張 騰 ,周 童 ,周 琳 ,趙 莉 ,李俊麗 ,王 龍 ,王偉寧 ,于建軍
(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院,國家煙草栽培生理生化研究基地,河南鄭州450002;2.湖南省衡南縣煙草專賣局,湖南衡南421001)
房縣位于湖北省西北部,屬于北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),垂直差異變化大,具有立體氣候,雨量集中,雨熱同季。年平均氣溫在10~15℃之間,無霜期年平均223 d,年平均降水量914 mm。煙葉種植面積約3 000 hm2,是房縣的主要經(jīng)濟(jì)作物之一。重金屬是指原子密度大于5.0 g/cm3的金屬元素,大部分在周期表中屬于過渡元素金屬及其離子,國內(nèi)密切關(guān)注的是鎘(Cd)、汞(Hg)、鉛(Pb)、砷(As)、鉻(Cr)5種重金屬元素。目前,國內(nèi)部分學(xué)者對煙草重金屬研究[1-6]指出,煙草中對人體有害的成分不僅僅是尼古丁,其中含有的鉛、汞、鎘、鉻、鎳等重金屬元素對人體健康也構(gòu)成威脅;當(dāng)卷煙燃燒時,其燃燒錐的溫度可高達(dá)800~900℃,卷煙中的重金屬化合物10%~20%作為煙氣氣溶膠的組成部分或以金屬氧化物的形式隨煙氣進(jìn)入人體,對人體產(chǎn)生危害,而人體對重金屬的耐受劑量極小。有研究表明,重金屬對煙葉生長發(fā)育以及產(chǎn)量有一定的影響[7-10],并且指出了重金屬在煙葉中的分布及含量狀況[11-13]。但對土壤重金屬含量狀況及其與土壤肥力關(guān)系方面的研究較少。
本試驗(yàn)以湖北房縣煙區(qū)186份植煙土壤樣品為供試材料,研究了植煙土壤基礎(chǔ)肥力的提升或降低對土壤中重金屬含量的影響,依此對土壤進(jìn)行合理調(diào)控,從而降低重金屬在土壤中的富集,為無公害煙葉生產(chǎn)提供參考。
1.1.1 采樣點(diǎn)布設(shè) 采樣前,參照地形地貌、海拔、土壤類型及種植烤煙面積等進(jìn)行土壤樣點(diǎn)的布設(shè)。在選點(diǎn)時,一般保證主要植煙鄉(xiāng)(鎮(zhèn))樣點(diǎn)為4個左右,地形、土壤母質(zhì)類型比較復(fù)雜的鄉(xiāng)(鎮(zhèn))增加取樣點(diǎn),而土壤類型單一的鄉(xiāng)鎮(zhèn)則可減少取樣點(diǎn)。
1.1.2 采樣時間 在尚未施用底肥和移栽煙草以前采集樣品,以反映采樣地塊的真實(shí)養(yǎng)分狀況和供肥能力。同時要避開雨季,以防速效氮的淋洗,并便于野外工作。另外,由于土壤養(yǎng)分,特別是有效養(yǎng)分受環(huán)境因素影響較大,存在明顯的季節(jié)性變化,因此,一個區(qū)域的土壤采樣時間應(yīng)統(tǒng)一,基本在一周之內(nèi)完成全區(qū)的采樣任務(wù),否則,缺乏區(qū)間橫向可比性,難以對養(yǎng)分狀況做出準(zhǔn)確判斷和評價。采集時間為2010年4月。
1.1.3 采樣方法 采樣深度為25 cm,不足25 cm的則記載具體的采樣深度。耕層土壤樣品的田間采集采用人工土鉆鉆取方法,根據(jù)具體采樣地塊的形狀和大小,確定適當(dāng)?shù)牟蓸勇肪€和方法。長方形地塊多用之字形,而近似矩形田塊則多用對角線形或棋盤形等采樣法,這樣既可保證樣點(diǎn)分布均勻,又使所走距離最短。每地塊一般取5~8個小樣點(diǎn)(即一鉆土樣)土壤,制成一個混合樣,通稱一個“農(nóng)化樣”。即使地塊面積較小,一般也不應(yīng)少于5個點(diǎn),而且每個小樣點(diǎn)的采土部位、深度、數(shù)量都要基本保持一致。采集的各小樣點(diǎn)土壤要在田間用四分法棄去多余部分,最后保留到0.5 kg,并在潮濕狀態(tài)下用手掰碎并且充分混勻,挑出根系、秸稈、石塊、蟲體等雜物,然后裝袋、編號、記錄,供土壤養(yǎng)分測定使用。
