分別較未添加生物炭的對應(yīng)施肥處理提高了11.24和18.85 μg·g-1·h-1，煙葉生物量較未添加生物炭的施肥處理分別增加了67.6%和21.4%。脅迫環(huán)境下，兩種施肥方式添加生物炭后顯著降低了煙葉的MDA含量，減少了煙葉的膜質(zhì)過氧化程度，煙葉的SOD，POD和CAT保護(hù)酶活性較未添加生物炭的施肥處理也有所增加，且以有機肥+復(fù)合肥添加生物炭的施肥處理對煙葉保護(hù)酶活性的提高較為顯著。因此，在有機肥和復(fù)合肥配施的情況下添加生物炭可有效改善煙株的鎘脅迫環(huán)境，降低煙葉中的鎘含量。

生物炭；肥料；煙葉；鎘含量；有效態(tài)鎘；保護(hù)酶

我國是世界煙葉生產(chǎn)大國，烤煙種植面積和總產(chǎn)量都居世界首位。隨著社會文明的進(jìn)步和人民生活水平的提高，廣大消費者日益重視身體健康，對煙草制品的安全性也給予了高度的關(guān)注。目前，煙葉重金屬問題作為制約煙葉安全性的關(guān)鍵因素逐漸進(jìn)入人們的視野[1]，且以重金屬鎘對煙葉的危害較為突出。重金屬鎘極易在煙葉內(nèi)富集[2-3]。研究表明，煙葉中的重金屬主要來自于植煙土壤[4]，土壤中過量的鎘不僅能在煙葉內(nèi)殘留，也會對煙葉的生長發(fā)育產(chǎn)生危害[5]。有研究發(fā)現(xiàn)，鎘會引起煙草細(xì)胞組織內(nèi)抗氧化系統(tǒng)相關(guān)酶活性及膜脂過氧化產(chǎn)物含量的變化，進(jìn)而影響煙株生長[6]。

土壤中鎘的來源很多，其中肥料的施用是農(nóng)田土壤重金屬的主要來源之一[7]。大田施肥對植煙土壤中的重金屬含量變化有著不可忽視的影響[8-9]。有研究發(fā)現(xiàn)，有機肥施入土壤可改變土壤中重金屬的化學(xué)行為，不僅降低了土壤重金屬的生物有效性，還減少了作物對其吸收量[10-11]。

生物炭因其特殊的性質(zhì)，在土壤改良方面引起了社會的廣泛關(guān)注。生物炭是一種經(jīng)過高溫裂解“加工”過的生物質(zhì)，它具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)、較大的比表面積以及較強的吸附特性，將其施入土壤后有利于吸附固定土壤中的重金屬，從而減輕植物對土壤中重金屬的吸收[12]。Schulz等[13]發(fā)現(xiàn)，生物炭與有機肥配合能有效地增加土壤養(yǎng)分，并促進(jìn)植物生長。

本試驗在兩種常規(guī)施肥模式下添加生物炭，研究了煙葉中重金屬含量和生理生化變化對鎘脅迫環(huán)境的響應(yīng)，進(jìn)而探討了生物炭和肥料配施對煙葉鎘的消減效果。這對指導(dǎo)烤煙生產(chǎn)中生物炭和肥料的合理配施，降低煙葉重金屬含量，提高煙葉安全性，促進(jìn)煙葉的可持續(xù)發(fā)展具有積極意義。

1　材料與方法

1.1試驗設(shè)計

2014年5—9月于山西省長子縣王峪鄉(xiāng)試驗站開展試驗，供試品種為豫煙12號，試驗所用盆缽規(guī)格為25 cm × 40 cm。選取當(dāng)?shù)亟】禑熖锔麑?0—20 cm)土壤，土壤類型為褐土，土壤經(jīng)風(fēng)干，并過2 mm網(wǎng)篩后備用。土壤pH 7.69，有機質(zhì)含量8.35 g·kg-1，堿解氮、有效磷、速效鉀含量分別為72.8，7.83，156.6 mg·kg-1。盆栽土壤鎘本底值為0.04 mg·kg-1，向盆栽土壤中施加硫酸鎘，調(diào)節(jié)土壤鎘濃度至1.00 mg·kg-1。生物炭用量為20 g·kg-1，來自于河南三利新能源公司，其中，花生殼炭(花生殼在500℃高溫厭氧條件下熱解4 h)的有機碳含量為647.16 g·kg-1，C/N為42.52，pH為9.16；玉米秸稈的有機碳含量為432 g·kg-1，C/N為44.74。土壤老化一個月后裝盆，每盆裝土15 kg，并移栽生長健康、長勢一致的煙苗，移栽后管理同一般大田生產(chǎn)。

