石灰、羥基磷灰石、秸稈生物炭對(duì)煙草吸收鎘的影響

李曉鋒，吳鋒穎，劇永望，丁豪杰，張慧娟，劉雪,*

1. 西南林業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，昆明 650224 2. 西南林業(yè)大學(xué)環(huán)境修復(fù)與健康研究院，昆明 650224

采礦、冶煉、城市建設(shè)的快速發(fā)展及農(nóng)業(yè)化肥的過(guò)度施用，使大量重金屬進(jìn)入土壤。我國(guó)農(nóng)用地土壤重金屬污染率高達(dá)10.2%[1]，土壤重金屬污染已成為我國(guó)最突出的環(huán)境問(wèn)題之一。鎘(Cd)是有毒重金屬元素，主要以Cd2+形式存在于土壤中，易與HS-、OH-和HCO3-等離子或有機(jī)物結(jié)合，具有較高的溶解性和生物毒性[2]。農(nóng)田土壤中Cd通過(guò)作物吸收、富集及食物鏈傳遞進(jìn)入人體，具有潛在食品安全風(fēng)險(xiǎn)和人體健康風(fēng)險(xiǎn)。云南省地處重金屬高背景區(qū)且礦產(chǎn)資源豐富，譽(yù)為“有色金屬王國(guó)”，其土壤母質(zhì)中烴源巖含有較高濃度的微量金屬，其土壤Cd含量為全國(guó)均值的1.9倍[3]。此外，Zhang等[4]研究發(fā)現(xiàn)，云南省農(nóng)用地在使用5～10年后土壤中Cd含量持續(xù)增加。

煙草是我國(guó)重要經(jīng)濟(jì)作物，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年煙草種植面積102.7萬(wàn)hm2，煙草產(chǎn)量215萬(wàn)t，總產(chǎn)值為10 062億元，具有極大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。云南煙草占全國(guó)市場(chǎng)的45%，“十二五”期間云南煙草產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)占全省GDP的13.8%，2019年，種植烤煙煙農(nóng)達(dá)60.8萬(wàn)戶(hù)，經(jīng)濟(jì)創(chuàng)收251億元，目前，云南省大力培育千億級(jí)煙草產(chǎn)業(yè)，預(yù)計(jì)到2025年，全省煙草產(chǎn)業(yè)創(chuàng)收將達(dá)1 600億元。然而，煙草極易從土壤中吸收Cd，積累量表現(xiàn)為葉>莖>根，影響煙葉品質(zhì)及質(zhì)量安全。Cd脅迫對(duì)煙草整個(gè)生長(zhǎng)周期均產(chǎn)生影響[5-6]，Cd濃度>0.5 mmol·L-1可抑制煙草種子萌發(fā)，隨濃度增加抑制作用增強(qiáng)[7]。當(dāng)土壤Cd濃度>1 mg·kg-1，煙草株高、葉片干質(zhì)量及根、莖、葉中鈣、磷、鉀、錳含量顯著降低[8-9]。此外，Cd強(qiáng)烈誘變和破壞煙草細(xì)胞亞顯微結(jié)構(gòu)，對(duì)煙草細(xì)胞的細(xì)胞膜、細(xì)胞核、葉綠體和線粒體均可產(chǎn)生不可逆破壞[10]，導(dǎo)致光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰作用降低。

煙草成熟葉片富集Cd能力最強(qiáng)，約占煙草Cd總量的50%[11]。燃燒產(chǎn)生的煙氣、香煙過(guò)濾嘴和煙灰中Cd占比分別為33%、19%和48%[12]，經(jīng)估算，每日吸20支香煙可吸收約1 μg Cd[13]。吸入香煙燃燒產(chǎn)生的煙氣已成為人體攝入Cd的主要途徑之一，進(jìn)入人體的Cd對(duì)肝臟、胎盤(pán)、腎臟、肺、大腦和骨骼等具有極強(qiáng)的毒性作用及致癌風(fēng)險(xiǎn)[14]，因此降低煙草中Cd含量已引起廣泛關(guān)注。

