磷對(duì)土壤-煙草系統(tǒng)鎘有效性及生物累積的影響研究進(jìn)展

王志軍 邰孟雅 翟夜雨 袁岐山

摘 要 煙草是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物，也是煙農(nóng)主要的收入來(lái)源。鎘是一種毒性很強(qiáng)的重金屬，煙株葉片鎘積累量較高時(shí)，不僅會(huì)降低煙葉品質(zhì)，還會(huì)通過(guò)卷煙產(chǎn)品危害人體健康。煙葉中的鎘主要來(lái)自土壤，隨著環(huán)境污染的加劇，植煙土壤的生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞，煙葉安全廣受關(guān)注。磷是植物生長(zhǎng)發(fā)育中不可或缺的大量元素之一，土壤中磷肥的施用會(huì)對(duì)鎘產(chǎn)生一定影響，干擾鎘在土壤-煙草系統(tǒng)中的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)。綜述施用磷肥對(duì)土壤-煙草系統(tǒng)中重金屬鎘的有效性及生物積累的影響研究進(jìn)展，從鎘污染的來(lái)源和危害、磷的功能和施用方法、施磷對(duì)植煙土壤鎘生物有效性的影響及施磷對(duì)煙株吸收積累鎘的影響等方面進(jìn)行了分析探討。

關(guān)鍵詞 鎘污染;磷;土壤-煙草系統(tǒng);生物累積

中圖分類(lèi)號(hào)：S572 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：C DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2022.15.029

隨著科技不斷發(fā)展進(jìn)步，我國(guó)工業(yè)和農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化程度越來(lái)越高，社會(huì)的發(fā)展為人們帶來(lái)便利生活的同時(shí)，也帶來(lái)了一系列問(wèn)題，如工業(yè)三廢的排放、采礦和冶煉的增加及農(nóng)藥化肥的濫用，都加劇了環(huán)境污染。鎘是一種非氧化還原金屬，在自然界中濃度較低，但在造成土壤污染的重金屬中毒性相對(duì)較強(qiáng)[1]。雖然目前對(duì)煙草提取物的開(kāi)發(fā)利用已取得較大成果，但葉片仍是煙草的主要收獲對(duì)象[2]。伴隨人們環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)的提高，煙葉鎘污染已然成為科研工作者們不得不關(guān)注的問(wèn)題。

磷在自然界中廣泛存在，適量的磷素供應(yīng)可提高植物的抗逆性和對(duì)外界不良環(huán)境的適應(yīng)能力[3]。研究表明，磷對(duì)植煙土壤中鎘的有效性及煙草對(duì)鎘的吸收累積有一定影響，但具體情況因土壤特性及施磷水平等因素的不同而存在差異。

基于鎘污染加劇現(xiàn)狀，本文著重討論了不同施磷條件對(duì)鎘在土壤中的有效性和煙草生物累積的影響，探究土壤中鎘和磷的相互關(guān)系，嘗試通過(guò)調(diào)節(jié)土壤中磷元素的含量來(lái)降低土壤鎘的有效性及煙株對(duì)鎘的吸收積累，為土壤-煙草系統(tǒng)鎘污染防治提供一定參考。

1 ?鎘污染的來(lái)源和危害

鎘于1817年被德國(guó)的斯特羅邁爾發(fā)現(xiàn)并制得，是有色重金屬元素之一，被確認(rèn)為動(dòng)植物生長(zhǎng)發(fā)育的非必需元素。

1.1 ?鎘污染的來(lái)源

土壤-煙草系統(tǒng)的鎘污染是多方面因素綜合作用的結(jié)果，污染物主要來(lái)自土壤、水體和大氣。

土壤中的鎘大致有兩種來(lái)源。1）自然情況下重金屬在土壤母質(zhì)中普遍存在。一般來(lái)說(shuō)，黏土因具有吸附金屬離子的能力，鎘含量相對(duì)較高，但不超標(biāo)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生較大危害。2）因采礦、冶金工業(yè)、農(nóng)業(yè)污染、固體廢棄物及交通污染等人類(lèi)活動(dòng)而引入的鎘[4]。礦石是天然存在的礦物，過(guò)度的礦體開(kāi)采產(chǎn)生了較多的污染廢物，通過(guò)風(fēng)或水的輸送污染了礦山周?chē)耐寥溃@是土壤中鎘的重要來(lái)源。生產(chǎn)磷肥的磷礦石富含重金屬鎘，在為作物補(bǔ)充生長(zhǎng)所必需的磷元素時(shí)，不可避免地將鎘帶入土壤[5]。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，電子產(chǎn)品更新?lián)Q代速度加快，固體廢棄物的隨意丟棄、金屬的腐蝕均會(huì)導(dǎo)致土壤鎘污染。高速公路兩側(cè)的土壤較其他位置而言鎘污染情況更嚴(yán)重，主要是因?yàn)闄C(jī)動(dòng)車(chē)行駛過(guò)程中的尾氣和機(jī)械部件磨損均會(huì)排放一定的鎘。

