韓毅 陳發(fā)元 趙銘欽

摘要：盆栽條件下，研究了生物炭與有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施對(duì)煙草生育期內(nèi)干物質(zhì)積累量、煙草和土壤重金屬汞含量、煙株根系土壤pH、煙草保護(hù)酶活性的影響。結(jié)果表明：（1）生物炭與低量有機(jī)肥（70%氮磷鉀復(fù)合肥+30%芝麻餅肥）配施一定程度地增加了煙草生育期干物質(zhì)積累量；煙草成熟期根、莖、葉干物質(zhì)量較未施肥處理增加363.77%、32.10%、136.22%，根干物質(zhì)量生物炭與低量有機(jī)肥配施較未添加生物炭的增加47.01%。（2）高量有機(jī)肥（70%）處理煙株和土壤重金屬含量較高，低量和中量有機(jī)肥（50%）配施較低，成熟期時(shí)重金屬含量表現(xiàn)為根>莖>下部葉>中部葉>上部葉，生物炭與低量有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施與低量有機(jī)無(wú)機(jī)肥施用相比，煙草根、莖、葉以及根際土壤汞含量降低21.81%、10.64%、18.00%、12.50%。 （3）生物炭與低量有機(jī)肥配施生育期內(nèi)pH提升幅度不大，成熟期顯著提高了煙葉SOD、CAT活性。綜上所述，汞脅迫下生物炭和低量有機(jī)肥配施既能有效降低汞對(duì)煙草的危害，抑制煙草對(duì)汞的富集，提高煙葉的保護(hù)酶活性，還能夠增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，提高土壤養(yǎng)分的有效性和肥料的利用率，促進(jìn)煙葉生長(zhǎng)。

關(guān)鍵詞：煙葉；土壤汞脅迫；生物炭；有機(jī)肥；干物質(zhì)積累量；土壤pH；保護(hù)酶活性

中圖分類(lèi)號(hào)：S572.01文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A文章編號(hào)：1001-4942（2016）08-0074-06

AbstractThe effects of combined application of biochar and organic-inorganic fertilizers on accumulation of dry matter of tobacco， content of mercury （Hg） in tobacco and soil， soil pH of root rhizosphere， activity of protective enzymes in tobacco were studied through pot tests. The results were as follows. ① The combined application of biochar and low amount of organic fertilizer （70% NPK compound fertilizer + 30% sesame cake fertilizer） could increase the accumulation of dry matter of tobacco in a certain content； the amount of dry matter of roots， stem and leaves increased by 363.77%， 32.10% and 136.22% compared with no fertilization； the dry matter of roots increased by 47.01% compared with the application of only low amount of organic-inorganic fertilizer. ② The content of Hg in tobacco and soil was higher under the treatment of high amount of organic fertilizer （70%）， while that was lower under medium and lower amount of organic fertilizer； the content of Hg at mature stage showed roots>stems>lower leaves>middle leaves>upper leaves； compared with the application of only low amount of organic-inorganic fertilizer， the content of Hg in roots， stems， leaves and rhizosphere soils decreased by 21.81%， 10.64%， 18.00% and 12.50% under the combined application of biochar and low amount of organic fertilizer. ③ Under the combined application of biochar and low amount of organic-inorganic fertilizer， the soil pH value in growth period increased little， and the activity of SOD and CAT in tobacco leaves increased significantly at mature stage. In summary， the combined application of biochar and low amount of organic-inorganic fertilizer could effectively reduce the harm of Hg to tobacco， inhibit the accumulation of Hg in tobacco， improve the activity of protective enzymes in tobacco leaves， and also increase the content of soil organic matter， the availability of soil nutrients and the utilization ratio of fertilizers， so it could promot the growth of tobacco leaves.

KeywordsTobacco leaves； Soil mercury stress； Biochar； Organic fertilizer； Dry matter accumulation； Soil pH； Activity of protective enzymes

煙草作為一種重要的經(jīng)濟(jì)作物，優(yōu)質(zhì)無(wú)公害生產(chǎn)一直是煙草行業(yè)研究的重點(diǎn)[1，2]。汞（Hg）是煙草主要的重金屬元素之一，煙草中的Hg等重金屬元素能以氣溶膠或金屬氧化物的形式通過(guò)煙氣進(jìn)入人體，對(duì)人體健康構(gòu)成威脅[3]。魯黎明等[4]研究認(rèn)為煙草對(duì)不同重金屬元素積累能力表現(xiàn)為Hg>Cr>As>Pb。煙草對(duì)Hg有較強(qiáng)的富集和積累能力，煙株內(nèi)汞積累到一定程度就會(huì)出現(xiàn)葉片黃化、植株低矮、根系發(fā)育不良等毒害癥狀，葉綠素含量和抗氧化酶系統(tǒng)清除自由基的功能降低， 膜脂過(guò)氧化作用加劇，營(yíng)養(yǎng)器官發(fā)育受到極大影響[5，6]。

