劉躍東，鄭梅迎，劉 祥，戴華偉，王英俊，彭玉龍，劉明宏，王 毅，孔凡玉，張繼光*

1. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所，山東省青島市科苑經(jīng)四路11 號 266101

2. 山東省煙草公司淄博市公司，山東省淄博市張店區(qū)商場街143 號 255000

3. 貴州省煙草公司遵義市公司，貴州省遵義市匯川區(qū)延安路143 號 563000

隨著現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了土壤污染等環(huán)境問題，其中重金屬與農(nóng)藥殘留是農(nóng)田土壤中兩類主要的污染物。鎘被認為是最普遍也是危害最大的土壤重金屬污染源，據(jù)2014 年土壤污染狀況調(diào)查顯示，我國耕地土壤中鎘污染的點位超標(biāo)率為7%，遠高于其他污染物［1］。鎘元素在土壤中化學(xué)活性較強，能夠通過影響植物根細胞膜的表面電勢，而傷害膜系統(tǒng)［2］，降低植株對養(yǎng)分的吸收利用，影響植物生長發(fā)育［3］，且鎘易被作物吸收，通過食物鏈逐漸富集而危害人體健康［4］。煙草是典型的喜鎘作物之一，因此防控?zé)熖镦k污染是提高煙葉安全性的重要手段。除重金屬外，農(nóng)藥殘留也是我國煙草安全性的重要控制性指標(biāo)。甲霜靈作為一種苯基酰胺類的高效、低毒內(nèi)吸性殺菌劑，通常以灌根的方式用于煙草根莖病害的防治［5］，因長期使用且用量較大，其殘留污染問題也日趨嚴重［6］。施入土壤的甲霜靈被煙草根系吸收后，運輸轉(zhuǎn)移至莖、葉等部位并富集［7］，嚴重影響煙葉的安全性。在鎘污染農(nóng)田中種植煙草等農(nóng)作物，往往存在重金屬和農(nóng)藥殘留的復(fù)合污染問題，且兩種污染物之間相互影響，呈現(xiàn)出多元化和復(fù)雜化的特征［8］。因此對復(fù)合污染土壤的修復(fù)問題也越來越受到人們的重視，已成為農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域關(guān)注的熱點［9］。

在目前土壤復(fù)合污染的各種修復(fù)方式中，原位鈍化修復(fù)是最有效可行的方法，能夠同時滿足時間和成本的治理需求［10］。與化學(xué)改良法及電化學(xué)法相比，原位鈍化修復(fù)是一種簡單、經(jīng)濟、不易造成二次污染且不破壞土壤結(jié)構(gòu)的改良方式［11］，也是目前減少作物吸收重金屬與農(nóng)殘的有效措施之一［12-14］。土壤改良劑具有良好的理化性能，能夠吸附重金屬離子，形成化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的絡(luò)合物，從而降低重金屬的活性，減輕對植物的毒性作用。且許多土壤改良劑本身也是一種肥料或調(diào)理劑，可改善植煙土壤的理化性質(zhì)、調(diào)節(jié)生物學(xué)特性、提高土壤養(yǎng)分供給能力，進而提高煙葉的產(chǎn)量和品質(zhì)［15］。海泡石作為一種天然礦物類改良劑，因其具有纖維狀多孔和較大的比表面積等特點，可與土壤污染物間產(chǎn)生物理化學(xué)作用，降低土壤污染物有效性，從而減少對植物的毒害［16］。生物炭因其優(yōu)良的物理吸附特性和豐富的化學(xué)成分，不僅能降低污染物的有效態(tài)含量、影響污染物的遷移、改善土壤污染狀況，還能提高土壤養(yǎng)分的有效性和土壤微生物活性，促進植物生長，已成為土壤污染修復(fù)劑的選擇重點［17］。而目前關(guān)于鎘復(fù)合污染對蔬菜作物生長發(fā)育及品質(zhì)影響方面的研究較多，如孟莉蓉等［18］研究發(fā)現(xiàn)添加生物炭可以促進重金屬價態(tài)轉(zhuǎn)化并降低生態(tài)風(fēng)險，顯著提高小白菜的生物量；陳立等［19］通過3 種螯合劑對芥菜修復(fù)鈾鎘復(fù)合污染土壤的影響試驗，發(fā)現(xiàn)施加適宜濃度的螯合劑能夠提高芥菜對鈾鎘復(fù)合污染土壤的修復(fù)效率。但對于鎘敏感作物煙草，在重金屬鎘和甲霜靈農(nóng)藥的復(fù)合污染條件下，添加海泡石及生物炭等土壤改良劑對煙草生長發(fā)育及煙葉安全性的影響方面則鮮見報道。因此基于天然礦物和有機物質(zhì)的差異，選取海泡石及生物炭為研究對象，通過添加海泡石、生物炭及其組合的土壤改良試驗，探討對煙草生長發(fā)育及污染物積累的改良效果，以期為復(fù)合污染農(nóng)田的治理與修復(fù)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2016 年4─11 月在山東濰坊煙草公司諸城試驗站進行。采用溫室大棚盆栽試驗，烤煙品種為中煙100，供試土壤取自當(dāng)?shù)責(zé)焻^(qū)的耕層（0～20 cm），土壤類型為典型褐土。供試土壤的基本理化性質(zhì)：pH 7.05，有機質(zhì)9.65 g·kg-1，全氮4.30 g·kg-1，堿解氮57.5 mg·kg-1，速效磷8.38 mg·kg-1，有效鉀192 mg·kg-1。

