長(zhǎng)沙煙區(qū)煙葉重金屬含量與土壤重金屬含量及其性質(zhì)的相關(guān)性分析

趙阿娟，曾維愛(ài)，蔡海林，謝鵬飛，翟爭(zhēng)光，丁春霞，姚茗淞，周勇，文志勇

1 湖南省煙草公司長(zhǎng)沙市公司，湖南長(zhǎng)沙 410011；

2 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410128；

3 湖南省生物技術(shù)研究所，湖南長(zhǎng)沙 410128

煙草中的重金屬元素主要有鉛、鉻、汞和鎘等[1]，在抽吸過(guò)程中，它們以氣溶膠或金屬氧化物的形式隨著煙氣進(jìn)入人體，對(duì)吸煙者身體健康造成極大危害[2]。同時(shí)，富集的重金屬還嚴(yán)重影響煙草的生理過(guò)程和品質(zhì)[3]。因此，對(duì)煙草中重金屬來(lái)源和防控等研究已成為當(dāng)前煙草行業(yè)的研究熱點(diǎn)，受到人們的廣泛關(guān)注[4-5]。

土壤是煙草賴以生長(zhǎng)的環(huán)境，也是煙葉重金屬的主要來(lái)源。煙葉中的重金屬含量與土壤中的重金屬含量及其生長(zhǎng)環(huán)境密切相關(guān)[2,6-8]。魏小慧等[9]研究發(fā)現(xiàn)，煙草對(duì)不同重金屬富集能力存在較大差異。植物中的重金屬含量除了受土壤重金屬含量的影響外，還受到土壤pH 值、有機(jī)質(zhì)、陽(yáng)離子交換量（CEC）、氮磷鉀等理化性質(zhì)的影響。土壤pH 值主要通過(guò)改變重金屬在土壤中的形態(tài)，從而影響其生物有效性，它是影響重金屬?gòu)耐寥肋w移到植物中最為顯著的因素[8]。其次，土壤有機(jī)質(zhì)也是影響植物吸收重金屬的主要因素，王科等[10]研究發(fā)現(xiàn)，稻谷中的銅和砷含量與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)性。由此可知，土壤重金屬含量及其主要理化性質(zhì)對(duì)重金屬?gòu)耐寥赖街参镏羞w移影響顯著，然而迄今為止，未見(jiàn)有關(guān)于煙草中砷（As）、鉻（Cr）、鎘（Cd）、鉛（Pb）、及汞（Hg）含量與土壤中重金屬含量及其土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性研究報(bào)道。

本研究采集了湖南省長(zhǎng)沙煙區(qū)不同理化性質(zhì)的土壤樣品，通過(guò)盆栽試驗(yàn)研究了煙葉在不同性質(zhì)的土壤中對(duì)As、Cd、Cr、Pb 及Hg 的富集情況。采用SPSS軟件對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，探討煙葉重金屬含量與土壤重金屬含量和土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性，以期為了解煙葉重金屬來(lái)源及污染防控提供參考。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品采集與處理

2018 年2 月底至3 月初，在湖南長(zhǎng)沙煙區(qū)采集土壤樣品共40 個(gè)。樣品采集深度為20 cm 的耕作層，所有土壤樣品均風(fēng)干后過(guò)篩，待用。

1.2 盆栽試驗(yàn)

盆栽試驗(yàn)在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)耘園煙草基地大棚室內(nèi)進(jìn)行。取風(fēng)干過(guò)篩土壤樣品25 kg 于規(guī)格為25 cm×40 cm 的塑料盆中，每盆施用純氮5.0 g，并按照N：P2O5∶K2O=1 ∶0.8 ∶2.2 的質(zhì)量比例用P 和K 肥，N、P、K 分別以硝酸銨、過(guò)磷酸鈣和農(nóng)用硫酸鉀為肥源。于3 月29 日往每盆土壤中分別移栽云煙87 煙苗1 株，每種土壤樣品重復(fù)3 次。各處理隨機(jī)排列，定期澆水，保證每盆澆水量一致，煙株現(xiàn)蕾后打頂，于7 月23 日采收中部煙葉。

