长沙烟区烟叶重金属含量与土壤重金属含量及其性质的相关性分析

赵阿娟，曾维爱，蔡海林，谢鹏飞，翟争光，丁春霞，姚茗淞，周勇，文志勇

1 湖南省烟草公司长沙市公司，湖南长沙 410011；

2 湖南农业大学化学与材料科学学院，湖南长沙 410128；

3 湖南省生物技术研究所，湖南长沙 410128

烟草中的重金属元素主要有铅、铬、汞和镉等[1]，在抽吸过程中，它们以气溶胶或金属氧化物的形式随着烟气进入人体，对吸烟者身体健康造成极大危害[2]。同时，富集的重金属还严重影响烟草的生理过程和品质[3]。因此，对烟草中重金属来源和防控等研究已成为当前烟草行业的研究热点，受到人们的广泛关注[4-5]。

土壤是烟草赖以生长的环境，也是烟叶重金属的主要来源。烟叶中的重金属含量与土壤中的重金属含量及其生长环境密切相关[2,6-8]。魏小慧等[9]研究发现，烟草对不同重金属富集能力存在较大差异。植物中的重金属含量除了受土壤重金属含量的影响外，还受到土壤pH 值、有机质、阳离子交换量（CEC）、氮磷钾等理化性质的影响。土壤pH 值主要通过改变重金属在土壤中的形态，从而影响其生物有效性，它是影响重金属从土壤迁移到植物中最为显著的因素[8]。其次，土壤有机质也是影响植物吸收重金属的主要因素，王科等[10]研究发现，稻谷中的铜和砷含量与土壤有机质含量呈现显著负相关性。由此可知，土壤重金属含量及其主要理化性质对重金属从土壤到植物中迁移影响显著，然而迄今为止，未见有关于烟草中砷（As）、铬（Cr）、镉（Cd）、铅（Pb）、及汞（Hg）含量与土壤中重金属含量及其土壤理化性质的相关性研究报道。

本研究采集了湖南省长沙烟区不同理化性质的土壤样品，通过盆栽试验研究了烟叶在不同性质的土壤中对As、Cd、Cr、Pb 及Hg 的富集情况。采用SPSS软件对所得数据进行相关性分析，探讨烟叶重金属含量与土壤重金属含量和土壤理化性质的相关性，以期为了解烟叶重金属来源及污染防控提供参考。

1 材料与方法

1.1 土壤样品采集与处理

2018 年2 月底至3 月初，在湖南长沙烟区采集土壤样品共40 个。样品采集深度为20 cm 的耕作层，所有土壤样品均风干后过筛，待用。

1.2 盆栽试验

盆栽试验在湖南农业大学耘园烟草基地大棚室内进行。取风干过筛土壤样品25 kg 于规格为25 cm×40 cm 的塑料盆中，每盆施用纯氮5.0 g，并按照N：P2O5∶K2O=1 ∶0.8 ∶2.2 的质量比例用P 和K 肥，N、P、K 分别以硝酸铵、过磷酸钙和农用硫酸钾为肥源。于3 月29 日往每盆土壤中分别移栽云烟87 烟苗1 株，每种土壤样品重复3 次。各处理随机排列，定期浇水，保证每盆浇水量一致，烟株现蕾后打顶，于7 月23 日采收中部烟叶。

1.3 烟叶样品预处理

采集回的烟叶样品于105℃下杀青1 h，然后在75℃条件下烘干，粉碎，过100 目筛，装袋待测。

1.4 土壤和烟叶样品前处理与分析测定

土壤样品参考HJ 803-2016 和GB/T 22105.1 方法采用硝酸/盐酸混合溶液微波消解，过滤，待测；烟叶样品参考YC/T 380-2010 和YC/T 250-2008 法用硝酸/过氧化氢混合液进行消解，过滤，待测。用电感耦合等离子体质谱仪测定滤液中Cd、As、Pb 和Cr含量，用原子荧光光度计测滤液中Hg 含量。土壤和烟叶样品分别用标准物质GBW07445（GSF-5）和GBW10049（GSB-27）进行质量控制来验证方法的准确性。

