土壤重金屬處理對(duì)煙草中As、Cd、Hg和Pb的累積與分布的影響

魏益華，何俊海，馮小虎，王利兵，周瑤敏，李琰琰，袁麗娟，羅林廣

1 江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全與標(biāo)準(zhǔn)研究所，江西省南昌市南蓮路602號(hào) 330200；2 江西省煙草公司撫州市公司，江西省撫州市大公路115號(hào) 344000

土壤重金屬處理對(duì)煙草中As、Cd、Hg和Pb的累積與分布的影響

魏益華1，何俊海1，馮小虎2，王利兵2，周瑤敏1，李琰琰2，袁麗娟1，羅林廣1

1 江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全與標(biāo)準(zhǔn)研究所，江西省南昌市南蓮路602號(hào) 330200；2 江西省煙草公司撫州市公司，江西省撫州市大公路115號(hào) 344000

為了解不同重金屬處理煙草中重金屬的累積及分布特征，進(jìn)行了高、中、低濃度的砷（As）、鎘（Cd）、汞（Hg）、鉛（Pb）及其復(fù)合處理盆栽試驗(yàn)。結(jié)果表明：煙葉中As、Cd和Pb元素含量隨時(shí)間變化規(guī)律為：初期＞收獲期、中期，Hg為中期＞收獲期＞初期。重金屬污染脅迫下，煙草中重金屬累積分布特征為：As和Pb為根＞莖＞葉，Cd為莖＞根＞葉，Hg為根＞葉＞莖（對(duì)照：葉＞根＞莖）。煙草中重金屬（除Hg）含量總體隨外源添加濃度的增大而顯著增大（p＜0.05）。復(fù)合處理煙葉中重金屬含量低于單元素處理。煙葉中重金屬增幅順序?yàn)锳s＞Cd＞Pb＞Hg，As和Cd處理間煙草（根、莖和葉）中As和Cd含量均差異顯著?？梢?，煙草對(duì)土壤As和Cd污染最為敏感，煙草種植時(shí)應(yīng)盡量選擇土壤As和Cd含量較低的區(qū)域以避免其過度累積。

煙葉；重金屬；累積；分布

隨著人們對(duì)“吸煙與健康”的日益關(guān)注，煙葉安全性問題越來越受重視，其中煙草與重金屬的關(guān)系已成為國內(nèi)外煙草研究熱點(diǎn)之一。以往研究表明，煙草中重金屬含量與土壤重金屬含量及其土壤理化性質(zhì)有著密切的聯(lián)系[1-4]，并受到煙草品種[5,6]、耕作栽培措施[7-9]和氣候[10]等多因素作用。重金屬在煙草中過量累積勢(shì)必對(duì)其生長發(fā)育[11,12]、酶活性[13,14]、光合作用[15,16]及其品質(zhì)[17,18]造成影響。

目前，土壤重金屬污染脅迫下有關(guān)重金屬在煙草中的累積與分布規(guī)律研究不多，且研究主要集中在Cd和Pb兩種元素，研究結(jié)論亦存在一定差異。關(guān)于Cd和Pb在煙株中主要積累的部位，張玉濤等[19]、米艷華等[20]、王學(xué)鋒等[21]等研究結(jié)果是不一致的；有關(guān)煙草中重金屬含量是否隨外源添加濃度增加而顯著增大的研究結(jié)果同樣存在差異，如孟建玉等[1]、王紹坤等[22]的研究。故有必要繼續(xù)開展重金屬在煙草中的累積、遷移等行為研究，進(jìn)一步探索煙草對(duì)重金屬的吸收累積規(guī)律。此外，有關(guān)重金屬復(fù)合污染下煙草積累重金屬的研究報(bào)道亦較少，

至今為止，關(guān)于As、Cd、Hg和Pb 4種重金屬污染及其復(fù)合污染在煙草根、莖和葉中吸收累積與分布特征研究尚未見報(bào)道。本文通過盆栽試驗(yàn)，以As、Cd、Hg和Pb為污染因子，研究了這4種元素單一污染及復(fù)合污染下煙葉中重金屬含量隨時(shí)間變化規(guī)律以及重金屬在煙草體內(nèi)累積與分布特征，旨在為有效控制煙草中重金屬含量、煙草安全生產(chǎn)及合理規(guī)劃煙草種植等提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料與品種

