近年来，随着我国工业化的发展及农业生产方式的改变，植烟区土壤受到不同程度的重金属污染^[1]。土壤为烟草植株提供营养，但也是烟草中重金属元素的主要来源^[2]，有研究表明，类金属元素As及Cd、Cr、Pb等重金属元素较易在烟草中富集^[3]。烟草中这些重金属元素可通过烟气进入人体，从而危害人体健康^[4]。因此，针对重金属污染的烟田进行修复非常必要。

目前土壤重金属污染修复技术主要有客土法^[5]、热脱附法^[6]等物理修复技术，淋洗^[7]、稳定/固化^[8]等化学修复技术，利用动物^[9]、植物^[10]和微生物^[11]的生物修复技术，及其相互间组合的联合修复技术^[12]，农业生态修复技术应用也较为广泛^[13]，而以上技术又存在各自的优缺点。生物质炭为生物质在高温厌氧条件下制备而成，其性状稳定、来源丰富、比表面积大，具有较强的离子交换能力，对重金属有较强的吸附固定效果，因此目前广泛应用于重金属污染土壤修复^[14]。例如，王艳红等^[15]通过盆栽试验研究表明，添加5~25 mg·kg^-1稻壳基生物质炭可显著降低生菜地上部和根部对Cd的吸收，并改善土壤养分状况。韩梦杰等^[16]向人工模拟Cu污染土壤中添加花生基生物质炭可显著降低土壤中Cu的有效态含量。Meng等^[17]发现添加3%水稻秸秆混合猪粪为原料制备的生物质炭可显著降低CaCl₂提取态Pb、Cu、Zn和Cd浓度。此外，近年来以生物质炭为载体与肥料混合制成的生物质炭基肥在为作物提供养分的同时，能够利用生物质炭结构、性质等优点发挥其环境及经济效益^[18]。目前生物质炭基肥研究多集中于提高作物产量及肥料利用率等方面，而利用生物质炭基肥进行土壤重金属修复研究较少。

本研究在前期调查工作^[19]的基础上，以遵义市务川县和湄潭县具有代表性的植烟土壤为研究对象，分析植烟土壤和烟叶中重金属As、Cd、Cr、Pb含量，探究添加生物质炭和生物质炭基肥对烟叶不同生长期植烟土壤及对应烟叶中重金属的削减效果，以期为遵义市植烟区土壤重金属修复提供理论依据。

选取务川和湄潭具有代表性的烟区污染土壤作为研究对象，建立标准化小区。试验地位于贵州省遵义市务川县涪洋镇前进村科技园（28°28′N，107°41′E，海拔670 m）及湄潭县茅坪镇（27°30′N，107°22′E，海拔1 097.4 m）。务川和湄潭试验点年均降雨量分别为1284 mm和1137 mm，年均气温分别为15.6 ℃和14.9 ℃。

在务川县及湄潭县进行的重金属钝化削减试验分别设置3个处理：生物质炭处理（T1，施加量为6000 kg · hm^-2）；生物质炭基肥处理（T2，施加量为6000 kg·hm^-2）；传统的常规施肥处理（CK，对照）。各处理小区面积均为667 m²，所有肥料均按当地标准正常施用。供试烟草品种为NC55。供试生物质炭为水稻秸秆于高温炉中500 ℃烧制而成，其主要理化性质^[20]：pH 9.16，阳离子交换量为18.9 cmol·L^-1，总有机碳和氮含量分别为620 g·kg^-1和13.3 g·kg^-1，灰分为276 g·kg^-1，采用Mehlich Ⅲ试剂浸提的Ca、P、K、Na、Mg、Fe、Mn、Cu和Zn元素含量分别为2.63、1.06、18.43、3.94、1.41、0.01、0.55、0.001 6 g·kg^-1和0.05 g· kg^-1。供试生物质炭基肥采购于浙江禾绿丰肥料科技有限公司，N+P₂O₅+K₂O≥20%，有机质≥45%。

供试土壤和植株为2017年烟叶不同成熟期的土壤和烟叶样品，均为对等采样。务川县和湄潭县两试验点下部叶及下部叶对应土样分别于2017年7月4日和2017年7月7日采集，中部叶及中部叶对应土样分别于2017年7月29日和2017年8月1日采集，上部叶及上部叶对应土样分别于2017年8月19日和2017年8月21日采集。

土壤样品采自0~20 cm耕层土，每个处理对应每个部位烟叶各采集5片烟叶，与小区内同时分散采集3个平行样品作为同一处理下的3个重复。不同部位烟叶及其对应土壤样品的采集时间均按照当地植烟常规采收期进行。施肥前在小区内按照非系统布点法（S型）随机取5点，采集0~20 cm耕层土壤，土壤样品风干、研磨，过0.841 mm和0.149 mm孔径筛，测定其基本理化性质（表 1）及重金属As、Cd、Cr、Cu、Pb、Zn含量（表 2），测定方法参照《土壤农业化学分析方法》^[21]。

