石灰、硅酸鈉和羥基磷灰石對煙草吸收鎘的影響

王浩樸 胡麗 馮蓮蓮 謝輝陽 王果

摘 要 為了探討施用不同鈍化劑對煙草吸收富集鎘的效果，采用盆栽試驗研究了石灰、硅酸鈉和羥基磷灰石對Pb-Cd復合污染土壤上的煙草鎘吸收富集的影響。結果表明，土壤pH值均隨3種鈍化劑用量的增大而升高，而土壤有效鎘（DTPA-提取）含量則隨之降低。土壤有效鎘的最大降幅分別為：32 g/kg羥基磷灰石處理（52.4%）>16 g/kg石灰處理（37.0%）>12.5 g/kg硅酸鈉處理（14.1%）。3種鈍化劑都降低了煙株各部位鎘的含量，其對煙葉鎘含量的平均最大降幅分別為87%（16 g/kg石灰處理），74.7%（12.5 g/kg硅酸鈉處理）和82.2%（32 g/kg羥基磷灰石處理）。石灰和羥基磷灰石對鎘在根-莖之間的轉移無顯著影響，而硅酸鈉則顯著降低了鎘在根-莖之間的轉移。綜上，鎘污染的植煙土壤可以施用這些鈍化劑以降低煙葉中鎘的含量。

關鍵詞 鎘；煙草；石灰；硅酸鈉；羥基磷灰石

中圖分類號 S572 文獻標識碼 A

Effects of Slaked Lime， Sodium Silicate and Hydroxyapatite

on Cadmium Accumulation in Tobacco Plant

WANG Haopu， HU Li， FENG Lianlian， XIE Huiyang， WANG Guo*

College of Resources and Environment， Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou， Fujian 350002， China

Abstract A pot experiment using Pb-Cd contaminated soil amended with different levels of slaked lime， sodium silicate and hydroxyapatite was carried out in order to study the effects of the amendments on the uptake and accumulation of Cadmium（Cd）in tobacco. The results showed that soil pH increased while DTPA-extractable Cd of the soils decreased with increasing rate of the amendments. The maximum decrease in DTPA-extractable soil Cd was 52.4%（32 g/kg hydroxyapatite）， 37.0%（16 g/kg slaked lime）， and 14.1%（12.5 g/kg sodium silicate）， respectively. Cadmium contents in various parts of tobacco plants were reduced by the application of the amendments and the average maximum decrease of Cd content in tobacco leaves were 87%（16 g/kg slaked lime）， 74.7% （12.5 g/kg sodium silicate）， and 82.2%（32 g/kg hydroxyapatite）， respectively. Slaked lime and hydroxyapatite did not show significant effects on the transfer of Cd between roots and stems whereas sodium silicate significantly decrease the root-stem transfer of Cd. Therefore， it is concluded that the three amendments could be used to reduce Cd concentration in tobacco leaves.

Key words Cadmium； tobacco； slaked lime； sodium silicate； hydroxyapatite

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2017.08.010

過量的鎘暴露對人體健康有嚴重威脅，吸食煙草是吸煙人群鎘暴露的主要途徑之一（世界衛生組織，2010）。雖然控煙政策逐漸全球化，但全球煙草消費人口隨著世界人口的增加仍在不斷增加[1]。2015年中國全年烤煙栽種面積107.3萬hm2，居世界首位[2]。首次全國土壤污染狀況調查結果顯示：全國土壤污染物的超標率為16.1%，鎘的點位超標率為7.0%[3]。植煙土壤鎘含量超標成為吸煙人群身體健康的又一潛在威脅，從源頭上抑制煙草從土壤中吸收鎘是降低煙草鎘含量的關鍵。

