在我国烤烟是一种重要的经济作物，其产量是世界之最，占全球总产量的52%^[1]。烟叶的产量与品质受土壤厚度、质地、土壤结构、土壤通气性等性质影响显著^[2]，深厚的土层、疏松的结构往往是优质高产烟区土壤的突出特点^[3]。然而在生产过程中，烟田由于过度施用化肥导致连作障碍现象普遍。我国南方不同烟稻轮作区，出于防止病原菌考虑，当前生产技术规程要求晚稻种植前将烟杆清除出田^[4]，造成了活性有机质下降、土壤透气性降低和板结等现象。同时，土壤中累积的重金属往往会降低土壤氮的矿化速率、磷的迁移速率，并加速土壤中钾素的流失^[5]，从而影响到烟叶的产量和品质。烟丝重金属的含量与原料烟叶的重金属含量密切有关，与植烟土壤中有效态重金属含量呈正相关^[6]。因此研究如何在改善土壤结构的同时，减少土壤中重金属的含量，进而提高烟叶的产量、品质，对优质烟叶的生产具有重要意义。

围绕土壤物理结构的改善和土壤重金属的治理已有许多相关研究。一方面，有学者通过增施土壤改良剂来达到土壤聚集水分、提高孔隙度、降低容重的效果，从而提高烟叶产量和改善烟叶品质，取得了较好的成果^[7-8]。另一方面，有学者利用石灰、磷灰石、沸石和蒙脱石等土壤改良剂提高土壤pH，增加土壤中阳离子交换量，利用磷酸与重金属形成沉淀等方法降低土壤中重金属的有效性^[9-12]。还有的学者利用秸秆、有机质和生物质炭同时分析了这些改良剂对土壤物理结构和对土壤重金属有效性的影响^[13-15]，结果显示这些改良剂往往同时兼具改善土壤物理性质、降低部分重金属含量的功能。例如招启柏等^[14]和胡钟胜等^[15]的研究表明凹凸棒土、活性炭、骨粉和有机肥对烟田中的Cd和Pb有较好的固定功能，可以减轻土壤重金属的毒害，提高烟叶的产量和品质。中国科学院南京土壤研究所最近研发一种多孔新型改良剂，对改良板结土壤有显著效果，由于其是强碱性(pH 9.2)，应能够降低土壤中重金属的活性，但尚未得到具体的验证。为此，在贵州毕节烟区进行田间小区试验，设立玉米秸秆还田、多孔改良剂、多孔改良剂与竹炭相结合的3个改良处理，在评价植烟区土壤重金属含量水平状态的同时，对比分析不同改良剂处理对土壤重金属含量及其有效性的影响，以便筛选出既能够改良当地土壤板结，又能降低重金属有效性的最佳土壤改良剂。

1 材料与方法 1.1 试验区概况

试验地点位于贵州省毕节市黔西县林泉科技园。黔西县地处贵州省西北部，三面环山，低山丘陵地貌，气候属亚热带温暖湿润气候，年均气温为14.2 ℃，降雨量1 087.5 mm，日照时长1 066.9 h，无霜期271 d。该地区植烟土壤为页岩和板岩发育的黄壤(常湿淋溶土)，质地偏黏，为粉砂质黏壤土，保水性较好，但通透性较差，这是目前影响该地区优质烟叶生产的主要土壤问题。2015年进行植烟土壤改良试验，植烟前试验烟田土壤的基本理化性状：土壤容重1.28 g/cm³，土壤总孔隙度52%，pH 7.4，有机质22.6 g/kg，全氮1.53 g/kg，有效磷23.8 mg/kg，速效钾370.8 mg/kg，CEC 17.6 cmol/kg。

1.2 试验设计

试验共设4个处理：对照(不施改良剂，CK)，施用玉米秸秆(T1)、多孔改良剂(T2)和70%多孔改良剂+ 30%竹炭(T3)，烤烟种植时采用当地常规耕作和施肥方式。多孔改良剂和竹炭的制作方法详见文献[16]，基本性质见表 1。多孔改良剂是一种无机矿物料，是一种长效的土壤结构改良材料，施入土壤后可以大量增加通气孔隙，改良土壤板结。秸秆施用方法为利用秸秆颗粒机将晒干的玉米秸秆切成1 ~ 3 cm长的颗粒后用小型深耕机器分两次旋施到15 ~ 30 cm土层中。每个处理重复3次，每个小区面积约为70 m²，合计为12个小区。T1处理每小区基施21 kg玉米秸秆，T2处理每小区基施41 kg多孔改良剂，T3处理每小区基施28.7 kg多孔改良剂和16.4 kg竹炭。供试烤烟品种为当地适宜的烤烟种植品种毕纳1号。

