矿物基土壤调理剂对烟草土壤修复的效果

龙炜凡，胡志娇，杨家明，张亚当，刘耀驰，4* (.湖南隆洲驰宇科技有限公司，湖南长沙 400；.云南省罗平县板桥镇农业综合服务中心，云南罗平 655800；.西南林业大学会计学院，云南昆明 650000；4.中南大学化学化工学院，湖南长沙 4008)

烟草是重要的经济作物，在我国南方广泛种植，而烟草对重金属尤其是镉(Cd)有富集作用。烟草制成的卷烟燃烧时，其重金属化合物的10%～20%成为烟气气溶胶，以金属氧化物的形式随烟气进入人体，因此，有关重金属在烟草中的累积及对人体健康危害的研究日益受到重视。Cd是一种对动物和人类健康危害严重的重金属，1990年Hoffmann清单将其列入烟草44种有害成分中。

土壤退化问题在全球普遍存在，我国土壤重金属污染尤显突出，过量的重金属进入耕地中，不仅对作物产生毒害，影响作物生长，还可以逐步富集在植物中，通过食物链进入人体后危害人的健康，造成重金属蔬菜、“镉大米”等诸多事件发生。目前，治理土壤重金属Cd污染的方式主要有2种:一种是直接降低土壤中Cd的总量，主要有客土法、化学淋洗法、热力提取法、络合浸提法、生物吸收法等; 第2种是改变Cd在土壤中的存在方式，将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，从而不被作物吸收，如在土壤中施加钝化剂等。其中第2种方法使用更普遍，在钝化剂材料中，黏土矿物基材料是土壤修复的主力军，具有粒径小、比表面积大等特点，可利用它的可变电荷表面对重金属离子进行离子交换吸附、络合、沉淀来实现重金属元素的固化与稳定化，且能持久有效。同时可以改良酸性土壤，提高土壤中有效硅含量，使得作物更好生长。所以黏土矿物材料尤其是活化改性后制成的矿物基土壤调理剂在农业领域土壤改良、土壤修复中发挥了关键作用，具有其他修复材料无可比拟的成本低、使用简便、效果好等优势。该试验在验证以黏土矿物基材料制成的“海汇龙洲牌”土壤调理剂在烟田土壤改良及重金属修复的基础上，探索不同修复模式对烟草种植的影响，为高品质烟草的可持续种植提供理论依据。

1 材料与方法

试验地选在云南省某地，于2020年4—10月进行，烤烟-油菜轮作，田形方正、地力均匀、排灌方便，光照充足，有较强的代表性和典型性。试验地土壤理化性质为pH 6.55、 有机质40.02 g/kg、速效氮55.1 mg/kg、速效磷69.1 mg/kg、速效钾502.7 mg/kg、有效镉1.662 mg/kg、总镉3.622 mg/kg、总铅66.8 mg/kg、总铬76.76 mg/kg、总砷53.1 mg/kg、总汞<5.00 mg/kg。

供试烟草品种。根据当地气候环境、土壤条件及农户的种植习惯，选择主栽品种烟草K326。

供试产品。“海汇龙洲牌”土壤调理剂，CaO≥40%，SiO≥20%，pH 9～11;“海汇龙洲牌”有机硅叶面肥,SiO≥120 g/L。

试验安排5个处理：对照(CK)，常规施肥；处理①，基施土壤调理剂7 500 kg/hm+常规施肥；处理②，基施土壤调理剂7 500 kg/hm+深翻耕40 cm+常规施肥；处理③，基施土壤调理剂7 500 kg/hm+有机硅叶面肥喷施+常规施肥；处理④，基施土壤调理剂7 500 kg/hm+有机硅叶面肥喷施+深翻耕40 cm+常规施肥。不同处理间进行隔离，防止小区间出现串排串灌。

土壤取样。移栽前在试验地按五点取样法设置采样点，用不锈钢取样器钻取0～20 cm土壤5份，混合后制成1份植烟前土壤样品。在采收后，分小区按五点取样法原则，用不锈钢取样器钻取0～20 cm土壤，每小区5份制成该小区混合样品。

