生石灰对铅污染酸性植烟土壤理化性质和烟草铅含量的影响

淡俊豪，齐绍武，2， 朱 益， 靳辉勇， 梁仲哲

(1.湖南农业大学农学院，湖南长沙 410128； 2.湖南杂交水稻研究中心，湖南长沙 410128)

随着人口数量的增加，手工业高速发展，社会活动导致的环境污染问题日益严重。其中，重金属污染成为众多问题之一[1]。重金属污染是指因人类生产活动导致土壤重金属含量增加，超出正常范围，造成生态环境恶化，直接危害人体健康的现象[2-3]。铅是有毒重金属之一，它是植物生长发育的非必需元素，铅在土壤中会抑制种子萌发，降低种子活力，抑制植株生长，并积累在植株上[4]。我国部分植烟农田受铅污染较为严重，土壤中的铅会迁移到烟叶，在抽吸过程中，烟叶中的铅以烟雾的形式进入人体，对人体造成潜在伤害[5]。因此，对植烟土壤铅污染的改良是亟待解决的问题。

生石灰作为一种土壤改良剂在农业中得到了广泛应用[6]。研究表明，在酸性土壤中施用生石灰不仅可以提高土壤pH值，而且其形成的碳酸钙可在一定程度上钝化重金属，使得土壤中有效态铅含量降低[7]。在土壤中施入生石灰能增加烟株根系活力，也能使干物质含量增加；可提高烟草产量和质量，减轻烤烟的连作障碍[8]。

不同生石灰的施用量对酸性土壤的改良效果不同，所以对烟株不同部位铅含量也有不同的影响。研究表明，在土壤中添加900 kg/hm2生石灰，能改善烤烟根际微生态环境，提高烟叶品质[9]；姜超强等研究表明，当添加 1 500 kg/hm2生石灰时，对烟叶重金属含量有一定程度的影响[10]；张宗锦等对攀枝花烟区的研究表明，生石灰施用量为1 350 kg/hm2时，土壤养分、烤烟产量、质量均达到最高[11]；相关研究在湖南地区较少，特别是生石灰对烟株不同部位铅含量的影响方面的研究不多，本试验生石灰的施用量根据湖南地区具体情况和参照前人的研究[12]而定。探究施加不同量的生石灰对酸性土壤pH值及烟叶铅含量的改良效果，对改良酸性土壤具有重要意义。

本试验以湖南农业大学耘园土壤为材料，通过盆栽试验，研究施加不同量的生石灰对烟株不同部位铅含量的影响，以期为铅污染酸性土壤的治理以及在烟草上合理施用生石灰提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

供试土壤采自湖南农业大学耘园试验用地，土壤类型为红壤土，土壤pH值为5.4，为酸性土壤，土壤肥力中等，土壤基本理化性质见表1。

表1 供试土壤的基本性质

1.2 试验设计

供试烤烟品种为K326。试验采用盆栽的方式。土壤在室内自然风干，粉碎后过10目筛。充分混合，稳定老化1周后[13]，加入不同水平生石灰，混匀后装盆，每盆装15 kg土壤。试验设计3个处理和1个空白对照(表2)，每个处理设置3个重复，每个重复3盆，每盆种植1株烟草，栽培深度一致，无不种植烟草对照。按随机区组排列，为确保每盆内的烟株生长条件均匀，按一定的时期将盆栽的位置进行调动，保持土壤水分为田间持水量的70%，其他田间管理按大田常规操作进行[14]。

表2 供试生石灰施用水平

1.3 样品采集

分别于烟草移栽后30、60、90 d采取烟草样品各3株，样品分为3个部分：根系、茎秆、烟叶。根系用自来水冲洗干净，再用纯净水彻底润洗4～6次；茎秆和烟叶用纯净水冲洗掉表面灰尘，于75 ℃烘箱烘干后粉碎。全部植株样品粉碎后过100目标准筛，保存于塑料信封袋中待用。在种植烟叶90 d后对土壤进行采样，供试土壤按照“S”形取样法选取6个点，用土钻对每盆土壤进行取样，根据“等量”“随机”“多点混合”的原则采取，采样深度为0～15 cm。土壤采集后，去除根系及土壤入侵物，将其混匀后自然风干并研磨过20目筛，装入塑料信封袋待用。