在重金屬污染土壤的修復方法中，原位鈍化修復以其經濟、可行和高效等優點倍受關注。原位鈍化修復是指向土壤中施加鈍化劑降低土壤重金屬的生物有效性、從而減少植物對土壤重金屬的吸收。目前應用較廣泛的的鈍化劑包括含鈣鈍化劑（如石灰）、含硅鈍化劑（如硅酸鹽類化合物）、含磷鈍化劑（如羥基磷灰石）和有機物料（如生物炭）等。不同鈍化劑的鈍化機理不同[4-5]。石灰通過提升土壤pH、增強土壤對Cd2+的吸附、或促進Cd2+形成碳酸鹽沉淀等機制降低重金屬的有效性[6-8]。硅酸鈉通過提高土壤pH而降低土壤重金屬有效性、并通過多種機制阻礙重金屬從植物根部向上遷移[9-10]。羥基磷灰石主要通過增強重金屬的吸附、促進重金屬形成沉淀等方式降低土壤重金屬的有效性[11]。有研究表明向輕度鎘污染的土壤中施磷有利于含鎘礦物的形成而降低重金屬有效性[12-13]。植物對土壤重金屬吸收量的降低，不僅取決于土壤重金屬的有效性的降低，還取決于進入植物體內的重金屬在植物體內的轉移狀況。一般而言，既能降低土壤重金屬有效性、又能抑制重金屬在植物體內轉移的鈍化技術往往具有更好的鈍化效果；而只能降低土壤重金屬有效性，但不能抑制重金屬在植物體內的轉移，甚至促進重金屬在植物體內轉移的鈍化技術的效果往往較差，甚至不能降低植物地上部重金屬的含量。迄今為止，已有研究均表明，施用石灰、磷酸鹽類物質等可以抑制煙草吸收土壤重金屬[14-17]。但已有采用外源添加重金屬或者重金屬污染不太嚴重的土壤進行研究，而對污染較嚴重的礦區周邊土壤的研究罕見，而目前礦區周邊的農田有部分用于植煙。這類土壤能否通過鈍化技術而控制煙草對土壤重金屬的吸收、如何選用合適的鈍化劑以及鈍化劑的最佳施用量就成為生產上迫切需要解決的問題。為此筆者對比研究了石灰、硅酸鈉和羥基磷灰石對煙草吸收鎘的抑制效果，以期為鎘污染植煙土壤的修復提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料

供試土壤取自福建省尤溪縣某鉛鋅礦區附近的農田表層土壤（0～20 cm），風干過1 cm篩供盆栽用。風干處理后土壤（未經任何盆栽）的基本理化性如下：pH6.02，鎘全量5.88 mg/kg，有效態鎘含量3.7 mg/kg，有機質含量21.86 g/kg，陽離子交換量17 cmol（+）/kg，交換性K+含量0.84 cmol（+）/kg、交換性Na+含量0.51 cmol（+）/kg、交換性Ca2+含量6.94 cmol（+）/kg，交換性Mg2+含量1.06 cmol（+）/kg，土壤全鎘超出國家土壤環境質量標準中二級標準（0.3 mg/kg）的18.6倍[18]。在種植煙草的前一年，土壤經歷了一季的水稻中稻的重金屬鈍化試驗。鑒于含鈣、含磷和含硅鈍化劑是目前普遍被采用的土壤重金屬的鈍化劑，且其鈍化效果和機理又有所不同[5]，因此選取石灰、硅酸鈉和羥基磷灰石為供試鈍化劑。含鈣鈍化劑選用消石灰[Ca（OH）2]，pH值為12.8，鎘含量為0.13 mg/kg；含硅鈍化劑選用九水硅酸鈉（Na2SiO3·9H2O），pH值為13.1，鎘含量為0.14 mg/kg；含磷鈍化劑選用羥基磷灰石，購自西安瑞盈生物科技有限公司，粒徑2 μm，pH值為7.15，鎘含量為0.02 mg/kg。經歷了水稻盆栽試驗后各處理的土壤pH值見表1（植煙土壤pH值），表1中的植煙前土壤pH與土壤原來的pH不同，是由于水稻盆栽試驗各種處理和種稻過程中土壤性質的變化所引起的。煙草品種選用福建省主栽品種K326，煙苗由福建省煙科所提供。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計 試驗分為3組。第一組以石灰作為鈍化劑，各處理石灰施用量分別為0、2、4、6、8、12和16 g/kg；第二組以硅酸鈉為鈍化劑，各處理硅酸鈉施用量分別為：0、2.5、5、7.5、10、12.5 g/kg；第三組以羥基磷灰石為鈍化劑，羥基磷灰石施用量分別為：0、2、4、8、16和32 g/kg。每處理3個重復。每個瓷盆裝入風干土6 kg，在盆栽房中進行盆栽試驗。2014年8月5日向土壤加入鈍化劑混勻。2014年8月6日～11月12日種植一季水稻。2015年1月26日將每盆的土壤倒出單獨混勻后重新裝盆，3月3日選取長勢一致的K326煙苗移栽入盆，每盆1株。盆缽隨機擺放。移栽后70 d打頂，118 d收獲。試驗過程中隨時澆水，保持土壤濕潤。

