金洪石，金江華，賀兆偉，于大鵬，張世強，郭莉莉，趙銘欽，李玉娥，劉鵬飛

(1.吉林煙草工業(yè)有限責(zé)任公司，吉林 延吉 133001; 2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，河南 鄭州 450002)

近幾十年來，由于連年使用化肥，且有機肥和農(nóng)家肥的使用量減少，造成植煙土壤逐漸出現(xiàn)酸化、板結(jié)和養(yǎng)分失調(diào)等問題。另外，由于礦山開采、大氣環(huán)境惡化等造成土壤重金屬含量越來越高，從而導(dǎo)致小麥、紫金牛、烤煙等生長發(fā)育受到不良影響，產(chǎn)量和質(zhì)量下降[1-6]。另一方面，我國大量的玉米秸稈、烤煙秸稈等由于沒有合理利用而被焚燒，造成了嚴(yán)重的大氣污染和農(nóng)業(yè)資源的巨大浪費。因此，尋找一種既能高效利用農(nóng)作物秸稈，又能有效消減土壤重金屬活性，并能提高秸稈經(jīng)濟價值的方法顯得尤為重要。

生物炭應(yīng)運而生，生物炭是富含碳元素的生物質(zhì)在無氧或者缺氧條件下經(jīng)過高溫裂解或者不完全燃燒生成的一種碳含量高、比表面積大、空隙豐富的物質(zhì)[7-9]。近年來，大量研究證明，生物炭可以提高土壤的肥力和碳源，降低二氧化碳、氨氣排放，改善土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和數(shù)量，改善土壤團聚體、降低土壤容重等[10-17]。生物炭降低重金屬對煙草生長發(fā)育、土壤微生物的不良影響以及提高煙葉質(zhì)量等方面已有相關(guān)研究。韓毅等[18]研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭使煙草根、莖、葉和根際土壤重金屬汞含量分別降低21.8%、10.6%、18.0%和12.5%；尤方芳等[11]研究發(fā)現(xiàn)，Cd脅迫下施用生物炭使煙葉生物量提高24.4%，使土壤有效態(tài)Cd含量降低23.1%，根、莖、上部葉、中部葉和下部葉中的Cd含量分別降低23.4%、59.7%、63.7%、52.5%和24.6%；許躍奇等[13]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭和有機肥配施可以顯著提高煙株株高、地上部生物量和地下部生物量，并使上部葉、中部葉、下部葉、莖和根中的Cd含量分別降低84.74%、86.53%、80.57%、65.87%和60.46%。已發(fā)表文獻均表明生物炭可以降低重金屬Hg和Cd等在煙株地上部和地下部的積累，降低幅度可能由于配施差異而有所不同。在生物炭抑制Pb對烤煙生長的影響方面，邵慧蕓等[19]研究表明，含Pb土壤環(huán)境下(非額外添加脅迫)，施用生物炭可以提高煙株株高，增加最大葉面積，同時降低Pb在煙葉中的積累。目前大多研究主要集中在其他重金屬對煙株生長發(fā)育的影響上，而對Pb脅迫下生物炭和有機肥配施對煙株生長、根系活性、Pb積累、土壤微生物群落等方面的影響研究還較少。鑒于此，采用盆栽方法模擬土壤Pb污染，研究生物炭和有機肥配施對烤煙生物量積累、根系活力、Pb積累和土壤微生物數(shù)量等的影響，為烤煙生產(chǎn)中重金屬Pb污染防控提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試烤煙品種為豫煙12號。選用健康煙田耕層(0～20 cm)土壤，土壤類型為褐土，盆栽土壤經(jīng)風(fēng)干后過孔徑0.45 mm網(wǎng)篩備用。供試有機肥為山東濟寧市金山生物工程有限公司生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)豆粕，氮、磷、鉀含量分別為3.2%、1.1%、2.4%，有機質(zhì)含量≥47%；煙草專用復(fù)合肥購自平頂山市煙草專用復(fù)合肥廠，其氮(N)、磷(P2P5)、鉀(K2O)總含量為45%；生物炭(原料為花生殼)購自河南惠農(nóng)土質(zhì)保育研發(fā)有限公司。

