石陶然,趙 建,韓小斌,彭玉龍,劉 京,祝乾湘,譚 靜,莫靜靜,馬 瑾*

(1.中國環(huán)境科學研究院環(huán)境基準和風險評估國家重點實驗室,北京100012；2.中國煙草總公司遵義市公司,貴州遵義 520300)

土壤中重金屬主要受人類生產活動的影響，農事操作 (施肥、灌溉等) 是重金屬在土壤中富集的主要來源之一[1]。煙草是一種對重金屬富集作用很強的經濟作物，因而即使土壤重金屬含量未超過土壤環(huán)境質量標準，也會導致其煙葉中重金屬含量升高，進而影響煙葉品質及其吸食安全性[2]。目前，我國農田土壤不同程度地存在As、Pb、Cd污染[3]，如何控制土壤環(huán)境重金屬遷移到煙葉中是需要加以關注并亟待解決的問題。煙葉中的重金屬主要包括Cd、Hg、Pb、As、Cu、Zn、Cr、Ni等[4]。自1980年代開始，Ni、Cr、Pb等重金屬在煙葉中的含量就備受關注，特別是2010年的一份關于中國品牌卷煙重金屬含量的檢測報告引發(fā)了強烈反響[5]。有關重金屬在煙草中的累積及對人體健康危害的研究日益受到重視。國內有關煙葉重金屬的研究起步較晚，研究主要針對土壤、化肥、農藥與煙葉重金屬含量的關系以及降低煙葉中重金屬含量的技術[6-7]。

遵義市位于貴州省北部，距貴陽市155 km，地理位置105°36′～108°13′ E，27°8′～29°12′ N，全市總面積30 762 km2。遵義市烤煙自1940年在遵義縣團溪鎮(zhèn)從貴定引進試種成功，至今已有近70年的種植歷史，是全國烤煙種植區(qū)劃最適宜的優(yōu)質烤煙主產區(qū)之一，年烤煙種植面積5.6萬hm2左右，生產、加工煙葉9 000萬kg以上。全市植煙區(qū)域主要分布在務川、遵義、余慶、正安、道真、湄潭、綏陽、桐梓、鳳岡、仁懷10個縣和匯川。遵義市現(xiàn)有復烤廠2家 (匯川區(qū)、湄潭縣) 和卷煙廠1家 (匯川區(qū))。已有研究表明，云貴地區(qū)煙葉中的Cd含量均為3.021 mg/kg，是黃淮煙葉的2.3倍[8]。筆者對遵義3個植煙區(qū)煙苗和煙葉中重金屬含量進行了調查分析，通過對煙苗、煙葉中8種重金屬含量的比較，探討重金屬可能的來源，以期為當地煙田重金屬控制及安全生產監(jiān)控體系建立提供科學依據。

1 材料與方法

1.1樣品采集與保存遵義地區(qū)共有10個烤煙種植縣，該研究在遵義縣、鳳岡縣、余慶縣分別選擇1塊代表性植煙區(qū)采集樣品。采樣點位如圖1所示。

圖1 遵義市采樣區(qū)縣地理區(qū)位示意Fig.1 The geographical location of sampling sites in Zunyi City

該研究于2016年5月10—18日在遵義市余慶縣、鳳岡縣和遵義縣煙苗培育大棚采集整株煙苗。將煙苗從培養(yǎng)基質中取出，每個樣品采集0.5 kg (濕重)，清洗干凈后裝入專用的采樣袋，冷藏保存。共采集20株煙苗樣品，每個樣品3次重復，共計60株煙苗樣品。

于2016年7月15—23日在遵義市余慶縣松煙、鳳岡縣九龍和遵義縣鴨溪煙草種植基地采集煙葉(為5月采集的煙苗移栽大田生產的煙葉)。采集煙葉后清洗干凈，裝入專用采樣袋，冷藏保存。每個樣品采集0.5 kg (濕重)。共采集20個煙葉樣品，每樣品3次重復樣，共計60個煙葉樣品。 樣品采集完成后，以4 ℃低溫盡快運至實驗室進行分析。

1.2樣品處理與分析煙苗和煙葉樣品經真空冷凍干燥后研磨，并通過孔徑為100 目 (0.154 mm)的尼龍篩網后測定重金屬含量。稱取0.1 g上述前處理樣品于聚四氟乙烯消解管中，加入混合酸(HF∶HClO3∶HNO3=3∶2∶3)后在180 ℃下石墨爐消解儀中消解5 h，然后打開消解管的蓋子趕酸，直至不再產生濃烈的褐色煙，待溶液幾乎蒸干，殘渣為灰白色。待消解殘渣冷卻至室溫，加入1% HNO3溶解殘留物并轉移收集到25 mL容量瓶，用1% HNO3定容。取出10 mL溶液過0.45 μm玻璃纖維濾膜保存于10 mL離心管中，上機測定重金屬含量。用電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS,Agilent 7500a,Agilent,Santa Clara,California) 測試煙樣消解液中的As、Cd、Cr、Cu、Pb、Ni、Zn和Hg含量。

