烤煙品種對鎘吸收累積敏感性差異研究

王浩浩，劉海偉，石 屹，王 勇，王樹聲*，包自超，李 斌，張蘊睿，鹿 瑩，張煥菊，王錫金，孫帥帥

（1.農業部煙草生物學與加工重點實驗室，中國農業科學院煙草研究所，青島 266101；2.中國農業科學院研究生院，北京 100081；3.山東中煙工業有限責任公司，濟南 250100；4.山東濰坊煙草公司，山東 濰坊 261000）

鎘（Cd）是對生態環境危害嚴重的重金屬之一，通過生物富集也容易對動物和人類造成傷害[1]。近年來，煙草質量安全狀況越來越為公眾和研究者所重視[2-3]，因此煙草重金屬相關研究也成為熱點[4]。烤煙是富集Cd的經濟作物之一，其吸收的Cd主要累積到葉片中[5]，會對煙葉的質量安全產生危害。

關于不同煙草品種對Cd的吸收富集差異前人有過不少研究。其中，劉雙營等[6]通過水培試驗對6個不同品種煙草 Cd吸收的動力學特征的研究結果表明，煙草不同品種間對鎘吸收的最大速率不同。劉義新等[7]研究表明，K326和云煙 87對 Cd的吸收與分布以及對Cd的耐受性存在明顯的差異。趙秀蘭等[8]研究結果表明，不同煙草品種對鎘的吸收累積差異顯著，煙草對鎘的耐性存在顯著的品種間差異。由于此前相關研究多數選擇在煙草生長的苗期，或選用的烤煙品種較少，無法明確成熟期不同品種烤煙對Cd的吸收累積差異情況。因此，本研究選用 10個全國主栽與地方代表性烤煙品種，通過外源Cd添加試驗，分析比較不同烤煙品種在成熟期各器官的Cd含量、變化敏感性和積累量差異，篩選出低Cd吸收累積品種，為低Cd煙葉的大田生產提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 供試煙草 選取全國主栽與地方代表性烤煙品種共 10個，分別是中煙 100、K326、紅花大金元、云煙85、云煙87、NC89、翠碧1號、龍江851、湘煙三號、豫煙3號。

1.1.2 供試土壤 土壤為棕壤，基本理化性質為pH 7.05，有機質為 1.15%，土壤中 Cd含量為 0.21 mg/kg。土壤經風干過篩熏蒸后供盆栽試驗用。

1.2 方法

1.2.1 試驗方法 采用盆栽試驗，于 2012年在中國農業科學院煙草研究所即墨試驗農場溫室中進行。試驗用盆規格為直徑36 cm，高40 cm，每盆裝土15 kg，盆底放置接水盤。移栽苗齡60 d，移栽時間5月8日。試驗采用常規管理，澆水量一致，并保證無水滲出。

1.2.2 試驗設計 試驗設2個因素，分別為10個烤煙品種和3個土壤Cd添加水平，即0.0、0.6和3.0 mg/kg，分別以CK、C1（土壤Cd警戒水平）、C2（土壤Cd污染水平）表示。共30個處理，每個處理重復3次，隨機排列。鎘以Cd（Ac）2水溶液形式均勻噴施入土壤中，保持80%土壤持水量，培養陳化60 d后裝盆。裝盆同時將肥料作為基肥一次性施入，氮施用量為6 g/盆，氮、磷、鉀的比例為m(N)∶m(P205)∶m(K2O)=1∶1.5∶3。

1.2.3 取樣及測定 在烤煙生長的成熟期采集煙株樣品，分根、莖和上、中、下部葉于105 ℃殺青30 min，65 ℃烘干至恒重，稱干重。粉碎過60目篩，HNO3-H2O2微波消解后用電感耦合等離子質譜（ICP-MS，型號X SeriesⅡ，Thermo公司）測定樣品Cd含量。

1.3 數據處理與統計分析

煙株Cd積累量（μg/株）=煙株生物量（g/株）×煙株Cd含量（mg/kg）；分配率（%）=100×不同部位 Cd積累量（g）/煙株 Cd積累總量（g）；Cd遷移系數=葉片 Cd含量（mg/kg）/根部 Cd含量（mg/kg）。