1.3 煙葉樣品預(yù)處理

采集回的煙葉樣品于105℃下殺青1 h，然后在75℃條件下烘干，粉碎，過(guò)100 目篩，裝袋待測(cè)。

1.4 土壤和煙葉樣品前處理與分析測(cè)定

土壤樣品參考HJ 803-2016 和GB/T 22105.1 方法采用硝酸/鹽酸混合溶液微波消解，過(guò)濾，待測(cè)；煙葉樣品參考YC/T 380-2010 和YC/T 250-2008 法用硝酸/過(guò)氧化氫混合液進(jìn)行消解，過(guò)濾，待測(cè)。用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測(cè)定濾液中Cd、As、Pb 和Cr含量，用原子熒光光度計(jì)測(cè)濾液中Hg 含量。土壤和煙葉樣品分別用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07445（GSF-5）和GBW10049（GSB-27）進(jìn)行質(zhì)量控制來(lái)驗(yàn)證方法的準(zhǔn)確性。

土壤主要理化性質(zhì)如pH 值、有機(jī)質(zhì)含量、CEC、堿解氮、速效鉀及速效磷含量參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)方法和文獻(xiàn)進(jìn)行測(cè)定[11]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010 和SPSS 19.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、方差分析和相關(guān)性分析。煙草

重金屬的富集系數(shù)（CF）通過(guò)以下公式計(jì)算：

公式中ω?zé)煴硎緹熑~中重金屬的濃度，ω土表示土壤中重金屬的濃度。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤性質(zhì)統(tǒng)計(jì)分析

土壤樣品的pH值、有機(jī)質(zhì)、陽(yáng)離子交換量（CEC）、堿解氮、速效磷及速效鉀含量測(cè)定分析結(jié)果如表1 所示。

表1 土壤理化性質(zhì)分析Tab. 1 Analysis of soil physicochemical properties

由表1 可以看出，除土壤pH 值變異系數(shù)較小外，有機(jī)質(zhì)、CEC、堿解氮、速效鉀、速效磷含量的變異系數(shù)均大于20%，表明供試土壤中的有機(jī)質(zhì)、陽(yáng)離子交換量（CEC）、速效磷、速效鉀及堿解氮存在較大差異。抽查的土壤樣品的pH 值介于4.51～7.15間，平均值為5.88，表明供試土壤呈弱酸性。供試土壤有機(jī)質(zhì)、CEC、速效磷、速效鉀及堿解氮的平均含量分別為31.97 g/kg、16.74 cmol/kg、36.25 mg/kg、212.33 mg/kg 和153.63 mg/kg。根據(jù)土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可知[12]，有機(jī)質(zhì)和速效磷含量較豐富，屬于II 級(jí)水平；堿解氮含量中等，屬于III 級(jí)水平。

2.2 土壤中重金屬含量統(tǒng)計(jì)分析

土壤樣品中的Cd、Hg、As、Pb 和Cr 含量的測(cè)定分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 土壤重金屬含量分析Tab. 2 Analysis of heavy metal content in soil

從表2 可以看出，供試土壤樣品中Cr、As、Cd、Pb 和Hg 含 量 的 平 均 值 分 別 為60.99 mg/kg、13.95 mg/kg、0.21 mg/kg、34.64 mg/kg 和0.07 mg/kg，這些元素在待測(cè)土壤樣品的平均含量都未超過(guò)《煙草產(chǎn)地環(huán)境技術(shù)條件（NY/T 852-2004）》標(biāo)準(zhǔn)值。但是土壤樣品的這五種元素含量變異系數(shù)較大，均大于20%，其中土壤中Cd 含量的變異系數(shù)最大，高達(dá)53.19%，表明不同土壤中各元素含量存在較大的差異，這可能與不同土壤理化性質(zhì)及栽培管理模式有較大差異有關(guān)。

2.3 煙葉中重金屬含量及其富集系數(shù)