1.1.4 樣品處理 從田間采來的186份土樣被及時進(jìn)行登記、整理和風(fēng)干,避免錯、漏、丟失和引起樣品發(fā)霉,使性質(zhì)改變。在清潔、陰涼、通風(fēng)的房內(nèi)將土樣攤成薄層,鋪在干凈的紙上進(jìn)行風(fēng)干(目前有專用的塑料制多層風(fēng)干架),并經(jīng)常翻動、捏碎,促進(jìn)干燥。風(fēng)干或烘干后的土樣根據(jù)化驗(yàn)項(xiàng)目的要求,按化驗(yàn)室常規(guī)分析方法進(jìn)行磨碎過篩處理,分別制備通過孔徑為1,0.25,0.15 mm尼龍篩的分析土樣,裝瓶保存供分析使用。
樣品測定項(xiàng)目包括:pH值、堿解氮、速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)、陽離子代換量(CEC)和土壤重金屬(包括砷、汞、鉻、鉛、鎘5種元素)。
土壤pH值采用pH值計法(水土比為1∶2.5)測定,土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法(外加熱法)測定,土壤堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測定,土壤速效磷和速效鉀采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定,陽離子交換量(CEC)采用銨鹽快速法測定,砷和汞采用ZSX100e熒光光譜儀法測定,鎘采用M6石墨爐原子吸收分光光度計法測定,鉻和鉛用AFS-8130原子熒光光度計法測定。
數(shù)據(jù)采用DPS6.55和Excel軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。
由表1可知,砷的平均含量為14.32 mg/kg,符合農(nóng)產(chǎn)品無公害產(chǎn)地環(huán)境條件(25 mg/kg),僅有4.08%的樣品數(shù)超過25 mg/kg;汞的平均含量是0.06 mg/kg,達(dá)到無公害農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境條件的一級要求(<0.15 mg/kg);鉻的平均含量是82.61 mg/kg,符合農(nóng)產(chǎn)品無公害產(chǎn)地環(huán)境條件(<250 mg/kg),其中有61.22%的樣品達(dá)到了農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境條件的一級要求(<90 mg/kg);鎘的平均含量是0.39mg/kg,符合標(biāo)準(zhǔn)(<0.6 mg/kg);鉛的平均含量是31.81 mg/kg,其中有75%的樣品達(dá)到了一級標(biāo)準(zhǔn)(<35 mg/kg)。房縣煙區(qū)各種重金屬元素變異系數(shù)均較小,說明重金屬在土壤中的分布較為均勻,有利于對其調(diào)控。5種重金屬的峰度系數(shù)均為正數(shù),為尖峭峰;偏度系數(shù)均為正數(shù),因此為正向偏態(tài)峰。
表1 湖北房縣煙區(qū)土壤重金屬含量狀況的描述統(tǒng)計分析
由表2可知,陽離子交換量(CEC)的平均值是 12.63mmol/kg,處于適宜范圍(10~20mmol/kg);土壤的pH值平均為6.88,處于適宜范圍(5.5~7.0)[14]的土壤樣品占32%;土壤堿解氮、速效鉀、速效磷整體上含量均較適宜,40%的樣品中土壤堿解氮含量小于100 mg/kg,57.14%的土壤速效磷含量小于20 mg/kg,32%的土壤速效鉀含量小于150 mg/kg;土壤有機(jī)質(zhì)的平均含量為1.79%,處于適宜范圍(1.5%~2.5%)。各肥力因子的變異系數(shù)均較小,說明湖北房縣煙區(qū)土壤肥力比較均勻。pH值的峰度系數(shù)為負(fù)數(shù),屬平闊峰,其余指標(biāo)均為正數(shù),為尖峭峰;除pH值和速效鉀以外,其余各指標(biāo)偏度系數(shù)均為正數(shù),因此為正向偏態(tài)峰。
表2 湖北房縣煙區(qū)植煙土壤肥力特征的描述統(tǒng)計分析