試驗設(shè)5個處理，每個處理設(shè)置20個重復(fù)。分別為：未施肥(CK)，施用復(fù)合肥(T1)，施用復(fù)合肥+生物炭(T2)，施用有機肥+復(fù)合肥(T3)，施用有機肥+復(fù)合肥+生物炭(T4)。T3，T4處理所用有機肥和復(fù)合肥均為50%的豆餅肥氮和50%的無機肥氮。各處理每盆所施肥料為純氮3 g，N、P2O5、K2O質(zhì)量比為1∶1.5∶3，各處理P，K不足部分分別用磷酸二氫鈣與硫酸鉀(均為分析純)補充。有機肥為來自于山東濟(jì)寧市金山生物工程有限公司的優(yōu)質(zhì)豆粕，氮磷鉀分別為3%，1%和2%，有機質(zhì)≥45%；無機肥為來自深圳市芭田生態(tài)工程股份有限公司的復(fù)合肥料，氮磷鉀均為15%。有機肥、復(fù)合肥和生物炭中鎘的含量分別為0.06，0.02，0.01 mg·kg-1。各處理每盆具體施肥量如表1所示。

1.2測定方法

樣品前處理：煙葉樣品于105℃殺青，75℃烘干，過60目尼龍網(wǎng)篩；煙葉重金屬鎘和土壤有效態(tài)鎘采用微波消解—石墨爐原子吸收法測定[14]。根際土壤pH測定采用電位法，煙草根系活力的測定采用TTC法[15]，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光度法[16]。

1.3數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)計算和作圖，SPSS 19.0.統(tǒng)計軟件進(jìn)行方差分析。

2　結(jié)果與分析

2.1生物炭與肥料配施對植煙土壤根際pH值的影響

土壤pH是影響植煙土壤中鎘形態(tài)的重要因素[17]。從圖1可以看出，各處理的植煙土壤pH整體上隨生育期進(jìn)程呈先下降后上升的趨勢，這與蔡憲杰等[18]的研究結(jié)果一致。移栽初期，T1處理的根際土壤pH值略低于T3，這與有機肥對土壤根際pH的微調(diào)緩沖作用有一定的關(guān)系[19]。整個生育期，T2和T4處理的根際土壤pH都高于T1和T3處理，這說明生物炭的添加一定程度上提高了植煙土壤根際pH值。

2.2生物炭與肥料配施對煙株根系活力的影響

根系是煙株吸收土壤中水分和營養(yǎng)元素的重要器官。根系活力既可以作為煙株根系生命活動的重要指標(biāo)，也可以作為脅迫環(huán)境下煙株吸收養(yǎng)分的障礙因素指標(biāo)[20]。如圖2所示，在煙草的整個生育期內(nèi)，各處理的煙株根系活力均呈現(xiàn)出先升高后下降的變化趨勢。移栽30 d時，煙株處于團(tuán)棵期，各處理的煙株根系活力無顯著差異(P>0.05)。進(jìn)入旺長期后，為滿足地上部分對營養(yǎng)的需求，煙株根系快速生長，根系活力逐漸增加。60 d時，T2處理的根系活力較T1高11.24 μg·g-1·h-1，T4處理的根系活力較T3高18.85 μg·g-1·h-1。之后，煙株進(jìn)入成熟期，各處理煙株根系活力下降。至90 d時，T1和T2處理的根系活力無顯著差異(P>0.05)，T4處理的根系活力顯著(P<0.05)高于T3處理。高家合等[21]研究表明，有機肥可以促進(jìn)煙株根系生長，提高煙株根系活力。與純施復(fù)合肥(T1)相比，有機肥+復(fù)合肥(T3)的煙株根系活力雖有所提高，但差異不顯著(P>0.05)，這可能是受環(huán)境脅迫的影響。而在T3基礎(chǔ)上添加生物炭后(即T4處理)，煙株的根系活力顯著(P<0.05)高于其他施肥處理。說明，生物炭的添加一定程度上緩解了煙株所受的環(huán)境脅迫，煙株根系活力有所提高。

表1各處理每盆施肥量(g)