1.2 試驗設(shè)計

于2019年5—8月采用盆栽試驗?zāi)M土壤Pb污染，通過添加硫酸鉛使土壤初始Pb含量為250 mg/kg。試驗設(shè)置4個處理，分別為不施肥(CK)、施用煙草專用復(fù)合肥20 g/盆(T1)、施用煙草專用復(fù)合肥10 g/盆+生物炭300 g/盆(T2)、施用煙草專用復(fù)合肥10 g/盆+有機肥50 g/盆+生物炭300 g/盆(T3)。T1、T2和T3處理保持純氮用量一致，確保m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=1∶1.5∶3，各處理P、K不足部分分別用Ca(H2PO3)2與K2SO4(均為分析純)補充，每個處理15盆。各處理土壤中添加相應(yīng)含量的硫酸鉛和肥料混合拌勻，土壤老化后裝盆，每盆15 kg。土壤裝盆后移栽長勢健康一致的煙苗，煙草生長期間與大田管理方式保持一致。

1.3 樣品采集和項目測定

1.3.1 煙株生物量 分別在移栽后30、45、60、75、90 d取各處理煙株，分煙葉、根、莖進行采集，之后在烘箱內(nèi)殺青烘干，稱質(zhì)量，計算各處理煙株的生物量[20]。

1.3.2 土壤Pb含量 分別在移栽后30、45、60、75、90 d采集各處理煙株根際土壤樣品，每個處理3次重復(fù)，采集的土樣經(jīng)風(fēng)干后研磨過孔徑0.850 mm篩。土壤樣品用8 mL逆王水+2 mL氫氟酸做前處理，采用美國CET-MARS微波消解器對土壤樣品進行消解，消解后的樣品用2%稀硝酸定容，在AA320MC石墨爐原子吸收儀上測定[21]。

1.3.3 煙株根、莖、葉Pb含量 分別在移栽后30、45、60、75、90 d取樣，其中煙葉樣品為中部葉，每個處理3次重復(fù)。將植物樣品分類收集后，于烘箱中105 ℃殺青15 min，65 ℃烘干，烘干后研磨過孔徑0.45 mm篩。植物樣品用6 mL濃硝酸+2 mL雙氧水做前處理，采用美國CET-MARS微波消解器對植株樣品進行消解，消解后的樣品用2%稀硝酸定容，在AA320MC石墨爐原子吸收儀上測定[21]。

1.3.4 土壤pH值 參照土壤pH值測定方法[20]采用pH計分別測定各時期煙株根際土壤的pH值。

1.3.5 煙株根系活力 分別在移栽后30、45、60、75、90 d取各處理煙株根系的根尖部位鮮樣，取樣后立即采用TTC法[22]測定并計算根系活力。

1.3.6 土壤微生物數(shù)量 分別在移栽后30、45、60、75、90 d采集各處理煙株根際土壤，每個處理3次重復(fù)。采用平板計數(shù)法[23]測定放線菌、真菌、細(xì)菌的數(shù)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010軟件進行數(shù)據(jù)計算和作圖，使用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件進行差異顯著性分析和相關(guān)描述統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭與肥料配施對煙株生物量的影響

煙株生物量是衡量煙葉整株產(chǎn)量及煙株長勢的一個重要指標(biāo)。研究表明，重金屬脅迫會嚴(yán)重抑制煙株的生長發(fā)育，從而影響煙葉生物量[11,13,18]。由圖1可見，4個處理煙株生物量隨生育進程呈現(xiàn)逐漸遞增趨勢，整體表現(xiàn)為T3>T2>T1>CK。CK未施用肥料，煙株生長發(fā)育受到嚴(yán)重影響。隨著生育時期的推進，T1、T2、T3處理間差異越來越大，移栽后90 d，T3處理的煙株生物量比T1、T2處理分別顯著增加24.5%、6.1%。在相同施氮量情況下，T2處理生物量顯著高于T1處理，T3處理高于T2處理，說明生物炭以及生物炭和有機肥配施均可緩解重金屬Pb脅迫對煙株生長發(fā)育的不良影響，促進煙株生長。

不同字母表示同一時間不同處理差異顯著(P<0.05)，下同Different letters mean significant differences among different treatments at the same time,the same below圖1 不同處理煙株生物量的動態(tài)變化

2.2 生物炭與肥料配施對煙株根系活力的影響

根系是植物吸收土壤水分和養(yǎng)分的重要器官，根系活力影響植物的正常生長。如圖2所示，移栽后30～90 d，除CK根系活力呈先降低后升高再降低外，其他3個處理均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。在采樣的5個時期，除了移栽后30 d以外，其他4個時期煙株根系活力總體表現(xiàn)為T3>T2>T1>CK，其中，移栽后90 d，T3、T2處理較CK分別高94.9%、55.1%，說明施用生物炭特別是同時配施有機肥對煙株根系活力促進明顯。