目前，降低煙草Cd吸收的常用土壤修復(fù)技術(shù)包括：化學(xué)淋洗[15]、植物修復(fù)[16]和鈍化[17]?；瘜W(xué)清洗擾動(dòng)土壤環(huán)境，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分流失，且淋洗劑具有一定生物毒性，易造成二次污染[18]；植物修復(fù)過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)、修復(fù)效率低、植物生長(zhǎng)易受環(huán)境條件影響，應(yīng)用具有局限性[19]。鈍化技術(shù)通過(guò)向污染土壤中添加鈍化材料，通過(guò)降低土壤重金屬離子活動(dòng)性和生物有效性，從而降低植物對(duì)重金屬的吸收和富集，具有效率高、操作簡(jiǎn)單、環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)。目前使用較為廣泛的鈍化劑主要包括石灰類(lèi)(消石灰)、磷酸鹽類(lèi)(羥基磷灰石)和有機(jī)類(lèi)(生物炭)。研究表明，石灰類(lèi)鈍化劑通過(guò)提高土壤pH值，提高土壤顆粒表面負(fù)電荷量，與Cd2+結(jié)合形成難溶性化合物，降低土壤Cd的溶解性和生物有效性。例如，張?zhí)N睿[20]通過(guò)向田間施加石灰(Ca(OH)2)使土壤pH從4.52升至5.98，土壤有效態(tài)Cd含量降低20.8%，進(jìn)而使煙葉Cd含量降低23.6%。磷酸鹽類(lèi)鈍化劑可通過(guò)表面絡(luò)合共沉淀降低Cd的活動(dòng)性和生物有效性。例如，Lu等[21]發(fā)現(xiàn)，羥基磷灰石(HAP)可使土壤有效態(tài)Cd含量降低14.1%，煙葉Cd含量降低74.7%。有機(jī)類(lèi)鈍化劑通過(guò)吸附、氧化還原和絡(luò)合等反應(yīng)降低土壤Cd的生物有效性，實(shí)現(xiàn)土壤Cd固定化。其中，生物炭中有機(jī)質(zhì)通過(guò)表面含氧官能團(tuán)的絡(luò)合作用絡(luò)合土壤中Cd2+，無(wú)機(jī)組分通過(guò)沉淀作用和離子交換作用吸附土壤中Cd2+。例如，尤方芳等[22]發(fā)現(xiàn)，施用生物炭可使土壤有效態(tài)Cd含量降低56.3%，煙葉Cd含量降低52.6%。前期研究表明，石灰、羥基磷灰石和生物炭是較常用鈍化劑且均可降低煙草Cd吸收，但其不同施加量對(duì)不同污染程度土壤中Cd的鈍化效率及煙草吸收Cd的影響尚不明確。因此，本文通過(guò)對(duì)比3種鈍化劑不同施加量對(duì)不同濃度Cd污染土壤的鈍化效率及煙草Cd吸收降低效率的影響，以期為降低煙草Cd含量提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)參考。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 供試材料

供試煙草為云南省主要種植品種幼苗，株高10～11 cm，鮮質(zhì)量1.4～1.7 g，葉片2片。供試土壤為云南省昆明市某農(nóng)田土壤，采集表層0～20 cm土壤樣品，風(fēng)干后磨碎過(guò)2 mm尼龍篩。根據(jù)《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》，我國(guó)輕微Cd污染土壤占比5.2%，中度Cd污染土壤占比0.5%，依據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》(GB5618—2018)，農(nóng)用地土壤Cd污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值為0.7～0.8 mg·kg-1(pH>6.5)，Cd污染風(fēng)險(xiǎn)管制值為3～4 mg·kg-1(pH>6.5)，Cd含量高于風(fēng)險(xiǎn)篩選值時(shí)具有潛在土壤污染風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到風(fēng)險(xiǎn)篩選值的3倍～5倍時(shí)為中度污染。本研究模擬輕微污染和中度污染，加入計(jì)算出的定量CdCl2溶液及蒸餾水，使土壤含水量達(dá)到最大持水量的50%，充分?jǐn)嚢杌靹颍咳諗嚢璨⑼ㄟ^(guò)稱(chēng)重法補(bǔ)充蒸發(fā)水量，于室溫老化5個(gè)月以保證老化充分。老化結(jié)束后自然風(fēng)干、研磨、過(guò)2 mm尼龍篩，充分混勻后裝袋備用。土壤Cd濃度實(shí)測(cè)值為0.83 mg·kg-1和12 mg·kg-1，總N含量為0.19 g·kg-1，總P含量為1.77 g·kg-1，土壤最大持水率為70%。

選取目前廣泛應(yīng)用的石灰類(lèi)、磷酸鹽類(lèi)和有機(jī)類(lèi)3類(lèi)鈍化劑，石灰(石灰類(lèi)，Ca(OH)2；廣東東華科技股份有限公司，粒徑≤150 μm，pH值為12.5，Cd含量0.09 mg·kg-1)、羥基磷灰石(磷酸鹽類(lèi)，HAP；南京埃普瑞公司，粒徑≤80 μm，pH值為7.41，Cd含量0.04 mg·kg-1)和玉米秸稈生物炭(有機(jī)類(lèi)；鄭州立澤環(huán)?？萍加邢薰荆?50 ℃裂解，粒徑1～2 mm，pH值為8.35，Cd含量0.21 mg·kg-1)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 土培實(shí)驗(yàn)

為確定不同種類(lèi)鈍化劑及其施加量對(duì)中度(12 mg·kg-1)、輕微(0.83 mg·kg-1)污染土壤Cd鈍化和降低煙草吸收Cd的影響，本研究選取3種鈍化劑(石灰、HAP和玉米秸稈生物炭)，各設(shè)置2個(gè)施加量(2 g·kg-1和16 g·kg-1)種植煙草[23]，無(wú)鈍化劑無(wú)煙草作空白，無(wú)鈍化劑有煙草作對(duì)照，共14個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。每盆加入土壤3 kg(干質(zhì)量)，準(zhǔn)確稱(chēng)取計(jì)算量鈍化劑與土壤充分混勻后裝入花盆(外口徑(R)=24 cm，底徑(r)=14 cm，高度(H)=29.6 cm)，選取長(zhǎng)勢(shì)均勻一致的煙草幼苗記錄鮮質(zhì)量，移栽入盆，每盆1株。期間每日通過(guò)稱(chēng)重法補(bǔ)水，保持土壤含水量為最大持水量的60%。

