海泡石及生物炭对甲霜灵和镉复合污染条件下烟草生长发育和污染物含量的影响

刘跃东，郑梅迎，刘 祥，戴华伟，王英俊，彭玉龙，刘明宏，王 毅，孔凡玉，张继光*

1. 中国农业科学院烟草研究所，山东省青岛市科苑经四路11 号 266101

2. 山东省烟草公司淄博市公司，山东省淄博市张店区商场街143 号 255000

3. 贵州省烟草公司遵义市公司，贵州省遵义市汇川区延安路143 号 563000

随着现代工农业生产的快速发展，出现了土壤污染等环境问题，其中重金属与农药残留是农田土壤中两类主要的污染物。镉被认为是最普遍也是危害最大的土壤重金属污染源，据2014 年土壤污染状况调查显示，我国耕地土壤中镉污染的点位超标率为7%，远高于其他污染物［1］。镉元素在土壤中化学活性较强，能够通过影响植物根细胞膜的表面电势，而伤害膜系统［2］，降低植株对养分的吸收利用，影响植物生长发育［3］，且镉易被作物吸收，通过食物链逐渐富集而危害人体健康［4］。烟草是典型的喜镉作物之一，因此防控烟田镉污染是提高烟叶安全性的重要手段。除重金属外，农药残留也是我国烟草安全性的重要控制性指标。甲霜灵作为一种苯基酰胺类的高效、低毒内吸性杀菌剂，通常以灌根的方式用于烟草根茎病害的防治［5］，因长期使用且用量较大，其残留污染问题也日趋严重［6］。施入土壤的甲霜灵被烟草根系吸收后，运输转移至茎、叶等部位并富集［7］，严重影响烟叶的安全性。在镉污染农田中种植烟草等农作物，往往存在重金属和农药残留的复合污染问题，且两种污染物之间相互影响，呈现出多元化和复杂化的特征［8］。因此对复合污染土壤的修复问题也越来越受到人们的重视，已成为农业环境科学领域关注的热点［9］。

在目前土壤复合污染的各种修复方式中，原位钝化修复是最有效可行的方法，能够同时满足时间和成本的治理需求［10］。与化学改良法及电化学法相比，原位钝化修复是一种简单、经济、不易造成二次污染且不破坏土壤结构的改良方式［11］，也是目前减少作物吸收重金属与农残的有效措施之一［12-14］。土壤改良剂具有良好的理化性能，能够吸附重金属离子，形成化学性质稳定的络合物，从而降低重金属的活性，减轻对植物的毒性作用。且许多土壤改良剂本身也是一种肥料或调理剂，可改善植烟土壤的理化性质、调节生物学特性、提高土壤养分供给能力，进而提高烟叶的产量和品质［15］。海泡石作为一种天然矿物类改良剂，因其具有纤维状多孔和较大的比表面积等特点，可与土壤污染物间产生物理化学作用，降低土壤污染物有效性，从而减少对植物的毒害［16］。生物炭因其优良的物理吸附特性和丰富的化学成分，不仅能降低污染物的有效态含量、影响污染物的迁移、改善土壤污染状况，还能提高土壤养分的有效性和土壤微生物活性，促进植物生长，已成为土壤污染修复剂的选择重点［17］。而目前关于镉复合污染对蔬菜作物生长发育及品质影响方面的研究较多，如孟莉蓉等［18］研究发现添加生物炭可以促进重金属价态转化并降低生态风险，显著提高小白菜的生物量；陈立等［19］通过3 种螯合剂对芥菜修复铀镉复合污染土壤的影响试验，发现施加适宜浓度的螯合剂能够提高芥菜对铀镉复合污染土壤的修复效率。但对于镉敏感作物烟草，在重金属镉和甲霜灵农药的复合污染条件下，添加海泡石及生物炭等土壤改良剂对烟草生长发育及烟叶安全性的影响方面则鲜见报道。因此基于天然矿物和有机物质的差异，选取海泡石及生物炭为研究对象，通过添加海泡石、生物炭及其组合的土壤改良试验，探讨对烟草生长发育及污染物积累的改良效果，以期为复合污染农田的治理与修复提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2016 年4─11 月在山东潍坊烟草公司诸城试验站进行。采用温室大棚盆栽试验，烤烟品种为中烟100，供试土壤取自当地烟区的耕层（0～20 cm），土壤类型为典型褐土。供试土壤的基本理化性质：pH 7.05，有机质9.65 g·kg-1，全氮4.30 g·kg-1，碱解氮57.5 mg·kg-1，速效磷8.38 mg·kg-1，有效钾192 mg·kg-1。