圖2 不同處理對煙株根系活力的影響

2.3 生物炭與肥料配施對植煙土壤pH值的影響

當(dāng)pH值升高時，土壤中多種成分物質(zhì)表面的負(fù)電荷增加，使土壤中有效態(tài)重金屬離子的濃度降低，因此，土壤pH值直接影響重金屬的有效性及活性[24-25]。添加生物炭能夠在一定程度上改善土壤的理化性質(zhì)，降低土壤中有效態(tài)重金屬離子的濃度。如圖3所示，各處理根系土壤pH值整體趨勢為先下降后升高。移栽后45～60 d，根系生長速度快，代謝旺盛，大量吸收土壤中的NH4+，使得土壤pH值較低。移栽后45～90 d，T3處理土壤pH值總體上均高于其他處理，如移栽后75 d，T3、T2、T1處理根際土壤pH值分別為7.17、7.15、7.13。

圖3 不同處理對煙株根際土壤pH值的影響

2.4 生物炭與肥料配施對植煙土壤有效態(tài)Pb含量的影響

如圖4所示，除移栽后60 d，其他5個采樣時期，T2和T3處理的土壤中有效態(tài)Pb含量總體上均低于CK和T1處理。這是因為不施肥和只施用煙草專用肥對土壤重金屬污染的改善作用不大。煙草專用肥具有緩釋和水溶性，但對重金屬的吸附作用不明顯，而有機肥和生物炭由于具有很多孔狀結(jié)構(gòu)和較大表面積能夠起到很好的吸附和固化作用，特別是生物炭，可以鈍化重金屬，從而減少土壤中有效態(tài)Pb的含量。移栽后90 d，T3、T2、T1處理土壤中有效態(tài)Pb含量分別為124.3、132.4、141.5 mg/kg，T3處理比T2、T1處理以及CK分別降低了6.1%、12.2%、15.8%，差異顯著。

圖4 不同處理土壤中有效態(tài)Pb含量的動態(tài)變化

2.5 生物炭與肥料配施對煙株P(guān)b含量的影響

如圖5所示，CK和T1處理根系中重金屬Pb含量隨生育時期推進整體呈先降低后升高的趨勢，T2、T3處理整體呈升高—降低—升高的趨勢，4個處理均在移栽后60 d較低。5個時期T1處理煙株根系Pb含量顯著高于其他3個處理。移栽后90 d，T1處理根系Pb含量(178.4 mg/kg)高于CK(127.5 mg/kg)，可能是因為施用煙草專用肥的煙株根系活力相比不施肥更強，從而吸收了更多的重金屬Pb；T2處理(127.1 mg/kg)和T3處理(115.3 mg/kg)根系Pb含量均顯著低于T1處理。

圖5 不同處理煙株根系中Pb含量的動態(tài)變化

如圖6所示，5個時期，T2和T3處理煙莖的Pb含量總體上均低于CK和T1處理。圖7顯示，T1處理5個時期煙葉Pb含量均顯著高于T2和T3處理。

圖6 不同處理煙莖Pb含量的動態(tài)變化

圖7 不同處理煙葉中Pb含量的動態(tài)變化

這可能是因為有機肥和生物炭吸附和鈍化了有效態(tài)Pb，降低了Pb轉(zhuǎn)運到地上部的結(jié)果。其中，移栽后90 d，T3處理煙莖Pb含量與CK、T1、T2處理相比分別顯著下降40.6%、29.0%、30.1%，煙葉Pb含量分別顯著下降25.0%、30.0%、20.9%。

2.6 生物炭與肥料配施對煙株根際土壤中微生物數(shù)量的影響

大量文獻研究表明，施用有機肥和生物炭對土壤理化性質(zhì)具有顯著的改善效果，進而改善土壤微生物環(huán)境，增加微生物群落和數(shù)量[18,26-30]。但重金屬的存在會破壞微生物的生存環(huán)境，減少微生物群落和數(shù)量[31-33]。由表1可見，4個處理細(xì)菌、真菌數(shù)量隨著煙草生育時期的推進整體呈先上升后下降的趨勢，在移栽后60 d最大。各處理細(xì)菌數(shù)量總體表現(xiàn)為T3>T1>T2>CK；真菌數(shù)量總體表現(xiàn)為T3>T1>T2>CK；放線菌數(shù)量在移栽后30～45 d總體表現(xiàn)為CK>T1>T2>T3，移栽后75～90 d表現(xiàn)為T3>T2>T1>CK?？傮w上，移栽后60 d之后，T2、T3處理細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量均總體上顯著高于T1處理和CK，表明施用生物炭和有機肥改善了微生物的生存環(huán)境。

