施 琪，鲁然英，常德政，刘欢欢，刘 涛，蒋士君

(1.河南省冶金研究所责任有限公司，河南 郑州 450002；2.河南益禾利科农业科技有限公司，河南 郑州 450002；3.河南农业大学 植物保护学院，河南 郑州 450002)

农田土壤安全直接影响农产品安全，是事关国计民生的大事。近年来，由于土壤污染带来的一系列经济和社会问题已不容小觑，引起了学术界和民众的广泛关注。据《全国土壤污染状况调查公报》显示[1]，当前我国土壤污染总的点位超标率达16.1%，总体状况不容乐观，耕地土壤环境质量亦堪忧，点位超标率更达19.4%。土壤污染类型以无机污染即重金属为主，其中镉(Cd)的污染点位超标率达7.0%，为8种无机污染物中最高，Cd污染毒性大、迁移性强、易在作物体内富集，最终可通过食物链威胁人类健康，因此，Cd污染土壤修复势在必行。

烤烟是一种以采收叶片和吸食叶片为主的特殊经济作物，但烟叶极易富集重金属镉(Cd)[2-3]，前人研究发现烟叶对Cd的富集系数可达5～40[4-7]。烟叶一旦受到Cd污染，不仅造成烟叶的外观质量差、化学成分不协调、不利于吃味形成、品质显著降低[8]，更大的危害则是人们吸食了Cd污染的烟叶后造成的健康危害不可估量。而烟叶中的Cd主要来源于植烟土壤[9]，因此，通过修复土壤Cd污染可减少Cd向烟叶中迁移富集，减少其对烟叶的危害。目前，钝化修复技术是广泛采用的土壤重金属污染修复技术之一，该技术是通过向土壤中添加钝化材料使其通过络合、沉淀、吸附、离子交换、氧化还原反应等作用，减少重金属的迁移性和生物有效性，从而达到修复的目的[10]。常用的钝化材料有石灰性物质、有机肥、炭材料、粘土矿物和农业废弃物等[11]，生物质炭属于炭材料，是一种新型的污染土壤修复物质，生物质炭是由生物质如农林废弃物、植物组织或动物骨骼等在缺氧条件下高温热解形成的固体产物[12]。据文献报道[13]：生物质炭因孔隙结构发达以及表面含氧官能团丰富而具有较强的吸附能力，可吸附固定土壤污染物，从而降低污染物在土壤中的化学活性和毒性，达到修复污染土壤的目的。目前利用生物质炭修复污染土壤已多有报道，如Sheng等[14]研究发现生物质炭能提高土壤pH值，降低重金属Cu和Zn在土壤中的迁移性，降低污染风险。左静等[15]将小麦秸秆生物质炭(40 t/hm2和20 t/hm2)施用到小麦-玉米轮作模式下的碱性旱地土壤中，结果发现，小麦秸秆生物质炭2个处理在小麦、玉米两季均能显著降低土壤有效态Pb和Cd含量，最大降幅分别达53%和50%，小麦籽粒Pb、Cd含量的最大降幅分别达43%和21%。周建斌等[16]研究发现棉秆炭通过吸附或共沉淀作用能降低土壤Cd的有效性，减少小白菜的Cd含量。

河南省是烤烟种植大省，但近年来由于不合理施肥造成的植烟土壤重金属污染已严重影响了烟草的可持续生产。目前，利用生物质炭修复河南省重金属污染植烟土壤的报道较少，因此本研究以生物质炭为研究材料，采用盆栽试验，通过增施不同用量生物质炭，测定分析生物质炭对Cd污染土壤的修复效果，以期为利用生物质炭修复河南省植烟土壤Cd污染提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验供试土壤取自三门峡渑池主栽烟区健康烟田耕层(0～20 cm)土壤，经风干，过2 mm筛后备用，土壤类型为褐土，土壤pH值7.46、有机质含量10.56 g/kg、总氮含量0.84 g/kg，碱解氮、速效磷、速效钾含量分别为73.04、15.51、206.34 mg/kg。供试土壤Cd未被检测到。供试烟草品种为中烟100，供试生物质炭为稻壳炭由河南益禾利科农业科技有限公司生产提供，其中有机碳含量为624.15 g/kg、C/N为41.32、pH值为9.23、Cd含量0.01 mg/kg。复合肥由中盐安徽红四方股份有限公司生产提供，氮磷钾均为15%、Cd含量为0.02 mg/kg。

