柴冠群，范成五，劉桂華，楊嬌嬌，文 雄，秦 松

(1.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，貴陽 550006；2.貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，貴陽 550025)

【研究意義】土壤是保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全和人居環(huán)境安全的重要前提[1]。隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展與農(nóng)業(yè)高度集約化生產(chǎn)后，我國農(nóng)業(yè)土壤污染問題逐漸凸顯[2]，污染土壤中以Cd風(fēng)險最高，點位超標(biāo)率達(dá)7.0%[3]，Cd含量分布呈現(xiàn)出從西北到東南，從東北到西南方向逐漸升高的趨勢[2]。貴州是我國典型的高Cd地質(zhì)背景區(qū)[4-5]，其耕層土壤Cd含量的算數(shù)平均值為0.659 mg/kg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于全國土壤Cd含量的算數(shù)平均值0.097 mg/kg[6]，這與成土母質(zhì)和母巖等地球化學(xué)屬性密切相關(guān)[2]。農(nóng)業(yè)土壤污染問題亟需解決，植物修復(fù)重金屬污染土壤具有環(huán)境友好、成本低廉、原位修復(fù)等優(yōu)勢，是解決農(nóng)業(yè)土壤污染問題的有效措施之一。開展植物修復(fù)重金屬污染土壤方面的研究具有重要現(xiàn)實意義。【前人研究進(jìn)展】貴州作為我國烤煙主產(chǎn)區(qū)[7]，烤煙是其重要的經(jīng)濟(jì)作物之一，其在幫助當(dāng)?shù)責(zé)熮r(nóng)脫貧致富中發(fā)揮著重要作用[7]。烤煙屬于易累積Cd的經(jīng)濟(jì)作物[9-10]，其富集系數(shù)可達(dá)5～10[11]。貴州高鎘含量煙葉主要分布在福泉、水城等礦產(chǎn)資源富集區(qū)[12]，張艷玲等[13]采集貴州75個煙葉樣品，其Cd平均含量為4.93 mg/kg，略低于貴州煙葉Cd限值(5.0 mg/kg)[14]。煙葉累積Cd的多少與土壤Cd含量密切相關(guān)[15]，在高鎘地質(zhì)背景區(qū)種植烤煙，可能存在超標(biāo)風(fēng)險。《中華人名共和國土壤污染防治法》[1]與《土壤污染防治行動計劃》[16]均明確提出輕中度重金屬污染農(nóng)田應(yīng)劃為安全利用類土壤，可以采取種植結(jié)構(gòu)調(diào)整與品種替代等措施實現(xiàn)土壤安全利用，并達(dá)到農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的要求?！颈狙芯壳腥朦c】在重金屬污染土壤種植烤煙，將其不可利用部分(根、莖、葉脈)回收，集中無害化處理，可達(dá)到吸收土壤重金屬，修復(fù)土壤重金屬污染的目的。前人關(guān)于烤煙不同部位Cd含量分布的研究結(jié)果不盡相同[17-18]，若烤煙不可利用部分對重金屬累積量較小，則會減弱其修復(fù)土壤的能力?？緹熞蚱渖锪看?，對Cd富集能力強(qiáng)，可以探索在煙葉Cd含量達(dá)標(biāo)的前提下，通過種植烤煙實現(xiàn)輕中度Cd污染土壤安全利用，并達(dá)到土壤修復(fù)的目的。目前，相關(guān)研究鮮見報導(dǎo)。【擬解決的關(guān)鍵問題】分析貴州生物量較大的4個烤煙品種(貴煙8號、CF228、南江3號和畢納1號)與常規(guī)品種(云煙87)對Cd的累積分配特征及對Cd中度污染土壤修復(fù)效果，以期為貴州輕中度Cd污染煙田土壤安全利用與治理修復(fù)提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 烤煙品種 選擇貴州生物量較大的4個烤煙品種(貴煙8號、CF228、南江3號、畢納1號)與常規(guī)品種(云煙87)，煙苗取自貴州省煙草科學(xué)研究院。

1.1.2 土壤及其他 供試土壤為黃壤，采自貴州某烤煙基地0～20 cm耕作層。其基本理化性質(zhì)：pH 6.44，有機(jī)質(zhì)26.03 g/kg，陽離子交換量15.3 cmol/kg，全氮、全磷和全鉀分別為1.13、0.68和12.54 g/kg，堿解氮、有效磷和速效鉀分別為65、47和165 mg/kg，全Cd含量(0.705±0.009) mg/kg。根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618—2018)[19]，土壤Cd含量在0.6～0.9 mg/kg為中度污染土壤，需要加強(qiáng)風(fēng)險管控，則試驗土壤為中度Cd污染土壤，屬于安全利用類土壤。盆缽，直徑與高度分別為36與34 cm，市購。

