烤烟品种对镉吸收累积敏感性差异研究

王浩浩，刘海伟，石 屹，王 勇，王树声*，包自超，李 斌，张蕴睿，鹿 莹，张焕菊，王锡金，孙帅帅

（1.农业部烟草生物学与加工重点实验室，中国农业科学院烟草研究所，青岛 266101；2.中国农业科学院研究生院，北京 100081；3.山东中烟工业有限责任公司，济南 250100；4.山东潍坊烟草公司，山东 潍坊 261000）

镉（Cd）是对生态环境危害严重的重金属之一，通过生物富集也容易对动物和人类造成伤害[1]。近年来，烟草质量安全状况越来越为公众和研究者所重视[2-3]，因此烟草重金属相关研究也成为热点[4]。烤烟是富集Cd的经济作物之一，其吸收的Cd主要累积到叶片中[5]，会对烟叶的质量安全产生危害。

关于不同烟草品种对Cd的吸收富集差异前人有过不少研究。其中，刘双营等[6]通过水培试验对6个不同品种烟草 Cd吸收的动力学特征的研究结果表明，烟草不同品种间对镉吸收的最大速率不同。刘义新等[7]研究表明，K326和云烟 87对 Cd的吸收与分布以及对Cd的耐受性存在明显的差异。赵秀兰等[8]研究结果表明，不同烟草品种对镉的吸收累积差异显著，烟草对镉的耐性存在显著的品种间差异。由于此前相关研究多数选择在烟草生长的苗期，或选用的烤烟品种较少，无法明确成熟期不同品种烤烟对Cd的吸收累积差异情况。因此，本研究选用 10个全国主栽与地方代表性烤烟品种，通过外源Cd添加试验，分析比较不同烤烟品种在成熟期各器官的Cd含量、变化敏感性和积累量差异，筛选出低Cd吸收累积品种，为低Cd烟叶的大田生产提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 供试烟草 选取全国主栽与地方代表性烤烟品种共 10个，分别是中烟 100、K326、红花大金元、云烟85、云烟87、NC89、翠碧1号、龙江851、湘烟三号、豫烟3号。

1.1.2 供试土壤 土壤为棕壤，基本理化性质为pH 7.05，有机质为 1.15%，土壤中 Cd含量为 0.21 mg/kg。土壤经风干过筛熏蒸后供盆栽试验用。

1.2 方法

1.2.1 试验方法 采用盆栽试验，于 2012年在中国农业科学院烟草研究所即墨试验农场温室中进行。试验用盆规格为直径36 cm，高40 cm，每盆装土15 kg，盆底放置接水盘。移栽苗龄60 d，移栽时间5月8日。试验采用常规管理，浇水量一致，并保证无水渗出。

1.2.2 试验设计 试验设2个因素，分别为10个烤烟品种和3个土壤Cd添加水平，即0.0、0.6和3.0 mg/kg，分别以CK、C1（土壤Cd警戒水平）、C2（土壤Cd污染水平）表示。共30个处理，每个处理重复3次，随机排列。镉以Cd（Ac）2水溶液形式均匀喷施入土壤中，保持80%土壤持水量，培养陈化60 d后装盆。装盆同时将肥料作为基肥一次性施入，氮施用量为6 g/盆，氮、磷、钾的比例为m(N)∶m(P205)∶m(K2O)=1∶1.5∶3。

1.2.3 取样及测定 在烤烟生长的成熟期采集烟株样品，分根、茎和上、中、下部叶于105 ℃杀青30 min，65 ℃烘干至恒重，称干重。粉碎过60目筛，HNO3-H2O2微波消解后用电感耦合等离子质谱（ICP-MS，型号X SeriesⅡ，Thermo公司）测定样品Cd含量。

1.3 数据处理与统计分析

烟株Cd积累量（μg/株）=烟株生物量（g/株）×烟株Cd含量（mg/kg）；分配率（%）=100×不同部位 Cd积累量（g）/烟株 Cd积累总量（g）；Cd迁移系数=叶片 Cd含量（mg/kg）/根部 Cd含量（mg/kg）。

