生石灰對(duì)鉛污染酸性植煙土壤理化性質(zhì)和煙草鉛含量的影響

淡俊豪，齊紹武，2， 朱 益， 靳輝勇， 梁仲哲

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410128； 2.湖南雜交水稻研究中心，湖南長(zhǎng)沙 410128)

隨著人口數(shù)量的增加，手工業(yè)高速發(fā)展，社會(huì)活動(dòng)導(dǎo)致的環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重。其中，重金屬污染成為眾多問(wèn)題之一[1]。重金屬污染是指因人類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)導(dǎo)致土壤重金屬含量增加，超出正常范圍，造成生態(tài)環(huán)境惡化，直接危害人體健康的現(xiàn)象[2-3]。鉛是有毒重金屬之一，它是植物生長(zhǎng)發(fā)育的非必需元素，鉛在土壤中會(huì)抑制種子萌發(fā)，降低種子活力，抑制植株生長(zhǎng)，并積累在植株上[4]。我國(guó)部分植煙農(nóng)田受鉛污染較為嚴(yán)重，土壤中的鉛會(huì)遷移到煙葉，在抽吸過(guò)程中，煙葉中的鉛以煙霧的形式進(jìn)入人體，對(duì)人體造成潛在傷害[5]。因此，對(duì)植煙土壤鉛污染的改良是亟待解決的問(wèn)題。

生石灰作為一種土壤改良劑在農(nóng)業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用[6]。研究表明，在酸性土壤中施用生石灰不僅可以提高土壤pH值，而且其形成的碳酸鈣可在一定程度上鈍化重金屬，使得土壤中有效態(tài)鉛含量降低[7]。在土壤中施入生石灰能增加煙株根系活力，也能使干物質(zhì)含量增加；可提高煙草產(chǎn)量和質(zhì)量，減輕烤煙的連作障礙[8]。

不同生石灰的施用量對(duì)酸性土壤的改良效果不同，所以對(duì)煙株不同部位鉛含量也有不同的影響。研究表明，在土壤中添加900 kg/hm2生石灰，能改善烤煙根際微生態(tài)環(huán)境，提高煙葉品質(zhì)[9]；姜超強(qiáng)等研究表明，當(dāng)添加 1 500 kg/hm2生石灰時(shí)，對(duì)煙葉重金屬含量有一定程度的影響[10]；張宗錦等對(duì)攀枝花煙區(qū)的研究表明，生石灰施用量為1 350 kg/hm2時(shí)，土壤養(yǎng)分、烤煙產(chǎn)量、質(zhì)量均達(dá)到最高[11]；相關(guān)研究在湖南地區(qū)較少，特別是生石灰對(duì)煙株不同部位鉛含量的影響方面的研究不多，本試驗(yàn)生石灰的施用量根據(jù)湖南地區(qū)具體情況和參照前人的研究[12]而定。探究施加不同量的生石灰對(duì)酸性土壤pH值及煙葉鉛含量的改良效果，對(duì)改良酸性土壤具有重要意義。

本試驗(yàn)以湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)耘園土壤為材料，通過(guò)盆栽試驗(yàn)，研究施加不同量的生石灰對(duì)煙株不同部位鉛含量的影響，以期為鉛污染酸性土壤的治理以及在煙草上合理施用生石灰提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤采自湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)耘園試驗(yàn)用地，土壤類(lèi)型為紅壤土，土壤pH值為5.4，為酸性土壤，土壤肥力中等，土壤基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 供試土壤的基本性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試烤煙品種為K326。試驗(yàn)采用盆栽的方式。土壤在室內(nèi)自然風(fēng)干，粉碎后過(guò)10目篩。充分混合，穩(wěn)定老化1周后[13]，加入不同水平生石灰，混勻后裝盆，每盆裝15 kg土壤。試驗(yàn)設(shè)計(jì)3個(gè)處理和1個(gè)空白對(duì)照(表2)，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)3盆，每盆種植1株煙草，栽培深度一致，無(wú)不種植煙草對(duì)照。按隨機(jī)區(qū)組排列，為確保每盆內(nèi)的煙株生長(zhǎng)條件均勻，按一定的時(shí)期將盆栽的位置進(jìn)行調(diào)動(dòng)，保持土壤水分為田間持水量的70%，其他田間管理按大田常規(guī)操作進(jìn)行[14]。