采用 DPS 13.0，Duncan新復極差法進行統計分析。

2 結 果

2.1 鎘對不同烤煙品種生長的影響

在供試的烤煙品種中，NC89、龍江851和翠碧1號的根系干物質積累量在C1、C2處理時均比CK顯著降低，而云煙85和豫煙3號根系干物質積累量在 C1、C2處理時均無顯著變化（圖 1），表明NC89、龍江851和翠碧1號的根系對Cd毒害反應較敏感，云煙85和豫煙3號的根系對Cd耐性較強。

莖部干物質積累量如圖2所示，C1處理時翠碧1號莖部干物質積累量顯著高于CK，其余烤煙品種莖部干物質積累量無顯著變化，C2處理時中煙100、K326、紅花大金元和豫煙3號莖部干物質積累量顯著下降，其余烤煙品種莖部干物質積累量無顯著變化，表明低Cd對烤煙莖部的生長無顯著影響，而高Cd會抑制部分烤煙品種莖部的生長。

從圖3看出，C1處理時除云煙85，其余烤煙品種葉片干物質積累量均顯著增加，C2處理時大多數烤煙品種葉片干物質積累量顯著上升，表明低、高Cd對烤煙葉片生長都有促進作用。

2.2 不同烤煙品種中Cd含量差異與敏感性分布

圖1 不同烤煙品種根系干物質積累量Fig.1 Root mass for each variety

圖2 不同烤煙品種莖部干物質積累量Fig.2 Stem mass for each variety

所有烤煙品種不同器官Cd含量均表現為葉片＞莖＞根，且各器官對Cd的富集作用隨Cd添加量上升逐漸增強（表1），這與前人對單個或少數煙草品種的研究結果一致[13,17]。

圖3 不同烤煙品種葉片干物質積累量Fig.3 Leaf mass for each variety

土壤Cd含量相同時，不同烤煙品種各器官Cd含量有所差異。以煙葉為例，CK處理葉片Cd含量紅花大金元、NC89和云煙85顯著高于其他品種；翠碧1號和豫煙3號顯著低于其他品種；C1處理葉片Cd含量紅花大金元和龍江851顯著高于其他品種，云煙87、中煙100顯著低于其他品種；C2處理葉片Cd含量K326、龍江851和云煙87顯著高于其他品種，中煙100、翠碧1號、豫煙3號和云煙85顯著低于其他品種（表1）。可見，土壤Cd含量變化，各烤煙品種之間Cd含量的差異也不同，而且隨著土壤Cd含量的提高，品種之間的差異性也變大，這與不同品種對土壤Cd變化的響應敏感性差異有關。

采用添加Cd處理與CK處理Cd含量的比值表示烤煙各器官Cd含量對土壤Cd含量差異的響應敏感性，如表2所示。

從表2看出，在低、高Cd添加量下中煙100和紅花大金元葉片Cd含量變化最小，說明Cd對這兩個烤煙品種葉片Cd含量的影響小于其他品種，即中煙100和紅花大金元對土壤Cd響應敏感性差。對土壤Cd響應敏感性較強的烤煙品種因土壤Cd添加量不同而異：低Cd添加時翠碧1號、豫煙3號和龍江851葉片Cd含量變化較其他品種大，對土壤Cd響應敏感性較強；高Cd添加時云煙87、K326葉片Cd含量變化較其他品種大，對土壤Cd響應敏感性較強。不同烤煙品種根和莖的響應敏感性變化規律與葉片基本相同。正是由于各烤煙品種對土壤Cd響應敏感性的差異，以致在不同土壤Cd含量時烤煙各器官Cd含量較高或較低的品種有所差異。

表1 不同烤煙品種根、莖、葉的Cd含量 mg/kgTable1 Cd content in the root, stem and leaf of each variety

表2 土壤添加Cd時不同烤煙品種根、莖、葉Cd含量變化敏感度Table2 Change sensitivity of the Cd content in the root, stem and leaf of each variety with Cd added

由表1還可看出，隨著土壤Cd含量的變化，烤煙不同品種根和莖的Cd含量差異變化與煙葉有所差異，這與不同烤煙品種根和莖對Cd的貯存能力與運輸能力的差異有關。利用遷移系數，即葉片Cd含量/根Cd含量的比值，表征Cd從烤煙根系向葉片的遷移能力。10個烤煙品種對Cd的遷移系數均遠大于1，大多數烤煙品種對Cd的遷移系數差異顯著。隨土壤Cd含量上升，中煙100、K326、紅花大金元、云煙87、NC89、翠碧1號、湘煙三號的遷移系數先上升后下降，表明這些品種對Cd的運輸能力受土壤高Cd含量抑制；而云煙85、龍江851、豫煙3號逐漸下降，表明這3個品種對Cd的運輸能力隨土壤Cd增加而降低，這與Cd對植株生長的影響有關。

