矿物基土壤调理剂对修复镉砷复合污染土壤及植株的作用

龙炜凡，胡志姣，杨家明，张亚当，陈锦运，刘耀驰,4

(1.湖南隆洲驰宇科技有限公司，中国 长沙 410013；2.云南省罗平县板桥镇农业综合服务中心，中国 罗平 655800；3.西南林业大学会计学院，中国 昆明 650000；4.中南大学化学化工学院，中国 长沙 410083)

土壤退化与污染是全球面临的重要挑战，近年来，我国土壤重金属污染问题突显。不合理的肥料施用、土壤退化、污水灌溉及大气沉降都可能造成土壤重金属污染，不仅影响农作物正常生产，还会随着食物链进入人体对人体构成威胁[1-3]。《全国土壤污染状况调查公报(2014年4月17日)》显示，我国农田土壤污染点位超标率为19.4%，镉是首要重金属污染物，砷的位点超标率仅次于镉和镍[4]，土壤镉和砷污染同时存在，受两者化学性质影响，常规治理修复方法与材料很难满足要求[5]。

目前，我国耕地重金属污染治理的重点是粮食安全，在经济作物方面的大田应用相对较少。烟草是我国重要的经济作物，也是重金属高富集植物，由于其叶面积大，蒸腾作用强，在重金属污染耕地上种植极易造成烟叶重金属积累[6]。卷烟燃烧中心温度达800 ℃，其中重金属化合物的10%～20%成为烟气气溶胶或金属氧化物随烟气进入人体造成危害，所以有关烟草重金属污染的研究日益受到重视[7,8]。

粘土矿物基材料具有粒径小、比表面积大等特点，具有良好的对重金属离子进行离子交换吸附、络合、沉淀能力，可以实现对土壤重金属元素的固化与稳定化，且价格低廉效果持久，是一种性价比优越的重金属修复材料[9-11]。同时粘土矿物材料在经过一定处理后能激活大量有效硅，这些硅能缓解重金属对作物的胁迫作用，并且抑制植株下部重金属向上部转移[12,13]。本研究基于活化改性矿物基土壤调理剂(修复剂)应用于Cd-As复合污染耕地等系列成果[14-16]，对烟草土壤镉砷复合污染进行了修复改良小区试验，研究以粘土矿物基材料制成的土壤调理剂对Cd-As复合污染土壤的治理效果及不同修复模式对烟草的影响。

1 土壤与材料

1.1 供试土壤

试验地位于云南省曲靖市，于2021年4月—2021年10月进行，前茬作物为油菜，地形平坦、地力均匀、排灌方便，光照充足，在当地烤烟区域有较强的代表性和典型性。试验田土壤化验结果如表1所示，其中总镉含量超过《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)风险管制值，总砷含量超过其规定的风险筛选值，属于镉重度污染、砷轻度污染的复合污染土壤。

表1 试验地土壤理化性质

1.2 修复材料

(1)供试烟草品种为K326，大田育苗栽培；

(2)供试产品：①“海汇龙洲牌”土壤调理剂：w(CaO)≥40%，w(SiO2)≥20%，pH值9～11；②“海汇龙洲牌”有机硅叶面肥：ρ(SiO2)≥120 g·L-1。

2 试验部分

2.1 试验设计

试验设置5个处理，即4个试验组和1个对照组(CK)，每个处理设3个地块，共15个小区。小区随机区组排列，小区面积80 m2。不同处理间进行隔离，防止小区间出现串排串灌。试验地四周设置2.4 m的保护行。试验处理设置为：

①对照组：常规施肥；

②试验组1：基施土壤调理剂3 750 kg·hm-2+常规施肥；

③试验组2：基施土壤调理剂3 750 kg·hm-2+深翻耕40 cm+常规施肥；

④试验组3：基施土壤调理剂3 750 kg·hm-2+有机硅叶面肥喷施+常规施肥；

⑤试验组4：基施土壤调理剂3 750 kg·hm-2+有机硅叶面肥喷施+深翻耕40 cm+常规施肥。

土壤调理剂于翻耕前按照设置的用量均匀散入土表，翻耕后充分耙匀。有机硅叶面肥于烟草旺长期进行叶面喷施2次，两次间隔15天。试验期内各小区除了有机硅叶面肥喷施和深翻耕不同之外，其他方面包括常规施肥、小区灌溉、病虫害防治等农事操作均保持一致。

2.2 样品采集

(1)土壤取样：在烟草成熟期，各小区按“S”型曲线选取5 点采集0～20 cm土样并充分混合均匀。每个样品采集量约1 kg，采集后立即装入塑料密封袋，做好标记，运回实验室待测。