生物炭是一種新型的環(huán)境功能材料，國(guó)內(nèi)外研究表明[7-9]，添加生物炭可降低土壤和水中重金屬的生物有效性。添加生物炭通過(guò)影響土壤理化性質(zhì)，提高土壤 CEC、pH值以及結(jié)合其巨大的比表面積和強(qiáng)烈的吸附功能影響某些重金屬在土壤中的形態(tài)轉(zhuǎn)化和生物累積性。生物炭在南方酸性土壤中對(duì)于鈍化重金屬有較好的效果[7，10，11]，但在北方堿性土壤中的生理作用研究尚少[12]。

目前對(duì)煙草Hg污染的研究多集中在土壤汞脅迫對(duì)烤煙生理特性[6]和光合作用[5]的影響方面，對(duì)于利用改良劑或有機(jī)肥對(duì)煙草汞污染進(jìn)行修復(fù)的研究較少[13]。炭基肥是利用生物炭與其他肥料混合而成的長(zhǎng)效肥料，利用生物炭的吸附性能把土壤中作物所需營(yíng)養(yǎng)元素吸附在自身周?chē)?，防止肥料的流失而達(dá)到緩釋的效果[14]。本試驗(yàn)采用室內(nèi)盆栽方法，通過(guò)添加生物炭與不同比例的有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施，研究土壤汞脅迫下生物炭和有機(jī)無(wú)機(jī)氮肥配施對(duì)生育期煙草和土壤汞含量以及保護(hù)酶活性的影響，以期為探索煙草重金屬的消減技術(shù)和優(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供試材料

以秦?zé)?6為供試品種，試驗(yàn)選取平陸地區(qū)健康煙田耕層（0～20 cm）土壤，土壤類(lèi)型為褐土，肥力中等， pH值為7.2，有機(jī)質(zhì)含量8.64 g/kg，堿解氮52.8 mg/kg，速效鉀124 mg/kg，速效磷7.05 mg/kg。土壤汞本底值為0.03 mg/kg。

供試復(fù)合肥含硝態(tài)氮4%，銨態(tài)氮6%，N∶P∶K=10∶15∶25，總養(yǎng)分50%，汞含量為0.02 mg/kg；商品有機(jī)肥為腐熟的芝麻餅肥，含全氮57.08 g/kg、全磷（P2O5） 26.15 g/kg和全鉀（K2O）14.29 g/kg，汞含量為0.05 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(gòu)于河南三利新能源公司，用量為20 g/kg[15]，其中含有機(jī)碳（生物炭中有機(jī)物質(zhì)的總碳量）647.16 g/kg ，C/N為 42.52 ，pH值8.2 ，汞含量0.03 mg/kg。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2014年5-9月于山西省平陸縣望遠(yuǎn)試驗(yàn)站進(jìn)行，采用盆栽試驗(yàn)，共設(shè)7個(gè)處理，CK：未施肥；T1：施用70%復(fù)合肥+30%有機(jī)肥（70F+30M）；T2：施用70%復(fù)合肥+30%有機(jī)肥+生物炭（70F+30M+B）；T3：50%復(fù)合肥+50%有機(jī)肥（50F+50M）；T4：50%復(fù)合肥+50%有機(jī)肥+生物炭（50F+50M+B）；T5： 30%復(fù)合肥+70%有機(jī)肥（30F+70M）；T6： 30%復(fù)合肥+70%有機(jī)肥+生物炭（30F+70M+B）。各處理有機(jī)無(wú)機(jī)肥比例是芝麻餅肥氮和無(wú)機(jī)肥氮的比例。每盆純氮含量為4.4 g，按N∶P∶K=1∶1.5∶3 配施，其中芝麻餅肥中的鉀素和磷素不能達(dá)到肥料配比要求的需用重過(guò)磷酸鈣（含P2O5 45%）、硫酸鉀（含K2O 50%）補(bǔ)充。上述處理所有肥料均為一次性基施。每處理15個(gè)重復(fù)，共105盆，每盆裝土15 kg。盆栽土壤通過(guò)施加硫酸汞調(diào)節(jié)土壤汞濃度為1.00 mg/kg[16]，老化一個(gè)月后，移栽健康、長(zhǎng)勢(shì)一致、葉齡7葉左右的煙苗，試驗(yàn)管理同常規(guī)大田，于煙草不同生育期進(jìn)行煙葉和土壤樣品采集。

