大气沉降对烟叶重金属含量的影响及溯源分析

翟 振，张艳玲*，杨 欣，王爱国，戴华鑫

1.中国烟草总公司郑州烟草研究院，郑州高新技术产业开发区枫杨街2号 450001

2.广东中烟工业有限责任公司，广州市荔湾区中山七路333号 510000

农产品安全性问题，尤其是重金属含量日益成为国内外学者关注的焦点。目前科研工作者围绕重金属从土壤向农产品迁移开展了诸多研究［1-3］，但在生产实践中发现，由于重金属种类和不同区域作物重金属来源差异等，导致一些以土壤、灌溉水控制为主的重金属控制措施效果不明显。有研究表明［4-7］，随着近年来大气污染源的多样性和环境污染物的复杂性不断增加、大气污染范围和程度的不断扩大，大气沉降已成为我国一些地区农产品重金属积累的重要来源之一。在工业活动密集的区域大气沉降往往成为作物中某些重金属（如Pb、Cd、As、Hg等）的主要来源［8］，一些产区对作物籽粒重金属的贡献甚至超过90%［9］，这些产区通过土壤措施控制作物重金属含量的效果十分有限，因此加强大气沉降对农产品重金属富集风险评估十分必要。烟草作为我国重要的经济作物，又是一种特殊的吸食品，与消费者健康息息相关，明确大气沉降对烟叶重金属的影响尤为重要［10-12］。而目前针对烟叶重金属的研究较少且所关注烟田类型过于单一，缺乏对不同生态类型烟田烟叶重金属富集风险的对比分析。同时，大气沉降对烟叶重金属的贡献率亦不明确，而加强烟叶重金属的溯源分析是对重金属污染源头控制的重要前提，目前针对粮食作物、蔬菜等重金属的来源分析均已开展了相关研究［13-15］。而大气沉降对烟叶重金属的影响，以及降低烟叶重金属富集风险、提高烟叶安全性方面尚未见报道。为此，以黄淮烟区某地具有不同大气污染环境类型烟田（一般农区、公路两侧、厂矿周边）为研究对象，采用薄膜覆盖法研究了不同污染特征环境下大气沉降对烟叶重金属积累的影响；同时采用Ti元素关联分析方法，分析了不同农区大气沉降对烟叶主要重金属积累的影响，旨在明确典型植烟环境中大气沉降对烟叶重金属积累的贡献，为烟叶产区因地制宜进行烟叶种植布局优化和制定重金属防控措施提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区域位于我国黄淮平原某传统烟叶种植县，当地烟草主栽品种为中烟100。当地年平均降水量为692.4 mm，6～8月份降雨量占全年的53%左右，气候属温带大陆性季风气候。研究区域烟叶大田生育期内主导风向为东南风，平均风速1.9 m/s。研究区域不同农区类型（一般农区、公路两侧、厂矿周边）土壤重金属含量如表1所示。

表1 不同类型农区土壤重金属含量①Tab.1 Heavy metal contents in soils from tobacco-planting areas of different types （mg·kg-1）

1.2 试验设计

选择具有不同大气污染代表性的生态环境类型烟田（一般农区、公路两侧、厂矿周边）作为研究对象，利用薄膜覆盖设置田间小区试验。试验于2015年6月15日开始，在不同生态类型区烟田布置集尘缸装置，见图1。将垂直高度2.0 m、安放集尘缸的支架放置于烟田便于操作且不易遭损坏的地方，将集尘缸稳妥固定其上（此时集尘缸口距离地面2.3 m），防止被风吹倒或摇摆。采集不同生态类型区大气沉降样品及相应耕层土壤（0～20 cm）和烟叶样品。其中，一般农区选择与主要污染源（公路交通污染和厂矿企业污染）保持适当距离的烟田，与县3级公路距离5 km以上，与厂矿企业距离25 km以上；公路两侧即为县级3级公路两侧烟田，在主导风向下风口一侧烟田距离公路0.2 km，距离水泥厂30 km以上；工厂周边在主导风向的下风口一侧烟田30°扇形区域内选择距离厂、矿区边缘直线距离为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5和4.0 km处的烟田设置采样点。在上述3个试验区，选择具有代表性的田块，分别设置薄膜覆盖（M）和不覆盖（CK）两个处理，处理小区的规格长×宽为20 m×4 m，每处理重复3次，其他管理措施相同。烟苗移栽后30 d左右，在田间用透明农膜搭建简易棚体遮挡降水，棚体各侧面底部地面以上40 cm留空以便通风，灌溉采用垄沟漫水的方式进行，见图1。于烟叶成熟期分别采集中部和上部新鲜烟叶，抽梗、杀青、烘干、粉碎，待测。

