生物炭与不同肥料配施对镉胁迫下烟株生长的影响

2016-11-01尤方芳赵铭钦陈发元孙翠红许跃奇金洪石金江华

浙江农业学报 2016年3期

尤方芳，赵铭钦，*，陈发元，孙翠红，许跃奇，李　慧，金洪石，金江华

(1.河南农业大学烟草学院/国家烟草栽培生理生化研究基地，河南郑州 450002；2.河南农业大学资源与环境学院，河南郑州 450002；3.吉林烟草工业有限责任公司，吉林延吉 133001)

尤方芳1，赵铭钦1，*，陈发元1，孙翠红1，许跃奇1，李慧2，金洪石3，金江华3

以豫烟12号为供试材料，采用盆栽土培试验，探讨在重金属镉胁迫下，生物炭与不同肥料配施后，烟株根系活力、保护酶活性、烟叶中镉含量及烟叶生物量的变化。结果表明：生物炭的添加在一定程度上提高了根际土壤的pH值，添加生物炭的施肥处理土壤中的有效态镉含量和烟叶镉含量均在旺长期(60 d)后显著下降。成熟期(90 d)时，复合肥处理和有机肥+复合肥处理在添加生物炭后，土壤中的有效态镉含量分别降低了22.2%和7.14%，烟叶镉含量分别降低了61.3%和40.3%。生物炭与复合肥配施和生物炭与有机肥+复合肥配施的烟株根系活力分别较未添加生物炭的对应施肥处理提高了11.24和18.85 μg·g-1·h-1，烟叶生物量较未添加生物炭的施肥处理分别增加了67.6%和21.4%。胁迫环境下，两种施肥方式添加生物炭后显著降低了烟叶的MDA含量，减少了烟叶的膜质过氧化程度，烟叶的SOD，POD和CAT保护酶活性较未添加生物炭的施肥处理也有所增加，且以有机肥+复合肥添加生物炭的施肥处理对烟叶保护酶活性的提高较为显著。因此，在有机肥和复合肥配施的情况下添加生物炭可有效改善烟株的镉胁迫环境，降低烟叶中的镉含量。

生物炭；肥料；烟叶；镉含量；有效态镉；保护酶

我国是世界烟叶生产大国，烤烟种植面积和总产量都居世界首位。随着社会文明的进步和人民生活水平的提高，广大消费者日益重视身体健康，对烟草制品的安全性也给予了高度的关注。目前，烟叶重金属问题作为制约烟叶安全性的关键因素逐渐进入人们的视野[1]，且以重金属镉对烟叶的危害较为突出。重金属镉极易在烟叶内富集[2-3]。研究表明，烟叶中的重金属主要来自于植烟土壤[4]，土壤中过量的镉不仅能在烟叶内残留，也会对烟叶的生长发育产生危害[5]。有研究发现，镉会引起烟草细胞组织内抗氧化系统相关酶活性及膜脂过氧化产物含量的变化，进而影响烟株生长[6]。

土壤中镉的来源很多，其中肥料的施用是农田土壤重金属的主要来源之一[7]。大田施肥对植烟土壤中的重金属含量变化有着不可忽视的影响[8-9]。有研究发现，有机肥施入土壤可改变土壤中重金属的化学行为，不仅降低了土壤重金属的生物有效性，还减少了作物对其吸收量[10-11]。

生物炭因其特殊的性质，在土壤改良方面引起了社会的广泛关注。生物炭是一种经过高温裂解“加工”过的生物质，它具有发达的孔隙结构、较大的比表面积以及较强的吸附特性，将其施入土壤后有利于吸附固定土壤中的重金属，从而减轻植物对土壤中重金属的吸收[12]。Schulz等[13]发现，生物炭与有机肥配合能有效地增加土壤养分，并促进植物生长。

本试验在两种常规施肥模式下添加生物炭，研究了烟叶中重金属含量和生理生化变化对镉胁迫环境的响应，进而探讨了生物炭和肥料配施对烟叶镉的消减效果。这对指导烤烟生产中生物炭和肥料的合理配施，降低烟叶重金属含量，提高烟叶安全性，促进烟叶的可持续发展具有积极意义。

