烟草重金属及其修复措施研究进展

许嘉阳+宋鹏飞+刘春奎+贾玮

摘 要：随着重金属污染问题日趋突出，烟草的安全性也引起了人们的广泛关注。该文介绍了烟草重金属的来源、含量状况、迁移和积累，分析了烟草对重金属吸收积累的影响因素，并提出了治理重金属污染的主要措施，旨在为烟草重金属污染修复研究提供参考。

关键词：烟草；重金属；积累因素；修复措施

中图分类号 S572 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2015）17-29-04

Progress of Heavy Mentals and Restoration Measures in Tobacco

Xu Jiayang1 et al.

（1College of Resources and Environment，Huazhong Agricultural University，Wuhan 430070，China）

Abstract：The security issue of tobacco had aroused public atttention widely with heavy mental pollution growing increasingly prominent within our surroundings. Contents of main heavy mentals in tobacco and the way they migrated，being absorded，accumulated as well as certain factors that might influence them were summarized in the article. Moreover，some feasible methods and measures were put forward aiming at providing some references for preventing and controlling heavy mental pollution in tobacco ecosystem.

Keywords：Tobacco；Heavy mental；Accumulation factors；Restoration measures

重金属一般是指比重大于5的金属元素，主要包括铅、镉、汞、铬、铜、锌、镍等，已日益成为影响环境的主要污染物。由于重金属广泛分布于大气、土壤和水中，严重威胁着农产品的质量安全。有研究表明，卷烟中的重金属会随着吸食过程进入人体，在吸烟者体内逐步积累，从而对人体造成严重伤害。因此，分析烟草重金属的来源、含量状况、迁移和积累的影响因素，提出烟叶重金属含量降低的有效措施，对控制烟草重金属及卷烟重金属残留量具有重要的意义。

1 烟草重金属的来源

重金属的来源非常广泛，大体上可以分为工业、农业和城市3种来源[1]。工业能源大多以煤、石油类为主，是环境中汞、铅、镉、铬、砷等重金属污染的主要来源；农业来源主要是指污水灌溉、农药、劣质化肥等在农业生产中的不合理使用；城市来源主要包括污水处理中污泥的堆放、垃圾渗滤液的泄漏以及含铅汽油的使用等。此外，大气沉降也是导致土壤中重金属的主要来源之一[2]，大气中的大多数重金属是经自然沉降[3]和雨淋沉降进入土壤的，然后经由雨水淋滤及地表径流作用转移进入地表水系统，从而对饮用水安全构成威胁。

烟草重金属来源主要包括2类：一是大气中的重金属可由烟叶表面吸收，二是土壤中的重金属可由烟草根部吸收。烟叶原料中的重金属主要源于土壤，卷烟中的重金属也可源于加工中的香精香料、黏合剂和卷烟纸[4]。

2 烟草中重金属的含量状况

镉广泛存在于自然界，其在土壤中的含量表现为0.01～0.7mg/kg，在人体中的半衰期长达10～30a[5]。烟草是镉的富集植物，烟叶中重金属富集系数表现为Cd>Zn>Cu>Hg>Ni>Cr>Pb>As，烟叶镉的富集系数高达11.67，与其他作物相比其含量相对较高[6]。在卷烟抽吸过程中，镉在烟气中的迁移率与其他金属元素相比较高，其平均转移率高达10%，而砷、镍、铜等的转移率不足1%[7]。约有33%的镉在卷烟燃烧过程中进入烟气，且烟气镉含量与卷烟中镉总量的正相关达到显著水平[8]。

大田烤烟镉素含量约为0.5～5mg/kg[9]。我国烤烟主产区中部烟叶的镉含量为2.95mg/kg，镉含量低于4mg/kg的样品占79.07%[10]。烟叶镉含量在污染的植烟土壤中会显著提高，例如，当含镉的城市污泥施入土壤以后，烟叶镉含量可升高到70mg/kg[11]。

烟叶的镉含量与地域分布密切相关。我国烟叶镉含量在不同烟区之间的差异达到极显著水平，平均镉含量在不同产区之间甚至相差10倍以上[10]。对国外烟区的烟叶镉含量进行更大范围的比较，加拿大烟叶的镉含量最高，是美国的5倍[12]。我国云南和贵州烟叶镉含量明显高于其他省份[13]，贵州烟区由于磷矿石的镉含量较高，烟叶镉含量约为3.02mg/kg，为黄淮烟叶镉含量的2.3倍。对来自我国20个主产烟区的497份烤烟样品进行分析，表明镉、铅、砷的平均含量分别为2.95、2.89和0.53mg/kg[14]。来自山东烟区的烟叶镉、铅、汞的平均含量相对较低，分别为0.46、0.76和0.027mg/kg[15]。云南曲靖烟区烤烟铅、铬、汞平均含量分别为4.15，1.78和0.050mg/kg[16]。综上所述，我国烟叶重金属含量在地区之间存在显著差异；当前我国烤烟的重金属元素可能主要是铅和镉[14]；随着地点和年份等生态环境的变化，烟叶重金属积累也随之发生变化[17]。