农药甲霜灵（30%可湿性粉剂）购自浙江禾本科技有限公司，乙酸镉［分析纯，Cd（CH3COO）2·2H2O］购自国药集团化学试剂有限公司。改良剂生物炭与海泡石均由山东省丰本生物科技公司提供，其基本理化性质见表1。

表1 两种改良剂的基本理化性质Tab.1 Physicochemical properties of two amendments

1.2 试验方法

试验设置 4 个处理，分别为对照（CK）：未添加土壤改良剂；T1：添加 20 g·kg-1海泡石；T2：添加20 g·kg-1的生物炭；T3：10 g·kg-1海泡石和10 g·kg-1生物炭两者等量添加配施。每处理设置30 次重复（30 盆）。

将采集的耕层土壤样品，挑出侵入体和新生体，经自然风干后碾碎过5 mm 筛，同时按照当地烟田常规施肥方式，将土壤与肥料以及对应处理的改良剂充分混匀。每盆装风干土15 kg，然后灌足够水分使土壤沉实。每盆移栽生长一致的健康烟苗1 株。根据甲霜灵的田间推荐用量、重污染区镉含量和前期预备试验结果，在模拟长期污染积累条件下，设置甲霜灵与乙酸镉的添加浓度均为20 mg·kg-1，待移栽的烟株进入伸根期（移栽后14 d）时，将甲霜灵粉剂和乙酸镉试剂溶解在1 000 mL 蒸馏水中，一次性均匀浇施于盆钵中，对照浇等量蒸馏水。每间隔3～5 d 称量并补水，使盆栽土壤含水率基本保持在60%的田间持水量水平。

1.3 测定方法

1.3.1 土壤理化指标的测定

采用鲁如坤［20］的方法测定土样pH、有机质、全氮、碱解氮、速效磷和有效钾等基本理化性状指标。

1.3.2 烟草植物学性状的调查

在烟草成熟期（污染胁迫后第112 天），每处理选取有代表性的烟株3 株，测量株高、茎围、有效叶数以及上、中、下各部位叶片长宽等指标，并采用叶面积校正系数0.634 5 计算叶面积［21］。

1.3.3 干物质量及根系指标的测定

分别在添加污染物胁迫后第 14、28、56、84、112 天（团棵期、旺长期、现蕾期、打顶期和成熟期），每处理随机选取烟株3 株，采用破坏性取样方法将根系完整取出，用自来水冲洗干净后，用软尺测量主根长、一级侧根和二级侧根长，用排水法测定根系体积。然后将烟株分根、茎、叶三部位于105 ℃杀青30 min、75 ℃烘干至恒质量，称量并记录烟株各部位的生物量。

1.3.4 甲霜灵和镉含量的测定

在烟草植株每次取样后，将烘干的根系及烟叶分别磨碎过0.25 mm 筛，经提取净化处理后采用高效液相色谱-质谱联用仪（HPLC-MS2695，美国Waters 公司）测定甲霜灵含量（质量分数）。液相色谱条件：柱温25 ℃，进样量3 μL，流动相为乙腈-水，流速0.5 mL/min。质谱条件：电喷雾离子源ESI+，多重反应监测（MRM）模式，定量离子对280.2/220.1，定性离子对 280.2/248.1、280.2/192.2。该方法测得的甲霜灵回收率为95.31% ～103.63%，相对标准偏差为3.8%～5.2%，最低检出浓度为0.02 mg·kg-1。