土壤主要理化性质如pH 值、有机质含量、CEC、碱解氮、速效钾及速效磷含量参照相关标准方法和文献进行测定[11]。

1.5 数据处理

采用Excel 2010 和SPSS 19.0 进行数据统计、方差分析和相关性分析。烟草

重金属的富集系数（CF）通过以下公式计算：

公式中ω烟表示烟叶中重金属的浓度，ω土表示土壤中重金属的浓度。

2 结果与分析

2.1 土壤性质统计分析

土壤样品的pH值、有机质、阳离子交换量（CEC）、碱解氮、速效磷及速效钾含量测定分析结果如表1 所示。

表1 土壤理化性质分析Tab. 1 Analysis of soil physicochemical properties

由表1 可以看出，除土壤pH 值变异系数较小外，有机质、CEC、碱解氮、速效钾、速效磷含量的变异系数均大于20%，表明供试土壤中的有机质、阳离子交换量（CEC）、速效磷、速效钾及碱解氮存在较大差异。抽查的土壤样品的pH 值介于4.51～7.15间，平均值为5.88，表明供试土壤呈弱酸性。供试土壤有机质、CEC、速效磷、速效钾及碱解氮的平均含量分别为31.97 g/kg、16.74 cmol/kg、36.25 mg/kg、212.33 mg/kg 和153.63 mg/kg。根据土壤养分分级标准可知[12]，有机质和速效磷含量较丰富，属于II 级水平；碱解氮含量中等，属于III 级水平。

2.2 土壤中重金属含量统计分析

土壤样品中的Cd、Hg、As、Pb 和Cr 含量的测定分析统计结果见表2。

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

从表2 可以看出，供试土壤样品中Cr、As、Cd、Pb 和Hg 含 量 的 平 均 值 分 别 为60.99 mg/kg、13.95 mg/kg、0.21 mg/kg、34.64 mg/kg 和0.07 mg/kg，这些元素在待测土壤样品的平均含量都未超过《烟草产地环境技术条件（NY/T 852-2004）》标准值。但是土壤样品的这五种元素含量变异系数较大，均大于20%，其中土壤中Cd 含量的变异系数最大，高达53.19%，表明不同土壤中各元素含量存在较大的差异，这可能与不同土壤理化性质及栽培管理模式有较大差异有关。

2.3 烟叶中重金属含量及其富集系数

不同土壤中烟叶样品As、Cd、Cr、Pb 和Hg 含量测定分析结果见表3。

表3 烟叶重金属含量分析Tab. 3 Analysis of heavy metal content in tobacco leaves

从表3 可以看出，烟叶中As、Cd、Cr、Pb 和Hg 含量的平均值分别为0.26 mg/kg、4.84 mg/kg、1.39 mg/kg、1.52 mg/kg 和0.11 mg/kg，烟叶样品中各重金属含量变异系数较大，均超过20%，As 和Cr的变异系数最大，分别为71.91%和70.33%，这可能是由于供试土壤理化性质差异、植烟土壤中这些元素含量差异所致。富集系数表示烟叶对土壤中不同重金属的吸收能力强弱[13]。从表3 中还可以看出，烟叶对As、Cd、Cr、Pb 和Hg 的富集系数分别为0.019、23.047、0.023、0.044 和1.571，可见，Cd 在烟叶中的富集系数最高，而Hg、As、Cr 和Pb 在烟叶中的富集系数相对较低。表明烟叶对Cd 的吸收富集能力极强，而对Hg、As、Cr 和Pb 吸收富集能力相对较弱，烟叶对重金属的富集与重金属种类有关[9]，不同重金属在烟草植株中的迁移分布规律有着较大的差异，在成熟烟草植株中Hg、As、Cr 和Hg 主要分布在烟草的根部，茎和叶中含量较少，而被烟草吸收的Cd主要分布在烟叶中，烟叶中的Cd 占烟草总吸收Cd的80%以上[1,14]，表明Cd 在烟草中迁移能力强，极易被烟叶富集，这可能是Cd 在烟叶中富集系数高的原因。

