水稻秸稈生物炭對鎘污染農田中番茄產量和品質的影響機制

吳偉健，陳藝杰，李高洋，張偉健，林海虹，藺中，甄珍*

（1.廣東海洋大學濱海農業學院，廣東 湛江 524088；2.廣東海洋大學化學與環境學院，廣東 湛江 524088）

番茄是一種營養價值和經濟效益均較高的果蔬，在我國蔬菜生產和加工中占據重要地位。我國已成為世界上最大的番茄生產國，種植面積達101.17萬hm，平均產量超過82.5 t·hm。鎘是一種在土壤中移動性強、中毒濃度低、污染面積廣的有毒重金屬。我國農田鎘污染點位超標率高達7.0%，在農田重金屬污染種類中排位第一。我國南方地區耕地重金屬鎘含量普遍高于其他地區，廣東地區的重金屬鎘污染問題最為嚴重。南方部分土壤鎘含量達到3.15 mg·kg，已嚴重超過《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618—2018）中的農用地土壤污染風險篩選值。鎘具有較強的生物遷移性及富集性，容易被番茄發達的根系吸收和轉運，最終在番茄中積累，并通過食物鏈傳遞到人體從而危害人體健康。人體內積累大量的鎘易提高癌癥的發病率，還會引發心血管系統疾病、器官損傷以及代謝類疾病。因此，尋找一種高效環保的方法來確保鎘污染農田的安全生產刻不容緩。

生物炭是由農業和動物的廢棄物等低價值材料在低氧或無氧條件下經過高溫熱解形成的一種固態多碳物質。生物炭由于其較大的比表面積、豐富的表面官能團和芳香結構等理化特性而具有很強的吸附能力，能有效吸附土壤中的重金屬，降低土壤重金屬的生物有效性和遷移性。重金屬會與生物炭表面的羥基和羧基優先結合，并以絡合物形式存在，從而減少作物對重金屬的吸收和轉運。劉沖等表明添加生物炭可有效降低油麥菜根系和莖葉中Cd、Cu、Pb和Zn含量，且重金屬含量隨生物炭增加而降低。ALMAROAI等的研究指出生物炭的添加可降低土壤中重金屬的生物可利用度，從而降低土壤中Pb向番茄植株體內的遷移和轉運。此外，生物炭的礦質養分和微量元素含量較高，可提供作物生長所必需的元素（N、P、K、Ca、Mg等）。生物炭的多孔特性和大的比表面積有利于土壤聚集水分，促進土壤團聚體形成，改善土壤水分和養分的保留能力，從而促進作物生長、提高作物產量。生物炭可以改善土壤健康狀況、提高水分利用效率和肥料利用率。土壤中施入生物炭可有效提高陽離子交換能力、養分循環能力、保持植物有效水分的能力并減少養分淋失。因此，生物炭不僅能直接降低土壤中重金屬的遷移性和有效性，而且能增加土壤肥力、促進作物生長，對降低農田土壤重金屬污染和維持作物安全生產具有重要意義。近年來，有關生物炭對土壤重金屬的吸附固定、形態轉化和促進作物生長方面已有大量的研究。但生物炭對作物品質及作物體內重金屬積累特征的研究仍非常有限。

