生物炭对烤烟生长、根际土壤性质及叶片重金属含量的影响

邵慧芸，张阿凤，李紫玥，刘 丹，李熠凡，鲁 璐，王旭东，杜红宇，张艳玲

(1西北农林科技大学 资源环境学院，陕西 杨凌 712100；2农业部 西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西 杨凌 712100；3.中国烟草总公司郑州烟草研究院，河南 郑州 450001)

近年来,由于长期单一施用化肥，烟区土壤开始出现酸化、板结、养分失衡及重金属含量普遍超标等问题，导致烟草产量和品质下降[1-2]。因此，植烟土壤的培肥和改良受到普遍关注。我国烟区每年约有450万t烟草秸秆[3];这些秸秆的处置途径有直接燃烧和秸秆还田两种方式，其中直接燃烧一方面造成烟草秸秆资源的浪费，导致氮、钾、磷等养分元素大量损失[2]，另一方面也造成环境污染[4]；烟草秸秆直接还田不利于病虫害的防治[2]。研究发现，将烟草秸秆热解制成生物炭添加到土壤中更有利于土壤养分的保存[5]，对提升作物产量和改善土壤理化性质有重要的作用[6]，对降低植物体内重金属含量也有一定作用[7-8]。将生物炭应用于烟田土壤一方面可实现农业废弃物的资源化利用，另一方面可改善我国植烟土壤养分失衡的问题。

生物炭是农业废弃有机物在高温缺氧或限氧条件下热裂解得到的高度芳香化物质，其主要组成元素为C、H、O，其中碳含量最高，一般可达60%以上[9]。研究表明，生物炭通过提高土壤养分含量、维持土壤结构和养分平衡来促进作物对养分的吸收，从而提高作物产量[6]。但生物炭对作物生长的作用及对土壤理化性质的影响与其用量和类型有关。刘会等[10]发现，施用55～64 g/kg生物质炭可提高苹果树的生物量和氮素利用率；张晗芝等[11]发现，施用2.4 和12 t/hm2小麦秸秆炭可促进砂浆水稻土玉米苗期生长；施用48 t/hm2小麦秸秆炭可显著提高土壤全氮和有机碳含量，但抑制玉米苗生长；李中阳等[12]研究表明，施用40 t/hm2小麦秸秆炭，对重壤土冬小麦产量的促进作用显著。可见，不同作物和土壤类型适宜的生物炭用量不同。生物炭表面附着的有机官能团可能吸附土壤中的重金属离子，降低重金属活性[13]，从而减少植物体内重金属含量，促进植株生长。王丽丽[7]研究表明，施用猪粪生物炭和水稻秸秆炭均能显著提高青菜生物量，并显著降低青菜中重金属(Zn、Pb、Cd、Cu)含量，且以水稻秸秆炭效果较好；Houben等[14]研究表明，将质量分数1%，5%和10%生物炭添加到重金属污染的土壤中，黑麦草中重金属Pb和Cd的浓度均较对照显著降低，其中质量分数5%和10%生物炭处理效果更为显著。由此可见，生物炭用量和类型也是影响植株中重金属含量的重要因素。目前的研究多集中在生物炭对大田作物(水稻、玉米、大豆、黑麦草)的影响[15]，且主要关注生物炭对作物产量和收获期土壤理化性质及土壤重金属生物有效性的影响[2,7,12]，而关于烟杆生物炭对烤烟前期土壤理化性质和烟叶重金属含量及生物量影响的研究还较少。烤烟团棵期(生长前期)是烟株干物质积累的重要时期，也是烟草产量和品质形成的基础阶段[16]。本研究以我国三大优质烟产区之一的福建烟区水稻土为供试土壤，通过盆栽试验探究不同用量烟杆生物炭对烤烟前期生长、植烟土壤理化性质和烟叶重金属含量的影响及三者之间的相关关系，以期探明烟杆生物炭施用的适宜用量及其对烤烟前期生长的作用，为烤烟种植中烟杆生物炭的合理施用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试烤烟品种为‘K326’，用漂浮育苗的方式育苗，即将种有烤烟种子的育苗盘(含有基质)放入配置好的营养液箱， 再放到温度为25 ℃、相对湿度为60%的人工气候箱中，育苗结束后选取长势一致的烟苗统一移栽。盆栽用土为福建烟区水稻土(0～10 cm土层的土壤)，每盆装土(风干，过2 mm筛)+生物炭(过2 mm筛)10 kg。供试土壤基本理化性质：pH 5.4，有机碳10.3 g/kg，全氮2.2 g/kg，全磷1.4 g/kg，硝态氮49.5 mg/kg，铵态氮5.5 mg/kg，速效磷4.7 mg/kg，速效钾40.5 mg/kg。供试烟杆生物炭由淮安华电环保机械制造有限公司提供，其基本性质：pH 9.48，有机碳475.9 g/kg，全氮15.0 g/kg，全磷1.4 g/kg，全钾20.1 g/kg，硝态氮3.5 mg/kg，速效磷2.9 mg/kg，速效钾235.0 mg/kg，重金属Pb、Cu和Zn的含量分别为8.0，9.4和105.8 mg/kg，Cd含量极低，相同条件下未检测到。

