湘東某植煙區土壤鈣對煙葉鎘含量的影響

曹文靜，胡 鑫，周 毅，謝會雅，晏 哲，曾清如*

（1湖南農業大學資源環境學院，長沙410128；2湖南省煙草公司株洲市公司，株洲412000）

湘東某植煙區土壤鈣對煙葉鎘含量的影響

曹文靜1，胡 鑫1，周 毅2，謝會雅2，晏 哲1，曾清如1*

（1湖南農業大學資源環境學院，長沙410128；2湖南省煙草公司株洲市公司，株洲412000）

在湖南省東部某植煙區大范圍采集了112個土壤樣品和煙葉樣品，測定并分析了土壤中鎘的含量、土壤交換性鈣含量、煙葉鎘含量及其相關性。結果表明：植煙區土壤鎘的含量范圍0.08～0.82 mg/kg，平均值0.37 mg/kg，其超標率為58.13%；植煙區內煙葉鎘含量范圍1.06～20.15 mg/kg，平均值7.29 mg/kg；土壤總鈣的平均含量為10 649 mg/kg，交換性鈣平均含量為1301 mg/kg。煙葉中的鎘含量與土壤中的鎘含量呈極顯著性正相關，與土壤中的總鈣含量及交換性鈣含量呈負相關，伴隨著土壤中鈣含量的增加，煙葉鎘的含量有降低趨勢。

煙葉；土壤；鎘；鈣

重金屬通過土壤—植物（動物）—人類的食物鏈進入人體，積累一定量后可能引起一系列疾病［1］。近年我國土壤和農作物的重金屬污染問題日益嚴重，其中鎘的污染尤為突出［2］。煙草是一種葉用經濟作物，然而有研究表明，煙草對鎘的富集系數較高，且鎘進入煙草體內后一般分布在煙葉中［3］。重金屬在煙草中的積累不僅影響煙草的生理過程和煙草的品質，同時煙葉鎘可能隨著吸煙過程進入人體，危害人體健康［4］。

鈣是煙葉生長需求量比較大的中量元素，在協調和平衡烤煙對各種礦物質營養吸收方面有著重要作用。植煙區土壤鈣含量及其有效性都影響煙株的正常生長發育。另一方面，由于元素間有相互促進和拮抗作用，因此土壤鈣含量也能影響其他元素的吸收［5］。有研究表明，鈣對降低植物對鎘的吸收，以及減輕鎘對植物、動物和人體的毒害具有重要作用［6］。周航等［7］研究表明，在鎘污染土壤中施用碳酸鈣，能夠降低土壤中鎘交換態含量，有效地抑制大豆植株對土壤Cd的吸收。杜彩艷等［8］研究表明，施用石灰對大白菜吸收Cd有較好的抑制作用。也有研究表明，施鈣對抑制植物積累鎘影響有不確定性［9］。當前關于鈣影響煙葉吸收累積鎘的研究較少。本研究對湖南湘東某縣級植煙區進行大面積隨機采樣，研究其煙葉鎘含量、土壤鎘、鈣總量以及交換性鈣含量，并分析了煙葉鎘含量與土壤鎘含量及鈣含量的相關性，以為實際生產過程煙葉降鎘提供新思路，同時為該縣區域內鈣肥的合理施用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

采樣地點為湘東某縣級植煙區，該縣境內礦產資源豐富，有鎢礦、鐵礦、鉛礦和鋅礦。于2013年在植煙區進行了土壤和煙葉樣品的采集，其中東北部煙區65個，西南部煙區47個，共采集了土壤樣品112個。根據當地地形和土壤類型，采用5點法采樣，在實地選擇具有代表性的田塊，每丘田塊通過多點取樣，取2 kg的混合土樣，并對取樣點進行GPS定位。從田間采回的土樣登記編號后進行預處理，經過風干、磨細、過篩、混勻，貯存于塑料自封袋密封待用。

植煙區土壤主要為紅壤和紅壤性水稻土，煙葉品種主要為‘云煙87’。煙葉樣品的采集和土壤樣品相對應，采集煙草的中部葉，用去離子水洗凈，編好號后置于100～150℃烘箱中殺青5～10 min，然后70～80℃下烘干至恒重，粉碎樣品，過篩后備用。