污水、污泥是處理生活和工業(yè)廢水的殘留物，含有大量的金屬元素，來(lái)自工業(yè)區(qū)的污水通常比來(lái)自住宅區(qū)的污水金屬元素含量更高，因此污水灌溉是土壤鎘污染的主要來(lái)源之一?？諝庵械逆k污染主要來(lái)自人類(lèi)活動(dòng)，如工廠冶煉含重金屬礦物排放的煙塵、工業(yè)企業(yè)廢氣的排放和化石燃料的燃燒等都會(huì)導(dǎo)致重金屬擴(kuò)散，鎘被排放至空氣中或積累在灰燼里，通過(guò)大氣沉降污染土壤和水源[6]。

1.2 ?鎘污染的危害

重金屬污染具有長(zhǎng)期性、累積性、潛伏性和損害不可逆等特點(diǎn)，治理成本高、周期長(zhǎng)[7]。鎘在環(huán)境中一般以無(wú)機(jī)離子的形態(tài)存在，在土壤中可穩(wěn)定存在1～3年，進(jìn)入動(dòng)植物體后大部分鎘可與巰基或其他小分子物質(zhì)絡(luò)合形成有機(jī)態(tài)鎘，在人體內(nèi)保留時(shí)間可超過(guò)20年，具有較長(zhǎng)的生物半衰期[8-9]。鎘的生態(tài)毒性主要是由于該元素及其化合物不能被生物降解，且鎘的遷移能力很強(qiáng)，極易溶于水被植物吸收，還可通過(guò)呼吸道進(jìn)入動(dòng)物體內(nèi)[10]。

不同植物對(duì)鎘的耐受程度存在差異，少量鎘對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育影響不大，當(dāng)鎘含量超過(guò)一定限度時(shí)，植物生長(zhǎng)減慢，產(chǎn)量和品質(zhì)都有不同程度降低。鎘在植物中的積累也是它進(jìn)入食物鏈的主要途徑。鎘可通過(guò)增強(qiáng)膜脂過(guò)氧化作用、破壞細(xì)胞的抗氧化系統(tǒng)進(jìn)而誘導(dǎo)組織氧化損傷，還可通過(guò)破壞各種酶系統(tǒng)進(jìn)而影響正常代謝活動(dòng)，對(duì)人體的危害主要集中在眼睛、肝腎、肺、骨組織和其他器官，長(zhǎng)期的鎘積累還會(huì)誘發(fā)骨質(zhì)疏松、心血管疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、腎功能障礙及癌癥等急性或慢性疾病，如日本富山縣曾出現(xiàn)因長(zhǎng)期飲用鎘污染水而導(dǎo)致的慢性鎘中毒——“痛痛病”[11-13]。鎘對(duì)其他動(dòng)物的影響與人體類(lèi)似。

2 ?磷的功能和施用方法

磷在生物圈內(nèi)分布廣泛，其含量在地殼中位于前十，海水中位于第二，大量存在于動(dòng)植物組織中，也是人體含量較多的元素之一。

2.1 ?磷的功能

含磷物質(zhì)種類(lèi)很多，主要以磷酸鹽的形式存在于自然界中[14]。除植酸等形式的磷之外，大都能被機(jī)體吸收利用，是動(dòng)植物生長(zhǎng)發(fā)育必不可少的大量元素之一。

在植物中，磷是許多重要化合物的組成成分之一：1）磷是核蛋白、核酸和磷脂的重要組成成分，對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育和遺傳變異有重要作用;2）磷是多種酶的組成成分，幾乎參與所有生理生化反應(yīng)，其中三磷酸腺苷（ATP）與能量的形成和釋放有關(guān)，參與多條能量代謝途徑;3）磷還是植物體內(nèi)碳水化合物、脂肪等物質(zhì)的合成、代謝和能量釋放過(guò)程的參與者。