1.2 试验设计

试验于2016年在西北农林科技大学(34°16′56.24″N，108°4′27.95″E)旱棚中进行。试验设6个生物炭用量(生物炭/(土壤+生物炭)×100%)处理：0%(对照)，0.1%，0.5%，1%，2%，3%，且依次记为B0、B0.1、B0.5、B1、B2、B3，每处理重复3盆，每盆移栽1株烟苗，共18盆随机排列。在烟苗移栽前，提前将土壤与生物炭以及无机肥料充分混匀，无机肥料中氮磷钾的比例为m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=1∶1.5∶3。烟苗移栽后还苗期和团棵期均保持土壤水分含量为田间持水量的60%，试验期间每1～2 d定量浇水1次，其他管理措施按照优质烟叶生产技术执行。

1.3 样品采集及测定

分别在烤烟移栽后第15天(还苗期)和第45天(团棵期)测定烟草的株高、叶片数、叶绿素含量及叶长、叶宽等农艺性状。在烤烟生长第45天整株连根挖出，用抖根法取根际土壤，然后将烤烟的地上部分与根分开，105 ℃杀青15 min，60 ℃烘干，烘干前后分别称地上部和根的质量，之后将烟叶粉碎。

烟草的株高、叶长和叶宽采用2 m长的卷尺测定，叶绿素含量采用SPAD-502 PLUS叶绿素计测定，叶面积=叶长×叶宽×叶面积指数(0.634 5)[17]。土壤体积质量采用环刀法测定，土壤有机碳含量采用元素分析仪(型号：vario MACRO cube)测定，pH采用电位法(m(土)∶V(水)=1∶1)测定，硝态氮含量采用酚二磺酸比色法测定，铵态氮含量采用靛酚蓝比色法测定，全氮含量用半微量开氏法测定，速效磷含量采用钼锑抗比色法测定，全磷含量采用氢氧化钠熔融法测定，速效钾含量采用1 mol/L的醋酸铵浸提-火焰光度法测定，以上指标的测定均参照鲍士旦[18]的方法进行。烟叶中重金属含量采用V(HNO3)∶V(HClO4)=4∶1消解，用火焰原子吸收分光光度计测定[19]。

1.4 数据处理与分析

试验数据均采用3次重复平均值，采用Microsoft excel 2013和JMP10.0(SAS Institute，USA，2011)统计软件对数据进行处理及相关性分析，用Duncan’s法进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同用量生物炭对烟草根际土壤理化性质的影响

不同用量烟杆生物炭对烟草根际土壤理化性质的影响见表1。

表1 不同用量烟杆生物炭对烟草根际土壤理化性质的影响Table 1 Effects of different biochar amendments on physical and chemical properties of tobacco rhizosphere soil

注：同列数据后标不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05) 。下表同。

Note:Different small letters within the same line indicate significant difference (P<0.05) among treatments.The same below.

