多孔改良劑對(duì)畢節(jié)煙區(qū)植煙土壤重金屬鉻鎘鉛的影響①

黃化剛，劉世碧，班國軍，陳 垚，夏中文，張 慶，王美艷，徐勝祥*，孫維俠，史學(xué)正，曹志洪

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多孔改良劑對(duì)畢節(jié)煙區(qū)植煙土壤重金屬鉻鎘鉛的影響①

黃化剛1,2，劉世碧2，班國軍2，陳 垚2，夏中文2，張 慶3，王美艷3，徐勝祥3*，孫維俠3，史學(xué)正3，曹志洪3

(1作物學(xué)博士后科研流動(dòng)站(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院)，鄭州 450002；2貴州省煙草公司畢節(jié)市公司，貴州畢節(jié) 551700；3土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國科學(xué)院南京土壤研究所)，南京 210008)

本研究通過分析貴州畢節(jié)植煙區(qū)不施改良劑(CK)，施用秸稈(T1)、多孔改良劑(T2)、70% 多孔改良劑+ 30% 竹炭(T3)4種處理不同土層深度土壤重金屬含量，評(píng)價(jià)了植煙區(qū)重金屬Cr、Cd、Pb的含量水平，探討了施用多孔改良劑對(duì)研究區(qū)土壤中重金屬Cr、Cd、Pb含量及其有效性的影響。結(jié)果表明，研究區(qū)土壤重金屬Cr、Cd、Pb含量均低于國家二級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)，土壤處于清潔狀態(tài)。不同土壤改良劑在改善土壤理化性狀的同時(shí)還能顯著降低土壤全Cr和Pb的有效性。在不同改良劑處理中，以T3處理的效果最好，土壤全Cr和有效Pb降幅分別為26.4% 和17.2%。畢節(jié)煙區(qū)使用多孔物理結(jié)構(gòu)改良劑不會(huì)增加土壤Cd、Pb的重金屬風(fēng)險(xiǎn)，反而降低了土壤全Cr和有效Pb的含量，實(shí)現(xiàn)板結(jié)土壤改良和重金屬有效性降低的雙重目標(biāo)。

土壤改良劑；烤煙；土壤性狀；重金屬

在我國烤煙是一種重要的經(jīng)濟(jì)作物，其產(chǎn)量是世界之最，占全球總產(chǎn)量的52%[1]。煙葉的產(chǎn)量與品質(zhì)受土壤厚度、質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)、土壤通氣性等性質(zhì)影響顯著[2]，深厚的土層、疏松的結(jié)構(gòu)往往是優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)煙區(qū)土壤的突出特點(diǎn)[3]。然而在生產(chǎn)過程中，煙田由于過度施用化肥導(dǎo)致連作障礙現(xiàn)象普遍。我國南方不同煙稻輪作區(qū)，出于防止病原菌考慮，當(dāng)前生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程要求晚稻種植前將煙桿清除出田[4]，造成了活性有機(jī)質(zhì)下降、土壤透氣性降低和板結(jié)等現(xiàn)象。同時(shí)，土壤中累積的重金屬往往會(huì)降低土壤氮的礦化速率、磷的遷移速率，并加速土壤中鉀素的流失[5]，從而影響到煙葉的產(chǎn)量和品質(zhì)。煙絲重金屬的含量與原料煙葉的重金屬含量密切有關(guān)，與植煙土壤中有效態(tài)重金屬含量呈正相關(guān)[6]。因此研究如何在改善土壤結(jié)構(gòu)的同時(shí)，減少土壤中重金屬的含量，進(jìn)而提高煙葉的產(chǎn)量、品質(zhì)，對(duì)優(yōu)質(zhì)煙葉的生產(chǎn)具有重要意義。