1.4 样品分析

土壤速效磷含量采用碳酸氢钠法测定；土壤有机质的测定采用重铬酸钾容量法；土壤速效钾用1 mol/L醋酸铵提取，火焰光度计法测定；土壤碱解氮含量采用康维皿扩散法测定；土壤pH值采用去离子水提取，电位法测定[15]。植株样品的铅全量采用HNO3-HCLO4微波消解，原子吸收分光光度法测定[16]。全部分析器皿均在稀硝酸溶液中浸泡过夜，并用纯水冲洗3次。根系铅吸收系数=根系铅含量/土壤铅全量；铅初级转运系数=茎秆铅含量/根系铅含量；铅次级转运系数=烟叶铅含量/茎秆铅含量[17]。

1.5 数据统计

采用Excel对数据进行初步运算，利用SPSS 16.0统计分析软件对数据进行方差分析和相关性分析，在5%水平上用最小显著差异法(least-significant difference，简称LSD)分析所有数据与对照之间的差异显著性，采用Excel软件分析、制作图表。

2 结果与分析

2.1 不同施加量下土壤理化性质的变化

由表3可知，处理T3的速效磷含量最低，为 12.89 mg/kg；处理T2最高，为23.12 mg/kg，相比处理T3提高79.36%，相比CK提高37.46%，处理T2的土壤速效磷含量与处理T1、T3和CK差异显著，处理T1与处理T3差异不显著。CK处理的有机质含量最高，为14.60 g/kg；T2处理最低，为9.64 g/kg，前者是后者的1.51倍。处理T1、T2、T3之间有机质含量无显著差异，而各处理与对照差异显著。速效钾含量从高到低排序是T1>T2>T3>CK，处理T1速效钾含量最高，为160.90 mg/kg；CK最低，为95.32 mg/kg，且处理T1较CK提高68.80%。处理T1的速效钾含量与处理T2、T3、CK的差异显著，而处理T2、T3、CK间差异不显著。土壤中碱解氮含量以T2处理最高，为 137.84 mg/kg；处理CK最低，为112.62 mg/kg，较处理T2减少22.39%。T2处理的碱解氮含量与CK差异显著，处理T3与处理T1差异显著，而处理T1与CK差异不显著。

表3 成熟期不同生石灰施加量的土壤理化性质

注：同列数据后不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，下表同。

2.2 成熟期不同处理对土壤pH值的影响

由图1可知，在土壤中添加生石灰均可提高土壤pH值。处理T3的土壤pH值增加幅度最大，为7.05，相比对照提高30.56%，且显著高于处理T1、处理T2。施加不同量生石灰的土壤pH值由大到小依次为T3>T2>T1>CK。方差分析结果表明，处理T1、T2、T3间的土壤pH值差异显著，且各处理的土壤pH值与对照均有显著差异。这表明在土壤中施加T3处理的生石灰对提高土壤pH效果最佳。由此可知，生石灰的添加可在一定程度上促进土壤pH值的提高[18]。

2.3 不同生育期不同处理对烟草中铅含量的影响

2.3.1 团棵期不同处理对烟草不同部位铅含量的影响 由图2可知，团棵期烟草不同部位的铅含量除T3处理外分布规律均为根>叶>茎。烟草根、叶部位的铅含量在施用生石灰后均有不同程度地降低。烟草根部T1、T2、T3处理的铅含量分别为5.25、3.97、5.40 mg/kg，分别比对照降低65.29%、73.71%、64.30%，均与对照差异显著，但各处理间差异不显著。处理T2茎部铅含量的降低程度明显，其值为 1.06 mg/kg，相比对照降低2.44 mg/kg。从方差分析结果来看，T2与T1处理茎部铅含量与T3处理差异显著，T3处理与对照差异不显著。CK处理的烟叶铅含量最高，为 12.69 mg/kg，CK处理分别是T1、T2、T3处理的4.84、8.93、6.82倍，各处理烟叶铅含量与对照有显著差异，且T2处理与T1处理差异显著，但T2、T3处理间差异不显著。

2.3.2 旺长期不同处理对烟草不同部位铅含量的影响 由图3可知，旺长期烟草不同部位铅含量呈根>叶>茎的趋势，添加生石灰处理与对照相比，烟草不同部位的铅含量均有不同程度地降低。T2处理的根部铅含量最低，相比CK降低53.77%；T1、T3处理与CK相比降幅分别为 39.15%、38.24%，T2处理的根部铅含量与CK有显著差异，且T1、T3处理间差异不显著。CK的茎部铅含量最高，分别是T1、T2、T3处理的3.57、7.77、2.38倍，各处理与对照差异显著，但各处理间差异不显著。烟叶中铅含量由高到低依次为CK>T3>T1>T2，T2处理烟叶铅含量最低，为 3.74 mg/kg；CK烟叶铅含量最高，为16.82 mg/kg，且CK是T2处理的4.50倍。统计分析可得，各处理烟叶铅含量与CK差异显著，T2处理与T1、T3处理差异显著，但处理T1、T3间差异不显著。

