花生壳生物炭配施外源锌对番茄光合特性及镉吸收的影响

郭新送，亓昭英，葛雨明，谢鹏飞，于　建，张琳琳，丁方军,3

(1.山东省腐植酸高效利用工程技术研究中心，山东农大肥业科技有限公司　山东泰安　271600；2.中国无机盐工业协会中微量元素肥行业分会　北京　100013；3.山东农业大学资源与环境学院　山东泰安　271018)



花生壳生物炭配施外源锌对番茄光合特性及镉吸收的影响

郭新送1,2，亓昭英2，葛雨明1，谢鹏飞2，于建1，张琳琳2，丁方军1,3

(1.山东省腐植酸高效利用工程技术研究中心，山东农大肥业科技有限公司山东泰安271600；2.中国无机盐工业协会中微量元素肥行业分会北京100013；3.山东农业大学资源与环境学院山东泰安271018)

为探讨花生壳在不同裂解温度(350 ℃和700 ℃)下形成的生物炭(BT350和BS700)配施外源锌对番茄光合特性及镉吸收的影响，开展了盆栽试验研究。试验结果表明：BS700配施外源锌可显著促进番茄地上部干物质累积，且叶片的相对叶绿素含量(SPAD)值与外源锌喷施浓度呈正相关，果实干物质累积量和SPAD值分别比BT350提高10.59%～13.89%和5.42%～14.77%；BS700能显著增强番茄叶片的净光合速率和蒸腾速率，平均分别比BT350提高8.82%和32.97%，同时BS700喷施低剂量的外源锌即能大幅提高番茄叶片净光合速率和蒸腾速率；BS700能显著减少番茄中镉的累积量，并以在果实中的效果明显，其镉吸收量比BT350降低7.62%～29.52%，且配施低剂量外源锌抑制番茄对镉的吸收效果优于BT350配施高剂量外源锌的效果。

番茄花生壳生物炭外源锌光合特性镉吸收

镉(Cd)广泛分布于自然界中。随着工业的快速发展，近几十年来，由于工业三废排放、矿产资源不合理利用等因素的影响，世界范围内出现了镉污染[1]。据报道，全世界平均每年排放镉的量为1 000 kt，而我国被镉污染的耕地面积达3.83×104hm2[2]。过量的镉会抑制作物植物细胞分裂和伸长、影响组织蛋白质合成、降低光合作用，从而影响作物的生长发育和品质[3- 4]。目前，主要采用工程技术、生物修复技术、调节土壤pH、增施有机肥等治理土壤中镉的污染，也可利用竞争性阳离子(如Zn2+)与Cd2+的拮抗效应来降低农作物对镉的吸收[3- 6]。陈贵青等[4]研究表明，叶面喷锌降低了辣椒体内含镉质量比，且随锌浓度增加，果实含镉质量比呈下降趋势。近年来，生物炭对重金属的吸附去除作用受到很大关注[7- 8]。生物炭是由生物质在缺氧条件下经热裂解炭化而成的一类以单质碳为主的黑色固体物质[9- 10]，其在固定大气碳素[11]、修复受污染土壤[12]、固持营养元素及提高作物产量等[13]方面的应用日益得到重视。不同的生物炭在物理化学性质上的差异而具有不同的吸附行为[14]，如李力等[15]的研究指出，不同裂解温度形成的生物炭对镉的吸附解吸能力差异较大，并以高裂解温度下的生物炭对镉吸附能力强、解吸量少。不同锌施用量对番茄生长及番茄果实中镉累积的影响已有报道[16]，不同裂解温度形成的生物炭对镉吸附的影响也有研究[15]，但对于不同裂解温度下形成的生物炭配施外源锌对番茄光合特性及镉吸收的影响未见报道。

本研究以花生壳在不同裂解温度下形成的生物炭为试验材料，以番茄为研究对象，在喷施不同量外源锌的条件下，通过检测生物炭配施外源锌对番茄生长特性及对镉吸收量的影响，探究促进番茄生长与防治隔污染的生物炭裂解温度与外源锌施用量的最优组合，为镉污染的防治提供科学依据及实践支撑。