2.4 烟叶重金属含量与土壤性质相关性分析

对烟叶中重金属含量与土壤理化性质进行相关性统计分析，其结果见表4。

表4 烟叶重金属与土壤理化性质相关性Tab. 4 Correlation between soil physicochemical properties and heavy metal content in tobacco leaves

从表4 中可以看出烟叶中Cd、As、Cr、Pb 和Hg均与土壤pH 值呈负相关性，其中烟叶中的Cd 含量与土壤pH 值呈显著负相关，其相关系数为-0.431；烟叶中这五种元素含量均与土壤中有机质含量呈负相关性，其中Cr、Pb 和Cd 与有机质含量相关系数较大，分别为-0.555、-0.529 和-0.449，与土壤有机质呈极显著或显著负相关性；烟叶中Pb 含量与土壤CEC 呈显著负相关性，烟叶中As 和Cd 含量与速效磷含量分别呈极显著负相关性和显著正相关性，对烟叶中重金属含量与土壤理化性质具有显著相关性的进行回归分析，采用线性回归模型进行拟合，拟合方程及线性相关系数如图1 所示。从图1 可以看出烟叶中As、Cd、Cr 和Pb 的含量受土壤pH 值、有机质含量、阳离子交换量、碱解氮及有效磷因素的影响，且影响趋势和程度存在较大差异。

2.5 烟叶重金属含量与土壤重金属含量相关性

烟叶As、Cd、Cr、Pb 和Hg 含量与对应的土壤中的这5 种重金属含量相关性如表5 所示。从表中可以看出，烟叶中的Cr、Pb 和Cd 含量分别与土壤中的Cr、Pb 和Cd 含量存在显著或极显著正相关性，而烟叶中As 和Hg 含量与土壤中As 和Hg 含量无显著相关性。

图1 烟叶重金属含量与土壤理化性质显著相关性回归拟合曲线Fig. 1 Fitting curve of significant relationship between heavy metal content in tobacco leaves and physicochemical properties of soil

表5 烟叶重金属与土壤重金属相关性Tab. 5 Correlation between heavy metal content in soil and heavy metal content in tobacco leaves

3 讨论

烟草对重金属的吸收程度受土壤重金属含量和土壤理化性质的影响[15]。Zaprjanova 等[16]研究发现，烟草中Cd 含量与土壤中Cd 总量和土壤有效态Cd 浓度均存在显著正相关性。崔晓峰等[13]发现，蔬菜中重金属含量与土壤重金属总量呈极显著的正相关；王怡雯等[17]发现小麦籽粒中Cd 和Pb 含量分别与土壤中Cd 和Pb 总量呈显著正相关性。本研究也发现烟叶中Cd、Pb 和Cr 含量与土壤中Cd、Pb 和Cr 总量存在显著的正相关性，但烟叶中As 和Hg 含量与土壤中As 和Hg 总量相关性不明显，这主要是由于作物在吸收土壤中的重金属时除了受土壤重金属含量的影响外，还会受到土壤理化性质如土壤有机质含量、pH 值及阳离子交换量等因素影响[3]。

土壤有机质是影响重金属在土壤-作物间迁移的重要因素之一[18-27]。土壤有机质中可溶性的小分子有机物如富里酸能和重金属形成稳定弱的络合物，使重金属的移动性和生物有效性增强，促进作物对土壤重金属的吸收；而有机质中大分子有机物如胡敏酸等易与重金属形成稳定性强的螯合物，降低植物对土壤重金属的吸收[28-29]。土壤有机质可使土壤阳离子交换量增大，减少植物对土壤重金属的吸收[30-33]，Wang 等[20]研究发现，往Pb 和Cd 污染土壤中施用堆肥和农家禽畜肥，导致土壤有机质含量显著增加，减少了烟草对土壤中Pb 和Cd 的吸收。在不同类型土壤中有机质对作物吸收重金属的影响也存在较大差异，王祖伟等[34]研究发现，在砂质潮土、壤质潮土中小麦籽中铜和镉含量与土壤有机质呈显著负相关性，而在粘质潮土其相关性差；He 等[30]研究发现，在沙土中黑麦草对Cd 吸收受土壤有机质影响大于沙壤土和粘壤土。本研究发现，烟叶Cr、Pb 和Cd 含量与土壤有机质含量呈现显著负相关性。此结论与高志强[35]和汤浪涛等[36]研究结果不一致，这可能是由于长沙植烟区和茶陵与曲靖烟区土壤中有机质组成、有机质含量及土壤类型存在较大差异所致。