1.2 分析方法

土壤樣品的測定參照《土壤農業化學分析方法》，利用鹽酸—硝酸—高氯酸法消解后過濾，利用石墨爐原子吸收光譜法（VARIAN（美國瓦里安公司），AA-240FS）測定Cd，利用ICP-OES（PerkinElmer-Optima 8300）測定土壤中Ca。煙葉樣品通過鹽酸—硝酸法消解后過濾，濾液中Cd測定方法同土壤樣品。交換性Ca的測定參照行業標準NY/T1121.13-2006，酸性（中性）土壤用1 mol/L NH4OAC交換法測定。

所測樣品均設置平行樣和空白，同時利用國家土壤標準物質GBW07429（GSS-15）進行全程質量控制。

1.3 數據處理

采用Excel 2010和Spss軟件進行數據統計和相關性分析。

2 結果與分析

2.1 植煙區土壤理化性質

植煙區土壤理化性質分析結果見表1。

表1 植煙區土壤理化性質Table1 Chem ical and physical properties of soil in tobacco grown area

土壤pH值的大小影響土壤物理、化學性質的變化，進而影響養分的形成、轉化及有效性。由表1可知，研究區土壤pH值在4.47～7.78之間，均值5.23；植煙區土壤有機質含量平均值30.84 g/kg；陽離子交換量范圍7.24～42.12 cmol/kg，平均值25.18 cmol/kg；土壤總氮含量范圍0.27～2.61 g/kg，平均值1.20 g/kg。

2.2 不同地區土壤鎘含量分布及其與煙草鎘含量關系

由表2可知，植煙區土壤鎘含量范圍0.08～0.82 mg/kg，平均值0.37 mg/kg。以農業部綠色農產品土壤環境質量標準為參考，當Cd≥0.3（pH≤7.5時）或者Cd≥0.4（pH＞7.5時）為超標，統計得出全區有58.13%的土壤樣品鎘含量超標，大部分鄉鎮都有鎘超標的樣品。土壤鎘平均值超標的地區有高隴鎮、火田鎮和七地鄉。界首鎮平均值最低為0.22 mg/kg，火田鎮平均值最高為0.58 mg/kg。

表2 植煙區土壤鎘含量與煙葉鎘含量Table 2 Cadm ium contents of soil and tobacco leaf in tobacco p lanting area

全區煙葉鎘含量范圍1.06～20.15 mg/kg，平均值7.29 mg/kg。煙葉鎘含量最低地區為棗市鎮（2.76 mg/kg），煙葉鎘含量比較高的地區為高隴鎮（12.91 mg/kg）、火田鎮（12.16 mg/kg）。

圖1是植煙區土壤鎘與煙葉鎘含量的散點圖。從圖中可以看出，煙葉中鎘含量與土壤鎘含量呈正相關，說明煙葉中的鎘來源于土壤的可能性大。

2.3 土壤鈣含量與煙葉鈣含量的相關性

表3為植煙區土壤中總鈣、交換性鈣和煙葉鈣的含量。從表中可以看出，植煙區各地土壤樣品總鈣含量差異較大，范圍2176～58 923 mg/kg，平均值10 649 mg/kg。從鄉鎮來看，棗市鎮最高，火田鎮最低。

圖1 煙葉鎘含量與土壤鎘含量關系圖Fig.1 The scatter diagram of soil cadm ium content and tobacco leaf cadm ium content

表3 植煙區土壤鈣含量與煙葉鈣含量Table 3 Total calcium contents and exchangeable calcium contents in soil of tobacco p lanting area

土壤交換性鈣含量變化范圍200～4933 mg/kg，平均值1301 mg/kg。從各鄉鎮交換性鈣含量來看，棗市鎮最高，腰陂鎮最低。參照羅建新等［11］建立的湖南省植煙土壤養分豐缺狀況分級體系，植煙區土壤交換性鈣含量屬于適宜范圍的樣品為28.9%，屬于豐富以上范圍的土壤樣品為43%，屬于缺乏和極缺乏范圍的土壤樣品為29.1%。可以看出，該植煙區土壤交換性鈣含量處于比較均勻的狀態，處于鈣極其缺乏狀態的土壤樣品只有5.8%，這部分地區煙葉可能會出現鈣缺乏癥狀。