1　材料与方法

1.1供试材料

供试生物炭以花生壳为原料，采用缺氧热解法[17]制取。将花生壳洗净、风干、粉碎后填满于密闭坩埚中，放入预热的马弗炉内，分别于350 ℃和700 ℃下厌氧加热2 h，获得不同热解温度下的生物炭样品(分别标记为BT350和BS700)，待样品冷却后置于研钵中研磨并过150m(100目)筛后储存于干燥器中备用。供试的花生壳生物炭基本化学性状见表1。

表1花生壳生物炭基本化学性状

pH电导率/(mS·cm-1)全氮质量浓度/(g·kg-1)全磷质量浓度/(mg·kg-1)全钾质量浓度/(mg·kg-1)9.13607.800.733341.2014523.08

供试土壤按土壤发生命名分类为褐土，按系统命名为普通简育淋溶干润土，其基本化学性状：pH 8.03，有机质质量浓度15.35 g/kg，全氮质量浓度1.03 g/kg，有效磷质量浓度19.10 mg/kg，速效钾质量浓度115.33 mg/kg。

喷施的外源锌为ZnSO4·7H2O，喷施的物质的量浓度分别为0，100和200mol/L。

1.2试验设计

2015年4月3日至7月1日，番茄盆栽试验在山东农业大学南校区资源与环境学院试验站温室大棚内进行。盆栽试验用盆为内径28 cm、高18 cm的塑料盆，每盆装填过380m(40目)筛的风干土和花生壳生物炭共5.5 kg[w(土)∶w(花生壳生物炭)=1∶1]。模拟的镉污染土壤是将CdCl2·2.5H2O以溶液的形式按每盆105 mL施入装有风干土的塑料盆中，土壤中含CdCl2·2.5H2O质量浓度为10 mg/kg，放置3周后进行番茄幼苗移栽。

试验共设6个处理：BT1，BT350+不喷施锌；BT2，BT350+喷施锌浓度100mol/L；BT3，BT350+喷施锌浓度200mol/L；BS1，BS700+不喷施锌；BS2，BS700+喷施锌浓度100mol/L；BS3，BS700+喷施锌浓度200mol/L。每个处理施肥量一致，按1 kg风干土计，均为氮(N)180 mg/kg、磷(P2O5)90 mg/kg和钾(K2O)120 mg/kg，分别以尿素、磷酸二氢铵、硫酸钾为肥源。用时域反射法(TDR)测定土壤含水量4次，然后计算平均值，并根据土壤含水量补充去离子水，以维持土壤湿度达到田间最大持水量的50%。番茄幼苗移栽后28 d，按试验方案开始在叶面喷施锌营养液，每隔7 d喷施1次，分5次完成，每个处理重复5次，各处理随机排列。

1.3测定项目与方法

生物性状测定指标：叶片绿度采用SPAD-502 Plus叶绿素仪进行测定，测定叶片统一选择从上往下第4片展开叶，每片叶片测定5次并取平均值；在番茄移栽后的第50天，用便携式光合仪测定最大叶片净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)与蒸腾速率(E)，测定时使用开放式气路，内置光源，光强1 000mol/(s·m2)，每片叶片测定5次并取其平均值。

植株测定项目：生物量的测定是将植株在105 ℃杀青30 min后，于70 ℃下烘干并称重；番茄植株各部位镉吸收量采用HNO3- HClO4消煮，原子吸收分光光度计(Perkin Elmer SIMM 6000，Norwalk USA)测定，镉的检测限为0.005 mg/kg。

1.4数据与处理

采用SAS(8.2)统计分析软件进行ANOVA方差分析及Duncan差异显著性检验，比较不同处理间差异，并用Microsoft Excel 2007软件进行作图。

2　结果与分析

2.1生物炭配施不同浓度外源锌对番茄干物质量的影响

在同一外源锌添加量下，不同裂解温度下形成的花生壳生物炭(BS700和BT350)对番茄干物质量的累积差异明显，BS700处理的番茄果实、根、茎、叶干物质量均不同程度高于BT350处理(表2)。在番茄果实及茎干物质累积量上，BS700处理与BT350处理差异显著，BS700处理的果实及茎干物质累积量分别比BT350处理提高10.59%～13.89%和5.51%～28.61%。在番茄根干物质累积量上，未喷施外源锌时，BS700处理较BT350处理提高28.46%；在喷施锌浓度为100 μmol/L和200 μmol/L时，BS700处理稍高于BT350处理，但差异不显著。这表明高裂解温度形成的生物炭能显著增加番茄干物质的累积，且在增施外源锌的情况下对地上部干物质累积的效果明显。

