生物炭与有机无机肥配施对烟草和土壤汞含量及保护酶活性的影响

韩毅 陈发元 赵铭钦

摘要：盆栽条件下，研究了生物炭与有机无机肥配施对烟草生育期内干物质积累量、烟草和土壤重金属汞含量、烟株根系土壤pH、烟草保护酶活性的影响。结果表明：（1）生物炭与低量有机肥（70%氮磷钾复合肥+30%芝麻饼肥）配施一定程度地增加了烟草生育期干物质积累量；烟草成熟期根、茎、叶干物质量较未施肥处理增加363.77%、32.10%、136.22%，根干物质量生物炭与低量有机肥配施较未添加生物炭的增加47.01%。（2）高量有机肥（70%）处理烟株和土壤重金属含量较高，低量和中量有机肥（50%）配施较低，成熟期时重金属含量表现为根>茎>下部叶>中部叶>上部叶，生物炭与低量有机无机肥配施与低量有机无机肥施用相比，烟草根、茎、叶以及根际土壤汞含量降低21.81%、10.64%、18.00%、12.50%。 （3）生物炭与低量有机肥配施生育期内pH提升幅度不大，成熟期显著提高了烟叶SOD、CAT活性。综上所述，汞胁迫下生物炭和低量有机肥配施既能有效降低汞对烟草的危害，抑制烟草对汞的富集，提高烟叶的保护酶活性，还能够增加土壤有机质含量，提高土壤养分的有效性和肥料的利用率，促进烟叶生长。

关键词：烟叶；土壤汞胁迫；生物炭；有机肥；干物质积累量；土壤pH；保护酶活性

中图分类号：S572.01文献标识号：A文章编号：1001-4942（2016）08-0074-06

AbstractThe effects of combined application of biochar and organic-inorganic fertilizers on accumulation of dry matter of tobacco， content of mercury （Hg） in tobacco and soil， soil pH of root rhizosphere， activity of protective enzymes in tobacco were studied through pot tests. The results were as follows. ① The combined application of biochar and low amount of organic fertilizer （70% NPK compound fertilizer + 30% sesame cake fertilizer） could increase the accumulation of dry matter of tobacco in a certain content； the amount of dry matter of roots， stem and leaves increased by 363.77%， 32.10% and 136.22% compared with no fertilization； the dry matter of roots increased by 47.01% compared with the application of only low amount of organic-inorganic fertilizer. ② The content of Hg in tobacco and soil was higher under the treatment of high amount of organic fertilizer （70%）， while that was lower under medium and lower amount of organic fertilizer； the content of Hg at mature stage showed roots>stems>lower leaves>middle leaves>upper leaves； compared with the application of only low amount of organic-inorganic fertilizer， the content of Hg in roots， stems， leaves and rhizosphere soils decreased by 21.81%， 10.64%， 18.00% and 12.50% under the combined application of biochar and low amount of organic fertilizer. ③ Under the combined application of biochar and low amount of organic-inorganic fertilizer， the soil pH value in growth period increased little， and the activity of SOD and CAT in tobacco leaves increased significantly at mature stage. In summary， the combined application of biochar and low amount of organic-inorganic fertilizer could effectively reduce the harm of Hg to tobacco， inhibit the accumulation of Hg in tobacco， improve the activity of protective enzymes in tobacco leaves， and also increase the content of soil organic matter， the availability of soil nutrients and the utilization ratio of fertilizers， so it could promot the growth of tobacco leaves.

KeywordsTobacco leaves； Soil mercury stress； Biochar； Organic fertilizer； Dry matter accumulation； Soil pH； Activity of protective enzymes

烟草作为一种重要的经济作物，优质无公害生产一直是烟草行业研究的重点[1，2]。汞（Hg）是烟草主要的重金属元素之一，烟草中的Hg等重金属元素能以气溶胶或金属氧化物的形式通过烟气进入人体，对人体健康构成威胁[3]。鲁黎明等[4]研究认为烟草对不同重金属元素积累能力表现为Hg>Cr>As>Pb。烟草对Hg有较强的富集和积累能力，烟株内汞积累到一定程度就会出现叶片黄化、植株低矮、根系发育不良等毒害症状，叶绿素含量和抗氧化酶系统清除自由基的功能降低， 膜脂过氧化作用加剧，营养器官发育受到极大影响[5，6]。