所有试验处理的施肥均按贵州烟草公司的有关生产技术规范实施，改良剂与基肥一起进行条施，然后起垄移栽烟苗。其中每小区起垄前施入4.7 kg烟草专用肥和4.9 kg酒糟有机肥作为基肥。移栽当天每小区施入0.262 kg烟草专用提苗肥。在烟苗移栽后1个月，培土前每小区施入2.3 kg烟草专用追肥。其中提苗肥和追肥均将肥料溶于水中浇施。待烟草成熟收获后分层(0 ~ 10、10 ~ 20、20 ~ 30 cm)采集烟垄土样，每处理采用多点取样法制成1个混合样，每处理3个重复。

1.3 测定项目与方法

土壤样品经室内风干剔除杂质后磨细过筛用于测定。土壤pH、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾和阳离子交换量的测定方法详见文献[19]。全Cr、全Cd和全Pb测定依据《土壤环境质量标准》^[20]，有效Pb和Cd测定依据国标GB/T 23739—2009^[21]。

1.4 土壤重金属评价方法

采用单因子污染指数对植烟区本底土壤及施加改良剂后土壤的重金属含量进行评价^[20]，其计算公式为：

$ {P_i} = {C_i}/{S_i} $

式中：P_i为土壤中重金属i的单因子污染指数；C_i为重金属实测含量(mg/kg)；S_i为选取的评价标准(mg/kg)。

由于供试土壤pH为7.4，根据《土壤环境质量标准》^[20]中的二级标准，Cr的S_i值为200 mg/kg，Cd的S_i值为0.6 mg/kg，Pb的S_i值为300 mg/kg。单因子污染指数P_i≤1为无污染，P_i > 1为污染。

1.5 数据处理与分析

所有数据经Microsoft Excel 2013处理，运用IBM SPSS Statistics 22.0统计分析软件对数据进行方差分析、多重比较等相关统计分析。

2 结果与讨论 2.1 土壤常规化学性质

在植烟土壤中施用不同类型的土壤改良剂不但会使土壤物理结构发生变化，还可能对土壤的主要理化性质产生一定的影响。表 2为施用改良剂之后不同处理土壤(0 ~ 30 cm)的主要理化性质。从中可见，与对照处理土壤相比，施用不同土壤改良剂后各处理土壤的主要理化性质均发生了一些变化，但多未达到显著水平(P > 0.05)。

在3个施用改良剂的处理中，作用较明显的是T1处理，该处理除pH之外的各个土壤理化指标均高于对照和其他两个改良剂处理。这是因为该处理实行的是玉米秸秆还田，玉米秸秆中的有机质以及各营养元素对植烟土壤进行了补充，因而提高了土壤中相应水平。3个施用改良剂处理的土壤pH均高于对照土壤。改良剂处理平均使土壤pH增加了0.11个单位，其中T1处理增加0.07个单位，T2处理增加0.14个单位，T3处理增加0.13个单位。这是因为无论多孔改良剂，还是竹炭改良剂均为碱性材料(表 1)，施入土体中会引起土壤pH上升。

2.2 植烟土壤重金属含量及其对不同改良剂的响应

从表 3中可以看出，与CK相比，施用土壤改良剂使土壤全Cr含量平均下降19.7%，其中T1、T2和T3处理分别下降15.4%、17.2%和26.4%，均达显著水平(P < 0.05)。本试验中有效Cr含量太低，未检出。4个处理之间土壤的全Cd含量以T1处理最高，CK最低，方差分析显示T1处理显著高于CK，可能是秸秆中Cd在土壤中分解时略微增加研究区的土壤Cd含量。不同处理间的土壤全Pb含量无显著差异。各处理的Cd和Pb含量均小于国家二级土壤标准值，单因子污染指数均小于1，均未受到污染，处于清洁状态(表 4)。相比之下，Cd的污染指数大于Pb。各个处理的全Cd含量均低于一级土壤标准值的下限(0.2 mg/kg)^[22]，全Pb含量介于34.2~37.9 mg/kg，基本相当于一级土壤标准值的下限(35 mg/kg)^[19]。