種植60 d后，每盆采集土壤約50 g，自然風(fēng)干后磨碎過(guò)100目篩，自封袋保存?zhèn)溆?。煙草使用自?lái)水、冰磷酸鹽緩沖液(1 mmol·L-1Na2HPO4, 10 mmol·L-12-嗎啉乙磺酸(MES), 0.5 mmol·L-1Ca(NO3)2, pH 5.7)和蒸餾水清洗去除根表土壤及吸附元素，吸水紙吸干根系水分，記錄鮮質(zhì)量，將煙草分為根、莖和葉，-20 ℃冷凍后使用真空冷凍干燥機(jī)(GOLD-SIM，F(xiàn)D8-3P)凍干至恒重，記錄干質(zhì)量，液氮研磨并過(guò)100目篩，存入自封袋備測(cè)。

1.2.2 吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)

為分析3種鈍化劑對(duì)Cd2+的吸附/絡(luò)合效率，設(shè)置Cd2+溶液初始濃度為0.5 mg·L-1和5 mg·L-1，初始pH均為6.40，分別稱(chēng)取20 mg鈍化劑與10 mL Cd溶液于離心管充分混合[24]，無(wú)鈍化劑溶液為空白對(duì)照，共7個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，于140 r·min-1、25 ℃恒溫振蕩(上海知楚儀器，ZQLY-180E)，分別于10 min、20 min、30 min、1 h、2 h、6 h、12 h和24 h取樣，8 000 r·min-1離心10 min(鹽城市凱特實(shí)驗(yàn)儀器，TD5Z)后取上清液5 mL測(cè)定Cd2+濃度，至溶液Cd2+濃度不再降低達(dá)到吸附平衡。

1.3 分析方法

1.3.1 土壤pH值測(cè)定

參照《中華人民共和國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)(土壤pH值的測(cè)定電位法)》(HJ962—2018)中土壤pH值測(cè)定方法，土水比為1∶2.5(m∶V)，200 r·min-1振蕩2 min，靜置30 min，pH計(jì)(Mettler Toledo，F(xiàn)E28)測(cè)定。土壤初始pH值為5.3。

1.3.2 土壤有效態(tài)Cd含量及土壤/煙草Cd全量測(cè)定

土壤有效態(tài)Cd采用二乙基三胺五乙酸(DTPA)提取液(0.005 mol·L-1DTPA+0.01 mol·L-1CaCl2+0.1 mol·L-1三乙醇胺(TEA)，pH=7.3，m(土)∶V(提取劑)=1∶2)提取[23]，20 ℃、200 r·min-1振蕩2 h，8 000 r·min-1離心10 min，上清液過(guò)膜(0.45 μm)。

土壤/植物Cd全量分析依據(jù)US EPA 3050B方法，即稱(chēng)取0.2 g土壤或0.05 g煙草樣品于消解管中，加入10 mL HNO3(V∶V=1∶1)，于聚四氟乙烯電熱消解儀(LabTech，DigiBlock ED54)105 ℃消解4～5 h，未消解完全樣品另加5 mL HNO3(V∶V=1∶1)繼續(xù)消解至剩余消解液2～3 mL。冷卻后，加入1～2 mL 30% H2O2繼續(xù)消解0.5～1 h至無(wú)氣泡產(chǎn)生，常溫冷卻，蒸餾水沖洗回流蓋后定容至50 mL，過(guò)0.45 μm濾膜，0.1 mol·L-1HNO3(Merck)稀釋。

土壤及煙草消解液中Cd濃度使用電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS, Thermo Scientific ICAP-RQ)測(cè)定。通過(guò)內(nèi)標(biāo)物質(zhì)(In)和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(壇墨質(zhì)檢，土壤GBW07401/GSS-1、GBW07405/GSS-5、芹菜GBW10048/GSB-26)對(duì)消解及分析過(guò)程進(jìn)行質(zhì)控(Qa/Qc)監(jiān)測(cè)，內(nèi)標(biāo)回收率為90%～110%，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)Cd回收率為96%～104%。

1.3.3 煙草Cd富集系數(shù)

煙草根、莖、葉Cd富集系數(shù)分別為各部位Cd含量與土壤Cd含量的比值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

1.4.1 吸附動(dòng)力學(xué)模型

根據(jù)Ce和C0計(jì)算各溶液體系中石灰、HAP和生物炭對(duì)Cd的平衡吸附容量(qe)，并用準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型(1)和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型(2)對(duì)吸附結(jié)果進(jìn)行擬合。

ln(qe-qt)=lnqe-k1t

(1)

(2)

(3)

式中：qt為經(jīng)過(guò)時(shí)間t(h)時(shí)，Cd在單位質(zhì)量鈍化劑上的吸附量(mg·g-1)；qe為吸附平衡后，鈍化劑中Cd的飽和吸附量(mg·g-1)；C0為初始時(shí)溶液中Cd的質(zhì)量濃度(mg·L-1)；Ce為平衡時(shí)溶液中Cd的質(zhì)量濃度(mg·L-1)；k1為準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)吸附速率常數(shù)(h-1)；k2為準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)吸附速率常數(shù)(g·(mg·h)-1)；V為溶液體積(L)；m為鈍化劑質(zhì)量(g)。

