生物炭對弱堿性土壤烤煙Cd吸收及轉運富集特征的影響

葉協鋒，周涵君，于曉娜，張曉帆，付仲毅，馬靜，秦燚鶴，韓秋靜，徐敏

1 河南農業大學煙草學院 國家煙草栽培生理生化研究基地 煙草行業煙草栽培重點實驗室，鄭州 450002；

2 河南省煙草公司 河南鄭州 450000

生物炭對弱堿性土壤烤煙Cd吸收及轉運富集特征的影響

葉協鋒1，周涵君1，于曉娜1，張曉帆1，付仲毅1，馬靜1，秦燚鶴1，韓秋靜1，徐敏2

1 河南農業大學煙草學院 國家煙草栽培生理生化研究基地 煙草行業煙草栽培重點實驗室，鄭州 450002；

2 河南省煙草公司 河南鄭州 450000

【目的】通過研究施用生物炭后烤煙對Cd的吸收效應及分配富集特征，來闡明生物炭對Cd污染植煙土壤的修復及對烤煙Cd含量的降低效果。【方法】于2015年采用盆栽試驗（每盆裝土25 kg），選取豫中地區弱堿性土壤，外源添加Cd 0mg/kg（G0）、50mg/kg（G1）、100mg/kg（G2），分別添加生物炭0 g/盆（T0）、300 g/盆(T1)、600 g/盆(T2)，采用二因素試驗共計9個處理，分別為：G0T0、G0T1、G0T2、G1T0、G1T1、G1T2、G2T0、G2T1、G2T2。測定各處理的土壤pH值、土壤有效態Cd含量，并分析煙株采收時不同部位Cd含量和煙株對Cd的轉運及富集系數。【結果】（1）土壤pH值隨生物炭施用量的增加而升高，處理G2T2的土壤pH值最大，為7.81；土壤有效態Cd含量隨生物炭施用量的增加呈現降低的趨勢。（2）土壤Cd含量與煙株葉片中的Cd含量呈極顯著正相關關系，且在同一污染水平下，施加生物炭后，煙株各部位葉對Cd的吸收呈顯著降低的趨勢。（3）施用生物炭的處理，煙株整體對Cd的轉運系數降低，煙株根系對Cd的富集系數升高，葉片對Cd的富集系數降低。【結論】在Cd污染土壤種植烤煙時適量施用生物炭可以降低土壤有效態Cd含量，從而降低煙葉Cd含量。

烤煙；生物炭；Cd；吸收；轉運富集

土壤是不可缺少、不可再生的自然資源，是人類賴以生存的物質基礎。隨著工業、城市污染的加劇和農用化學物質種類、數量的增加，土壤重金屬污染日益嚴重。鎘（Cd）是農田土壤中存在的毒性較大且相對普遍的一種重金屬元素，它可以沿著食物鏈傳遞進而危害人類健康[1]。對于煙草，烤煙中的Cd會通過抽吸過程中的煙氣進入人體[2]，危害人體健康。與其他重金屬元素相比，Cd在煙氣中的遷移率較高，人體通過煙氣累積的Cd量顯著高于烤煙中的其他金屬元素[3]，而煙絲重金屬的含量與煙葉的重金屬含量密切相關，與植煙土壤中有效態重金屬含量呈正相關[4]。因此，治理植煙土壤的Cd污染是降低煙葉Cd含量的關鍵。