Table 1Fertilization amount per pot of each treatment(g)

處理復(fù)合肥有機肥生物炭磷酸二氫鈣硫酸鉀CK00000T120009.513.4T22003009.513.4T31050015.814.5T4105030015.814.5

圖1　各處理植煙土壤根際pH值隨生育期的動態(tài)變化Fig.1　Dynamic changes of rhizosphere soil pH under different treatments during the growth period

相同移栽天數(shù)各處理間無相同小寫字母的表示差異顯著(P<0.05)，下同。圖2　各處理煙株根系活力隨生育期的動態(tài)變化Fig.2　Dynamic changes of root activity of tobacco under different treatments during the growth period

2.3生物炭與肥料配施對土壤中有效態(tài)鎘含量的影響

如圖3所示，各處理土壤中的有效態(tài)鎘含量整體上隨煙株生育期呈逐漸降低的趨勢。60 d時，各處理的土壤有效態(tài)鎘含量無顯著差異(P>0.05)。90 d時，T2和T4的土壤有效態(tài)鎘含量較T1處理顯著(P<0.05)減少。T3處理的土壤有效態(tài)鎘含量在生育期前期與T1無顯著性差異(P>0.05)；但在90 d時，卻顯著(P<0.05)低于T1處理，這可能與有機肥可以吸附固持一定的鎘有關(guān)[22]。

2.4生物炭與肥料配施對煙葉中鎘含量的影響

如圖4所示，各處理煙葉中的鎘含量隨生育期進(jìn)程逐漸降低。各處理的煙葉鎘含量在旺長期(60 d)前無顯著差異(P>0.05)。60～75 d，T4處理的煙葉鎘含量較T3顯著(P<0.05)下降。煙葉成熟期(90 d)，T2處理的煙葉鎘含量較T1顯著(P<0.05)降低了61.3%，T4處理的煙葉鎘含量較T3降低了40.3%，但差異不顯著(P>0.05)，且T3的煙葉鎘含量顯著(P<0.05)低于T1。一方面，這與該時期土壤中有效態(tài)鎘含量降低有關(guān)；另一方面，有機肥和復(fù)合肥配施在后期促進(jìn)了煙株的快速生長，也可能是因為濃度稀釋效應(yīng)，導(dǎo)致煙葉中的鎘含量降低[23]。

圖3　各處理土壤中有效態(tài)鎘含量隨生育期的動態(tài)變化Fig.3　Dynamic changes of soil available Cd concentrations under different treatments during the growth period

圖4　各處理煙葉中的鎘含量隨生育期的動態(tài)變化Fig.4　Dynamic changes of Cd concentration in tobacco leaves under different treatments during the growth period

2.5生物炭與肥料配施對煙葉膜質(zhì)過氧化產(chǎn)物和保護(hù)酶活性的影響

丙二醛(MDA)是膜脂過氧化的最終產(chǎn)物，其含量是反映植物膜質(zhì)過氧化水平的重要指標(biāo)[24]。如圖5所示，30—90 d，各處理的煙葉MDA含量逐漸增加，至90 d時含量達(dá)到峰值。但各處理煙葉內(nèi)MDA隨生育期增加的幅度不同。移栽60 d時，各處理的煙葉MDA含量增幅最大，且該時期T2處理的MDA含量比T1低23.5%，T4處理的MDA含量比T3低21.9%，說明生物炭與肥料配施一定程度上降低了煙葉的丙二醛含量，緩解了脅迫環(huán)境下煙株的膜脂過氧化程度。

SOD，POD和CAT是煙株適應(yīng)逆境脅迫的重要保護(hù)酶類，可以消除煙株在逆境中產(chǎn)生的活性氧自由基。如圖5所示，添加生物炭的施肥處理(T2，T4)煙葉中SOD，POD和CAT酶活性均高于未添加生物炭的施肥處理(T1，T3)。各處理的煙葉SOD酶活性整體上表現(xiàn)為T4>T3>T2>T1>CK。煙葉中POD酶活性隨著生育期表現(xiàn)為逐漸增加的趨勢；T2和T4處理的煙葉POD酶活性隨生育期進(jìn)程升高幅度較大。各施肥處理的SOD和POD酶活性均以T4處理最高，復(fù)合肥處理添加生物炭處理(T2)和復(fù)合肥與有機肥配施處理添加生物炭處理(T4)相比，并沒有表現(xiàn)出較高的酶活性，說明生物炭的添加雖然一定程度上緩解了鎘脅迫環(huán)境，但生物炭肥效低的特性也限制了煙株的生長，影響煙葉的酶活性。煙葉CAT酶活性隨著生育期的變化逐漸降低。在整個生育期內(nèi)，T2或T4處理的煙葉CAT活性都分別高于T1或T3處理，這表明生物炭的添加促進(jìn)了煙株CAT酶活性的提高。