表 1 Table 1

表 1 供试土壤的基本理化性质 Table 1 Physical and chemical property of the experimental soil

表 1 供试土壤的基本理化性质 Table 1 Physical and chemical property of the experimental soil

表 2 Table 2

表 2 供试土壤的重金属含量（mg·kg-1） Table 2 Heavy metal content of the experimental soil(mg·kg-1)

表 2 供试土壤的重金属含量（mg·kg-1） Table 2 Heavy metal content of the experimental soil(mg·kg-1)

土壤样品采用HNO₃:HCl:HF=9 mL:3 mL:1 mL消解，烟叶样品采用HNO₃9 mL微波消解（Ethos ONE），土壤和烟叶中As、Cd、Cr、Pb含量采用ICP-MS（Agilent 7700x）测定。

采用Origin 8.5进行数据绘图，SPSS 16.0软件对不同试验数据进行统计分析。采用LSD和Duncan分析法检验处理间差异的显著性（α=0.05）。

添加生物质炭和生物质炭基肥处理对务川县烟地试验区土壤中重金属含量影响如图 1所示。参照土壤环境质量二级标准^[22]（ As 40 mg·kg^-1，Cd 0.3 mg· kg^-1，Cr 150 mg·kg^-1，Pb 250 mg·kg^-1），务川县试验点烟地对照处理土壤中超标重金属为As和Cd，其中下部叶对应土壤中As含量为标准限值的5.2倍，Cd含量为标准限值的1.1倍；中部叶对应土壤中As含量为标准限值的1.7倍；上部叶对应土壤中As含量为标准限值的1.2倍。

不同小写字母表示处理间差异显著（P＜0.05）。下同 The different lowercase letters indicate significant differences among treatments(P < 0.05). The same below 图 1 两种改良剂对务川县土壤重金属的削减效果 Figure 1 Effects of two amendments on soil heavy metal content in Wuchuan County

相较于对照处理，添加生物质炭和生物质炭基肥处理对下部叶、中部叶和上部叶对应土壤中重金属As、Cd、Cr和Pb含量均有不同程度削减效果。添加生物质炭处理中As含量分别降低15.21%、31.71%和25.12%；Cd含量分别降低6.25%、13.33%和8.33%；Cr含量分别降低26.75%、26.53%和24.04%；Pb含量分别降低15.04%、10.43%和25.75%。添加生物质炭基肥处理中As含量分别降低21.01%、39.25%和39.92%；Cd含量分别降低6.25%、20.00%和33.33%；Cr含量分别降低25.46%、23.13%和22.26%；Pb含量分别降低22.84%、15.37%和18.79%。相对于对照处理，两种处理均显著降低了As、Cr和Pb的含量（P＜0.05）；与对照处理相比，生物质炭基肥处理仅显著降低上部叶对应土样中Cd含量，而生物质炭处理与其无显著差异。

添加生物质炭和生物质炭基肥处理对湄潭县烟地试验区土壤中重金属含量影响如图 2所示。参照土壤环境质量二级标准^[22]，湄潭县烟地试验区对照处理土壤中超标重金属元素为As，其中下部叶对应土壤中As含量为标准限值的3.0倍；中部叶对应土壤中As含量为标准限值的1.7倍；上部叶对应土壤中As含量为标准限值的1.3倍。

图 2 两种改良剂对湄潭县土壤重金属的削减效果 Figure 2 Effects of two amendments on soil heavy metal content in Meitan County

相对于对照处理，添加生物质炭和生物质炭基肥处理对下部叶、中部叶和上部叶所对应土壤中重金属As、Cd、Cr和Pb含量均有不同程度削减。添加生物质炭处理中As含量分别降低13.9%、25.3%和15.0%；Cd含量分别降低10.0%、25.0%和22.2%；Cr含量分别降低4.90%、22.1%和7.15%；Pb含量分别降低20.7%、17.5%和9.83%。添加生物质炭基肥处理中As含量分别降低21.3%、24.2%和11.5%；Cd含量分别降低10.0%、33.3%和11.1%；Cr含量分别降低11.0%、26.4%和12.4%；Pb含量分别降低26.1%、10.6%和4.21%。相较于对照处理，生物质炭处理显著降低下部叶对应土样中As和Pb含量、中部叶对应土样中As、Cd、Cr和Pb含量及上部叶对应土样中Cd和Pb含量（P＜0.05）；生物质炭基肥处理显著降低下部叶及中部叶对应土壤中As、Cr和Pb含量，以及上部叶对应土壤中Cr含量（P＜0.05）。

