礦物基土壤調(diào)理劑對(duì)煙草土壤修復(fù)的效果

龍煒凡，胡志嬌，楊家明，張亞當(dāng)，劉耀馳，4* (.湖南隆洲馳宇科技有限公司，湖南長(zhǎng)沙 400；.云南省羅平縣板橋鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)中心，云南羅平 655800；.西南林業(yè)大學(xué)會(huì)計(jì)學(xué)院，云南昆明 650000；4.中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 4008)

煙草是重要的經(jīng)濟(jì)作物，在我國(guó)南方廣泛種植，而煙草對(duì)重金屬尤其是鎘(Cd)有富集作用。煙草制成的卷煙燃燒時(shí)，其重金屬化合物的10%～20%成為煙氣氣溶膠，以金屬氧化物的形式隨煙氣進(jìn)入人體，因此，有關(guān)重金屬在煙草中的累積及對(duì)人體健康危害的研究日益受到重視。Cd是一種對(duì)動(dòng)物和人類健康危害嚴(yán)重的重金屬，1990年Hoffmann清單將其列入煙草44種有害成分中。

土壤退化問題在全球普遍存在，我國(guó)土壤重金屬污染尤顯突出，過量的重金屬進(jìn)入耕地中，不僅對(duì)作物產(chǎn)生毒害，影響作物生長(zhǎng)，還可以逐步富集在植物中，通過食物鏈進(jìn)入人體后危害人的健康，造成重金屬蔬菜、“鎘大米”等諸多事件發(fā)生。目前，治理土壤重金屬Cd污染的方式主要有2種:一種是直接降低土壤中Cd的總量，主要有客土法、化學(xué)淋洗法、熱力提取法、絡(luò)合浸提法、生物吸收法等; 第2種是改變Cd在土壤中的存在方式，將Cd固定于土壤中，即降低土壤中Cd的有效性，使其生物活性降低，從而不被作物吸收，如在土壤中施加鈍化劑等。其中第2種方法使用更普遍，在鈍化劑材料中，黏土礦物基材料是土壤修復(fù)的主力軍，具有粒徑小、比表面積大等特點(diǎn)，可利用它的可變電荷表面對(duì)重金屬離子進(jìn)行離子交換吸附、絡(luò)合、沉淀來實(shí)現(xiàn)重金屬元素的固化與穩(wěn)定化，且能持久有效。同時(shí)可以改良酸性土壤，提高土壤中有效硅含量，使得作物更好生長(zhǎng)。所以黏土礦物材料尤其是活化改性后制成的礦物基土壤調(diào)理劑在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域土壤改良、土壤修復(fù)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，具有其他修復(fù)材料無可比擬的成本低、使用簡(jiǎn)便、效果好等優(yōu)勢(shì)。該試驗(yàn)在驗(yàn)證以黏土礦物基材料制成的“海匯龍洲牌”土壤調(diào)理劑在煙田土壤改良及重金屬修復(fù)的基礎(chǔ)上，探索不同修復(fù)模式對(duì)煙草種植的影響，為高品質(zhì)煙草的可持續(xù)種植提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

試驗(yàn)地選在云南省某地，于2020年4—10月進(jìn)行，烤煙-油菜輪作，田形方正、地力均勻、排灌方便，光照充足，有較強(qiáng)的代表性和典型性。試驗(yàn)地土壤理化性質(zhì)為pH 6.55、 有機(jī)質(zhì)40.02 g/kg、速效氮55.1 mg/kg、速效磷69.1 mg/kg、速效鉀502.7 mg/kg、有效鎘1.662 mg/kg、總鎘3.622 mg/kg、總鉛66.8 mg/kg、總鉻76.76 mg/kg、總砷53.1 mg/kg、總汞<5.00 mg/kg。

供試煙草品種。根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境、土壤條件及農(nóng)戶的種植習(xí)慣，選擇主栽品種煙草K326。

供試產(chǎn)品?！昂R龍洲牌”土壤調(diào)理劑，CaO≥40%，SiO≥20%，pH 9～11;“海匯龍洲牌”有機(jī)硅葉面肥,SiO≥120 g/L。

試驗(yàn)安排5個(gè)處理：對(duì)照(CK)，常規(guī)施肥；處理①，基施土壤調(diào)理劑7 500 kg/hm+常規(guī)施肥；處理②，基施土壤調(diào)理劑7 500 kg/hm+深翻耕40 cm+常規(guī)施肥；處理③，基施土壤調(diào)理劑7 500 kg/hm+有機(jī)硅葉面肥噴施+常規(guī)施肥；處理④，基施土壤調(diào)理劑7 500 kg/hm+有機(jī)硅葉面肥噴施+深翻耕40 cm+常規(guī)施肥。不同處理間進(jìn)行隔離，防止小區(qū)間出現(xiàn)串排串灌。