由表1可知，烟杆生物炭对烟草根际土壤体积质量、pH值、有机碳和全氮含量均有影响，但对土壤全磷含量无显著影响。与B0处理(对照)相比，B2和B3处理土壤体积质量显著降低了10.4%和13.6%，B3处理土壤pH和全氮含量显著增加了19.7%和40.6%，而其他处理与对照之间均无显著差异。与B0处理相比，B0.5、B1、B2和B3处理土壤有机碳含量分别显著增加21.2%，30.8%，65.2%和115.9%。

图1和图2显示，不同用量生物炭影响了烟草根际土壤硝态氮、铵态氮、速效磷和速效钾的含量。由图1可知，与B0处理相比，B0.1、B0.5、B1、B2和B3处理土壤硝态氮含量分别显著降低了47.8%，35.8%，58.4%，64.4%和69.8%；B0.1处理土壤铵态氮含量显著增加了37.2%，其他处理土壤铵态氮含量无显著变化。

由图2可知，与B0处理相比，B0.1、B0.5、B1和B3处理土壤速效磷含量分别显著降低了32.7%，37.6%，36.8%和40.7%，B2处理土壤速效磷含量无显著变化。与B0处理相比，B1、B2和B3处理烟草根际土壤速效钾含量分别显著增加了18.6%，59.3%和57.9%。

图2 不同用量生物炭对烟草根际土壤速效磷和速效钾含量的影响
Fig.2 Effects of different biochar amendments on rapid available phosphorus and rapid available potassium contents in tobacco rhizosphere soil

2.2 不同用量生物炭对烟叶重金属含量的影响

图3和图4显示，不同用量生物炭影响了团棵期烟叶中Pb、Cd、Cu和Zn含量。

图3 不同用量生物炭对烟叶重金属Pb和Cd含量的影响
Fig.3 Effects of different biochar amendments on contents of heavy metals Pb and Cd in tobacco leaf

图4 不同用量生物炭对烟叶重金属Cu和Zn含量的影响
Fig.4 Effects of different biochar amendments on contents of heavy metals Cu and Zn in tobacco leaf

由图3可知，与B0处理相比，B0.1、B0.5、B1、B2和B3处理烟叶中Pb含量分别显著降低了77.3%，63.5% ，67.4%，45.9%和61.1%；B0.5、B1、B2和B3处理烟叶中Cd含量分别显著降低了27.0%，31.5%，46.9%和47.6%。

由图4可知，与B0处理相比，B0.5、B1、B2和B3处理烟叶中Cu含量分别显著降低了48.3%，43.2%，46.9%和40.4%。与B0处理相比，除了B0.1处理烟叶中Zn含量显著增加外，其他处理烟叶中Zn含量无显著变化。与B0.1处理相比，B0、B0.5、B1、B2和B3处理烟叶中Zn含量分别显著降低了37.4%，24.9%，36.4%，39.1%和44.1%。

2.3 不同用量生物炭对烤烟农艺性状及生物量的影响

由表2可知，不同用量生物炭对烟草还苗期叶片数无显著影响，但显著影响了这一时期烟草株高、最大叶面积及叶绿素含量。与B0处理相比，B0.1和B1处理烟草株高分别显著增加了119%和114%，B1处理烟草的最大叶面积增加了102%，其他处理与对照无显著差异。与B0.1处理相比，B0.5、B1、B2和B3处理烟叶中叶绿素含量分别降低了18.5%，15.5%，20.8%和23.1%。

表2 不同用量生物炭对烟草还苗期和团棵期农艺性状的影响Table 2 Effects of different biochar amendments on agronomic traits of tobacco at the seedling and rosette stage

由表2还可知，与B0处理相比，施用生物炭明显影响了团棵期烟草的叶片数、株高、最大叶面积、叶绿素含量。与B0处理相比，B0.1、B0.5、B1、B2和B3处理烟草叶片数分别增加了83.6%，64.2%，79.1%，53.7%和79.1%，且不同用量生物炭处理间无显著差异；B0.1、B1、B2和B3处理烟草株高分别增加了258%，252%，152%和185%；B0.1和B3处理烟草最大叶面积分别增加了156.5%和89.7%；B0.5、B1和B2处理烟草叶绿素含量均显著降低，而B0.1和B3处理烟草叶绿素含量无显著变化。不同用量生物炭对烟草团棵期生物量的影响如图5所示。

图5 不同用量生物炭对烟草团棵期生物量的影响Fig.5 Effects of different biochar amendments on tobacco biomass during the rosette stage