表2 供試生石灰施用水平

1.3 樣品采集

分別于煙草移栽后30、60、90 d采取煙草樣品各3株，樣品分為3個(gè)部分：根系、莖稈、煙葉。根系用自來(lái)水沖洗干凈，再用純凈水徹底潤(rùn)洗4～6次；莖稈和煙葉用純凈水沖洗掉表面灰塵，于75 ℃烘箱烘干后粉碎。全部植株樣品粉碎后過(guò)100目標(biāo)準(zhǔn)篩，保存于塑料信封袋中待用。在種植煙葉90 d后對(duì)土壤進(jìn)行采樣，供試土壤按照“S”形取樣法選取6個(gè)點(diǎn)，用土鉆對(duì)每盆土壤進(jìn)行取樣，根據(jù)“等量”“隨機(jī)”“多點(diǎn)混合”的原則采取，采樣深度為0～15 cm。土壤采集后，去除根系及土壤入侵物，將其混勻后自然風(fēng)干并研磨過(guò)20目篩，裝入塑料信封袋待用。

1.4 樣品分析

土壤速效磷含量采用碳酸氫鈉法測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)的測(cè)定采用重鉻酸鉀容量法；土壤速效鉀用1 mol/L醋酸銨提取，火焰光度計(jì)法測(cè)定；土壤堿解氮含量采用康維皿擴(kuò)散法測(cè)定；土壤pH值采用去離子水提取，電位法測(cè)定[15]。植株樣品的鉛全量采用HNO3-HCLO4微波消解，原子吸收分光光度法測(cè)定[16]。全部分析器皿均在稀硝酸溶液中浸泡過(guò)夜，并用純水沖洗3次。根系鉛吸收系數(shù)=根系鉛含量/土壤鉛全量；鉛初級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)=莖稈鉛含量/根系鉛含量；鉛次級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)=煙葉鉛含量/莖稈鉛含量[17]。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

采用Excel對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步運(yùn)算，利用SPSS 16.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和相關(guān)性分析，在5%水平上用最小顯著差異法(least-significant difference，簡(jiǎn)稱(chēng)LSD)分析所有數(shù)據(jù)與對(duì)照之間的差異顯著性，采用Excel軟件分析、制作圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施加量下土壤理化性質(zhì)的變化

由表3可知，處理T3的速效磷含量最低，為 12.89 mg/kg；處理T2最高，為23.12 mg/kg，相比處理T3提高79.36%，相比CK提高37.46%，處理T2的土壤速效磷含量與處理T1、T3和CK差異顯著，處理T1與處理T3差異不顯著。CK處理的有機(jī)質(zhì)含量最高，為14.60 g/kg；T2處理最低，為9.64 g/kg，前者是后者的1.51倍。處理T1、T2、T3之間有機(jī)質(zhì)含量無(wú)顯著差異，而各處理與對(duì)照差異顯著。速效鉀含量從高到低排序是T1>T2>T3>CK，處理T1速效鉀含量最高，為160.90 mg/kg；CK最低，為95.32 mg/kg，且處理T1較CK提高68.80%。處理T1的速效鉀含量與處理T2、T3、CK的差異顯著，而處理T2、T3、CK間差異不顯著。土壤中堿解氮含量以T2處理最高，為 137.84 mg/kg；處理CK最低，為112.62 mg/kg，較處理T2減少22.39%。T2處理的堿解氮含量與CK差異顯著，處理T3與處理T1差異顯著，而處理T1與CK差異不顯著。

表3 成熟期不同生石灰施加量的土壤理化性質(zhì)

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)，下表同。

2.2 成熟期不同處理對(duì)土壤pH值的影響

由圖1可知，在土壤中添加生石灰均可提高土壤pH值。處理T3的土壤pH值增加幅度最大，為7.05，相比對(duì)照提高30.56%，且顯著高于處理T1、處理T2。施加不同量生石灰的土壤pH值由大到小依次為T(mén)3>T2>T1>CK。方差分析結(jié)果表明，處理T1、T2、T3間的土壤pH值差異顯著，且各處理的土壤pH值與對(duì)照均有顯著差異。這表明在土壤中施加T3處理的生石灰對(duì)提高土壤pH效果最佳。由此可知，生石灰的添加可在一定程度上促進(jìn)土壤pH值的提高[18]。