根據(jù)不同土壤pH值含量特征,將土壤分為3個組別。從表3可以看出,在pH<6.0的組別中,砷的平均含量為16.53 mg/kg,鉛的平均含量為73.35 mg/kg,鎘的平均含量為0.57 mg/kg,汞的平均含量為0.06mg/kg,鉻的平均含量為35.45mg/kg。在pH值為6.0~7.0的組別中,砷的平均含量為10.55 mg/kg,鉛的平均含量為39.36 mg/kg,鎘的平均含量為0.21 mg/kg,汞的平均含量為0.04 mg/kg,鉻的平均含量為26.35 mg/kg。在pH>7.0的組別中,砷的平均含量為13.81 mg/kg,鉛的平均含量為58.11 mg/kg,鎘的平均含量為0.36 mg/kg,汞平均含量為0.06 mg/kg,鉻的平均含量為27.19 mg/kg。綜上表明,pH>7.0的土壤同pH<6.0的土壤相比較,除汞以外,其他各元素含量均表現(xiàn)為pH>7.0時重金屬含量少于pH<6.0;并且當(dāng)pH值處于中性偏酸(6.0~7.0)時,土壤的重金屬含量相對較低。
表3 不同土壤pH值組別與重金屬含量的關(guān)系 mg/kg
按照房縣煙區(qū)不同土壤CEC值特征,將土壤分為4個組別。由表4可知,在CEC<8 mmol/kg的組別中,砷平均含量為10.93 mg/kg,鉛平均含量為43.33 mg/kg,鎘平均含量為0.20 mg/kg,汞平均含量為0.04 mg/kg,鉻平均含量為27.83 mg/kg。在CEC值為8~12 mmol/kg的組別中,砷平均含量為14.87 mg/kg,鉛平均含量為52.80 mg/kg,鎘平均含量為0.39mg/kg,汞平均含量為0.05 mg/kg,鉻平均含量為30.19 mg/kg。在CEC值為12~20mmol/kg組別中,砷平均含量為14.54 mg/kg,鉛平均含量為65.01mg/kg,鎘平均含量為0.41 mg/kg,汞平均含量為0.07mg/kg,鉻平均含量29.57mg/kg。在CEC>25 mmol/kg的組別中,砷平均含量為18.85 mg/kg,鉛平均含量為62.16 mg/kg,鎘平均含量為0.32 mg/kg,汞平均含量為0.06 mg/kg,鉻平均含量為35.40 mg/kg。在一定范圍內(nèi),土壤重金屬含量與CEC值的關(guān)系明顯,隨著CEC值的增加,重金屬含量增加。
表4 不同土壤CEC值組別與重金屬含量的關(guān)系 mg/kg
按照房縣煙區(qū)不同土壤堿解氮含量特征,將土壤分為3個組別。從表5可以看出,在堿解氮小于100 mg/kg的組別中,砷平均含量為14.99 mg/kg,鉛平均含量為50.01mg/kg,鎘平均含量為0.26 mg/kg,汞平均含量為0.05 mg/kg,鉻平均含量為29.82 mg/kg。在堿解氮含量為100~200 mg/kg的組別中,砷平均含量為12.36 mg/kg,鉛平均含量53.94 mg/kg,鎘平均含量0.40 mg/kg,汞平均含量0.06 mg/kg,鉻平均含量27.22 mg/kg。在堿解氮含量大于200 mg/kg的組別中,砷平均含量為15.11 mg/kg,鉛平均含量為90.40 mg/kg,鎘平均含量0.60 mg/kg,汞平均含量0.09 mg/kg,鉻平均含量為37.90 mg/kg。在一定范圍內(nèi),土壤堿解氮的含量越高,重金屬鉛、鎘、汞元素的含量越高。
表5 不同土壤堿解氮組別與重金屬含量的關(guān)系 mg/kg
按照房縣煙區(qū)不同土壤速效磷含量特征,將土壤分為3個組別。由表6可知,在速效磷含量0~20mg/kg組別中,砷平均含量為13.88 mg/kg,鉛平均含量51.91 mg/kg,鎘平均含量0.33 mg/kg,汞平均含量0.05 mg/kg,鉻平均含量29.19 mg/kg。在速效磷含量為20~40 mg/kg的組別中,砷平均含量為14.37 mg/kg,鉛平均含量為58.43 mg/kg,鎘平均含量0.38 mg/kg,汞平均含量0.06 mg/kg,鉻平均含量為30.43 mg/kg。在速效磷含量大于40 mg/kg的組別中,砷平均含量為15.92 mg/kg,鉛的平均含量66.30mg/kg,鎘平均含量0.69mg/kg,汞平均含量0.07 mg/kg,鉻平均含量45.04 mg/kg。在一定范圍內(nèi),土壤重金屬含量與速效磷含量的關(guān)系明顯,隨著速效磷含量的增加,重金屬含量增加。
表6 不同土壤速效磷組別與重金屬含量的關(guān)系 mg/kg