圍繞土壤物理結(jié)構(gòu)的改善和土壤重金屬的治理已有許多相關(guān)研究。一方面，有學(xué)者通過增施土壤改良劑來達(dá)到土壤聚集水分、提高孔隙度、降低容重的效果，從而提高煙葉產(chǎn)量和改善煙葉品質(zhì)，取得了較好的成果[7-8]。另一方面，有學(xué)者利用石灰、磷灰石、沸石和蒙脫石等土壤改良劑提高土壤pH，增加土壤中陽離子交換量，利用磷酸與重金屬形成沉淀等方法降低土壤中重金屬的有效性[9--12]。還有的學(xué)者利用秸稈、有機(jī)質(zhì)和生物質(zhì)炭同時(shí)分析了這些改良劑對(duì)土壤物理結(jié)構(gòu)和對(duì)土壤重金屬有效性的影響[13-15]，結(jié)果顯示這些改良劑往往同時(shí)兼具改善土壤物理性質(zhì)、降低部分重金屬含量的功能。例如招啟柏等[14]和胡鐘勝等[15]的研究表明凹凸棒土、活性炭、骨粉和有機(jī)肥對(duì)煙田中的Cd和Pb有較好的固定功能，可以減輕土壤重金屬的毒害，提高煙葉的產(chǎn)量和品質(zhì)。中國科學(xué)院南京土壤研究所最近研發(fā)一種多孔新型改良劑，對(duì)改良板結(jié)土壤有顯著效果，由于其是強(qiáng)堿性(pH 9.2)，應(yīng)能夠降低土壤中重金屬的活性，但尚未得到具體的驗(yàn)證。為此，在貴州畢節(jié)煙區(qū)進(jìn)行田間小區(qū)試驗(yàn)，設(shè)立玉米秸稈還田、多孔改良劑、多孔改良劑與竹炭相結(jié)合的3個(gè)改良處理，在評(píng)價(jià)植煙區(qū)土壤重金屬含量水平狀態(tài)的同時(shí)，對(duì)比分析不同改良劑處理對(duì)土壤重金屬含量及其有效性的影響，以便篩選出既能夠改良當(dāng)?shù)赝寥腊褰Y(jié)，又能降低重金屬有效性的最佳土壤改良劑。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于貴州省畢節(jié)市黔西縣林泉科技園。黔西縣地處貴州省西北部，三面環(huán)山，低山丘陵地貌，氣候?qū)賮啛釒嘏瘽駶?rùn)氣候，年均氣溫為14.2 ℃，降雨量1 087.5 mm，日照時(shí)長(zhǎng)1 066.9 h，無霜期271 d。該地區(qū)植煙土壤為頁巖和板巖發(fā)育的黃壤(常濕淋溶土)，質(zhì)地偏黏，為粉砂質(zhì)黏壤土，保水性較好，但通透性較差，這是目前影響該地區(qū)優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)的主要土壤問題。2015年進(jìn)行植煙土壤改良試驗(yàn)，植煙前試驗(yàn)煙田土壤的基本理化性狀：土壤容重1.28 g/cm3，土壤總孔隙度52%，pH 7.4，有機(jī)質(zhì) 22.6 g/kg，全氮1.53 g/kg，有效磷23.8 mg/kg，速效鉀370.8 mg/kg，CEC 17.6 cmol/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理：對(duì)照(不施改良劑，CK)，施用玉米秸稈(T1)、多孔改良劑(T2)和70% 多孔改良劑+ 30% 竹炭(T3)，烤煙種植時(shí)采用當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)耕作和施肥方式。多孔改良劑和竹炭的制作方法詳見文獻(xiàn)[16]，基本性質(zhì)見表1。多孔改良劑是一種無機(jī)礦物料，是一種長(zhǎng)效的土壤結(jié)構(gòu)改良材料，施入土壤后可以大量增加通氣孔隙，改良土壤板結(jié)。秸稈施用方法為利用秸稈顆粒機(jī)將曬干的玉米秸稈切成1 ~ 3 cm長(zhǎng)的顆粒后用小型深耕機(jī)器分兩次旋施到15 ~ 30 cm土層中。每個(gè)處理重復(fù)3次，每個(gè)小區(qū)面積約為70 m2，合計(jì)為12個(gè)小區(qū)。T1處理每小區(qū)基施21 kg玉米秸稈，T2處理每小區(qū)基施41 kg 多孔改良劑，T3處理每小區(qū)基施28.7 kg多孔改良劑和16.4 kg竹炭。供試烤煙品種為當(dāng)?shù)剡m宜的烤煙種植品種畢納1號(hào)。

表1 土壤改良劑基本理化性質(zhì)