2.3 不同生育期不同處理對(duì)煙草中鉛含量的影響

2.3.1 團(tuán)棵期不同處理對(duì)煙草不同部位鉛含量的影響 由圖2可知，團(tuán)棵期煙草不同部位的鉛含量除T3處理外分布規(guī)律均為根>葉>莖。煙草根、葉部位的鉛含量在施用生石灰后均有不同程度地降低。煙草根部T1、T2、T3處理的鉛含量分別為5.25、3.97、5.40 mg/kg，分別比對(duì)照降低65.29%、73.71%、64.30%，均與對(duì)照差異顯著，但各處理間差異不顯著。處理T2莖部鉛含量的降低程度明顯，其值為 1.06 mg/kg，相比對(duì)照降低2.44 mg/kg。從方差分析結(jié)果來(lái)看，T2與T1處理莖部鉛含量與T3處理差異顯著，T3處理與對(duì)照差異不顯著。CK處理的煙葉鉛含量最高，為 12.69 mg/kg，CK處理分別是T1、T2、T3處理的4.84、8.93、6.82倍，各處理煙葉鉛含量與對(duì)照有顯著差異，且T2處理與T1處理差異顯著，但T2、T3處理間差異不顯著。

2.3.2 旺長(zhǎng)期不同處理對(duì)煙草不同部位鉛含量的影響 由圖3可知，旺長(zhǎng)期煙草不同部位鉛含量呈根>葉>莖的趨勢(shì)，添加生石灰處理與對(duì)照相比，煙草不同部位的鉛含量均有不同程度地降低。T2處理的根部鉛含量最低，相比CK降低53.77%；T1、T3處理與CK相比降幅分別為 39.15%、38.24%，T2處理的根部鉛含量與CK有顯著差異，且T1、T3處理間差異不顯著。CK的莖部鉛含量最高，分別是T1、T2、T3處理的3.57、7.77、2.38倍，各處理與對(duì)照差異顯著，但各處理間差異不顯著。煙葉中鉛含量由高到低依次為CK>T3>T1>T2，T2處理煙葉鉛含量最低，為 3.74 mg/kg；CK煙葉鉛含量最高，為16.82 mg/kg，且CK是T2處理的4.50倍。統(tǒng)計(jì)分析可得，各處理煙葉鉛含量與CK差異顯著，T2處理與T1、T3處理差異顯著，但處理T1、T3間差異不顯著。

2.3.3 成熟期不同處理對(duì)煙草不同部位鉛含量的影響 由圖4可知，成熟期煙草不同部位鉛含量除T1外的分布規(guī)律為根>葉>莖>種子，且施加生石灰后可不同程度地降低煙草地下部分和地上部分的鉛含量。CK煙草根部鉛含量最高，為9.09 mg/kg，較T1、T2、T3處理分別提高 24.49%、50.03%、46.66%，T2、T3處理與CK的根部鉛含量差異顯著，但T2、T3處理間差異不顯著。T2處理的莖部鉛含量最低，為 0.62 mg/kg，與CK相比降幅為79.78%，且T2處理莖部鉛含量與CK差異顯著，與T3處理差異不顯著。添加生石灰后煙葉的鉛含量呈下降的趨勢(shì)，其從高到低的順序?yàn)镃K>T3>T2>T1。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，T1、T2、T3處理均與對(duì)照的煙葉鉛含量差異顯著，但T2、T3處理間差異不顯著。CK的煙草種子鉛含量最高，為2.61 mg/kg；T2處理的煙草種子鉛含量最低，為0.51 mg/kg，且前者是后者的5.12倍。從方差分析結(jié)果來(lái)看，各處理煙草種子鉛含量與對(duì)照差異顯著，T2處理與T1處理差異顯著，但T1、T3處理間差異不顯著。

2.4 煙草不同生育期不同處理鉛的吸收系數(shù)