1.2 方法

1.2.1 試驗設(shè)計 通過盆栽試驗研究貴州5個品種烤煙安全生產(chǎn)及其對中度Cd污染煙田的修復(fù)潛力。試驗設(shè)5個處理，每個品種為1個處理，每個處理種植5盆(5次重復(fù))，每盆裝土20 kg，種植1株烤煙，共25盆?？緹熋琮g60 d移栽，參照文獻(xiàn)[20]施用分析純尿素(4.65 g/盆)、磷酸二氫鉀(10.10 g/盆)和硫酸鉀(8.20 g/盆)。整個試驗過程中采用超純水澆水，每盆澆水量一致，無水滲出。

1.2.2 樣品預(yù)處理 ①烤煙樣品采集與處理?？緹熑~片成熟后，一次性采收其根、莖、葉，用自來水沖洗干凈后，以去離子水潤洗，再用吸水紙吸干水分，然后用塑料刀按葉脈走向?qū)⑷~脈與葉片分離，烤煙根、莖、葉片和葉脈在105 ℃殺青30 min，60 ℃烘干，分別稱重?？緹煾⑶o、葉片和葉脈烘干樣單獨粉碎，過60目尼龍篩備用。②土壤樣品采集與處理?？緹煵墒胀瑫r，采集盆中土壤，每盆土壤單獨處理。土壤風(fēng)干后，采用四分法采集1 kg土壤全部研磨過10目尼龍篩，對過10目尼龍篩的土壤繼續(xù)采用四分法采集200 g土壤研磨，過100目尼龍篩備用。

1.2.3 指標(biāo)測定 烤煙根、莖、葉片、葉脈樣品采用HNO3-HClO4消解，稀HCl定容，土壤樣品采用HNO3-HClO4-HF-HCl消解，稀HCl定容，消解液中Cd含量采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測定。所有試驗用品均經(jīng)稀酸浸泡，試驗用水均為去離子超純水。同時檢測3個空白樣品和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW07403和GBW10014)控制試驗準(zhǔn)確度。修復(fù)效率(土壤Cd去除率)[21]與烤煙植株對Cd的富集系數(shù)及不同器官轉(zhuǎn)運系數(shù)[22]計算如下。

修復(fù)效率=[修復(fù)前土壤Cd濃度(mg/kg)-修復(fù)后土壤Cd濃度(mg/kg)]/修復(fù)前土壤Cd濃度(mg/kg)×100%

烤煙植株對Cd的富集系數(shù)(BCF)=整株Cd濃度/收獲后土壤Cd濃度×100%

烤煙地上部對Cd的轉(zhuǎn)運系數(shù)(TF1)=地上部Cd濃度/根Cd濃度×100%

莖對Cd的轉(zhuǎn)運系數(shù)(TF2)=莖Cd濃度/根Cd濃度×100%

葉脈對Cd的轉(zhuǎn)運系數(shù)(TF3)=葉脈Cd濃度/莖Cd濃度×100%

葉片對Cd的轉(zhuǎn)運系數(shù)(TF4)=葉片Cd濃度/葉脈Cd濃度×100%

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS 20.0與Sigmaplot 12.5進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析和制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cd脅迫不同品種烤煙的生物量與根冠比

從表1可知，5個烤煙品種各器官生物量均存在差異。

表1 不同品種烤煙的生物量與根冠比Table 1 The biomass and root-shoot ratio of different tobacco varieties (g/株)

2.1.1 根 各處理根的生物量為58.895～115.410 g/株，表現(xiàn)為CF228>貴煙8號>畢納1號>南江3號>云煙87，各處理間差異顯著。

2.1.2 莖 各處理莖的生物量為82.995～158.113 g/株，表現(xiàn)為CF228>畢納1號>南江3號>貴煙8號>云煙87，其中，CF228與畢納1號差異不顯著，二者均顯著高于其余處理；南江3號和貴煙8號二者差異不顯著，但均顯著高于云煙87。