参照侯冬岩等［22］的方法准确称取0.500 0 g 样品于消解罐中，加入50 mL 硝酸，1 mL 过氧化氢，静置1 h 后进行微波消解，冷却后用超纯水定容至50 mL，使用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS，Nexion 300D 型，美国PerkinElmer 公司）测定镉含量（质量分数）。

镉富集系数的计算［23］：

1.4 数据处理

采用SPSS20.0 软件对烟草各生长发育指标进行方差分析，采用Excel 2010 和Origin9 软件对试验数据进行统计分析并作图。

2 结果与分析

2.1 改良剂对烟草植物学性状的影响

从污染胁迫后112 d 时烟草的植物学性状指标（表2）来看，CK 烟株在株高、茎围、有效叶数和叶面积均低于其他3 个处理，改良剂处理可不同程度地促进烟草的生长发育。T3 和T1 处理的株高显著高于 CK 和 T2 处理（P＜0.05），且比 CK 分别提高18.33 cm 和14.67 cm。3 个处理的烟株茎围显著大于对照，但3 个处理间差异不显著。特别是T3 处理，有效叶数达12 片，平均比T1 和T2处理多2 片，叶面积也显著大于CK。这表明添加生物炭与海泡石均可显著促进烟株生长发育，对烟草的株高和有效叶片数增加效果明显，且等量海泡石与生物炭配施后，两种改良剂协同改良的效果整体上优于单施海泡石及生物炭的处理。

表2 改良剂对复合污染条件下烟草植物学性状的影响①Tab.2 Effects of amendments on botanical traits of tobacco under combined pollution

2.2 改良剂对不同生育期烟草生物量的影响

从不同处理烟草各部位的生物量测定结果（图1）来看，在污染胁迫14 d 时，T3 处理的烟株根生物量最高，显著高于其他3 个处理（P＜0.05），特别是在烟叶成熟期（污染胁迫112 d）时，根系生物量较CK 增加42.9%。施加改良剂的处理烟株地上部生物量明显增加，尤其是烟叶生物量增加显著，排序依次为 T3＞T1＞T2＞CK，但 3 个处理间差异未达显著水平。根冠比反映了植物地下部与地上部的相关性，良好的根系发育有助于地上部生长［24］。在污染 14 d 时，3 个处理的烟草根冠比均大于 CK，排序依次为 T3＞T2＞T1＞CK；污染 56 d时，T3 处理的烟株根冠比显著高于其他两个处理（P＜0.05）。可见，3 个处理均对复合污染条件下烟株各部位生物量的积累有明显促进作用，特别是等量海泡石与生物炭配施处理具有协同改良复合污染的作用，对烟株各部位生物量积累及根冠比的提高效果较好。

图1 复合污染条件下不同处理烟株各部位生物量及根冠比比较Fig.1 Biomasses of different parts of tobacco and root top ratio under different combined pollution treatments

2.3 改良剂对不同生育期烟草根系发育的影响

不同改良剂对烟草根系发育的影响如图2 所示。在污染后14 d 时，3 个改良剂处理的烟株主根长、一级和二级侧根长均大于CK，其中T3 处理的烟株主根长显著高于CK（P＜0.05）。从第28～84 天，烟株的主根长及侧根长等指标均随生育期的推进而增加，但各处理之间差异不显著。在污染后的112 d 时，T3 处理的烟株主根长达到14.17 cm，显著高于CK、T1 和T2 处理（P＜0.05），根体积也达到最大值，但与T1 处理间差异不显著，同时，T1 处理的一级和二级侧根长最高。这表明复合污染条件下生物炭改良剂对烟草根系发育的促进作用较小，而海泡石单施及海泡石与生物炭的配施处理均具有较好的效果。

图2 复合污染条件下不同处理烟草根系生长发育状况比较Fig.2 Tobacco root growth and development under different combined pollution treatments