1.3數據處理與質量保證數據分析過程中通過統(tǒng)計檢驗剔除異常值。采用分析的差異顯著性水平為0.05。數據的計算和統(tǒng)計分析用Excel 2003和SPSS 13.0完成。

所有玻璃容器在試驗前用酸浸泡，再用去離子水清洗3次，烘干。每個樣品設3個重復消解樣，空白對照和國家沉積物標準物質 (GBW07318) 與樣品用同樣的方法進行處理。每處理的相對標準偏差均小于10%,標準物質所有重金屬的回收率在85%～110%。

2 結果與分析

2.1各研究區(qū)烤煙種植概況及煙葉性質遵義縣烤煙種植面積最大，達8 826.33 hm2。遵義市遵義縣、鳳岡縣和余慶縣烤煙總產量及煙葉物理性質見表1。3個縣中遵義縣煙草產量最高，煙葉最寬，單葉重最重，單位葉面積重最重。由于研究區(qū)域有限，3個研究區(qū)烤煙產量和煙葉指標差異不顯著(P<0.05)，大氣質量對烤煙產量及煙葉性質的影響需進一步證實。

表1 研究區(qū)烤煙種植概況及煙葉性質

2.2煙苗與煙葉中重金屬分布特征從圖2可以看出，煙苗樣品中8種重金屬元素含量水平差異很大，8種重金屬濃度由高到低依次為Cu、Cr、Zn、As、Ni、Pb、Cd、Hg。煙苗中重金屬含量代表煙苗在移栽大田前的重金屬含量水平，不僅可以反映煙苗培育基質和培育環(huán)境對煙苗重金屬含量的影響，還可以作為移栽大田前煙葉的背景或初始濃度。

圖2 煙苗中重金屬元素含量Fig.2 Heavy metal content in tobacco seedling

從圖3可以看出，煙葉中8種重金屬含量由高到低依次為Zn、Cu、Cr、Ni、Cd、Pb、As、Hg。煙葉中重金屬含量反映了煙苗在移栽大田后整個生長周期內，從大氣、雨水 (灌溉水)、土壤等環(huán)境介質中吸收的重金屬含量水平。

圖3 煙葉中重金屬元素含量Fig.3 Heavy metal content in tobacco

對比圖2、3可以發(fā)現(xiàn)，煙苗中大部分重金屬含量明顯高于煙葉樣品，提示在煙苗培育過程中，煙苗會從培養(yǎng)基質及培育溫室環(huán)境中吸收重金屬元素。如果后期研究結果證實這一點，將會對遵義市煙苗培育基質的選擇及其他細節(jié)產生重要影響。煙苗和煙葉中8種重金屬元素含量高低及排序不同，說明在煙苗移栽到大田后，各種重金屬源及暴露途徑發(fā)生變化，每種途徑的貢獻量需要進一步研究。

對比遵義市和已有文獻中貴州省煙葉樣品中重金屬含量(表2)可知，貴州煙葉Cd和As含量偏高。Cd 在土壤和煙葉中的含量呈顯著正相關，說明煙葉中的 Cd 污染主要來源于土壤，土壤中 Cd 含量水平能夠決定煙葉中Cd 含量[8,10]。煙葉中重金屬的積累在不同年度間均存在很大變化，這種年度變化可能與環(huán)境變化一致。大氣環(huán)境條件是影響煙葉重金屬含量的重要因素之一[11]。

表2 貴州省煙葉樣品中7種重金屬平均含量

2.3不同植煙區(qū)煙葉重金屬含量差異從圖4可見，3個植煙區(qū)煙葉中8種重金屬在重金屬總量中所占的比例相似。其中以Zn占比最大，其次是Cu，As和Hg的比例最低。煙葉中重金屬的積累與當地氣溫、降雨量、成土母質、土壤酸堿度、有機質含量等有關[12]。有研究表明，余慶縣土壤微量元素水平表現(xiàn)為高硼、中鋅、高銅、中氯；鳳岡縣的特點是低硼、低鋅、中銅、低氯；遵義縣的特點是低硼、低鋅、中銅、中氯[13]。

圖4 不同植煙區(qū)煙葉中各重金屬比例Fig.4 Heavy metal proportion in tobacco seedling of different tobacco planting areas