1　材料与方法

1.1试验设计

2014年5—9月于山西省长子县王峪乡试验站开展试验，供试品种为豫烟12号，试验所用盆钵规格为25 cm × 40 cm。选取当地健康烟田耕层(0—20 cm)土壤，土壤类型为褐土，土壤经风干，并过2 mm网筛后备用。土壤pH 7.69，有机质含量8.35 g·kg-1，碱解氮、有效磷、速效钾含量分别为72.8，7.83，156.6 mg·kg-1。盆栽土壤镉本底值为0.04 mg·kg-1，向盆栽土壤中施加硫酸镉，调节土壤镉浓度至1.00 mg·kg-1。生物炭用量为20 g·kg-1，来自于河南三利新能源公司，其中，花生壳炭(花生壳在500℃高温厌氧条件下热解4 h)的有机碳含量为647.16 g·kg-1，C/N为42.52，pH为9.16；玉米秸秆的有机碳含量为432 g·kg-1，C/N为44.74。土壤老化一个月后装盆，每盆装土15 kg，并移栽生长健康、长势一致的烟苗，移栽后管理同一般大田生产。

试验设5个处理，每个处理设置20个重复。分别为：未施肥(CK)，施用复合肥(T1)，施用复合肥+生物炭(T2)，施用有机肥+复合肥(T3)，施用有机肥+复合肥+生物炭(T4)。T3，T4处理所用有机肥和复合肥均为50%的豆饼肥氮和50%的无机肥氮。各处理每盆所施肥料为纯氮3 g，N、P2O5、K2O质量比为1∶1.5∶3，各处理P，K不足部分分别用磷酸二氢钙与硫酸钾(均为分析纯)补充。有机肥为来自于山东济宁市金山生物工程有限公司的优质豆粕，氮磷钾分别为3%，1%和2%，有机质≥45%；无机肥为来自深圳市芭田生态工程股份有限公司的复合肥料，氮磷钾均为15%。有机肥、复合肥和生物炭中镉的含量分别为0.06，0.02，0.01 mg·kg-1。各处理每盆具体施肥量如表1所示。

1.2测定方法

样品前处理：烟叶样品于105℃杀青，75℃烘干，过60目尼龙网筛；烟叶重金属镉和土壤有效态镉采用微波消解—石墨炉原子吸收法测定[14]。根际土壤pH测定采用电位法，烟草根系活力的测定采用TTC法[15]，叶片丙二醛含量测定采用硫代巴比妥酸法，SOD活性测定采用NBT光化学还原法，POD活性测定采用愈创木酚法，CAT活性测定采用紫外分光光度法[16]。

1.3数据处理

采用Microsoft Excel 2007软件进行数据计算和作图，SPSS 19.0.统计软件进行方差分析。

2　结果与分析

2.1生物炭与肥料配施对植烟土壤根际pH值的影响

土壤pH是影响植烟土壤中镉形态的重要因素[17]。从图1可以看出，各处理的植烟土壤pH整体上随生育期进程呈先下降后上升的趋势，这与蔡宪杰等[18]的研究结果一致。移栽初期，T1处理的根际土壤pH值略低于T3，这与有机肥对土壤根际pH的微调缓冲作用有一定的关系[19]。整个生育期，T2和T4处理的根际土壤pH都高于T1和T3处理，这说明生物炭的添加一定程度上提高了植烟土壤根际pH值。

2.2生物炭与肥料配施对烟株根系活力的影响

根系是烟株吸收土壤中水分和营养元素的重要器官。根系活力既可以作为烟株根系生命活动的重要指标，也可以作为胁迫环境下烟株吸收养分的障碍因素指标[20]。如图2所示，在烟草的整个生育期内，各处理的烟株根系活力均呈现出先升高后下降的变化趋势。移栽30 d时，烟株处于团棵期，各处理的烟株根系活力无显著差异(P>0.05)。进入旺长期后，为满足地上部分对营养的需求，烟株根系快速生长，根系活力逐渐增加。60 d时，T2处理的根系活力较T1高11.24 μg·g-1·h-1，T4处理的根系活力较T3高18.85 μg·g-1·h-1。之后，烟株进入成熟期，各处理烟株根系活力下降。至90 d时，T1和T2处理的根系活力无显著差异(P>0.05)，T4处理的根系活力显著(P<0.05)高于T3处理。高家合等[21]研究表明，有机肥可以促进烟株根系生长，提高烟株根系活力。与纯施复合肥(T1)相比，有机肥+复合肥(T3)的烟株根系活力虽有所提高，但差异不显著(P>0.05)，这可能是受环境胁迫的影响。而在T3基础上添加生物炭后(即T4处理)，烟株的根系活力显著(P<0.05)高于其他施肥处理。说明，生物炭的添加一定程度上缓解了烟株所受的环境胁迫，烟株根系活力有所提高。

表1各处理每盆施肥量(g)

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

处理复合肥有机肥生物炭磷酸二氢钙硫酸钾CK00000T120009.513.4T22003009.513.4T31050015.814.5T4105030015.814.5

