生石灰對鉛污染酸性植煙土壤理化性質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.湖南農業大學農學院，湖南長沙 410128； 2.湖南雜交水稻研究中心，湖南長沙 410128)

隨著人口數量的增加，手工業高速發展，社會活動導致的環境污染問題日益嚴重。其中，重金屬污染成為眾多問題之一[1]。重金屬污染是指因人類生產活動導致土壤重金屬含量增加，超出正常范圍，造成生態環境惡化，直接危害人體健康的現象[2-3]。鉛是有毒重金屬之一，它是植物生長發育的非必需元素，鉛在土壤中會抑制種子萌發，降低種子活力，抑制植株生長，并積累在植株上[4]。我國部分植煙農田受鉛污染較為嚴重，土壤中的鉛會遷移到煙葉，在抽吸過程中，煙葉中的鉛以煙霧的形式進入人體，對人體造成潛在傷害[5]。因此，對植煙土壤鉛污染的改良是亟待解決的問題。

生石灰作為一種土壤改良劑在農業中得到了廣泛應用[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，也能使干物質含量增加；可提高煙草產量和質量，減輕烤煙的連作障礙[8]。

不同生石灰的施用量對酸性土壤的改良效果不同，所以對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環境，提高煙葉品質[9]；姜超強等研究表明，當添加 1 500 kg/hm2生石灰時，對煙葉重金屬含量有一定程度的影響[10]；張宗錦等對攀枝花煙區的研究表明，生石灰施用量為1 350 kg/hm2時，土壤養分、烤煙產量、質量均達到最高[11]；相關研究在湖南地區較少，特別是生石灰對煙株不同部位鉛含量的影響方面的研究不多，本試驗生石灰的施用量根據湖南地區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酸性土壤pH值及煙葉鉛含量的改良效果，對改良酸性土壤具有重要意義。

本試驗以湖南農業大學耘園土壤為材料，通過盆栽試驗，研究施加不同量的生石灰對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業大學耘園試驗用地，土壤類型為紅壤土，土壤pH值為5.4，為酸性土壤，土壤肥力中等，土壤基本理化性質見表1。

表1 供試土壤的基本性質

1.2 試驗設計

供試烤煙品種為K326。試驗采用盆栽的方式。土壤在室內自然風干，粉碎后過10目篩。充分混合，穩定老化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。試驗設計3個處理和1個空白對照(表2)，每個處理設置3個重復，每個重復3盆，每盆種植1株煙草，栽培深度一致，無不種植煙草對照。按隨機區組排列，為確保每盆內的煙株生長條件均勻，按一定的時期將盆栽的位置進行調動，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操作進行[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個部分：根系、莖稈、煙葉。根系用自來水沖洗干凈，再用純凈水徹底潤洗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100目標準篩，保存于塑料信封袋中待用。在種植煙葉90 d后對土壤進行采樣，供試土壤按照“S”形取樣法選取6個點，用土鉆對每盆土壤進行取樣，根據“等量”“隨機”“多點混合”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，將其混勻后自然風干并研磨過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定；土壤有機質的測定采用重鉻酸鉀容量法；土壤速效鉀用1 mol/L醋酸銨提取，火焰光度計法測定；土壤堿解氮含量采用康維皿擴散法測定；土壤pH值采用去離子水提取，電位法測定[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定[16]。全部分析器皿均在稀硝酸溶液中浸泡過夜，并用純水沖洗3次。根系鉛吸收系數=根系鉛含量/土壤鉛全量；鉛初級轉運系數=莖稈鉛含量/根系鉛含量；鉛次級轉運系數=煙葉鉛含量/莖稈鉛含量[17]。

1.5 數據統計

采用Excel對數據進行初步運算，利用SPSS 16.0統計分析軟件對數據進行方差分析和相關性分析，在5%水平上用最小顯著差異法(least-significant difference，簡稱LSD)分析所有數據與對照之間的差異顯著性，采用Excel軟件分析、制作圖表。