表2　不同处理的番茄干物质累积量　(g·盆-1)

注：1)同列数字后标有相同小写字母表示各处理在0.05水平下差异不显著，下同。

番茄根和叶是锌敏感区，随外源锌喷施量的增加，番茄根和叶的干物质量呈递增趋势，这表明增施外源锌能够使番茄根系发达、叶片生长旺盛，有利于植株的生长及干物质的累积。与未喷施外源锌的处理相比，同一裂解温度下形成的花生壳生物炭喷施不同浓度外源锌处理的番茄总干物质累积量增加19.48%～36.93%，差异极显著，这与刘俊等[18]在不同浓度外源铁对番茄生理特性、镉积累及化学形态的影响研究结论基本一致。但高裂解温度形成的花生壳生物炭喷施锌浓度为100mol/L和200mol/L的处理对番茄干物质累积量影响差异不显著，这可能是高裂解温度下形成的生物炭芳构化程度高、疏水性强，易于对锌的吸收与络合，从而提高了外源锌的利用率。

2.2生物炭配施不同浓度外源锌对番茄叶片光合特性的影响

2.2.1生物炭配施不同浓度外源锌对番茄叶片绿度的影响

叶绿素含量高低是反映植物叶片光合能力及植株健康状态的主要指标。在整个生育期内，不同处理的番茄叶片相对叶绿素含量(SPAD)值呈先升高后降低的趋势，但不同处理对番茄各生长阶段叶片的SPAD值的影响不完全相同(表3)。在番茄开花坐果期前(移栽后前58 d，番茄以营养生长为主)，喷施外源锌浓度为200mol/L的条件下，BS700的处理能显著提高番茄叶片的SPAD值，较BT350的处理提高5.42%～14.77%。在番茄生长后期(移栽60 d后，番茄以生殖生长为主)，喷施同一浓度的外源锌时，BS700处理与BT350处理对番茄叶片的SPAD值影响无显著差异，但在未喷施外源锌条件下，BS700处理的番茄叶片SPAD值较BT350处理提高22.43%。

表3不同处理对番茄叶片的SPAD值的影响

移栽后天数/dBT1BT2BT3BS1BS2BS32841.97bc42.77bc52.17b45.10bc45.73bc55.00a3836.23c37.03bc43.80b37.90bc41.03bc50.27a4836.67c41.70bc54.03ab45.67bc51.37ab58.67a5849.53a52.57a56.67a51.73a56.17a57.27a6837.90b46.27ab48.57a46.40ab48.56a48.60a

同一裂解温度下形成的生物炭喷施不同浓度外源锌时，对番茄叶片SPAD值的影响也较大。对于BT350，随喷施外源锌浓度的增大，番茄叶片SPAD值呈递增趋势，但差异不大，尤其在生长后期喷施锌浓度100mol/L与200mol/L处理的番茄叶片SPAD值无显著差异。对于BS700，随喷施外源锌浓度的增大，番茄生长前期(移栽后前48 d)的叶片SPAD值呈递增趋势，差异显著，在生长后期喷施锌浓度100mol/L与200mol/L处理的番茄叶片SPAD值也无显著差异。综上表明，与低温裂解形成的花生壳生物炭相比，高温裂解形成的生物炭能提高番茄生长前期的叶片SPAD值，其喷施高剂量的外源锌更利于番茄叶片早期光合作用的增强和干物质的累积。