煙葉鈣含量的變化范圍9243～36 309 mg/kg，平均值16 499 mg/kg。綜合全區樣品來看，界首的最高，而高隴的最低。

圖2為煙葉鎘含量與土壤鈣總含量散點圖，圖3為煙葉鎘含量與土壤交換態鈣含量散點圖。從圖中可以看出，煙葉鎘含量與土壤中總鈣含量呈負相關，利用Spss分析得出其呈顯著負相關；煙葉鎘含量與土壤交換性鈣含量呈負相關，隨著土壤交換性鈣含量的增加，煙葉鎘含量有降低趨勢。

圖2 煙葉鎘含量與土壤鈣總含量關系圖Fig.2 The scatter diagram of tobacco cadm ium content and soil total calcium content

圖3 煙葉鎘含量與土壤交換態鈣含量關系圖Fig.3 The scatter diagram of tobacco cadm ium content and soil exchange calcium content

表4為煙葉鎘含量與土壤中的總鎘、土壤總鈣、土壤可交換態鈣及煙葉中鈣含量的關系。經Spss擬合得到煙葉鎘含量預測方程：Y（TCd）＝-0.312LnCa-1.3LnEXCa-1.18TCa＋15.9Cdsoil＋24.8（R2＝0.617）。由分析可知，煙葉中的鎘與土壤鈣和煙葉鈣呈負相關，煙葉中的鎘含量隨著煙葉鈣含量的增加而減少，表明鈣對煙葉鎘的吸收有一定的抑制。

表4 煙葉中的鎘與土壤鈣、鎘元素的相關性系數Table 4 The correlation between Ca in tobacco leaf and Ca or Cd concentration in soil

3 討論

土壤中的鎘主要來源于成土母質和人為因素，人為因素中的采礦、冶煉、油漆、含鎘電池等過程所排放的工業廢物進入土壤造成鎘污染，另外，農業生產中污水灌溉、農田施肥和施農藥等均可以造成土壤重金屬鎘的污染［11］。

烤煙是一種容易富集鎘的植物，煙草對鎘的富集系數在5～10，轉移系數為2.57～3.63［12］。大多數植物對鎘的吸收都隨土壤中鎘濃度的增加而升高，即植物累積鎘與土壤中總鎘含量呈正相關。Angelova等［13］研究表明，煙葉累積的鉛和鎘與土壤中的含量存在相關性。Zaprjanova等［14］對弗吉尼亞煙草研究發現，不同部位煙葉Pb、Cd與土壤中重金屬含量有極顯著相關性。湯浪濤等［15］對曲靖煙區大面積多點采樣分析發現，煙葉中Pb、Cr、Hg與土壤中含量存在直接關系。這些都與本研究結果一致。但是土壤環境比較復雜，影響煙葉累積鎘的因素還有很多，如土壤酸堿度、鎘有效態、有機質含量、陽離子交換量、煙葉品種、農藝措施等。因此要控制煙草的鎘含量，還需要進一步研究煙葉與其他因素的關系。

植物對鎘的累積受許多環境因子影響。鈣離子是土壤主要的鹽基飽和離子之一，對抑制植物吸收鎘有重要作用。從植物吸收鎘與鈣機制來看，可以分為非代謝吸收與代謝吸收兩種。非代謝吸收包括陽離子交換和擴散兩種類型，其中，陽離子交換為可逆過程，其他陽離子可將部分鎘、鈣從根表細胞壁上解吸下來。而鈣與鎘能夠同時被植物的根系吸收，在進入植物的根表細胞時存在競爭關系，鈣施入土壤后，首先與土壤鎘發生交換反應，部分鎘從土壤顆粒表面被解吸下來，以鎘離子的形式進入土壤溶液，土壤溶液中的鎘濃度升高，土壤溶液中的鈣、鎘等離子擴散至根系表面，二者將對根表細胞壁吸收位點進行競爭［16］。從影響機制分析，鈣能夠與鎘離子競爭土壤中粘土礦物、氧化物及有機質等［17］。Voege-lin等［18］提出陽離子交換（專性）吸附模型（CESS），證實鈣、鎘共存體系下，提高溶液中鈣離子含量將明顯降低土壤鎘的吸附量。但是Lorenz研究表明，一般情況下，土壤溶液中鎘、鋅的含量在植物生長期間降低，其原因可能是植物對鈣的吸收，導致鎘、鋅在低離子強度下對土壤吸附位點的再次分配［19］。

