干旱半干旱地区土壤―烟草植株系统中重金属镉的交互作用研究

摘 要：随着我国现代工业的迅速发展，尤其是金属冶炼工业污染排放，导致土壤重金属污染日益突出。烟草作为一种重金属镉的积累经济作物，镉的富集不仅影响烟草品质，也是直接危害人体健康的主要因素。因此低镉烟叶的研究是烟草研究的热点。本文以我国四大烟草主要产地的甘肃省烟草作为研究对象，分析了产地土壤和烟草中镉的含量，探讨了镉从土壤到烟草的迁移转化特征，为控制烟草重金属镉水平提供科学依据。

关键词：镉（Cd）；烟草；干旱半干旱；积累

中图分类号： X53；X173 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2017）02-138-3

0 引言

烟草作为我国重要的经济作物之一，对于农业经济的增长起到举足轻重的作用。然而，随着矿产资源的不合理开发利用、污水灌溉、化肥、农药的大量施用、工业化和城镇化的迅速发展，土壤污染日益严重[1]，其中重金属镉作为一种毒性很强的物质。研究发现，重金属镉会破坏烟草叶片的叶绿素及叶绿素系统，降低烟叶中总烟碱的含量[2]。高浓度的重金属镉会影响烟草体内的过氧化酶、超氧化物歧化酶及过氧化酶的活化发生变化[3]，对烟草植株的生长和卷烟质量造成严重影响。更重要的是烟草中重金属镉会以金属氧化物或气溶胶的形式进入人体，而在人体内富集的镉离子会引起慢性中毒、肾机能衰退、骨质疏松，长期吸入氯化镉会引起肺部炎症、支气管炎，并引发癌变[4]。因此，镉污染逐渐引起人们的高度关注，对于重金属镉的研究具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区域

研究区域位于甘肃省兰州市榆中县夏官营镇，属西北干旱半干旱地区，地处东经103o49′15"-104o34′40"，北纬35o34′20"-36o26′30"之间。以半干旱大陆性气候为主，降水量为170～350mm/年，年均温度8.0oC[5]。据统计该地区周围有集中供暖锅炉两座，15公里范围内有化工厂一个，有少量工业污染，且农业化学品使用水平低于全国水平，并且土壤中重金属镉背景值低于其它烟草种植的南方地区[6]。

1.2 实验材料

供试植物为甘肃省兰州市榆中县，选择甘肃省兰州市西北民族大学榆中校区试验地一块（属干旱半干旱地区），种植烟草700株，采用中水喷灌。种植期间未使用任何化肥和农药。

实验仪器主要包括S2 AA system型原子吸收仪；SSG-XL600型马弗炉；HP1510智能微波消解仪等。

实验试剂主要有镉标准溶液（1000μg/ml，国家有色金属及电子材料分析测试中心），硝酸（优级纯），氢氟酸（优级纯），高氯酸（优级纯），盐酸（优级纯），过氧化氢和去离子水等。

1.3 植物与土壤样品

植物采样在烟草成熟期，采用蛇形布点法进行采样，设置20个采样点。每点分别采取烟草植株的根部样品20个、茎部样品20个和叶片样品60个（叶片样品分为叶片上部20个、叶片中部20个和叶片下部20个）共计100个植物样品。后期处理时采用随机抽样原则抽取10个采样点并对相应的烟草样品进行处理。

土壤样品在种植前和收获期分别采样，烟草种植前采集土壤样品50个，并在烟草成熟期于烟草植株下方采集土壤样品50个，采集深度为0～20cm，并分别用四分法弃舍，最后留下1～2kg装入采样袋[7]。共采集植物样品100个。后期对应烟草植株采样点选择烟草植株下方土壤样品进行处理共计20个土壤样品，其中烟草种植前土壤样品10个、烟草成熟期土壤样品10个。

1.4 样品处理

土壤样品处理经自然风干，挑拣出杂质后。利用研锅研碎，过200目目筛。最终土样消解采用硝酸-高氯酸-氢氟酸分解体系进行。

烟草样品处理将采集的烟草样品用去离子水清洗干净。在马弗炉中通过80oC烘干至恒重，分别用研锅研碎，叶片部分过200目目筛，茎部和根部过100目目筛。通过硝酸-高氯酸分解体系进行。

