王愛國(guó)，戴華鑫，楊 欣，張仕祥，梁太波，張曉娟，張艷玲*

1.中國(guó)煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)楓楊街2 號(hào) 450001

2.廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，廣州市海珠區(qū)赤崗路62 號(hào) 510000

3.河南省煙草公司平頂山市公司，河南省平頂山市建設(shè)路西段 467000

近年來大氣污染物的環(huán)境效應(yīng)已引起研究者和社會(huì)的廣泛關(guān)注。隨著我國(guó)工業(yè)化的快速發(fā)展，煤和石油等燃料的燃燒、建筑揚(yáng)塵、汽車尾氣等人類活動(dòng)產(chǎn)生污染物的排放所導(dǎo)致的大氣污染已對(duì)工業(yè)區(qū)和城市周圍農(nóng)作物的食用安全性產(chǎn)生了明顯的影響［1-2］，包括重金屬在內(nèi)的大氣污染物主要以干濕沉降的形式轉(zhuǎn)移到土壤—植物系統(tǒng)中［3-6］，其中濕沉降對(duì)清除大氣中的污染物并將大氣污染物向植物—土壤系統(tǒng)中轉(zhuǎn)移發(fā)揮了主要作用［7-9］。植物對(duì)于大氣濕沉降中的養(yǎng)分元素和微量元素有截留作用，大氣濕沉降甚至成為森林生態(tài)系統(tǒng)的重要養(yǎng)分來源［10-11］。有研究者對(duì)人工林內(nèi)外雨水中的重金屬進(jìn)行分析，根據(jù)林內(nèi)雨水和林外雨水中重金屬含量的變化判斷雨水對(duì)林木冠層重金屬的影響。如文仕知等［10］分析了楓香人工林內(nèi)外降水中重金屬含量，發(fā)現(xiàn)楓香林內(nèi)穿透的雨水中Fe、Zn 和Cd 等元素含量明顯低于林外雨水中這些元素含量，說明楓香林冠層對(duì)于雨水中的Fe、Zn 和Cd 有明顯的截留作用。然而對(duì)于一些粉塵較大的區(qū)域如礦區(qū)附近，降雨則對(duì)林木冠層重金屬有一定的沖刷作用，可以降低林木冠層某些重金屬含量。劉凱等［12］分析了欒樹林內(nèi)雨水中的重金屬，發(fā)現(xiàn)林中穿透的雨水中Fe、Mn、Cu和Zn 等金屬元素含量明顯高于林外雨水，僅有Pb元素含量低于林外雨水。說明雨水可以沖刷欒樹林樹冠中的Fe、Mn、Cu 和Zn 等金屬元素，同時(shí)雨水中的Pb 也會(huì)被樹冠層截留。雨水pH 是大氣濕沉降對(duì)植物重金屬積累的重要影響因素，研究顯示對(duì)于多數(shù)重金屬，較低的雨水pH 更容易使植物吸收和積累重金屬［13-14］。煙草葉面積大，且葉片布滿絨毛和黏性分泌物，極易截留環(huán)境中的污染物。降雨一方面可對(duì)沉降于煙葉表面的大氣污染物產(chǎn)生沖刷作用，可能會(huì)降低煙葉中包括重金屬在內(nèi)的污染物含量；另一方面雨水中也含有一定量的重金屬，可能會(huì)增加煙葉對(duì)重金屬的積累。然而目前有關(guān)降雨對(duì)煙葉重金屬影響的研究甚少，降雨對(duì)于煙葉重金屬會(huì)產(chǎn)生何種影響尚不清楚。豫中煙區(qū)是我國(guó)重要的濃香型煙葉產(chǎn)區(qū)，同時(shí)也是大氣污染較為嚴(yán)重的地區(qū)之一，為此選取豫中煙區(qū)作為研究區(qū)域，探討降雨對(duì)煙葉重金屬含量的影響，旨在明確煙葉重金屬來源以及為煙草種植布局調(diào)整提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 “半葉法”煙葉清洗試驗(yàn)

試驗(yàn)于2017 年在豫中某植煙縣進(jìn)行，在上部煙葉采收前，選取13 塊煙田，每塊煙田隨機(jī)采集8片新鮮上部煙葉，隨即帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行處理。處理方法：將煙葉主脈去除，并沿主脈分為左右兩個(gè)半葉，一半煙葉不處理，用烘箱（Memmert Beschicking-Loading Modell 100-800，德國(guó)美墨爾特公司）于105 ℃殺青20 min，60 ℃烘干，密封保存?zhèn)溆?；另一半煙葉用去離子水清洗3 次后，用同樣方法殺青、烘干。分別分析兩個(gè)半片葉的重金屬含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。

1.2 田間人工模擬降雨試驗(yàn)