本研究中，隨著土壤鈣含量的升高，煙葉中鎘含量有降低趨勢。可能原因為低鈣時，一部分鈣被土壤吸附，與鎘競爭根系吸收位點的鈣相對較少，土壤中的鈣未對煙草吸收鎘產生明顯影響；隨著土壤中鈣含量的增加，與鎘競爭根吸收位點的鈣增多，吸附作用對土壤中鈣濃度的影響減弱，根系鎘、鈣競爭吸收作用增強，根系對鎘的吸收轉運量減少。有研究表明［20］，在鎘毒害下添加鈣，與不加鈣處理相比，玉米根細胞器和細胞質的鈣含量顯著增加，而鎘含量則顯著下降，表明在鈣濃度較高時，植物對鎘的吸收明顯受到抑制。Suzuki［21］研究證實，在液培條件下，提高鈣離子濃度可減少擬南芥（Arabidopsis thaliana）對鎘的吸收、降低鎘的毒性。由于本研究是大范圍采樣，土壤環境復雜，煙葉鎘與土壤全鈣和土壤可交換性鈣都有相關，但其相關系數不高，分別為0.2191和0.164。雖然影響煙葉鎘吸收的因素有很多，鈣含量只是影響因素之一，但是鈣對降低煙葉鎘的研究比較少，為了給大田煙草施用鈣肥降鎘提供科學依據，應該進一步探究煙葉累積鎘的機理以及不同鈣用量對煙葉累積鎘的影響。

4 結論

（1）本植煙區土壤鎘含量范圍為0.08～0.82 mg/kg，平均值0.37 mg/kg，參考農業部綠色農產品土壤環境質量標準，本植煙區土壤樣品超標率為58.13%。全區煙葉鎘含量范圍為1.06～20.15 mg/kg，平均值7.29 mg/kg；土壤中總鈣含量平均值為10 649 mg/kg，交換性鈣含量平均值為1301 mg/kg；煙葉鈣含量平均值為16 499 mg/kg。

（2）植煙區煙葉樣品中鎘含量與土壤鎘含量成正相關，與土壤總鈣、交換性鈣和煙葉鈣呈負相關，擬合方程相關系數達到顯著水平，表明土壤和煙葉中的鈣對煙葉鎘有一定抑制作用。

［1］ 史宏志，劉國順，常思敏，等.煙草重金屬研究現狀及農業減害對策［J］.中國煙草學報，2011，17（3）：89-94.

［2］ 陳 喆，鐵柏清，雷 鳴，等.施硅方式對稻米鎘阻隔潛力研究［J］.環境科學，2014（7）：2762-2770.

［3］ 陳慶華，陳玉成.吸煙過程中的重金屬來源解析及預防［J］.微量元素與健康研究，2005（5）：47-49.

［4］ Grant CA，Clarke JM，Duguid S，et al.Selection and breeding of plant cultivars tominimize cadmium accumulation［J］.Science of the Total Environment，2008，390（2/3）：301-310.

［5］ 鄒文桐，熊德中.土壤交換性鈣水平對烤煙生長發育的影響［J］.福建農業學報，2010，25（1）：96-99.

［6］ 陳 宏，陳玉成，楊學春.石灰對土壤中Hg Cd Pb的植物可利用性的調控研究［J］.農業環境科學學報，2003（5）：549-552.

［7］ 周 航，曾 敏，劉 俊，等.施用碳酸鈣對土壤鉛、鎘、鋅交換態含量及在大豆中累積分布的影響［J］.水土保持學報，2010（4）：123-126.

［8］ 杜彩艷，祖艷群，李 元，等.施用石灰對Pb、Cd、Zn在土壤中的形態及大白菜中累積的影響［J］.生態環境，2007（6）：1710-1713.

［9］ Kim YY，Yang YY，Lee Y.Pb and Cd uptake in rice roots［J］.Physiologia Plantarum，2002，116：368-372.

［10］胡 鑫，羅真華，謝會雅，等.土壤性質對煙葉中鉛、鎘含量的影響及預測模型研究［J］.農業環境科學學報，2016，35（3）：449-454.