烟叶取样。烟草成熟后，分小区采收成熟烟叶进烤房烘烤。待烘烤结束后，按照42级分级标准，取各个小区X2F、C3F、B2F靠后烟叶各1 kg，去主脉粉碎后装入样品袋中备用。

土壤检测。pH按照NY/T 1121.2—2006测定，有机质按照NY/T 1121.6—2006测定,水解性氮按照LY/T 1228—2015测定,有效磷按照NY/T 1121.7—2014测定，速效钾按照NY/T 889—2004测定，有效硅按照NY/T 1121.15—2006测定，交换性钙按照NY/T 1121.13—2006测定，总镉、总砷按照HJ 803—2016测定，总汞按照GB/T 22105.1—2008测定，有效镉按照GB/T 23739—2009测定。

烟叶检测。镉、砷按照YC/T 380—2010测定，汞按照YC/T 250—2008测定。

采用Excel 2010对数据进行初步运算和绘制图表，利用SPSS 21.0统计分析软件对数据进行方差分析和相关性分析，在0.05水平下用最小显著差异法(LSD)分析所有数据之间的差异显著性。

2 结果与分析

以矿物基土壤调理剂为核心的不同处理条件对土壤理化性质的影响见表1。从表1可以看出，土壤pH除处理③外，其余的处理均较对照组有所升高，其中处理①增幅最大；矿物基土壤调理剂富含氧化钙、二氧化硅等物质，且呈碱性(pH 9～11)，因此，施入土壤后会增加土壤pH。土壤中水解性氮含量处理①和处理③均高于对照组，其中处理③最高，达446.27 mg/kg；土壤中有效磷含量只有处理①高于对照组，其余均低于对照组，其中处理④有效磷含量为96.10 mg/kg，比对照组低19.13 mg/kg；土壤中速效钾含量处理①和处理③均高于对照组，其中处理①含量最高，达897 mg/kg；土壤中有机质含量处理①和处理③均高于对照组；土壤中有效硅含量4个处理组均高于对照组，其中处理③有效硅含量最高，为603 mg/kg；土壤中交换性钙4个处理组均高于对照组，其中处理③交换性钙含量最高，为3 322 mg/kg；处理③(矿物基土壤调理剂+有机硅)在土壤水解氮、有机质、有效硅和交换性钙含量均为最大值；处理②(矿物基土壤调理剂+深翻耕)和处理④(矿物基土壤调理剂+有机硅+深翻耕)的水解性氮、有效磷、速效钾和有机质含量4个指标均低于对照组。

表1 不同处理条件对土壤理化性质的影响Table 1 Effects of different treatment conditions on soil physical and chemical properties

不同处理对烟叶下部叶重金属含量的影响。以矿物基土壤调理剂为核心的不同处理条件对烟叶下部叶中重金属含量的影响见表2。由表2可知，下部叶中As含量处理②和处理④低于对照组，各处理间As含量从高到低排序为处理①>处理③>对照>处理④>处理②；4个处理组下部叶中Cd含量均低于对照组，其中处理②较对照组降低17.10%,各处理间Cd含量从高到低排序为对照>处理④>处理①>处理③>处理②；各处理间Hg含量均较低，其中处理①、处理②和处理③较对照组均降低20.00%。

不同处理对烟叶中部叶重金属含量的影响。以矿物基土壤调理剂为核心的不同处理条件对烟叶中部叶中重金属含量的影响见表3。由表3可知，烟叶中部叶中As含量除处理③外，其余均低于对照组，各处理间Cd含量从高到低为对照=处理③>处理④>处理①>处理②，其中处理②较对照组降低26.03%，处理①降低19.18%；4个处理组中部叶中Cd含量均低于对照组，其中处理②降低26.83%，各处理间Cd含量从高到低为对照>处理④>处理③>处理①>处理②；4个处理中部叶中Hg含量均低于对照组，其中处理②降幅最大，为37.50%。