土樣取自江西省撫州市煙草局農(nóng)場(chǎng)（撫州市臨川區(qū)東館鎮(zhèn)）紅壤土。成土母質(zhì)為第四紀(jì)紅色粘土，其亞類為紅壤。土樣風(fēng)干后磨碎過2 mm 尼龍篩，備用。土壤的基本性質(zhì)見表 1。煙草選用江西主栽烤煙品種K326。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)Tab. 1 Physicochemical properties of the tested soil

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

盆栽試驗(yàn)于2013年江西省撫州市煙草局農(nóng)場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)用的化合物為Na3AsO4·12H2O，CdCl2·2.5H20、HgSO4、PbCl2，重金屬處理濃度以純As、Cd、Hg和Pb計(jì)。各化合物按各處理濃度所需之量溶于水后用噴霧器噴撒于土中使之與土壤均勻混合，然后裝盆，第盆土壤重10 kg。試驗(yàn)采用完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，設(shè)置15 個(gè)重金屬添加處理，第個(gè)處理 5個(gè)重復(fù)，平衡老化1 個(gè)月后進(jìn)行煙苗移栽種植。種植前第盆施加純 N 2.0 g，并按照m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=1∶1∶2的比例施加磷和鉀肥。試驗(yàn)過程保持土壤含水量為田間最大持水量的 60% ～70%。

煙草移栽時(shí)間為3月 20日，收獲時(shí)間為7月13日，盆栽生育期共計(jì)115d。煙草移栽第20（移栽初期）、30、50、60（移栽中期）、80、115（收獲期）d時(shí)，采集煙葉（中部葉）樣品，第次采葉數(shù)不少于10片。煙草重金屬含量以干重計(jì)。

表2 土壤盆栽試驗(yàn)重金屬添加濃度Tab. 2 Addition concentrations of heavy metals in pot experiment

續(xù)表2

1.3 樣品處理

將采集到的根、莖和葉用蒸餾水沖洗表面，低溫（60℃）烘干后過0.20 mm尼龍篩。稱取約0.5 g煙草樣品于微波消解管中，加入 4mL HNO3（德國MERCK公司，高純級(jí)）和 2 mL H2O2（德國MERCK公司，高純級(jí)）進(jìn)行微波消解（美國CEM公司，Xpress）。消解完畢冷卻后，用超純水定容至50 mL塑料容量瓶中，并加入1 mL 0.5 mg·L-1內(nèi)標(biāo)Rh溶液，搖勻，待測(cè)。用電感耦合等離子質(zhì)譜儀（美國PerkinElmer公司，DRC-e）測(cè)定消解液中As、Cd、Hg和Pb濃度。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 14.0進(jìn)行處理，運(yùn)用LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。借助 Excel 對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 煙葉中重金屬元素含量隨時(shí)間變化規(guī)律

2.1.1 As處理和復(fù)合處理煙葉中As含量隨時(shí)間變化規(guī)律

收獲期，煙葉中As含量高低順序?yàn)椋焊逜s處理＞高復(fù)合處理＞中As處理＞中復(fù)合處理＞低As處理＞低復(fù)合處理＞對(duì)照。As處理和復(fù)合處理煙葉中As含量均以移栽初期最高，至第30天時(shí)快速降至最低，此后又緩慢上升。煙葉中As含量隨時(shí)間變化規(guī)律為：初期＞收獲期＞中期。

2.1.2 Cd處理和復(fù)合處理煙葉中Cd含量隨時(shí)間變化規(guī)律

收獲期，煙葉中Cd含量順序?yàn)椋焊逤d處理＞中Cd處理＞高復(fù)合處理＞中復(fù)合處理＞低Cd處理＞低復(fù)合處理＞對(duì)照。煙葉中Cd含量隨時(shí)間變化規(guī)律為：初期＞收獲期≈中期。

2.1.3 Hg處理和復(fù)合處理煙葉中Hg含量隨時(shí)間變化規(guī)律

收獲期，煙葉中Hg含量順序?yàn)椋褐蠬g處理＞高Hg處理＞高復(fù)合處理＞低Hg處理＞低復(fù)合處理＞中復(fù)合處理＞對(duì)照。煙葉中Hg含量隨時(shí)間變化規(guī)律為：中期＞收獲期＞初期。

2.1.4 Pb處理和復(fù)合處理煙葉中Pb含量隨時(shí)間變化規(guī)律

收獲期，煙葉中Pb含量順序?yàn)椋焊逷b處理＞低Pb處理＞中Pb處理＞高復(fù)合處理＞中復(fù)合處理＞低復(fù)合處理＞對(duì)照。煙葉中Pb含量隨著時(shí)間呈先快速下降后緩慢上升的趨勢(shì)。煙葉中Pb含量隨時(shí)間變化規(guī)律為：初期＞收獲期≈中期。