農(nóng)藥甲霜靈（30%可濕性粉劑）購自浙江禾本科技有限公司，乙酸鎘［分析純，Cd（CH3COO）2·2H2O］購自國藥集團化學(xué)試劑有限公司。改良劑生物炭與海泡石均由山東省豐本生物科技公司提供，其基本理化性質(zhì)見表1。

表1 兩種改良劑的基本理化性質(zhì)Tab.1 Physicochemical properties of two amendments

1.2 試驗方法

試驗設(shè)置 4 個處理，分別為對照（CK）：未添加土壤改良劑；T1：添加 20 g·kg-1海泡石；T2：添加20 g·kg-1的生物炭；T3：10 g·kg-1海泡石和10 g·kg-1生物炭兩者等量添加配施。每處理設(shè)置30 次重復(fù)（30 盆）。

將采集的耕層土壤樣品，挑出侵入體和新生體，經(jīng)自然風(fēng)干后碾碎過5 mm 篩，同時按照當(dāng)?shù)責(zé)熖锍Ｒ?guī)施肥方式，將土壤與肥料以及對應(yīng)處理的改良劑充分混勻。每盆裝風(fēng)干土15 kg，然后灌足夠水分使土壤沉實。每盆移栽生長一致的健康煙苗1 株。根據(jù)甲霜靈的田間推薦用量、重污染區(qū)鎘含量和前期預(yù)備試驗結(jié)果，在模擬長期污染積累條件下，設(shè)置甲霜靈與乙酸鎘的添加濃度均為20 mg·kg-1，待移栽的煙株進入伸根期（移栽后14 d）時，將甲霜靈粉劑和乙酸鎘試劑溶解在1 000 mL 蒸餾水中，一次性均勻澆施于盆缽中，對照澆等量蒸餾水。每間隔3～5 d 稱量并補水，使盆栽土壤含水率基本保持在60%的田間持水量水平。

1.3 測定方法

1.3.1 土壤理化指標(biāo)的測定

采用魯如坤［20］的方法測定土樣pH、有機質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷和有效鉀等基本理化性狀指標(biāo)。

1.3.2 煙草植物學(xué)性狀的調(diào)查

在煙草成熟期（污染脅迫后第112 天），每處理選取有代表性的煙株3 株，測量株高、莖圍、有效葉數(shù)以及上、中、下各部位葉片長寬等指標(biāo)，并采用葉面積校正系數(shù)0.634 5 計算葉面積［21］。

1.3.3 干物質(zhì)量及根系指標(biāo)的測定

分別在添加污染物脅迫后第 14、28、56、84、112 天（團棵期、旺長期、現(xiàn)蕾期、打頂期和成熟期），每處理隨機選取煙株3 株，采用破壞性取樣方法將根系完整取出，用自來水沖洗干凈后，用軟尺測量主根長、一級側(cè)根和二級側(cè)根長，用排水法測定根系體積。然后將煙株分根、莖、葉三部位于105 ℃殺青30 min、75 ℃烘干至恒質(zhì)量，稱量并記錄煙株各部位的生物量。

1.3.4 甲霜靈和鎘含量的測定

在煙草植株每次取樣后，將烘干的根系及煙葉分別磨碎過0.25 mm 篩，經(jīng)提取凈化處理后采用高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（HPLC-MS2695，美國Waters 公司）測定甲霜靈含量（質(zhì)量分數(shù)）。液相色譜條件：柱溫25 ℃，進樣量3 μL，流動相為乙腈-水，流速0.5 mL/min。質(zhì)譜條件：電噴霧離子源ESI+，多重反應(yīng)監(jiān)測（MRM）模式，定量離子對280.2/220.1，定性離子對 280.2/248.1、280.2/192.2。該方法測得的甲霜靈回收率為95.31% ～103.63%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.8%～5.2%，最低檢出濃度為0.02 mg·kg-1。