采用 DPS 13.0，Duncan新复极差法进行统计分析。

2 结 果

2.1 镉对不同烤烟品种生长的影响

在供试的烤烟品种中，NC89、龙江851和翠碧1号的根系干物质积累量在C1、C2处理时均比CK显著降低，而云烟85和豫烟3号根系干物质积累量在 C1、C2处理时均无显著变化（图 1），表明NC89、龙江851和翠碧1号的根系对Cd毒害反应较敏感，云烟85和豫烟3号的根系对Cd耐性较强。

茎部干物质积累量如图2所示，C1处理时翠碧1号茎部干物质积累量显著高于CK，其余烤烟品种茎部干物质积累量无显著变化，C2处理时中烟100、K326、红花大金元和豫烟3号茎部干物质积累量显著下降，其余烤烟品种茎部干物质积累量无显著变化，表明低Cd对烤烟茎部的生长无显著影响，而高Cd会抑制部分烤烟品种茎部的生长。

从图3看出，C1处理时除云烟85，其余烤烟品种叶片干物质积累量均显著增加，C2处理时大多数烤烟品种叶片干物质积累量显著上升，表明低、高Cd对烤烟叶片生长都有促进作用。

2.2 不同烤烟品种中Cd含量差异与敏感性分布

图1 不同烤烟品种根系干物质积累量Fig.1 Root mass for each variety

图2 不同烤烟品种茎部干物质积累量Fig.2 Stem mass for each variety

所有烤烟品种不同器官Cd含量均表现为叶片＞茎＞根，且各器官对Cd的富集作用随Cd添加量上升逐渐增强（表1），这与前人对单个或少数烟草品种的研究结果一致[13,17]。

图3 不同烤烟品种叶片干物质积累量Fig.3 Leaf mass for each variety

土壤Cd含量相同时，不同烤烟品种各器官Cd含量有所差异。以烟叶为例，CK处理叶片Cd含量红花大金元、NC89和云烟85显著高于其他品种；翠碧1号和豫烟3号显著低于其他品种；C1处理叶片Cd含量红花大金元和龙江851显著高于其他品种，云烟87、中烟100显著低于其他品种；C2处理叶片Cd含量K326、龙江851和云烟87显著高于其他品种，中烟100、翠碧1号、豫烟3号和云烟85显著低于其他品种（表1）。可见，土壤Cd含量变化，各烤烟品种之间Cd含量的差异也不同，而且随着土壤Cd含量的提高，品种之间的差异性也变大，这与不同品种对土壤Cd变化的响应敏感性差异有关。

采用添加Cd处理与CK处理Cd含量的比值表示烤烟各器官Cd含量对土壤Cd含量差异的响应敏感性，如表2所示。

从表2看出，在低、高Cd添加量下中烟100和红花大金元叶片Cd含量变化最小，说明Cd对这两个烤烟品种叶片Cd含量的影响小于其他品种，即中烟100和红花大金元对土壤Cd响应敏感性差。对土壤Cd响应敏感性较强的烤烟品种因土壤Cd添加量不同而异：低Cd添加时翠碧1号、豫烟3号和龙江851叶片Cd含量变化较其他品种大，对土壤Cd响应敏感性较强；高Cd添加时云烟87、K326叶片Cd含量变化较其他品种大，对土壤Cd响应敏感性较强。不同烤烟品种根和茎的响应敏感性变化规律与叶片基本相同。正是由于各烤烟品种对土壤Cd响应敏感性的差异，以致在不同土壤Cd含量时烤烟各器官Cd含量较高或较低的品种有所差异。

表1 不同烤烟品种根、茎、叶的Cd含量 mg/kgTable1 Cd content in the root, stem and leaf of each variety

表2 土壤添加Cd时不同烤烟品种根、茎、叶Cd含量变化敏感度Table2 Change sensitivity of the Cd content in the root, stem and leaf of each variety with Cd added

由表1还可看出，随着土壤Cd含量的变化，烤烟不同品种根和茎的Cd含量差异变化与烟叶有所差异，这与不同烤烟品种根和茎对Cd的贮存能力与运输能力的差异有关。利用迁移系数，即叶片Cd含量/根Cd含量的比值，表征Cd从烤烟根系向叶片的迁移能力。10个烤烟品种对Cd的迁移系数均远大于1，大多数烤烟品种对Cd的迁移系数差异显著。随土壤Cd含量上升，中烟100、K326、红花大金元、云烟87、NC89、翠碧1号、湘烟三号的迁移系数先上升后下降，表明这些品种对Cd的运输能力受土壤高Cd含量抑制；而云烟85、龙江851、豫烟3号逐渐下降，表明这3个品种对Cd的运输能力随土壤Cd增加而降低，这与Cd对植株生长的影响有关。