(2)烟叶及根茎取样：烟草成熟后，各小区分时期分别采收成熟下、中、上部烟叶进烤房烘烤。待烘烤结束后，取各个小区烤后烟叶各1 kg，去主脉粉碎后装入样品袋中备用。

烟叶最后一次采收结束后，各小区分别采取根、茎样本，每小区5株并进行分离。晒干粉碎后装入样品袋中备用。

2.3 样品检测

(1)土壤检测：pH值依照《土壤pH的测定》(NY/T1377—2007)，有效镉、有效砷依照《土壤质量 有效态铅和镉的测定 原子吸收法》(GB/T 23739—2009)。

(2)烟叶检测：镉依照《食品安全国家标准 食品中镉的测定》(GB5009.15—2014)，砷依照《烟草及烟草制品 汞、砷、铅含量的测定氢化物原子荧光光度法》(YC/T 250—2008)。

2.4 数据分析

数据采用Excel 2010进行处理，试验各处理间的数据采用LSD检验进行分析，应用的统计分析软件是SPSS 21.0。

3 结果与讨论

3.1 不同处理对烟草产量的影响

不同处理对烟草产量的影响见表2。4个试验组与对照组间产量接近，没有显著差距，其中试验2产量最高，为3 153.90 kg·hm-2，较对照组增产6.04%，但差异不显著。产值方面，各试验组平均产值较对照增加4 350 元·hm-2，优势明显，其中试验2产值最高，达到了96 705 元·hm-2，产值增加12.97%，且与对照组有显著差异。所有试验组较对照组产值平均增加5.08%，说明施用土壤调理剂对烟草经济价值有所提升。试验组中等叶比例相较于对照组无显著差异，而上等叶比例有提升，且试验1和试验2相较对照有显著差异，说明烟草产值提升的原因主要是提升了烟草上等叶比例。而试验3与试验4相较于试验1和试验2上等叶比例有所下降，且有显著差异，说明喷施叶面有机硅不利于提升上等叶比例。试验2对比试验1及试验4对比试验3的上等叶比例均无显著差异，说明深翻耕措施对烟草上等叶比例无显著差异。

表2 各处理烟草经济效益分析

3.2 不同处理对烟草土壤的影响

土壤pH值及重金属含量变化情况见表3。各处理间土壤的pH值从高到低排列为试验2>试验1>试验4>对照>试验3，对比表1可发现各处理较试验前有所上升，平均提升0.75，提升最多的是试验2增加了0.97，但各试验组与对照间无显著差异。可以看出，经过处理后土壤pH值略有提升。

表3 不同处理条件对土壤的影响

各处理有效镉含量从高到低为：对照=试验3>试验1>试验2>试验4，各试验组土壤中有效镉含量均不高于对照，平均降低0.19 μg·g-1，说明施用土壤调理剂对降低土壤中有效镉含量有作用；其中最低为试验4(降低21.38%)，其次为试验2(降低18.87%)，且均与对照有显著差异，说明施用土壤调理剂配合深翻耕操作对降低土壤有效镉含量有积极作用；试验3和试验4与试验1和试验2对比无明显优势，说明喷施叶面有机硅对土壤有效镉影响较小；对比表1，各处理土壤中有效镉含量与处理前比较均有降低，平均降低8.99%。

各处理有效砷含量由高到低为：对照>试验3>试验1>试验4>试验2，可看出各试验组与对照相比均有降低，说明施用土壤调理剂对于降低土壤有效砷含量有效果；其中最低为试验2(降低59.72%)，其次为试验4(降低44.08%)，均较对照有显著差异，说明施用土壤调理剂配合深翻耕操作对降低土壤有效砷含量有积极作用；试验3和试验4与试验1和试验2对比无明显优势，说明喷施叶面有机硅对土壤有效砷影响较小；对比表1，各处理土壤中有效砷含量与处理前比较均有降低，平均降低30.73%。

3.3 不同处理对烟草重金属镉含量的影响

不同处理对烟草中重金属镉含量的影响见表4。各试验组下、中部叶中镉含量均低于对照组，下部叶平均降低0.38 μg·g-1，其中最低为试验4(较对照降低39.85%)，且有显著差异；中部叶平均降低0.19 μg·g-1，其中最低为试验1(较对照降低23.48%)，但无显著差异；各处理上部叶镉含量从高到低为：试验1>试验3>对照>试验4>试验2，各试验组较对照平均降低0.06 μg·g-1，其中最低为：试验2(较对照降低17.57%)，有显著差异；各处理烟根部镉含量从高到低为试验2>对照>试验1=试验3>试验4，最低为试验4(降低0.04 μg·g-1)，降低率3.23%，无显著差异；各试验组烟茎中镉含量较对照均有增加，平均增加0.198 μg·g-1，其中试验1增加最多(较对照增加25%)，有显著差异。上述讨论说明，施用土壤调理剂在整体上能抑制土壤中镉向烟叶中富集，而对烟根部富集镉作用较小，对烟茎富集镉有反作用，表明土壤调理剂主要作用于烟茎到烟叶的转运过程。