2.4.1 團(tuán)棵期不同處理煙草鉛的吸收系數(shù) 在團(tuán)棵期，CK、T1、T2、T3處理對(duì)應(yīng)根系鉛吸收系數(shù)分別為7.56、2.62、1.99、2.70，相比CK分別降低65.34%、73.68%、64.29%，其中處理T2較CK降低幅度最大，且與CK差異顯著。方差分析結(jié)果表明，T1、T3處理的根系鉛吸收系數(shù)與CK差異顯著，但T1、T3處理間差異不顯著。鉛初級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)在添加生石灰后，均有不同程度地升高，其中T3處理的升高幅度最大，相對(duì)于CK升高252.2%，且與CK差異顯著，T1、T2處理的鉛初級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)與CK差異不顯著。CK的次級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最高，為3.63；T3處理的次級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最低，為0.43，且前者是后者的8.44倍。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，T1、T2、T3處理的鉛次級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)與CK差異顯著，T1、T2處理間差異不顯著(表4)。這表明在團(tuán)棵期添加生石灰不僅能有效地降低根系對(duì)鉛的吸收能力，而且可以降低莖稈中的鉛向煙葉中的轉(zhuǎn)移能力。

表4 不同生石灰施用量對(duì)團(tuán)棵期煙草鉛吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的影響

2.4.2 旺長(zhǎng)期不同處理煙草鉛的吸收系數(shù) 在旺長(zhǎng)期施加生石灰后，根系對(duì)鉛的吸收系數(shù)均比CK顯著降低，其中T2處理的降低幅度最大，為4.22，為對(duì)照的46.22%，且顯著低于T1、T3處理。與CK相比，處理T2的鉛初級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最低，較對(duì)照下降72.41%，且差異顯著。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示，T3處理的鉛初級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)與T1、T2處理差異顯著，T1、T2處理間的差異不顯著。鉛次級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)在添加生石灰后均有不同程度地上升，其中處理T3的升高幅度最低，相對(duì)于CK升高40.00%，且與CK差異顯著(表5)。這表明在煙草團(tuán)棵期施加不同量的生石灰不僅可以降低根系對(duì)鉛的吸收系數(shù)，還可以降低根系中的鉛向煙草莖部的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)。

2.4.3 成熟期不同處理煙草鉛的吸收系數(shù) 在成熟期T2處理的根系鉛吸收系數(shù)最低，為2.27，與CK相比降幅為50.11%；CK的根系鉛吸收系數(shù)最高，為4.55。方差分析結(jié)果表明，處理T1、T2、T3根系對(duì)鉛的吸收系數(shù)與對(duì)照差異顯著，T2、T3處理間差異不顯著。鉛初級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)從高到低的排序?yàn)镃K>T1>T3>T2，處理T2的鉛初級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最低，為0.14，為CK的41.18%，且與CK差異顯著。由統(tǒng)計(jì)分析可得，T1處理的鉛初級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)與CK差異不顯著，T2、T3處理間差異顯著。添加生石灰后，鉛次級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均升高，T3處理的提高幅度最大，較對(duì)照提高108.11%，且各處理的鉛次級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)與CK差異顯著(表6)。因此，在成熟期添加生石灰可以降低根系對(duì)鉛的吸收系數(shù)，而且T2處理還可以顯著降低根系中的鉛向莖稈中的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)。

表5 不同生石灰施用量對(duì)旺長(zhǎng)期煙草鉛吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的影響

表6 不同生石灰施用量對(duì)成熟期煙草鉛吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的影響

2.5 各變量之間的相關(guān)性分析

由表7可知，煙草根部鉛含量與煙草莖部和煙葉的鉛含量極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.998、0.991，與煙草種子鉛含量顯著正相關(guān)。煙草莖部鉛含量與煙葉鉛含量及根系對(duì)鉛的吸收系數(shù)極顯著正相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)分別達(dá) 0.996、0.998；煙草莖部鉛含量與煙草種子鉛含量、鉛初級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)顯著正相關(guān)，與鉛次級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)顯著負(fù)相關(guān)。煙葉中鉛含量與根系對(duì)鉛的吸收系數(shù)的相關(guān)系數(shù)為0.991，兩者呈極顯著正相關(guān)；煙葉鉛含量與煙草種子鉛含量和鉛初級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)顯著正相關(guān)，與鉛次級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)顯著負(fù)相關(guān)。煙草種子鉛含量與根系對(duì)鉛的吸收系數(shù)顯著正相關(guān)。土壤pH值與煙草各個(gè)部位鉛含量均為負(fù)相關(guān)，其中與煙草根部和莖部鉛含量顯著負(fù)相關(guān)。煙草根系鉛吸收系數(shù)與鉛初級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為0.960，兩者呈顯著正相關(guān)。煙草鉛初級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)與鉛次級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.996。