从图5可以看出，施用生物炭影响了团棵期烟草地上部和地下部质量。与B0处理相比，B0.1、B1和B3处理烟草地上部干质量分别增加了469%，331%和254%，B0.1和B1处理烟草根干质量分别增加了833%和933%，而其他处理与对照之间无显著差异。可以看出，生物炭用量与地上部生物量之间无明显的线性关系。

2.4 烟草农艺性状与植烟土壤理化性质及烟叶中重金属含量的相关性

本试验分析了烤烟农艺性状与土壤理化性质和烟叶重金属含量的相关关系，只列出有显著相关关系的指标，结果见表3。表3显示，烤烟地上部干质量与土壤铵态氮含量呈显著正相关关系(P<0.05)，与硝态氮和速效磷含量呈显著负相关关系(P<0.05)，而与烟叶中Pb含量呈极显著负相关关系(P<0.01)。叶片数与土壤中硝态氮、速效磷和烟叶中Pb含量呈极显著负相关关系(P<0.01)。最大叶面积与土壤pH和铵态氮含量呈显著正相关关系(P<0.05)，与硝态氮、速效磷和烟叶中Pb含量呈显著负相关关系(P<0.05)。株高与硝态氮、速效磷和烟叶中Pb含量呈极显著负相关关系(P<0.01)。烟叶中Cd含量与土壤体积质量和硝态氮含量呈极显著正相关关系(P<0.01)，而与pH呈显著负相关关系(P<0.05)，与土壤有机碳和速效钾含量呈极显著的负相关关系(P<0.01)。

表3 烟草农艺性状和烟叶重金属含量及根际土壤理化性质之间的相关关系Table 3 Correlations between agronomic traits and heavy metal contents in tobacco leaves and rhizosphere soil properties

注：*、** 分别表示在P<0.05,P<0.01水平相关性显著。

Note:*,**represent significant correlation in the level ofP<0.05 andP<0.01,respectively.

3 讨 论

3.1 施用生物炭对根际土壤理化性质的影响

本研究结果显示，施用生物炭处理的土壤体积质量降低了0.05～0.17 g/cm3，这与刘会等[10]和Laird等[20]的研究结果一致。这可能是因为生物炭密度较低，有一定的稀释作用，此外，施用生物炭可能引起土壤团聚性和微生物活性增强，从而改善土壤结构[21]。生物炭对土壤pH的影响与其用量有关，B3处理土壤pH较B0处理显著增加了1.06，而其他处理与B0处理之间无显著差异，这与张阿凤等[22]的研究结果一致，生物炭用量较低时，自身的灰分元素含量低，对阳离子的吸附作用不足以充分交换土壤酸性离子[23]。土壤有机碳和全氮含量均随生物炭用量的增加而增加，而各生物炭处理土壤全磷含量与B0处理之间并无显著差异。这与生物炭本身含有较高的有机碳(475.9 g/kg)和全氮含量(15.0 g/kg)，而全磷含量(1.4 g/kg)较低有关，同时也印证了前人的研究结果[23-24]。本试验结果表明，土壤硝态氮含量随生物炭用量的增加而降低，而铵态氮含量总体无显著变化。这与张阿凤等[22]的研究结果不一致，可能与生物炭的种类、土壤类型有关。另外，生物炭对土壤养分的吸持作用有一定的选择性，其表面可产生正负两种电荷，这种特殊的吸附作用也可能是导致本研究中土壤硝态氮含量降低而铵态氮含量升高的原因[24]。本研究中，施用生物炭降低了土壤速效磷含量。赵殿峰[23]研究发现，在烤烟生长前期，土壤速效磷含量随生物炭用量的增加而降低，这可能是高C/N生物炭的施用，导致土壤速效磷的生物和化学固定所致[23]。土壤速效钾含量随着生物炭用量的增加而增加，这与张阿凤等[22]的研究结果一致，其原因与生物炭本身速效钾含量(235.0 mg/kg)较高有关。