圖1 As處理和復(fù)合處理煙葉中As含量隨時(shí)間變化規(guī)律Fig. 1 Change rules of As content in tobacco leaf under As treatment and compound treatments with time

圖2 Cd處理和復(fù)合處理煙葉中Cd含量隨時(shí)間變化規(guī)律Fig. 2 Change rules of Cd content in tobacco leaf under Cd treatment and compound treatments with time

圖3 Hg處理和復(fù)合處理煙葉中Hg含量隨時(shí)間變化規(guī)律Fig. 3 Change rules of Hg content in tobacco leaf under Hg treatment and compound treatments with time

圖4 Pb處理和復(fù)合處理煙葉中Pb含量隨時(shí)間變化規(guī)律Fig. 4 Change rules of Pb content in tobacco leaf under Pb treatment and compound treatments with time

2.2 煙草不同部位中重金屬的累積分布特征

2.2.1 As處理對(duì)煙草不同部位累積重金屬含量的影響

對(duì)照煙草中4種重金屬累積分布特征為：As和Pb均為根＞莖＞葉，Cd為莖＞根＞葉，Hg為葉＞根＞莖。可見，在未受重金屬污染脅迫下煙草中As和Pb主要累積于根部，Cd主要累積于莖中，Hg主要累積于葉中。

As處理下，煙草中As累積分布特征與對(duì)照煙草一致。As處理煙草根、莖和葉中As含量均與對(duì)照差異顯著，且As處理間煙草根、莖和葉中As含量亦差異顯著。與對(duì)照相比，As處理煙草根莖中Pb含量顯著下降，降幅分別為63%～81%和42%～46%；煙葉中其它3種重金屬（Cd、Hg和Pb）含量與對(duì)照無顯著差異。煙草根、莖和葉中As含量均隨著外源As添加濃度增加而顯著增大。

表3 As處理煙草根、莖和葉中重金屬含量Tab. 3 Concentration of heavy metals in tobacco root, stem and leaf under As treatments

2.2.2 Cd處理對(duì)煙草不同部位累積重金屬含量的影響

Cd處理下，煙草中Cd累積分布特征亦與對(duì)照煙草相同。Cd處理煙葉中Cd含量與對(duì)照差異顯著，且Cd處理間亦存在顯著差異。與As處理類似，Cd處理同樣較為明顯的抑制了煙草根莖對(duì)Pb的累積，其Pb含量在根莖中的降幅為56%～81%和11%～39%，但對(duì)葉部其它3種重金屬（As、Hg和Pb）作用亦不明顯。煙草根、莖和葉中Cd含量亦隨著外源Cd添加量增加而顯著增大。

表4 Cd處理煙草根、莖和葉中重金屬含量Tab. 4 Concentration of heavy metals in tobacco root, stem and leaf under Cd treatment

2.2.3 Hg處理對(duì)煙草不同部位累積重金屬含量的影響

Hg處理煙草中Hg累積分布特征為根＞葉＞莖，與對(duì)照煙草中Hg累積分布特征不同，對(duì)照煙草中Hg為葉＞根＞莖。Hg處理下，僅煙草根中Hg含量顯著高于對(duì)照。Hg處理在一定程度上促進(jìn)了煙草根部對(duì)Pb的累積，其增幅為19%～60%。Hg處理煙葉中As、Cd和Pb均與對(duì)照無顯著差異，其莖葉中Hg含量?jī)H隨外源Hg濃度增大而稍有增大，但無統(tǒng)計(jì)學(xué)上意義。

表5 Hg處理煙草根、莖和葉中重金屬含量Tab. 5 Concentration of heavy metals in tobacco root, stem and leaf under Hg treatment

2.2.4 Pb處理對(duì)煙株不同部位累積重金屬含量的影響

Pb處理煙株中Pb累積分布特征與對(duì)照一致。Pb處理煙株根、莖和葉中Pb含量均與對(duì)照差異顯著；但3個(gè)Pb處理間僅煙株根中Pb含量差異顯著，莖葉中Pb含量總體上差異不顯著。低Pb處理和中Pb處理煙葉中Pb含量、中Pb處理和高Pb處理莖中Pb含量均無顯著差異。Pb處理明顯促進(jìn)了煙株根部對(duì)As的累積，其增幅為21%～100%；煙葉中其它3種重金屬（As、Cd和Hg）含量與對(duì)照無顯著差異。煙株中Pb含量總體上隨著外源加入量的增大而增大。