表2 不同处理条件烟叶下部叶中重金属含量Table 2 Contents of heavy metals in lower leaves of tobacco leaves under different treatment conditions

表3 不同处理烟叶中部叶重金属含量Table 3 Contents of heavy metals in middle leaves of tobacco leaves under different treatments

不同处理对烟叶上部叶重金属含量的影响。以矿物基土壤调理剂为核心的不同处理条件对烟叶上部叶中重金属含量的影响见表4。由表4可知，上部叶中As含量除处理④，其余均低于对照组，其中处理②降幅最大，为60.00%，其次为处理①，降幅为55.56%；上部叶中Cd含量除处理④，其余均低于对照组，处理②降幅最大,为52.72%，其次为处理①,降幅为51.46%；上部叶中Hg含量整体较低，处理①和处理③降幅均为50.00%。

表4 不同处理烟叶上部叶重金属含量Table 4 Contents of heavy metals in upper leaves of tobacco leaves under different treatments

上述研究结果表明，矿物基土壤调理剂的施用大幅降低了烟叶中重金属含量。以黏土矿物材料生产的土壤调理剂比表面积大，其结构层带电荷，通过吸附、配位反应以及共沉淀反应等作用，可降低土壤中重金属离子的活性，从而降低对作物的毒害，起到改良土壤、提升烟叶品质的作用。

不同处理对土壤重金属含量的影响如表5所示。根据《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)，土壤中总砷含量均处于高于土壤污染筛选值、低于风险管控值，处理①、处理②和处理③均相对于对照组总砷含量有所降低，其中处理②总砷含量最低，为51.27 mg/kg，其降幅最大，为23.13%；土壤中总汞含量均低于土壤污染筛选值，处理②和处理③较对照组总汞含量有所升高；土壤中总镉含量均高于土壤污染筛选值，其中处理①、处理③和对照均高于风险管控值，4个处理相较于对照组总镉含量均有所降低，总镉含量从高到低依次为对照>处理③>处理①>处理②>处理④，其中处理④降幅最大，为27.56%，其次为处理②，降幅为21.58%；4个处理组土壤中有效镉含量均低于对照组，有效镉含量从高到低依次为对照>处理①>处理③>处理②>处理④，其中处理④降幅最大，为39.72%，其次是处理②，降幅为34.75%。

3 结论

(1)矿物基土壤调理剂能有效改良土壤理化性质，土壤pH在一定程度得到提高，处理①(7 500 kg/hm基施土壤调理剂)和处理③(7 500 kg/hm基施土壤调理剂+有机硅)的模式能很大程度改善土壤理化性质，处理②(7 500 kg/hm基施土壤调理剂+深翻耕)和处理④(7 500 kg/hm基施土壤调理剂+有机硅+深翻耕)在加上深翻耕操作后，土壤水解性氮、有效磷、速效钾和有机质含量都大幅度降低；同时矿物基土壤调理剂能有效降低土壤重金属含量，其中对镉最明显，处理②和处理④总镉降幅均超过了20%，有效镉降幅均超过了30%，其中处理④有效镉降幅高达39.72%。

表5 不同处理土壤重金属含量Table 5 Contents of heavy metals in soils under different treatments

(2)以矿物基土壤调理剂为核心的不同模式处理土壤后，烟叶中重金属含量都在一定程度上有所降低，其中以中部叶效果最为明显，且处理②(7 500 kg/hm矿物基土壤调理剂+深翻耕)在烟叶As、Cd和Hg含量的降幅均是最大值，提升了烟叶品质。

(3)处理②(7 500 kg/hm矿物基土壤调理剂+深翻耕)综合表现最好，上、中、下部叶重金属大部分均有效降低，可考虑在后续生产实践中于轻中度镉砷污染烟地上施用7 500 kg/hm矿物基土壤调理剂，配合深耕操作，既可以提高土壤pH改良土壤理化性状，又能降低烟草植株对镉的吸收，起到提质增效的作用。