不同土壤中煙葉樣品As、Cd、Cr、Pb 和Hg 含量測(cè)定分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 煙葉重金屬含量分析Tab. 3 Analysis of heavy metal content in tobacco leaves

從表3 可以看出，煙葉中As、Cd、Cr、Pb 和Hg 含量的平均值分別為0.26 mg/kg、4.84 mg/kg、1.39 mg/kg、1.52 mg/kg 和0.11 mg/kg，煙葉樣品中各重金屬含量變異系數(shù)較大，均超過(guò)20%，As 和Cr的變異系數(shù)最大，分別為71.91%和70.33%，這可能是由于供試土壤理化性質(zhì)差異、植煙土壤中這些元素含量差異所致。富集系數(shù)表示煙葉對(duì)土壤中不同重金屬的吸收能力強(qiáng)弱[13]。從表3 中還可以看出，煙葉對(duì)As、Cd、Cr、Pb 和Hg 的富集系數(shù)分別為0.019、23.047、0.023、0.044 和1.571，可見(jiàn)，Cd 在煙葉中的富集系數(shù)最高，而Hg、As、Cr 和Pb 在煙葉中的富集系數(shù)相對(duì)較低。表明煙葉對(duì)Cd 的吸收富集能力極強(qiáng)，而對(duì)Hg、As、Cr 和Pb 吸收富集能力相對(duì)較弱，煙葉對(duì)重金屬的富集與重金屬種類有關(guān)[9]，不同重金屬在煙草植株中的遷移分布規(guī)律有著較大的差異，在成熟煙草植株中Hg、As、Cr 和Hg 主要分布在煙草的根部，莖和葉中含量較少，而被煙草吸收的Cd主要分布在煙葉中，煙葉中的Cd 占煙草總吸收Cd的80%以上[1,14]，表明Cd 在煙草中遷移能力強(qiáng)，極易被煙葉富集，這可能是Cd 在煙葉中富集系數(shù)高的原因。

2.4 煙葉重金屬含量與土壤性質(zhì)相關(guān)性分析

對(duì)煙葉中重金屬含量與土壤理化性質(zhì)進(jìn)行相關(guān)性統(tǒng)計(jì)分析，其結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 煙葉重金屬與土壤理化性質(zhì)相關(guān)性Tab. 4 Correlation between soil physicochemical properties and heavy metal content in tobacco leaves

從表4 中可以看出煙葉中Cd、As、Cr、Pb 和Hg均與土壤pH 值呈負(fù)相關(guān)性，其中煙葉中的Cd 含量與土壤pH 值呈顯著負(fù)相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)為-0.431；煙葉中這五種元素含量均與土壤中有機(jī)質(zhì)含量呈負(fù)相關(guān)性，其中Cr、Pb 和Cd 與有機(jī)質(zhì)含量相關(guān)系數(shù)較大，分別為-0.555、-0.529 和-0.449，與土壤有機(jī)質(zhì)呈極顯著或顯著負(fù)相關(guān)性；煙葉中Pb 含量與土壤CEC 呈顯著負(fù)相關(guān)性，煙葉中As 和Cd 含量與速效磷含量分別呈極顯著負(fù)相關(guān)性和顯著正相關(guān)性，對(duì)煙葉中重金屬含量與土壤理化性質(zhì)具有顯著相關(guān)性的進(jìn)行回歸分析，采用線性回歸模型進(jìn)行擬合，擬合方程及線性相關(guān)系數(shù)如圖1 所示。從圖1 可以看出煙葉中As、Cd、Cr 和Pb 的含量受土壤pH 值、有機(jī)質(zhì)含量、陽(yáng)離子交換量、堿解氮及有效磷因素的影響，且影響趨勢(shì)和程度存在較大差異。

2.5 煙葉重金屬含量與土壤重金屬含量相關(guān)性

煙葉As、Cd、Cr、Pb 和Hg 含量與對(duì)應(yīng)的土壤中的這5 種重金屬含量相關(guān)性如表5 所示。從表中可以看出，煙葉中的Cr、Pb 和Cd 含量分別與土壤中的Cr、Pb 和Cd 含量存在顯著或極顯著正相關(guān)性，而煙葉中As 和Hg 含量與土壤中As 和Hg 含量無(wú)顯著相關(guān)性。

