生物炭和有机肥配施对重金属 Pb 胁迫下烟叶生长的影响

      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。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。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。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。

结论
      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。韩毅等研究发现，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。另外，张璐研究发现，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，特别是与有机肥配施，具有明显改善土壤酸化的作用，这与尤方芳等和蔡宪杰等的研究结果一致。
      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，如张建云等和邵慧芸等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。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，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。