目前，對土壤Cd污染治理方法的研究比較多，主要有工程治理方法、化學法、生物法及農業治理法[5-6]，其中化學法主要是施用改良劑或抑制劑等化學物質以降低土壤中Cd的水溶性、擴散性和生物有效性，從而減弱其毒害作用，常用的物質有磷酸鹽、石灰、硅酸鹽等[7-8]。生物炭是近年來研究的熱點，生物炭是生物質在缺氧條件下經過熱解炭化后形成的具有多孔特性類似木炭的富含碳元素的產物[9]，具有良好的孔隙結構和較大的比表面積[10-11]，具備很強的吸附能力，因此生物炭能夠作為一種吸附質來吸附重金屬，降低污染物在土壤中的富集，減輕污染程度。生物炭還可以通過提高土壤pH，降低重金屬在土壤中的移動性，對重金屬起到固定作用[12]。陳坦等[13]研究表明污泥基生物炭對重金屬具有較好的吸附性能，侯艷偉等[14]研究在重金屬含量高的礦區土壤附近施用生物炭后，油菜的產量提高且油菜對Cd的富集系數降低，曹瑩等[15]以花生為研究對象，發現在Cd污染土壤中施用生物炭后，花生籽粒鎘含量降低。作者前期研究表明，施用生物炭可以較好地改良植煙土壤碳庫，改善烤后煙葉品質[16]。在此基礎上，本文利用農業廢棄物煙稈炭化的固體產物——煙稈生物炭（以下簡稱煙稈炭）作為Cd污染土壤的改良劑，研究在不同濃度Cd脅迫和不同用量煙稈炭處理下，烤煙各部位中Cd含量，重點研究生物炭對烤煙Cd遷移轉運及富集的影響，以期明確生物炭在烤煙對Cd的吸收積累、調控煙草Cd含量的效應，為Cd污染煙田改良提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

采用盆栽試驗，于2015年在河南農業大學科教園區進行，盆栽用土取自平頂山郟縣大田耕層，土壤質地為壤土，將土壤風干后，過5 mm篩，每盆裝土25 kg。土壤pH值為7.12，有機質含量為13.65 g·kg-1，堿解氮含量為42.12mg·kg-1，速效磷含量為38.67mg·kg-1，速效鉀含量為77.23mg·kg-1，有效態 Cd 含量為0.12mg·kg-1。品種為中煙100。試驗用盆為塑料盆，上口直徑為38cm，下口直徑為35cm，高度為30cm。試驗前，先在試驗地上起壟，按120cm×50cm的行株距，將盆置于壟溝內，再對壟溝進行封土，把盆體埋于土中。煙稈炭購自河南省三利新能源有限公司，在450℃低氧條件下制作，pH為9.67，全碳75.6%，CEC（陽離子交換量）85.65cmol/kg，BET比表面積6.072 m2/g，平均孔徑為2.769 nm。

1.2 試驗設計

本實驗為二因素試驗，外源添加Cd 0mg/kg（G0）、50mg/kg（G1）、100mg/kg（G2），Cd為硝酸鎘（分析純），以固體形態加入，再分別添加生物炭0 g/盆（T0）、300 g/盆（T1）、600 g/盆（T2），生物炭為過10目篩的煙稈炭，共計9個處理，分別為：G0T0、G0T1、G0T2、G1T0、G1T1、G1T2、G2T0、G2T1、G2T2，每個處理20個重復。每盆施純氮3.5 g，N:P2O5:K2O為1:2:3，所用肥料為硝酸銨、Ca(H2PO4)2、硫酸鉀，均為分析純。按照試驗設計的肥料及外源添加物與土壤均勻混合后裝入塑料盆中，土壤平衡一周后選擇健康，長勢均勻一致的煙苗移栽，每盆一株。選擇其他管理措施與優質煙葉栽培管理措施一致。

1.3 測定項目與方法

煙株移栽后90 d，分別采集土壤和烤煙植株樣品。在煙株根系附近取土壤樣品，混勻，風干，過10目篩備用。土壤pH值用酸度計(PHS-3C，上海精密科學儀器)測定，固液比值為m(固):V(液)=1:2.5。土壤有效態Cd測定參照國標GB/T 23739-2009，采用DTPA浸提劑浸提，ICP-OES電感耦合等離子原子發射光譜儀測定。

各處理分別取3株長勢一致的煙株，用自來水洗凈后再用去離子水沖洗數遍，分根、莖、葉，葉分為上部葉（13～18片）、中部葉（7～12片）和下部葉（1～6片），在105℃下殺青15min，于65℃烘干至恒重，分別稱量干重。