2.1.3 葉脈 各處理葉脈的生物量為42.830～62.125 g/株，表現(xiàn)為畢納1號>南江3號>CF228>貴煙8號>云煙87，其中，畢納1號、南江3號和CF228三者差異不顯著，但均顯著高于貴煙8號和云煙87，貴煙8號與云煙87差異顯著。

2.1.4 葉 各處理葉的生物量為80.985～131.490 g/株，表現(xiàn)為畢納1號>CF228>南江3號>云煙87>貴煙8號，其中，CF228與南江3號和畢納1號差異不顯著，但均顯著高于其余處理；云煙87顯著高于貴煙8號。

2.1.5 總質(zhì)量 各處理總質(zhì)量為275.610～463.060 g/株，表現(xiàn)為CF228>畢納1號>南江3號>貴煙8號>云煙87，其中，CF228顯著高于其余處理；畢納1號與南江3號差異不顯著；云煙87顯著低于其余處理。

2.1.6 根冠比 各處理根冠比為0.248～0.361，表現(xiàn)為貴煙8號>CF228>云煙87>畢納1號>南江3號，其中，貴煙8號顯著高于其余處理，且差異顯著；云煙87、畢納1號與南江3號差異不顯著。

綜上看出，烤煙CF228與畢納1號莖、葉脈及葉生物量差異不顯著，但均顯著大于云煙87；烤煙CF228總質(zhì)量最大，畢納1號次之?？緹煾髌鞴賰H有葉為可利用部分，不同烤煙品種的葉生物量以畢納1號最大。

2.2 Cd脅迫烤煙不同器官的Cd濃度

從表2可知，5個烤煙品種不同器官Cd濃度存在差異。

表2 烤煙不同器官的Cd濃度Table 2 Cd concentration in different tobacco parts (mg/kg)

2.2.1 根 各處理根的Cd濃度為0.304～0.462 mg/kg，表現(xiàn)為畢納1號>云煙87>南江3號>貴煙8號>CF228，其中，畢納1號根的Cd濃度顯著高于其余處理；云煙87顯著高于CF228，與其余處理差異不顯著；其余處理間差異不顯著。

2.2.2 莖 各處理莖的Cd濃度為0.523～0.926 mg/kg，表現(xiàn)為畢納1號>云煙87>貴煙8號>CF228>南江3號，其中，畢納1號顯著高于云煙87，二者均顯著高于其余處理；其余處理間差異不顯著。

2.2.3 葉脈 各處理葉脈的Cd濃度為1.130～2.645 mg/kg，表現(xiàn)為畢納1號>云煙87>CF228>貴煙8號>南江3號，其中，畢納1號葉脈的Cd濃度顯著高于其余處理；貴煙8號和南江3號差異不顯著，但均顯著低于其余處理；其余各處理間差異顯著。

2.2.4 葉 各處理葉的Cd濃度為1.510～2.110 mg/kg，表現(xiàn)為貴煙8號>云煙87>CF228>南江3號>畢納1號，各處理的Cd濃度均明顯小于限值(5.0 mg/kg)[14]。其中，貴煙8號顯著高于其余處理；云煙87與CF228差異不顯著，但均顯著高于其余處理；其余各處理間差異不顯著。

2.2.5 整株 各處理整株的Cd濃度為0.878～1.382 mg/kg，表現(xiàn)為畢納1號>云煙87>CF228>貴煙8號>南江3號，其中，畢納1號顯著高于其余處理；云煙87也顯著高于其余處理；其余處理間差異不顯著。

綜上看出，畢納1號根、莖、葉脈及整株中的Cd濃度均顯著大于其他品種烤煙，但其葉中Cd濃度顯著小于其他品種烤煙，且遠(yuǎn)小于貴州煙葉Cd限值(5.0 mg/kg)[14]，而煙葉在采收完畢后，烤煙其他部位要離田處理，從植物修復(fù)土壤重金屬污染角度考慮，畢納1號修復(fù)效果較好，且煙葉能夠安全生產(chǎn)。

2.3 Cd脅迫烤煙不同器官Cd累積與分配

2.3.1 烤煙不同器官Cd的累積 從表3可知，5個烤煙品種各器官Cd累積量均存在差異。

表3 烤煙不同器官對Cd的累積量Table 3 Cd accumulation in different tobacco parts (μg/株)

(1)根:各處理的Cd累積量為21.120～40.466 μg/株，表現(xiàn)為畢納1號>CF228>貴煙8號>南江3號>云煙87，其中，畢納1號顯著高于其余處理，差異顯著；南江3號與云煙87差異不顯著，顯著低于其他處理。

