生物炭和有机肥配施对重金属Pb胁迫下烟叶生长的影响

金洪石，金江华，贺兆伟，于大鹏，张世强，郭莉莉，赵铭钦，李玉娥，刘鹏飞

(1.吉林烟草工业有限责任公司，吉林 延吉 133001; 2.河南农业大学，河南 郑州 450002)

近几十年来，由于连年使用化肥，且有机肥和农家肥的使用量减少，造成植烟土壤逐渐出现酸化、板结和养分失调等问题。另外，由于矿山开采、大气环境恶化等造成土壤重金属含量越来越高，从而导致小麦、紫金牛、烤烟等生长发育受到不良影响，产量和质量下降[1-6]。另一方面，我国大量的玉米秸秆、烤烟秸秆等由于没有合理利用而被焚烧，造成了严重的大气污染和农业资源的巨大浪费。因此，寻找一种既能高效利用农作物秸秆，又能有效消减土壤重金属活性，并能提高秸秆经济价值的方法显得尤为重要。

生物炭应运而生，生物炭是富含碳元素的生物质在无氧或者缺氧条件下经过高温裂解或者不完全燃烧生成的一种碳含量高、比表面积大、空隙丰富的物质[7-9]。近年来，大量研究证明，生物炭可以提高土壤的肥力和碳源，降低二氧化碳、氨气排放，改善土壤微生物群落结构和数量，改善土壤团聚体、降低土壤容重等[10-17]。生物炭降低重金属对烟草生长发育、土壤微生物的不良影响以及提高烟叶质量等方面已有相关研究。韩毅等[18]研究发现，施用生物炭使烟草根、茎、叶和根际土壤重金属汞含量分别降低21.8%、10.6%、18.0%和12.5%；尤方芳等[11]研究发现，Cd胁迫下施用生物炭使烟叶生物量提高24.4%，使土壤有效态Cd含量降低23.1%，根、茎、上部叶、中部叶和下部叶中的Cd含量分别降低23.4%、59.7%、63.7%、52.5%和24.6%；许跃奇等[13]研究发现，生物炭和有机肥配施可以显著提高烟株株高、地上部生物量和地下部生物量，并使上部叶、中部叶、下部叶、茎和根中的Cd含量分别降低84.74%、86.53%、80.57%、65.87%和60.46%。已发表文献均表明生物炭可以降低重金属Hg和Cd等在烟株地上部和地下部的积累，降低幅度可能由于配施差异而有所不同。在生物炭抑制Pb对烤烟生长的影响方面，邵慧芸等[19]研究表明，含Pb土壤环境下(非额外添加胁迫)，施用生物炭可以提高烟株株高，增加最大叶面积，同时降低Pb在烟叶中的积累。目前大多研究主要集中在其他重金属对烟株生长发育的影响上，而对Pb胁迫下生物炭和有机肥配施对烟株生长、根系活性、Pb积累、土壤微生物群落等方面的影响研究还较少。鉴于此，采用盆栽方法模拟土壤Pb污染，研究生物炭和有机肥配施对烤烟生物量积累、根系活力、Pb积累和土壤微生物数量等的影响，为烤烟生产中重金属Pb污染防控提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试烤烟品种为豫烟12号。选用健康烟田耕层(0～20 cm)土壤，土壤类型为褐土，盆栽土壤经风干后过孔径0.45 mm网筛备用。供试有机肥为山东济宁市金山生物工程有限公司生产的优质豆粕，氮、磷、钾含量分别为3.2%、1.1%、2.4%，有机质含量≥47%；烟草专用复合肥购自平顶山市烟草专用复合肥厂，其氮(N)、磷(P2P5)、钾(K2O)总含量为45%；生物炭(原料为花生壳)购自河南惠农土质保育研发有限公司。