表1 不同處理煙株根際土壤微生物數(shù)量變化Tab.1 Changes of microbial quantity in rhizosphere soil of tobacco plants under different treatments ×105 cfu/g

3 結(jié)論與討論

在重金屬脅迫下，作物的生長發(fā)育常常受到抑制。研究表明，施用生物炭可以改善土壤理化性狀、降低土壤容重并增強土壤的保肥能力，提高肥料利用效率，通過促進根系的生長提高作物的生物量[6,9-10]。韓毅等[18]研究發(fā)現(xiàn)，重金屬汞脅迫下，與只施用煙草專用肥相比，生物炭、生物炭與有機肥配施可以增加煙葉、煙根和煙莖的干物質(zhì)積累。由于生物炭含有大量官能團、空隙結(jié)構(gòu)好、比表面積大，可以通過吸附、絡(luò)合吸附、鈍化重金屬降低重金屬對煙株根系活力的負(fù)面影響[8-9,11,23]。另外，張璐[34]研究發(fā)現(xiàn)，添加不同種類的生物炭均可以顯著提高煙株的根系活力。由于生物炭含有碳酸鹽等堿性物質(zhì)從而使其呈堿性，可以通過水土交融作用吸附土壤的H+進而提高土壤pH值[24-25]，特別是與有機肥配施，具有明顯改善土壤酸化的作用，這與尤方芳等[11]和蔡憲杰等[35]的研究結(jié)果一致。

生物炭的吸附和鈍化作用可以降低土壤中有效態(tài)重金屬的含量，如張建云等[7]和邵慧蕓等[19]利用煙稈炭修復(fù)重金屬污染的土壤，發(fā)現(xiàn)煙稈炭對Cu、Pb和Cd有明顯的鈍化作用，降低了有效態(tài)重金屬在土壤中的含量，使得根系吸收減少，從而降低了重金屬對根系的影響。許躍奇等[13]通過考察生物炭和常規(guī)施肥條件下Cd對煙草生長發(fā)育的影響發(fā)現(xiàn)，在生物炭作用下煙株根中Cd含量較未施用生物炭處理顯著下降。尤方芳[12]研究認(rèn)為，在煙草各生長時期，總體上煙草專用肥、有機肥對煙株根系Cd積累的影響均與對照無顯著差異，而生物炭可以顯著降低煙葉Cd積累。本研究結(jié)果表明，施用生物炭特別是生物炭與有機肥配施既可以降低根系Pb含量也可以降低煙莖和煙葉Pb含量，說明生物炭及其與有機肥配施對降低煙株中重金屬Pb含量具有明顯效果，可以起到對土壤中重金屬Pb的消減作用，提高煙葉生產(chǎn)的安全性。祝志娟等[26]研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭后晚稻成熟期莖、葉、谷殼、糙米以及地上部總Cd積累量顯著降低。另外，本研究發(fā)現(xiàn)，生物炭和有機肥配施處理的土壤微生物數(shù)量均高于其他3個處理，這是因為生物炭和有機肥能夠豐富土壤碳源和養(yǎng)分、鈍化重金屬，從而改善土壤微生物的生長環(huán)境[21,36]。其他研究也表明，生物炭較多的孔隙結(jié)構(gòu)和表面積有利于菌絲的定殖[37]，更多的微生物為煙株的健康生長提供了良好的環(huán)境。

4個處理煙葉生物量的變化隨生長期呈逐漸遞增趨勢，施用生物炭和有機肥后較其他處理特別是對照可以顯著提升生物量。在根系活力方面，生物炭、生物炭和有機肥配施可以顯著提高煙株的根系活力，根系活力高表明生物炭從一定程度上降低了重金屬Pb對根系生長發(fā)育的抑制作用，煙株生物量也較高。施用生物炭可以顯著降低土壤有效態(tài)Pb含量，減少Pb在煙株根系、煙莖和煙葉中的積累。在土壤pH值和微生物群落方面，添加生物炭處理后土壤pH值有所提高，根際微生物數(shù)量較對照也有顯著增加，說明改善了土壤的微生物環(huán)境。綜上所述，生物炭、生物炭和有機肥配施可以改善土壤微生物環(huán)境，提高煙株的根系活力，降低重金屬Pb在煙株根系、煙莖和煙葉中的積累，從而提高煙株生物量和安全性，為生物炭在重金屬Pb脅迫環(huán)境下煙草上的應(yīng)用提供了參考。