參照侯冬巖等［22］的方法準(zhǔn)確稱取0.500 0 g 樣品于消解罐中，加入50 mL 硝酸，1 mL 過氧化氫，靜置1 h 后進行微波消解，冷卻后用超純水定容至50 mL，使用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS，Nexion 300D 型，美國PerkinElmer 公司）測定鎘含量（質(zhì)量分數(shù)）。

鎘富集系數(shù)的計算［23］：

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS20.0 軟件對煙草各生長發(fā)育指標(biāo)進行方差分析，采用Excel 2010 和Origin9 軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析并作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 改良劑對煙草植物學(xué)性狀的影響

從污染脅迫后112 d 時煙草的植物學(xué)性狀指標(biāo)（表2）來看，CK 煙株在株高、莖圍、有效葉數(shù)和葉面積均低于其他3 個處理，改良劑處理可不同程度地促進煙草的生長發(fā)育。T3 和T1 處理的株高顯著高于 CK 和 T2 處理（P＜0.05），且比 CK 分別提高18.33 cm 和14.67 cm。3 個處理的煙株莖圍顯著大于對照，但3 個處理間差異不顯著。特別是T3 處理，有效葉數(shù)達12 片，平均比T1 和T2處理多2 片，葉面積也顯著大于CK。這表明添加生物炭與海泡石均可顯著促進煙株生長發(fā)育，對煙草的株高和有效葉片數(shù)增加效果明顯，且等量海泡石與生物炭配施后，兩種改良劑協(xié)同改良的效果整體上優(yōu)于單施海泡石及生物炭的處理。

表2 改良劑對復(fù)合污染條件下煙草植物學(xué)性狀的影響①Tab.2 Effects of amendments on botanical traits of tobacco under combined pollution

2.2 改良劑對不同生育期煙草生物量的影響

從不同處理煙草各部位的生物量測定結(jié)果（圖1）來看，在污染脅迫14 d 時，T3 處理的煙株根生物量最高，顯著高于其他3 個處理（P＜0.05），特別是在煙葉成熟期（污染脅迫112 d）時，根系生物量較CK 增加42.9%。施加改良劑的處理煙株地上部生物量明顯增加，尤其是煙葉生物量增加顯著，排序依次為 T3＞T1＞T2＞CK，但 3 個處理間差異未達顯著水平。根冠比反映了植物地下部與地上部的相關(guān)性，良好的根系發(fā)育有助于地上部生長［24］。在污染 14 d 時，3 個處理的煙草根冠比均大于 CK，排序依次為 T3＞T2＞T1＞CK；污染 56 d時，T3 處理的煙株根冠比顯著高于其他兩個處理（P＜0.05）?？梢?，3 個處理均對復(fù)合污染條件下煙株各部位生物量的積累有明顯促進作用，特別是等量海泡石與生物炭配施處理具有協(xié)同改良復(fù)合污染的作用，對煙株各部位生物量積累及根冠比的提高效果較好。

圖1 復(fù)合污染條件下不同處理煙株各部位生物量及根冠比比較Fig.1 Biomasses of different parts of tobacco and root top ratio under different combined pollution treatments

2.3 改良劑對不同生育期煙草根系發(fā)育的影響

不同改良劑對煙草根系發(fā)育的影響如圖2 所示。在污染后14 d 時，3 個改良劑處理的煙株主根長、一級和二級側(cè)根長均大于CK，其中T3 處理的煙株主根長顯著高于CK（P＜0.05）。從第28～84 天，煙株的主根長及側(cè)根長等指標(biāo)均隨生育期的推進而增加，但各處理之間差異不顯著。在污染后的112 d 時，T3 處理的煙株主根長達到14.17 cm，顯著高于CK、T1 和T2 處理（P＜0.05），根體積也達到最大值，但與T1 處理間差異不顯著，同時，T1 處理的一級和二級側(cè)根長最高。這表明復(fù)合污染條件下生物炭改良劑對煙草根系發(fā)育的促進作用較小，而海泡石單施及海泡石與生物炭的配施處理均具有較好的效果。

圖2 復(fù)合污染條件下不同處理煙草根系生長發(fā)育狀況比較Fig.2 Tobacco root growth and development under different combined pollution treatments