單元素處理下，煙株中重金屬分布特征為：As和Pb為根＞莖＞葉，Cd為莖＞根＞葉，Hg為根＞葉＞莖，僅Hg分布特征與對(duì)照煙株有所不同。4種重金屬元素在根莖中的增幅從高至低順序?yàn)镻b＞As、Cd＞Hg，而在煙葉中增幅順序?yàn)锳s＞Cd＞Pb＞Hg。

表6 Pb處理煙株根、莖和葉中重金屬含量Tab. 6 Concentrations of heavy metals in tobacco root, stem and leaf under Pb treatment

2.2.5 重金屬復(fù)合處理處對(duì)煙株不同部位累積重金屬含量的影響

復(fù)合處理煙葉中重金屬（除Hg）含量顯著高于對(duì)照。重金屬復(fù)合處理間（低、中和高濃度）煙葉中Cd含量差異顯著，但As和Pb含量總體上差異不顯著。復(fù)合處理下，煙株中重金屬累積分布特征單元素處理類似，亦表現(xiàn)為根部＞莖部、葉部。

圖5 復(fù)合處理煙株中As分布特征Fig.5 Distribution characteristics of As in tobacco under compound treatments

圖6 復(fù)合處理煙株中Cd分布特征Fig.6 Distribution characteristics of Cd in tobacco under compound treatments

圖7 復(fù)合處理煙株中Hg分布特征Fig.7 Distribution characteristics of Hg in tobacco under compound treatments

圖8 復(fù)合處理煙株中Pb分布特征Fig.8 Distribution characteristics of Pb in tobacco under compound treatments

復(fù)合處理煙株根中As、Pb含量＞單元素As、Pb處理，Cd含量＜單元素Cd處理，Hg含量與單元素Hg處理相近；莖中4種重金屬含量與單元素處理總體差異不大；葉中4種重金屬含量＜單元素處理。復(fù)合處理下，重金屬元素在根莖中增幅順序?yàn)镻b＞Cd、As＞Hg，而葉中的增幅順序?yàn)锳s＞Cd＞Pb＞Hg。

3 討論

煙葉中As、Cd和Pb含量均以移栽初期最高，中期和收獲期較低，其隨時(shí)間變化規(guī)律總體為先快速下降后緩慢上升，呈波浪式狀；而煙葉中Hg含量卻以中期最高，呈倒V字狀。隨著外源重金屬（除Hg）添加量的增大，煙株中重金屬殘留量總體上呈明顯增加趨勢(shì)，其中又以根部表現(xiàn)最為顯著。As和Cd處理顯著促進(jìn)煙根、莖和葉中As和Cd的積累，并隨外源添加量的增大而顯著增大，表現(xiàn)出明顯的劑量效應(yīng)。Cd處理間煙葉中Cd含量差異顯著，此結(jié)論與王紹坤[22]研究不一致。我們推測(cè)，可能是由于本試驗(yàn)Cd處理濃度遠(yuǎn)大于王紹坤試驗(yàn)（其Cd添加濃度僅為0.15、0.30和0.60 mg/kg）所致。Hg處理僅顯著促進(jìn)了煙株根部對(duì)Hg的吸收，對(duì)莖葉部作用不明顯。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是煙株對(duì)Hg具有一定的滯阻效應(yīng)，從而較為明顯的抑制了Hg從根部向莖葉的傳輸。對(duì)照煙株中葉部Hg含量高于根莖，與其它重金屬分布特征不同，這可能與煙葉中Hg含量受大氣環(huán)境條件影響較大所致[23]。復(fù)合處理煙株中重金屬累積分布特征與單元素處理大致類似，但又存在一定差異，造成這種差異可能是由于土壤－煙株系統(tǒng)中多種重金屬元素之間產(chǎn)生了復(fù)雜的交互作用。

