礦物基土壤調理劑對修復鎘砷復合污染土壤及植株的作用

龍煒凡，胡志姣，楊家明，張亞當，陳錦運，劉耀馳,4

(1.湖南隆洲馳宇科技有限公司，中國 長沙 410013；2.云南省羅平縣板橋鎮農業綜合服務中心，中國 羅平 655800；3.西南林業大學會計學院，中國 昆明 650000；4.中南大學化學化工學院，中國 長沙 410083)

土壤退化與污染是全球面臨的重要挑戰，近年來，我國土壤重金屬污染問題突顯。不合理的肥料施用、土壤退化、污水灌溉及大氣沉降都可能造成土壤重金屬污染，不僅影響農作物正常生產，還會隨著食物鏈進入人體對人體構成威脅[1-3]。《全國土壤污染狀況調查公報(2014年4月17日)》顯示，我國農田土壤污染點位超標率為19.4%，鎘是首要重金屬污染物，砷的位點超標率僅次于鎘和鎳[4]，土壤鎘和砷污染同時存在，受兩者化學性質影響，常規治理修復方法與材料很難滿足要求[5]。

目前，我國耕地重金屬污染治理的重點是糧食安全，在經濟作物方面的大田應用相對較少。煙草是我國重要的經濟作物，也是重金屬高富集植物，由于其葉面積大，蒸騰作用強，在重金屬污染耕地上種植極易造成煙葉重金屬積累[6]。卷煙燃燒中心溫度達800 ℃，其中重金屬化合物的10%～20%成為煙氣氣溶膠或金屬氧化物隨煙氣進入人體造成危害，所以有關煙草重金屬污染的研究日益受到重視[7,8]。

粘土礦物基材料具有粒徑小、比表面積大等特點，具有良好的對重金屬離子進行離子交換吸附、絡合、沉淀能力，可以實現對土壤重金屬元素的固化與穩定化，且價格低廉效果持久，是一種性價比優越的重金屬修復材料[9-11]。同時粘土礦物材料在經過一定處理后能激活大量有效硅，這些硅能緩解重金屬對作物的脅迫作用，并且抑制植株下部重金屬向上部轉移[12,13]。本研究基于活化改性礦物基土壤調理劑(修復劑)應用于Cd-As復合污染耕地等系列成果[14-16]，對煙草土壤鎘砷復合污染進行了修復改良小區試驗，研究以粘土礦物基材料制成的土壤調理劑對Cd-As復合污染土壤的治理效果及不同修復模式對煙草的影響。

1 土壤與材料

1.1 供試土壤

試驗地位于云南省曲靖市，于2021年4月—2021年10月進行，前茬作物為油菜，地形平坦、地力均勻、排灌方便，光照充足，在當地烤煙區域有較強的代表性和典型性。試驗田土壤化驗結果如表1所示，其中總鎘含量超過《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 15618—2018)風險管制值，總砷含量超過其規定的風險篩選值，屬于鎘重度污染、砷輕度污染的復合污染土壤。

表1 試驗地土壤理化性質

1.2 修復材料

(1)供試煙草品種為K326，大田育苗栽培；

(2)供試產品：①“海匯龍洲牌”土壤調理劑：w(CaO)≥40%，w(SiO2)≥20%，pH值9～11；②“海匯龍洲牌”有機硅葉面肥：ρ(SiO2)≥120 g·L-1。

2 試驗部分

2.1 試驗設計

試驗設置5個處理，即4個試驗組和1個對照組(CK)，每個處理設3個地塊，共15個小區。小區隨機區組排列，小區面積80 m2。不同處理間進行隔離，防止小區間出現串排串灌。試驗地四周設置2.4 m的保護行。試驗處理設置為：

①對照組：常規施肥；

②試驗組1：基施土壤調理劑3 750 kg·hm-2+常規施肥；

③試驗組2：基施土壤調理劑3 750 kg·hm-2+深翻耕40 cm+常規施肥；

④試驗組3：基施土壤調理劑3 750 kg·hm-2+有機硅葉面肥噴施+常規施肥；

⑤試驗組4：基施土壤調理劑3 750 kg·hm-2+有機硅葉面肥噴施+深翻耕40 cm+常規施肥。

土壤調理劑于翻耕前按照設置的用量均勻散入土表，翻耕后充分耙勻。有機硅葉面肥于煙草旺長期進行葉面噴施2次，兩次間隔15天。試驗期內各小區除了有機硅葉面肥噴施和深翻耕不同之外，其他方面包括常規施肥、小區灌溉、病蟲害防治等農事操作均保持一致。

2.2 樣品采集

(1)土壤取樣：在煙草成熟期，各小區按“S”型曲線選取5 點采集0～20 cm土樣并充分混合均勻。每個樣品采集量約1 kg，采集后立即裝入塑料密封袋，做好標記，運回實驗室待測。