1.4.2 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，采用Origin 2021擬合吸附動(dòng)力學(xué)曲線，采用GraphPad Prism 9作圖，分析結(jié)果為重復(fù)試驗(yàn)平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差。

2 結(jié)果與討論(Results and discussion)

2.1 不同鈍化劑對(duì)土壤pH值的影響

土壤pH值是調(diào)控Cd形態(tài)、分配和生物有效性的重要參數(shù)[25-26]，不同施加量的3種鈍化劑對(duì)不同濃度Cd污染土壤pH值的影響如圖1所示。

輕微(0.83 mg·kg-1)Cd污染土壤中，高施加量(16 g·kg-1)的石灰和HAP鈍化劑顯著(P<0.05)提高了土壤pH值，其中，石灰和HAP分別使土壤pH升高2.84和1.98，生物炭作用不顯著，使土壤pH值僅升高0.16；低施加量(2 g·kg-1)鈍化劑對(duì)土壤pH值的影響均不顯著(P>0.05)，例如，石灰和生物炭分別使pH升高0.1和0.11(圖1(a))。

中度(12 mg·kg-1)Cd污染土壤中，高施加量(16 g·kg-1)的石灰和HAP鈍化劑顯著(P<0.05)提高了土壤pH值，其中，石灰和HAP分別使土壤pH升高3.06和1.99，生物炭作用不顯著，使pH值僅提高0.36；低施加量(2 g·kg-1)鈍化劑對(duì)土壤pH值的影響均不顯著(P>0.05)，例如，石灰和生物炭分別使pH升高0.23和0.21(圖1(b))。綜上，3種鈍化劑高施加量時(shí)對(duì)土壤(輕微、中度污染)pH的提升作用較為顯著，表現(xiàn)為：石灰(2.84、3.06)>HAP(1.98、1.99)>生物炭(0.16、0.36)；反之，低施加量時(shí)對(duì)土壤(輕微、中度污染)pH的提升作用不顯著，表現(xiàn)為：石灰(0.1、0.23)>HAP(0.57、0.06)>生物炭(0.11、0.21)。

2.2 不同鈍化劑對(duì)土壤有效態(tài)Cd含量的影響

土壤Cd總量雖可影響煙草Cd吸收，但產(chǎn)生直接影響的是土壤中有效態(tài)Cd含量[32]。因此，為更準(zhǔn)確地評(píng)估鈍化劑對(duì)煙草吸收Cd的影響，分析了其對(duì)土壤中有效態(tài)Cd含量的影響(圖2)。

輕微(0.83 mg·kg-1)Cd污染土壤中，3種鈍化劑均顯著(P<0.05)降低土壤有效態(tài)Cd含量(13.1%～71.5%)，施加量越高，有效態(tài)Cd含量越低，16 g·kg-1石灰對(duì)土壤有效態(tài)Cd降低效率最高，由0.061 mg·kg-1降至0.017 mg·kg-1，降低效率達(dá)71.5%(圖2(a))。

圖1 不同鈍化劑及其施加量對(duì)輕微Cd(0.83 mg·kg-1)(a)和中度Cd(12 mg·kg-1)(b)污染土壤pH值的影響注：Ca(OH)2表示石灰，HAP表示羥基磷灰石；不同字母表示顯著差異(P<0.05)。Fig. 1 Effect of different passivators applied at two doses on pH changes in soils with slight (0.83 mg·kg-1) (a) and moderate (12 mg·kg-1) (b) concentration of CdNote: Ca(OH)2 represents lime, and HAP represents hydroxyapatite; different letters indicate significant differences among treatments at P<0.05.

圖2 不同鈍化劑及其施加量對(duì)輕微Cd(0.83 mg·kg-1)(a)和中度Cd(12 mg·kg-1)(b)污染土壤有效態(tài)Cd含量的影響注：Ca(OH)2表示石灰，HAP表示羥基磷灰石；不同字母表示顯著差異(P<0.05)。Fig. 2 Effect of different passivators applied at two doses on available Cd content in soils with slight (0.83 mg·kg-1) (a) and moderate (12 mg·kg-1) (b) concentration of CdNote: Ca(OH)2 represents lime, and HAP represents hydroxyapatite; different letters indicate significant differences among treatments at P<0.05.

