生物炭对镉胁迫下烟草镉含量动态变化及土壤理化性质的影响

梁仲哲，齐绍武，2，淡俊豪，靳辉勇，朱 益，和七红

(1.湖南农业大学农学院，湖南长沙 410000；2.湖南杂交水稻研究中心，湖南长沙 410128)

烟草作为我国的重要经济作物，在我国国民经济中占有举足轻重的地位[1]。镉(Cd)是植物体内的非必需元素[2]，同样也是一种毒性很强的重金属[3]，土壤中的镉不易降解且容易被植物吸收[4]。烟草是镉富集植物，镉更容易在烟株体内积累[5]，同时有研究指出，烟叶中的镉可通过吸食方式进入人体成为潜在危害[6]。

近年来，生物炭作为一种土壤改良剂而成为研究热点[7]。袁金华等通过研究发现，生物炭对重金属、有机污染物等有很强的吸附力[8]。目前，生物炭在大豆、水稻等作物上已有研究而对烟叶中镉的消减则应用较少。本试验模拟土壤镉胁迫以不同施用量的生物炭处理烟草，旨在探究生物炭施用量对烟株镉含量的影响，为生物炭的施用量及大田镉污染治理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2016年在湖南省长沙市湖南农业大学耘园基地进行，所取土壤为水稻耕作土壤，所用盆钵为25 cm×40 cm，土壤类型为壤土，经风干过筛后装盆，每盆30 kg，通过施加四水硝酸镉调节盆栽土壤中镉含量，至2 mg/kg。试验所用生物炭为秸秆在450 ℃高温厌氧条件下制备而成，其基本成分见表1。烟草品种为云烟87，为目前烟草主要栽培品种之一。

1.2 试验方法

试验设4个处理，分别为：(1)常规对照(CK)；(2)T1：生物炭施加量为0.1%；(3)T2：生物炭施加量为0.2%；(4)T3：生物炭施加量为 0.3%。每处理15盆，每盆装土30 kg。因烟草根系存在，故生物炭在土壤风干过程中添加混匀。不同处理除生物炭用量不同外其他用量均相同。烟草于4月23日移栽，8月5日采收结束。其他各项田间管理措施与当地大田生产管理相同，均符合烟草生长要求。

表1 土壤基本理化性质

1.3 样品测定

取不同处理烟草根、茎、叶，测定不同时期(团棵期、旺长期、成熟期)的镉含量，每个处理随机取5株生长势良好烟株进行测量，以平均值作为测量值；在每个小组内随机取土测其基本理化性质。

根系Cd吸收系数=根系Cd含量/土壤Cd含量；

Cd初级转运系数=茎秆Cd含量/根系Cd含量；

Cd次级转运=烟叶Cd含量/茎秆Cd含量。

1.4 数据处理

采用SPSS 22.0进行数据分析，并在Excel上体现。简单相关分析采用多元分析模块中的pearson相关分析。相关系数中，|r|≥0.8，视为高度相关，0.5≤|r|<0.8视为中度相关，0.3≤|r|<0.5视为弱相关[9]。

2 结果与分析

2.1 生物炭对土壤理化性状的影响

从表2中可以看出，土壤中施加生物炭能显著提高土壤速效磷含量，各试验组之间速效磷含量差异不显著，但与对照差异显著，其中，T2处理提升效果最为明显，随着生物炭施加量的增多土壤速效磷的含量反而减少，表明当生物炭过量时提升效果反而有一定减弱。有机质含量高低依次为T3>T2>T1>CK，其中T2、T3处理间差异不显著，但与T1、CK处理间差异显著，生物炭对土壤有机质含量提升效果在 1.3%～6.6%。T2处理速效钾含量最高且与CK差异显著，而T1、T2处理间差异不显著，T3处理比CK高21%，处理间差异显著。碱解氮T1、CK间差异不显著，T2、T3处理间差异显著，T2处理含量最高，比对照提高6%，提高效果依次为 T2>T3>T1。从pH值中可以看出，生物炭施用量越高pH值越高，T1、T2处理间差异不显著，但与T3处理间显著差异，处理组与对照差异显著。