圖5　各處理煙葉中MDA，SOD，POD和CAT隨生育期的動態(tài)變化Fig.5　Dynamic changes of MDA，SOD，POD and CAT in tobacco leaves under different treatments during the growth period

2.6生物炭與肥料配施對煙葉生物量的影響

由圖6可以看出，各處理煙葉生物量隨生育期的推進(jìn)均表現(xiàn)為遞增的趨勢，且整體上表現(xiàn)為T4>T2>T3>T1>CK。移栽后60，75，90 d時，T2煙葉生物量較T1分別增加了25.8%，51.8%，67.6%；T4煙葉生物量較T3分別增加了48.2%，59.3%，21.4%。這表明，添加生物炭對煙葉生長具有一定的促進(jìn)作用。這一方面與生物炭能夠改善土壤理化性質(zhì)，降低土壤容重，增強保肥能力有關(guān)[25]；另一方面，添加的生物炭減輕了煙株的重金屬毒害，提高了煙株的根系活力，促進(jìn)了煙株的生長。

圖6　各處理煙葉生物量隨生育期的動態(tài)變化Fig.6　Dynamic changes of tobacco biomass under different treatments during the growth period

3　結(jié)論與討論

鎘不是煙草生長的必需元素，卻易被煙株吸收。研究表明，生物炭的施用能夠不同程度地提高重金屬污染土壤的pH，影響土壤中的重金屬形態(tài)，降低土壤重金屬的生物有效性，從而減少植物對重金屬的吸收[26]。本研究發(fā)現(xiàn)，生物炭的添加雖然提高了根際土壤的pH值，但并不顯著。這可能與生物炭的施加量有關(guān)[27]。施肥對土壤重金屬的影響極為復(fù)雜，這與施肥方式、土壤條件等因素都有關(guān)[23，28]。有研究發(fā)現(xiàn)，生物炭與施肥結(jié)合，可改變土壤中鎘的有效態(tài)，降低植物對鎘的吸收，同時肥料彌補了生物炭養(yǎng)分低的缺點，而生物炭也能夠有效地改善肥料養(yǎng)分的緩釋性能[29]。本文通過兩種施肥方式加入生物炭前后的對比發(fā)現(xiàn)，施肥與生物炭配施在煙株旺長期后顯著降低了植煙土壤中的有效態(tài)鎘含量，且復(fù)合肥處理添加生物炭前后對土壤中有效態(tài)鎘的降低幅度優(yōu)于有機肥和復(fù)合肥處理。這可能是因為有機肥和復(fù)合肥處理本身也降低了土壤中的有效態(tài)鎘含量，導(dǎo)致該處理添加生物炭前后對植煙土壤有效態(tài)鎘的降低幅度不如復(fù)合肥處理。各處理煙葉中的鎘含量變化與土壤中有效態(tài)鎘含量變化有較強的正相關(guān)性，進(jìn)一步驗證了煙葉中的重金屬鎘主要來自于土壤中的有效態(tài)鎘[30]。此外，復(fù)合肥添加生物炭的施肥處理煙葉中的鎘含量高于有機肥+復(fù)合肥添加生物炭的施肥處理。這既與土壤中有效態(tài)鎘的下降有關(guān)，也可能是由于有機肥在煙株生長后期促進(jìn)了煙株生長，導(dǎo)致煙葉中的鎘含量因“稀釋效應(yīng)”而減少[9]。