中度(12 mg·kg-1)Cd污染土壤中，3種鈍化劑對(duì)土壤有效態(tài)Cd含量的影響與輕微Cd污染土壤不同，低施加量(2 g·kg-1)3種鈍化劑對(duì)土壤中有效態(tài)Cd含量無(wú)顯著(P>0.05)降低作用，高施加量(16 g·kg-1)均顯著(P<0.05)降低土壤有效態(tài)Cd含量。與對(duì)照組相比，16 g·kg-1石灰和HAP使土壤有效態(tài)Cd含量由1.08 mg·kg-1分別降至0.33 mg·kg-1和0.42 mg·kg-1(圖2(b))。綜上，3種鈍化劑低施加量時(shí)對(duì)土壤(輕微、中度污染)有效態(tài)Cd含量降低效率相對(duì)較低，表現(xiàn)為：石灰(12.8%、1.24%)>生物炭(12.6%、5.06%)>HAP(11.8%、3.28%)；高施加量時(shí)均能降低土壤(輕微、中度污染)有效態(tài)Cd含量，其降低效率表現(xiàn)為：石灰(77.5%、70.0%)>HAP(58.5%、60.7%)>生物炭(23.3%、16.6%)。

鈍化劑對(duì)土壤有效態(tài)Cd含量的降低作用與施用量呈正相關(guān)。石灰通過(guò)降低土壤pH，且與Cd2+形成CdHCO3、CdCO3，降低土壤有效態(tài)Cd含量和生物有效性[33]。張?zhí)N睿[20]通過(guò)施加3 000 kg·hm-2石灰，使土壤有效態(tài)Cd含量降低20.8%，且隨石灰施用量增加呈顯著下降趨勢(shì)。羥基磷灰石的晶體結(jié)構(gòu)形式和離子半徑與Cd2+具有相似性，使土壤中Cd2+與其晶格中Ca2+發(fā)生交換，通過(guò)表面吸附與陽(yáng)離子交換形成穩(wěn)定磷酸鹽[34]，降低土壤中有效態(tài)Cd含量。此外，施用磷酸鹽可提高土壤pH、增加磷酸鹽表面負(fù)電荷，增強(qiáng)土壤成分對(duì)Cd2+的吸附[35]。唐守寅等[29]施用2 g·kg-1HAP使土壤有效態(tài)Cd含量降低8.5%，而16 g·kg-1HAP使土壤有效態(tài)Cd含量降低31.7%，與本研究中高施加量HAP可更顯著地降低土壤Cd有效態(tài)含量的作用規(guī)律一致。生物炭通過(guò)自身的堿性物質(zhì)如灰分提高土壤pH，改變Cd2+在土壤中的賦存形態(tài)，使其通過(guò)絡(luò)合、沉淀等作用被固定[36-38]。例如，杜彩艷等[39]通過(guò)向土壤中施加50 g·kg-1不同原材料生物炭，使土壤有效態(tài)Cd含量降低40%。

2.3 不同鈍化劑對(duì)煙草生物量的影響

輕微(0.83 mg·kg-1)Cd污染土壤中，低施加量(2 g·kg-1)的HAP和生物炭鈍化劑顯著(P<0.05)提高了煙草鮮質(zhì)量增長(zhǎng)量，其中HAP和生物炭分別使煙草鮮質(zhì)量增長(zhǎng)量提高7.97倍和5.07倍，石灰作用不顯著，僅使鮮質(zhì)量增長(zhǎng)量提升1.14倍；高施加量(16 g·kg-1)僅生物炭使煙草鮮質(zhì)量增長(zhǎng)量顯著提高18.5倍(圖3(a))。

中度(12 mg·kg-1)Cd污染土壤中，3種鈍化劑對(duì)煙草鮮質(zhì)量增長(zhǎng)量的影響與輕微Cd污染土壤類(lèi)似，低施加量(2 g·kg-1)鈍化劑顯著(P<0.05)提高了煙草鮮質(zhì)量增長(zhǎng)量，其中HAP和生物炭分別使煙草鮮質(zhì)量增長(zhǎng)量提升3.29倍和5倍；高施加量(16 g·kg-1)僅生物炭使煙草鮮質(zhì)量增長(zhǎng)量顯著提高29.7倍，石灰和HAP均使煙草鮮質(zhì)量增長(zhǎng)量降低，與空白相比，分別降低80.1%和79.5%(圖3(b))。在實(shí)際種植過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，高施加量(16 g·kg-1)石灰和HAP處理的盆栽土壤發(fā)生板結(jié)現(xiàn)象，使煙草生長(zhǎng)緩慢，鮮質(zhì)量增長(zhǎng)較低，這可能與石灰和HAP施用量過(guò)高，使土壤pH提升呈堿性，致使土壤中有機(jī)質(zhì)含量降低，影響煙草生長(zhǎng)發(fā)育，戴萬(wàn)宏等[40]通過(guò)研究土壤有機(jī)質(zhì)含量與酸堿度關(guān)系發(fā)現(xiàn)，有機(jī)質(zhì)含量與pH呈顯著負(fù)相關(guān)，隨pH升高有機(jī)質(zhì)含量降低12.2%～22.9%。同時(shí)，HAP在土壤環(huán)境中其自身的磷酸根離子與土壤中Cd2+、Ca2+等陽(yáng)離子結(jié)合形成難溶性磷酸鹽，致使土壤板結(jié)，影響煙草根系活力，導(dǎo)致煙草無(wú)法正常生長(zhǎng)。

圖3 不同鈍化劑對(duì)輕微Cd(0.83 mg·kg-1)(a)和中度Cd(12 mg·kg-1)(b)污染土壤中煙草鮮質(zhì)量增長(zhǎng)量的影響注：Ca(OH)2表示石灰，HAP表示羥基磷灰石；不同字母表示顯著差異(P<0.05)。Fig. 3 Effects of different passivators on increase of fresh weight of tobacco growing in soils with slight (0.83 mg·kg-1) (a) and moderate (12 mg·kg-1) (b) concentration of CdNote: Ca(OH)2 represents lime, and HAP represents hydroxyapatite; different letters indicate significant differences among treatments at P<0.05.