添加生物质炭和生物质炭基肥处理对务川县烟地试验区不同部位烟叶中重金属含量影响如图 3所示。相对于对照处理，添加生物质炭和生物质炭基肥处理对下部叶、中部叶和上部叶中重金属As、Cd、Cr和Pb含量均有不同程度削减效果。添加生物质炭处理的下部烟叶中As含量降低56.4%，中部和上部烟叶中均未检出As；Cd含量分别降低35.8%、32.5%和41.2%；Cr含量分别降低50.4%、8.33%和40.5%；Pb含量分别降低10.1%、53.8%和69.8%。相较于对照处理，生物质炭处理显著降低下部及上部叶中As、Cd和Cr含量，以及中部叶中Cd和Pb含量（P＜0.05）。添加生物质炭基肥处理的下部烟叶中As含量降低89.7%，中部和上部烟叶中均未检出As；下部和上部烟叶中Cd含量分别降低12.7%和15.0%，而中部烟叶中Cd含量并未降低；下部和上部烟叶中Cr含量分别降低44.4%和24.3%，而中部烟叶中Cr含量并未降低；Pb含量分别降低27.5%、48.0%和76.3%。与对照处理相比，生物质炭基肥处理显著降低下部叶中As、Cr含量，以及中部、上部叶中Pb含量（P＜0.05）。

图 3 两种改良剂对务川县烟叶中重金属的削减效果 Figure 3 Effects of two amendments on heavy metals in tobacco from Wuchuan County

添加生物质炭和生物质炭基肥处理对湄潭县烟地试验区烟叶中重金属含量影响如图 4所示。相对于对照处理，添加生物质炭及生物质炭基肥处理对下部叶、中部叶和上部叶中重金属As、Cd、Cr和Pb含量均有不同程度的削减效果。添加生物质炭处理的下部烟叶中As含量降低37.93%，在中部和上部烟叶中未检出As；Cd含量分别降低72.19%、75.36%和66.00%；Cr含量分别降低14.39%、50.54%和23.17%；中部和上部烟叶中Pb含量分别降低39.56%和55.67%，下部烟叶中Pb含量并未降低。与对照处理相比，生物炭处理显著降低下部叶中As、Cd和Cr含量，中部叶中As、Cd、Cr和Pb含量，以及上部叶中Cd、Cr和Pb含量（P＜0.05）。添加生物质炭基肥处理的下部烟叶中As含量降低44.83%，在中部和上部烟叶中未检出As；Cd含量分别降低70.20%、73.19%和64.00%；Cr含量分别降低28.42%、62.50%和25.61%；Pb含量分别降低22.22%、83.52%和19.59%。与对照处理相比，生物炭基肥处理显著降低下部叶中As、Cd、Cr和Pb含量、中部叶中As、Cd、Cr和Pb含量，以及上部叶中Cd和Cr含量（P＜0.05）。

图 4 两种改良剂对湄潭县烟叶中重金属的削减效果 Figure 4 Effects of two amendments on heavy metals in tobacco from Meitan County

本文选取遵义市务川县和湄潭县具有代表性的烟区污染土壤开展重金属削减试验，结果表明添加生物质炭和生物质炭基肥对务川县和湄潭县试验点烟地土壤和烟叶中As、Cd、Cr和Pb含量均有不同的削减效果。生物质炭处理显著降低两试验点烟地土壤中As和Pb含量，而对务川土壤中Cd含量及湄潭土壤中Cr含量并无显著削减效果；同时显著降低两试验点烟叶中As、Cd、Cr和Pb含量。生物质炭基肥处理显著降低务川试验点烟地土壤中As、Cd、Cr和Pb含量，但对湄潭试验点烟地土壤中Cd含量影响不显著；对务川试验点烟叶中Cd和Cr含量以及湄潭试验点烟叶中Pb含量也无显著影响。这种差异主要与试验地土壤pH、有机质含量及重金属含量等因素有关。务川县试验点烟地土壤偏酸性，有机质含量较高，施加生物质炭及生物质炭基肥，可在一定程度上提高土壤pH，有利于对土壤中重金属的吸附固定；湄潭县试验点烟地土壤偏碱性，有机质含量相对较低，对Cd、Cr等重金属削减效果较差；加之务川试验点烟地土壤中各重金属含量均高于湄潭试验点，因此改良剂对两地重金属的削减效果差异明显。类似结果的研究亦有所报道。陈德^[23]研究生物质炭对土壤重金属生物有效性影响的结果表明，添加生物质炭对酸性土壤（pH＜6.5）中As和Pb的降幅较高，同时有机质含量较高（>30 g · kg^-1）的土壤更有利于重金属的固定。Sauve等^[24]认为土壤Cd、Pb、Zn等重金属化学迁移性与土壤pH、有机质含量以及土壤重金属含量有显著相关性，相同土壤环境下不同重金属元素的有效性亦有所差异。张良运等^[25]对南方典型大米中Cd、Zn、Se含量变异的研究结果表明，产地土壤环境对水稻Cd吸收的影响远高于Zn。