2 結果與分析

2.1 不同施加量下土壤理化性質的變化

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處理的有機質含量最高，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之間有機質含量無顯著差異，而各處理與對照差異顯著。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

注：同列數據后不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下表同。

2.2 成熟期不同處理對土壤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T3>T2>T1>CK。方差分析結果表明，處理T1、T2、T3間的土壤pH值差異顯著，且各處理的土壤pH值與對照均有顯著差異。這表明在土壤中施加T3處理的生石灰對提高土壤pH效果最佳。由此可知，生石灰的添加可在一定程度上促進土壤pH值的提高[18]。

2.3 不同生育期不同處理對煙草中鉛含量的影響

2.3.1 團棵期不同處理對煙草不同部位鉛含量的影響 由圖2可知，團棵期煙草不同部位的鉛含量除T3處理外分布規律均為根>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，分別比對照降低65.29%、73.71%、64.30%，均與對照差異顯著，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，相比對照降低2.44 mg/kg。從方差分析結果來看，T2與T1處理莖部鉛含量與T3處理差異顯著，T3處理與對照差異不顯著。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 旺長期不同處理對煙草不同部位鉛含量的影響 由圖3可知，旺長期煙草不同部位鉛含量呈根>葉>莖的趨勢，添加生石灰處理與對照相比，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。統計分析可得，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，其從高到低的順序為CK>T3>T2>T1。統計分析結果表明，T1、T2、T3處理均與對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。從方差分析結果來看，各處理煙草種子鉛含量與對照差異顯著，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

2.4.1 團棵期不同處理煙草鉛的吸收系數 在團棵期，CK、T1、T2、T3處理對應根系鉛吸收系數分別為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。方差分析結果表明，T1、T3處理的根系鉛吸收系數與CK差異顯著，但T1、T3處理間差異不顯著。鉛初級轉運系數在添加生石灰后，均有不同程度地升高，其中T3處理的升高幅度最大，相對于CK升高252.2%，且與CK差異顯著，T1、T2處理的鉛初級轉運系數與CK差異不顯著。CK的次級轉運系數最高，為3.63；T3處理的次級轉運系數最低，為0.43，且前者是后者的8.44倍。統計分析結果表明，T1、T2、T3處理的鉛次級轉運系數與CK差異顯著，T1、T2處理間差異不顯著(表4)。這表明在團棵期添加生石灰不僅能有效地降低根系對鉛的吸收能力，而且可以降低莖稈中的鉛向煙葉中的轉移能力。

表4 不同生石灰施用量對團棵期煙草鉛吸收和轉運系數的影響

2.4.2 旺長期不同處理煙草鉛的吸收系數 在旺長期施加生石灰后，根系對鉛的吸收系數均比CK顯著降低，其中T2處理的降低幅度最大，為4.22，為對照的46.22%，且顯著低于T1、T3處理。與CK相比，處理T2的鉛初級轉運系數最低，較對照下降72.41%，且差異顯著。統計分析結果顯示，T3處理的鉛初級轉運系數與T1、T2處理差異顯著，T1、T2處理間的差異不顯著。鉛次級轉運系數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，相對于CK升高40.00%，且與CK差異顯著(表5)。這表明在煙草團棵期施加不同量的生石灰不僅可以降低根系對鉛的吸收系數，還可以降低根系中的鉛向煙草莖部的轉運系數。