Cd脅迫在煙草整個(gè)生長(zhǎng)周期中均可產(chǎn)生影響[6]，導(dǎo)致植株生長(zhǎng)緩慢，但施加生物炭可緩解毒性作用，使煙草的生長(zhǎng)脅迫降低。例如，提高土壤Cd濃度，使煙草生物量顯著降低，土壤Cd含量為3 mg·kg-1時(shí)，施加20 g·kg-1生物炭使煙草地上部生物量提高1.3倍[41-42]。生物炭具有多孔結(jié)構(gòu)，在土壤中可為微生物提供附著環(huán)境和生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[43]，此外，生物炭可顯著增加土壤溶解性有機(jī)碳(SOC)、土壤陽(yáng)離子交換容量(CEC)和土壤電導(dǎo)率(EC)[44-47]，從而提升土壤肥力。生物炭較大的比表面積、多孔結(jié)構(gòu)、強(qiáng)離子交換能力可通過(guò)與土壤養(yǎng)分的相互作用，直接或間接降低土壤養(yǎng)分淋失[48]，進(jìn)一步促進(jìn)煙草生長(zhǎng)，提升煙草對(duì)Cd脅迫的耐受能力。

2.4 不同鈍化劑對(duì)煙草各部位Cd含量與富集的影響2.4.1 對(duì)煙草根、莖、葉Cd含量的影響

輕微(0.83 mg·kg-1)Cd污染土壤中，3種鈍化劑均顯著(P<0.05)降低煙草根、莖、葉Cd含量，降低率分別為38%～98%、39.3%～99.5%、13.2%～99.9%。中度濃度(12 mg·kg-1)Cd污染土壤中，根、莖、葉Cd含量分別降低17.2%～97.4%、1.64%～94.2%、12%～88.5%。此外，鈍化劑高施加量的Cd含量降低率高于低施加量的。16 g·kg-1石灰、HAP使根、莖、葉Cd含量分別降低87.7%～98%、82.3%～99.5%、77%～99.9%，但此2種鈍化劑使煙草無(wú)法正常生長(zhǎng)(圖3)。輕微(0.83 mg·kg-1)Cd污染土壤中，高施加量(16 g·kg-1)生物炭亦可降低煙草Cd含量，根、莖、葉Cd含量分別降低74.6%、82.5%、59.3%(圖4(a)、(c)和(e))，且可保證煙草正常生長(zhǎng)和促進(jìn)生物量提高。高施加量(16 g·kg-1)生物炭使煙草根、莖、葉Cd含量分別降低50.7%、57.9%和46.5%(圖4(b)、(d)和(f))。低施加量(2 g·kg-1)HAP土壤pH和有效態(tài)Cd含量較對(duì)照組無(wú)顯著變化，土壤呈弱酸性，但煙草根部Cd含量增加，可能原因是，HAP含有41.2%～46.7% P[49]，外源P可促使植物根系生長(zhǎng)，增大其與土壤的接觸面積，促進(jìn)根系對(duì)Cd的吸收累積，導(dǎo)致根部Cd含量增加[50-51]。

研究表明，石灰可降低土壤中有效態(tài)Cd含量，亦可通過(guò)Ca2+與Cd2+的拮抗作用降低煙草對(duì)Cd的吸收[52]。例如，施加不同劑量的石灰使煙草根、莖、葉Cd含量分別降低18%～46.3%、0%～38.1%、48.7%～56.3%[53]。磷酸鹽可提高土壤pH，降低有效態(tài)Cd含量，進(jìn)而降低煙草對(duì)Cd的吸收[54-56]。例如，施加32 g·kg-1HAP使煙草根、莖、葉Cd含量分別降低76.7%、79.1%、82.2%[23]。生物炭可通過(guò)提高土壤pH，提高表面陽(yáng)離子交換點(diǎn)位，提高其對(duì)Cd2+的吸附作用，降低土壤有效態(tài)Cd含量，進(jìn)而降低煙草對(duì)Cd的吸收與積累[48]。例如，施加20 g·kg-1生物炭使煙草根、莖、葉Cd含量降低56.8%、70.4%、67%[57]。通常，通過(guò)鈍化劑降低煙草Cd含量時(shí)，可根據(jù)土壤Cd污染程度選擇適宜的鈍化劑種類(lèi)及施加量。然而，本研究表明，16 g·kg-1石灰、HAP雖可降低煙草Cd含量，但影響煙草正常生長(zhǎng)，而生物炭在降低煙草Cd含量的同時(shí)可促進(jìn)煙草生長(zhǎng)，故相較于石灰和HAP，生物炭更適于降低煙草Cd含量，同時(shí)提高煙草產(chǎn)量。