(2)莖:各處理莖的Cd累積量為60.037～139.060 μg/株，表現(xiàn)為畢納1號>CF228>貴煙8號>南江3號>云煙87，其中，畢納1號顯著高于其余處理；CF228顯著高于云煙87，其余處理間差異不顯著。

(3)葉脈:各處理葉脈的Cd累積量為64.249～164.338 μg/株，表現(xiàn)為畢納1號>CF228>云煙87>南江3號>貴煙8號，其中，畢納1號顯著高于其余處理；CF228與云煙87、南江3號與貴煙8號差異均不顯著，但CF228與云煙87均顯著高于南江3號與貴煙8號。

(4)葉:各處理葉的Cd累積量為166.728～239.238 μg/株，表現(xiàn)為畢納1號>CF228>南江3號>貴煙8號>云煙87，其中，畢納1號和CF228差異不顯著，但均顯著高于其余處理；其余各處理間差異不顯著。

(5)整株:各處理整株的Cd累積量為329.047～583.102 μg/株，表現(xiàn)為畢納1號>CF228>南江3號>貴煙8號>云煙87，其中，畢納1號顯著高于CF228，二者均顯著高于其余處理；其余處理間差異不顯著。說明，畢納1號對土壤Cd的吸收量最大。2.3.2 烤煙不同器官Cd的分配 從圖1可知，Cd在5個烤煙品種各器官的分配均存在差異。5個烤煙品種均表現(xiàn)為葉中分配率最大，根中分配率最?。毁F煙8號和畢納1號不同器官Cd的分配率表現(xiàn)為葉>葉脈>莖>根，云煙87、CF228與南江3號則表現(xiàn)為莖中Cd的分配率略高于葉脈。畢納1號不可利用部分(葉脈、莖、根)Cd的分配率最大，可利用部分(葉)Cd的分配率最小，為41.03%；其他4個品種均大于50%。

圖1 Cd在各品種烤煙不同器官的分配率Fig.1 Cd distribution in different parts of 5 tobacco varieties

2.4 不同烤煙品種對土壤Cd的修復(fù)效果

從表4可知，與原始土壤Cd濃度相比，烤煙收獲后，土壤Cd濃度均有顯著降低，降低幅度為0.016～0.029 mg/kg，其中種植畢納1號的土壤Cd濃度降低最多，其次是南江3號，種植云煙87的土壤Cd含量降低最少。5個品種對土壤Cd污染的修復(fù)效率為2.269%～4.113%，表現(xiàn)為畢納1號>CF228>南江3號=貴煙8號>云煙87，其中，畢納1號最高，CF228其次(3.262%)，說明畢納1號烤煙吸收土壤Cd的能力最強(qiáng)。

表4 烤煙收獲前后土壤Cd含量的變化Table 4 Changes of Cd content in soil before and after tobacco harvest

2.5 不同烤煙品種對Cd的富集轉(zhuǎn)運能力

從表5可知，5個烤煙品種各器官對Cd的富集轉(zhuǎn)運能力存在差異。5個烤煙品種植株對土壤Cd的富集系數(shù)為127.695%～204.549%，表現(xiàn)為畢納1號>云煙87>CF228>貴煙8號>南江3號，畢納1號顯著高于云煙87，二者均顯著高于其余處理；其余處理間差異不顯著；畢納1號對土壤Cd富集能力最強(qiáng)，南江3號富集能力最弱。各品種地上部對Cd的轉(zhuǎn)運系數(shù)為330.028%～402.216%，表現(xiàn)為云煙87>CF228>貴煙8號>畢納1號>南江3號，云煙87和CF228顯著高于南江3號，其余處理間差異不顯著。各品種莖部對Cd的轉(zhuǎn)運系數(shù)為169.806%～205.799%，表現(xiàn)為云煙87>畢納1號>CF228>貴煙8號>南江3號，各品種差異不顯著。各品種葉脈對Cd的轉(zhuǎn)運系數(shù)為216.691%～285.683%，表現(xiàn)為畢納1號>CF228>云煙87>貴煙8號>南江3號，畢納1號顯著高于南江3號，但與其余品種差異不顯著。各品種葉對Cd的轉(zhuǎn)運系數(shù)為74.299%～173.166%，表現(xiàn)為貴煙8號>南江3號>CF228>云煙87>畢納1號，畢納1號最弱，顯著低于其余品種，說明畢納1號可利用部位對Cd的累積能力比不可利用部位弱。綜上，可以考慮將畢納1號作為修復(fù)中度Cd污染土壤的植物修復(fù)材料。