图1　各处理植烟土壤根际pH值随生育期的动态变化Fig.1　Dynamic changes of rhizosphere soil pH under different treatments during the growth period

相同移栽天数各处理间无相同小写字母的表示差异显著(P<0.05)，下同。图2　各处理烟株根系活力随生育期的动态变化Fig.2　Dynamic changes of root activity of tobacco under different treatments during the growth period

2.3生物炭与肥料配施对土壤中有效态镉含量的影响

如图3所示，各处理土壤中的有效态镉含量整体上随烟株生育期呈逐渐降低的趋势。60 d时，各处理的土壤有效态镉含量无显著差异(P>0.05)。90 d时，T2和T4的土壤有效态镉含量较T1处理显著(P<0.05)减少。T3处理的土壤有效态镉含量在生育期前期与T1无显著性差异(P>0.05)；但在90 d时，却显著(P<0.05)低于T1处理，这可能与有机肥可以吸附固持一定的镉有关[22]。

2.4生物炭与肥料配施对烟叶中镉含量的影响

如图4所示，各处理烟叶中的镉含量随生育期进程逐渐降低。各处理的烟叶镉含量在旺长期(60 d)前无显著差异(P>0.05)。60～75 d，T4处理的烟叶镉含量较T3显著(P<0.05)下降。烟叶成熟期(90 d)，T2处理的烟叶镉含量较T1显著(P<0.05)降低了61.3%，T4处理的烟叶镉含量较T3降低了40.3%，但差异不显著(P>0.05)，且T3的烟叶镉含量显著(P<0.05)低于T1。一方面，这与该时期土壤中有效态镉含量降低有关；另一方面，有机肥和复合肥配施在后期促进了烟株的快速生长，也可能是因为浓度稀释效应，导致烟叶中的镉含量降低[23]。

图3　各处理土壤中有效态镉含量随生育期的动态变化Fig.3　Dynamic changes of soil available Cd concentrations under different treatments during the growth period

图4　各处理烟叶中的镉含量随生育期的动态变化Fig.4　Dynamic changes of Cd concentration in tobacco leaves under different treatments during the growth period

2.5生物炭与肥料配施对烟叶膜质过氧化产物和保护酶活性的影响

丙二醛(MDA)是膜脂过氧化的最终产物，其含量是反映植物膜质过氧化水平的重要指标[24]。如图5所示，30—90 d，各处理的烟叶MDA含量逐渐增加，至90 d时含量达到峰值。但各处理烟叶内MDA随生育期增加的幅度不同。移栽60 d时，各处理的烟叶MDA含量增幅最大，且该时期T2处理的MDA含量比T1低23.5%，T4处理的MDA含量比T3低21.9%，说明生物炭与肥料配施一定程度上降低了烟叶的丙二醛含量，缓解了胁迫环境下烟株的膜脂过氧化程度。

SOD，POD和CAT是烟株适应逆境胁迫的重要保护酶类，可以消除烟株在逆境中产生的活性氧自由基。如图5所示，添加生物炭的施肥处理(T2，T4)烟叶中SOD，POD和CAT酶活性均高于未添加生物炭的施肥处理(T1，T3)。各处理的烟叶SOD酶活性整体上表现为T4>T3>T2>T1>CK。烟叶中POD酶活性随着生育期表现为逐渐增加的趋势；T2和T4处理的烟叶POD酶活性随生育期进程升高幅度较大。各施肥处理的SOD和POD酶活性均以T4处理最高，复合肥处理添加生物炭处理(T2)和复合肥与有机肥配施处理添加生物炭处理(T4)相比，并没有表现出较高的酶活性，说明生物炭的添加虽然一定程度上缓解了镉胁迫环境，但生物炭肥效低的特性也限制了烟株的生长，影响烟叶的酶活性。烟叶CAT酶活性随着生育期的变化逐渐降低。在整个生育期内，T2或T4处理的烟叶CAT活性都分别高于T1或T3处理，这表明生物炭的添加促进了烟株CAT酶活性的提高。

图5　各处理烟叶中MDA，SOD，POD和CAT随生育期的动态变化Fig.5　Dynamic changes of MDA，SOD，POD and CAT in tobacco leaves under different treatments during the growth period

2.6生物炭与肥料配施对烟叶生物量的影响

由图6可以看出，各处理烟叶生物量随生育期的推进均表现为递增的趋势，且整体上表现为T4>T2>T3>T1>CK。移栽后60，75，90 d时，T2烟叶生物量较T1分别增加了25.8%，51.8%，67.6%；T4烟叶生物量较T3分别增加了48.2%，59.3%，21.4%。这表明，添加生物炭对烟叶生长具有一定的促进作用。这一方面与生物炭能够改善土壤理化性质，降低土壤容重，增强保肥能力有关[25]；另一方面，添加的生物炭减轻了烟株的重金属毒害，提高了烟株的根系活力，促进了烟株的生长。