2.4 改良劑對復(fù)合污染條件下煙草葉和根部甲霜靈含量的影響

改良劑對煙草葉和根部甲霜靈含量的影響如圖3 所示。在復(fù)合污染脅迫條件下，煙草各部位甲霜靈含量隨著生育期的推進均表現(xiàn)出先降低后趨于穩(wěn)定的趨勢（污染前煙株未檢出甲霜靈含量）。從污染后14～112 d 時，隨煙草的生長發(fā)育甲霜靈含量急劇降低，且在污染后56 d 時趨于穩(wěn)定，至污染后112 d 時葉和根兩部位甲霜靈含量均極低。3 個改良劑處理甲霜靈含量均顯著低于CK（P＜0.05），且T1、T2 和T3 處理間甲霜靈含量差異不顯著。

圖3 復(fù)合污染條件下不同處理煙草葉和根部甲霜靈含量比較Fig.3 Contents of metalaxyl in tobacco leaves and roots under different combined pollution treatments

煙株葉和根部甲霜靈殘留的消解動態(tài)見表3。各處理煙株根部甲霜靈的消解半衰期差異不大，但3 個處理間煙葉中甲霜靈半衰期均小于CK。這表明復(fù)合污染土壤中，3 個處理的效果差異不顯著，交互作用效應(yīng)較為獨立，且均能明顯降低煙株葉和根部甲霜靈含量，并加快了煙葉中甲霜靈殘留的消解進程。

2.5 改良劑對復(fù)合污染條件下煙草葉和根部鎘含量的影響

改良劑對復(fù)合污染條件下煙草葉和根部鎘含量動態(tài)的影響見圖4。各處理煙草葉及根部的鎘含量均隨煙草生育期的推進呈現(xiàn)先增加后降低并趨于穩(wěn)定的趨勢，其中CK 在污染后28 d 時葉和根部鎘含量均最高，分別為182.12 mg·kg-1和63.54 mg·kg-1；與CK 相比，各處理煙草葉和根部鎘含量吸收高峰則由污染后28 d 推遲到56 d，且鎘含量在所有取樣時期均顯著低于CK（P＜0.05）。除污染后112 d 時T1 處理的煙葉鎘含量顯著低于T2 和T3處理外，其他時期3 個處理間鎘含量差異不顯著。

表3 甲霜靈在煙株根和葉中的消解動態(tài)Tab.3 Degradation dynamics of metalaxyl in tobacco roots and leaves

圖4 復(fù)合污染條件下不同處理煙草葉和根部鎘含量比較Fig.4 Cd contents in tobacco leaves and roots under different combined pollution treatments

表4 復(fù)合污染條件下不同處理煙草葉部和根部鎘的富集系數(shù)比較Tab.4 Enrichment coefficients of Cd in tobacco roots and leaves under different combined pollution treatments

從煙草葉和根部對鎘元素的富集系數(shù)（表4）來看，3 個處理鎘元素的富集系數(shù)均低于CK，且3處理間差異不顯著。同時Cd 在煙葉中含量遠高于根部的含量，說明Cd 在煙草體內(nèi)的遷移能力較強，并最終富集在煙葉中。添加改良劑均能在一定程度上降低煙草葉及根部鎘含量，使煙草根部及煙葉鎘含量的吸收高峰推遲，進而抑制煙草葉和根部對鎘元素的富集。

3 討論

本研究中發(fā)現(xiàn)，甲霜靈和鎘復(fù)合污染條件下海泡石和生物炭及兩者等量配施對煙株生長發(fā)育和生物量積累均有不同程度的促進作用。這可能是因為生物炭和海泡石可降低土壤中有效態(tài)污染物（如鉛、鎘）的含量以及污染物的生物有效性，從而減少污染物對煙株的毒害程度［25］。有研究表明，生物炭可直接向土壤中提供有機質(zhì)及作物生長所需的元素和養(yǎng)分［26］，還具有增加煙株株高、生物量和提高根際土壤pH、激發(fā)抗氧化酶活性，增強植株自身的抗逆性等作用［27］。海泡石與生物炭在作為改良劑同時施入污染土壤中，除各自發(fā)揮了自身作用外，還起到了協(xié)同改良復(fù)合污染土壤的效果。從本試驗結(jié)果看，生物炭和海泡石對煙株根系發(fā)育具有不同程度的促進作用，而海泡石的單施及海泡石和生物炭兩者等量配施的改良效果更好。這是因為海泡石具有特殊的孔隙結(jié)構(gòu)，能夠改善植株根系生長環(huán)境，同時增加土壤緩沖性能，進而促進了煙草側(cè)根發(fā)育、根體積及生物量增大，這與前人的研究結(jié)果基本一致［28-29］。