1.2.2 樣品制備 收獲時分別采集煙株不同部位（上部葉、中部葉、下部葉、莖、根）樣品[19]。植株樣品經洗凈后，在65 ℃下烘至恒重，稱干重，磨碎過100目篩。同時采集盆栽土壤約50 g，風干磨碎分別過10目、100目篩，用自封袋保存備測。

1.2.3 測定方法 土壤pH值采用pH計（seven compact S210，METTLER TOLEDO）測定（水土比2.5 ∶ 1）；土壤有機質采用重鉻酸鉀-外加熱法測定；土壤CEC選取乙酸銨交換法測定。植株中鎘的含量，采用HNO3-H2O2微波消解（Mars6，CEM），ICP-MS（NexION300X，PE）測定。土壤中的全鎘含量采用HCl-HNO3-HClO4-HF消解，ICP-MS測定。土壤中有效鎘含量，采用DTPA[0.005 mol/L DTPA+0.01 mol/L CaCl2+0.1 mol/L TEA，pH=7.3，W（土） ∶ V（提取劑）=1 ∶ 5]提取，ICP-MS測定。測定用的標準溶液由國家標準物質中心提供，實驗分析過程中插入標準物質[GBW10020-GBS-11和GBW07417a（ASA-6a）]控制數據質量。

1.3 數據處理

轉移系數（TF）的計算：TF土-根=煙草根系鎘含量/土壤有效鎘；TFa-b=煙草b部位（莖或葉）中鎘含量/土壤有效鎘含量或煙草a部位（根、莖或葉）鎘含量。采用Excel 2007和SPSS 19.0分析處理數據。

2 結果與分析

2.1 鈍化劑對土壤pH和鎘有效性的影響

土壤pH對土壤中鎘的形態和有效性有重要影響[20-21]。土壤中鎘的生物有效性會隨土壤pH值的升高而降低。植煙前和煙草收獲后各處理的土壤pH值見表1。由表1可見，不論是植煙前或植煙后，土壤pH值均隨鈍化劑用量的增加而升高。在植煙后的土壤中，當石灰施用量為16 g/kg時，土壤pH值達到7.82，比對照升高了2.93個pH單位；當施用32 g/kg羥基磷灰石時，土壤pH值達到5.97，比對照增加了1.08個pH單位；當施用12.5 g/kg硅酸鈉時，土壤pH為6.57，比對照升高了1.68個pH單位。對比植煙前后土壤的pH可知，植煙后土壤pH比植煙前明顯降低，其原因在于種稻過程基本處于淹水還原狀態，而植煙過程土壤僅保持濕潤，屬氧化狀態，氧化條件下的土壤pH一般低于還原條件下的土壤pH。

施用鈍化劑對土壤有效鎘含量的影響見表1。除了2 g/kg石灰處理外，其他石灰和羥基磷灰石處理的土壤有效鎘含量均隨石灰和羥基磷灰石施用量的增加而顯著降低。在硅酸鈉處理中，除了施用量為12.5 g/kg外，其余硅酸鈉處理的土壤有效鎘含量雖均有降低，但差異不顯著。當石灰施用量為16 g/kg時，土壤有效鎘含量最低，為2.37 mg/kg，比對照降低了37.0%。當硅酸鈉施用量為12.5 g/kg時，土壤有效態鎘含量最低，為3.23 mg/kg，比對照降低了14.1%。當羥基磷灰石施用量為32 g/kg時，土壤有效態鎘含量最低，為1.79 mg/kg，比對照降低了52.4%。