图6　各处理烟叶生物量随生育期的动态变化Fig.6　Dynamic changes of tobacco biomass under different treatments during the growth period

3　结论与讨论

镉不是烟草生长的必需元素，却易被烟株吸收。研究表明，生物炭的施用能够不同程度地提高重金属污染土壤的pH，影响土壤中的重金属形态，降低土壤重金属的生物有效性，从而减少植物对重金属的吸收[26]。本研究发现，生物炭的添加虽然提高了根际土壤的pH值，但并不显著。这可能与生物炭的施加量有关[27]。施肥对土壤重金属的影响极为复杂，这与施肥方式、土壤条件等因素都有关[23，28]。有研究发现，生物炭与施肥结合，可改变土壤中镉的有效态，降低植物对镉的吸收，同时肥料弥补了生物炭养分低的缺点，而生物炭也能够有效地改善肥料养分的缓释性能[29]。本文通过两种施肥方式加入生物炭前后的对比发现，施肥与生物炭配施在烟株旺长期后显著降低了植烟土壤中的有效态镉含量，且复合肥处理添加生物炭前后对土壤中有效态镉的降低幅度优于有机肥和复合肥处理。这可能是因为有机肥和复合肥处理本身也降低了土壤中的有效态镉含量，导致该处理添加生物炭前后对植烟土壤有效态镉的降低幅度不如复合肥处理。各处理烟叶中的镉含量变化与土壤中有效态镉含量变化有较强的正相关性，进一步验证了烟叶中的重金属镉主要来自于土壤中的有效态镉[30]。此外，复合肥添加生物炭的施肥处理烟叶中的镉含量高于有机肥+复合肥添加生物炭的施肥处理。这既与土壤中有效态镉的下降有关，也可能是由于有机肥在烟株生长后期促进了烟株生长，导致烟叶中的镉含量因“稀释效应”而减少[9]。

根系活力是反映根系生命活动的指标，胁迫环境下，植物的根系活力受到抑制，进而影响植物的生长发育[31]。本试验发现，两种施肥方式添加生物炭后，烟株的根系活力均得到提高，烟叶的生物量也显著高于未施加生物炭的施肥处理，且有机肥+复合肥添加生物炭的施肥处理对胁迫环境下烟株根系活力的提高更加明显。这可能是因为有机肥和生物炭相互作用改善了根系生长的微生物环境[32]。研究表明，烟株在逆境下受胁迫与活性氧积累诱发的膜脂过氧化作用密切相关，MDA是膜脂过氧化最重要的产物之一，其含量水平可反映膜脂受损程度[33]。SOD，POD和CAT是植物防御系统的主要保护酶类，这三者协调一致，使生物体内自由基维持在一个较低水平，从而防止自由基伤害[34]。镉胁迫环境下，烟叶的MDA含量和SOD，POD，CAT活性随生育期发生相应变化。试验中两种施肥方式添加生物炭后，烟叶MDA含量均明显降低，烟叶的3种保护酶活性也有所提高，但仅在有机肥、复合肥添加生物炭的施肥处理下显著提高，复合肥添加生物炭的施肥处理虽然缓解了重金属胁迫，减轻了烟叶的膜脂过氧化，但烟叶的保护酶活性却没有显著提高。

综上所述，生物炭与有机肥和无机肥配施显著降低了烟叶的丙二醛含量，提高了烟叶的保护酶活性，烟株的胁迫环境得以改善，且该处理显著提高了烟株的根系活力，促进了烟叶生长；同时，能够降低土壤有效态镉的相对含量，减少烟叶对镉的吸收积累，进而降低烟叶中镉含量，是修复镉污染土壤的有效措施。

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(责任编辑高峻)

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

浙江农业学报Acta Agriculturae Zhejiangensis，2016，28(3):489-495http://www.zjnyxb.cn

尤方芳，赵铭钦，陈发元，等.生物炭与不同肥料配施对镉胁迫下烟株生长的影响[J].浙江农业学报，2016，28(3)： 489-495.

10.3969/j.issn.1004-1524.2016.03.21

2015-08-19

中国烟草总公司山西省公司重点科技攻关项目(JY201201)

尤方芳(1991—)，女，河南睢县人，在读硕士研究生，研究方向为烟草质量评价。E-mail∶13783536583@163.com

，赵铭钦，E-mail:zhaomingqin@126.com

S572;S147

1004-1524(2016)03-0489-07