煙株Cd含量采用國標GB 5009.15-2014中干法灰化法，并通過ICP-OES電感耦合等離子原子發射光譜儀測定，分析煙葉各部位Cd的吸收量、分配率、富集系數及轉運系數。

1.4 數據處理

采用Excel2010進行數據的基本處理，SPSS22.0統計分析軟件進行數據分析及差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 生物炭對Cd污染土壤pH值的影響

在Cd污染植煙土壤中施加生物炭后，土壤的pH值變化如圖1所示。Cd添加量相同時，隨生物炭施用量的增加，各處理土壤pH值呈現增加的趨勢，其中不施Cd處理的土壤pH值隨生物炭施用量的增加增幅最大。處理G0T1和G0T2的土壤pH值分別比處理G0T0升高了0.30和0.61；處理G1T1和G1T2的土壤pH值分別比處理G1T0升高了0.16和0.32；處理G2T2和G2T1分別比處理G2T0升高了0.16和0.38。土壤pH值隨Cd施用量的增加而升高，例如處理G0T0、G1T0和G2T0的土壤pH值分別是7.01、7.36、7.43。處理G2T2的土壤pH值最大，為7.81。

圖1 生物炭對Cd污染土壤pH值的影響Fig.1 Effects of biochar on pH value in Cd contaminated soils

2.2 生物炭對Cd污染土壤中有效態Cd含量的影響

由圖2可知，隨著外源添加Cd濃度的增加，土壤有效態Cd含量升高，同時土壤有效態Cd含量隨生物炭施用量的增加呈現降低的趨勢，其中處理G2較為顯著的下降趨勢，處理G2T1和處理G2T2的土壤有效態Cd含量分別是52.1mg/kg、38.6mg/kg，比處理G2T0下降了15.47%和37.39%，而處理G1T1和處理G1T2的土壤有效態Cd含量分別比處理G1T0下降了9.74%和18.86%，處理G0T1和處理G0T2的土壤有效態Cd含量分別比處理G0T0下降了4.51%和7.08%。

圖2 生物炭對Cd污染土壤有效態Cd含量的影響Fig.2 Effects of biochar on available cadmium content in Cd contaminated soils

2.3 生物炭對Cd污染土壤中煙株各部位Cd含量的影響

生物炭與Cd配施后煙株各部位Cd含量的變化如表1。未添加Cd的情況下，煙株葉片Cd含量隨生物炭施用量的增加呈現降低的趨勢，處理G0T1的上部葉、中部葉、下部葉的Cd含量分別比G0T0下降了6.15%、3.45%、25.81%，處理G0T2的上部葉、中部葉、下部葉的Cd含量分別比G0T0下降了64.62%、55.17%、36.56%，而根、莖呈現升高的趨勢，但處理之間差異不顯著（P＞0.05）。處理G0T0各部位Cd含量，根＞葉＞莖，處理G0T1和G0T2煙株各部位Cd含量根＞莖≥下部葉＞中部葉＞上部葉，說明施用生物炭使煙株葉片的Cd含量顯著降低，根的Cd含量升高。

在外源僅施加Cd的情況下，煙株下部葉的Cd含量顯著升高，處理G1T0和處理G2T0的煙株各部位Cd含量表現為下部葉＞中部葉＞根＞上部葉＞莖，而當生物炭與Cd配施時，煙株根和莖的Cd含量顯著升高，葉片的Cd含量顯著降低，處理G1T2、G2T1和G2T2各部位Cd含量，根＞下部葉＞中部葉＞上部葉。說明在Cd脅迫下，煙株下部葉吸收較多的Cd，而隨著生物炭施用量的增加，煙株根部吸收大量的Cd，下部葉吸收的Cd減少。

由土壤有效態Cd與煙株各部位Cd含量的相關性分析可知（表2），土壤中有效態Cd含量與烤煙葉片的Cd含量呈極顯著相關關系，與根和莖的Cd含量呈顯著相關關系。

表1 生物炭對Cd污染土壤中烤煙各部位Cd含量的影響Tab.1 Effects of biochar on Cd content in different parts of tobacco in Cd contaminated soils mg.kg-1