图1 薄膜覆盖及田间集尘缸设置Fig.1 Film mulching and atmospheric dust collecting tank in a tobacco field

1.3 样品采集和处理方法

在3种不同生态环境类型烟田对应不同试验处理，随机选择生长正常的烟株20株，按照叶位(下部：6～7叶位；中部：11～12叶位；上部：16～17叶位）挂牌标示不同部位烟叶。烟叶正常成熟度采收时，采集所有挂牌新鲜烟叶，去梗，叶片105℃杀青20 min，60℃烘干，密封，测定烟叶中Cr、Ni、As、Cd、Pb和Hg 6种重金属的含量（质量分数）。

1.4 测定方法

采用微波法对烟叶样品进行消解，消解用微波消解仪为ETHOS ONE（意大利Milestone公司），使用电感耦合等离子体-质谱法（ICP-MS 7900，美国Agilent公司）对烟叶重金属组成进行测定，烟叶样品Hg含量使用直接测汞仪（DMA-80，意大利Milestone公司）测定。元素测定均使用优级纯级别试剂（德国Merck公司），使用水均为超纯水（Q-POD element级，德国Millipore公司）。具体方法：称取粉碎烟叶样品到聚四氟乙烯消解罐中，用HNO3-H2O2（5∶2/V∶V）体系微波消解，冷却，定容至30 mL。利用ICP-MS 7900（美国 Agilent公司）测定Cr、Ni、As、Cd和 Pb元素含量［16-18］。

1.5 数据处理

试验数据采用Microsoft Excel 2013和SPSS19.0软件进行整理和统计分析，采用Duncan’s新复极差法进行差异显著性检验。

2 结果与讨论

2.1 不同生态类型区烟叶重金属含量的差异分析

图2 不同生态类型区对上部烟叶重金属含量的影响Fig.2 Effects of different ecological areas on heavy metal contents in upper tobacco leaves

图2为不同生态类型区上部烟叶重金属含量分析结果，厂矿周边环境下上部烟叶中Cr、As和Pb 3种重金属元素明显高于公路两侧及一般农区环境，其中As和Pb元素均显著高于公路两侧和一般农区（P＜0.05），分别提高48.6%、61.8%和79.4%、134.6%，而厂矿周边环境Cr元素较公路两侧环境烟叶中含量提高49.2%且达显著水平（P＜0.05），但与一般农区相比差异不显著。因此，厂矿周边环境下Cr、As和Pb 3种元素对烟叶污染风险较高，且风险程度依次为Pb＞As＞Cr；公路两侧环境下烟叶中Ni和Cd两种重金属元素均显著高于厂矿周边及一般农区环境（P＜0.05）。表明不同重金属元素在不同生态类型区上部烟叶中的含量差异显著，这是由于烟叶中重金属含量受土壤中重金属元素背景值和人为活动的综合影响［19］。不同生态类型区烟叶重金属含量的差异一方面可能是不同生态类型区成土母质的重金属背景值存在差异；另一方面可能是相应生态类型区工农业活动及其大气污染造成的［20］，戴华鑫等［11］研究发现厂矿周边土壤显示出重金属Cr元素富集特征，同时厂矿周边As、Pb元素的沉降通量显著高于公路两侧和一般农区。

2.2 薄膜覆盖对烟叶重金属含量的影响

采用薄膜覆盖法评估大气沉降对烟叶重金属含量的影响结果见表2。表2表明，采用薄膜覆盖后，厂矿周边、公路两侧及一般农区3种环境条件下，M处理上部烟叶6种重金属含量均明显低于CK，其平均降低幅度分别为37.2%、24.8%和41.4%。说明薄膜覆盖明显降低了大气沉降对上部烟叶的重金属污染风险。有研究表明［21-22］，不同生态类型区域大气沉降中重金属含量存在差异，本研究结果显示，对于厂矿周边，M处理上部烟叶Cr、Ni、As和Pb 4种元素较CK显著降低（P＜0.05），降低幅度在54.9%～64.2%，但Cd和Hg两种元素无显著差异；与厂矿周边烟田不同，一般农区和公路两侧M处理上部烟叶Ni、As和Pb显著低于CK（P＜0.05），其他重金属元素处理间差异不明显，说明不同生态类型区大气沉降对烟叶中不同种类重金属含量的影响程度不同。

对于中部烟叶，厂矿周边、公路两侧及一般农区3种环境条件下，M处理6种重金属含量较CK亦有所降低，但平均降低幅度均低于30.0%，明显小于上部烟叶处理间的差异，说明大气沉降对上部叶重金属含量的影响与中部叶有所不同，这是由于棚体各侧面底部地面以上40 cm留空以便通风，增加了大气沉降对中部烟叶的重金属污染风险，也进一步说明大气沉降对烟叶重金属含量的影响较大。