在動(dòng)物體中磷大多存在于骨骼和牙齒，還有一部分在體液中，是維持動(dòng)物生理功能的必要物質(zhì)[15]。適量磷在維持心臟跳動(dòng)、腎臟機(jī)能正常和傳達(dá)神經(jīng)刺激等方面發(fā)揮重要作用。

2.2 ?磷的施用方法

磷肥是以磷為主要養(yǎng)分的肥料，肥效受磷肥中有效五氧化二磷含量、土壤性質(zhì)、作物種類(lèi)和施肥方法等因素影響。磷肥的施用包括磷肥類(lèi)型、施磷水平和施磷方式等。1）磷肥類(lèi)型。按照所含磷酸鹽的溶解性能劃分，磷肥主要包括水溶性和枸溶性?xún)煞N。常用磷肥有過(guò)磷酸鈣、重過(guò)磷酸鈣、鈣鎂磷肥、磷酸二氫鉀和磷酸一銨等。2）施磷水平。不同施磷水平即為磷肥的不同施用量。一般來(lái)說(shuō)，在一定限度內(nèi)，施肥效果隨施磷量的增加而增加。3）施磷方式。施肥方式包括磷肥施用時(shí)間、基肥和追肥比例等，可在植物的不同生育期采取不同的施肥方式和比例。

3 ?施磷對(duì)植煙土壤鎘生物有效性的影響

土壤的基本性質(zhì)包括土壤類(lèi)型、土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量、酸堿度及養(yǎng)分狀況等多個(gè)方面。磷肥經(jīng)過(guò)不同的施用方法施入不同性質(zhì)的土壤對(duì)不同種類(lèi)植物會(huì)產(chǎn)生不同影響。我國(guó)土壤有效磷含量普遍偏低，是因?yàn)榱自谕寥乐袠O易被固定。施磷對(duì)土壤鎘有效性的影響存在爭(zhēng)議，目前對(duì)于磷降低或增加鎘活性的論斷都有相關(guān)研究成果支持[16]。

土壤中鎘含量的高低并不能完全代表其危害性，只有有效態(tài)鎘才會(huì)被植物吸收，并造成重金屬損害。磷肥可以直接和土壤中的鎘相互作用，也可通過(guò)改善土壤性質(zhì)間接影響鎘的有效性。土壤中的重金屬可直接被磷吸附，也可通過(guò)磷酸根離子等被間接吸附;部分磷肥（如過(guò)磷酸鈣等）可與鎘絡(luò)合形成沉淀，降低土壤中鎘的有效性;磷酸氫二銨施入土壤后水解產(chǎn)生NH4+與鎘絡(luò)合，但此過(guò)程會(huì)使水溶態(tài)鎘含量增加;磷肥中解離出的陽(yáng)離子能與鎘競(jìng)爭(zhēng)土壤吸附位點(diǎn)，部分陰離子也可與鎘發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)影響有效態(tài)鎘含量。

施磷會(huì)影響土壤有機(jī)質(zhì)含量，進(jìn)而影響鎘活性。有機(jī)質(zhì)不僅代表土壤的營(yíng)養(yǎng)狀況，還可與鎘離子發(fā)生物理或化學(xué)反應(yīng)。一般來(lái)說(shuō)，有機(jī)質(zhì)可與鎘絡(luò)合，降低土壤鎘的有效性，減少植物對(duì)重金屬鎘的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)。但吸附和解吸是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，涉及多個(gè)方面，不能一概而論。

施用不同類(lèi)型磷肥會(huì)對(duì)土壤的酸堿度產(chǎn)生不同影響，可通過(guò)調(diào)節(jié)土壤酸堿度來(lái)影響鎘的溶解度和鎘不同形態(tài)之間的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而影響鎘活性[17]。王朋超等研究發(fā)現(xiàn)，施用過(guò)磷酸鈣和鈣鎂磷肥的土壤pH值分別表現(xiàn)為降低和升高，與對(duì)照相比兩種肥料均可降低有效鎘含量，但鈣鎂磷肥效果更好，可能是酸性條件更有利于鎘的活化和遷移，使其在土壤中的溶解度增加，導(dǎo)致土壤的潛在毒性增大[18]。但周佚群等的研究表明，過(guò)磷酸鈣和磷酸二氫鉀的施用對(duì)土壤pH值并沒(méi)有顯著影響，鎘有效性主要受速效磷含量的調(diào)控，施磷后土壤速效磷含量越高，鎘活性就越弱[19]。但需注意的是，磷肥自身在一定程度上即為鎘污染的來(lái)源之一，因此施磷量并非越多越好，用量過(guò)多時(shí)不僅會(huì)造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染，還會(huì)加重鎘脅迫。