2.4.2 不同鈍化劑對(duì)煙草Cd富集系數(shù)的影響

生物富集系數(shù)(bioconcentration factor, BCF)反映Cd在煙草各部位的轉(zhuǎn)運(yùn)、分配與累積趨勢(shì)。不同程度Cd污染土壤、不同鈍化劑處理前后煙草各部位Cd的富集系數(shù)如表1所示。整體上看，輕微污染土壤中煙草對(duì)Cd的富集系數(shù)較中度污染土壤更高，其中煙草葉片對(duì)Cd的富集能力最強(qiáng)，表現(xiàn)為：葉(Cd0.83：247，Cd12：48.6)>莖(Cd0.83：203，Cd12：41.7)>根(Cd0.83：122，Cd12：24.7)。此外，3種鈍化劑均可顯著降低煙葉Cd富集系數(shù)，表現(xiàn)為：生物炭(Cd0.83：59.5%，Cd12：46.5%)>石灰(Cd0.83：32.4%，Cd12：18.5%)>HAP(Cd0.83：16.6%，Cd12：13.2%)。

輕微(0.83 mg·kg-1)Cd污染土壤中，3種鈍化劑使根、莖、葉富集系數(shù)分別降低50.6%～74.7%、44.3%～82.5%、16.6%～59.5%，且施加量與富集系數(shù)降低率呈正相關(guān)。3種鈍化劑中，生物炭對(duì)富集系數(shù)的降低率最高，分別使根、莖、葉富集系數(shù)降低68.7%～74.7%、70.1%～82.5%、51.4%～59.5%。

圖4 不同鈍化劑對(duì)輕微Cd(0.83 mg·kg-1)和中度Cd(12 mg·kg-1)污染土壤中煙草根(a)、(b)，莖(c)、(d)，葉(e)、(f)Cd含量的影響注：Ca(OH)2表示石灰，HAP表示羥基磷灰石，不同字母表示顯著差異(P<0.05)。Fig. 4 Effects of different passivators on Cd concentration in tobacco roots (a), (b), stem (c), (d), and leaf (e), (f) growing in soils with slight (0.83 mg·kg-1) (a) and moderate (12 mg·kg-1) concentration of CdNote: Ca(OH)2 represents lime, and HAP represents hydroxyapatite; different letters indicate significant differences among treatments at P<0.05.

中度(12 mg·kg-1)Cd污染土壤中，3種鈍化劑使煙草根、莖、葉富集系數(shù)降低率比低Cd土壤低，分別為25.1%～50.6%、10.6%～57.8%、13.2%～46.5%。同低Cd土壤，生物炭的降低作用最為突出，分別使根、莖、葉富集系數(shù)降低32%～50.6%、44.6%～57.8%、33.1%～46.5%。

綜上，在中度、輕微Cd污染土壤中，煙草各部位對(duì)Cd的富集系數(shù)均表現(xiàn)為葉>莖>根，且隨土壤Cd濃度升高而降低。此外，生物炭對(duì)富集系數(shù)的降低作用最顯著。生物炭通過(guò)表面負(fù)電荷及含氧官能團(tuán)與土壤中Cd2+結(jié)合形成金屬絡(luò)合物，從而降低土壤有效態(tài)Cd含量，進(jìn)而降低煙草對(duì)Cd的吸收和積累[41]。此外，生物炭通過(guò)提高土壤SOC、CEC和EC，促進(jìn)煙草生長(zhǎng)和地上部生物量增長(zhǎng)，在煙草體內(nèi)起到“稀釋效應(yīng)”，亦可促進(jìn)煙葉Cd濃度降低[58]。

2.5 吸附動(dòng)力學(xué)

對(duì)吸附實(shí)驗(yàn)的結(jié)果采用準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型(式1)和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型(式2)進(jìn)行擬合，不同鈍化劑對(duì)Cd的吸附動(dòng)力學(xué)曲線及擬合參數(shù)見(jiàn)圖5、圖6和表2。

表1 煙草各部位對(duì)Cd的富集系數(shù)Table 1 Bioconcentration factor of Cd in different tissues of tobacco

圖5 HAP對(duì)Cd的吸附動(dòng)力學(xué)曲線(初始濃度為0.5 mg·L-1 (a)、5 mg·L-1 (b))Fig. 5 Adsorption kinetics of Cd on HAP at initial Cd concentration of 0.5 mg·L-1 (a) and 5 mg·L-1 (b)

吸附動(dòng)力學(xué)模型反映不同因素對(duì)鈍化劑吸附重金屬速率的影響，準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型假設(shè)未吸附位點(diǎn)與吸附速率成正比，吸附受擴(kuò)散速率的影響較大[59-60]。準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型假設(shè)吸附速率與溶液中污染物濃度的平方成正比，吸附速率主要受化學(xué)吸附過(guò)程的影響[60-61]。結(jié)果表明，石灰對(duì)溶液中Cd2+無(wú)吸附，HAP和生物炭對(duì)Cd的吸附規(guī)律相似，2 h內(nèi)以快吸附為主，之后為慢速吸附，24 h后溶液中Cd2+去除率無(wú)明顯變化且大于90%，達(dá)到表觀吸附平衡；且均符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型，表明HAP和生物炭對(duì)Cd2+具有化學(xué)吸附作用；低濃度(0.5 mg·kg-1)Cd溶液中，平衡時(shí)Cd飽和吸附量表現(xiàn)為生物炭(0.234 mg·kg-1)>HAP(0.222 mg·kg-1)；高濃度(5 mg·kg-1)Cd溶液中，則為HAP(2.31 mg·kg-1)>生物炭(2.03 mg·kg-1)。