(2)煙葉及根莖取樣：煙草成熟后，各小區分時期分別采收成熟下、中、上部煙葉進烤房烘烤。待烘烤結束后，取各個小區烤后煙葉各1 kg，去主脈粉碎后裝入樣品袋中備用。

煙葉最后一次采收結束后，各小區分別采取根、莖樣本，每小區5株并進行分離。曬干粉碎后裝入樣品袋中備用。

2.3 樣品檢測

(1)土壤檢測：pH值依照《土壤pH的測定》(NY/T1377—2007)，有效鎘、有效砷依照《土壤質量 有效態鉛和鎘的測定 原子吸收法》(GB/T 23739—2009)。

(2)煙葉檢測：鎘依照《食品安全國家標準 食品中鎘的測定》(GB5009.15—2014)，砷依照《煙草及煙草制品 汞、砷、鉛含量的測定氫化物原子熒光光度法》(YC/T 250—2008)。

2.4 數據分析

數據采用Excel 2010進行處理，試驗各處理間的數據采用LSD檢驗進行分析，應用的統計分析軟件是SPSS 21.0。

3 結果與討論

3.1 不同處理對煙草產量的影響

不同處理對煙草產量的影響見表2。4個試驗組與對照組間產量接近，沒有顯著差距，其中試驗2產量最高，為3 153.90 kg·hm-2，較對照組增產6.04%，但差異不顯著。產值方面，各試驗組平均產值較對照增加4 350 元·hm-2，優勢明顯，其中試驗2產值最高，達到了96 705 元·hm-2，產值增加12.97%，且與對照組有顯著差異。所有試驗組較對照組產值平均增加5.08%，說明施用土壤調理劑對煙草經濟價值有所提升。試驗組中等葉比例相較于對照組無顯著差異，而上等葉比例有提升，且試驗1和試驗2相較對照有顯著差異，說明煙草產值提升的原因主要是提升了煙草上等葉比例。而試驗3與試驗4相較于試驗1和試驗2上等葉比例有所下降，且有顯著差異，說明噴施葉面有機硅不利于提升上等葉比例。試驗2對比試驗1及試驗4對比試驗3的上等葉比例均無顯著差異，說明深翻耕措施對煙草上等葉比例無顯著差異。

表2 各處理煙草經濟效益分析

3.2 不同處理對煙草土壤的影響

土壤pH值及重金屬含量變化情況見表3。各處理間土壤的pH值從高到低排列為試驗2>試驗1>試驗4>對照>試驗3，對比表1可發現各處理較試驗前有所上升，平均提升0.75，提升最多的是試驗2增加了0.97，但各試驗組與對照間無顯著差異。可以看出，經過處理后土壤pH值略有提升。

表3 不同處理條件對土壤的影響

各處理有效鎘含量從高到低為：對照=試驗3>試驗1>試驗2>試驗4，各試驗組土壤中有效鎘含量均不高于對照，平均降低0.19 μg·g-1，說明施用土壤調理劑對降低土壤中有效鎘含量有作用；其中最低為試驗4(降低21.38%)，其次為試驗2(降低18.87%)，且均與對照有顯著差異，說明施用土壤調理劑配合深翻耕操作對降低土壤有效鎘含量有積極作用；試驗3和試驗4與試驗1和試驗2對比無明顯優勢，說明噴施葉面有機硅對土壤有效鎘影響較小；對比表1，各處理土壤中有效鎘含量與處理前比較均有降低，平均降低8.99%。

各處理有效砷含量由高到低為：對照>試驗3>試驗1>試驗4>試驗2，可看出各試驗組與對照相比均有降低，說明施用土壤調理劑對于降低土壤有效砷含量有效果；其中最低為試驗2(降低59.72%)，其次為試驗4(降低44.08%)，均較對照有顯著差異，說明施用土壤調理劑配合深翻耕操作對降低土壤有效砷含量有積極作用；試驗3和試驗4與試驗1和試驗2對比無明顯優勢，說明噴施葉面有機硅對土壤有效砷影響較小；對比表1，各處理土壤中有效砷含量與處理前比較均有降低，平均降低30.73%。

3.3 不同處理對煙草重金屬鎘含量的影響

不同處理對煙草中重金屬鎘含量的影響見表4。各試驗組下、中部葉中鎘含量均低于對照組，下部葉平均降低0.38 μg·g-1，其中最低為試驗4(較對照降低39.85%)，且有顯著差異；中部葉平均降低0.19 μg·g-1，其中最低為試驗1(較對照降低23.48%)，但無顯著差異；各處理上部葉鎘含量從高到低為：試驗1>試驗3>對照>試驗4>試驗2，各試驗組較對照平均降低0.06 μg·g-1，其中最低為：試驗2(較對照降低17.57%)，有顯著差異；各處理煙根部鎘含量從高到低為試驗2>對照>試驗1=試驗3>試驗4，最低為試驗4(降低0.04 μg·g-1)，降低率3.23%，無顯著差異；各試驗組煙莖中鎘含量較對照均有增加，平均增加0.198 μg·g-1，其中試驗1增加最多(較對照增加25%)，有顯著差異。上述討論說明，施用土壤調理劑在整體上能抑制土壤中鎘向煙葉中富集，而對煙根部富集鎘作用較小，對煙莖富集鎘有反作用，表明土壤調理劑主要作用于煙莖到煙葉的轉運過程。

