龍煒凡，胡志姣，楊家明，張亞當(dāng)，陳錦運，劉耀馳,4

(1.湖南隆洲馳宇科技有限公司，中國 長沙 410013；2.云南省羅平縣板橋鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)中心，中國 羅平 655800；3.西南林業(yè)大學(xué)會計學(xué)院，中國 昆明 650000；4.中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，中國 長沙 410083)

土壤退化與污染是全球面臨的重要挑戰(zhàn)，近年來，我國土壤重金屬污染問題突顯。不合理的肥料施用、土壤退化、污水灌溉及大氣沉降都可能造成土壤重金屬污染，不僅影響農(nóng)作物正常生產(chǎn)，還會隨著食物鏈進入人體對人體構(gòu)成威脅[1-3]。《全國土壤污染狀況調(diào)查公報(2014年4月17日)》顯示，我國農(nóng)田土壤污染點位超標(biāo)率為19.4%，鎘是首要重金屬污染物，砷的位點超標(biāo)率僅次于鎘和鎳[4]，土壤鎘和砷污染同時存在，受兩者化學(xué)性質(zhì)影響，常規(guī)治理修復(fù)方法與材料很難滿足要求[5]。

目前，我國耕地重金屬污染治理的重點是糧食安全，在經(jīng)濟作物方面的大田應(yīng)用相對較少。煙草是我國重要的經(jīng)濟作物，也是重金屬高富集植物，由于其葉面積大，蒸騰作用強，在重金屬污染耕地上種植極易造成煙葉重金屬積累[6]。卷煙燃燒中心溫度達800 ℃，其中重金屬化合物的10%～20%成為煙氣氣溶膠或金屬氧化物隨煙氣進入人體造成危害，所以有關(guān)煙草重金屬污染的研究日益受到重視[7,8]。

粘土礦物基材料具有粒徑小、比表面積大等特點，具有良好的對重金屬離子進行離子交換吸附、絡(luò)合、沉淀能力，可以實現(xiàn)對土壤重金屬元素的固化與穩(wěn)定化，且價格低廉效果持久，是一種性價比優(yōu)越的重金屬修復(fù)材料[9-11]。同時粘土礦物材料在經(jīng)過一定處理后能激活大量有效硅，這些硅能緩解重金屬對作物的脅迫作用，并且抑制植株下部重金屬向上部轉(zhuǎn)移[12,13]。本研究基于活化改性礦物基土壤調(diào)理劑(修復(fù)劑)應(yīng)用于Cd-As復(fù)合污染耕地等系列成果[14-16]，對煙草土壤鎘砷復(fù)合污染進行了修復(fù)改良小區(qū)試驗，研究以粘土礦物基材料制成的土壤調(diào)理劑對Cd-As復(fù)合污染土壤的治理效果及不同修復(fù)模式對煙草的影響。

1 土壤與材料

1.1 供試土壤

試驗地位于云南省曲靖市，于2021年4月—2021年10月進行，前茬作物為油菜，地形平坦、地力均勻、排灌方便，光照充足，在當(dāng)?shù)乜緹焻^(qū)域有較強的代表性和典型性。試驗田土壤化驗結(jié)果如表1所示，其中總鎘含量超過《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)(試行)》(GB 15618—2018)風(fēng)險管制值，總砷含量超過其規(guī)定的風(fēng)險篩選值，屬于鎘重度污染、砷輕度污染的復(fù)合污染土壤。

表1 試驗地土壤理化性質(zhì)

1.2 修復(fù)材料

(1)供試煙草品種為K326，大田育苗栽培；

(2)供試產(chǎn)品：①“海匯龍洲牌”土壤調(diào)理劑：w(CaO)≥40%，w(SiO2)≥20%，pH值9～11；②“海匯龍洲牌”有機硅葉面肥：ρ(SiO2)≥120 g·L-1。

2 試驗部分

2.1 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置5個處理，即4個試驗組和1個對照組(CK)，每個處理設(shè)3個地塊，共15個小區(qū)。小區(qū)隨機區(qū)組排列，小區(qū)面積80 m2。不同處理間進行隔離，防止小區(qū)間出現(xiàn)串排串灌。試驗地四周設(shè)置2.4 m的保護行。試驗處理設(shè)置為：