3 烟草中重金属的积累和迁移

当外源的重金属污染物进入土壤后，烟草可通过根系代谢吸收进入根细胞，部分滞留于根中，部分通过胞间运输和蒸腾作用积累在茎、叶之中。

烟草不同部位重金属含量及分配规律不同。现蕾期各部位镉的含量是叶>根>茎>种子，种子作为繁殖器官具有保护机制而避免对后代的毒害。成熟烟株烟叶中的镉含量几乎表现为均匀分布，以根中的含量最低；下部叶的铅含量最低而根中最高。随着烟株的生长发育，其不同部位的重金属含量相应降低，这一变化规律与作物生长的稀释效应原理相吻合[18]。在烟草各器官中，镉吸收累积顺序一般为叶或茎>根>种子，铅吸收累积表现为根>茎>叶。基于不同重金属处理，一般镉、铅吸收量占烟草总吸收量表现为：茎>叶>根。因此，绝大部分重金属累积在烟草的茎叶中，尤以镉元素最为明显。汞在烟株中的富集规律为：根>茎>叶，且下部叶>中部叶>上部叶[19]。在铬污染下，烟株各器官中铬富集量均随铬处理浓度的增加而增加，以根中最高，茎中次之，叶中最低[20]。

转移系数常用来表示作物对某元素转移能力的强弱。镉在烟草中的转移系数为2.57～3.63，铅的转移系数为0.22～0.54，表明烟草对镉的转移能力明显强于铅[18]。在共存重金属种类较多的情况下，以物理学吸附为主的镉，其迁移系数逐渐增大，而以化学吸附占优势的铅，其迁移系数逐渐减小[21]。多种重金属共存可以促进镉向烟草地上部迁移，并抑止铅向烟草叶部迁移[22]。虽然铅能降低镉在叶片中的累积，但却会增加烟草根系中镉的含量和比例[23]。汞不易在烟株中迁移[24]，一般下部烟叶汞的残留量最大，生产上有必要打去外观品质低劣的脚叶。

4 影响烟草中重金属吸收积累的因素

在影响烟叶重金属吸收积累的因素中，土壤的影响最大且具有普遍性，气候影响次之，而品种的影响相对较小[25]。烟田土壤镉含量及其有效态含量与烟叶镉含量的正相关均达到极显著水平[26-27]。

4.1 土壤类型 烟叶重金属的积累量因土壤类型不同而显著不同。变性土中的烤烟镉含量显著高于淋溶土[28]。烟叶镉含量与土壤pH的负相关达到显著水平，当土壤pH较低时烟叶镉含量较高[29-30]。不少研究表明，土壤pH值与烟叶镉、铅、汞、镍、锰、铜、锌含量的负相关均达到显著水平[16，31-33]，也有研究[29]认为土壤pH升高对烟叶Cu或Pb含量无影响。另外，土壤有机质含量与烟叶中铅、镉含量的相关性达到显著水平[16]，说明重金属在土壤中的富集程度与土壤有机质含量有关。土壤阳离子交换量也会对烟叶重金属的吸收产生影响。

4.2 施肥因素 有关施肥（特别是磷肥）对烟草重金属积累影响的研究备受关注。在高磷处理下，烟叶镉积累显著高于低磷肥处理[33]。当土壤中施用磷的浓度提高时，烟草中的镉含量变化趋势表现为先降低后升高[24]。也有研究认为烟叶镉含量在大田施用磷肥和不施磷肥2个处理之间差异不显著[28]。磷肥的施入量在不超过160kg/hm2时，对烟叶重金属含量影响甚微[34]。除磷肥外，其他类肥料的施入也会对烟叶镉含量产生影响。土壤中施入鸡粪[35]和蚯蚓粪[36]对镉的吸收有一定的抑制作用，而增加氮肥的施入量则会导致烟叶镉积累量的升高[37]。

4.3 金属离子 多元素复合的土壤污染相应对烟株重金属积累产生复合效应[38]。锌、铁、铅、钙等金属元素均能影响烟草对镉的积累[23，39]，其中向土壤中施入锌[23]、铁和铅[40-41]均能促进烟草对镉的吸收。Cd+Pb复合污染与单独Cd污染处理相比较，前者的烤烟Cd含量在根中增加了11.7%，在茎中增加了19.9%，Pb对Cd积累具有较大的协同效应[42]。在石灰性土壤中添加适量的磷可减轻镉对烟草的危害[24]。