有报道表明贵州农业土壤存在Cd污染的风险。李玉美等^[23]对贵州4个主要烟区土壤重金属污染状况分析，发现毕节烟区土壤中的Cd含量高于土壤环境二级质量标准，且烟叶中的Cd含量已经超出目前的安全标准；烟叶中的Pb含量高达1.46 mg/kg，存在超标的风险。李翠翠等^[24]对毕节市威奢乡的农田土壤调查发现，土壤中Cd含量均值达2.22 mg/kg，远超出国家二级土壤环境质量标准，并成为该地区最主要的污染物。但本研究的结果则表明毕节烟区土壤是清洁且安全的(表 4)，出现上述差异很可能与采样的具体田块有关。从生产安全、优质烟叶的角度考虑，应该选择“清洁”的农田种植烟叶。

2.3 不同土层深度植烟土壤的全铬含量及其对不同改良剂的响应

进一步对改良剂在不同土层深度对土壤全Cr的影响进行分析。图 1为施用土壤改良剂后不同深度土壤全Cr的含量。由图可知，不同土层间的全Cr含量无显著差异。从不同改良剂处理看，与CK相比，施用土壤改良剂使土壤全Cr含量平均下降19.7%，其中T1、T2和T3处理分别下降15.4%、17.2%和26.4%。不同土层下均以T3处理下全Cr含量降幅最大，0 ~ 10、10 ~ 20和20 ~ 30 cm土层分别下降29.0%、26.0%和23.9%，均达显著或极显著水平。

Cr是一种具有极高毒性、致突变性和致癌的重金属。据统计，我国土壤重金属污染的耕地面积点位超标率为19.4%，Cr污染耕地超标面积1.49×10⁶ hm^2[25]。土壤-植物系统的Cr能通过食物链进入人体，因此研究土壤中的Cr含量意义非凡^[26]。本研究发现增施土壤改良剂显著降低土壤中Cr含量(表 3、图 1)，以T3降幅最大(26.4%)，不同土层间趋势一致，为烟草安全生产提供了保障。影响Cr在土壤-植物系统中迁移转化的因素主要有土壤理化性质、微生物活性、植物生理机制和植物种类等，低pH有利于人工合成的六价Cr被有机质还原成稳定态Cr的速率^[27]，鉴于本试验中无机改良剂均为碱性，我们推测使用通过酸化调整为中性pH的无机改良剂对降低土壤Cr含量效果更佳。

2.4 土壤有效态镉铅含量比较

表 5为4个处理0 ~ 30 cm土壤中的有效Cd和Pb的含量。本研究针对的植烟区土壤重金属含量低，且由于土壤pH较高，重金属易被钝化，故其有效态含量也较低。从表 5中可以看出，施用改良剂对土壤中有效Cd含量没有显著的影响，但使得有效Pb含量显著下降。与CK相比，基施土壤改良剂使土壤有效Pb含量平均下降13.0%，其中T1、T2和T3处理分别降低了7.3%、14.6%和17.2%，以T3处理效果最佳。

图 2为施用土壤改良剂后对不同土层深度土壤有效Cd和Pb含量的影响。由图可知，单纯施用多孔改良剂能够使得0 ~ 10 cm土壤有效Cd有所减少，但在10 ~ 20 cm和20 ~ 30 cm的效果不明显。除了10 ~ 20 cm土层外，T3处理对有效Cd影响的效果整体上优于玉米秸秆还田(T1)处理的效果。与CK相比，基施土壤改良剂使土壤各土层有效Pb含量呈下降趋势。其中T2处理使0 ~ 10、10 ~ 20和20 ~ 30 cm土层中的有效Pb含量分别下降了9.7%、14.3%和19.4%，T3处理使对应土层的有效Pb含量分别下降了14.3%、19.3%和17.8%。同CK相比，T2和T3处理有效Pb含量在10 ~ 20、20 ~ 30 cm土层的下降显著。

3 结论

本研究采用单因子污染指数法对贵州省毕节地区试验区植烟土壤的重金属污染程度进行了评价，并研究了植烟区土壤中增施不同种类土壤改良剂对土壤中Cd和Pb含量的影响。结果表明，供试土壤处于清洁状态，土壤中重金属的含量均未超过国家二级土壤标准值；增施多孔土壤改良剂不增加Cd、Pb集聚的风险，且能显著降低土壤中全Cr和有效Pb的含量。这一结果对该地区安全优质烟叶的生产具有积极的意义。