2.4.3 成熟期不同處理煙草鉛的吸收系數 在成熟期T2處理的根系鉛吸收系數最低，為2.27，與CK相比降幅為50.11%；CK的根系鉛吸收系數最高，為4.55。方差分析結果表明，處理T1、T2、T3根系對鉛的吸收系數與對照差異顯著，T2、T3處理間差異不顯著。鉛初級轉運系數從高到低的排序為CK>T1>T3>T2，處理T2的鉛初級轉運系數最低，為0.14，為CK的41.18%，且與CK差異顯著。由統計分析可得，T1處理的鉛初級轉運系數與CK差異不顯著，T2、T3處理間差異顯著。添加生石灰后，鉛次級轉運系數均升高，T3處理的提高幅度最大，較對照提高108.11%，且各處理的鉛次級轉運系數與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鉛的吸收系數，而且T2處理還可以顯著降低根系中的鉛向莖稈中的轉運系數。

表5 不同生石灰施用量對旺長期煙草鉛吸收和轉運系數的影響

表6 不同生石灰施用量對成熟期煙草鉛吸收和轉運系數的影響

2.5 各變量之間的相關性分析

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，相關系數分別為0.998、0.991，與煙草種子鉛含量顯著正相關。煙草莖部鉛含量與煙葉鉛含量及根系對鉛的吸收系數極顯著正相關，其相關系數分別達 0.996、0.998；煙草莖部鉛含量與煙草種子鉛含量、鉛初級轉運系數顯著正相關，與鉛次級轉運系數顯著負相關。煙葉中鉛含量與根系對鉛的吸收系數的相關系數為0.991，兩者呈極顯著正相關；煙葉鉛含量與煙草種子鉛含量和鉛初級轉運系數顯著正相關，與鉛次級轉運系數顯著負相關。煙草種子鉛含量與根系對鉛的吸收系數顯著正相關。土壤pH值與煙草各個部位鉛含量均為負相關，其中與煙草根部和莖部鉛含量顯著負相關。煙草根系鉛吸收系數與鉛初級轉運系數為0.960，兩者呈顯著正相關。煙草鉛初級轉運系數與鉛次級轉運系數顯著負相關，相關系數為-0.996。

表7 土壤植株指標變量之間的相關性

注：*表示在0.05水平上顯著相關，**表示在0.01水平上顯著相關。

3 結論與討論

在植煙酸性土壤中加入生石灰，其堿性物質釋放到土壤中，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，由于Ca2+與Pb2+間的拮抗作用，植株對土壤中的鉛吸收也會降低[19]。結果發現，在植煙酸性土壤中添加生石灰可顯著提高土壤pH值，降低煙株根部對鉛的吸收能力，進而顯著降低莖部、煙葉、種子中的鉛含量。由于土壤酸堿度與根系吸收系數和煙葉鉛含量呈顯著負相關，所以土壤pH值是影響煙草根部吸收鉛的關鍵因素之一，生石灰的添加能夠降低煙株各部位對鉛的富集程度，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作物的毒害作用[21]。本試驗中煙株在3個生育期不同處理間對重金屬鉛的吸收積累均表現為根>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移能力相對較弱[22]，這也有利于降低鉛污染土壤對煙葉的危害。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，在團棵期施用生石灰處理時，煙葉中鉛含量均顯著降低；旺長期和成熟期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，要選擇適宜的量，并考慮其在煙株上的具體表現，綜合考慮，當施加 2 250 kg/hm2的生石灰(T2處理)時，煙草不同時期各部位的重金屬鉛含量降低最多。

鉛次級轉運系數表示煙株內的鉛由莖部向煙葉的轉移系數[23]。在旺長期和成熟期施用生石灰后，鉛次級轉運系數較對照顯著升高，而旺長期和成熟期煙葉鉛含量均顯著低于對照，這說明煙葉鉛含量與鉛次級轉運系數顯著負相關。

本試驗以湖南農業大學土壤為材料研究生石灰對植煙土壤的改良效果，并在煙草生長的3個時期對根、莖、葉進行鉛含量的測定，較為系統地研究了煙草整個生育期生石灰對煙株鉛含量的影響。T3處理對土壤pH值的提高效果最明顯，卻對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，在煙株生長不同時期，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，抑制了不同時期鉛由土壤向根系轉移積累。