1.2 试验设计

于2019年5—8月采用盆栽试验模拟土壤Pb污染，通过添加硫酸铅使土壤初始Pb含量为250 mg/kg。试验设置4个处理，分别为不施肥(CK)、施用烟草专用复合肥20 g/盆(T1)、施用烟草专用复合肥10 g/盆+生物炭300 g/盆(T2)、施用烟草专用复合肥10 g/盆+有机肥50 g/盆+生物炭300 g/盆(T3)。T1、T2和T3处理保持纯氮用量一致，确保m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=1∶1.5∶3，各处理P、K不足部分分别用Ca(H2PO3)2与K2SO4(均为分析纯)补充，每个处理15盆。各处理土壤中添加相应含量的硫酸铅和肥料混合拌匀，土壤老化后装盆，每盆15 kg。土壤装盆后移栽长势健康一致的烟苗，烟草生长期间与大田管理方式保持一致。

1.3 样品采集和项目测定

1.3.1 烟株生物量 分别在移栽后30、45、60、75、90 d取各处理烟株，分烟叶、根、茎进行采集，之后在烘箱内杀青烘干，称质量，计算各处理烟株的生物量[20]。

1.3.2 土壤Pb含量 分别在移栽后30、45、60、75、90 d采集各处理烟株根际土壤样品，每个处理3次重复，采集的土样经风干后研磨过孔径0.850 mm筛。土壤样品用8 mL逆王水+2 mL氢氟酸做前处理，采用美国CET-MARS微波消解器对土壤样品进行消解，消解后的样品用2%稀硝酸定容，在AA320MC石墨炉原子吸收仪上测定[21]。

1.3.3 烟株根、茎、叶Pb含量 分别在移栽后30、45、60、75、90 d取样，其中烟叶样品为中部叶，每个处理3次重复。将植物样品分类收集后，于烘箱中105 ℃杀青15 min，65 ℃烘干，烘干后研磨过孔径0.45 mm筛。植物样品用6 mL浓硝酸+2 mL双氧水做前处理，采用美国CET-MARS微波消解器对植株样品进行消解，消解后的样品用2%稀硝酸定容，在AA320MC石墨炉原子吸收仪上测定[21]。

1.3.4 土壤pH值 参照土壤pH值测定方法[20]采用pH计分别测定各时期烟株根际土壤的pH值。

1.3.5 烟株根系活力 分别在移栽后30、45、60、75、90 d取各处理烟株根系的根尖部位鲜样，取样后立即采用TTC法[22]测定并计算根系活力。

1.3.6 土壤微生物数量 分别在移栽后30、45、60、75、90 d采集各处理烟株根际土壤，每个处理3次重复。采用平板计数法[23]测定放线菌、真菌、细菌的数量。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010软件进行数据计算和作图，使用SPSS 19.0统计软件进行差异显著性分析和相关描述统计分析。

2 结果与分析

2.1 生物炭与肥料配施对烟株生物量的影响

烟株生物量是衡量烟叶整株产量及烟株长势的一个重要指标。研究表明，重金属胁迫会严重抑制烟株的生长发育，从而影响烟叶生物量[11,13,18]。由图1可见，4个处理烟株生物量随生育进程呈现逐渐递增趋势，整体表现为T3>T2>T1>CK。CK未施用肥料，烟株生长发育受到严重影响。随着生育时期的推进，T1、T2、T3处理间差异越来越大，移栽后90 d，T3处理的烟株生物量比T1、T2处理分别显著增加24.5%、6.1%。在相同施氮量情况下，T2处理生物量显著高于T1处理，T3处理高于T2处理，说明生物炭以及生物炭和有机肥配施均可缓解重金属Pb胁迫对烟株生长发育的不良影响，促进烟株生长。

不同字母表示同一时间不同处理差异显著(P<0.05)，下同Different letters mean significant differences among different treatments at the same time,the same below图1 不同处理烟株生物量的动态变化

2.2 生物炭与肥料配施对烟株根系活力的影响

根系是植物吸收土壤水分和养分的重要器官，根系活力影响植物的正常生长。如图2所示，移栽后30～90 d，除CK根系活力呈先降低后升高再降低外，其他3个处理均呈现先升高后降低的趋势。在采样的5个时期，除了移栽后30 d以外，其他4个时期烟株根系活力总体表现为T3>T2>T1>CK，其中，移栽后90 d，T3、T2处理较CK分别高94.9%、55.1%，说明施用生物炭特别是同时配施有机肥对烟株根系活力促进明显。