1.5 样品的测定

标准曲线的配制：分别准确移取0.00、0.25、0.50、2.50、5.00、7.50、10.00、15.00mL镉标准溶液于25mL容量瓶中，用1%HNO3溶液定容，用于绘制标准曲线。研究采用随机抽样原则，从20个抽样点中抽取了10个共计60个样品进行检测。

2 结果与分析

2.1 重金属镉在土壤-烟草系统中的迁移动态

2.1.1 土壤中镉的结果

在对于烟草种植前和烟草成熟期两个不同时期的土壤检测中，相关数据分析如图1所示。通过对不同烟草种植期土壤样品的处理检测，在同一块区域（榆中县夏官营西北民族大学校区）Cd的含量差异不大。并且对于土壤来说符合国家土壤环境质量二级标准（GB15618-95）中Cd≤0.3mg/kg[9]。

从图1中看出，除 1号采样点的土样分析检测中，不同时期的Cd含量不变。8号采样点反而又增加的现象以外，可能受到含Cd的大气沉降或其他因素的影响。另外8个采样点的Cd含量都有不同程度的降低，烟草种植前土壤中Cd的含量为0.196 mg/kg，而在烟草成熟期对土壤检测的Cd含量为0.192 mg/kg。烟草种植前土壤中Cd含量较烟草成熟期土壤降低0.004 mg/kg。

2.1.2 烟叶各部分中镉的结果

在对烟草植株各个部分的镉检测分析相关数据如下表。

通过对烟草植株中各个部位的检测，由表1看出镉（Cd）的含量在植株体系中的不同部位而不同。表现的关系为：烟草根部>烟草茎部>烟叶上部>烟叶中部>烟叶下部。

在整个烟草土壤系统中，土壤中烟草根部、烟草茎部的Cd含量明显分别高于烟叶的上、中、下部。而在烟叶中上部烟叶Cd含量占整个烟草植株的17.08%、中部烟叶占14.48%、下部烟叶占13.46%。由图2看出相关数据与由米艳华等[10]2011年于云南的研究有一定的区别。但也符合土壤-植物系统的相关迁移交互规。说明我国西北地区土壤土质与云南等地处我国南部的弱酸性土壤有较大差别[11]。

可见，Cd虽然在土壤向烟草植株的迁移过程中受到根部外皮层、内皮层、中柱、细胞壁以及根际周围的磷酸盐。碳酸盐和植物茎节等的阻滞和限制，但Cd仍有较强的土壤向烟草植株迁移的能力[12]。并且植物不同部位富集Cd的情况不同同时，Cd的迁移能力与土壤的性质有着一定的关系。因此，削减土壤中的Cd含量或阻碍土壤中Cd向烟草植株迁移对我国烟草种植行业有着极为重要的意义。

3 结论

本研究表明，在土壤-烟草植株系统中Cd有较强的迁移能力。呈现出土壤>烟草根部>烟草茎部>烟草上部>烟草中部>烟草下部的Cd含量关系。其中，烟叶下部Cd的含量最少占整个烟草植株的13.46%。土壤中Cd向烟草植株的迁移是成品烟草中的Cd含量较高的重要原因，而且土壤中过量的Cd会影响烟草的生长发育[13]和总烟碱的合成，降低烟草的品质[14]，进而造成成品烟草中含有较高浓度的Cd，进入人体产生危害人体健康。

4 烟草中重金属Cd削减展望

随着工业化的发展，人类生产抛弃的含Cd物质也在逐渐增加，这不仅影响了吸烟人群的身体健康，更制约了农业生产。

目前，在我国烟草种植中可以采取的简单有效削减的方法有：

①施肥，合理的增加在烟草种植中的磷肥使用，磷酸根会与Cd形成共沉淀抑制在土壤中的污染[11]。

②合理搭配烟草种植模式，选取适应该地区生长的对Cd有超级累积作用的植物进行混合搭配种植或者是隔年交换种植模式。

③微生物-植物联合修复，以里氏木霉Trichoderma resei FS10-C[15]和根际促生紫金牛叶杆菌Phllobacterium myrsinacearum RC6b为例[16]，以上两种细菌对Cd都有较强的抗性并能分泌促进植物生长的物质，且自身具有吸附重金属Cd的作用。

随着国家对环境治理的决心和环境修复行业的快速发展，重金属Cd对环境的污染现象将会得到越来越多的重视。

参 考 文 献

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