表7 土壤植株指標(biāo)變量之間的相關(guān)性

注：*表示在0.05水平上顯著相關(guān)，**表示在0.01水平上顯著相關(guān)。

3 結(jié)論與討論

在植煙酸性土壤中加入生石灰，其堿性物質(zhì)釋放到土壤中，土壤中的OH-增加，形成氫氧化物沉淀，從而吸附更多的重金屬離子，降低鉛的有效性；與此同時(shí)，由于Ca2+與Pb2+間的拮抗作用，植株對(duì)土壤中的鉛吸收也會(huì)降低[19]。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在植煙酸性土壤中添加生石灰可顯著提高土壤pH值，降低煙株根部對(duì)鉛的吸收能力，進(jìn)而顯著降低莖部、煙葉、種子中的鉛含量。由于土壤酸堿度與根系吸收系數(shù)和煙葉鉛含量呈顯著負(fù)相關(guān)，所以土壤pH值是影響煙草根部吸收鉛的關(guān)鍵因素之一，生石灰的添加能夠降低煙株各部位對(duì)鉛的富集程度，顯著降低煙葉中的鉛含量，提高卷煙的安全性[20]。

研究表明，施加生石灰能降低鉛對(duì)作物的毒害作用[21]。本試驗(yàn)中煙株在3個(gè)生育期不同處理間對(duì)重金屬鉛的吸收積累均表現(xiàn)為根>葉>莖，煙株莖部鉛含量低于煙葉鉛含量，可能是由于鉛在煙草中的轉(zhuǎn)移能力相對(duì)較弱[22]，這也有利于降低鉛污染土壤對(duì)煙葉的危害。煙葉中的鉛含量在不同生育期施用不同處理的變化也不同，在團(tuán)棵期施用生石灰處理時(shí)，煙葉中鉛含量均顯著降低；旺長(zhǎng)期和成熟期T2處理煙葉鉛含量顯著降低，且明顯低于T1處理，表明煙草不同生育期施加不同量的生石灰能降低煙草不同部位的鉛含量。因此，在酸性植煙土壤中施用生石灰時(shí)，要選擇適宜的量，并考慮其在煙株上的具體表現(xiàn)，綜合考慮，當(dāng)施加 2 250 kg/hm2的生石灰(T2處理)時(shí)，煙草不同時(shí)期各部位的重金屬鉛含量降低最多。

鉛次級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)表示煙株內(nèi)的鉛由莖部向煙葉的轉(zhuǎn)移系數(shù)[23]。在旺長(zhǎng)期和成熟期施用生石灰后，鉛次級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)較對(duì)照顯著升高，而旺長(zhǎng)期和成熟期煙葉鉛含量均顯著低于對(duì)照，這說(shuō)明煙葉鉛含量與鉛次級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)顯著負(fù)相關(guān)。

本試驗(yàn)以湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)土壤為材料研究生石灰對(duì)植煙土壤的改良效果，并在煙草生長(zhǎng)的3個(gè)時(shí)期對(duì)根、莖、葉進(jìn)行鉛含量的測(cè)定，較為系統(tǒng)地研究了煙草整個(gè)生育期生石灰對(duì)煙株鉛含量的影響。T3處理對(duì)土壤pH值的提高效果最明顯，卻對(duì)煙株鉛含量的改良效果不理想，今后的研究可以在T2與T3處理間設(shè)置梯度，以便得到更適宜改良酸性鉛污染土壤的生石灰施用量；也可以考慮將生石灰與其他土壤改良劑配施。綜上可知，在煙株生長(zhǎng)不同時(shí)期，施加2 250 kg/hm2的生石灰(T2處理)，一方面可以提高土壤pH值，減少根系和種子對(duì)鉛的吸收積累量；另一方面，減少了煙葉中的鉛含量，抑制了不同時(shí)期鉛由土壤向根系轉(zhuǎn)移積累。