生物炭是一种新型的环境功能材料，国内外研究表明[7-9]，添加生物炭可降低土壤和水中重金属的生物有效性。添加生物炭通过影响土壤理化性质，提高土壤 CEC、pH值以及结合其巨大的比表面积和强烈的吸附功能影响某些重金属在土壤中的形态转化和生物累积性。生物炭在南方酸性土壤中对于钝化重金属有较好的效果[7，10，11]，但在北方碱性土壤中的生理作用研究尚少[12]。

目前对烟草Hg污染的研究多集中在土壤汞胁迫对烤烟生理特性[6]和光合作用[5]的影响方面，对于利用改良剂或有机肥对烟草汞污染进行修复的研究较少[13]。炭基肥是利用生物炭与其他肥料混合而成的长效肥料，利用生物炭的吸附性能把土壤中作物所需营养元素吸附在自身周围，防止肥料的流失而达到缓释的效果[14]。本试验采用室内盆栽方法，通过添加生物炭与不同比例的有机无机肥配施，研究土壤汞胁迫下生物炭和有机无机氮肥配施对生育期烟草和土壤汞含量以及保护酶活性的影响，以期为探索烟草重金属的消减技术和优质清洁烟叶的生产提供理论依据。

1材料与方法

1.1供试材料

以秦烟96为供试品种，试验选取平陆地区健康烟田耕层（0～20 cm）土壤，土壤类型为褐土，肥力中等， pH值为7.2，有机质含量8.64 g/kg，碱解氮52.8 mg/kg，速效钾124 mg/kg，速效磷7.05 mg/kg。土壤汞本底值为0.03 mg/kg。

供试复合肥含硝态氮4%，铵态氮6%，N∶P∶K=10∶15∶25，总养分50%，汞含量为0.02 mg/kg；商品有机肥为腐熟的芝麻饼肥，含全氮57.08 g/kg、全磷（P2O5） 26.15 g/kg和全钾（K2O）14.29 g/kg，汞含量为0.05 mg/kg；生物炭（以花生壳为原料，在500℃高温厌氧条件下热解4 h）购于河南三利新能源公司，用量为20 g/kg[15]，其中含有机碳（生物炭中有机物质的总碳量）647.16 g/kg ，C/N为 42.52 ，pH值8.2 ，汞含量0.03 mg/kg。

1.2试验设计

试验于2014年5-9月于山西省平陆县望远试验站进行，采用盆栽试验，共设7个处理，CK：未施肥；T1：施用70%复合肥+30%有机肥（70F+30M）；T2：施用70%复合肥+30%有机肥+生物炭（70F+30M+B）；T3：50%复合肥+50%有机肥（50F+50M）；T4：50%复合肥+50%有机肥+生物炭（50F+50M+B）；T5： 30%复合肥+70%有机肥（30F+70M）；T6： 30%复合肥+70%有机肥+生物炭（30F+70M+B）。各处理有机无机肥比例是芝麻饼肥氮和无机肥氮的比例。每盆纯氮含量为4.4 g，按N∶P∶K=1∶1.5∶3 配施，其中芝麻饼肥中的钾素和磷素不能达到肥料配比要求的需用重过磷酸钙（含P2O5 45%）、硫酸钾（含K2O 50%）补充。上述处理所有肥料均为一次性基施。每处理15个重复，共105盆，每盆装土15 kg。盆栽土壤通过施加硫酸汞调节土壤汞浓度为1.00 mg/kg[16]，老化一个月后，移栽健康、长势一致、叶龄7叶左右的烟苗，试验管理同常规大田，于烟草不同生育期进行烟叶和土壤样品采集。

1.3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；烟叶和土壤以及肥料中汞含量采用YC/T 2005-2008的方法进行微波消解，氢化物原子荧光光度法测定；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吸收法[17]。土壤pH值采用风干土用pH值计（雷磁pHS-3C）测定[18]，土水比为1∶2.5（即10 g 土加25 mL水）。生物炭的有机碳含量测定采用外热源法[19]。