表2 薄膜覆盖对烟叶重金属含量的影响①Tab.2 Effects of film mulching on heavy metal contents in tobacco leaves （mg·kg-1）

进一步分析发现，厂矿周边、公路两侧及一般农区3种环境条件下，CK中部烟叶6种重金属含量均明显高于上部烟叶，6种重金属含量的平均增幅分别为31.1%、29.7%和49.5%，其中厂矿周边和一般农区环境，中部叶Cr、As、Cd、Pb和Hg 5种元素显著高于上部叶（P＜0.05），公路两侧环境中部叶As、Pb和Hg 3种元素显著高于上部烟叶（P＜0.05）。这可能与中部烟叶生长周期长、叶面积大、接受大气沉降影响时间长等因素有关，也可能与重金属元素在烤烟不同部位叶片中分配的固有特征有关，尚需进一步试验。

2.3 基于Ti元素关联的烟叶重金属来源分析

采用Ti元素关联分析法对2016年上部烟叶中重金属来源进行分析［7］。Ti元素作为自然界中广泛存在的一种金属元素，在土壤中含量较高，但由于其化合物的溶解度比较低，因此溶解态的Ti元素很少，植物通过根系从土壤中吸收的Ti元素亦非常少，因此，可以认为植株地上部吸收的Ti主要来自于大气沉降和土壤扬尘［23-24］。

对上部烟叶中各重金属含量与Ti元素含量进行相关分析（图3）发现，2016年上部烟叶中Cr、As和Pb含量与Ti含量均显示出极显著正相关关系，R2分别为0.795 2、0.459 8和0.345 3；烟叶中Ni、Cd和Hg含量则与Ti含量间没有明显的相关关系。一般认为，植物中重金属含量与Ti元素含量的相关性越强，植株中重金属来源于植物表面的概率越大，相反重金属吸收自土壤的可能性则越小［7］。因此，2016年上部烟叶中的Cr、As和Pb可能主要来源于大气降尘和土壤扬尘。戴华鑫等［11］对烟叶重金属含量与大气沉降重金属含量的相关分析发现，上部烟叶As和Pb含量与大气沉降通量呈显著正相关，与本研究结果一致。这进一步验证了大气沉降是烟叶中部分重金属元素的重要来源。

图3 上部烟叶重金属含量与Ti含量的相关性Fig.3 Correlation between heavy metal contents and Ti content in upper tobacco leaves

2.4 大气降尘理论贡献率分析

根据烟叶样品中与Ti含量关系密切的3种重金属元素与Ti元素含量的线性回归方程，计算得到沉降对烟叶Cr、As和Pb 3种元素的理论贡献率。假设烟叶中的Ti元素完全来源于大气降尘，则大气沉降对各元素的理论贡献率计算公式［7］：

式中：P为大气沉降对烟叶重金属的理论贡献率；X为烟叶Ti含量；Y为烟叶中的元素含量；K为烟叶中Ti元素含量与各重金属含量相关关系曲线斜率，K值越大表明扬尘和大气沉降对烟叶中相应重金属含量贡献越大。

大气沉降和土壤扬尘对试验地上部烟叶样品Cr、As和Pb的平均贡献率分别为80.82%、72.92%和73.09%。其中Cr元素大气沉降贡献率最高，分别较As和Pb元素提高10.83%和10.58%，见图4。说明选取适宜的生态环境区进行烟叶种植，以降低大气沉降对烟叶重金属含量的影响十分必要。

图4 大气沉降对上部烟叶中Cr、As、Pb的平均贡献率Fig.4 Average contribution rates of atmospheric deposition to Cr,As and Pb in upper tobacco leaves

3 结论

大气沉降对烟叶中重金属含量有重要影响，且不同污染特征环境下各重金属污染风险不同，厂矿周边环境下Cr、As及Pb 3种元素对烟叶污染风险较高，公路两侧环境下Ni、Cd元素污染风险高；不同污染特征环境下的烟田中，中部烟叶重金属含量明显高于上部烟叶；薄膜覆盖后，大气沉降对上部烟叶重金属含量的影响显著降低；Ti元素关联分析表明，大气沉降对上部烟叶样品Cr、As和Pb的平均贡献率分别为80.82%、72.92%和73.09%。因此，选取适宜的生态环境区进行烟叶种植，同时对不合理的烟叶种植布局进行优化调整，以降低大气沉降对烟叶重金属含量的影响。