1.2 盆栽试验设计

采用盆栽试验，于河南农业大学烟草病理实验室进行，将供试土壤装入高15 cm×20 cm的塑料花盆中，每盆装土2.5 kg，然后每盆添加外源CdSO4溶液，调节土壤Cd浓度至2 mg/kg[17]，用去离子水调至60%左右的持水率稳定30 d。

至30 d时，按以下处理将生物质炭添加至Cd处理过的土壤中并混匀，处理A：10 g/kg，处理B：20 g/kg，处理C：40 g/kg，CK：不添加生物质炭，共4个处理，每处理3次重复。同时选取生长健康、长势一致的5～7片真叶的烟苗进行移栽，移栽时，各处理每盆一次性施入复合肥5 g，即纯氮含量0.3 g/kg。烟草移栽后管理同一般大田生产。

1.3 样品采集与测定

于烟草移栽后30 d和60 d分别取不同处理的根际土样，土样自然风干，去杂质，粉碎过10目筛用以测定土壤pH值，过60目筛用以测定有机质和有效态Cd含量。同时在移栽后60 d烟草整株取样，剪下烟叶，叶片用刷子去除杂质，然后去叶脉，105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒重、粉碎，过60目筛备用，测定烟叶Cd含量。

土壤pH值采用电位法测定[18]，土壤有机质含量采用重铬酸钾法测定[19]，土壤有效态Cd的测定采用DTPA浸提，火焰原子吸收分光光度计法测定[20]。烟叶Cd采用微波消解-石墨炉原子吸收法测定[21]。

1.4 数据处理与分析

试验数据采用Excel 2007和SPSS 17.0统计分析软件进行数据处理，并进行Duncan法多重比较。

2 结果与分析

2.1 增施生物质炭对土壤pH值的影响

由图1可知，在整体上，各处理根际土壤的pH值在移栽60 d时大于移栽30 d，且3个生物质炭处理即处理A、B、C的土壤pH值均大于对照，其中，处理B和C在2个取样期对土壤pH值的提高作用显著优于处理A(P<0.05)。与对照相比，移栽30 d时，处理B和C的土壤pH值分别提高了2.67%和2.15%；移栽60 d时，分别提高了1.51%和1.24%。统计分析表明，在2个取样期，处理B和C均与对照达显著差异(P<0.05)，而处理A则无显著差异(P>0.05)。这说明增施生物质炭在一定程度上提高了根际土壤pH值，这可能与生物质炭本身呈碱性有关。

图1 不同试验处理对土壤pH值的影响

2.2 增施生物质炭对土壤有机质的影响

由图2可知，增施生物质炭能显著提高土壤有机质含量，且与施用量呈正剂量效应。与对照相比，移栽30 d时，处理A、B、C较对照分别提高了8.44%、17.06%、46.88%；移栽后60 d时，分别提高了10.36%、18.88%、45.19%。统计分析表明，3个生物质炭处理与对照在2个取样期均达显著差异(P<0.05)。这是因为生物质炭含碳丰富、C/N比高，对提高土壤有机质含量有积极的促进意义。

图2 不同试验处理对土壤有机质的影响

2.3 增施生物质炭对土壤有效态Cd含量的影响

由图3可知，3个生物质炭处理在移栽后30 d和60 d时均能降低根际土壤有效态Cd含量。其中，移栽30 d时，处理B和处理C较对照分别显著降低了7.75%和15.14%(P<0.05)，处理A降低了5.99%，但与对照无差异(P>0.05)；移栽60 d时，处理B和处理C较对照分别显著降低了9.27%和16.29%(P<0.05)，处理A降低了2.88%，但与对照也无差异(P>0.05)。统计分析还表明，处理A和处理B之间无差异(P>0.05)，但与处理C差异显著(P<0.05)。这说明增施生物质炭能有效降低土壤有效态Cd含量，且存在负剂量效应。