1.4数据处理

采用Microsoft Excel 2007软件进行数据计算和作图，SPSS 19.0统计软件进行差异性分析和相关描述统计分析。

2结果与分析

2.1生物炭与有机和无机肥配施对烟草干物质积累量的影响

从图1可以看出，随着烟草的生长，各处理烟草的干物质积累量逐渐增加，旺长期到圆顶期干物质量增加最为明显，成熟期达到最大值。随有机肥比例的增加，圆顶期T1、T3、T5处理的叶干物质量与CK相比分别增加80.04%、71.01%、50.60%，施加生物炭的T2、T4、T6处理分别增加92.82%、78.85%、44.61%；成熟期T2叶干物质量最高，较CK提高136.22%。根干物质量圆顶期和成熟期T1、T3、T5较CK分别增加93.55%、160.23%、108.25%和215.46%、214.17%、136.68%； T2、T4、T6较CK分别增加206.97%、107.28%、112.22%和363.77%、262.10%、253.21%。根成熟期施加生物炭的T2、T4、T6处理较T1、T3、T5增加了47.01%、15.25%、49.24%。茎成熟期时各处理除对照外干物质含量相差不大，以T2较高，T2较CK提高32.10%。有机肥用量较高时（30F+70M）烟叶干物质量反而降低，说明饼肥用量较高时并不利于烟草干物质的积累，这与前人研究结果一致[19]。生物炭与低量有机肥（70F+30M）配施烟草生育期干物质积累量最高，但低量和中量有机肥处理的茎和叶干物质量差异未达显著水平。添加生物炭能够减少土壤中铵态氮和硝态氮的淋失，延缓无机肥氮在土壤中的释放[20]，可保证烟草生育期养分供应，进而促进烟草干物质积累。

2.2生物炭与有机和无机肥配施对烟草汞含量的影响

从图2和图3可以看出，团棵期到旺长期烟草各部位的汞含量变化不大，圆顶期迅速下降。团棵期T1、T3、T5 烟叶汞含量比对照分别降低48.17%、36.73%、15.47%，T2比T1降低10.64%；圆顶期低量和中量有机肥处理烟叶有效汞含量较低，与高量有机肥中有效汞含量差异达显著水平；成熟期T2、T4、T6相较T1、T3、T5降低18.00%、11.35%、21.60%。根中重金属含量高于烟叶，团棵期施加生物炭的处理根内汞含量较低，但差异不显著，旺长期烟株根系活动旺盛，烟株在吸收营养元素的同时吸收土壤中汞的量也在增加，圆顶期汞含量表现为T2

从图4可知，烟草成熟期汞含量降至最低，表现为根>茎>下部叶>中部叶>上部叶，茎和叶内有效汞含量不同处理间差异不大，根内70%有机肥处理汞含量较高，30%和50%有机肥处理有效汞含量较低，生物炭与低量和中量有机肥配施根内有效汞含量分别降低 21.81%、19.00%。

2.3生物炭与有机和无机肥配施对烟草根系土壤汞含量的影响

从图5可以看出，随烟草生育进程，根系土壤中汞含量逐渐下降。施加生物炭的T2、T4、T6处理团棵期土壤汞含量比T1、T3、T5降低13.61%、8.32%、5.56%；旺长期比T1、T3、T5降低16.71%、6.78%、6.71%；圆顶期T1、T3、T5比对照降低25.25%、13.13%、5.56%，T2、T4、T6处理比T1、T3、T5处理降低16.55%、13.13%、5.56%。成熟期T1、T3、T5比未施肥对照降低34.50%、18.71%、7.60%， T2、T4、T6处理比T1、T3、T5降低12.50%、23.02%、9.49%。有机肥所占比例较高时土壤有效汞含量较高，表明生物炭和低量有机无机肥配施钝化效果更好。原因可能是生物炭表面的官能团促使土壤中有效态汞转化成难溶性汞化合物固定于土壤中而不易被作物吸收，从而降低汞离子的富集程度[9]，降低植物对汞吸收的有效性。

2.4生物炭与有机无机肥配施对烟草根际土壤pH值的影响

由表1看出，随着烟株生育期延长，旺长期pH值下降，可能与旺长期根系活动比较旺盛、分泌一定量的有机酸有关，圆顶期略有回升，成熟期又有所下降。30%和50%有机肥处理的土壤pH值相对较高，未施肥对照pH值较低，除成熟期外，其他生育期70%有机肥处理的pH值与对照差异不显著。生物炭与低量有机肥配施烟草生育期内根系土壤pH值变化较平稳，波动相对不大。生物炭与低量和中量有机肥配施对土壤pH值有一定提升作用，但在碱性土壤中这种效果并不明显，这可能和试验土壤的理化性质有关。

2.5生物炭与有机和无机肥配施对成熟期烟草保护酶活性的影响

烟草活性氧清除系统主要包括超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）等。成熟期烟草SOD、CAT活性表现为T2>T4或T3>T1>T6>T5>CK。SOD活性T2比T1和CK提高19.48%、63.10%；CAT活性T2比T1和CK提高23.70%、48.95%。POD活性以T1、T3较高，比T2、T4高7.16%、13.04%。MDA含量一定程度上能反映膜受伤害的程度。不同比例有机无机配施处理MDA含量接近，均明显低于未施肥对照，施加生物炭的T2、T4、T6处理较T1、T3、T5降低22.33%、3.29%、6.60%（图6）。