吸附初期，溶液中Cd2+濃度相對(duì)較高，溶液中Cd2+與HAP和生物炭表面充分接觸，從而產(chǎn)生快速吸附現(xiàn)象，隨反應(yīng)時(shí)間增加，Cd2+由吸附材料表面向內(nèi)部擴(kuò)散，導(dǎo)致吸附速率減緩[62]。吸附材料對(duì)溶液中金屬離子的吸附包括快速吸附、慢速吸附和吸附平衡3個(gè)階段。慢速吸附階段溶液中Cd2+與鈍化劑之間的傳質(zhì)動(dòng)力隨溶液中Cd2+的減少而下降。HAP和生物炭表面均帶負(fù)電荷，吸附過(guò)程中溶液Cd2+減少，其表面電性被中和最終達(dá)到吸附平衡[63]。例如，秸稈生物炭對(duì)Cr的吸附試驗(yàn)結(jié)果與本文一致，且符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型[63-64]。

通過(guò)盆栽實(shí)驗(yàn)，研究石灰、HAP和玉米秸稈生物炭對(duì)植煙地土壤Cd鈍化和煙草Cd吸收的降低作用。通過(guò)分析土壤pH、有效態(tài)Cd含量、煙草生長(zhǎng)量及煙草根、莖、葉Cd含量，以及吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，得到的主要結(jié)論如下。

(1)3種鈍化劑均能提高土壤pH且降低有效態(tài)Cd含量。對(duì)土壤pH的提升作用表現(xiàn)為：石灰(0.02～3.06)>HAP(0.06～1.99)>生物炭(0.11～0.36)。高施加量(16 g·kg-1)時(shí)，對(duì)土壤有效態(tài)Cd含量的降低作用表現(xiàn)為：石灰(5.6%～77.5%)>HAP(0%～60.7%)>生物炭(5.06%～23.3%)。

圖6 生物炭對(duì)Cd的吸附動(dòng)力學(xué)曲線(初始濃度為0.5 mg·L-1 (a)、5 mg·L-1 (b))Fig. 6 Adsorption kinetics of Cd on biochar at initial Cd concentration of 0.5 mg·L-1 (a) and 5 mg·L-1 (b)

表2 HAP和生物炭對(duì)Cd的吸附動(dòng)力學(xué)模型擬合參數(shù)Table 2 Kinetic parameters of Cd adsorption on HAP and biochar

(2)高施加量(16 g·kg-1)石灰、HAP對(duì)煙草Cd含量降低作用較高，但影響煙草正常生長(zhǎng)，而生物炭在降低煙草各部位Cd吸收的同時(shí)，可提高煙草生物量。3種鈍化劑對(duì)煙草各部位Cd含量降低表現(xiàn)為葉(Cd0.83：215 mg·kg-1；Cd12：671 mg·kg-1)>莖(Cd0.83：177 mg·kg-1；Cd12：542 mg·kg-1)>根(Cd0.83：106 mg·kg-1；Cd12：341 mg·kg-1)，根Cd含量降低率為生物炭(Cd0.83：51.9%～80.2%；Cd12：20.0%～62.8%)>石灰(Cd0.83：54.8%～68.0%；Cd12：17.2%～32.1%)>HAP(Cd0.83：38.0%～60.2%；Cd12：0)；莖Cd含量降低率為生物炭(Cd0.83：65.5%～83.5%；Cd12：38.7%～60.0%)>石灰(Cd0.83：53.3%～65.0%；Cd12：20.5%～23.1%)>HAP(Cd0.83：39.3%～48.4%；Cd12：1.64%～9.31%)；葉Cd含量降低率為生物炭(Cd0.83：45.6%～63.3%；Cd12：39.2%～49.1%)>石灰(Cd0.83：26.2%～37.2%；Cd12：16.8%～20.1%)>HAP(Cd0.83：13.2%～19.5%；Cd12：12.0%～14.8%)。綜合考慮Cd吸收降低率和生物量增長(zhǎng)率，生物炭較石灰和HAP更適于植煙地土壤Cd鈍化和煙草Cd吸收阻控，可根據(jù)土壤Cd污染程度選擇適宜的生物炭施加量。

(3)HAP和生物炭均能吸附溶液中Cd2+，達(dá)到吸附平衡時(shí)，溶液中Cd2+去除率均>90%，且符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型，表明HAP和生物炭對(duì)Cd2+具有化學(xué)吸附作用；低濃度(0.5 mg·kg-1)Cd溶液中，Cd飽和吸附量為生物炭(0.234 mg·kg-1)>HAP(0.222 mg·kg-1)；高濃度(5 mg·kg-1)Cd溶液中，則為HAP(2.31 mg·kg-1)>生物炭(2.03 mg·kg-1)。

通訊作者簡(jiǎn)介：劉雪(1987—)，女，博士，副研究員，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境污染與食品安全。