表2 生物炭对土壤理化性状的影响

注：同列数据后不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

2.2 生物炭对烟草不同部位镉含量的影响

2.2.1 生物炭对不同生育期根镉吸收的影响 从图1可以看出，与对照相比生物炭能显著降低根部镉含量，团棵期T1、T2、T3处理分别降低了39.1%、56.8%、41.6%，T2处理显著低于T1、T3处理，表明生物炭能够显著抑制根部对镉的吸收，且生物炭施用量增加抑制效果先增强后减弱。旺长期根部镉含量由大至小依次排序为CK>T3>T2>T1，随着生物炭施用量增加抑制效果减弱，T3处理与CK差异不显著。成熟期T1与T3处理差异不显著，T2处理最低。在不同生育期中团棵期镉降低效果最明显，随生育时期推进降低效果减弱。

2.2.2 生物炭对茎不同生育期镉吸收的影响 团棵期随着生物炭施用量增加茎中镉含量逐步降低，T1、T2处理差异不显著，T3处理隔含量最低，为CK的40.08%。旺长期与团棵期相比处理间差异缩小，由于旺长期植株处于快速生长发育阶段，对土壤中物质吸收能力增强。旺长期T1、T3处理间差异不显著，而T2处理与CK差异显著。从生物炭施用量对旺长期茎部镉含量影响变化可知，当生物炭施用量持续增加时茎部镉含量先降低后升高，高低顺序依次为T1>T3>T2。成熟期与前两个时期相比生物炭施用量与茎部镉含量呈正相关关系，即生物炭施用量增加茎部镉含量增加，T1、T3处理间差异显著。T1、T2、T3处理茎部镉含量分别为CK的57.13%、70.42%、75.77%(图2)。成熟期不同处理茎部镉含量与对照接近，表明随着烟株生长发育生物炭对茎部镉含量的影响越来越小。

2.2.3 生物炭对叶不同生育期镉吸收的影响 从图3可以看出，生物炭对叶片中镉含量有降低作用，最佳降低效果为旺长期，T2处理烟叶镉含量为CK的33.02%。团棵期T1处理与CK差异不显著，T2处理与CK显著差异，表明当生物炭施用量达到一定程度时其抑制作用才明显，此后镉施用量增加抑制作用降低。旺长期除T2处理外T1、T3、CK处理差异不显著，镉含量大小依次为CK>T1>T3>T2。成熟期T1与T2处理间差异不显著，T3与CK处理间差异不显著。与旺长期期相比，成熟期T1处理烟叶中镉含量增长幅度较小，而T2处理增长幅度较大，为84%，CK增长幅度为51.16%，T2处理为所有处理组最低，表明生物炭对烟叶影响主要在旺长期。

2.3 生物炭对烟草镉转运的影响

2.3.1 生物炭对团棵期镉转运的影响 从表3可以看出，与CK相比生物炭能够显著降低根系Cd吸收系数，但对于Cd初级转运系数影响不一，Cd次级转运系数整体呈增加态势。根系吸收系数T2处理最低，T1处理大于T3处理，表明随着生物炭施用量增加根系吸收系数先降低后增加，生物炭施用量对根系Cd吸收系数的影响为先随施用量增加而增加，而后降低，T2处理效果最好，比CK降低56.8%。Cd初级转运系数指标上整体表现为促进作用。其中T1、T2处理为促进作用，T2处理促进作用最强，比CK高42.9%；而初级转运系数越高说明根部转移至茎部占比越高。生物炭对Cd次级转运系数影响，T1、T2处理与CK差异不明显，而T3处理对次级转运系数提升效果达60.1%。当生物炭较低时对Cd次级转运系数不明显，生物炭施用量逐渐增加，Cd次级转运系数逐步增大，最终表现为促进镉从烟草茎部向叶片转运影响吸食。