3讨论

汞是一种具有易累积性、剧毒性及在环境中持久性的污染物[21]。重金属Hg胁迫下，烟草的叶绿素含量和抗氧化酶系清除自由基的功能降低， 膜脂氧化作用加剧，营养器官发育减缓，干物质积累量降低。刘文拔等[22]研究发现施用有机肥能够有效降低土壤和小麦的有效态汞含量。籍越等[23]研究认为配施40%腐熟芝麻饼肥处理能明显提高根系活力和增加根系干物质量。付利波等[19]试验表明施25%熟饼肥+75%复合肥的处理烤烟产量、产值最高。这与本试验结果施用30%有机肥综合效果较好一致。王震宇等[24]在土壤中添加以花生壳为原料的生物炭（300、400℃），促进了玉米根系发育和株高增加。生物炭与低量有机肥配施烟草生物量的增加效果明显可能与烟草的需肥规律有关，有机肥中含有烟草正常生长发育所需要的各种营养元素，而生物炭能吸收和负载养分，延缓肥料养分释放，减少肥料的淋溶损失，以满足烟株对养分的需求[15]。

试验中烟草吸收的汞大都积累在根部[3]，可能与根部结合蛋白有关。生物炭与30%有机肥配施烟株根内有效态汞含量降低21.81%，而根部汞含量占整个烟株的50%以上。生物炭对重金属汞的固定能力主要体现在三个方面：Hg2+与生物炭表面负电荷的静电吸附作用、与位于其表面的可电离态汞的离子交换作用以及与其所含的有机物等物质产生吸附、共沉淀、络合等作用[9，25]。有研究表明，棉秆炭通过吸附或共沉淀作用降低了土壤中镉的生物有效性，小白菜可食部分的镉含量降幅在49.43%～68.29%，根部降幅在 64.14%～77.66%[11]。土壤溶解性有机质（DOM）拥有较多的活性点位，能够充当汞污染物的“配位体”和“迁移载体”，可以与土壤中的汞通过络合和螯合作用，形成有机-金属配合物，提高重金属的可溶性，减少了土壤对汞的吸附量[26]。有机肥的施入可以带来大量的DOM，提高汞的活性和迁移能力，抑制土壤对汞的吸附[27]。生物炭与低量有机肥配施能够增加土壤有机质含量，促进根系生长，影响重金属在土壤溶液中的赋存形态和生物有效性；另外烟草根系分泌物也可刺激或激活根际微生物，使其分泌酶、蛋白质等物质直接或间接地“钝化”了重金属[28]。

烟草保护酶系统对土壤Hg胁迫反应敏感，合理的施肥配比及用量能明显提高植物的保护酶活性，降低其自身的膜质过氧化程度，从而延缓植物衰老[29]。本试验中不同处理不同程度地提高了烟叶的SOD、POD、CAT活性，其中SOD、CAT活性70F+30M+B处理提升幅度最大，POD活性50F+50M最高，可能是因为SOD、POD能够与O-2·和H2O2转化为H2O和O2， CAT可以清除体内的过氧化氢，减少活性自由基对细胞的损伤。曹毅等[6]认为低浓度汞胁迫可显著抑制烟叶CAT活性，本试验中生物炭与低量有机肥配施处理的CAT活性，与高量有机肥处理差异达到显著水平。生物炭与低量、中量有机无机肥配施烟叶中MDA含量相对较低，说明生物炭与低量中量有机无机肥一定程度上降低MDA含量，降低烟叶脂质过氧化程度，减少对细胞膜损伤。

4结论

生物炭和低量有机无机肥配施对汞污染土壤的修复既能够有效降低土壤中有效态汞含量，抑制烟草对汞的富集，提高土壤汞胁迫下烟叶的保护酶SOD、CAT活性，降低MDA含量，有效降低汞对烟草的危害，还能够增加土壤有机质含量，提高土壤养分有效性和肥料利用率，促进烟草生长。

参考文献：

[1]郑新章，高琳，周雅宁，等.近5年国内外烟草科技论文统计分析与研究热点[J].中国烟草学报，2008，14（3）：59-64.

[2]李义强，王凤龙，龚道新.我国无公害烟叶生产的问题、优势及对策[J].中国烟草科学，2009，30 （3）： 54-57.

[3]张艳玲，周汉平.烟草重金属研究概述[J].烟草科技，2004 （12）：20-23.