圖1 煙葉重金屬含量與土壤理化性質(zhì)顯著相關(guān)性回歸擬合曲線Fig. 1 Fitting curve of significant relationship between heavy metal content in tobacco leaves and physicochemical properties of soil

表5 煙葉重金屬與土壤重金屬相關(guān)性Tab. 5 Correlation between heavy metal content in soil and heavy metal content in tobacco leaves

3 討論

煙草對(duì)重金屬的吸收程度受土壤重金屬含量和土壤理化性質(zhì)的影響[15]。Zaprjanova 等[16]研究發(fā)現(xiàn)，煙草中Cd 含量與土壤中Cd 總量和土壤有效態(tài)Cd 濃度均存在顯著正相關(guān)性。崔曉峰等[13]發(fā)現(xiàn)，蔬菜中重金屬含量與土壤重金屬總量呈極顯著的正相關(guān)；王怡雯等[17]發(fā)現(xiàn)小麥籽粒中Cd 和Pb 含量分別與土壤中Cd 和Pb 總量呈顯著正相關(guān)性。本研究也發(fā)現(xiàn)煙葉中Cd、Pb 和Cr 含量與土壤中Cd、Pb 和Cr 總量存在顯著的正相關(guān)性，但煙葉中As 和Hg 含量與土壤中As 和Hg 總量相關(guān)性不明顯，這主要是由于作物在吸收土壤中的重金屬時(shí)除了受土壤重金屬含量的影響外，還會(huì)受到土壤理化性質(zhì)如土壤有機(jī)質(zhì)含量、pH 值及陽(yáng)離子交換量等因素影響[3]。

土壤有機(jī)質(zhì)是影響重金屬在土壤-作物間遷移的重要因素之一[18-27]。土壤有機(jī)質(zhì)中可溶性的小分子有機(jī)物如富里酸能和重金屬形成穩(wěn)定弱的絡(luò)合物，使重金屬的移動(dòng)性和生物有效性增強(qiáng)，促進(jìn)作物對(duì)土壤重金屬的吸收；而有機(jī)質(zhì)中大分子有機(jī)物如胡敏酸等易與重金屬形成穩(wěn)定性強(qiáng)的螯合物，降低植物對(duì)土壤重金屬的吸收[28-29]。土壤有機(jī)質(zhì)可使土壤陽(yáng)離子交換量增大，減少植物對(duì)土壤重金屬的吸收[30-33]，Wang 等[20]研究發(fā)現(xiàn)，往Pb 和Cd 污染土壤中施用堆肥和農(nóng)家禽畜肥，導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著增加，減少了煙草對(duì)土壤中Pb 和Cd 的吸收。在不同類型土壤中有機(jī)質(zhì)對(duì)作物吸收重金屬的影響也存在較大差異，王祖?zhèn)サ萚34]研究發(fā)現(xiàn)，在砂質(zhì)潮土、壤質(zhì)潮土中小麥籽中銅和鎘含量與土壤有機(jī)質(zhì)呈顯著負(fù)相關(guān)性，而在粘質(zhì)潮土其相關(guān)性差；He 等[30]研究發(fā)現(xiàn)，在沙土中黑麥草對(duì)Cd 吸收受土壤有機(jī)質(zhì)影響大于沙壤土和粘壤土。本研究發(fā)現(xiàn)，煙葉Cr、Pb 和Cd 含量與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)性。此結(jié)論與高志強(qiáng)[35]和湯浪濤等[36]研究結(jié)果不一致，這可能是由于長(zhǎng)沙植煙區(qū)和茶陵與曲靖煙區(qū)土壤中有機(jī)質(zhì)組成、有機(jī)質(zhì)含量及土壤類型存在較大差異所致。