图2 不同处理对烟株根系活力的影响

2.3 生物炭与肥料配施对植烟土壤pH值的影响

当pH值升高时，土壤中多种成分物质表面的负电荷增加，使土壤中有效态重金属离子的浓度降低，因此，土壤pH值直接影响重金属的有效性及活性[24-25]。添加生物炭能够在一定程度上改善土壤的理化性质，降低土壤中有效态重金属离子的浓度。如图3所示，各处理根系土壤pH值整体趋势为先下降后升高。移栽后45～60 d，根系生长速度快，代谢旺盛，大量吸收土壤中的NH4+，使得土壤pH值较低。移栽后45～90 d，T3处理土壤pH值总体上均高于其他处理，如移栽后75 d，T3、T2、T1处理根际土壤pH值分别为7.17、7.15、7.13。

图3 不同处理对烟株根际土壤pH值的影响

2.4 生物炭与肥料配施对植烟土壤有效态Pb含量的影响

如图4所示，除移栽后60 d，其他5个采样时期，T2和T3处理的土壤中有效态Pb含量总体上均低于CK和T1处理。这是因为不施肥和只施用烟草专用肥对土壤重金属污染的改善作用不大。烟草专用肥具有缓释和水溶性，但对重金属的吸附作用不明显，而有机肥和生物炭由于具有很多孔状结构和较大表面积能够起到很好的吸附和固化作用，特别是生物炭，可以钝化重金属，从而减少土壤中有效态Pb的含量。移栽后90 d，T3、T2、T1处理土壤中有效态Pb含量分别为124.3、132.4、141.5 mg/kg，T3处理比T2、T1处理以及CK分别降低了6.1%、12.2%、15.8%，差异显著。

图4 不同处理土壤中有效态Pb含量的动态变化

2.5 生物炭与肥料配施对烟株Pb含量的影响

如图5所示，CK和T1处理根系中重金属Pb含量随生育时期推进整体呈先降低后升高的趋势，T2、T3处理整体呈升高—降低—升高的趋势，4个处理均在移栽后60 d较低。5个时期T1处理烟株根系Pb含量显著高于其他3个处理。移栽后90 d，T1处理根系Pb含量(178.4 mg/kg)高于CK(127.5 mg/kg)，可能是因为施用烟草专用肥的烟株根系活力相比不施肥更强，从而吸收了更多的重金属Pb；T2处理(127.1 mg/kg)和T3处理(115.3 mg/kg)根系Pb含量均显著低于T1处理。

图5 不同处理烟株根系中Pb含量的动态变化

如图6所示，5个时期，T2和T3处理烟茎的Pb含量总体上均低于CK和T1处理。图7显示，T1处理5个时期烟叶Pb含量均显著高于T2和T3处理。

图6 不同处理烟茎Pb含量的动态变化

图7 不同处理烟叶中Pb含量的动态变化

这可能是因为有机肥和生物炭吸附和钝化了有效态Pb，降低了Pb转运到地上部的结果。其中，移栽后90 d，T3处理烟茎Pb含量与CK、T1、T2处理相比分别显著下降40.6%、29.0%、30.1%，烟叶Pb含量分别显著下降25.0%、30.0%、20.9%。

2.6 生物炭与肥料配施对烟株根际土壤中微生物数量的影响

大量文献研究表明，施用有机肥和生物炭对土壤理化性质具有显著的改善效果，进而改善土壤微生物环境，增加微生物群落和数量[18,26-30]。但重金属的存在会破坏微生物的生存环境，减少微生物群落和数量[31-33]。由表1可见，4个处理细菌、真菌数量随着烟草生育时期的推进整体呈先上升后下降的趋势，在移栽后60 d最大。各处理细菌数量总体表现为T3>T1>T2>CK；真菌数量总体表现为T3>T1>T2>CK；放线菌数量在移栽后30～45 d总体表现为CK>T1>T2>T3，移栽后75～90 d表现为T3>T2>T1>CK。总体上，移栽后60 d之后，T2、T3处理细菌、真菌和放线菌数量均总体上显著高于T1处理和CK，表明施用生物炭和有机肥改善了微生物的生存环境。