2.4 改良剂对复合污染条件下烟草叶和根部甲霜灵含量的影响

改良剂对烟草叶和根部甲霜灵含量的影响如图3 所示。在复合污染胁迫条件下，烟草各部位甲霜灵含量随着生育期的推进均表现出先降低后趋于稳定的趋势（污染前烟株未检出甲霜灵含量）。从污染后14～112 d 时，随烟草的生长发育甲霜灵含量急剧降低，且在污染后56 d 时趋于稳定，至污染后112 d 时叶和根两部位甲霜灵含量均极低。3 个改良剂处理甲霜灵含量均显著低于CK（P＜0.05），且T1、T2 和T3 处理间甲霜灵含量差异不显著。

图3 复合污染条件下不同处理烟草叶和根部甲霜灵含量比较Fig.3 Contents of metalaxyl in tobacco leaves and roots under different combined pollution treatments

烟株叶和根部甲霜灵残留的消解动态见表3。各处理烟株根部甲霜灵的消解半衰期差异不大，但3 个处理间烟叶中甲霜灵半衰期均小于CK。这表明复合污染土壤中，3 个处理的效果差异不显著，交互作用效应较为独立，且均能明显降低烟株叶和根部甲霜灵含量，并加快了烟叶中甲霜灵残留的消解进程。

2.5 改良剂对复合污染条件下烟草叶和根部镉含量的影响

改良剂对复合污染条件下烟草叶和根部镉含量动态的影响见图4。各处理烟草叶及根部的镉含量均随烟草生育期的推进呈现先增加后降低并趋于稳定的趋势，其中CK 在污染后28 d 时叶和根部镉含量均最高，分别为182.12 mg·kg-1和63.54 mg·kg-1；与CK 相比，各处理烟草叶和根部镉含量吸收高峰则由污染后28 d 推迟到56 d，且镉含量在所有取样时期均显著低于CK（P＜0.05）。除污染后112 d 时T1 处理的烟叶镉含量显著低于T2 和T3处理外，其他时期3 个处理间镉含量差异不显著。

表3 甲霜灵在烟株根和叶中的消解动态Tab.3 Degradation dynamics of metalaxyl in tobacco roots and leaves

图4 复合污染条件下不同处理烟草叶和根部镉含量比较Fig.4 Cd contents in tobacco leaves and roots under different combined pollution treatments

表4 复合污染条件下不同处理烟草叶部和根部镉的富集系数比较Tab.4 Enrichment coefficients of Cd in tobacco roots and leaves under different combined pollution treatments

从烟草叶和根部对镉元素的富集系数（表4）来看，3 个处理镉元素的富集系数均低于CK，且3处理间差异不显著。同时Cd 在烟叶中含量远高于根部的含量，说明Cd 在烟草体内的迁移能力较强，并最终富集在烟叶中。添加改良剂均能在一定程度上降低烟草叶及根部镉含量，使烟草根部及烟叶镉含量的吸收高峰推迟，进而抑制烟草叶和根部对镉元素的富集。

3 讨论

本研究中发现，甲霜灵和镉复合污染条件下海泡石和生物炭及两者等量配施对烟株生长发育和生物量积累均有不同程度的促进作用。这可能是因为生物炭和海泡石可降低土壤中有效态污染物（如铅、镉）的含量以及污染物的生物有效性，从而减少污染物对烟株的毒害程度［25］。有研究表明，生物炭可直接向土壤中提供有机质及作物生长所需的元素和养分［26］，还具有增加烟株株高、生物量和提高根际土壤pH、激发抗氧化酶活性，增强植株自身的抗逆性等作用［27］。海泡石与生物炭在作为改良剂同时施入污染土壤中，除各自发挥了自身作用外，还起到了协同改良复合污染土壤的效果。从本试验结果看，生物炭和海泡石对烟株根系发育具有不同程度的促进作用，而海泡石的单施及海泡石和生物炭两者等量配施的改良效果更好。这是因为海泡石具有特殊的孔隙结构，能够改善植株根系生长环境，同时增加土壤缓冲性能，进而促进了烟草侧根发育、根体积及生物量增大，这与前人的研究结果基本一致［28-29］。