1.3測(cè)定方法

樣品前處理：煙葉樣品于105℃殺青，75℃烘干，過(guò)60目尼龍網(wǎng)篩；煙葉和土壤以及肥料中汞含量采用YC/T 2005-2008的方法進(jìn)行微波消解，氫化物原子熒光光度法測(cè)定；葉片丙二醛含量測(cè)定采用硫代巴比妥酸法，SOD活性測(cè)定采用NBT光化學(xué)還原法，POD活性測(cè)定采用愈創(chuàng)木酚法，CAT活性測(cè)定采用紫外分光吸收法[17]。土壤pH值采用風(fēng)干土用pH值計(jì)（雷磁pHS-3C）測(cè)定[18]，土水比為1∶2.5（即10 g 土加25 mL水）。生物炭的有機(jī)碳含量測(cè)定采用外熱源法[19]。

1.4數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和作圖，SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行差異性分析和相關(guān)描述統(tǒng)計(jì)分析。

2結(jié)果與分析

2.1生物炭與有機(jī)和無(wú)機(jī)肥配施對(duì)煙草干物質(zhì)積累量的影響

從圖1可以看出，隨著煙草的生長(zhǎng)，各處理煙草的干物質(zhì)積累量逐漸增加，旺長(zhǎng)期到圓頂期干物質(zhì)量增加最為明顯，成熟期達(dá)到最大值。隨有機(jī)肥比例的增加，圓頂期T1、T3、T5處理的葉干物質(zhì)量與CK相比分別增加80.04%、71.01%、50.60%，施加生物炭的T2、T4、T6處理分別增加92.82%、78.85%、44.61%；成熟期T2葉干物質(zhì)量最高，較CK提高136.22%。根干物質(zhì)量圓頂期和成熟期T1、T3、T5較CK分別增加93.55%、160.23%、108.25%和215.46%、214.17%、136.68%； T2、T4、T6較CK分別增加206.97%、107.28%、112.22%和363.77%、262.10%、253.21%。根成熟期施加生物炭的T2、T4、T6處理較T1、T3、T5增加了47.01%、15.25%、49.24%。莖成熟期時(shí)各處理除對(duì)照外干物質(zhì)含量相差不大，以T2較高，T2較CK提高32.10%。有機(jī)肥用量較高時(shí)（30F+70M）煙葉干物質(zhì)量反而降低，說(shuō)明餅肥用量較高時(shí)并不利于煙草干物質(zhì)的積累，這與前人研究結(jié)果一致[19]。生物炭與低量有機(jī)肥（70F+30M）配施煙草生育期干物質(zhì)積累量最高，但低量和中量有機(jī)肥處理的莖和葉干物質(zhì)量差異未達(dá)顯著水平。添加生物炭能夠減少土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的淋失，延緩無(wú)機(jī)肥氮在土壤中的釋放[20]，可保證煙草生育期養(yǎng)分供應(yīng)，進(jìn)而促進(jìn)煙草干物質(zhì)積累。

2.2生物炭與有機(jī)和無(wú)機(jī)肥配施對(duì)煙草汞含量的影響

從圖2和圖3可以看出，團(tuán)棵期到旺長(zhǎng)期煙草各部位的汞含量變化不大，圓頂期迅速下降。團(tuán)棵期T1、T3、T5 煙葉汞含量比對(duì)照分別降低48.17%、36.73%、15.47%，T2比T1降低10.64%；圓頂期低量和中量有機(jī)肥處理煙葉有效汞含量較低，與高量有機(jī)肥中有效汞含量差異達(dá)顯著水平；成熟期T2、T4、T6相較T1、T3、T5降低18.00%、11.35%、21.60%。根中重金屬含量高于煙葉，團(tuán)棵期施加生物炭的處理根內(nèi)汞含量較低，但差異不顯著，旺長(zhǎng)期煙株根系活動(dòng)旺盛，煙株在吸收營(yíng)養(yǎng)元素的同時(shí)吸收土壤中汞的量也在增加，圓頂期汞含量表現(xiàn)為T(mén)2