試驗(yàn)于2016 年7—8 月在河南中部（豫中）植煙區(qū)進(jìn)行。選擇長(zhǎng)勢(shì)一致的植煙田塊，根據(jù)該地區(qū)煙葉生長(zhǎng)中后期降水實(shí)際情況，設(shè)置不同降雨量和不同降雨次數(shù)對(duì)煙葉重金屬含量的影響試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。試驗(yàn)田塊總面積為1.334 hm2，每處理設(shè)置3 次重復(fù)，試驗(yàn)中降雨量處理的降雨間隔時(shí)間為7 d，降雨次數(shù)試驗(yàn)中4×25 和2×50 處理間隔分別為7 和14 d。模擬降雨試驗(yàn)日期及試驗(yàn)期間當(dāng)?shù)亟涤昵闆r見圖1。第1 次人工模擬降雨至最后1 次人工模擬降雨期間，發(fā)生8 次自然降雨，降雨量共計(jì)25.1 mm，見圖1。模擬降雨采用地下水水源，地下水中Cr、Ni、As、Cd 和Pb 含量分別為2.09、0.17、0.44、0.03 和2.08 μg/L。在煙壟間鋪設(shè)噴淋管道，地下水從管道中呈細(xì)粒狀向上噴霧，降落于煙葉上，以模擬自然降雨。除人工模擬降雨處理外，其他田間管理按當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范實(shí)施。于中部煙葉成熟時(shí)，采集新鮮中部煙葉樣品，烘干粉碎后用于測(cè)定Cr、Ni、As、Cd 和Pb 含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。

圖1 田間模擬降雨試驗(yàn)處理時(shí)間及試驗(yàn)期間自然降雨情況Fig.1 Dates of simulated rainfall experiments in fields and natural precipitation during field experiments

1.3 溫室模擬降雨試驗(yàn)

試驗(yàn)于2017 年在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地進(jìn)行，供試品種為云煙87。煙苗在苗盤上長(zhǎng)至6 葉1心時(shí)，移栽入規(guī)格為直徑10 cm、高15 cm 的盆缽中，以營(yíng)養(yǎng)土和蛭石為基質(zhì)繼續(xù)培養(yǎng)30 d 后進(jìn)行模擬降雨試驗(yàn)。設(shè)置3 個(gè)降雨量水平和2 個(gè)雨水pH 水平，在12 h 內(nèi)模擬降雨量分別為0（對(duì)照）、5、20 和40 mm，雨水pH 分別為5.5 和6.5，共8 個(gè)處理。每處理設(shè)3 次重復(fù)，每2 盆為1 次重復(fù)。依據(jù)文獻(xiàn)［15-20］的自然雨水重金屬含量設(shè)置模擬雨水中Pb 含量為10 μg/L，Pb 以Pb（NO3）2加入去離子水中，使用HCl 溶液和NaOH 溶液分別調(diào)節(jié)pH至5.5 和6.5。

具體操作：將待處理的煙苗置于日光溫室中，采用噴壺噴灑的方式進(jìn)行不同雨水pH 和降雨量的模擬降雨試驗(yàn)。每5 d 處理1 次，共處理2 次，處理結(jié)束后第5 天收獲煙株，依次用自來水和去離子水沖洗煙株，分別取莖和葉，取樣后殺青，粉碎，用于測(cè)定樣品Pb 含量。

1.4 煙葉重金屬含量測(cè)定

煙葉樣品烘干后，粉碎混勻，使用HNO3-H2O2體系微波消解［21］。雨水樣品經(jīng)濃縮后用HNO3-H2O2體系微波消解，使用電感耦合等離子體質(zhì)譜分析法（ICP-MS 7900，美國(guó)安捷倫公司）測(cè)定煙葉樣品和雨水中的Pb、Cd、As、Ni 和Cr 等含量［21-23］。

1.5 數(shù)據(jù)處理

使用MS Excel 2010 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖，使用SPSS 18.0 軟件進(jìn)行單因素方差分析（ANOVA），Duncan’s 新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 “半葉法”清洗對(duì)煙葉重金屬含量的影響

“半葉法”清洗處理后未清洗和清洗的煙葉重金屬含量見圖2。從圖中可以看出，用去離子水清洗田間采集的成熟期煙葉后，5 種重金屬含量均有不同程度降低，平均降低幅度在6.67%～18.19%之間，其中As、Pb 和Ni 較未清洗煙葉顯著降低；13塊煙田As、Pb 和Ni 降低幅度分別在0.9%～46.5%、8.6%～37.7%和1.2%～25.6%之間，平均降幅分別為18.19%、16.67%和15.62%；清洗后煙葉Cr 和Cd 含量較未清洗煙葉降低幅度在1.0%～26.8%和4.6%～33.4%之間，平均降低12.20%和10.26%，但差異未達(dá)到顯著水平。