图3 不同试验处理对土壤有效态Cd含量的影响

2.4 增施生物质炭对烟叶Cd含量的影响

由图4可知，增施生物质炭能显著降低烟叶中的Cd含量(P<0.05)，与对照相比，处理A、B和C烟叶中的镉含量分别降低了17.09%、22.14%和27.62%，并且随着生物质炭施用量的增加，烟叶Cd的下降率显著增加(P<0.05)。结合土壤有效态Cd含量分析结果可知(图3)，烟叶Cd含量大小依次为对照>处理A>处理B>处理C，与土壤有效态Cd含量一致，由此也说明，生物质炭对土壤中Cd的固持吸附，减少了根系对Cd的吸收，进而减少了烟叶中Cd的富集，使烟叶Cd含量显著低于对照，也进一步验证了烟叶的Cd主要来自于土壤。

图4 不同试验处理对烟叶Cd含量的影响

3 结论与讨论

烟叶中的Cd主要来自于土壤，土壤中重金属形态除受重金属本身性质和含量影响外，也受土壤理化性质的直接影响，尤以pH值和有机质的影响较为显著[22]。pH值直接影响重金属的活性，进而影响重金属的迁移和沉积。据文献报道：土壤pH值是影响Cd吸附解析的重要因素，pH值下降时，土壤交换态Cd含量增加[23]。本研究发现，增施生物质炭能有效提高根际土壤pH值，尤其高剂量(20 g/kg和40 g/kg)与对照达显著水平。这说明生物质炭能提高土壤pH值且与施用量有关。尤方芳等[24]研究发现增施20 g/kg生物质炭也能提高根际土壤pH值，但效果不显著，这可能与生物质炭种类、性质不同有关，本试验供试的生物质炭为稻壳生物质炭，尤方芳等则用的是花生壳生物质炭；另一方面还可能与供试土壤Cd污染浓度不同有关，本试验供试土壤Cd污染浓度为2 mg/kg，大于尤方芳等试验的土壤Cd污染浓度(1 mg/kg)。pH值对重金属的影响可能是pH值升高时，土壤中粘土矿物、水合氧化物和有机质表面的负电荷增加，因而增强了对离子的吸附能力，使得溶液中的重金属离子浓度降低[25]。本研究对土壤有机质分析发现，不同用量生物质炭均能提高土壤有机质含量，且随用量的增加效果逐渐增强。有机质是影响重金属有效态的重要因素，如钟晓兰等[26]发现有机质对重金属有效态含量有较大的正向作用。本研究也发现土壤有机质越高土壤有效态Cd含量越低。有机质对重金属形态的影响机制复杂：一是提高了土壤pH值，增加了土壤固相有机质对重金属的吸附，形成难溶性沉淀，降低了土壤中重金属的活性；二是有机质中释放出的H+可与土壤重金属离子交换[25,27]。

生物质炭孔隙结构发达、比表面积巨大，具有很强的吸附性能，能吸附固持土壤中的重金属，可以改良污染土壤，大幅降低农作物对重金属的吸收。安梅等[28]研究认为在Cd、Pb复合污染的土壤中添加小麦、玉米和棉花秸秆及城市污泥4个种类的生物炭均能改变土壤的理化性质，且不同程度地降低了土壤重金属的有效态含量。本研究发现，增施不同用量生物质炭在烟草移栽后30 d和60 d均能有效降低根际土壤有效态Cd含量，且20 g/kg和40 g/kg两个处理与对照达到显著水平。烟叶Cd含量分析表明，不同生物质炭处理显著降低了烟叶中的Cd含量，且烟叶Cd含量大小顺序与土壤有效态Cd含量一致，由此说明，生物质炭对土壤中Cd的固持吸附，减少了根系对Cd的吸收，进而减少了烟叶中Cd的富集，这也进一步验证了烟叶的Cd主要来自于土壤。尤方芳等研究也发现在盆栽试验条件下，生物炭与不同肥料配施的各处理烟叶中Cd含量变化与土壤中有效态Cd含量变化有较强的正相关性[24]。

综上所述，不同用量生物质炭均能显著提高根际土壤pH值和有机质含量，能够吸附和固着土壤Cd，降低土壤有效态Cd含量，从而减少根系对Cd的吸收积累，进而降低了烟叶中的Cd含量，且整体上高施用量即20 g/kg和40 g/kg生物质炭对Cd污染土壤修复效果较好。本研究仅在盆栽条件下研究了生物质炭对Cd污染土壤的修复效果，关于生物质炭在大田的应用效果还有待进一步研究。