從甲霜靈在煙株根及葉中的消解動態(tài)來看，煙草根系及葉片中甲霜靈殘留在試驗時段內(nèi)表現(xiàn)為先降低后趨于穩(wěn)定的趨勢，這是由于甲霜靈在土壤中的不斷降解以及海泡石和生物炭對其具有較強的吸附作用所致。另外，本研究中海泡石和生物炭均能明顯降低煙草葉和根中甲霜靈含量，并加快了煙葉中甲霜靈殘留的消解進程，而且單施與配施效果相近。鄭雄志等［30］在生物炭對煙田土壤中農(nóng)殘的影響效果試驗中發(fā)現(xiàn)，隨著生物炭施用量增加，煙株葉寬、葉長、株高均有不同程度增加，而二氯喹啉酸殘留傷害率逐漸降低。添加10 g·kg-1生物質(zhì)炭的土壤中，植物殘體中所含毒死蜱和卡巴呋喃殘留僅為對照的10%和25%；同時Yu 等［31］也證明了生物炭作為土壤修復(fù)劑能夠抑制植物對農(nóng)藥的吸收，縮短農(nóng)藥在體內(nèi)的半衰期，減少農(nóng)藥在食物鏈中的流動，這與本試驗的結(jié)果基本一致。另外海泡石作為一種層狀硅酸鹽礦物，具有較大的比表面積和離子交換性能，吸附能力強，可以作為環(huán)境中農(nóng)藥殘留的摻合劑和吸附劑［32］。兩者單施或配施均對土壤中農(nóng)藥殘留污染產(chǎn)生顯著的改良效果。

生物炭和海泡石對重金屬的吸附鈍化作用主要是因為其與土壤中重金屬發(fā)生沉淀、絡(luò)合和吸附等物理化學(xué)反應(yīng)，改變了重金屬在土壤中的化學(xué)形態(tài)和賦存形態(tài)，將活性高的形態(tài)向活性低的形態(tài)轉(zhuǎn)化，從而達到鈍化重金屬的目的［33］。本研究中發(fā)現(xiàn)，煙葉及根系中鎘含量呈先增加后降低并趨于穩(wěn)定的趨勢，同時海泡石和生物炭表現(xiàn)出顯著的改良效果，明顯抑制了煙草根系對于重金屬鎘的吸收，降低了鎘在葉及根中的富集。首先，海泡石具有較大的比表面積和吸附量，可抑制植物對鎘的吸收，同時降低鎘離子的有效性，減輕鎘對植株的毒害［34］。孫約兵等［35］研究發(fā)現(xiàn)，海泡石可使土壤Cd-Pb 復(fù)合污染中Cd 和Pb 由活性較高的可提取態(tài)轉(zhuǎn)化為活性較低的有機結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化結(jié)合態(tài)以及殘渣態(tài)等，并能增加部分酶活性和微生物數(shù)量，改善土壤環(huán)境條件，從而降低水稻中的重金屬含量。其次，生物炭對作物根際土壤鎘的有效性及植物中鎘含量具有同樣的抑制作用［36］。生物炭和海泡石作為重金屬污染土壤的高效鈍化劑，兩者混合施用后可提高土壤pH，有效降低土壤中有效態(tài)Cd 含量50%以上，降低植株內(nèi)Cd 含量達69.63%［37］。因此推測本試驗中重金屬的離子交換吸附作用可能是影響兩種改良劑處理復(fù)合污染土壤效果的重要因素。而有關(guān)海泡石和生物炭對復(fù)合污染條件下煙草發(fā)育調(diào)控的內(nèi)在機理仍有待進一步研究，同時在盆栽試驗基礎(chǔ)上還應(yīng)進一步開展大田應(yīng)用與效果驗證。

4 結(jié)論

在溫室大棚盆栽試驗條件下：（1）甲霜靈及鎘復(fù)合污染土壤中添加海泡石和生物炭改良劑均能不同程度地促進煙株的生長發(fā)育和生物量積累，且兩者等量配施效果優(yōu)于單一施用。（2）添加改良劑能不同程度加快甲霜靈在煙葉中的消解進程，降低煙葉和根中甲霜靈含量，并縮短甲霜靈在煙葉中的半衰期。（3）添加改良劑能夠在一定程度上降低煙葉及根中鎘含量，同時延遲煙葉及根對重金屬鎘的吸收高峰，降低葉和根中鎘的富集系數(shù)。（4）等量海泡石與生物炭配施，既能促進煙草的生長發(fā)育又可有效緩解農(nóng)殘和重金屬的毒害，是復(fù)合污染條件下煙田土壤改良的較有效措施。