[4]鲁黎明，顾会战，彭毅，等. 烟草对重金属铅铬砷汞积累分配特性分析[J].华北农学报，2013，28（增刊）： 366-370.

[5]于建军，张贵龙，黎娅，等.汞对烤烟光合作用和叶绿素荧光参数的影响[J].农业环境科学学报，2008，27（5）：1963-1978.

[6]曹毅， 陆宁，孟建玉，等. 汞胁迫对烤烟生理特性的影响[J].西南农业学报，2011，24（6）：2152-2155.

[7]Roherts K G，Gloy B A， Joseph S，et al .Life cycle assessment of biochar systems： estimating the energetic economic， and climate change potential[J]. Environmental Science & Technology， 2010，44（2）：827-833.

[8]李力，刘娅，陆宇超，等.生物炭的环境效应及其应用的研究进展[J].环境化学，2011，30（8）：1411-1419.

[9]陈少毅，许超，张文静，等.生物质炭与氮肥配施降低水稻重金属含量的盆栽试验[J].农业工程学报，2014，30（14）：189-197.

[10]徐楠楠，林大松，徐应明，等.生物炭在土壤改良和重金属污染治理中的应用[J].农业环境与发展，2013，30（4）：29-34.

[11]周建斌，邓丛静，陈金林，等.棉秆炭对镉污染土壤的修复效果[J].生态环境，2008，17（5）：1857-1860.

[12]毕丽君，侯艳伟，池海峰，等.生物炭输入对碳酸钙调控油菜生长及重金属富集的影响[J].环境化学，2014，33（8）：1334-1340.

[13]胡钟胜，章钢娅，王广志，等.烟草对复合污染中汞的响应与改良剂调控研究[J].安徽农业科学，2005， 33（5）：792-794.

[14]战秀梅，彭靖，王月，等.生物炭及炭基肥改良棕壤理化性状及提高花生产量的作用[J].植物营养与肥料学报，2015，21（6）：1633-1641.

[15]李岭，刘冬，吕银斐，等. 生物炭施用对镉污染土壤中烤烟品质和镉含量的影响[J]. 华北农学报，2014，29（2）：228-232.

[16]胡钟胜，章钢娅，王广志，等.改良剂对烟草吸收土壤中镉铅影响的研究[J].土壤学报，2006，43（2）：233-239.

[17]陈建勋，王晓峰.植物生理学实验指导[M].广州：华南理工大学出版社，2002.

[18]Ruiz G，Jeison D， Chamy R. Nitrification with high nitrite accumulation for the treatment of wastewater with high ammonia concentration[J]. Water Research， 2003 （37）：1371-1377.

[19]付利波，苏帆，陈华，等. 菜籽饼肥不同用量对烤烟产量及质量的影响[J].中国生态农业学报，2007，15（6）： 77-80.

[20]何绪生，张树清，佘雕，等. 生物炭对土壤肥料的作用及未来研究[J].中国农学通报，2011，27（15）：16-25.

[21]Bose O， Reilly S， Lettmeier B， et al. Mercury as a serious health hazard for children in gold mining areas[J]. Environmental Research， 2008， 107（1）： 89-97.

[22]刘文拔，张琴，张崇玉.有机肥对土壤—小麦系统汞污染影响的研究[J].农业环境科学学报，2009，28（5）： 890-896.

[23]籍越，饶学明.芝麻饼肥与无机肥配比对烟草根系生长发育的影响[J].河南农业大学学报，2003，37（3）：241-246.

[24]王震宇，徐振华，郑浩，等.花生壳生物炭对中国北方典型果园酸化土壤改性研究[J].中国海洋大学学报（自然科学版），2013，43（8）： 86-91.

[25]陈温福，张伟明，孟军.生物炭与农业环境研究回顾与展望[J].农业环境科学学报， 2014，33（2）： 821-828.

[26]李延强，杨肖娥.土壤中水溶性有机质及其对重金属化学与生物行为的影响[J].应用生态学报，2004，15（6）：1083-1087.

[27]陈春羽，王定勇.水溶性有机质对土壤及底泥中汞吸附行为的影响[J].环境科学学报， 2009，29（2）：312-317.

[28]段德超，于明革，施积炎.植物对铅的吸收、转运、累积和解毒机制研究进展[J].应用生态学报，2014，25（1）：287-296.

[29]邓家军，胡继伟，李继新，等.重金属离子对烤烟叶片中铜锌超氧化物歧化酶活性的影响[J].中国烟草学报，2010，16（3）：1-6.