4.4 其他因素 影响烟草重金属吸收与积累的其他因素还包括气候条件、烤烟品种及土壤修复改良剂等[38]。不同年份相比较，有的年份从下部叶到上部叶，烟叶Pb和Cd的含量依次升高，有的年份则相反[2]，可能与降雨等气候因素有关。尽管不同研究的结论有所出入[43]，但气候环境因素是烟叶重金属含量变化的重要影响因素。

就不同的烤烟和香料烟品种而言，烟草Pb和Cd的含量变化不大，但香料烟对Cd和Pb的吸收较低[44]。也有研究认为品种对烟叶Pb含量的影响较大[45]，在不同部位之间的差异显著。

土壤改良剂能降低烤烟对重金属的吸收，不同土壤改良剂（活性炭、凹凸棒土、有机肥等）可以抑制烤烟对Pb和Cd的吸收，相应降低了其在叶片中的含量[46]，改良效果表现为凹凸棒土>骨粉>活性炭[18，47]。

5 烟草重金属污染治理的策略

控制烟叶重金属积累已成为烟草农业减害的研究热点。为了从源头阻断重金属进入烟田的途径，需要做好烟区土壤、水源重金属含量的普查，加大烟草专用肥料的重金属检测力度，合理控制农药使用[48]。

5.1 建立科学的烟草种植布局 为了提高植烟土壤的安全性，需要从源头控制重金属向烟区的迁移。努力避免种植烟草于重金属污染区域，特别是要禁止在重金属的高污染区域种植烟草，这就需要通过重金属的调查与监测，建立科学的烟草种植区划。

5.2 制订规范的烟草施肥方案 为了保证烟草专用肥特别是磷肥专用肥的质量，必需建立严格的准入标准体系和规范的施肥方案，最大限度地减少来自肥料中的重金属。福建烟区使用的烟草肥料尚属安全级别[49]，其As含量为限量标准的0.7%～24.0%，Cd为0.5%～2.1%，Hg为0%～4.8%，Pb为7.7%～50.6%。生产钙镁磷肥的矿渣可能含有较高含量的Cr，因而导致肥料偏高的Cr含量，需要引起高度重视[50]。

5.3 严格控制施用城市废弃物 一些源于城市废弃物的垃圾肥料可能导致土壤重金属含量的急剧增加。烟叶中的Cd和Ni含量在施用垃圾肥料之后可明显提高。为了降低烟草的潜在污染风险，应杜绝城市垃圾肥的施用，并防止污水灌溉烟田。

5.4 通过农艺措施改变烟叶重金属的聚集 一些农艺措施（包括土壤pH值调节、有机质含量控制等）可通过改变土壤重金属的活性程度，降低重金属的富集。例如，土壤氧化还原电位可通过控制土壤的水分进行调节，最终减少重金属污染；在重金属污染的土壤上种植不进入食物链的植物（苎麻），5a后土壤中含Cd平均降低27.6%[51]；把采摘后的烤烟根、茎集中处理，可提取土壤重金属和防止二次污染[52]。

5.5 使用土壤改良修复剂 土壤修复剂可控制烟草重金属的吸收，主要分为2类，其一是利用碱性物质提高土壤pH值[53，54]，其二是可与重金属专性结合的物质（固化剂、化学试剂、天然矿物骨粉和活性炭等修复剂）[18，55-57]。另外，施用适量的黄腐酸可以增加砷在土壤中的残留率，降低单株烤烟的砷含量[58]。尽管土壤修复技术确有降低烟草重金属含量的效果，但对其长期稳定性和生态系统的影响还不甚了解，有待于田间试验的进一步验证。

5.6 利用生物技术控制重金属含量 基于抗重金属基因工程原理和技术，通过金属硫蛋白与镉形成复合物，可在烟草中转入动物的金属硫蛋白基因，使其在烟草根中固定而无法向地上部转移，从而降低其表达产物中的镉含量。将小鼠的金属硫蛋白基因转入白肋烟使叶片镉含量下降了24%[59]。在烟草转基因植株中转入人类的金属硫蛋白基因，可使烟草镉含量大大降低[60]。在转入金属硫蛋白基因的烟株中，与对照相比较，烟株根系和茎中的镉含量有所升高，而烟叶中的镉含量下降了70%[61]。表明应用生物技术控制烟叶重金属的吸收积累具有较大的发展潜力。

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（责编：张长青）