按照房縣煙區(qū)不同土壤速效鉀含量特征,將土壤分為4個組別。從表7可以看出,在速效磷含量小于100 mg/kg的組別中,砷平均含量為10.36 mg/kg,鉛平均含量為39.06 mg/kg,鎘平均含量為0.21 mg/kg,汞平均含量為0.04 mg/kg,鉻平均含量為23.63 mg/kg。在速效磷含量為100~150 mg/kg的組別中,砷平均含量為11.14 mg/kg,鉛的平均含量為49.21 mg/kg,鎘的平均含量為0.28 mg/kg,汞的平均含量為0.05 mg/kg,鉻的平均含量為26.14 mg/kg。在速效磷含量為150~200 mg/kg的組別中,砷平均含量為14.75 mg/kg,鉛的平均含量為61.04 mg/kg,鎘的平均含量為0.43 mg/kg,汞平均含量為0.06 mg/kg,鉻平均含量為31.19 mg/kg。在速效磷含量大于200 mg/kg的組別中,砷平均含量為17.26 mg/kg,鉛平均含量為61.57 mg/kg,鎘平均含量為0.31 mg/kg,汞的平均含量為0.06 mg/kg,鉻的平均含量為33.35 mg/kg。在一定范圍內(nèi),除鎘、汞表現(xiàn)不明顯外,其他重金屬含量均與速效鉀含量的關(guān)系明顯,隨著速效鉀含量的增加,重金屬含量增加。
表7 不同土壤速效鉀組別與重金屬含量的關(guān)系 mg/kg
按照房縣煙區(qū)不同土壤有機(jī)質(zhì)含量特征,將土壤分為3個組別。從表8可以看出,在有機(jī)質(zhì)含量小于1.00%的組別中,砷的平均含量為15.84 mg/kg,鉛平均含量為44.77 mg/kg,鎘的平均含量為0.19 mg/kg,汞平均含量為0.05 mg/kg,鉻平均含量為29.63 mg/kg。在有機(jī)質(zhì)含量為1.00%~2.00%組別中,砷平均含量為12.75 mg/kg,鉛的平均含量為52.02 mg/kg,鎘的平均含量為0.34 mg/kg,汞平均含量為0.05 mg/kg,鉻平均含量為27.82 mg/kg。在速效磷含量>2.00%的組別中,砷平均含量為16.64 mg/kg,鉛平均含量為67.36 mg/kg,鎘平均含量為0.56 mg/kg,汞平均含量為0.07 mg/kg,鉻平均含量為40.13 mg/kg。在一定范圍內(nèi),除重金屬砷外,其他重金屬含量均與有機(jī)質(zhì)含量的關(guān)系明顯,隨著有機(jī)質(zhì)含量的增加,重金屬含量增加。
表8 不同土壤有機(jī)質(zhì)組別與重金屬含量比較 mg/kg
對186份土壤樣品的分析結(jié)果表明,該地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量豐富,酸堿度呈弱酸性至中性,整體上堿解氮、速效磷、速效鉀含量較為適宜。此外,各肥力因子變異系數(shù)均較小,說明湖北房縣煙區(qū)土壤肥力比較均勻,有利于對土壤進(jìn)行施肥。土壤中重金屬汞、鉛、鎘、鉻、砷的含量均較低,且分布比較均勻,變異系數(shù)較小,有利于對其調(diào)控。
數(shù)據(jù)分析表明,在一定范圍內(nèi),重金屬的含量與pH值、有機(jī)質(zhì)、CEC值、堿解氮、速效鉀以及速效磷的含量都有一定的關(guān)系,結(jié)果表明,重金屬含量隨pH值的減小有上升趨勢,pH值為6.0以下上升趨勢明顯;其余隨著肥力因子的增加重金屬含量也在增加,尤其是隨速效磷含量的增加重金屬含量明顯增加。目前,煙草科技工作者普遍認(rèn)為,土壤中的重金屬是煙葉重金屬的主要來源。本研究表明,隨著土壤基礎(chǔ)肥力的提升,土壤重金屬含量增加,這可能是由于土壤基礎(chǔ)肥力較高的地塊大多地勢偏低,易于基礎(chǔ)肥力的積累,同時重金屬富集作用也較明顯。因此,我們應(yīng)采取相關(guān)理化措施對土壤進(jìn)行有效調(diào)控,減弱重金屬在土壤中的富集作用,以促進(jìn)煙葉的無公害生產(chǎn)。
土壤中重金屬的富集來源多種多樣,需要進(jìn)一步探明影響其含量的因素,通過尋求有效措施切斷土壤重金屬污染來源,為無公害優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)提供理論參考。
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