土壤pH 值對(duì)土壤重金屬的形態(tài)與生物有效性影響較大[37]。王衛(wèi)等[38]研究發(fā)現(xiàn)，在中、酸性土壤中煙葉對(duì)Cd 的吸收顯著高于堿性土壤。本研究發(fā)現(xiàn)煙葉中As、Cd、Cr、Pb 和Hg 含量與土壤中pH 值呈負(fù)相關(guān)性，其中Cd含量與土壤pH值呈顯著負(fù)相關(guān)性，這與大多數(shù)文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果一致[6,36,39]，表明在酸性土壤中可適量施用堿性土壤調(diào)理劑提高土壤pH 值，可減少煙葉對(duì)重金屬的吸收。

土壤陽(yáng)離子交換量（CEC）的大小主要與土壤表面膠體負(fù)電荷有關(guān)，CEC 值增大，土壤顆粒表面負(fù)電荷增多，對(duì)土壤金屬離子吸附能力增大，導(dǎo)致作物對(duì)土壤中金屬離子吸收減小[37,40-42]。本研究得出煙葉中的Cd、Cr 和Pb 含量與土壤中的CEC 呈負(fù)相關(guān)性，其中煙葉中Pb 含量與CEC 相關(guān)系數(shù)最大，表明土壤中CEC 對(duì)煙葉吸收富集Pb 的影響較大，CEC 含量高的土壤中煙葉對(duì)Pb 的吸收減少。

土壤中的速效磷也可影響作物對(duì)土壤重金屬的吸收程度，Im 等[43]研究發(fā)現(xiàn)，土壤中磷可與Pb、Cd和As 等產(chǎn)生絡(luò)合作用，導(dǎo)致作物對(duì)這些元素的吸收降低，本研究發(fā)現(xiàn)煙葉中As 與土壤中磷呈顯著負(fù)相關(guān)性，但煙葉中的Cd 卻與磷呈顯著正相關(guān)性。這可能是由于植煙區(qū)施用了較多的磷肥，而某些磷肥中Cd 含量較高，施入土壤后使得土壤Cd 含量也相對(duì)較高，導(dǎo)致煙葉對(duì)Cd 的吸收增加[6]。

可見(jiàn)，煙葉對(duì)環(huán)境中重金屬的吸收影響因素復(fù)雜多樣，它不僅受土壤中重金屬含量、土壤pH、有機(jī)質(zhì)含量、CEC 及速效磷等因素影響，還與土壤類型、有機(jī)質(zhì)組成、農(nóng)藝措施、氣候條件及煙草品種等密切相關(guān)。

4 結(jié)論

調(diào)查區(qū)土壤整體呈弱酸性，有機(jī)質(zhì)和速效磷含量較豐富，屬于II 級(jí)水平；堿解氮含量中等，屬于III 級(jí)水平。土壤中As、Cd、Cr、Pb 和Hg 含量平均值都未高于《煙草產(chǎn)地環(huán)境技術(shù)條件（NY/T 852-2004）》標(biāo)準(zhǔn)值，不同土壤樣品中的Cd 含量差異較大。煙葉中As、Cd、Cr、Pb 和Hg 的富集系數(shù)大小依次為Cd＞Hg ＞Pb＞Cr＞As，其中煙葉Cd 的富集系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它4 種重金屬，表明煙葉對(duì)Cd 的富集能力最強(qiáng)。

通過(guò)相關(guān)性分析得出，煙葉中Cr、Cd 和Pb 含量與土壤中相對(duì)應(yīng)的元素含量呈顯著正相關(guān)性。煙葉中As、Cd、Cr 和Pb 含量在一定程度上受到土壤pH 值等理化性質(zhì)的影響，煙葉中Cd 含量與土壤pH 值呈顯著負(fù)相關(guān)性，煙葉中Cd、Cr 和Pb 含量與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)性；煙葉中的Pb 含量與CEC 呈顯著負(fù)相關(guān)性；煙葉中As 含量與土壤中速效磷含量呈極顯著負(fù)相關(guān)性，而煙葉中Cd 含量與速效磷含量呈顯著正相關(guān)；Hg 含量與土壤理化性質(zhì)相關(guān)性不顯著。