本文以番茄為研究對象，探究不同比例生物炭（1%、3%和5%生物炭）對鎘污染土壤中番茄產量和品質及根系、莖部和果實中鎘累積的影響。對添加不同比例生物炭的土壤理化性質、酶活性和番茄系列指標進行相關性分析，明確生物炭對鎘污染土壤中番茄產量和品質的影響機制，以期為我國鎘污染農田的安全利用提供可行性技術方案。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本研究以千禧番茄（Mill.）為材料。試驗區位于廣東省湛江市廣東海洋大學后山園林實習基地的溫室大棚（21°09'20″N，110°18'10″E）。試驗區地處粵、桂、瓊三省份交匯處，屬熱帶和亞熱帶季風氣候。年平均溫度為23℃，年平均降水量為1 417～1 802 mm，年平均日照時數為1 817～2 106 h。供試土壤采自廣東海洋大學后山旱地0～20 cm耕作層的土壤（磚紅壤）。土壤除去地表石子、植被等雜物后，混勻，自然風干，過0.84 mm篩備用。供試土壤鎘含量為0.09 mg·kg，土壤質地為砂壤土，pH為6.08，有機質含量為14.83 g·kg，堿解氮含量為26.18 mg·kg，速效磷含量為65.78 mg·kg，速效鉀含量為49.13 mg·kg。供試生物炭購自江蘇華豐農業生物工程有限公司，為450℃碳化的水稻秸稈生物炭：pH為8.75，有機碳含量為647.34 g·kg，全氮含量為6.21 g ·kg，全磷含量為1.85 g·kg，全鉀含量為28.96 g·kg，鎘含量為0.04 mg·kg。

1.2 試驗設計

本試驗共設4個處理：不添加生物炭（CK）；施入1%生物炭（T）；施入3%生物炭（T）；施入5%生物炭（T）。每個處理設9個重復。試驗前，栽培盆裝入2.5 kg風干過篩后的土壤，量取10 mL濃度為1 mol·L的CdCl·2.5 HO母液，加到290 mL去離子水中，澆入試驗土壤并充分攪拌混勻，模擬土壤鎘含量為5.0 mg·kg，形成以鎘為單一污染源的污染土壤。隨后加入相應添加量的生物炭與污染土壤充分混勻，共預處理36盆。待預處理土壤老化30 d后用于番茄的種植，每盆種植1株。番茄栽培管理和施肥措施與正常生產一致。

1.3 樣品采集和測定方法

1.3.1 樣品采集方法

分別在番茄的初果期（50 d）、盛果期（65 d）和生長末期（80 d），每個處理隨機取3盆，將植株整體挖出，并將土壤和植株分開。土壤經自然風干、研磨過篩后，存于-4℃冰箱用于后續土壤理化性質（pH、腐殖質、堿解氮、速效磷和速效鉀）和酶活性（脲酶、過氧化氫酶、纖維素酶和蔗糖酶）的測定。番茄植株用清水沖洗根部泥土，用干凈的吸水紙將植株根莖表面擦干凈，然后將根系和莖部分開，分別放置于自封袋中，存于-4℃冰箱中，用于后續鎘含量的測定。在盛果期時，收獲番茄果實用于測定番茄產量、品質（維生素C含量、番茄紅素含量、可溶性糖含量、糖酸比和可溶性蛋白含量）和鎘含量。

1.3.2 番茄產量和品質的測定

番茄產量取每株番茄的果實總數。

番茄品質根據陳剛等的《植物生理學實驗》進行測定，具體方法如下：維生素C含量采用2，6-二氯靛酚滴定法測定；番茄紅素含量采用高效液相色譜法測定；可溶性蛋白含量用考馬斯亮藍G-250染色法測定；可溶性糖含量用蒽酮比色法測定；有機酸含量用堿性滴定法測定；糖酸比（%）為可溶性糖含量與有機酸含量的比值。

1.3.3 番茄內鎘含量的測定

番茄的根、莖和果實中的鎘含量采用濕法（HNO-HClO）消解，原子吸收光度計ICE-3000測定。

1.3.4 土壤理化性質的測定

土壤理化性質根據鮑士旦的《土壤農化分析》進行測定，具體如下：土壤pH用pH計電位法測定，水土比為2.5∶1。土壤腐殖質含量用焦磷酸鈉提取重鉻酸鉀法測定。土壤堿解氮含量采用堿解擴散法測定。土壤速效鉀含量用NaOH熔融-火焰光度法測定。土壤速效磷含量用NaHCO浸提-鉬銻抗比色法測定。