2.3 不同烤煙品種各器官中Cd的累積與分布特征

如表3所示，烤煙根、莖、葉中的Cd積累量隨土壤Cd添加量升高逐漸增加，葉片中的Cd積累量最高。在CK和C1、C2處理時，葉片中Cd的積累量分配率分別為 80.41%～87.01%和 86.87%～88.70%、83.94%～88.85%，烤煙從環境中吸收的Cd 80%以上累積在卷煙原料葉片中。

從表3還看出，烤煙根、莖、葉中的Cd積累量存在顯著的品種間差異。C1處理時，紅花大金元、翠碧1號和龍江851葉片中Cd的積累量最高，云煙87、中煙100和湘煙三號葉片中的Cd積累量最低；C2處理時，云煙87葉片中Cd的積累量較高，中煙100葉片中的Cd積累量最低，這與葉片中Cd含量的品種間變化規律基本一致。

表3 不同烤煙品種Cd的累積及在葉片中的分布 μg/株Table3 Cd accumulation and distribution in the leaf of each variety

3 討 論

不同Cd添加水平對烤煙生長的影響不同，高濃度Cd對烤煙根系生長有抑制作用，這與吳玉萍等[17]對烤煙品種K326的研究結果相同；Cd抑制烤煙根系生長卻促進葉片的生長，表明烤煙根系比葉片對Cd的毒害反應更敏感，這與趙秀蘭等[10]在煙草幼苗上的研究結果一致。

本試驗不同Cd處理下，Cd對烤煙根、莖、葉生長的影響因品種而異。有研究表明，植物可通過根部沉積、細胞壁固定和液泡分隔等作用來適應Cd毒害環境[11]，煙草還可以通過表皮毛分泌含Cd結晶使其在Cd較高的環境中仍能正常生長[12]。因此，Cd對烤煙生長影響的品種間差異由什么生理機制造成，有待于進一步研究和探索。

本試驗供試烤煙品種對Cd遷移系數均遠大于1，表明烤煙根部向上運輸Cd的能力很強。植物對Cd的累積與根系對Cd的吸收、Cd從根系向莖和葉片的運輸及再分配有關[18]。根據植物元素源庫理論，根從土壤中吸收Cd，向其他器官轉運，可認為是源；葉面接收莖運輸的Cd，可認為是庫；而莖既從根部接收Cd，也能向葉片輸送Cd，所以莖既是源也是庫。因此，與此前諸多研究一樣[10]，本研究中的遷移系數只是相對的概念，不能代表絕對量的變化趨勢，所以此相對遷移能力不能完全解釋葉片與根、莖之間變化的差異。

本試驗研究結果表明，烤煙吸收的Cd有80%以上累積在葉片中。土培試驗[10,14-15]和水培試驗[16]也表明，當栽培基質中的Cd濃度較高時，有些煙草品種的葉片中Cd含量可以達到100 mg/kg以上，煙株吸收的Cd有68%～88%分布于葉片，表明煙草向葉片運輸Cd的能力很強，具有超富集植物的特征。大部分Cd都運送到煙株葉片中，對于卷煙主要原料煙葉的生產是一種不利因素[17]。

4 結 論

烤煙不同品種間煙株Cd含量與Cd積累量存在差異，且因不同品種對土壤Cd變化的敏感性不同而變化。Cd正常水平土壤中翠碧1號和豫煙3號葉片Cd含量較低，Cd警戒水平土壤中煙100、云煙87葉片Cd含量較低，Cd污染土壤中煙100、翠碧1號、豫煙3號和云煙85葉片Cd含量較低。不同烤煙品種對土壤Cd變化的敏感響應程度不同，中煙100、紅花大金元、NC89對Cd敏感性較低。烤煙從環境中吸收的Cd 80%以上積累在卷煙主要原料葉片中，因此，要盡量選擇在Cd含量較低的土壤中進行煙葉生產，同時盡量選擇葉片Cd含量低且對Cd敏感性差的烤煙品種，以提高煙葉生產安全性。

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