2.2.2生物炭配施不同浓度外源锌对番茄光合指数的影响

光合作用是植物生长和物质积累的基础，对植物生长发育具有重要意义[19]。在开花坐果期，不同处理的番茄叶片净光合速率差异较大(表4)。在同一外源锌添加量的水平下，BS700能显著增强番茄叶片的净光合速率，较BT350平均提高了8.82%。在同一裂解温度下形成的花生壳生物炭，喷施锌浓度100mol/L的番茄叶片净光合速率较未喷施锌提高16.08%～20.74%，差异显著，但与喷施锌浓度200mol/L处理相比差异不显著，与谢文文等[16]的研究结论有所差异，这可能是生物炭与外源锌的交互作用大于单施外源锌的作用，从而在喷施低剂量外源锌的情况下达到高剂量外源锌的效果。

表4不同处理番茄的光合指数

项 目BT1BT2BT3BS1BS2BS3净光合速率/(mmol·m-2·s-1)14.30b16.60ab15.70b15.14b18.28a17.28a气孔导度/(mol·m-2·s-1)0.11b0.13b0.19a0.13b0.12b0.18a胞间二氧化碳浓度/(mL·L-1)147.7a109.7b142.0a137.3ab106.0b131.0ab蒸腾速率/(g·m-2·h-1)3.44bc3.94b3.54bc4.41a4.95a5.00ab

气孔导度是指气孔对水蒸气、二氧化碳等气体的传导度，用于衡量气孔张开的程度，对光合作用、呼吸作用及蒸腾作用有影响。本研究中，BT350与BS700处理的番茄叶片气孔导度无显著差异，喷施锌浓度100mol/L与未喷施外源锌处理的番茄叶片气孔导度也无显著差异，而喷施锌浓度200mol/L处理的番茄叶片气孔导度则提高38.46%～72.73%，差异显著。

胞间二氧化碳浓度是指植物光合作用时呼吸作用放出二氧化碳的量减去光合作用吸入二氧化碳的量，反映了光合时二氧化碳剩余情况。同一裂解温度下形成的花生壳生物炭，喷施锌浓度为200mol/L处理的胞间二氧化碳浓度反而低于喷施锌浓度为100mol/L的处理。

蒸腾速率是指植物在一定时间内单位叶面积蒸腾的水量。同一外源锌添加量水平下，BS700能显著增强番茄叶片的蒸腾速率，较BT350平均提高32.97%，差异显著，表明高裂解温度下形成的生物炭能够提高其蒸腾速率，更好地促进番茄生长。喷施不同浓度外源锌的BT350处理对番茄叶片蒸腾速率的影响差异不大；对于BS700，喷施锌浓度100mol/L处理的番茄叶片蒸腾速率较未喷施锌的处理提高12.24%，差异显著，但与喷施锌浓度200mol/L的处理无显著差异，即高裂解温度下形成的生物炭喷施低剂量的外源锌即能提高番茄叶片蒸腾速率。

2.3生物炭配施不同浓度外源锌对番茄吸收镉的影响

土壤被镉污染(10 mg/kg)后，番茄植株不同部位均出现不同程度的镉富集。在番茄成熟期的4个生长部位中，以叶片镉累积量最多，茎其次，果实和根的镉累积量相对较少(图1)，这与谢文文等[16]的研究结论基本一致。

不同处理间番茄吸收镉的量差异较大。从整体上看，BS700比BT350更能显著抑制番茄对镉的吸收，表现为除番茄叶片以外，BS700处理的番茄果实、根和茎中镉的累积量分别比BT350处理降低7.62%～29.52%，7.01%～13.94%和4.81%～12.40%。这表明较高裂解温度下形成的花生壳生物炭能减少番茄中镉的累积量，这可能是由于高裂解温度下形成的生物炭更能吸附土壤中的镉，同时随作物生长其解吸的镉较少，这与李力等[15]的研究结论相似。而番茄叶片中，在喷施锌浓度分别为100mol/L和200mol/L时，BS700处理的镉累积量比BT350处理分别增加11.82%和15.36%，这可能是高温裂解形成的生物炭在促进作物生长的同时可降低镉向果实中转移，从而导致叶片中镉的累积量增加。