①對照組：常規(guī)施肥；

②試驗組1：基施土壤調(diào)理劑3 750 kg·hm-2+常規(guī)施肥；

③試驗組2：基施土壤調(diào)理劑3 750 kg·hm-2+深翻耕40 cm+常規(guī)施肥；

④試驗組3：基施土壤調(diào)理劑3 750 kg·hm-2+有機硅葉面肥噴施+常規(guī)施肥；

⑤試驗組4：基施土壤調(diào)理劑3 750 kg·hm-2+有機硅葉面肥噴施+深翻耕40 cm+常規(guī)施肥。

土壤調(diào)理劑于翻耕前按照設(shè)置的用量均勻散入土表，翻耕后充分耙勻。有機硅葉面肥于煙草旺長期進行葉面噴施2次，兩次間隔15天。試驗期內(nèi)各小區(qū)除了有機硅葉面肥噴施和深翻耕不同之外，其他方面包括常規(guī)施肥、小區(qū)灌溉、病蟲害防治等農(nóng)事操作均保持一致。

2.2 樣品采集

(1)土壤取樣：在煙草成熟期，各小區(qū)按“S”型曲線選取5 點采集0～20 cm土樣并充分混合均勻。每個樣品采集量約1 kg，采集后立即裝入塑料密封袋，做好標(biāo)記，運回實驗室待測。

(2)煙葉及根莖取樣：煙草成熟后，各小區(qū)分時期分別采收成熟下、中、上部煙葉進烤房烘烤。待烘烤結(jié)束后，取各個小區(qū)烤后煙葉各1 kg，去主脈粉碎后裝入樣品袋中備用。

煙葉最后一次采收結(jié)束后，各小區(qū)分別采取根、莖樣本，每小區(qū)5株并進行分離。曬干粉碎后裝入樣品袋中備用。

2.3 樣品檢測

(1)土壤檢測：pH值依照《土壤pH的測定》(NY/T1377—2007)，有效鎘、有效砷依照《土壤質(zhì)量 有效態(tài)鉛和鎘的測定 原子吸收法》(GB/T 23739—2009)。

(2)煙葉檢測：鎘依照《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中鎘的測定》(GB5009.15—2014)，砷依照《煙草及煙草制品 汞、砷、鉛含量的測定氫化物原子熒光光度法》(YC/T 250—2008)。

2.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2010進行處理，試驗各處理間的數(shù)據(jù)采用LSD檢驗進行分析，應(yīng)用的統(tǒng)計分析軟件是SPSS 21.0。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同處理對煙草產(chǎn)量的影響

不同處理對煙草產(chǎn)量的影響見表2。4個試驗組與對照組間產(chǎn)量接近，沒有顯著差距，其中試驗2產(chǎn)量最高，為3 153.90 kg·hm-2，較對照組增產(chǎn)6.04%，但差異不顯著。產(chǎn)值方面，各試驗組平均產(chǎn)值較對照增加4 350 元·hm-2，優(yōu)勢明顯，其中試驗2產(chǎn)值最高，達到了96 705 元·hm-2，產(chǎn)值增加12.97%，且與對照組有顯著差異。所有試驗組較對照組產(chǎn)值平均增加5.08%，說明施用土壤調(diào)理劑對煙草經(jīng)濟價值有所提升。試驗組中等葉比例相較于對照組無顯著差異，而上等葉比例有提升，且試驗1和試驗2相較對照有顯著差異，說明煙草產(chǎn)值提升的原因主要是提升了煙草上等葉比例。而試驗3與試驗4相較于試驗1和試驗2上等葉比例有所下降，且有顯著差異，說明噴施葉面有機硅不利于提升上等葉比例。試驗2對比試驗1及試驗4對比試驗3的上等葉比例均無顯著差異，說明深翻耕措施對煙草上等葉比例無顯著差異。

表2 各處理煙草經(jīng)濟效益分析

3.2 不同處理對煙草土壤的影響

土壤pH值及重金屬含量變化情況見表3。各處理間土壤的pH值從高到低排列為試驗2>試驗1>試驗4>對照>試驗3，對比表1可發(fā)現(xiàn)各處理較試驗前有所上升，平均提升0.75，提升最多的是試驗2增加了0.97，但各試驗組與對照間無顯著差異?？梢钥闯?，經(jīng)過處理后土壤pH值略有提升。