所有試驗(yàn)處理的施肥均按貴州煙草公司的有關(guān)生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范實(shí)施，改良劑與基肥一起進(jìn)行條施，然后起壟移栽煙苗。其中每小區(qū)起壟前施入4.7 kg煙草專用肥和4.9 kg酒糟有機(jī)肥作為基肥。移栽當(dāng)天每小區(qū)施入0.262 kg煙草專用提苗肥。在煙苗移栽后1個(gè)月，培土前每小區(qū)施入2.3 kg煙草專用追肥。其中提苗肥和追肥均將肥料溶于水中澆施。待煙草成熟收獲后分層(0 ~ 10、10 ~ 20、20 ~ 30 cm)采集煙壟土樣，每處理采用多點(diǎn)取樣法制成 1 個(gè)混合樣，每處理3個(gè)重復(fù)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

土壤樣品經(jīng)室內(nèi)風(fēng)干剔除雜質(zhì)后磨細(xì)過篩用于測(cè)定。土壤pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀和陽離子交換量的測(cè)定方法詳見文獻(xiàn)[19]。全Cr、全Cd和全Pb測(cè)定依據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[20]，有效Pb和Cd測(cè)定依據(jù)國標(biāo) GB/T 23739—2009[21]。

1.4 土壤重金屬評(píng)價(jià)方法

采用單因子污染指數(shù)對(duì)植煙區(qū)本底土壤及施加改良劑后土壤的重金屬含量進(jìn)行評(píng)價(jià)[20]，其計(jì)算公式為：

式中：P為土壤中重金屬的單因子污染指數(shù)；C為重金屬實(shí)測(cè)含量(mg/kg)；S為選取的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(mg/kg)。

由于供試土壤 pH 為7.4，根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[20]中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，Cr的S值為200 mg/kg，Cd 的S值為 0.6 mg/kg，Pb的S值為 300 mg/kg。單因子污染指數(shù)P≤1為無污染，P>1為污染。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

所有數(shù)據(jù)經(jīng)Microsoft Excel 2013處理，運(yùn)用IBM SPSS Statistics 22.0 統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析、多重比較等相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤常規(guī)化學(xué)性質(zhì)

在植煙土壤中施用不同類型的土壤改良劑不但會(huì)使土壤物理結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，還可能對(duì)土壤的主要理化性質(zhì)產(chǎn)生一定的影響。表2為施用改良劑之后不同處理土壤(0 ~ 30 cm)的主要理化性質(zhì)。從中可見，與對(duì)照處理土壤相比，施用不同土壤改良劑后各處理土壤的主要理化性質(zhì)均發(fā)生了一些變化，但多未達(dá)到顯著水平(>0.05)。

在3個(gè)施用改良劑的處理中，作用較明顯的是T1處理，該處理除pH之外的各個(gè)土壤理化指標(biāo)均高于對(duì)照和其他兩個(gè)改良劑處理。這是因?yàn)樵撎幚韺?shí)行的是玉米秸稈還田，玉米秸稈中的有機(jī)質(zhì)以及各營養(yǎng)元素對(duì)植煙土壤進(jìn)行了補(bǔ)充，因而提高了土壤中相應(yīng)水平。3個(gè)施用改良劑處理的土壤pH均高于對(duì)照土壤。改良劑處理平均使土壤pH增加了0.11個(gè)單位，其中T1處理增加0.07個(gè)單位，T2處理增加0.14個(gè)單位，T3處理增加0.13個(gè)單位。這是因?yàn)闊o論多孔改良劑，還是竹炭改良劑均為堿性材料(表1)，施入土體中會(huì)引起土壤pH上升。

表2 植煙土壤的主要化學(xué)性質(zhì)

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤；同一行數(shù)據(jù)小寫字母不同表示處理間差異達(dá)顯著水平(<0.05)，下表同。

2.2 植煙土壤重金屬含量及其對(duì)不同改良劑的響應(yīng)

從表3中可以看出，與CK相比，施用土壤改良劑使土壤全Cr含量平均下降19.7%，其中T1、T2和T3處理分別下降15.4%、17.2% 和26.4%，均達(dá)顯著水平(<0.05)。本試驗(yàn)中有效Cr含量太低，未檢出。4個(gè)處理之間土壤的全Cd含量以T1處理最高，CK最低，方差分析顯示T1處理顯著高于CK，可能是秸稈中Cd在土壤中分解時(shí)略微增加研究區(qū)的土壤Cd含量。不同處理間的土壤全Pb含量無顯著差異。各處理的Cd和Pb含量均小于國家二級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)值，單因子污染指數(shù)均小于1，均未受到污染，處于清潔狀態(tài)(表4)。相比之下，Cd的污染指數(shù)大于Pb。各個(gè)處理的全Cd含量均低于一級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)值的下限(0.2 mg/kg)[22]，全Pb含量介于34.2～37.9 mg/kg，基本相當(dāng)于一級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)值的下限(35 mg/kg)[19]。