圖2 “半葉法”清洗處理后清洗和未清洗煙葉的重金屬含量比較Fig.2 Comparison of heavy metal accumulation in tobacco leaves before and after washing with deionized water

2.2 大田人工模擬降雨對(duì)煙葉重金屬含量的影響

田間人工模擬降雨試驗(yàn)總降雨量為100 mm時(shí)，降雨次數(shù)對(duì)于煙葉重金屬含量的影響見圖3。與未進(jìn)行降雨處理的對(duì)照相比，4×25.0 降雨處理的煙葉中Cr、Ni 和As 含量降低比例分別為36.4%、28.8%、20.7%，2×50.0 降雨處理的煙葉中Cr、Ni 和As 含量降低比例分別為41.3%、19.0%、15.4%，人工降雨處理對(duì)煙葉Cd 和Pb 含量影響不大?？傮w來看，人工降雨處理對(duì)降低煙葉Cr、Ni和As 含量有一定作用，但人工降雨處理對(duì)降低煙葉Cr、Ni 和As 含量均沒有達(dá)到顯著水平。

相同降雨次數(shù)條件下，不同降雨量對(duì)煙葉中重金屬含量的影響見圖4。從圖中可以發(fā)現(xiàn)隨著降雨量的增加（12.5 mm 至50.0 mm），煙葉Cr 和Ni含量呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。4×12.5、4×25.0、4×50.0 的處理煙葉Cr 含量分別比對(duì)照降低22.4%、36.4%、29.5%，Ni 含量分別比對(duì)照降低18.1%、28.8%和21.8%，但差異沒有達(dá)到顯著水平。

降雨量對(duì)于煙葉As 和Pb 元素的影響表現(xiàn)出相似的規(guī)律，隨著降雨量的增加，煙葉As 和Pb 含量呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。4×12.5、4×25.0、4×50.0 處理煙葉，As 含量分別較對(duì)照降低15.6%、20.7%、23.8%，Pb 含量分別比對(duì)照降低6.1%、10.1%和17.4%，降低幅度也沒有達(dá)到顯著水平。可見，降雨處理對(duì)煙葉Cd 含量無明顯影響。

圖3 降雨次數(shù)對(duì)于煙葉重金屬含量的影響Fig.3 Effects of rainfall frequency on heavy metal accumulation in tobacco leaves

圖4 降雨量對(duì)于煙葉重金屬含量的影響Fig.4 Effects of precipitation on heavy metal accumulation in tobacco leaves

2.3 溫室模擬降雨對(duì)煙草Pb 含量的影響

以10 μg/L Pb 人工雨水處理時(shí)，煙葉Pb 含量隨降雨量的增加呈升高趨勢(shì)（圖5）。當(dāng)雨水pH 為5.5 時(shí)，20 mm 和40 mm 降水量處理煙葉Pb 含量顯著高于對(duì)照和5 mm 降雨量處理。當(dāng)人工雨水pH為6.5 時(shí)，40 mm 降水量處理的煙葉Pb 含量顯著高于對(duì)照（p＜0.05）。

從圖5 中還可以看出，5 mm 降水量時(shí)的兩種pH 處理煙葉Pb 含量差異不大，但20 mm 和40 mm降水量處理時(shí)，pH5.5 處理煙葉Pb 含量高于pH6.5的處理，煙葉鉛含量分別為后者的1.74 和1.30 倍，其中20 mm 降水量處理下不同pH 處理間的差異達(dá)到極顯著水平（p＜0.01）。

煙莖中也表現(xiàn)出相似的結(jié)果（圖6），在Pb 人工降雨處理?xiàng)l件下，隨著降雨量的增加，煙莖Pb含量呈逐漸增加的趨勢(shì)，在40 mm 降水量處理的煙莖Pb 含量達(dá)到峰值，pH5.5 和pH6.5 降水量處理?xiàng)l件下煙葉鉛含量分別為對(duì)照的1.39 倍和2.06倍。同等降雨量條件下，pH5.5 的降水量處理煙莖Pb 含量均高于pH6.5 的降雨量處理；降水pH5.5 條件下，5 mm、20 mm 和40 mm 降雨量處理煙莖Pb含量分別為雨水pH6.5 的1.14、1.37 和1.48 倍，其中40 mm 降雨量處理時(shí)，不同pH 間差異達(dá)到極顯著水平（p＜0.01）?？梢?，雨水pH 較低時(shí)有利于煙莖中Pb 的積累。

圖5 不同pH 條件下降雨量對(duì)煙葉Pb 含量的影響Fig.5 Effects of precipitation on Pb accumulation in tobacco leaves at different pH values of rainwater

圖6 不同pH 條件下降雨量對(duì)煙莖Pb 含量的影響Fig.6 Effects of precipitation on Pb accumulation in tobacco stalks at different pH values of rainwater