3.2 施用生物炭对烟叶重金属含量的影响

本研究结果表明，除Zn含量总体变化不显著外，不同用量生物炭处理烟叶中重金属Cu、Pb和Cd含量均有不同程度降低。这与尤方芳等[25]和陈少毅等[8]的研究结果一致。已有研究表明，生物炭中的有机质能与土壤中的重金属产生络合、静电吸附、共沉淀等作用，影响了重金属的有效性[13]，从而减少了植物体对重金属的吸收。本研究相关性分析也表明，烟叶中Cd含量与土壤有机碳含量呈极显著负相关关系(P<0.01) ，也佐证了以上观点。此外，生物炭也可通过影响土壤pH来间接减少植物体对重金属的吸收。本研究中，当生物炭用量为3%时，土壤pH增加了1.06，而土壤表面负电荷位点随着土壤pH的升高而增加，从而减少重金属阳离子的有效性[26]。尤方芳等[25]研究认为，土壤pH是影响烟叶中镉含量的重要因素之一，生物炭施用可提高土壤pH，降低土壤有效态Cd含量，减少烟叶对Cd的吸收，这与本研究中烟叶Cd含量与土壤pH呈显著负相关关系(P<0.05)的结果相符。本研究中，未施生物炭处理B0地上部干质量最低，而烟叶中重金属Pb、Cd和Cu含量最高，其他处理地上部干质量均显著高于B0处理，但烟叶中Pb、Cd和Cu的含量却低于B0处理。这表明生物量增加而产生的“稀释效应”也是导致本研究烟叶中重金属含量降低的一个重要原因。相关性分析表明，烟叶中Cd含量与土壤体积质量和硝态氮含量呈极显著的正相关关系(P<0.01)，而与pH呈显著负相关关系(P<0.05)，与土壤有机碳和速效钾含量呈极显著的负相关关系(P<0.01)。可知，施用生物炭引起的土壤环境变化也是导致烟叶中重金属含量降低的重要因素。

3.3 施用生物炭对烤烟农艺性状及生物量的影响

烤烟农艺性状和干物质积累量可反映烟株的生长发育状况[27]。本研究中，在团棵期生物炭处理的烟草叶片数、株高、最大叶面积均高于B0处理，且B0.1、B1和B3处理烟草地上部干质量分别较B0处理显著增加了469%，331%和254%。说明施用烟杆生物炭可促进烤烟生长，且适宜用量促进效果更为显著。这与张阿凤等[22]的研究结果一致。这是因为：(1)生物炭本身养分含量较高(有机碳475.9 g/kg，全氮15.0 g/kg，速效钾235.0 mg/kg)，施用后可直接增加土壤养分含量；(2)施用生物炭后土壤pH增加为5.71～6.44，而烟株生长的适宜pH为5.5～6.5，可知施用生物炭显著改善了土壤的酸化(pH 5.4)状况，提高了养分元素的有效性[2]；(3)施用生物炭后土壤体积质量降低，土壤结构得到改善，土壤持水能力增强[20]，有益微生物数量增加，为根系生长提供了良好的环境[10]，从而促进地上部生物量的积累。赵殿峰[23]研究表明，在塿土(pH 7.56)上施用小麦/玉米秸秆炭会抑制烤烟前期生长。王丽渊等[27]研究表明，小麦炭能够抑制砂壤土(pH 6.2)烤烟前期生长。Zhang等[17]在pH为6.9的山地黄棕壤上施用秸秆生物炭，结果发现，适宜的生物炭用量(0.2%～1%)可以促进烤烟前期生长，而高用量(5%)的生物炭处理则表现为抑制作用。本试验与以上研究结果存在差异，这可能与土壤性质、生物炭的用量和性质、种植管理条件等多种因素有关。相关性分析表明，烤烟地上部干质量与土壤铵态氮含量呈显著正相关关系(P<0.05)，与硝态氮和速效磷含量呈显著负相关关系(P<0.05)，而与烟叶中Pb含量呈极显著负相关关系(P<0.01)。可知，根际土壤硝态氮、铵态氮、速效磷和烟叶中Pb含量是影响烤烟前期生长的重要因子。

4 结 论

综合生物炭对土壤理化性质、地上部干质量及烟叶重金属含量的影响可知，B0.1和B1处理在显著促进烤烟地上部干质量积累的同时，土壤理化性质得到一定改善，烟叶中重金属含量也相应降低，因此本试验条件下的最佳生物炭用量为0.1%和1%。但本研究结果是在盆栽条件下得出的，还有待于田间试验的进一步验证。