生物炭與有機無機肥配施對煙草和土壤汞含量及保護酶活性的影響

韓毅 陳發元 趙銘欽

摘要：盆栽條件下，研究了生物炭與有機無機肥配施對煙草生育期內干物質積累量、煙草和土壤重金屬汞含量、煙株根系土壤pH、煙草保護酶活性的影響。結果表明：（1）生物炭與低量有機肥（70%氮磷鉀復合肥+30%芝麻餅肥）配施一定程度地增加了煙草生育期干物質積累量；煙草成熟期根、莖、葉干物質量較未施肥處理增加363.77%、32.10%、136.22%，根干物質量生物炭與低量有機肥配施較未添加生物炭的增加47.01%。（2）高量有機肥（70%）處理煙株和土壤重金屬含量較高，低量和中量有機肥（50%）配施較低，成熟期時重金屬含量表現為根>莖>下部葉>中部葉>上部葉，生物炭與低量有機無機肥配施與低量有機無機肥施用相比，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）生物炭與低量有機肥配施生育期內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肥配施既能有效降低汞對煙草的危害，抑制煙草對汞的富集，提高煙葉的保護酶活性，還能夠增加土壤有機質含量，提高土壤養分的有效性和肥料的利用率，促進煙葉生長。

關鍵詞：煙葉；土壤汞脅迫；生物炭；有機肥；干物質積累量；土壤pH；保護酶活性

中圖分類號：S572.01文獻標識號：A文章編號：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濟作物，優質無公害生產一直是煙草行業研究的重點[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煙氣進入人體，對人體健康構成威脅[3]。魯黎明等[4]研究認為煙草對不同重金屬元素積累能力表現為Hg>Cr>As>Pb。煙草對Hg有較強的富集和積累能力，煙株內汞積累到一定程度就會出現葉片黃化、植株低矮、根系發育不良等毒害癥狀，葉綠素含量和抗氧化酶系統清除自由基的功能降低， 膜脂過氧化作用加劇，營養器官發育受到極大影響[5，6]。

生物炭是一種新型的環境功能材料，國內外研究表明[7-9]，添加生物炭可降低土壤和水中重金屬的生物有效性。添加生物炭通過影響土壤理化性質，提高土壤 CEC、pH值以及結合其巨大的比表面積和強烈的吸附功能影響某些重金屬在土壤中的形態轉化和生物累積性。生物炭在南方酸性土壤中對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]。

目前對煙草Hg污染的研究多集中在土壤汞脅迫對烤煙生理特性[6]和光合作用[5]的影響方面，對于利用改良劑或有機肥對煙草汞污染進行修復的研究較少[13]。炭基肥是利用生物炭與其他肥料混合而成的長效肥料，利用生物炭的吸附性能把土壤中作物所需營養元素吸附在自身周圍，防止肥料的流失而達到緩釋的效果[14]。本試驗采用室內盆栽方法，通過添加生物炭與不同比例的有機無機肥配施，研究土壤汞脅迫下生物炭和有機無機氮肥配施對生育期煙草和土壤汞含量以及保護酶活性的影響，以期為探索煙草重金屬的消減技術和優質清潔煙葉的生產提供理論依據。

1材料與方法

1.1供試材料

以秦煙96為供試品種，試驗選取平陸地區健康煙田耕層（0～20 cm）土壤，土壤類型為褐土，肥力中等， pH值為7.2，有機質含量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。

供試復合肥含硝態氮4%，銨態氮6%，N∶P∶K=10∶15∶25，總養分50%，汞含量為0.02 mg/kg；商品有機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）購于河南三利新能源公司，用量為20 g/kg[15]，其中含有機碳（生物炭中有機物質的總碳量）647.16 g/kg ，C/N為 42.52 ，pH值8.2 ，汞含量0.03 mg/kg。

1.2試驗設計

試驗于2014年5-9月于山西省平陸縣望遠試驗站進行，采用盆栽試驗，共設7個處理，CK：未施肥；T1：施用70%復合肥+30%有機肥（70F+30M）；T2：施用70%復合肥+30%有機肥+生物炭（70F+30M+B）；T3：50%復合肥+50%有機肥（50F+50M）；T4：50%復合肥+50%有機肥+生物炭（50F+50M+B）；T5： 30%復合肥+70%有機肥（30F+70M）；T6： 30%復合肥+70%有機肥+生物炭（30F+70M+B）。各處理有機無機肥比例是芝麻餅肥氮和無機肥氮的比例。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到肥料配比要求的需用重過磷酸鈣（含P2O5 45%）、硫酸鉀（含K2O 50%）補充。上述處理所有肥料均為一次性基施。每處理15個重復，共105盆，每盆裝土15 kg。盆栽土壤通過施加硫酸汞調節土壤汞濃度為1.00 mg/kg[16]，老化一個月后，移栽健康、長勢一致、葉齡7葉左右的煙苗，試驗管理同常規大田，于煙草不同生育期進行煙葉和土壤樣品采集。

1.3測定方法

樣品前處理：煙葉樣品于105℃殺青，75℃烘干，過60目尼龍網篩；煙葉和土壤以及肥料中汞含量采用YC/T 2005-2008的方法進行微波消解，氫化物原子熒光光度法測定；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光化學還原法，POD活性測定采用愈創木酚法，CAT活性測定采用紫外分光吸收法[17]。土壤pH值采用風干土用pH值計（雷磁pHS-3C）測定[18]，土水比為1∶2.5（即10 g 土加25 mL水）。生物炭的有機碳含量測定采用外熱源法[19]。