表1 不同处理烟株根际土壤微生物数量变化Tab.1 Changes of microbial quantity in rhizosphere soil of tobacco plants under different treatments ×105 cfu/g

3 结论与讨论

在重金属胁迫下，作物的生长发育常常受到抑制。研究表明，施用生物炭可以改善土壤理化性状、降低土壤容重并增强土壤的保肥能力，提高肥料利用效率，通过促进根系的生长提高作物的生物量[6,9-10]。韩毅等[18]研究发现，重金属汞胁迫下，与只施用烟草专用肥相比，生物炭、生物炭与有机肥配施可以增加烟叶、烟根和烟茎的干物质积累。由于生物炭含有大量官能团、空隙结构好、比表面积大，可以通过吸附、络合吸附、钝化重金属降低重金属对烟株根系活力的负面影响[8-9,11,23]。另外，张璐[34]研究发现，添加不同种类的生物炭均可以显著提高烟株的根系活力。由于生物炭含有碳酸盐等碱性物质从而使其呈碱性，可以通过水土交融作用吸附土壤的H+进而提高土壤pH值[24-25]，特别是与有机肥配施，具有明显改善土壤酸化的作用，这与尤方芳等[11]和蔡宪杰等[35]的研究结果一致。

生物炭的吸附和钝化作用可以降低土壤中有效态重金属的含量，如张建云等[7]和邵慧芸等[19]利用烟秆炭修复重金属污染的土壤，发现烟秆炭对Cu、Pb和Cd有明显的钝化作用，降低了有效态重金属在土壤中的含量，使得根系吸收减少，从而降低了重金属对根系的影响。许跃奇等[13]通过考察生物炭和常规施肥条件下Cd对烟草生长发育的影响发现，在生物炭作用下烟株根中Cd含量较未施用生物炭处理显著下降。尤方芳[12]研究认为，在烟草各生长时期，总体上烟草专用肥、有机肥对烟株根系Cd积累的影响均与对照无显著差异，而生物炭可以显著降低烟叶Cd积累。本研究结果表明，施用生物炭特别是生物炭与有机肥配施既可以降低根系Pb含量也可以降低烟茎和烟叶Pb含量，说明生物炭及其与有机肥配施对降低烟株中重金属Pb含量具有明显效果，可以起到对土壤中重金属Pb的消减作用，提高烟叶生产的安全性。祝志娟等[26]研究发现，施用生物炭后晚稻成熟期茎、叶、谷壳、糙米以及地上部总Cd积累量显著降低。另外，本研究发现，生物炭和有机肥配施处理的土壤微生物数量均高于其他3个处理，这是因为生物炭和有机肥能够丰富土壤碳源和养分、钝化重金属，从而改善土壤微生物的生长环境[21,36]。其他研究也表明，生物炭较多的孔隙结构和表面积有利于菌丝的定殖[37]，更多的微生物为烟株的健康生长提供了良好的环境。

4个处理烟叶生物量的变化随生长期呈逐渐递增趋势，施用生物炭和有机肥后较其他处理特别是对照可以显著提升生物量。在根系活力方面，生物炭、生物炭和有机肥配施可以显著提高烟株的根系活力，根系活力高表明生物炭从一定程度上降低了重金属Pb对根系生长发育的抑制作用，烟株生物量也较高。施用生物炭可以显著降低土壤有效态Pb含量，减少Pb在烟株根系、烟茎和烟叶中的积累。在土壤pH值和微生物群落方面，添加生物炭处理后土壤pH值有所提高，根际微生物数量较对照也有显著增加，说明改善了土壤的微生物环境。综上所述，生物炭、生物炭和有机肥配施可以改善土壤微生物环境，提高烟株的根系活力，降低重金属Pb在烟株根系、烟茎和烟叶中的积累，从而提高烟株生物量和安全性，为生物炭在重金属Pb胁迫环境下烟草上的应用提供了参考。