表2 土壤有效態Cd與煙株各部位Cd含量的相關性分析Tab.2 Correlation of soil available Cd and Cd content in different parts of tobacco

2.4 生物炭對Cd污染土壤中煙株各部位Cd轉運系數的影響

轉運系數指植株后一部位中重金屬含量與前一部位中重金屬含量的比值（包括根系到莖、莖到葉以及根系到葉）。煙株各部位對重金屬的轉運能力差異很大，轉運系數越大，表明煙株該部位對重金屬的轉運能力越強[17-18]。生物炭對Cd污染土壤中重金屬在煙株各部位間的轉運系數如表3所示。對比各部位間的轉運系數可知，根到莖的轉運系數最小，莖到下部葉的轉運系數最大，根到葉和莖到葉的轉運系數均隨著葉位的升高而降低，說明煙株的莖能將根系的Cd直接轉運到葉片中，且大量轉移至下部葉。在不施加生物炭的情況下，對比處理G0T0、G1T0和G2T0，根-各部位葉的轉運系數隨外源添加Cd濃度的增加呈現升高的趨勢。添加等量外源Cd的情況下，根和莖向各部位葉的轉運系數隨生物炭施用量的增加而降低，其中分析“根-上部葉”的轉運系數可知，處理G0T1和G0T2分別比處理G0T0低39.71%和77.94%，處理G1T1和G1T2分別處理G1T0低28.79%和71.21%，處理G2T1和處理G2T2分別比處理G2T0低71.62%和87.84%。“根-莖”轉運系數隨生物炭施用量的增加有降低的趨勢，但各處理之間差異不顯著。說明施加生物炭后，Cd從根和莖到煙株各部位葉的轉運有明顯的降低作用。

2.5 生物炭對Cd污染土壤中煙株各部位Cd富集系數的影響

富集系數是指作物某一部位中某一元素的濃度與土壤中該元素濃度之比，可代表“土壤-作物”體系中元素遷移的難易程度[19]。富集系數越高，這種元素在“土壤-作物”體系中越易遷移，反之，富集系數越低，這種元素越難以遷移[20]。煙株各部位對Cd的富集系數如表4所示，隨外源施加Cd濃度的增大，煙株各部位對Cd的富集系數逐漸降低，煙株葉片對Cd的富集系數，處理G0、G1、G2分別為1.48～5.57、0.33～1.66、0.20～0.98。未施加 Cd 的處理 G0，烤煙根系對Cd的富集系數最大，下部葉對Cd的富集系數與中部葉和上部葉相比最大。對比處理G0，施加Cd的處理G1和G2，根對Cd的富集系數大幅下降。施加等量Cd的處理，根和莖對Cd的富集系數隨生物炭施加量的增加而增大，煙株葉片各部位對Cd的富集系數隨生物炭施用量的增加而降低，處理G2T2上部葉對Cd的富集系數最小，為0.20。說明施用生物炭能夠降低煙株葉片對Cd的富集系數，生物炭減弱了土壤中的Cd向葉片遷移的能力。

表3 生物炭對Cd污染土壤中Cd在烤煙各部位間轉運系數的影響Tab.3 Effects of biochar on transport coef fi cients in different parts of tobacco in Cd contaminated soils

表4 生物炭對煙株各部位Cd的富集系數的影響Tab.4 Effects of biochar on the enrichment factors of Cd in different parts of tobacco

3 討論

3.1 生物炭對Cd污染土壤pH及土壤有效態Cd含量的影響

本試驗研究結果表明，隨著生物炭施用量的增加，土壤pH值升高，與曹瑩[15]，王艷紅等[21]研究相似，原因可能是生物炭中含有較多的Ca2+、K+、Mg2+等鹽基離子，施入土壤后，可通過吸持作用降低土壤H+及交換性Al3+水平，降低土壤可交換性酸，進而提升土壤pH[22]。研究結果還發現外源添加Cd后，土壤pH也呈現升高的趨勢，可能原因一方面是土壤受到較高濃度Cd污染后，土壤微生物代謝受到抑制，導致土壤微生物數量顯著下降[23]，使土壤微生物通過分泌有機酸、腐殖酸等與重金屬離子結合的沉淀作用機制[24]受到抑制，進而使土壤有機酸含量降低，土壤pH升高。另一方面煙株受到Cd脅迫后，根系受到毒害作用從而改變根系分泌物，間接影響根際環境，使土壤pH升高，且重金屬脅迫條件下植株也可能形成較高的根際pH來限制重金屬離子進入原生質[25]。