1.3.5 酶活性的測定

土壤酶活性根據關松蔭的《土壤酶及其研究法》進行測定，具體方法如下：脲酶活性采用靛酚藍比色法測定，其活性以每1 d每1 g土生成銨態氮的量表示，單位為mg·g·d。過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定，其活性以每20 min每1 g土壤消耗0.1 mol·L高錳酸鉀溶液的體積（mL）表示，單位為mL·g·20 min。蔗糖酶和纖維素酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定，其活性以每1 d每1 g土生成葡萄糖的量表示，單位為mg·g·d。

1.4 傅里葉變換紅外光譜（FTIR）分析

通過FTIR檢測生物炭的化學官能團。將生物炭樣品與KBr混合并研磨成細粉。FTIR分析在400～4 000 cm波數范圍內以4 cm的分辨率進行，獲得的紅外光譜以相對于波數（cm）的透射率的形式呈現。

1.5 數據分析

使用Excel 2019完成數據整理，采用SPSS25.0統計分析軟件進行單因素方差（One-way ANOVA）分析，不同處理之間采用Duncan's法進行多重比較（＜0.05），利用Origin 2021繪制柱形圖和生物炭FTIR光譜圖。同時，基于Spearman相關性分析計算番茄產量、品質與土壤理化性質、番茄體內鎘含量的相關性大小，利用Origin 2021繪制相關性熱圖（＜0.01）。

2 結果與分析

2.1 FTIR分析

生物炭的FTIR光譜圖見圖1。生物炭的主要特征峰如下：波數在746 cm的吸收峰為芳香族C—H的彎曲振動；波數在1 028 cm和1 055 cm的吸收峰為多糖物質C—O鍵伸縮振動；波數在1 404 cm的吸收峰為羧基（—COOH）的正反對稱伸縮；波數在1 579 cm的吸收峰為芳香族C=C的伸縮振動；波數在3 332 cm的吸收峰為醇/酚羥基存在的締合—OH伸縮振動。綜上所述，該生物炭含有大量的C—H、C—O、—COOH、C=C和—OH官能團，且具有高度的芳香化。

圖1 生物炭FTIR光譜圖Figure 1 FTIRdiagramof biochar

2.2 生物炭對番茄各部位鎘累積的影響

由圖2可知，番茄根、莖中鎘含量隨生長發育進程的推進呈逐漸上升的趨勢。鎘含量在番茄根系中最高，其次為莖部和果實。在番茄生長末期，各處理間的根系鎘含量達到顯著性差異（＜0.05）。CK處理根系鎘含量（2.75 mg·kg）最高，T、T和T處理中根系鎘含量分別為1.81、1.53 mg·kg和1.31 mg·kg，較CK處理顯著減少了34.18%、44.36%和52.36%（圖2A）。番茄莖部鎘含量變化趨勢與根系相似（圖2B），T、T和T處理的鎘含量顯著低于CK處理（0.70 mg·kg），分別為0.58、0.47 mg·kg和0.33 mg·kg，較CK處理降低了17.14%、32.86%和52.86%。T處理與T和T處理達到顯著差異，但T和T處理間差異不顯著（＜0.05）。由圖2C可得，與CK處理相比，T、T和T處理均顯著降低了番茄果實中的鎘含量，T和T處理之間無顯著差異（＞0.05）。T和T處理果實中的鎘含量分別為0.05 mg·kg和0.03 mg·kg，較CK處理（0.33 mg·kg）顯著降低84.8%和90.9%。由此可得，添加生物炭能夠顯著減少重金屬鎘在番茄體內累積，且隨著生物炭含量的增加，番茄體內累積的鎘含量減少。

圖2 不同處理番茄體內的鎘含量Figure 2 The Cd content of tomato in different treatments

2.3 生物炭對番茄產量和品質的影響

由表1可知，T處理的番茄產量顯著高于T處理和T處理，且三者均顯著高于CK處理，分別較CK提升了34.4%、74.7%和49.0%，但T和T處理間未達到顯著差異（＞0.05）。添加生物炭對番茄品質有顯著的提升作用，T、T和T處理的果實中維生素C、番茄紅素、可溶性蛋白、可溶性糖含量和糖酸比均顯著高于CK處理（＜0.05），其中T處理提升效果最好。與CK處理相比，T處理中維生素C、番茄紅素、可溶性蛋白和可溶性糖含量顯著提高了24.7%、114.4%、12.0%和37.4%。同時，T處理的果實糖酸比為8.65%±0.15%，在最佳范圍（8.00%～9.00%）內，且與其余處理達到顯著差異（＜0.05）。由此可見，添加生物炭能夠緩解鎘帶來的危害，顯著提高番茄的產量和維生素C、番茄紅素、可溶性蛋白、可溶性糖含量和糖酸比，其中以T處理提高效果最佳。