2.3.3 成熟期不同处理对烟草不同部位铅含量的影响 由图4可知，成熟期烟草不同部位铅含量除T1外的分布规律为根>叶>茎>种子，且施加生石灰后可不同程度地降低烟草地下部分和地上部分的铅含量。CK烟草根部铅含量最高，为9.09 mg/kg，较T1、T2、T3处理分别提高 24.49%、50.03%、46.66%，T2、T3处理与CK的根部铅含量差异显著，但T2、T3处理间差异不显著。T2处理的茎部铅含量最低，为 0.62 mg/kg，与CK相比降幅为79.78%，且T2处理茎部铅含量与CK差异显著，与T3处理差异不显著。添加生石灰后烟叶的铅含量呈下降的趋势，其从高到低的顺序为CK>T3>T2>T1。统计分析结果表明，T1、T2、T3处理均与对照的烟叶铅含量差异显著，但T2、T3处理间差异不显著。CK的烟草种子铅含量最高，为2.61 mg/kg；T2处理的烟草种子铅含量最低，为0.51 mg/kg，且前者是后者的5.12倍。从方差分析结果来看，各处理烟草种子铅含量与对照差异显著，T2处理与T1处理差异显著，但T1、T3处理间差异不显著。

2.4 烟草不同生育期不同处理铅的吸收系数

2.4.1 团棵期不同处理烟草铅的吸收系数 在团棵期，CK、T1、T2、T3处理对应根系铅吸收系数分别为7.56、2.62、1.99、2.70，相比CK分别降低65.34%、73.68%、64.29%，其中处理T2较CK降低幅度最大，且与CK差异显著。方差分析结果表明，T1、T3处理的根系铅吸收系数与CK差异显著，但T1、T3处理间差异不显著。铅初级转运系数在添加生石灰后，均有不同程度地升高，其中T3处理的升高幅度最大，相对于CK升高252.2%，且与CK差异显著，T1、T2处理的铅初级转运系数与CK差异不显著。CK的次级转运系数最高，为3.63；T3处理的次级转运系数最低，为0.43，且前者是后者的8.44倍。统计分析结果表明，T1、T2、T3处理的铅次级转运系数与CK差异显著，T1、T2处理间差异不显著(表4)。这表明在团棵期添加生石灰不仅能有效地降低根系对铅的吸收能力，而且可以降低茎秆中的铅向烟叶中的转移能力。

表4 不同生石灰施用量对团棵期烟草铅吸收和转运系数的影响

2.4.2 旺长期不同处理烟草铅的吸收系数 在旺长期施加生石灰后，根系对铅的吸收系数均比CK显著降低，其中T2处理的降低幅度最大，为4.22，为对照的46.22%，且显著低于T1、T3处理。与CK相比，处理T2的铅初级转运系数最低，较对照下降72.41%，且差异显著。统计分析结果显示，T3处理的铅初级转运系数与T1、T2处理差异显著，T1、T2处理间的差异不显著。铅次级转运系数在添加生石灰后均有不同程度地上升，其中处理T3的升高幅度最低，相对于CK升高40.00%，且与CK差异显著(表5)。这表明在烟草团棵期施加不同量的生石灰不仅可以降低根系对铅的吸收系数，还可以降低根系中的铅向烟草茎部的转运系数。

2.4.3 成熟期不同处理烟草铅的吸收系数 在成熟期T2处理的根系铅吸收系数最低，为2.27，与CK相比降幅为50.11%；CK的根系铅吸收系数最高，为4.55。方差分析结果表明，处理T1、T2、T3根系对铅的吸收系数与对照差异显著，T2、T3处理间差异不显著。铅初级转运系数从高到低的排序为CK>T1>T3>T2，处理T2的铅初级转运系数最低，为0.14，为CK的41.18%，且与CK差异显著。由统计分析可得，T1处理的铅初级转运系数与CK差异不显著，T2、T3处理间差异显著。添加生石灰后，铅次级转运系数均升高，T3处理的提高幅度最大，较对照提高108.11%，且各处理的铅次级转运系数与CK差异显著(表6)。因此，在成熟期添加生石灰可以降低根系对铅的吸收系数，而且T2处理还可以显著降低根系中的铅向茎秆中的转运系数。