施用Cd的土壤上施用生物炭，土壤有效態Cd含量降低，因為土壤中Cd的有效性在土壤中的化學形態很大程度上受土壤pH值的調節，當土壤pH值提高時，土壤膠體負電荷增加，H+的競爭能力減弱，氫氧根離子濃度增加，鎘離子可與氫氧根離子等結合生成難溶的氫氧化物或碳酸鹽及磷酸鹽，導致Cd的有效性大大降低[26]。對于堿性土壤有效態Cd含量下降的另一個重要原因是，生物炭具有很大的比表面積，含有豐富的含氧官能團[27]和較高的陽離子交換量，且表面呈負電荷狀態[28]，能增加土壤對重金屬離子的靜電吸附量，含氧官能團與重金屬形成穩定的金屬絡合物，促進污染土壤中的Cd 由活性較高的可交換態向活性低的殘渣態轉化，從而降低 Cd 的活性和遷移性。另外生物炭的較高表面能，有結合重金屬離子的強烈傾向，能夠較好地鈍化土壤中的重金屬[29]。周建斌等[30]研究發現棉稈炭會吸附和沉淀土壤中的有效態Cd，使土壤中的有效態Cd含量降低。

3.2 生物炭對Cd污染土壤中煙株各部位Cd富集系數和轉移系數的影響

Cd和生物炭施用量使煙株對Cd的吸收效應不同，同一處理的煙株不同部位對Cd的吸收效應也不同，因此不同處理煙株對Cd的富集轉移系數不同。

楊惟薇[31]研究在Cd污染的水稻土中添加蠶沙生物炭和水稻秸稈生物炭顯著減少了玉米植株中Cd的累積，降低了其生物富集系數，抑制植株根部Cd向地上部轉運，降低了玉米植株內Cd的轉運系數。劉阿梅[32]研究生物炭對丹參的影響，發現添加生物炭后丹參對Cd的富集系數顯著降低。本研究中外源添加Cd的處理G1和G2，煙株對Cd的富集系數較小，與趙景龍等[33]研究結果相似，牛之欣等[34]研究4種植物根部及地上部對 Cd的富集系數，也發現隨Cd濃度的增大，作物對Cd的富集系數顯著降低，尤其是蓖麻地上部富集系數由4.75降至0.45。可能是由于施加大量Cd后，Cd的毒害作用抑制了植物代謝，無法將根部吸收的大量鎘離子運輸到葉中，并且根有積累Cd并阻止Cd向地上部運輸的機制[35]，從而使煙株葉片的富集系數相對較低。侯艷偉等[14]研究在礦山周邊污染土壤中施用生物炭，油菜對Cd的富集系數隨生物炭的施用而降低。本研究中，在Cd污染的土壤中，施加生物炭后，Cd向烤煙葉片中的遷移性顯著降低，可能是由于施用生物炭后，土壤中可溶態和可提取態Cd等生物可利用態向活性低的生物不可利用形態轉化，從而降低Cd的生物有效性和可遷移性，阻控土壤中的Cd向作物地上部分運移富集。處理G1T0中，莖到下部葉的轉運系數為17.36，是處理G0T0的10.46倍，而處理G1T1和處理G1T2中，莖到下部葉的轉運系數分別為11.84、5.67，是處理G0T0的7.13倍和3.42倍。施加生物炭后，Cd在煙株根系的富集系數升高，在葉片的富集系數降低，說明施用生物炭后，土壤有效態Cd含量降低，煙株根系和地上部的Cd含量大幅度降低，從而使煙株根系對Cd的富集能力增強，葉片對Cd的富集能力減弱。