2.2 鈍化劑對煙草各部位鎘含量的影響

施用鈍化劑對煙株各部位鎘含量的影響見表2。煙株各部位鎘含量大體上呈葉>莖>根的趨勢。除施用2.5 g/kg硅酸鈉處理煙草下部葉和中部葉的鎘含量高于對照外，3種鈍化劑都不同程度地降低了煙株根、莖、葉中鎘含量。在石灰處理中，當石灰施用量為16 g/kg時，鎘的降低效果最好，根、莖、下部葉、中部葉和上部葉中鎘含量分別比對照下降了89.9%、87.6%、88.9%、86.7%和85.3%，葉片鎘含量的平均最大降幅為87%。在硅酸鈉處理中，施用2.5 g/kg的硅酸鈉處理增加了煙葉鎘含量，其它各處理煙株各部位的鎘含量隨著硅酸鈉施用量的增加而降低，效果最好的是12.5 g/kg處理，根、莖、下部葉、中部葉和上部葉中鎘含量分別比對照降低了53.7%、67.6%、73.1%、73.4%、77.7%，葉片鎘含量的平均最大降幅為74.7%。在羥基磷灰石處理中，煙株各部位鎘含量均隨羥基磷灰石施用量的增加而顯著下降，當施用量為32 g/kg時，鎘下降幅度最大，根、莖、下部葉、中部葉和上部葉中鎘含量分別比對照降低了76.7%、79.1%、84.3%、79.6%和82.8%，對葉片鎘含量的平均最大降幅為82.2%。在鎘嚴重污染的土壤上、高施用量處理（8～16 g/kg石灰或7.5～12.5 g/kg硅酸鈉或8～32 g/kg羥基磷灰石）條件下，3種鈍化劑對煙葉鎘的降低效果依次為石灰>羥基磷灰石>硅酸鈉。

2.3 鈍化劑對鎘在土壤-煙草體系中轉移的影響

鎘在土壤-煙草體系中的轉移情況見表3。低用量的硅酸鈉（2.5 g/kg和5 g/kg）和羥基磷灰石（2 g/kg）處理提高了鎘從土壤向根部的轉移。石灰、硅酸鈉和羥基磷灰石最高用量處理條件下，TF土-根的降低幅度最大，分別為84%、46.4%和50.8%，石灰的降幅最顯著。石灰和羥基磷灰石對TF根-莖沒有顯著影響，而硅酸鈉則略微降低了TF根-莖，當硅酸鈉用量為12.5 g/kg時，TF根-莖比對照降低了31.7%。3種鈍化劑對鎘從莖向下部葉、中部葉和上部葉的轉移的影響未顯示明顯規律。分析不同處理的煙株體內鎘的轉移系數可知，從根向莖的轉移系數總體上小于從莖向下部葉、中部葉和上部葉的轉移系數，表明鎘從根系向莖部的轉移是鎘在地上部累積的限制環節。

土壤有效鎘與煙草各部位鎘含量之間的相關關系見表4。從表4可見，施用石灰和羥基磷灰石后，土壤有效鎘含量與煙株各部位鎘含量均呈極顯著正相關關系；而施用硅酸鈉后，土壤有效鎘與煙株各部位之間均無顯著相關。