表5 不同生石灰施用量对旺长期烟草铅吸收和转运系数的影响

表6 不同生石灰施用量对成熟期烟草铅吸收和转运系数的影响

2.5 各变量之间的相关性分析

由表7可知，烟草根部铅含量与烟草茎部和烟叶的铅含量极显著正相关，相关系数分别为0.998、0.991，与烟草种子铅含量显著正相关。烟草茎部铅含量与烟叶铅含量及根系对铅的吸收系数极显著正相关，其相关系数分别达 0.996、0.998；烟草茎部铅含量与烟草种子铅含量、铅初级转运系数显著正相关，与铅次级转运系数显著负相关。烟叶中铅含量与根系对铅的吸收系数的相关系数为0.991，两者呈极显著正相关；烟叶铅含量与烟草种子铅含量和铅初级转运系数显著正相关，与铅次级转运系数显著负相关。烟草种子铅含量与根系对铅的吸收系数显著正相关。土壤pH值与烟草各个部位铅含量均为负相关，其中与烟草根部和茎部铅含量显著负相关。烟草根系铅吸收系数与铅初级转运系数为0.960，两者呈显著正相关。烟草铅初级转运系数与铅次级转运系数显著负相关，相关系数为-0.996。

表7 土壤植株指标变量之间的相关性

注：*表示在0.05水平上显著相关，**表示在0.01水平上显著相关。

3 结论与讨论

在植烟酸性土壤中加入生石灰，其碱性物质释放到土壤中，土壤中的OH-增加，形成氢氧化物沉淀，从而吸附更多的重金属离子，降低铅的有效性；与此同时，由于Ca2+与Pb2+间的拮抗作用，植株对土壤中的铅吸收也会降低[19]。结果发现，在植烟酸性土壤中添加生石灰可显著提高土壤pH值，降低烟株根部对铅的吸收能力，进而显著降低茎部、烟叶、种子中的铅含量。由于土壤酸碱度与根系吸收系数和烟叶铅含量呈显著负相关，所以土壤pH值是影响烟草根部吸收铅的关键因素之一，生石灰的添加能够降低烟株各部位对铅的富集程度，显著降低烟叶中的铅含量，提高卷烟的安全性[20]。

研究表明，施加生石灰能降低铅对作物的毒害作用[21]。本试验中烟株在3个生育期不同处理间对重金属铅的吸收积累均表现为根>叶>茎，烟株茎部铅含量低于烟叶铅含量，可能是由于铅在烟草中的转移能力相对较弱[22]，这也有利于降低铅污染土壤对烟叶的危害。烟叶中的铅含量在不同生育期施用不同处理的变化也不同，在团棵期施用生石灰处理时，烟叶中铅含量均显著降低；旺长期和成熟期T2处理烟叶铅含量显著降低，且明显低于T1处理，表明烟草不同生育期施加不同量的生石灰能降低烟草不同部位的铅含量。因此，在酸性植烟土壤中施用生石灰时，要选择适宜的量，并考虑其在烟株上的具体表现，综合考虑，当施加 2 250 kg/hm2的生石灰(T2处理)时，烟草不同时期各部位的重金属铅含量降低最多。

铅次级转运系数表示烟株内的铅由茎部向烟叶的转移系数[23]。在旺长期和成熟期施用生石灰后，铅次级转运系数较对照显著升高，而旺长期和成熟期烟叶铅含量均显著低于对照，这说明烟叶铅含量与铅次级转运系数显著负相关。

本试验以湖南农业大学土壤为材料研究生石灰对植烟土壤的改良效果，并在烟草生长的3个时期对根、茎、叶进行铅含量的测定，较为系统地研究了烟草整个生育期生石灰对烟株铅含量的影响。T3处理对土壤pH值的提高效果最明显，却对烟株铅含量的改良效果不理想，今后的研究可以在T2与T3处理间设置梯度，以便得到更适宜改良酸性铅污染土壤的生石灰施用量；也可以考虑将生石灰与其他土壤改良剂配施。综上可知，在烟株生长不同时期，施加2 250 kg/hm2的生石灰(T2处理)，一方面可以提高土壤pH值，减少根系和种子对铅的吸收积累量；另一方面，减少了烟叶中的铅含量，抑制了不同时期铅由土壤向根系转移积累。