施用生物黑炭对烤烟镉吸收的抑制效应

2013-09-19尹力初龚亚琴舒荣波

作物研究 2013年2期

尹力初，龚亚琴，舒荣波

(湖南农业大学资源环境学院，长沙410128)

施用有机物料以提高土壤有机质含量是增强土壤肥力的根本途径。但由于烟草特殊的需N规律，烟田土壤有机质含量过高或过低都将对烟叶生产带来负面影响［1，2］。土壤有机质含量过高，烟株生长后期土壤有机质仍将矿化较多的N，从而影响烟株上部叶的正常落黄，烤后烟叶化学成分不协调，吃味辛辣，可用性差;而土壤有机质含量过低，植烟土壤结构不良，前期土壤养分不易释放，烟株生长矮小，叶小而薄，烟叶吃味平淡［3～5］。由此，烟田施用有机物料时应选择适宜的种类及用量。

研究表明，利用各种作物秸秆在无氧条件下高温热解而制得的生物黑炭可能是比较适合在烟田广泛施用的一种有机物料［6］。究其原因，一方面生物黑炭具有高度的化学和微生物惰性，施进土壤后难以在短期内被土壤微生物利用［7，8］，从而不会导致烟株生长后期土壤N的奢量供应而影响烟叶正常落黄。同时，生物黑炭的施用将直接改善植烟土壤结构由于偏施无机化肥而趋于恶化的现状［9］，而其丰富的K、Ca、Mg和各种微量养分的供应，为烟株的生长提供均衡的矿质营养。此外，生物黑炭具有强大的吸附能力，施入土壤后将有利于促进对重金属的吸附固定而减轻它们的危害［10～12］。本研究利用室内培养及温室盆栽试验，以烟秆和玉米秸秆为原料而制得相应生物黑炭，探讨了生物黑炭的施用对提高植烟土壤对镉的吸附能力，促进烤烟生长，降低烟株对镉吸收的影响，从而为生物黑炭在烟田的合理施用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤及生物黑炭

供试土壤取自湖南省桑植县官地坪乡金星村连续植烟长达5年的烟田。其有机C、碱解N、速效P、有效K 含量分别为 12.1 g/kg、105.7 mg/kg、17.5 mg/kg、205 mg/kg，全 Cd含量仅为0.008 mg/kg，土壤 pH值为6.42。供试的生物黑炭分别用烟秆与玉米秸秆在炭化炉中烧制，并在使用前磨细过0.25 mm筛。烟秆黑炭与玉米秸秆黑炭的有关性质见表1。其中烟秆黑炭的pH比玉米秸秆黑炭明显偏高，N、P、K、Ca、Mg、S、Cu、Zn、B 等养分含量也是前者为高，但玉米黑炭的含C量相对较大。

表1 不同生物黑炭的性质

1.2 吸附试验

以不加生物黑炭为对照，在过20目筛的供试土壤中分别加入2种生物黑炭30 g/kg(共计3种处理)，在室内培养30 d(土壤水分含量控制在35%)，然后阴干磨细过10目筛以备吸附试验使用。吸附试验的具体步骤为:准确称取已制备好的土壤2.000 g于100 mL离心管中，加入含系列浓度的Cd(NO3)2溶液40 mL(用0.745 g/kg的 KCl溶液配制)，Cd2+的系列浓度为 0、2、4、8、12、16、30 mg/kg，水土比为20∶1，每种处理土壤重复5次。在25℃下连续恒温振荡48 h后，以转速为4 000 r/min的高速离心机进行离心处理30 min后，倒出上清液，测定上清液中Cd2+浓度，用差量法计算出Cd2+吸附量，然后用Freundlich方程(lnS=1/n lnC+lnK)对各处理下Cd2+的吸附曲线进行拟合，并推导其吸附常数K值。