表5 烤煙植株對Cd的富集能力及不同器官對Cd的轉(zhuǎn)運能力Table 5 Cd accumulation of tobacco plants and transport ability of different parts from tobacco plants (%)

3 討 論

利用超富集植物提取土壤重金屬是一種環(huán)境友好、成本低廉的技術(shù)[23]。目前已發(fā)現(xiàn)的超富集植物多由于生物量小、生長緩慢等缺點不能大面積推廣。因此，更應(yīng)關(guān)注高生物量的重金屬耐(抗)性植物[24]?？緹熓且环N生物量較大，易累積Cd的經(jīng)濟(jì)作物[25]，烤煙畢納1號對Cd的累積量最大，為583.102 μg/株，其種植密度按1.65 萬株/hm2計算，每年烤煙可移除土壤Cd 9.621 g/hm2，土壤Cd濃度約可降低0.038 mg/kg，其對土壤Cd的修復(fù)效率可達(dá)4.113%。不同品種烤煙對Cd的累積特征存在差異，與其對土壤Cd的富集轉(zhuǎn)運能力有關(guān)，烤煙畢納1號對Cd的富集系數(shù)為204.529%，顯著大于其他4種烤煙，而烤煙畢納1號根、莖與葉脈中Cd濃度均顯著大于其他4種烤煙，葉片中Cd濃度均顯著小于其他4種烤煙，可能與葉脈部位汁液向葉片的流速與細(xì)胞中Cd形態(tài)有關(guān)。劉曉等[26]分析不同品種煙草忍耐Cd的機(jī)制發(fā)現(xiàn)，Cd脅迫可以抑制烤煙的傷流量，降低其運輸速率。

烤煙作為一種經(jīng)濟(jì)作物，其收獲的主要是葉片，該研究烤煙葉片Cd濃度為1.510～2.110 mg/kg，遠(yuǎn)低于貴州烤煙Cd限值[14](5.0 mg/kg)，說明在貴州Cd中度污染土壤上種植烤煙，其能夠達(dá)到安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，并且烤煙可累積Cd 329.047～593.102 μg/株。烤煙不同器官中Cd分配率表現(xiàn)為葉片最大，根最小，與吳玉萍等[18，27]研究結(jié)果一致，與烤煙根系對Cd的吸收、莖和葉片中Cd的轉(zhuǎn)運及再分配有關(guān)[28]。該研究畢納1號烤煙莖與葉脈對Cd的轉(zhuǎn)運能力與其他4種烤煙差異不顯著，而其葉片對Cd的轉(zhuǎn)運能力顯著小于其他4種烤煙。

蘇賢坤等[29]提出利用烤煙根、莖富集重金屬的特點，對采摘過煙葉的根莖集中處理，達(dá)到提取土壤重金屬與防止二次污染的目的。5個烤煙品種中畢納1號的不可利用部分(根、莖、葉脈)對Cd的累積分配最大，其葉片中累積分配最小，畢納1號葉片中Cd分配率最小，為41.03%，其他4個品種均大于50%，畢納1號中Cd從葉脈向葉片的轉(zhuǎn)移系數(shù)最小(74.299%)，畢納1號將Cd主要儲存在根、莖及葉脈等不可利用部分，較其他4種烤煙相比，降低了原料煙葉生產(chǎn)中的不利因素。畢納1號對Cd的累積量最大，為583.102 μg/株。因此，從Cd污染土壤修復(fù)及其安全利用角度考慮，可以將種植畢納1號作為貴州中度Cd污染煙田安全利用措施之一。

4 結(jié) 論

烤煙作為一種葉片類經(jīng)濟(jì)作物，本研究的5個烤煙品種中畢納1號的單株葉片生物量最大，為131.490 g/株，其葉片Cd濃度顯著小于其他品種，且遠(yuǎn)低于貴州煙葉Cd含量限值(5.0 mg/kg)，但其整株吸收Cd含量最大，對Cd污染土壤的修復(fù)效率為4.113%；其將Cd主要儲存在根、莖及葉脈等不可利用部分，降低了原料煙葉生產(chǎn)中的不利因素。因此，可將種植畢納1號作為貴州中度Cd污染煙田植物修復(fù)與安全利用的措施之一。