3 討論

本試驗(yàn)結(jié)果表明，去離子水清洗后，5 種重金屬均有不同程度降低，其中As、Pb 和Ni 較對(duì)照顯著降低，與程柯等［24］對(duì)天津市東麗區(qū)某蔬菜基地的油菜、蔥、空心菜和生菜4 種蔬菜的研究結(jié)果基本一致。該研究中使用去離子水清洗后發(fā)現(xiàn)，4 種蔬菜As、Pb、Cr 和Cd 分別降低了24.5%～84.0%、55.6%～97.5%、73.6%～98.1%和6.8%～38.2%，而本研究中煙葉經(jīng)過清洗后As、Pb 和Ni 較對(duì)照分別降低18.19%、16.67%和15.62%，降低幅度明顯低于天津東麗區(qū)蔬菜上的研究結(jié)果［24］。這可能與研究區(qū)域不同有關(guān)，該研究的研究區(qū)域位于城郊，大氣污染較重，而本研究的區(qū)域位于一般農(nóng)區(qū)，大氣污染情況相對(duì)較輕。其次該研究主要關(guān)注的是較為低矮、距離地面較近的葉菜類蔬菜，這類蔬菜葉片重金屬容易受到地面揚(yáng)塵的影響，而本研究中烤煙植株較為高大，中部葉片受地面揚(yáng)塵的影響較小。

田間人工模擬降雨試驗(yàn)中，相同降雨次數(shù)不同降雨量處理時(shí)，煙葉Cr、Ni、As 和Pb 含量也隨著降雨量的增加呈現(xiàn)逐步降低的趨勢(shì)，煙葉Cd含量隨著降雨量的增加沒有表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，甚至小幅升高，可能與煙葉Cd 主要來源于土壤有關(guān)［25-26］，隨著降雨量的增加，土壤水分條件改善，煙草水分蒸騰增加［27］，有研究報(bào)道植物鎘吸收與水分蒸騰成正相關(guān)關(guān)系［28］，因而降雨量的增加反而可能會(huì)增加煙葉Cd 含量。

田間試驗(yàn)中降雨有降低煙葉Cr、Ni、As 和Pb含量的趨勢(shì)，而溫室試驗(yàn)中隨著降雨量增加煙葉鉛含量則顯著升高，這主要由于兩個(gè)試驗(yàn)?zāi)M降雨中的重金屬含量不同所致。田間試驗(yàn)中地下水作為模擬雨水，而地下水中Cr、Ni、As、Cd、Pb 含量分別為2.09、0.17、0.44、0.03 和2.08 μg/L，而同期當(dāng)?shù)赜晁猩鲜? 種元素含量分別為2.58、0.58、2.16、0.20 和7.45 μg/L，可見模擬降雨所用雨水重金屬含量低于當(dāng)?shù)赜晁?，也低于北方地區(qū)的雨水中重金屬含量［15-17］。因此田間試驗(yàn)中模擬降雨對(duì)煙葉主要起沖洗作用。而溫室試驗(yàn)中模擬降雨的雨水Pb 含量參考了國(guó)內(nèi)多個(gè)地區(qū)自然降雨中Pb含量后設(shè)置為10.0 μg/L［15-20］，約為田間試驗(yàn)中模擬降雨雨水中Pb 含量的5 倍，因此溫室試驗(yàn)中模擬降雨的雨水成為煙葉中Pb 的來源之一。

本研究中通過田間和溫室模擬降雨試驗(yàn)，初步研究了降雨量、降雨次數(shù)及雨水pH 對(duì)煙葉重金屬的影響，然而降雨對(duì)于煙葉重金屬的影響還受大氣干沉降、雨水化學(xué)成分等多種因素影響，因此降雨對(duì)煙葉重金屬的影響還需要進(jìn)一步的深入研究。

4 結(jié)論

大田和溫室人工模擬降雨試驗(yàn)表明：①去離子水清洗大田采集的成熟期煙葉，可不同程度地降低煙葉As、Pb 和Ni 含量，降低幅度從大到小依次為As ＞Pb ＞Ni。②降雨雨水pH 和重金屬含量以及降雨量均影響煙葉重金屬含量。③使用重金屬含量較低的地下水進(jìn)行田間模擬降雨，相同降雨量時(shí)，不同降雨次數(shù)對(duì)煙葉重金屬含量影響不大；相同降雨次數(shù)時(shí)，煙葉Cr、Ni、As 和Pb 含量隨降雨量增加呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。④溫室模擬降雨試驗(yàn)中，使用接近自然降雨P(guān)b 含量的模擬雨水處理時(shí)，降雨處理可增加煙葉Pb 含量，且隨降雨量的增加煙葉Pb 含量也呈現(xiàn)增加趨勢(shì)；較低雨水pH處理時(shí)，煙葉Pb 含量提高。