图1　不同处理的番茄不同部位镉累积量

不同外源锌添加量对番茄吸收镉的量有差异，在一定范围内(喷施锌浓度<200mol/L)，不同裂解温度形成的花生壳生物炭均随外源锌添加量的增加，其处理的番茄吸收镉的量呈递减趋势(图1)。BS700喷施锌浓度100mol/L处理的番茄果实、根和茎中的镉累积量较BT350喷施锌浓度200mol/L处理分别降低26.51%，2.55%和3.58%，表明在抑制番茄对镉的吸收方面，BS700在配施低剂量外源锌的效果优于BT350配施高剂量外源锌的效果。对于BS700，喷施锌浓度分别为100mol/L和200mol/L处理的番茄吸收镉的量差异较小，故高裂解温度配施低剂量的外源锌为抑制番茄吸收镉经济有效的交互措施。

3　结语

(1)花生壳高裂解温度形成的生物炭可显著增加番茄干物质累积量和番茄生长前期叶片的SPAD值，与低温裂解形成的生物炭处理相比，果实干物质累积量增加10.59%～13.89%，叶片的SPAD值提高5.42%～14.77%；增施外源锌以促进地上部干物质累积的效果明显，且叶片的SPAD值与外源锌喷施浓度呈正相关。

(2)700 ℃裂解形成的花生壳生物炭能显著提高番茄叶片的净光合速率和蒸腾速率，与350 ℃裂解形成的生物炭相比，净光合速率和蒸腾速率平均分别提高8.82%和32.97%。生物炭与外源锌的交互作用大于单施外源锌的作用，高裂解温度下形成的生物炭喷施低剂量的外源锌即能大幅提高番茄叶片净光合速率和蒸腾速率。

(3)与350 ℃裂解形成的生物炭相比，700 ℃裂解形成的生物炭能显著减少番茄中镉的累积量，并以果实中效果最明显，其镉吸收量降低7.62%～29.52%。高裂解温度形成的生物炭配施低剂量外源锌抑制番茄对镉的吸收效果优于低裂解温度形成的生物炭配施高剂量外源锌的效果。

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Effects of Peanut Shell Biochar with Exogenous Zinc on Tomato Photosynthetic Characteristics and Cadmium Absorption

GUO Xinsong1,2, QI Zhaoying2, GE Yuming1, XIE Pengfei2, YU Jian1, ZHANG Linlin2, DING Fangjun1,3

(1.Engineering Technology Research Center of Shandong Province, Efficient Utilization of Humic Acid,Shandong Agricultural University Fertilizer Science & Technology Co., Ltd.Shandong Tai′an271600；2.Middle and Trace Element Fertilizer Branch of China Inorganic Salts Industry AssociationBeijing100013；3.College of Resources and Environment, Shandong Agricultural UniversityShandong Tai′an271018)

In Order to investigate peanut shell biochar (BT350 and BS700), which are formed at different decomposition temperatures (350 ℃ and 700 ℃), with exogenous zinc on photosynthetic characteristics and absorption cadmium of tomato, pot experimental study is carried out. Experimental results show that BS700 with exogenous zinc can promote accumulation of dry matter of above ground part of tomato, and the relative chlorophyll content of leaves (SPAD) has positive correlation with the spray concentration of exogenous zinc, fruit dry matter accumulation amount and SPAD value increase by 10.59%～13.89% and 5.42%～14.77% than that of BT350 respectively; BS700 can strengthen significantly the net photosynthetic rate and transpiration rate of tomato leaves, which, on an average, increase by 8.82% and 32.97% respectively, at the same time, BS700 with spraying low dose of exogenous zinc can increase greatly the net photosynthetic rate and transpiration rate of tomato leaves; BS700 can significantly reduce accumulation amount of cadmium in tomato, it has obvious effect on fruit, its accumulation amount of cadmium decreases by 7.62%～29.52% than that of BT350, its suppression effect of absorption cadmium with low dose exogenous zinc is superior to that of BT350 with high dose of exogenous zinc.

tomatopeanut shell biocharexogenous zincphotosynthetic characteristicabsorption cadmium

郭新送(1987—)，男，硕士，从事土壤生态学方面的研究；guoxinsong1028@163.com。

丁方军(1964—)，男，教授，主要从事土壤肥料、新型肥料研发及生产技术研究；dfj403@163.com。

S641.2；S317

A

1006- 7779(2016)04- 0001- 06

2016- 06- 14)