表3 团棵期烟草Cd吸收和转运系数

2.3.2 生物炭对旺长期镉转运的影响 从表4可以看出，旺长期根系Cd吸收系数除T1处理大幅下降外，T2、T3处理仍低于CK，根系Cd吸收系数大小排序依次为T3>T2>T1，表明旺长期生物炭能够促进根部镉吸收，生物炭施用量对根系吸收影响较大。Cd初级转运系数T1处理为促进作用且促进效果较大，T2、T3处理为抑制作用。旺长期Cd次级转运系数均为促进作用，与团棵期相比T1处理次级转运系数大幅增加、T2略有上升、T3大幅下降，T2与T3处理差异较小，表明当生物炭施用量较高时施用量次级转运系数变化不明显。

表4 旺长期烟草Cd吸收和转运系数

2.3.3 生物炭对成熟期镉转运的影响 生物炭能在成熟期降低烟草根系Cd吸收系数，其中T2降低效果最为明显，为CK的57.1%，T3、T1处理差异不明显。Cd初级转运系数按大小排序依次为CK>T2>T3>T1，与旺长期相比T1处理由促进转为抑制。次级转运系数中T1处理与前一时期相比差异变化较小，T2处理呈增加态势且增加幅度较大，T3处理略有降低(表5)。

表5 成熟期烟草Cd吸收和转运系数

2.4 生物炭对烟草不同部位镉含量的影响

从表6可以看出，烟草中镉分布为烟叶>茎>根，本结果与前人相关研究结论[10]一致。烟叶是整个烟株经济价值最高的部位，对烟叶产质影响最大，施用生物炭烟叶中镉含量均明显低于对照，表明生物炭能够降低烟叶镉含量。T1处理根、茎、叶中镉含量与CK相比，分别下降4.03%、42.93%、28.04%，T2处理与CK相比根、茎、叶镉含量则分别下降42.83%、29.62%、37.92%，T3处理分别下降了7.09%、24.27%、 7.51%。表明生物炭能够降低烟叶镉含量，但不同施用量降低效果不一致。

表6 生物炭对烟草不同部位镉含量的影响

2.5 土壤pH值与镉含量的相关性分析

从表7可以看出，pH值与烟株根镉含量的相关性为 -0.744，为中度相关，同时与茎、叶的相关性分别为-0.811、-0.853，表明提高土壤pH值是控制烟株吸收镉的关键因素之一。根与茎、叶的相关系数分别为0.291、0.765，根与茎为极弱相关，与叶为中度相关。茎与叶的相关系数为0.771，也为中度相关，表明烟叶对镉的富集能力最强，因此，提升pH值有重要意义，

表7 土壤pH值与烟草镉含量的Pearson相关系数

3 讨论与结论

本试验研究结果，施用生物炭能够提高土壤肥力，降低土壤养分损失，本结果与陈敏等研究结论[11]一致。王丽渊研究发现，施用生物炭能够改良土壤理化性质促进烟株根系发育[12]。镉污染条件下烟株对重金属镉的吸收表现为叶>茎、根，本结论与前人研究烟草重金属镉吸收规律一致[13]。施用生物炭后土壤pH值提高可能是由于一方面生物炭本身呈碱性，通过水土交融作用交换H+，从而提高土壤pH值[14-16]，pH值与根系镉含量呈中度负相关，可能是由于pH值提高进一步促进生物炭表面阳离子交换位点，提高对金属的吸附作用[17]，与前人研究得出施用土壤改良剂能够降低烟叶中Cd含量相符合[18]。同时生物炭改良土壤理化性质增强对Cd的吸附，降低Cd的生物迁移性及有效性并在Cd各级转运系数上体现，与王艳红等的研究结果[19]一致，在大田中施用生物炭能改善土壤理化性质，降低烟叶中Cd含量。

施用生物炭能够改善土壤理化性质，降低烟草根部吸收系数从而降低烟叶镉含量。在本试验条件下，T2处理对烟叶镉含量降低效果最为明显，能够促进土壤镉的有效性，降低烟叶中镉的含量。根据本试验结果，生物炭施用量为0.2%为最佳处理，其他条件还需要进一步研究验证。

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