4 ?施磷對(duì)煙株吸收積累鎘的影響

磷對(duì)煙草鎘積累的研究不多，大多是對(duì)其他植物的研究，但由于這些植物都是以葉片為主要結(jié)構(gòu)的植物，一定程度上可作參考。目前，施磷對(duì)植物吸收積累鎘的影響結(jié)論也不一致。劉芳等研究表明，一定磷肥濃度下，施磷明顯降低煙草中的鎘含量;但由于鎘磷交互作用具有復(fù)雜性，隨著施磷量的增加，土壤鎘的有效性不僅沒(méi)有降低，反而促進(jìn)了煙草對(duì)鎘的吸收積累[20]。何小林研究發(fā)現(xiàn)，缺磷處理可減少擬南芥的鎘積累，降低氧化損傷[21];而帥祖蘋(píng)等對(duì)小白菜的研究則表明適量施用磷肥可抑制鎘在小白菜中的積累[22]。

增加土壤中的磷含量在一定程度上可促進(jìn)煙株的生長(zhǎng)發(fā)育，增加煙草根、莖、葉的生物量。在一定范圍內(nèi)，隨著施磷量的增加，煙草生物量也呈增加趨勢(shì)[23]。煙株生物量增加，鎘積累量也會(huì)隨之增加，但增加的是鎘總量而并非鎘濃度，因此生物量增加存在一定的稀釋效應(yīng)，可降低鎘脅迫對(duì)煙株的損傷。

施磷還能提高煙株抗逆性。鎘主要通過(guò)氧化作用損傷影響煙草的正常生長(zhǎng)發(fā)育，煙株自身抗性增強(qiáng)可在一定程度上緩解鎘毒害。與土壤類(lèi)似，鎘積累量并不能代表煙株受損傷程度，因?yàn)椴⒉皇撬墟k都會(huì)對(duì)生長(zhǎng)代謝產(chǎn)生影響，有效鎘含量才是研究人員關(guān)注的重點(diǎn)。例如，部分植物體內(nèi)鎘含量極高，但并沒(méi)有影響其正常生長(zhǎng)發(fā)育和生理代謝。據(jù)王嵐等對(duì)白骨壤幼苗的研究，外源磷可促進(jìn)鎘向植物液泡轉(zhuǎn)運(yùn)，同時(shí)提升幼苗抗氧化能力[24];楊志敏等研究發(fā)現(xiàn)，鎘脅迫下提高磷肥水平可減少小麥對(duì)鎘的積累，并將大部分鎘轉(zhuǎn)移至細(xì)胞壁[25]。以上研究表明，液泡和細(xì)胞壁固存是植物降低鎘生物有效性的重要途徑，但關(guān)于磷肥對(duì)煙草體內(nèi)鎘的轉(zhuǎn)運(yùn)累積及生理毒性的影響還需進(jìn)一步探索發(fā)現(xiàn)。

5 ?結(jié)語(yǔ)

自然環(huán)境是一個(gè)有機(jī)整體，絕對(duì)意義的單一污染是不存在的。鎘污染對(duì)植物的影響總是伴隨著其他不良因素，因此既要考慮問(wèn)題的局部也要關(guān)注整體。磷肥和土壤-煙草體系之間的關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，磷對(duì)鎘的影響與磷肥施用量、土壤狀況及重金屬鎘的含量等眾多因素密切相關(guān)，所產(chǎn)生的影響可能是直接的也可能是間接的。當(dāng)前關(guān)于磷和土壤-煙草系統(tǒng)鎘關(guān)系的結(jié)論相對(duì)較少，其中緣由尚不能得到很好的解釋。

另外，磷肥自身就存在一定含量的鎘，磷肥的大量施用可能不利于煙株的生長(zhǎng)發(fā)育和生理代謝。煙草的生長(zhǎng)環(huán)境是動(dòng)態(tài)變化的，因此在煙葉生產(chǎn)過(guò)程中要注意磷肥的施用情況，進(jìn)一步探索不同施磷條件對(duì)土壤-煙草系統(tǒng)中鎘的調(diào)控機(jī)制，在保證效果的同時(shí)減少鎘對(duì)植株生長(zhǎng)的副作用。

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（責(zé)任編輯：張春雨 ?丁志祥）