表4 不同處理條件下煙草不同部位重金屬鎘含量

使煙葉中重金屬鎘含量降低，試驗4(土壤調理劑+有機硅+深翻耕)效果最佳，上、中、下部葉分別降低了14.86%，22.61%及39.85%；其次為試驗2，分別降低17.57%，13.91%及32.33%，說明深翻耕技術與土壤調理劑配合使用有較好效果；而噴施葉面有機硅僅在配合深翻耕情況下有較好促進作用，單獨使用效果不明顯。從煙草植株各部位吸收鎘的含量來看，植株鎘含量順序為：上部葉>根>莖>下部葉>中部葉，其結果與前人結果有所區別，Cd 在煙草中的分布規律普遍為：下部葉>中部葉>上部葉>莖>根[17]，可能是因為土壤調理劑中含有大量活性硅阻止了鎘由根莖向葉中的遷移[18]，而上部葉可能是因最頂端的蒸騰作用使得底部活性硅未被充分吸收，影響了其抑制作用，使得鎘在上部葉中形成積累。

3.4 不同處理對煙葉重金屬砷含量的影響

不同處理對煙葉中重金屬砷含量的影響見表5。各試驗組下、中部葉中砷含量均有所降低，其中下部葉平均降低0.05 μg·g-1，最低的為試驗2(較對照降低77.78%)；中部葉砷含量平均降低0.025 μg·g-1，其中最低的為試驗1(較對照降低60%)；上部葉砷含量從高到低為：試驗2>試驗1>試驗4>對照>試驗3，最低的為試驗3(較對照降低7.69%)；各試驗組煙根部砷含量均高于對照組，平均增加0.155 μg·g-1，最高為試驗4(增加13.21%)；煙莖中砷含量從高到低為：試驗4>試驗1>試驗2=對照>試驗3，較對照平均增加0.035 μg·g-1，其中試驗4增加最多(增加48.39%)。

表5 不同處理條件煙草不同部位重金屬砷含量

施用土壤調理劑試驗組煙葉中砷含量較對照的下、中部葉有所降低，但會使上部葉砷含量有所增加，有可能是因為土壤調理劑提高了土壤的pH值使得土壤中活性砷成分更易被植株吸收，但是由于硅的作用使得對下、中部葉遷移受到抑制[19]，處理3上部葉砷含量出現降低也證明了這一點；綜合來看，處理3表現最為穩定，下、中、上部葉分別降低了55.56%，40%及7.69%，表明“土壤調理劑+有機硅”的組合更適宜降低煙葉中的砷含量。從部位看，植株含砷量順序為：根>莖>上部葉>下部葉>中部葉，此結果與前人結果有所區別，砷在煙草中的分布規律普遍為：根>下部葉>中部葉>上部葉>莖[20]，可能也是土壤調理劑提高了土壤的pH值使得土壤中活性砷成分更易被植株吸收，但是由于硅的作用使得活性砷在下、中部葉遷移受到抑制。

4 結論

(1)施用礦物基土壤調理劑能提高煙草的經濟效益，主要是能提高烤煙中上等煙葉比例，從而增加產值，其中試驗2產值最高，達到96 705 元/hm2，優勢明顯。

(2)土壤調理劑能有效改良土壤，小幅提高土壤pH值，降低土壤中有效鎘和有效砷的含量，處理2(3 750 kg/hm2礦物基土壤調理劑+深翻耕)有效鎘降幅達到18.87%、有效砷降幅59.72%，處理4(3 750 kg/hm2礦物基土壤調理劑+深翻耕+有機硅)分別為21.38%和44.08%。

(3)土壤修復有利于煙葉中重金屬鎘、砷含量的降低，處理4(3 750 kg/hm2礦物基土壤調理劑+深翻耕+有機硅)的下、中、上部葉鎘含量分別降低39.85%，22.61%及14.86%，處理3(3 750 kg/hm2礦物基土壤調理劑+有機硅)下、中、上部葉砷含量分別降低55.56%，40%及7.69%。

(4)在Cd-As復合污染耕地中施用“海匯龍洲牌”土壤調理劑，可以有效降低煙葉中重金屬鎘、砷含量。以粘土礦物材料生產的土壤調理劑比表面積大，其結構層帶電荷，可以通過吸附、配位反應以及共沉淀反應等作用，降低土壤中重金屬離子的活性，從而降低對作物的毒害[21]。

(5)深翻耕處理對降低土壤有效鎘、有效砷及煙葉中鎘含量均有較好效果，而噴施葉面硅肥主要是對降低煙葉中砷含量有一定作用，所以治理鎘污染耕地時建議使用“土壤調理劑+深翻耕”的技術模式，治理砷污染耕地及Cd-As復合污染耕地時建議使用“土壤調理劑+深翻耕+有機硅”的技術模式。