4 結論

（1）隨生物炭施用量的增加，土壤pH值升高；在添加外源Cd的土壤中，土壤有效態Cd含量隨生物炭施用量的增加大幅下降。

（2）隨生物炭施用量的增加，烤煙根和莖中Cd含量大幅增加，中部葉和下部葉Cd含量降低。

（3）生物炭可以減弱烤煙對土壤中Cd的遷移能力，降低烤煙對Cd的富集性。烤煙“根-各部葉”Cd轉移系數和烤煙各部位葉的富集系數隨生物炭施用量增加而降低。

因此，可以通過在Cd污染的土壤中施用生物炭，降低土壤有效態Cd含量，從而降低烤煙可吸食部分煙葉的Cd含量，提高卷煙吸食安全性。

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E ff ects of biochar on Cd absorption and transporting enrichment characteristics of tobacco grown in weak alkaline soil

YE Xiefeng1*,ZHOU Hanjun1,YU Xiaona1,ZHANG Xiaofan1,FU Zhongyi1,MA Jing1,QIN Yihe1,HAN Qiujing1,XU Min2
1 College of Tobacco Science,Henan Agricultural University/National Tobacco Cultivation and Physiology and Biochemistry Research Centre/Key Laboratory for Tobacco Cultivation of Tobacco Industry,Zhengzhou 450002,China;
2 Henan Provincial Tobacco Corporation,Zhengzhou 450000,China

Effects of Cd absorption and enrichment on flue-cured tobacco were studied to clarify the restoration of biochar on Cd contaminated soil and reduction of cadmium content in tobacco.Experiment was carried out in 2015 with pot plants(25kg per pot of soil)in selected weak alkaline soil in Central Henan Province.The added exogenous Cd concentrations were 0mg/kg(G0),50mg/kg(G1),100mg/kg(G2),and the biochar concentrations were 0g/pot(T0),300g/pot(T1),600g/pot(T2).A total of nine treatments were used for the two-factor test,which were G0T0,G0T1,G0T2,G1T0,G1T1,G1T2,G2T0,G2T1,G2T2.Soil pH value and soil available Cd content was investigated.Cd content in di ff erent parts of tobacco plant,Cd transport and enrichment coefficient were analyzed.Results showed that(1)pH value of soil increased with increased amount of biochar,soil pH value of G2T2 was 7.81,and available soil Cd content decreased with the increase of biochar application.(2)Cd content in soil and tobacco leaf showed very signi fi cant positive correlation,and biochar could regulate Cd content in di ff erent parts of tobacco at the same level of pollution.(3)The enrichment coefficient of Cd decreased.With the application of biochar,transporting coefficient of cadmium and enrichment coefficient of Cd in leaves decreased.It was concluded that appropriate application of biochar in Cd contaminated soil could reduce content of available Cd of soil and reduce content of cadmium in flue-cured tobacco leaves.

Tobacco; Biochar; Cd; Absorption; Transporting and enrichment

葉協鋒，周涵君，于曉娜，等.生物炭對弱堿性土壤烤煙Cd吸收及轉運富集特征的影響[J].中國煙草學報，2017,23（5）

煙草行業煙草栽培重點實驗室項目（No.30800665）；河南省煙草公司項目（No.HYKJ201301）；重慶市煙草公司項目（No.NY20140401070010）

葉協鋒（1979—），博士，副教授，從事煙草栽培生理和土壤改良，Tel：0371-63555713，Email：yexiefeng@163.com

2017-03-07；< class="emphasis_bold">網絡出版日期：

日期：2017-06-02

：YE Xiefeng,ZHOU Hanjun,YU Xiaona,et al.E ff ects of biochar on Cd absorption and transporting enrichment characteristics of tobacco grown in weak alkaline soil[J].Acta Tabacaria Sinica,2017,23(5)

*Corresponding author.Email：yexiefeng@163.com