表3 施用不同改良劑對(duì)土壤重金屬含量的影響(mg/kg)

表4 研究區(qū)土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

有報(bào)道表明貴州農(nóng)業(yè)土壤存在Cd污染的風(fēng)險(xiǎn)。李玉美等[23]對(duì)貴州4個(gè)主要煙區(qū)土壤重金屬污染狀況分析，發(fā)現(xiàn)畢節(jié)煙區(qū)土壤中的Cd含量高于土壤環(huán)境二級(jí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，且煙葉中的Cd含量已經(jīng)超出目前的安全標(biāo)準(zhǔn)；煙葉中的Pb含量高達(dá)1.46 mg/kg，存在超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。李翠翠等[24]對(duì)畢節(jié)市威奢鄉(xiāng)的農(nóng)田土壤調(diào)查發(fā)現(xiàn)，土壤中Cd含量均值達(dá)2.22 mg/kg，遠(yuǎn)超出國家二級(jí)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，并成為該地區(qū)最主要的污染物。但本研究的結(jié)果則表明畢節(jié)煙區(qū)土壤是清潔且安全的(表4)，出現(xiàn)上述差異很可能與采樣的具體田塊有關(guān)。從生產(chǎn)安全、優(yōu)質(zhì)煙葉的角度考慮，應(yīng)該選擇“清潔”的農(nóng)田種植煙葉。

2.3 不同土層深度植煙土壤的全鉻含量及其對(duì)不同改良劑的響應(yīng)

進(jìn)一步對(duì)改良劑在不同土層深度對(duì)土壤全Cr的影響進(jìn)行分析。圖1為施用土壤改良劑后不同深度土壤全Cr的含量。由圖可知，不同土層間的全Cr含量無顯著差異。從不同改良劑處理看，與CK相比，施用土壤改良劑使土壤全Cr含量平均下降19.7%，其中T1、T2和T3處理分別下降15.4%、17.2% 和26.4%。不同土層下均以T3處理下全Cr含量降幅最大，0 ~ 10、10 ~ 20和20 ~ 30 cm土層分別下降29.0%、26.0% 和23.9%，均達(dá)顯著或極顯著水平。

(圖中小寫字母不同表示同一土層不同處理間差異達(dá)顯著水平(P<0.05)，下圖同)

Fig. 1 Effects of soil amendments on soil total Cr contents in different soil depths

Cr是一種具有極高毒性、致突變性和致癌的重金屬。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國土壤重金屬污染的耕地面積點(diǎn)位超標(biāo)率為19.4%，Cr污染耕地超標(biāo)面積1.49×106hm2[25]。土壤–植物系統(tǒng)的Cr能通過食物鏈進(jìn)入人體，因此研究土壤中的Cr含量意義非凡[26]。本研究發(fā)現(xiàn)增施土壤改良劑顯著降低土壤中Cr含量(表3、圖1)，以T3降幅最大(26.4%)，不同土層間趨勢(shì)一致，為煙草安全生產(chǎn)提供了保障。影響Cr在土壤-植物系統(tǒng)中遷移轉(zhuǎn)化的因素主要有土壤理化性質(zhì)、微生物活性、植物生理機(jī)制和植物種類等，低pH有利于人工合成的六價(jià)Cr被有機(jī)質(zhì)還原成穩(wěn)定態(tài)Cr的速率[27]，鑒于本試驗(yàn)中無機(jī)改良劑均為堿性，我們推測(cè)使用通過酸化調(diào)整為中性pH的無機(jī)改良劑對(duì)降低土壤Cr含量效果更佳。

2.4 土壤有效態(tài)鎘鉛含量比較

表5 為4個(gè)處理 0 ~ 30 cm 土壤中的有效Cd和Pb的含量。本研究針對(duì)的植煙區(qū)土壤重金屬含量低，且由于土壤 pH 較高，重金屬易被鈍化，故其有效態(tài)含量也較低。從表5 中可以看出，施用改良劑對(duì)土壤中有效Cd含量沒有顯著的影響，但使得有效Pb含量顯著下降。與 CK 相比，基施土壤改良劑使土壤有效Pb含量平均下降 13.0%，其中 T1、T2 和 T3 處理分別降低了 7.3%、14.6% 和 17.2%，以 T3 處理效果最佳。