土壤取樣。移栽前在試驗(yàn)地按五點(diǎn)取樣法設(shè)置采樣點(diǎn)，用不銹鋼取樣器鉆取0～20 cm土壤5份，混合后制成1份植煙前土壤樣品。在采收后，分小區(qū)按五點(diǎn)取樣法原則，用不銹鋼取樣器鉆取0～20 cm土壤，每小區(qū)5份制成該小區(qū)混合樣品。

煙葉取樣。煙草成熟后，分小區(qū)采收成熟煙葉進(jìn)烤房烘烤。待烘烤結(jié)束后，按照42級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，取各個(gè)小區(qū)X2F、C3F、B2F靠后煙葉各1 kg，去主脈粉碎后裝入樣品袋中備用。

土壤檢測(cè)。pH按照NY/T 1121.2—2006測(cè)定，有機(jī)質(zhì)按照NY/T 1121.6—2006測(cè)定,水解性氮按照LY/T 1228—2015測(cè)定,有效磷按照NY/T 1121.7—2014測(cè)定，速效鉀按照NY/T 889—2004測(cè)定，有效硅按照NY/T 1121.15—2006測(cè)定，交換性鈣按照NY/T 1121.13—2006測(cè)定，總鎘、總砷按照HJ 803—2016測(cè)定，總汞按照GB/T 22105.1—2008測(cè)定，有效鎘按照GB/T 23739—2009測(cè)定。

煙葉檢測(cè)。鎘、砷按照YC/T 380—2010測(cè)定，汞按照YC/T 250—2008測(cè)定。

采用Excel 2010對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步運(yùn)算和繪制圖表，利用SPSS 21.0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0.05水平下用最小顯著差異法(LSD)分析所有數(shù)據(jù)之間的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

以礦物基土壤調(diào)理劑為核心的不同處理?xiàng)l件對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響見表1。從表1可以看出，土壤pH除處理③外，其余的處理均較對(duì)照組有所升高，其中處理①增幅最大；礦物基土壤調(diào)理劑富含氧化鈣、二氧化硅等物質(zhì)，且呈堿性(pH 9～11)，因此，施入土壤后會(huì)增加土壤pH。土壤中水解性氮含量處理①和處理③均高于對(duì)照組，其中處理③最高，達(dá)446.27 mg/kg；土壤中有效磷含量只有處理①高于對(duì)照組，其余均低于對(duì)照組，其中處理④有效磷含量為96.10 mg/kg，比對(duì)照組低19.13 mg/kg；土壤中速效鉀含量處理①和處理③均高于對(duì)照組，其中處理①含量最高，達(dá)897 mg/kg；土壤中有機(jī)質(zhì)含量處理①和處理③均高于對(duì)照組；土壤中有效硅含量4個(gè)處理組均高于對(duì)照組，其中處理③有效硅含量最高，為603 mg/kg；土壤中交換性鈣4個(gè)處理組均高于對(duì)照組，其中處理③交換性鈣含量最高，為3 322 mg/kg；處理③(礦物基土壤調(diào)理劑+有機(jī)硅)在土壤水解氮、有機(jī)質(zhì)、有效硅和交換性鈣含量均為最大值；處理②(礦物基土壤調(diào)理劑+深翻耕)和處理④(礦物基土壤調(diào)理劑+有機(jī)硅+深翻耕)的水解性氮、有效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)含量4個(gè)指標(biāo)均低于對(duì)照組。

表1 不同處理?xiàng)l件對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響Table 1 Effects of different treatment conditions on soil physical and chemical properties

不同處理對(duì)煙葉下部葉重金屬含量的影響。以礦物基土壤調(diào)理劑為核心的不同處理?xiàng)l件對(duì)煙葉下部葉中重金屬含量的影響見表2。由表2可知，下部葉中As含量處理②和處理④低于對(duì)照組，各處理間As含量從高到低排序?yàn)樘幚恝?處理③>對(duì)照>處理④>處理②；4個(gè)處理組下部葉中Cd含量均低于對(duì)照組，其中處理②較對(duì)照組降低17.10%,各處理間Cd含量從高到低排序?yàn)閷?duì)照>處理④>處理①>處理③>處理②；各處理間Hg含量均較低，其中處理①、處理②和處理③較對(duì)照組均降低20.00%。

不同處理對(duì)煙葉中部葉重金屬含量的影響。以礦物基土壤調(diào)理劑為核心的不同處理?xiàng)l件對(duì)煙葉中部葉中重金屬含量的影響見表3。由表3可知，煙葉中部葉中As含量除處理③外，其余均低于對(duì)照組，各處理間Cd含量從高到低為對(duì)照=處理③>處理④>處理①>處理②，其中處理②較對(duì)照組降低26.03%，處理①降低19.18%；4個(gè)處理組中部葉中Cd含量均低于對(duì)照組，其中處理②降低26.83%，各處理間Cd含量從高到低為對(duì)照>處理④>處理③>處理①>處理②；4個(gè)處理中部葉中Hg含量均低于對(duì)照組，其中處理②降幅最大，為37.50%。