表4 不同处理条件下烟草不同部位重金属镉含量

使烟叶中重金属镉含量降低，试验4(土壤调理剂+有机硅+深翻耕)效果最佳，上、中、下部叶分别降低了14.86%，22.61%及39.85%；其次为试验2，分别降低17.57%，13.91%及32.33%，说明深翻耕技术与土壤调理剂配合使用有较好效果；而喷施叶面有机硅仅在配合深翻耕情况下有较好促进作用，单独使用效果不明显。从烟草植株各部位吸收镉的含量来看，植株镉含量顺序为：上部叶>根>茎>下部叶>中部叶，其结果与前人结果有所区别，Cd 在烟草中的分布规律普遍为：下部叶>中部叶>上部叶>茎>根[17]，可能是因为土壤调理剂中含有大量活性硅阻止了镉由根茎向叶中的迁移[18]，而上部叶可能是因最顶端的蒸腾作用使得底部活性硅未被充分吸收，影响了其抑制作用，使得镉在上部叶中形成积累。

3.4 不同处理对烟叶重金属砷含量的影响

不同处理对烟叶中重金属砷含量的影响见表5。各试验组下、中部叶中砷含量均有所降低，其中下部叶平均降低0.05 μg·g-1，最低的为试验2(较对照降低77.78%)；中部叶砷含量平均降低0.025 μg·g-1，其中最低的为试验1(较对照降低60%)；上部叶砷含量从高到低为：试验2>试验1>试验4>对照>试验3，最低的为试验3(较对照降低7.69%)；各试验组烟根部砷含量均高于对照组，平均增加0.155 μg·g-1，最高为试验4(增加13.21%)；烟茎中砷含量从高到低为：试验4>试验1>试验2=对照>试验3，较对照平均增加0.035 μg·g-1，其中试验4增加最多(增加48.39%)。

表5 不同处理条件烟草不同部位重金属砷含量

施用土壤调理剂试验组烟叶中砷含量较对照的下、中部叶有所降低，但会使上部叶砷含量有所增加，有可能是因为土壤调理剂提高了土壤的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对下、中部叶迁移受到抑制[19]，处理3上部叶砷含量出现降低也证明了这一点；综合来看，处理3表现最为稳定，下、中、上部叶分别降低了55.56%，40%及7.69%，表明“土壤调理剂+有机硅”的组合更适宜降低烟叶中的砷含量。从部位看，植株含砷量顺序为：根>茎>上部叶>下部叶>中部叶，此结果与前人结果有所区别，砷在烟草中的分布规律普遍为：根>下部叶>中部叶>上部叶>茎[20]，可能也是土壤调理剂提高了土壤的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、中部叶迁移受到抑制。

4 结论

(1)施用矿物基土壤调理剂能提高烟草的经济效益，主要是能提高烤烟中上等烟叶比例，从而增加产值，其中试验2产值最高，达到96 705 元/hm2，优势明显。

(2)土壤调理剂能有效改良土壤，小幅提高土壤pH值，降低土壤中有效镉和有效砷的含量，处理2(3 750 kg/hm2矿物基土壤调理剂+深翻耕)有效镉降幅达到18.87%、有效砷降幅59.72%，处理4(3 750 kg/hm2矿物基土壤调理剂+深翻耕+有机硅)分别为21.38%和44.08%。

(3)土壤修复有利于烟叶中重金属镉、砷含量的降低，处理4(3 750 kg/hm2矿物基土壤调理剂+深翻耕+有机硅)的下、中、上部叶镉含量分别降低39.85%，22.61%及14.86%，处理3(3 750 kg/hm2矿物基土壤调理剂+有机硅)下、中、上部叶砷含量分别降低55.56%，40%及7.69%。

(4)在Cd-As复合污染耕地中施用“海汇龙洲牌”土壤调理剂，可以有效降低烟叶中重金属镉、砷含量。以粘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，可以通过吸附、配位反应以及共沉淀反应等作用，降低土壤中重金属离子的活性，从而降低对作物的毒害[21]。

(5)深翻耕处理对降低土壤有效镉、有效砷及烟叶中镉含量均有较好效果，而喷施叶面硅肥主要是对降低烟叶中砷含量有一定作用，所以治理镉污染耕地时建议使用“土壤调理剂+深翻耕”的技术模式，治理砷污染耕地及Cd-As复合污染耕地时建议使用“土壤调理剂+深翻耕+有机硅”的技术模式。