表3 不同處理條件對土壤的影響

各處理有效鎘含量從高到低為：對照=試驗3>試驗1>試驗2>試驗4，各試驗組土壤中有效鎘含量均不高于對照，平均降低0.19 μg·g-1，說明施用土壤調(diào)理劑對降低土壤中有效鎘含量有作用；其中最低為試驗4(降低21.38%)，其次為試驗2(降低18.87%)，且均與對照有顯著差異，說明施用土壤調(diào)理劑配合深翻耕操作對降低土壤有效鎘含量有積極作用；試驗3和試驗4與試驗1和試驗2對比無明顯優(yōu)勢，說明噴施葉面有機硅對土壤有效鎘影響較??；對比表1，各處理土壤中有效鎘含量與處理前比較均有降低，平均降低8.99%。

各處理有效砷含量由高到低為：對照>試驗3>試驗1>試驗4>試驗2，可看出各試驗組與對照相比均有降低，說明施用土壤調(diào)理劑對于降低土壤有效砷含量有效果；其中最低為試驗2(降低59.72%)，其次為試驗4(降低44.08%)，均較對照有顯著差異，說明施用土壤調(diào)理劑配合深翻耕操作對降低土壤有效砷含量有積極作用；試驗3和試驗4與試驗1和試驗2對比無明顯優(yōu)勢，說明噴施葉面有機硅對土壤有效砷影響較??；對比表1，各處理土壤中有效砷含量與處理前比較均有降低，平均降低30.73%。

3.3 不同處理對煙草重金屬鎘含量的影響

不同處理對煙草中重金屬鎘含量的影響見表4。各試驗組下、中部葉中鎘含量均低于對照組，下部葉平均降低0.38 μg·g-1，其中最低為試驗4(較對照降低39.85%)，且有顯著差異；中部葉平均降低0.19 μg·g-1，其中最低為試驗1(較對照降低23.48%)，但無顯著差異；各處理上部葉鎘含量從高到低為：試驗1>試驗3>對照>試驗4>試驗2，各試驗組較對照平均降低0.06 μg·g-1，其中最低為：試驗2(較對照降低17.57%)，有顯著差異；各處理煙根部鎘含量從高到低為試驗2>對照>試驗1=試驗3>試驗4，最低為試驗4(降低0.04 μg·g-1)，降低率3.23%，無顯著差異；各試驗組煙莖中鎘含量較對照均有增加，平均增加0.198 μg·g-1，其中試驗1增加最多(較對照增加25%)，有顯著差異。上述討論說明，施用土壤調(diào)理劑在整體上能抑制土壤中鎘向煙葉中富集，而對煙根部富集鎘作用較小，對煙莖富集鎘有反作用，表明土壤調(diào)理劑主要作用于煙莖到煙葉的轉(zhuǎn)運過程。

表4 不同處理條件下煙草不同部位重金屬鎘含量

使煙葉中重金屬鎘含量降低，試驗4(土壤調(diào)理劑+有機硅+深翻耕)效果最佳，上、中、下部葉分別降低了14.86%，22.61%及39.85%；其次為試驗2，分別降低17.57%，13.91%及32.33%，說明深翻耕技術(shù)與土壤調(diào)理劑配合使用有較好效果；而噴施葉面有機硅僅在配合深翻耕情況下有較好促進作用，單獨使用效果不明顯。從煙草植株各部位吸收鎘的含量來看，植株鎘含量順序為：上部葉>根>莖>下部葉>中部葉，其結(jié)果與前人結(jié)果有所區(qū)別，Cd 在煙草中的分布規(guī)律普遍為：下部葉>中部葉>上部葉>莖>根[17]，可能是因為土壤調(diào)理劑中含有大量活性硅阻止了鎘由根莖向葉中的遷移[18]，而上部葉可能是因最頂端的蒸騰作用使得底部活性硅未被充分吸收，影響了其抑制作用，使得鎘在上部葉中形成積累。