从甲霜灵在烟株根及叶中的消解动态来看，烟草根系及叶片中甲霜灵残留在试验时段内表现为先降低后趋于稳定的趋势，这是由于甲霜灵在土壤中的不断降解以及海泡石和生物炭对其具有较强的吸附作用所致。另外，本研究中海泡石和生物炭均能明显降低烟草叶和根中甲霜灵含量，并加快了烟叶中甲霜灵残留的消解进程，而且单施与配施效果相近。郑雄志等［30］在生物炭对烟田土壤中农残的影响效果试验中发现，随着生物炭施用量增加，烟株叶宽、叶长、株高均有不同程度增加，而二氯喹啉酸残留伤害率逐渐降低。添加10 g·kg-1生物质炭的土壤中，植物残体中所含毒死蜱和卡巴呋喃残留仅为对照的10%和25%；同时Yu 等［31］也证明了生物炭作为土壤修复剂能够抑制植物对农药的吸收，缩短农药在体内的半衰期，减少农药在食物链中的流动，这与本试验的结果基本一致。另外海泡石作为一种层状硅酸盐矿物，具有较大的比表面积和离子交换性能，吸附能力强，可以作为环境中农药残留的掺合剂和吸附剂［32］。两者单施或配施均对土壤中农药残留污染产生显著的改良效果。

生物炭和海泡石对重金属的吸附钝化作用主要是因为其与土壤中重金属发生沉淀、络合和吸附等物理化学反应，改变了重金属在土壤中的化学形态和赋存形态，将活性高的形态向活性低的形态转化，从而达到钝化重金属的目的［33］。本研究中发现，烟叶及根系中镉含量呈先增加后降低并趋于稳定的趋势，同时海泡石和生物炭表现出显著的改良效果，明显抑制了烟草根系对于重金属镉的吸收，降低了镉在叶及根中的富集。首先，海泡石具有较大的比表面积和吸附量，可抑制植物对镉的吸收，同时降低镉离子的有效性，减轻镉对植株的毒害［34］。孙约兵等［35］研究发现，海泡石可使土壤Cd-Pb 复合污染中Cd 和Pb 由活性较高的可提取态转化为活性较低的有机结合态、铁锰氧化结合态以及残渣态等，并能增加部分酶活性和微生物数量，改善土壤环境条件，从而降低水稻中的重金属含量。其次，生物炭对作物根际土壤镉的有效性及植物中镉含量具有同样的抑制作用［36］。生物炭和海泡石作为重金属污染土壤的高效钝化剂，两者混合施用后可提高土壤pH，有效降低土壤中有效态Cd 含量50%以上，降低植株内Cd 含量达69.63%［37］。因此推测本试验中重金属的离子交换吸附作用可能是影响两种改良剂处理复合污染土壤效果的重要因素。而有关海泡石和生物炭对复合污染条件下烟草发育调控的内在机理仍有待进一步研究，同时在盆栽试验基础上还应进一步开展大田应用与效果验证。

4 结论

在温室大棚盆栽试验条件下：（1）甲霜灵及镉复合污染土壤中添加海泡石和生物炭改良剂均能不同程度地促进烟株的生长发育和生物量积累，且两者等量配施效果优于单一施用。（2）添加改良剂能不同程度加快甲霜灵在烟叶中的消解进程，降低烟叶和根中甲霜灵含量，并缩短甲霜灵在烟叶中的半衰期。（3）添加改良剂能够在一定程度上降低烟叶及根中镉含量，同时延迟烟叶及根对重金属镉的吸收高峰，降低叶和根中镉的富集系数。（4）等量海泡石与生物炭配施，既能促进烟草的生长发育又可有效缓解农残和重金属的毒害，是复合污染条件下烟田土壤改良的较有效措施。