表5 施用不同改良劑對(duì)土壤有效鎘和鉛含量的影響(mg/kg)

圖2為施用土壤改良劑后對(duì)不同土層深度土壤有效Cd和Pb含量的影響。由圖可知，單純施用多孔改良劑能夠使得0 ~ 10 cm土壤有效Cd有所減少，但在10 ~ 20 cm和20 ~ 30 cm的效果不明顯。除了10 ~ 20 cm土層外，T3處理對(duì)有效Cd影響的效果整體上優(yōu)于玉米秸稈還田(T1)處理的效果。與CK相比，基施土壤改良劑使土壤各土層有效Pb含量呈下降趨勢(shì)。其中T2處理使0 ~ 10、10 ~ 20和20 ~ 30 cm土層中的有效Pb含量分別下降了9.7%、14.3% 和19.4%，T3處理使對(duì)應(yīng)土層的有效Pb含量分別下降了14.3%、19.3% 和17.8%。同CK相比，T2和T3處理有效Pb含量在10 ~ 20、20 ~ 30 cm土層的下降顯著。

圖2 改良劑對(duì)不同土層深度土壤有效鎘和有效鉛的影響

3 結(jié)論

本研究采用單因子污染指數(shù)法對(duì)貴州省畢節(jié)地區(qū)試驗(yàn)區(qū)植煙土壤的重金屬污染程度進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并研究了植煙區(qū)土壤中增施不同種類土壤改良劑對(duì)土壤中Cd和Pb含量的影響。結(jié)果表明，供試土壤處于清潔狀態(tài)，土壤中重金屬的含量均未超過國家二級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)值；增施多孔土壤改良劑不增加Cd、Pb集聚的風(fēng)險(xiǎn)，且能顯著降低土壤中全Cr和有效Pb的含量。這一結(jié)果對(duì)該地區(qū)安全優(yōu)質(zhì)煙葉的生產(chǎn)具有積極的意義。

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Effects of Porous Amendments on Soil Cr, Cd and Pb Contents in Flue-cured Tobacco in Bijie City of Guizhou

HUANG Huagang1,2, LIU Shibi2, BAN Guojun2, CHEN Yao2, XIA Zhongwen2, ZHANG Qing3, WANG Meiyan3, XU Shengxiang3*, SUN Weixia3, SHI Xuezheng3,CAO Zhihong3

(1 Crop Science of Post-doctoral Research Stations, College of Tobacco Science, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China; 2 Bijie Branch Company, Guizhou Tobacco Company, Bijie, Guizhou 551700, China; 3 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China)

In order to explore the effects of porous amendments on the contents of heavy metals (Cr, Cd and Pb) in flue-cured tobacco fields in Bijie City of Guizhou Province, a field experiment was conducted and four treatments were designed, i.e., CK (No amendment), T1 (maize straw incorporation), T2 (porous soil amendment) and T3 (70% T2 and 30% bamboo charcoal). The results showed that soil Cr, Cd and Pb contents in the study area were lower than the 2ndGrade of National Soil Environmental Standard, which indicated the soils are safe and clean. Different soil amendments not only improved soil physiochemical properties,but can also significantly reduced Cr and the availability of soil Pb. Among different amendments, T3 treatment had the best effect, and the soil Cr and available Pb decreased by 26.4% and 17.2% respectively. The use of porous physical structure amendments in Bijie tobacco planting area didn’t increase the risk of heavy metals of soil Cd and Pb, but reduced the content of soil available Pb, thus, could archive the dual goals in reducing soil compaction and heavy metal availability.

Soil amendments; Flue-cured tobacco; Soil properties; Soil heavy metal

貴州省煙草公司畢節(jié)市公司科技專項(xiàng)(畢節(jié)合2015-02，省市院合2015-06)、中國煙草總公司貴州省公司科技項(xiàng)目(201703)、中國博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目(2015M572017)和貴州省科學(xué)技術(shù)基金項(xiàng)目(黔科合J字[2013]2193號(hào))資助。

(sxxu@issas.ac.cn)

黃化剛(1982—)，男，四川北川人，博士，主要從事土壤修復(fù)、煙葉種植與品質(zhì)提升研究。E-mail: hhg491124@163.com

10.13758/j.cnki.tr.2019.02.019

S156.2；S572；S341.1

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