表2 不同處理?xiàng)l件煙葉下部葉中重金屬含量Table 2 Contents of heavy metals in lower leaves of tobacco leaves under different treatment conditions

表3 不同處理煙葉中部葉重金屬含量Table 3 Contents of heavy metals in middle leaves of tobacco leaves under different treatments

不同處理對(duì)煙葉上部葉重金屬含量的影響。以礦物基土壤調(diào)理劑為核心的不同處理?xiàng)l件對(duì)煙葉上部葉中重金屬含量的影響見表4。由表4可知，上部葉中As含量除處理④，其余均低于對(duì)照組，其中處理②降幅最大，為60.00%，其次為處理①，降幅為55.56%；上部葉中Cd含量除處理④，其余均低于對(duì)照組，處理②降幅最大,為52.72%，其次為處理①,降幅為51.46%；上部葉中Hg含量整體較低，處理①和處理③降幅均為50.00%。

表4 不同處理煙葉上部葉重金屬含量Table 4 Contents of heavy metals in upper leaves of tobacco leaves under different treatments

上述研究結(jié)果表明，礦物基土壤調(diào)理劑的施用大幅降低了煙葉中重金屬含量。以黏土礦物材料生產(chǎn)的土壤調(diào)理劑比表面積大，其結(jié)構(gòu)層帶電荷，通過吸附、配位反應(yīng)以及共沉淀反應(yīng)等作用，可降低土壤中重金屬離子的活性，從而降低對(duì)作物的毒害，起到改良土壤、提升煙葉品質(zhì)的作用。

不同處理對(duì)土壤重金屬含量的影響如表5所示。根據(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)(試行)》(GB 15618—2018)，土壤中總砷含量均處于高于土壤污染篩選值、低于風(fēng)險(xiǎn)管控值，處理①、處理②和處理③均相對(duì)于對(duì)照組總砷含量有所降低，其中處理②總砷含量最低，為51.27 mg/kg，其降幅最大，為23.13%；土壤中總汞含量均低于土壤污染篩選值，處理②和處理③較對(duì)照組總汞含量有所升高；土壤中總鎘含量均高于土壤污染篩選值，其中處理①、處理③和對(duì)照均高于風(fēng)險(xiǎn)管控值，4個(gè)處理相較于對(duì)照組總鎘含量均有所降低，總鎘含量從高到低依次為對(duì)照>處理③>處理①>處理②>處理④，其中處理④降幅最大，為27.56%，其次為處理②，降幅為21.58%；4個(gè)處理組土壤中有效鎘含量均低于對(duì)照組，有效鎘含量從高到低依次為對(duì)照>處理①>處理③>處理②>處理④，其中處理④降幅最大，為39.72%，其次是處理②，降幅為34.75%。

3 結(jié)論

(1)礦物基土壤調(diào)理劑能有效改良土壤理化性質(zhì)，土壤pH在一定程度得到提高，處理①(7 500 kg/hm基施土壤調(diào)理劑)和處理③(7 500 kg/hm基施土壤調(diào)理劑+有機(jī)硅)的模式能很大程度改善土壤理化性質(zhì)，處理②(7 500 kg/hm基施土壤調(diào)理劑+深翻耕)和處理④(7 500 kg/hm基施土壤調(diào)理劑+有機(jī)硅+深翻耕)在加上深翻耕操作后，土壤水解性氮、有效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)含量都大幅度降低；同時(shí)礦物基土壤調(diào)理劑能有效降低土壤重金屬含量，其中對(duì)鎘最明顯，處理②和處理④總鎘降幅均超過了20%，有效鎘降幅均超過了30%，其中處理④有效鎘降幅高達(dá)39.72%。

表5 不同處理土壤重金屬含量Table 5 Contents of heavy metals in soils under different treatments

(2)以礦物基土壤調(diào)理劑為核心的不同模式處理土壤后，煙葉中重金屬含量都在一定程度上有所降低，其中以中部葉效果最為明顯，且處理②(7 500 kg/hm礦物基土壤調(diào)理劑+深翻耕)在煙葉As、Cd和Hg含量的降幅均是最大值，提升了煙葉品質(zhì)。

(3)處理②(7 500 kg/hm礦物基土壤調(diào)理劑+深翻耕)綜合表現(xiàn)最好，上、中、下部葉重金屬大部分均有效降低，可考慮在后續(xù)生產(chǎn)實(shí)踐中于輕中度鎘砷污染煙地上施用7 500 kg/hm礦物基土壤調(diào)理劑，配合深耕操作，既可以提高土壤pH改良土壤理化性狀，又能降低煙草植株對(duì)鎘的吸收，起到提質(zhì)增效的作用。