2.4聚類分析運用系統(tǒng)聚類分析了3個植煙區(qū)煙苗和煙葉重金屬含量之間的關系。具有相似來源和性質的重金屬會以近距離聚到一組，聚類結果見圖5。

對于圖5a所示的元素聚類，選取重新調整的聯(lián)動距離為20，重金屬元素被分成2類，第1類包括Pb、Ni、Cd、Hg和As，第2類包括Cr、Zn和Cu；對于圖5b所示的元素聚類，選取重新調整的聯(lián)動距離為20，重金屬元素被分成2類，第1類包括As、Hg、Pb、Cd、Cr和Ni，第2類包括Cu和Zn。結果表明，煙苗重金屬和煙葉重金屬聚類結果基本一致。第1類重金屬反映了工業(yè)污染的影響以及農業(yè)因素。Cd通常與田地使用化肥和農藥有關[14]。研究表明，貴州省污灌區(qū)土壤Hg、Cd、Cr、Pb等含量逐年增加，進而影響烤煙重金屬含量[15]。第2類與大氣沉降有關。研究表明，土壤中很大一部分重金屬(如Zn、Cr、Cu)是由工業(yè)生產、汽車尾氣排放產生的有害氣體和粉塵等經過自然沉降和降水進入土壤的[15]。

圖5 煙苗重金屬(a)和煙葉重金屬(b)樹狀圖Fig.5 Dendrogram showing cluster of heavy metal in tobacco seedling (a) and leave (b)

3 結論

該研究表明，煙苗中重金屬元素含量明顯高于煙葉，可能與煙苗培育基質有關。煙苗和煙葉中8種重金屬含量高低及排序不同，說明在煙苗移栽到大田后，各種重金屬源及暴露途徑發(fā)生變化，每種途徑的貢獻量需要進一步研究。煙苗重金屬和煙葉重金屬聚類結果基本一致。重金屬的來源與工業(yè)活動、農業(yè)活動和大氣沉降有關。

[1] 曾希柏,徐建明，黃巧云,等.中國農田重金屬問題的若干思考[J].土壤學報，2013 ，50(1):186-194.

[2] LIU H W，WANG H Y，MA Y B，et al.Role of transpiration and metabolism in translocation and accumulation of cadmium in tobacco plants (NicotianatabacumL.)[J].Chemosphere，2015，144 :1960-1965.

[3] LI C F，WANG F，CAO W T，et al.Source analysis，spatial distribution and pollution assessment of heavy metals in sewage irrigation area farmland soils of Longkou city[J].Environmental science，2017,38(3):1018-1027.

[4] 魏益華，何俊海，馮小虎，等.土壤重金屬處理對煙草中As、Cd、Hg和Pb的累積與分布的影響[J].中國煙草學報，2016，22(1)：47-54.

[5] 牛鋼.當國產香煙遭遇“重金屬門”[J].質量與標準化，2010(11):46-47.

[6] 李玉美,雷碩,嚴猛,等.貴州省主要煙區(qū)土壤及煙草中重金屬污染狀況分析[J].南方農業(yè)學報，2012，43(10)：1505-1508.

[7] 梁有.煙葉及其生態(tài)環(huán)境中重金屬和農藥殘留的測定[D].長沙：中南大學，2013.

[8] 胡國松，趙元寬，曹志洪，等.我國主要產煙省烤煙元素組成和化學品質評價[J].中國煙草學報，1997，3(1)：36-43.

[9] 張曉靜，秦存永，朱風鵬，等.國內10省區(qū)煙葉中重金屬含量的差異與聚類分析[J].煙草化學，2012(10)：51-55.

[10] 李義強,李成富,許立峰,等.我國部分煙葉產區(qū)土壤和煙葉重金屬現(xiàn)狀及相關性研究[C]//中國煙草學會第五屆理事會第三次會議暨學術年會.廣州：中國煙草學會，2007.

[11] 張艷玲,周漢平.煙草重金屬研究概述[J].煙草科技，2004(12)：20-24.

[12] 黃愛纓,木志堅,王強,等.土壤-氣候和烤煙品種及其互作對昭通煙葉重金屬含量的影響[J].中國煙草科學，2013，34(5):1-6.

[13] 霍沁建,李家俊,梁永江,等.貴州遵義植煙土壤微量元素含量狀況及分析[J].中國煙草科學，2009，30(4):37-42.

[14] 許躍奇,趙銘欽,尤方芳,等.生物炭與常規(guī)施肥對煙草生長及鎘污染吸收的影響[J].土壤，2016(3)：510-515.

[15] 劉天波，劉友梅，李帆，等.烤煙重金屬來源及其治理技術研究進展[J].河南農業(yè)科學，2013，42(2)：7-10.