表1 不同處理對番茄產量和品質的影響Table 1 Effects of different treatmentson tomato yields and quality

2.4 生物炭對土壤理化性質的影響

由圖3可得，在番茄生育期內，CK處理的土壤理化性質（pH、腐殖質）和養分含量（堿解氮、速效鉀和速效磷）均呈下降趨勢，而生物炭處理則呈穩步上升的趨勢，且均顯著高于CK處理（＜0.05）。在番茄的生長末期，T、T和T處理的pH分別為6.77、7.05和7.15，較CK處理提高了1.75、2.02個和2.12個單位，T和T處理間無顯著差異（＞0.05，圖3A）。T處理中土壤腐殖質含量為23.64 g·kg，顯著高于CK處理（9.47 g·kg）和T處理（19.60 g·kg），但與T處理無顯著差異（24.56 g·kg）（＞0.05，圖3B）。由圖3C可知，在生長末期，T處理中土壤堿解氮含量為47.42 mg·kg，顯著高于CK處理（23.77 mg·kg）、T處理（43.70 mg·kg）和T處理（44.45 mg·kg），T和T處理之間無顯著差異（＞0.05）。圖3D和3E中，CK處理的速效鉀和速效磷含量在番茄生長末期降至最小值，而生物炭處理（T、T和T）則相反。T處理速效鉀和速效磷含量顯著高于其余處理，分別為167.76 mg·kg和165.85 mg·kg，較CK處理提升了287.88%和156.50%（＜0.05）。綜上所述，添加生物炭使土壤pH趨于中性，同時顯著提高土壤腐殖質含量和土壤養分含量，其中以T處理效果最優。

圖3 不同處理對土壤理化性質的影響Figure 3 Soil physicochemical properties in different treatments

2.5 生物炭對土壤酶活性的影響

由圖4A可知，在番茄的整個生育期內，T、T和T處理的脲酶活性均與CK處理達到顯著差異（＜0.05），且在盛果期達到最大值，分別為5.97、6.70 mg·g·d和6.22 mg·g·d，較CK處理提升了107.29%、132.64%和115.97%。在生長末期，T處理與其余處理脲酶活性差異顯著，T和T處理無顯著差異（＞0.05）。在盛果期，T處理的過氧化氫酶活性（3.47 mL·g·20 min）顯著高于CK處理（1.66 mL·g·20 min）、T處理（2.94 mL·g·20 min）和T處理（3.16 mL·g·20 min）。而在生長末期，T和T處理間的過氧化氫酶活性無顯著差異（＞0.05，圖4B）。由圖4C可得，CK處理的蔗糖酶活性呈逐漸下降趨勢，T、T和T處理則呈先上升后下降的趨勢，并在盛果期達到最大值，且各處理間均呈顯著差異（＜0.05），分別為0.94、1.15 mg·g·d和1.02 mg·g·d。纖維素酶活性變化趨勢與蔗糖酶相似，且在番茄的整個生育期內，T和其余處理間呈顯著差異，T和T處理間的纖維素酶活性無顯著差異（＞0.05，圖4D）。在盛果期，T處理纖維素酶活性（2.22 mg·g·d）顯著高于CK處理（1.37 mg·g·d）、T處理（1.98 mg·g·d）和T處理（2.07 mg·g·d）。由此可得，添加生物炭可以顯著提高番茄土壤中脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶和纖維素酶的活性，且酶活性在盛果期達到最高值，其中T處理對酶活性促進效果更為顯著。