從圖4可知，煙草成熟期汞含量降至最低，表現(xiàn)為根>莖>下部葉>中部葉>上部葉，莖和葉內(nèi)有效汞含量不同處理間差異不大，根內(nèi)70%有機(jī)肥處理汞含量較高，30%和50%有機(jī)肥處理有效汞含量較低，生物炭與低量和中量有機(jī)肥配施根內(nèi)有效汞含量分別降低 21.81%、19.00%。

2.3生物炭與有機(jī)和無(wú)機(jī)肥配施對(duì)煙草根系土壤汞含量的影響

從圖5可以看出，隨煙草生育進(jìn)程，根系土壤中汞含量逐漸下降。施加生物炭的T2、T4、T6處理團(tuán)棵期土壤汞含量比T1、T3、T5降低13.61%、8.32%、5.56%；旺長(zhǎng)期比T1、T3、T5降低16.71%、6.78%、6.71%；圓頂期T1、T3、T5比對(duì)照降低25.25%、13.13%、5.56%，T2、T4、T6處理比T1、T3、T5處理降低16.55%、13.13%、5.56%。成熟期T1、T3、T5比未施肥對(duì)照降低34.50%、18.71%、7.60%， T2、T4、T6處理比T1、T3、T5降低12.50%、23.02%、9.49%。有機(jī)肥所占比例較高時(shí)土壤有效汞含量較高，表明生物炭和低量有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施鈍化效果更好。原因可能是生物炭表面的官能團(tuán)促使土壤中有效態(tài)汞轉(zhuǎn)化成難溶性汞化合物固定于土壤中而不易被作物吸收，從而降低汞離子的富集程度[9]，降低植物對(duì)汞吸收的有效性。

2.4生物炭與有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施對(duì)煙草根際土壤pH值的影響

由表1看出，隨著煙株生育期延長(zhǎng)，旺長(zhǎng)期pH值下降，可能與旺長(zhǎng)期根系活動(dòng)比較旺盛、分泌一定量的有機(jī)酸有關(guān)，圓頂期略有回升，成熟期又有所下降。30%和50%有機(jī)肥處理的土壤pH值相對(duì)較高，未施肥對(duì)照pH值較低，除成熟期外，其他生育期70%有機(jī)肥處理的pH值與對(duì)照差異不顯著。生物炭與低量有機(jī)肥配施煙草生育期內(nèi)根系土壤pH值變化較平穩(wěn)，波動(dòng)相對(duì)不大。生物炭與低量和中量有機(jī)肥配施對(duì)土壤pH值有一定提升作用，但在堿性土壤中這種效果并不明顯，這可能和試驗(yàn)土壤的理化性質(zhì)有關(guān)。

2.5生物炭與有機(jī)和無(wú)機(jī)肥配施對(duì)成熟期煙草保護(hù)酶活性的影響

煙草活性氧清除系統(tǒng)主要包括超氧化物歧化酶（SOD）、過(guò)氧化物酶（POD）、過(guò)氧化氫酶（CAT）等。成熟期煙草SOD、CAT活性表現(xiàn)為T(mén)2>T4或T3>T1>T6>T5>CK。SOD活性T2比T1和CK提高19.48%、63.10%；CAT活性T2比T1和CK提高23.70%、48.95%。POD活性以T1、T3較高，比T2、T4高7.16%、13.04%。MDA含量一定程度上能反映膜受傷害的程度。不同比例有機(jī)無(wú)機(jī)配施處理MDA含量接近，均明顯低于未施肥對(duì)照，施加生物炭的T2、T4、T6處理較T1、T3、T5降低22.33%、3.29%、6.60%（圖6）。