3.4 不同處理對煙葉重金屬砷含量的影響

不同處理對煙葉中重金屬砷含量的影響見表5。各試驗組下、中部葉中砷含量均有所降低，其中下部葉平均降低0.05 μg·g-1，最低的為試驗2(較對照降低77.78%)；中部葉砷含量平均降低0.025 μg·g-1，其中最低的為試驗1(較對照降低60%)；上部葉砷含量從高到低為：試驗2>試驗1>試驗4>對照>試驗3，最低的為試驗3(較對照降低7.69%)；各試驗組煙根部砷含量均高于對照組，平均增加0.155 μg·g-1，最高為試驗4(增加13.21%)；煙莖中砷含量從高到低為：試驗4>試驗1>試驗2=對照>試驗3，較對照平均增加0.035 μg·g-1，其中試驗4增加最多(增加48.39%)。

表5 不同處理條件煙草不同部位重金屬砷含量

施用土壤調(diào)理劑試驗組煙葉中砷含量較對照的下、中部葉有所降低，但會使上部葉砷含量有所增加，有可能是因為土壤調(diào)理劑提高了土壤的pH值使得土壤中活性砷成分更易被植株吸收，但是由于硅的作用使得對下、中部葉遷移受到抑制[19]，處理3上部葉砷含量出現(xiàn)降低也證明了這一點；綜合來看，處理3表現(xiàn)最為穩(wěn)定，下、中、上部葉分別降低了55.56%，40%及7.69%，表明“土壤調(diào)理劑+有機硅”的組合更適宜降低煙葉中的砷含量。從部位看，植株含砷量順序為：根>莖>上部葉>下部葉>中部葉，此結(jié)果與前人結(jié)果有所區(qū)別，砷在煙草中的分布規(guī)律普遍為：根>下部葉>中部葉>上部葉>莖[20]，可能也是土壤調(diào)理劑提高了土壤的pH值使得土壤中活性砷成分更易被植株吸收，但是由于硅的作用使得活性砷在下、中部葉遷移受到抑制。

4 結(jié)論

(1)施用礦物基土壤調(diào)理劑能提高煙草的經(jīng)濟效益，主要是能提高烤煙中上等煙葉比例，從而增加產(chǎn)值，其中試驗2產(chǎn)值最高，達到96 705 元/hm2，優(yōu)勢明顯。

(2)土壤調(diào)理劑能有效改良土壤，小幅提高土壤pH值，降低土壤中有效鎘和有效砷的含量，處理2(3 750 kg/hm2礦物基土壤調(diào)理劑+深翻耕)有效鎘降幅達到18.87%、有效砷降幅59.72%，處理4(3 750 kg/hm2礦物基土壤調(diào)理劑+深翻耕+有機硅)分別為21.38%和44.08%。

(3)土壤修復(fù)有利于煙葉中重金屬鎘、砷含量的降低，處理4(3 750 kg/hm2礦物基土壤調(diào)理劑+深翻耕+有機硅)的下、中、上部葉鎘含量分別降低39.85%，22.61%及14.86%，處理3(3 750 kg/hm2礦物基土壤調(diào)理劑+有機硅)下、中、上部葉砷含量分別降低55.56%，40%及7.69%。

(4)在Cd-As復(fù)合污染耕地中施用“海匯龍洲牌”土壤調(diào)理劑，可以有效降低煙葉中重金屬鎘、砷含量。以粘土礦物材料生產(chǎn)的土壤調(diào)理劑比表面積大，其結(jié)構(gòu)層帶電荷，可以通過吸附、配位反應(yīng)以及共沉淀反應(yīng)等作用，降低土壤中重金屬離子的活性，從而降低對作物的毒害[21]。

(5)深翻耕處理對降低土壤有效鎘、有效砷及煙葉中鎘含量均有較好效果，而噴施葉面硅肥主要是對降低煙葉中砷含量有一定作用，所以治理鎘污染耕地時建議使用“土壤調(diào)理劑+深翻耕”的技術(shù)模式，治理砷污染耕地及Cd-As復(fù)合污染耕地時建議使用“土壤調(diào)理劑+深翻耕+有機硅”的技術(shù)模式。