根系活力是反映根系生命活動的指標(biāo)，脅迫環(huán)境下，植物的根系活力受到抑制，進(jìn)而影響植物的生長發(fā)育[31]。本試驗發(fā)現(xiàn)，兩種施肥方式添加生物炭后，煙株的根系活力均得到提高，煙葉的生物量也顯著高于未施加生物炭的施肥處理，且有機肥+復(fù)合肥添加生物炭的施肥處理對脅迫環(huán)境下煙株根系活力的提高更加明顯。這可能是因為有機肥和生物炭相互作用改善了根系生長的微生物環(huán)境[32]。研究表明，煙株在逆境下受脅迫與活性氧積累誘發(fā)的膜脂過氧化作用密切相關(guān)，MDA是膜脂過氧化最重要的產(chǎn)物之一，其含量水平可反映膜脂受損程度[33]。SOD，POD和CAT是植物防御系統(tǒng)的主要保護(hù)酶類，這三者協(xié)調(diào)一致，使生物體內(nèi)自由基維持在一個較低水平，從而防止自由基傷害[34]。鎘脅迫環(huán)境下，煙葉的MDA含量和SOD，POD，CAT活性隨生育期發(fā)生相應(yīng)變化。試驗中兩種施肥方式添加生物炭后，煙葉MDA含量均明顯降低，煙葉的3種保護(hù)酶活性也有所提高，但僅在有機肥、復(fù)合肥添加生物炭的施肥處理下顯著提高，復(fù)合肥添加生物炭的施肥處理雖然緩解了重金屬脅迫，減輕了煙葉的膜脂過氧化，但煙葉的保護(hù)酶活性卻沒有顯著提高。

綜上所述，生物炭與有機肥和無機肥配施顯著降低了煙葉的丙二醛含量，提高了煙葉的保護(hù)酶活性，煙株的脅迫環(huán)境得以改善，且該處理顯著提高了煙株的根系活力，促進(jìn)了煙葉生長；同時，能夠降低土壤有效態(tài)鎘的相對含量，減少煙葉對鎘的吸收積累，進(jìn)而降低煙葉中鎘含量，是修復(fù)鎘污染土壤的有效措施。

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(責(zé)任編輯高峻)

Effect of combined application of biochar and fertilizer on growth of tobacco under Cd stress

YOU Fang-fang1，ZHAO Ming-qin1,*，CHEN Fa-yuan1，SUN Cui-hong1，XU Yue-qi1，LI Hui2，JIN Hong-shi3，JIN Jiang-hua3

(1.National Tobacco Cultivation &Physiology &Biochemistry Research Center/College of Tobacco，Henan Agricultural University，Zhengzhou 450002，China;2.College of Resources and Environmental Sciences，Henan Agricultural University，Zhengzhou 450002，China;3.Jilin Tobacco Industrial Co.，Ltd.,Yanji 133001，China)

s:With tobacco cv.Yuyan12 as material，the activity of roots system，protective enzymes，Cd content in tobacco leaves and changes of leaf biomass with the application of biochar and different fertilizers under Cd stress were explored by pot experiment.It was shown that addition of biochar could increase soil rhizosphere pH，and the contents of available Cd in soil and tobacco leaves were decreased significantly at fast growing period (60 d).At mature period (90 d)，for the fertilization method of compound fertilizer or compound fertilizer with organic fertilizer，the content of available Cd in soil was reduced by 22.2% and 7.14%，respectively，after addition of biochar，and Cd concentration in tobacco leaves was reduced by 61.3% and 40.3%，respectively.Meanwhile，the activity of root system was increased by 11.24 and 18.85 μg·g-1·h-1，respectively，and the biomass of tobacco leaves was increased by 67.6% and 21.4%，respectively，for these two treatments after addition of biochar.Under Cd stress，after addition of biochar into these two fertilization methods，the content of MDA decreased significantly，and the activities of SOD，POD and CAT of tobacco leaves were increased.Therefore，for the fertilization method of organic fertilizer and compound fertilizer，the addition of biochar could effectively decrease Cd concentration in tobacco leaves，and eliminate Cd stress.

biochar;fertilizer;tobacco;Cd concentration ；available Cd;protective enzyme

浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報Acta Agriculturae Zhejiangensis，2016，28(3):489-495http://www.zjnyxb.cn

尤方芳，趙銘欽，陳發(fā)元，等.生物炭與不同肥料配施對鎘脅迫下煙株生長的影響[J].浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報，2016，28(3)： 489-495.

10.3969/j.issn.1004-1524.2016.03.21

2015-08-19

中國煙草總公司山西省公司重點科技攻關(guān)項目(JY201201)

尤方芳(1991—)，女，河南睢縣人，在讀碩士研究生，研究方向為煙草質(zhì)量評價。E-mail∶13783536583@163.com

，趙銘欽，E-mail:zhaomingqin@126.com

S572;S147

A

1004-1524(2016)03-0489-07