3 討論

施用石灰、硅酸鈉和羥基磷灰石都提高了土壤的pH值。土壤pH升高可以增加土壤膠體表面的可變負電荷，增加土壤對Cd2+的吸附；提高pH還可以促進Cd2+形成氫氧化物沉淀。如前所述，施用3種鈍化劑后，土壤pH值與土壤有效鎘含量之間均呈顯著負相關關系，相關系數依次為石灰（-0.981**）>羥基磷灰石（-0.922**）>硅酸鈉（-0.574*），證實了土壤pH升高是造成土壤有效鎘降低的主要因素。除了因提高土壤pH而促進了重金屬離子的吸附和氫氧化物沉淀之外，石灰還可以通過與Cd2+形成碳酸鹽復合沉淀而降低土壤鎘的有效性，含磷材料還可以通過與重金屬離子形成表面絡合物、形成磷酸鹽-重金屬沉淀、重金屬離子對含磷材料礦物晶格中Ca2+離子的同晶替代等機制降低土壤重金屬的有效性[22-24]，硅酸鈉還可以通過改變鎘在土壤中的形態[25]和形成難溶的硅酸化合物[26]而降低土壤鎘的有效性。

土壤有效鎘的降低是煙草鎘含量降低的重要原因。除低施用量（2.5 g/kg）的硅酸鈉之外，其它處理都降低了煙草各部位中鎘的含量。石灰和羥基磷灰石處理中，煙草根系鎘含量與土壤有效鎘含量之間均呈顯著正相關（表4），表明在這些處理中土壤有效鎘的降低是引起煙草根部鎘含量降低的主要原因。施用鈍化劑還可以通過其他機制降低植物根系吸收重金屬，如石灰可增加土壤中的Ca2+，Ca2+與Cd2+的拮抗作用可以抑制植物對鎘的吸收[27]。硅酸鈉處理的煙草根系鎘含量與土壤有效鎘之間無顯著相關（表4），這表明對硅酸鈉處理而言，引起煙草根系鎘吸收量減少的原因則比較復雜，除了土壤有效鎘降低之外，還有其他原因。有研究認為施硅可增強植物根表質外體柵欄組織[28]、增加土壤中可以與Cd2+形成拮抗作用的陽離子，從而抑制了植物從土壤中吸收鎘[29]。

施用鈍化劑不僅通過降低土壤重金屬有效性而抑制植物根部對土壤重金屬的吸收，同時還可通過抑制重金屬從根部向地上部的轉移而降低重金屬在地上部的累積。有研究表明石灰可以抑制鎘從水稻根和莖到葉的轉移從而降低糙米中鎘的累積[30]，羥基磷灰石可促進成熟期鎘在水稻植株體內的轉移[31]，但在本研究中石灰和羥基磷灰石并未顯著影響鎘從煙草根部向地上部的轉移，顯示出煙草與水稻之間的差異。在本研究中，硅酸鈉降低了鎘從根系向煙草下部葉的轉移。有研究表明，硅可以通過增強Cd2+與細胞壁的結合而降低鎘在共質體和質外體的運輸[32]、降低細胞壁內皮層的孔性而限制Cd2+在質外體的運輸[33]、與Cd2+形成共沉淀和改變鎘在細胞內的分室作用[34]等機制而抑制鎘從根系向地上部的轉移。

4 結論

施用石灰、羥基磷灰石和硅酸鈉都提高了土壤的pH值，其對土壤pH值的提高效果依次為：石灰>硅酸鈉>羥基磷灰石。土壤有效鎘含量隨3種鈍化劑添加量的增加而降低，當鈍化劑用量最大時土壤有效鎘含量分別降低了37.0%（石灰）、14.1%（硅酸鈉）和52.4%（羥基磷灰石）。

煙株各部位鎘含量呈葉>莖>根的趨勢。石灰、硅酸鈉和羥基磷灰石都降低了煙株各部位鎘的含量，其對煙葉鎘含量的平均最大降幅分別為87%（16 g/kg石灰處理），74.7%（12.5 g/kg硅酸鈉處理）和82.2%（32 g/kg羥基磷灰石處理）。

石灰和羥基磷灰石對鎘在根-莖之間的轉移沒有顯著影響，而硅酸鈉則顯著降低了鎘在根-莖之間的轉移。3種鈍化劑對鎘在煙株地上部之間的轉移無明顯規律。各轉移系數中，鎘在根-莖之間的轉移系數最低，說明根-莖之間的轉移是鎘在煙草中富集的限制環節。

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