除此以外，添加不同改良剂对烟叶中重金属含量亦有重要影响。生物质炭处理的务川和湄潭试验点烟叶中As、Cd、Cr和Pb含量均显著降低，而生物质炭基肥处理对务川试验点烟叶中Cd和Cr含量及湄潭试验点烟叶中Pb含量均无显著影响。这是由于生物质炭孔隙结构发达、比表面积较大，且具有较强的离子交换能力^[26]，施入土壤后，可改善土壤理化性状，同时固定土壤重金属元素^[27-28]。例如倪群丽^[29]对生物质炭钝化修复Pb/As复合污染土壤中重金属的研究结果表明，以猪粪和鸡粪作为原材料的生物质炭可分别通过化学沉淀和表面吸附沉淀固定土壤重金属Pb，但对As的吸附效果较差。亦有研究表明，添加生物质炭可有效降低土壤中As、Cd、Cr和Pb等重金属含量，且添加5%生物质炭对土壤重金属的吸附效果最好^[30]。生物质炭基肥是生物质炭与肥料混合而成，在利用生物质炭进行吸附固定的同时，重金属离子也可与肥料中可溶性磷酸盐或碳酸盐结合形成沉淀^[31]。Cao等^[32]研究发现，以牛粪为原料，分别在200 ℃和350 ℃制备的生物质炭中富含磷酸盐和碳酸盐，且可分别与Pb形成Pb₉（PO₄）₆和Pb₃（CO₃）₂（OH）₂沉淀。刘冲等^[33]通过生物质炭和炭基肥影响油麦菜吸收重金属的研究结果亦表明，添加稻秆炭和炭基肥均可显著降低油麦菜可食部位对Cd、Cu、Pb和Zn的吸收。但本试验中相较于生物质炭处理，生物质炭基肥对烟叶中部分重金属的削减效果较差，可能是因湄潭县试验点烟地土壤中重金属含量较低，加之炭基肥中的生物质炭与肥料结合后，生物质炭的比表面积降低，从而减少重金属的吸附位点，一定程度上限制对重金属的吸附效果。

本试验结果中务川试验点As、Cd、Cr和Pb在烟叶中累积量的顺序为下部叶>中部叶>上部叶，湄潭试验点As、Cd和Cr亦有此规律，但Pb含量并无显著规律。重金属元素较易在烟叶中富集，富集能力大小顺序为Cd>Pb>Hg>As>Cr，且富集的重金属主要通过抑制烟叶叶绿素的合成，降低烟叶叶绿素含量，从而影响烟叶生长和品质^[34]。王绍坤等^[35]对土壤重金属在烟叶中分布及累积特征的研究结果表明，As、Cr、Cu和Pb在烟叶中残留量的顺序为下部叶>中部叶>上部叶；而Cd的残留量顺序为上部叶>中部叶>下部叶。贺远等^[36]的研究结果亦表明Cd在烟草中的累积分布依次为下部叶>中部叶>上部叶。烟草中重金属的累积量取决于土壤重金属有效态含量而非总量。添加生物质炭和生物质炭基肥后，相较于对照处理，烟叶中各种金属含量均有不同程度的降低，生物质炭在钝化重金属、降低重金属生物有效性方面应用广泛^[37]。刘晶晶等^[38]通过生物质炭对土壤重金属转化及其有效性影响的研究结果表明，添加5%的稻草炭可显著降低土壤中Cu、Cd、Pb和Zn的有效态含量。Shen等^[39]的研究结果亦表明，添加清洁生物质炭后，土壤和植物组织中的Pb和Cd含量均显著降低。通过添加生物质炭基肥修复土壤重金属的案例相对较少。尤方芳等^[40]通过对炭基肥削减Cd在烟草中吸收累积的研究结果表明，相较于其他处理，生物质炭与有机无机肥配施可显著降低烟草中Cd含量，且削减效果最好，该结论与本试验结果一致。

本文以务川和湄潭两试验点烟地土壤和烟叶为研究对象，探究生物质炭和生物质炭基肥两种改良剂对不同部位烟叶及对应土壤中的As、Cd、Cr和Pb含量削减效果，结果表明，添加生物质炭和生物质炭基肥能够显著降低两试验点土壤中As和Pb含量；生物质炭处理同时能够显著降低两试验点对应烟叶中As、Cd、Cr和Pb含量，效果优于生物质炭基肥。