重金屬污染脅迫下煙株中As、Cd、Hg和Pb累積分布規(guī)律均為根＞莖＞葉。張玉濤等[19]研究亦認(rèn)為在Cd和Pb在煙株中含量為根＞莖＞葉，而米艷華等[20]認(rèn)為Cd主要積累于煙葉，Pb主要積累于根部；王學(xué)鋒等[21]卻認(rèn)為Cd和Pb主要積累于煙株的莖葉。土壤中的多種重金屬可通過聯(lián)合作用，對(duì)植物生長產(chǎn)生相加、協(xié)同和拮抗等效應(yīng)[24]。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，As和Cd處理抑制了煙株對(duì)Pb的吸收，Hg處理促進(jìn)了煙株對(duì)Pb的吸收，Pb處理促進(jìn)了煙株對(duì)As的吸收，這些作用均以在煙株根部作用最為明顯。米艷華等[20]認(rèn)為As、Pb對(duì) Cd 在煙株中的積累為協(xié)同作用，Cd 對(duì) Pb 為拮抗作用。王學(xué)鋒等[21]認(rèn)為Cd抑制了煙株對(duì) Pb 元素的吸收，而Pb卻促進(jìn)了煙株對(duì) Cd 元素的吸收；復(fù)合處理（CdPbCuZnMn）煙葉中Cd濃度＞單元素，而其Pb濃度＜單元素。章鋼婭等[25]認(rèn)為Cd 濃度的增加促進(jìn)了煙株對(duì)Pb吸收。這些研究結(jié)論之間以及與本研究之間既有相同之處又有不同之處。導(dǎo)致這些差異的原因可能是由于外源重金屬添加種類及濃度不同和試驗(yàn)所采用的土壤類型及理化性質(zhì)不同所致。

4 結(jié)論

煙株對(duì)重金屬的吸收累積、分布特征與重金屬元素添加種類、濃度及煙株部位均密切相關(guān)。從4種重金屬在煙葉中的增幅高低順序可知，煙葉對(duì)土壤中As和Cd污染最為敏感，其次為Pb，對(duì)Hg最不敏感。故種植烤煙時(shí)要盡量避開As和Cd含量較高的區(qū)域，防止As和Cd在煙葉中的過度累積。復(fù)合處理煙葉重金屬含量總體低于單元素處理，可能是由于4種重金屬元素之間拮抗作用起主導(dǎo)作用所致；但其根中As、Cd濃度大于單元素As、Pb處理，而Cd濃度小于單元素Cd處理，造成這種現(xiàn)象的機(jī)理機(jī)制可能比較復(fù)雜，有待下一步深入考察。

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Effects of heavy metal treated soil on accumulation and distribution of As, Cr, Hg and Pb in tobacco

WEI Yihua1, HE Junhai1, FENG Xiaohu2, WANG Libing2, ZHOU Yaomin1, LI Yanyan2, YUAN Lijuan1, LUO Linguang1
1 Institute for Quality & Safety and Standards of Agricultural Products, Jiangxi Academy of Agricultural Sciences,Nanchang 330200, China;2 Jiangxi Fuzhou Municipal Tobacco Company, Fuzhou 344000, China

Pot experiments with single treatments (As, Cd, Hg and Pb) and compound treatments were carried out to investigate the accumulation and distribution of heavy metals in tobacco. Results indicated that As, Cd and Pb contents in tobacco leaf changed with passing time in the following order: early stage＞harvest stage, medium stage, while Hg content was highest at medium stage, followed by harvest stage and early stage. As and Pb contents distributed highest in root, followed by stem and leaf, Cd content highest in stem followed by root and leaf, and Hg highest in root followed by leaf and stem (control treatment: leaf＞root＞stem) under heavy metals pollution stresses. The accumulation of heavy metals (except Hg) in tobacco increased signi fi cantly (p＜0.05) with the increase of additive concentration as a whole.The concentration of heavy metals in compound treatments was lower than that in single element treatments. The growth rates of heavy metals in tobacco leaf were: As＞Cd＞Pb＞Hg. There were signi fi cant di ff erences between As content under As treatment and Cd content under Cd treatment in tobacco (root, stem and leaf). It was proved that tobacco was most sensitive to pollution of As and Cd in soil, and thus tobacco planting should select areas with low content of As and Cd to avoid excess accumulation.

tobacco; heavy metal; accumulation; distribution

魏益華，何俊海，馮小虎，等. 土壤重金屬處理對(duì)煙草中As、Cd、Hg和Pb的累積與分布的影響[J]. 中國煙草學(xué)報(bào)，2016,22（1）

江西省煙草公司科技項(xiàng)目“撫州市無公害煙葉生產(chǎn)技術(shù)體系研究與示范”(201001017)

魏益華（1982—），碩士，助理研究員，農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全，Tel：0791-87090294，Email：weiyihua08@163.com

羅林廣（1964—），博士，研究員，農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全，Tel：0791-87090293，Email：luolinguang@126.com

2015-02-05

：WEI Yihua, HE Junhai, FENG Xiaohu, et al. E ff ects of heavy metal treated soil on accumulation and distribution of As, Cr, Hg and Pb in tobacco[J]. Acta Tabacaria Sinica, 2016, 22（1）