1.4數據處理

采用Microsoft Excel 2007軟件進行數據計算和作圖，SPSS 19.0統計軟件進行差異性分析和相關描述統計分析。

2結果與分析

2.1生物炭與有機和無機肥配施對煙草干物質積累量的影響

從圖1可以看出，隨著煙草的生長，各處理煙草的干物質積累量逐漸增加，旺長期到圓頂期干物質量增加最為明顯，成熟期達到最大值。隨有機肥比例的增加，圓頂期T1、T3、T5處理的葉干物質量與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葉干物質量最高，較CK提高136.22%。根干物質量圓頂期和成熟期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%。莖成熟期時各處理除對照外干物質含量相差不大，以T2較高，T2較CK提高32.10%。有機肥用量較高時（30F+70M）煙葉干物質量反而降低，說明餅肥用量較高時并不利于煙草干物質的積累，這與前人研究結果一致[19]。生物炭與低量有機肥（70F+30M）配施煙草生育期干物質積累量最高，但低量和中量有機肥處理的莖和葉干物質量差異未達顯著水平。添加生物炭能夠減少土壤中銨態氮和硝態氮的淋失，延緩無機肥氮在土壤中的釋放[20]，可保證煙草生育期養分供應，進而促進煙草干物質積累。

2.2生物炭與有機和無機肥配施對煙草汞含量的影響

從圖2和圖3可以看出，團棵期到旺長期煙草各部位的汞含量變化不大，圓頂期迅速下降。團棵期T1、T3、T5 煙葉汞含量比對照分別降低48.17%、36.73%、15.47%，T2比T1降低10.64%；圓頂期低量和中量有機肥處理煙葉有效汞含量較低，與高量有機肥中有效汞含量差異達顯著水平；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，團棵期施加生物炭的處理根內汞含量較低，但差異不顯著，旺長期煙株根系活動旺盛，煙株在吸收營養元素的同時吸收土壤中汞的量也在增加，圓頂期汞含量表現為T2

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

2.3生物炭與有機和無機肥配施對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處理團棵期土壤汞含量比T1、T3、T5降低13.61%、8.32%、5.56%；旺長期比T1、T3、T5降低16.71%、6.78%、6.71%；圓頂期T1、T3、T5比對照降低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%。有機肥所占比例較高時土壤有效汞含量較高，表明生物炭和低量有機無機肥配施鈍化效果更好。原因可能是生物炭表面的官能團促使土壤中有效態汞轉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]，降低植物對汞吸收的有效性。

2.4生物炭與有機無機肥配施對煙草根際土壤pH值的影響

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

2.5生物炭與有機和無機肥配施對成熟期煙草保護酶活性的影響

煙草活性氧清除系統主要包括超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）等。成熟期煙草SOD、CAT活性表現為T2>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。不同比例有機無機配施處理MDA含量接近，均明顯低于未施肥對照，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，營養器官發育減緩，干物質積累量降低。劉文拔等[22]研究發現施用有機肥能夠有效降低土壤和小麥的有效態汞含量。籍越等[23]研究認為配施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量。付利波等[19]試驗表明施25%熟餅肥+75%復合肥的處理烤煙產量、產值最高。這與本試驗結果施用30%有機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℃），促進了玉米根系發育和株高增加。生物炭與低量有機肥配施煙草生物量的增加效果明顯可能與煙草的需肥規律有關，有機肥中含有煙草正常生長發育所需要的各種營養元素，而生物炭能吸收和負載養分，延緩肥料養分釋放，減少肥料的淋溶損失，以滿足煙株對養分的需求[15]。

試驗中煙草吸收的汞大都積累在根部[3]，可能與根部結合蛋白有關。生物炭與30%有機肥配施煙株根內有效態汞含量降低21.81%，而根部汞含量占整個煙株的50%以上。生物炭對重金屬汞的固定能力主要體現在三個方面：Hg2+與生物炭表面負電荷的靜電吸附作用、與位于其表面的可電離態汞的離子交換作用以及與其所含的有機物等物質產生吸附、共沉淀、絡合等作用[9，25]。有研究表明，棉稈炭通過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]。土壤溶解性有機質（DOM）擁有較多的活性點位，能夠充當汞污染物的“配位體”和“遷移載體”，可以與土壤中的汞通過絡合和螯合作用，形成有機-金屬配合物，提高重金屬的可溶性，減少了土壤對汞的吸附量[26]。有機肥的施入可以帶來大量的DOM，提高汞的活性和遷移能力，抑制土壤對汞的吸附[27]。生物炭與低量有機肥配施能夠增加土壤有機質含量，促進根系生長，影響重金屬在土壤溶液中的賦存形態和生物有效性；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、蛋白質等物質直接或間接地“鈍化”了重金屬[28]。

煙草保護酶系統對土壤Hg脅迫反應敏感，合理的施肥配比及用量能明顯提高植物的保護酶活性，降低其自身的膜質過氧化程度，從而延緩植物衰老[29]。本試驗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，可能是因為SOD、POD能夠與O-2·和H2O2轉化為H2O和O2， CAT可以清除體內的過氧化氫，減少活性自由基對細胞的損傷。曹毅等[6]認為低濃度汞脅迫可顯著抑制煙葉CAT活性，本試驗中生物炭與低量有機肥配施處理的CAT活性，與高量有機肥處理差異達到顯著水平。生物炭與低量、中量有機無機肥配施煙葉中MDA含量相對較低，說明生物炭與低量中量有機無機肥一定程度上降低MDA含量，降低煙葉脂質過氧化程度，減少對細胞膜損傷。

4結論

生物炭和低量有機無機肥配施對汞污染土壤的修復既能夠有效降低土壤中有效態汞含量，抑制煙草對汞的富集，提高土壤汞脅迫下煙葉的保護酶SOD、CAT活性，降低MDA含量，有效降低汞對煙草的危害，還能夠增加土壤有機質含量，提高土壤養分有效性和肥料利用率，促進煙草生長。

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