3討論

汞是一種具有易累積性、劇毒性及在環(huán)境中持久性的污染物[21]。重金屬Hg脅迫下，煙草的葉綠素含量和抗氧化酶系清除自由基的功能降低， 膜脂氧化作用加劇，營(yíng)養(yǎng)器官發(fā)育減緩，干物質(zhì)積累量降低。劉文拔等[22]研究發(fā)現(xiàn)施用有機(jī)肥能夠有效降低土壤和小麥的有效態(tài)汞含量。籍越等[23]研究認(rèn)為配施40%腐熟芝麻餅肥處理能明顯提高根系活力和增加根系干物質(zhì)量。付利波等[19]試驗(yàn)表明施25%熟餅肥+75%復(fù)合肥的處理烤煙產(chǎn)量、產(chǎn)值最高。這與本試驗(yàn)結(jié)果施用30%有機(jī)肥綜合效果較好一致。王震宇等[24]在土壤中添加以花生殼為原料的生物炭（300、400℃），促進(jìn)了玉米根系發(fā)育和株高增加。生物炭與低量有機(jī)肥配施煙草生物量的增加效果明顯可能與煙草的需肥規(guī)律有關(guān)，有機(jī)肥中含有煙草正常生長(zhǎng)發(fā)育所需要的各種營(yíng)養(yǎng)元素，而生物炭能吸收和負(fù)載養(yǎng)分，延緩肥料養(yǎng)分釋放，減少肥料的淋溶損失，以滿足煙株對(duì)養(yǎng)分的需求[15]。

試驗(yàn)中煙草吸收的汞大都積累在根部[3]，可能與根部結(jié)合蛋白有關(guān)。生物炭與30%有機(jī)肥配施煙株根內(nèi)有效態(tài)汞含量降低21.81%，而根部汞含量占整個(gè)煙株的50%以上。生物炭對(duì)重金屬汞的固定能力主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：Hg2+與生物炭表面負(fù)電荷的靜電吸附作用、與位于其表面的可電離態(tài)汞的離子交換作用以及與其所含的有機(jī)物等物質(zhì)產(chǎn)生吸附、共沉淀、絡(luò)合等作用[9，25]。有研究表明，棉稈炭通過(guò)吸附或共沉淀作用降低了土壤中鎘的生物有效性，小白菜可食部分的鎘含量降幅在49.43%～68.29%，根部降幅在 64.14%～77.66%[11]。土壤溶解性有機(jī)質(zhì)（DOM）擁有較多的活性點(diǎn)位，能夠充當(dāng)汞污染物的“配位體”和“遷移載體”，可以與土壤中的汞通過(guò)絡(luò)合和螯合作用，形成有機(jī)-金屬配合物，提高重金屬的可溶性，減少了土壤對(duì)汞的吸附量[26]。有機(jī)肥的施入可以帶來(lái)大量的DOM，提高汞的活性和遷移能力，抑制土壤對(duì)汞的吸附[27]。生物炭與低量有機(jī)肥配施能夠增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，促進(jìn)根系生長(zhǎng)，影響重金屬在土壤溶液中的賦存形態(tài)和生物有效性；另外煙草根系分泌物也可刺激或激活根際微生物，使其分泌酶、蛋白質(zhì)等物質(zhì)直接或間接地“鈍化”了重金屬[28]。

煙草保護(hù)酶系統(tǒng)對(duì)土壤Hg脅迫反應(yīng)敏感，合理的施肥配比及用量能明顯提高植物的保護(hù)酶活性，降低其自身的膜質(zhì)過(guò)氧化程度，從而延緩植物衰老[29]。本試驗(yàn)中不同處理不同程度地提高了煙葉的SOD、POD、CAT活性，其中SOD、CAT活性70F+30M+B處理提升幅度最大，POD活性50F+50M最高，可能是因?yàn)镾OD、POD能夠與O-2·和H2O2轉(zhuǎn)化為H2O和O2， CAT可以清除體內(nèi)的過(guò)氧化氫，減少活性自由基對(duì)細(xì)胞的損傷。曹毅等[6]認(rèn)為低濃度汞脅迫可顯著抑制煙葉CAT活性，本試驗(yàn)中生物炭與低量有機(jī)肥配施處理的CAT活性，與高量有機(jī)肥處理差異達(dá)到顯著水平。生物炭與低量、中量有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施煙葉中MDA含量相對(duì)較低，說(shuō)明生物炭與低量中量有機(jī)無(wú)機(jī)肥一定程度上降低MDA含量，降低煙葉脂質(zhì)過(guò)氧化程度，減少對(duì)細(xì)胞膜損傷。

4結(jié)論

生物炭和低量有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施對(duì)汞污染土壤的修復(fù)既能夠有效降低土壤中有效態(tài)汞含量，抑制煙草對(duì)汞的富集，提高土壤汞脅迫下煙葉的保護(hù)酶SOD、CAT活性，降低MDA含量，有效降低汞對(duì)煙草的危害，還能夠增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，提高土壤養(yǎng)分有效性和肥料利用率，促進(jìn)煙草生長(zhǎng)。

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