1.3 盆栽试验

本试验为裂区设计，主处理为Cd添加处理，设不添加、20 mg/kg两个水平;副处理为生物黑炭处理，即在每Cd添加水平下设以下5个处理:仅施肥料(A1);施肥料的基础上分别添加1.5%烟秆黑炭(A2)、3.0%烟秆黑炭(A3)、1.5%玉米秸秆黑炭(A4)、3.0%玉米秸秆黑炭(A5)。由此，本试验共计10个处理，每处理3次重复。每盆装土2 kg，其施N量为 0.2 g/kg，N∶P2O5∶K2O=1∶1.5∶3，分别以(NH4)2SO4、KNO3、KH2PO4为肥源。烤烟品种为中烟201，移栽前10 d将肥料、生物黑炭添加到土壤中混合均匀，并维持土壤水分含量为35%。每盆种植烟苗1株，烟苗移栽35 d后收获，然后测定其全株生物量及吸Cd量。

2 结果与分析

2.1 不同黑炭处理下土壤对Cd2+的吸附量

不同生物黑炭处理下植烟土壤对Cd2+的吸附量具有一定的差异(图1)。不添加生物黑炭时供试土壤对Cd2+的平均吸附率为60.7%;添加3.0%的烟秆黑炭和玉米秸秆黑炭后，土壤对Cd2+的吸附能力极大增强，其吸附率分别达到73.8%、68.0%。进一步运用Freundlich模型对Cd2+的等温吸附曲线进行拟合后发现，供试土壤中添加生物黑炭后其吸附常数K相应增大(表2)，其中以添加烟秆黑炭后增加的幅度最大。而吸附常数K在一定程度上反映了土壤吸附溶质的能级，K值为正，说明反应能在常温下自发进行，K值的大小反映该吸附反应的自发程度，K越大，反应自发程度越强，生成物越稳定，对溶质的吸附能力越强［13］。试验结果说明添加生物黑炭能增强土壤对Cd2+的吸附能力，其中，添加烟秆黑炭的效果要大于玉米秸秆黑炭。

表2 不同处理下土壤对Cd2+的等温吸附曲线及其拟合参数

2.2 添加Cd2+及生物黑炭对烟株生物量的影响

伴随生物黑炭的施用，其中所含丰富的各种养分也势必进入土壤而有利于烟株的生长。盆栽试验结果表明，无论在土壤中是否添加Cd2+，施用生物黑炭都能显著促进烟株的生长，且随着添加量的增加而显著增强(图2);同时，由于烟秆黑炭比玉米秸秆黑炭相对具有更高的N、P、K、Ca、S及各种微量元素养分，所以前者比后者相对更能促进烟株生物量的提高。添加Cd2+后，烟株的生长受到明显抑制(图1)。不施用生物黑炭时在土壤中添加20 mg/kg Cd2+后烟株生物量降低了25.9%，而施用1.5%、3.0%的烟秆生物黑炭后其降低比例仅为14.6%、10.1%，施用1.5%、3.0%的玉米秸秆生物黑炭后其降低比例为19.7%、14.3%。由此，任何一种生物黑炭的施入都能显著降低Cd2+对烟株生长的毒害作用，且随其施用量的增加而更加显著。在两种生物黑炭中，施用烟秆黑炭的“解毒”效应更加理想。

图2 添加Cd2+及生物黑炭对烟株生物量的影响

2.3 不同生物黑炭处理下添加Cd2+后烟株的吸Cd量

不施用生物黑炭时在土壤中添加20 mg/kg Cd2+后烟株的吸 Cd量为 2.30 mg/株，而施用1.5%、3.0%的烟秆生物黑炭后其吸Cd量为1.42、1.05 mg/株，施用1.5%、3.0%的玉米秸秆生物黑炭后其吸Cd量为1.65、1.37 mg/株。如以不施用生物黑炭且在土壤中添加20 mg/kg Cd2+后烟株的吸Cd量为对照，施用1.5%、3.0%的烟秆生物黑炭后其吸Cd量分别降低了38.1%、54.3%，而施用1.5%、3.0%的玉米秸秆生物黑炭后其吸Cd量分别降低了28.4%、40.5%。由此，任何一种生物黑炭的施入都能显著降低烟株吸Cd量，且烟株吸Cd量与生物黑炭的施用量成反比。在两种生物黑炭中，施用烟秆黑炭后烟株的吸Cd量相对更低(表3)，这可能归因于添加烟秆黑炭后土壤具有更强Cd吸附能力而限制了烟株根系对Cd的吸收。