圖4 不同處理對土壤酶活性的影響Figure 4 Soil microbial and enzyme activity in different treatments

2.6 相關性熱圖分析

在盛果期，運用Origin 2021軟件構建番茄產量、品質（維生素C、番茄紅素、可溶性蛋白、可溶性糖含量和糖酸比）與土壤理化性質、番茄體內（根系、莖部和果實）鎘含量的相關性分析（＜0.01），得到相關性熱圖（圖5）。腐殖質與番茄糖酸比的相關性系數為0.73，呈顯著正相關關系，而與番茄的產量、維生素C、番茄紅素、可溶性蛋白和可溶性糖含量的相關性不顯著。pH與番茄的番茄紅素、可溶性蛋白含量和糖酸比的相關系數為0.73～0.76，呈顯著正相關關系，而與番茄的產量、維生素C和可溶性糖含量的相關性不顯著。堿解氮含量與番茄的產量和品質（除可溶性蛋白含量外）的相關性系數為0.94～0.97，呈顯著正相關關系。速效磷和速效鉀含量與番茄的產量和品質呈顯著正相關關系。番茄根系鎘含量與番茄的產量和品質的相關系數為-0.74～-0.90，呈顯著負相關關系；番茄莖部和果實鎘含量與番茄的產量和品質（除可溶性蛋白含量外）的相關系數為-0.88～-0.95，呈顯著負相關關系，而與可溶性蛋白含量相關性不顯著。

圖5 番茄產量和品質與土壤理化性質和番茄鎘含量的相關性熱圖Figure 5 Correlation heatmap of tomato yield and quality with soil physicochemical properties and the Cd concentration of tomato

3 討論

3.1 生物炭施入對鎘在番茄體內累積的影響

重金屬含量是評價食品安全的一項重要指標。研究表明，番茄體內的鎘主要是由根系從土壤中吸收鎘，并通過木質部長距離運送到莖部和果實。本研究結果表明，不同比率的生物炭施入均可顯著降低番茄體內（根系、莖部和果實）鎘含量，施入3%和5%的生物炭均使番茄果實中鎘含量符合《食品安全國家標準：食品中污染物限量》（GB 2762—2012）中的標準值（≤0.05 mg·kg）。生物炭可通過其自身的多孔徑結構和強吸附力與土壤中的鎘結合形成沉淀，降低土壤中鎘的生物有效性，減少其被植株吸收富集的量。黃雁飛等通過施用秸稈生物炭降低了水稻體內的鎘含量，其中4.5%桑樹枝稈生物炭效果最佳，降鎘效果與本研究結果相似。研究表明，pH是影響土壤有效鎘含量的重要因素之一。在本研究中，與不添加生物炭的處理相比，施用生物炭的土壤pH顯著提高。土壤pH的增加有利于土壤表面呈負電性，增加土壤粒子與鎘的結合位點。同時，高pH有利于土壤溶液中氫氧根和碳酸根離子的形成，鎘可與之結合生成難溶的Cd（OH）和CdCO沉淀，進一步阻礙了作物對鎘的吸收。同時也有研究表明，土壤pH的升高會增強土壤膠體及土壤黏粒對重金屬離子的吸附能力，改變土壤鎘的存在形態，抑制鎘的流動性。王義祥等的研究表明生物炭主要通過提高土壤pH減少土壤中有效態鎘含量和鎘的生物有效性，進而降低水稻對鎘的吸收能力，這與本研究結果相似。此外，腐殖質和速效磷被認為可以減少土壤有效態鎘含量，其通過將可交換態鎘固定在土壤中，從而減少鎘的生物可利用度。GU等發現土壤腐殖質和速效磷含量的升高導致甜菜根部對鎘的吸收減少，進而減少甜菜莖部和葉子的鎘含量，這與本研究結果相似。本研究結果表明生物炭可有效抑制番茄對鎘的吸收，降低番茄作物中鎘的健康風險。