土壤pH 值对土壤重金属的形态与生物有效性影响较大[37]。王卫等[38]研究发现，在中、酸性土壤中烟叶对Cd 的吸收显著高于碱性土壤。本研究发现烟叶中As、Cd、Cr、Pb 和Hg 含量与土壤中pH 值呈负相关性，其中Cd含量与土壤pH值呈显著负相关性，这与大多数文献报道的结果一致[6,36,39]，表明在酸性土壤中可适量施用碱性土壤调理剂提高土壤pH 值，可减少烟叶对重金属的吸收。

土壤阳离子交换量（CEC）的大小主要与土壤表面胶体负电荷有关，CEC 值增大，土壤颗粒表面负电荷增多，对土壤金属离子吸附能力增大，导致作物对土壤中金属离子吸收减小[37,40-42]。本研究得出烟叶中的Cd、Cr 和Pb 含量与土壤中的CEC 呈负相关性，其中烟叶中Pb 含量与CEC 相关系数最大，表明土壤中CEC 对烟叶吸收富集Pb 的影响较大，CEC 含量高的土壤中烟叶对Pb 的吸收减少。

土壤中的速效磷也可影响作物对土壤重金属的吸收程度，Im 等[43]研究发现，土壤中磷可与Pb、Cd和As 等产生络合作用，导致作物对这些元素的吸收降低，本研究发现烟叶中As 与土壤中磷呈显著负相关性，但烟叶中的Cd 却与磷呈显著正相关性。这可能是由于植烟区施用了较多的磷肥，而某些磷肥中Cd 含量较高，施入土壤后使得土壤Cd 含量也相对较高，导致烟叶对Cd 的吸收增加[6]。

可见，烟叶对环境中重金属的吸收影响因素复杂多样，它不仅受土壤中重金属含量、土壤pH、有机质含量、CEC 及速效磷等因素影响，还与土壤类型、有机质组成、农艺措施、气候条件及烟草品种等密切相关。

4 结论

调查区土壤整体呈弱酸性，有机质和速效磷含量较丰富，属于II 级水平；碱解氮含量中等，属于III 级水平。土壤中As、Cd、Cr、Pb 和Hg 含量平均值都未高于《烟草产地环境技术条件（NY/T 852-2004）》标准值，不同土壤样品中的Cd 含量差异较大。烟叶中As、Cd、Cr、Pb 和Hg 的富集系数大小依次为Cd＞Hg ＞Pb＞Cr＞As，其中烟叶Cd 的富集系数远远大于其它4 种重金属，表明烟叶对Cd 的富集能力最强。

通过相关性分析得出，烟叶中Cr、Cd 和Pb 含量与土壤中相对应的元素含量呈显著正相关性。烟叶中As、Cd、Cr 和Pb 含量在一定程度上受到土壤pH 值等理化性质的影响，烟叶中Cd 含量与土壤pH 值呈显著负相关性，烟叶中Cd、Cr 和Pb 含量与土壤有机质含量呈显著或极显著负相关性；烟叶中的Pb 含量与CEC 呈显著负相关性；烟叶中As 含量与土壤中速效磷含量呈极显著负相关性，而烟叶中Cd 含量与速效磷含量呈显著正相关；Hg 含量与土壤理化性质相关性不显著。