2.3 不同烤烟品种各器官中Cd的累积与分布特征

如表3所示，烤烟根、茎、叶中的Cd积累量随土壤Cd添加量升高逐渐增加，叶片中的Cd积累量最高。在CK和C1、C2处理时，叶片中Cd的积累量分配率分别为 80.41%～87.01%和 86.87%～88.70%、83.94%～88.85%，烤烟从环境中吸收的Cd 80%以上累积在卷烟原料叶片中。

从表3还看出，烤烟根、茎、叶中的Cd积累量存在显著的品种间差异。C1处理时，红花大金元、翠碧1号和龙江851叶片中Cd的积累量最高，云烟87、中烟100和湘烟三号叶片中的Cd积累量最低；C2处理时，云烟87叶片中Cd的积累量较高，中烟100叶片中的Cd积累量最低，这与叶片中Cd含量的品种间变化规律基本一致。

表3 不同烤烟品种Cd的累积及在叶片中的分布 μg/株Table3 Cd accumulation and distribution in the leaf of each variety

3 讨 论

不同Cd添加水平对烤烟生长的影响不同，高浓度Cd对烤烟根系生长有抑制作用，这与吴玉萍等[17]对烤烟品种K326的研究结果相同；Cd抑制烤烟根系生长却促进叶片的生长，表明烤烟根系比叶片对Cd的毒害反应更敏感，这与赵秀兰等[10]在烟草幼苗上的研究结果一致。

本试验不同Cd处理下，Cd对烤烟根、茎、叶生长的影响因品种而异。有研究表明，植物可通过根部沉积、细胞壁固定和液泡分隔等作用来适应Cd毒害环境[11]，烟草还可以通过表皮毛分泌含Cd结晶使其在Cd较高的环境中仍能正常生长[12]。因此，Cd对烤烟生长影响的品种间差异由什么生理机制造成，有待于进一步研究和探索。

本试验供试烤烟品种对Cd迁移系数均远大于1，表明烤烟根部向上运输Cd的能力很强。植物对Cd的累积与根系对Cd的吸收、Cd从根系向茎和叶片的运输及再分配有关[18]。根据植物元素源库理论，根从土壤中吸收Cd，向其他器官转运，可认为是源；叶面接收茎运输的Cd，可认为是库；而茎既从根部接收Cd，也能向叶片输送Cd，所以茎既是源也是库。因此，与此前诸多研究一样[10]，本研究中的迁移系数只是相对的概念，不能代表绝对量的变化趋势，所以此相对迁移能力不能完全解释叶片与根、茎之间变化的差异。

本试验研究结果表明，烤烟吸收的Cd有80%以上累积在叶片中。土培试验[10,14-15]和水培试验[16]也表明，当栽培基质中的Cd浓度较高时，有些烟草品种的叶片中Cd含量可以达到100 mg/kg以上，烟株吸收的Cd有68%～88%分布于叶片，表明烟草向叶片运输Cd的能力很强，具有超富集植物的特征。大部分Cd都运送到烟株叶片中，对于卷烟主要原料烟叶的生产是一种不利因素[17]。

4 结 论

烤烟不同品种间烟株Cd含量与Cd积累量存在差异，且因不同品种对土壤Cd变化的敏感性不同而变化。Cd正常水平土壤中翠碧1号和豫烟3号叶片Cd含量较低，Cd警戒水平土壤中烟100、云烟87叶片Cd含量较低，Cd污染土壤中烟100、翠碧1号、豫烟3号和云烟85叶片Cd含量较低。不同烤烟品种对土壤Cd变化的敏感响应程度不同，中烟100、红花大金元、NC89对Cd敏感性较低。烤烟从环境中吸收的Cd 80%以上积累在卷烟主要原料叶片中，因此，要尽量选择在Cd含量较低的土壤中进行烟叶生产，同时尽量选择叶片Cd含量低且对Cd敏感性差的烤烟品种，以提高烟叶生产安全性。

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