3.2 生物炭施入對番茄品質和產量的影響

番茄的品質和產量受到很多因素的影響，重金屬污染會阻礙番茄的正常生長發育，進而影響其品質和產量。本研究結果發現施入生物炭顯著提升鎘污染土壤中番茄的品質和產量，其中3%生物炭提高效果最為顯著。由于生物炭具有較大的比表面積，同時還富含芳香結構和含氧官能團，能夠有效吸附固定土壤中的鎘，進而減少鎘對番茄的脅迫作用。此外，生物炭有疏松多孔的結構和較高的全碳含量，可以改善土壤的理化特性和保水能力，并且適于土壤微生物的生存。同時生物炭可改變土壤容重和增加土壤孔隙度，有利于番茄根系生長，從而促進番茄植株對營養成分的吸收能力，進而提高番茄產量。AKHTAR等研究了生物炭比率對溫室生長的番茄的影響，表明高生物炭比率（3%）可提高原有番茄產量的30%，與本研究結果相似。李昌見等報道40 t·hm的生物炭施用量使番茄增產51.6%，而60 t·hm的生物炭施用量僅增產49.6%，說明過高的生物炭施用量可能會降低番茄產量。同時有研究指出適量生物炭的添加也可促進番茄品質的提升，本研究表明向土壤中施入3%的生物炭顯著增加了番茄的維生素C、番茄紅素、可溶性蛋白和可溶性糖含量，這可能是因為施入生物炭增加了葉片的光合和蒸騰速率，增加番茄葉綠素含量和葉面積，進而促進了光合產物向果實的運輸，并且提高了植株氮、磷和鉀的利用效率，提高了番茄品質。AGBNA等發現，添加生物炭顯著增加番茄維生素C和可溶性糖的含量，可能歸因于生物炭能夠改善土壤的保水能力和增加土壤養分含量（堿解氮、速效磷和速效鉀）。本研究中，T、T和T處理的土壤養分含量顯著高于CK處理，且相關性熱圖顯示土壤養分含量均和番茄的產量、品質呈顯著正相關關系（圖5），也證實了這一觀點。ALMAROAI等的研究表明，在適量生物炭施用量下番茄的維生素C、番茄紅素和可溶性糖含量分別增加了39%、24%、29%，這與本研究結果相似。

3.3 生物炭施入對鎘污染土壤理化性質的影響

生物炭作為改善環境的外源材料，能夠直接有效地改善土壤的理化性質。本研究表明，添加生物炭的處理可顯著改善土壤理化性質（pH、腐殖質）并提高養分含量（堿解氮、速效磷和速效鉀），其中3%生物炭處理對土壤養分含量提高效果最顯著，與5%生物炭處理對土壤理化性質的影響無顯著差異。生物炭具有較高的pH，同時可向土壤釋放更多的碳酸鹽、氧化物和氫氧化物，從而增加土壤pH。此外，生物炭在微生物的作用下形成土壤腐殖質，同時生物炭緩慢的分解有利于腐殖質的形成，可長期有效地促進土壤腐殖質的提高。QUAN等發現鎘污染土地中施入生物炭可顯著提高0～20 cm表層土壤的腐殖質含量，這與本研究結果相似。另外，生物炭富含氮、磷、鉀等元素，加入土壤中起直接補充作用。生物炭的施入顯著提高了與氮、磷、鉀循環相關的微生物活性，進一步提高堿解氮、速效磷和速效鉀的含量。張海晶等的研究表明玉米秸稈生物炭顯著提高土壤的pH和堿解氮、速效磷、速效鉀含量，這與本研究結果相似。此外，生物炭的添加有利于形成并提高土壤團聚體的穩定性，促進土壤氮的礦化作用，從而減少土壤氮素的淋失。化肥具有肥效快、不持久的特性。生物炭因具有較高的吸附性能，而能夠吸附固定土壤的速效鉀和速效磷。隨著番茄的生長發育、生物炭的老化及番茄和土壤微生物促進有機質的分解，生物炭吸附固定的速效磷和速效鉀緩慢釋放。在兩者的共同作用下，土壤的速效磷和速效鉀含量隨著番茄的生長而升高。崔虎等發現生物炭能夠提高土壤氮、鉀元素的滯留能力，進而提高作物對土壤養分的利用率。魏永霞等發現連續4 a施用生物炭，土壤pH、堿解氮和速效鉀含量隨著施炭量增加而升高。同時，研究表明較高的生物炭施用量對土壤氮素起固持作用且導致土壤C/N過高，從而降低微生物和酶活性，進而減少土壤中有效氮、磷和鉀等的含量，這也證實了本研究中T處理的土壤養分含量顯著低于T處理的結果。因此3%生物炭的添加量更有利于提高土壤pH和腐殖質含量，促進并維持土壤的養分。

3.4 生物炭施入對鎘污染土壤酶活性的影響

酶活性是反映土壤肥力和質量的指標之一，在土壤養分循環中起重要作用，其活性與植物生長密切相關。脲酶是促進土壤中氮素轉化的酶。過氧化氫酶可直接改變重金屬離子價態以實現重金屬解毒。蔗糖酶和纖維素酶是催化碳循環的酶。本研究表明，CK處理番茄土壤中酶（脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶和纖維素酶）活性均顯著降低，而添加生物炭的處理，可消除鎘對酶活性的抑制作用，并使各個酶活性顯著提高。重金屬鎘因其高毒性而會損傷細胞和使土壤微生物死亡，同時鎘也會與酶巰基反應，或與底物發生螯合反應，產生與底物的競爭性抑制，進而導致酶活性下降。而生物炭可以吸附固定土壤中的鎘，與鎘形成絡合物，進一步降低了有效態鎘含量和生物可利用度，從而減輕鎘對土壤微生物的毒害作用。研究表明在鎘污染土壤中添加2%生物炭提高了過氧化氫酶活性，減少植物組織細胞膜的破裂。同時，生物炭自身巨大的比表面積及豐富的孔隙結構，為微生物提供良好的棲息環境，促進微生物的生長。此外，生物炭通過自身的多孔結構和較強的吸附性能，可以吸附酶促反應底物，為土壤酶提供更多的結合位點，進而提高土壤酶活性。生物炭還可通過促進水分保持，增加土壤的孔隙度來增強酶活性。王垚等的研究表明施入生物炭增加了土壤穩定的碳組分，調節了土壤水肥平衡，為酶促反應提供了充足的底物和良好的條件，進而提高了土壤酶活性。同時，pH和土壤陽離子交換能力的提高也對酶活性有積極的影響。因此，酶活性的增強與土壤pH增加、土壤養分淋失減少及施用生物炭降低了鎘的生物可利用度有關。此外，TU等的研究表明1%生物炭能明顯提高脲酶和過氧化氫酶活性，而5%生物炭則使酶活性降低，主要是因為高比率的生物炭對土壤微生物產生了有害影響。王豪吉等的研究表明，與1%生物炭相比，3%生物炭顯著提高了土壤的脲酶、過氧化氫酶和蔗糖酶活性，本研究結果也證實了上述的觀點。在本研究中，施用生物炭對土壤酶活性起到了促進作用，其中3%生物炭處理的土壤酶活性提高效果最為顯著，表明土壤中添加3%生物炭為較適宜的添加量。

4 結論

（1）番茄根系、莖部和果實中鎘的累積隨著生物炭添加量的增加而減少，3%生物炭處理中番茄體內鎘含量已達到國家食品安全標準要求。

（2）添加生物炭顯著提高土壤中脲酶、蔗糖酶、纖維素酶和過氧化氫酶的活性，改善土壤的生態環境。

（3）生物炭通過吸附固定土壤中的鎘，抑制了番茄對鎘的吸收，提高了土壤pH、腐殖質、速效氮、速效磷和速效鉀的含量，從而提高番茄產量和果實的維生素C、番茄紅素、可溶性蛋白、可溶性糖含量和糖酸比。綜合以上研究結果，施用3%的生物炭提升效果最佳。