［11］代允超，呂家瓏，曹瑩菲.石灰和有機質對不同性質鎘污染土壤中鎘有效性的影響［J］.農業環境科學學報，2014，33（3）：514-519.

［12］胡鐘勝，章鋼婭，王廣志，等.改良劑對煙草吸收土壤中鎘鉛影響的研究［J］.土壤學報，2006，43（2）：233-239.

［13］Angelova V，Ivanov K，Ivanova R.Effect of chemical forms of lead，cadmium，and zinc in polluted soils on their uptake by tobacco［J］.Journal of Plant Nutrition，2004，27（5）：757-773.

［14］Zaprjanova P，Dospatliev L，Angelova V，et al.Correlation between soil characteristics and lead and cadmium content in the aboveground biomass of Virginia tobacco［J］. Environmental Monitoring and Assessment，2010，163（1 -4）：253-261.

［15］湯浪濤，周冀衡，張一楊，等.曲靖煙區烤煙鉛、鉻、汞含量及其與土壤環境因子的相關性［J］.煙草科技，2010（7）：53-57.

［16］Roosens N，Verbruggen N，Meerts P，et al.Natural variation in cadmium tolerance and its relationship to metalhyperaccumulation for seven populations of Thlaspi caerulescens from western Europe［J］.Plant，Cell and Environment，2003，26：1657-1672.

［17］Mustafa G，Sing B，Kookana RS.Cadmium adsorption and desorption behavior on geothite at low equilibrium concentrations：Effect of pH and index cations［J］.Chemosphere，2004，57：1325-1333.

［18］Voegelin A，Vulava VM.Reaction-base model describing competitive sorption and transport of Cd，Zn，and Ni in acidic soil［J］.Environmental Science＆Technology， 2001，35：1651-1657.

［19］Lorenz SE，Hamon RE，Mcgrath SP.Applications of fertilizer cations affect cadmium and zinc concentration in soil solutions and uptake by plants［J］.European Journal of Soil Science，1994，45：159-165.

［20］周 衛，汪 洪，李春花，等.添加碳酸鈣對土壤中鎘形態轉化與玉米葉片鎘組分的影響［J］.土壤學報，2001，38（2）：219-225.

［21］SuzukiN.Alleviation by calcium of cadmium induced root growth inhibition in Arabidopsis seedlings［J］.Plant Biotechnology，2005，22：19-25.

Effect of Calcium in Tobacco Planting Soil on Tobacco Leaf Cadm ium Content in Eastern Hunan

CAOWenjing1，HU Xin1，ZHOU Yi2，XIE Huiya2，YAN Zhe1，ZENG Qingru1*
（1 College of Resources and Environmental Science，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128 China；2 Hunan Tobacco Company Zhuzhou Branch，Zhuzhou，Hunan 412000，China）

Soil physicochemical property affects Cd uptake of tobacco.112 soil samples and tobacco leaves were collected from a nationalmajor tobacco growing area in eastern Hunan province.The soil cadm ium content，soil exchangeable calcium content，the cadmium content in tobacco leaves and their correlationswere determined and analyzed.The result showed that the soil cadmium content of tobacco planting area ranged from 0.08 to 0.82 mg/kg，the average value was0.37mg/kg，and 58.17%of the total samples exceeded the soil Cd standard.The contentof Cd in tobacco leaves ranged from 1.06 to20.15 mg/kg，the average value was7.29 mg/kg.The total calcium content and average exchangeable calcium in soilwere 10 649 mg/kg and 1301mg/kg respectively.The positive correlation between the contentof cadmium and calcium in tobacco leaves and cadmium content in soilwas significant.Total calcium and exchangeable calcium in soil showed negative correlation with the cadmium content in tobacco leaves，the contentof cadmium in tobacco leaves decreased with the increasing calcium content in soil.

tobacco；soil；cadmium；calcium

S572.06

A

1001-5280（2017）03-0293-05 DO I：10.16848/j.cnki.issn.1001-5280.2017.03.17

2017- 03- 03

曹文靜（1990-），女，碩士研究生，Email：475486742＠qq.com。

*通信作者：曾清如，教授，Email：qrzeng＠163.com。

湖南省煙草公司株州市公司科技項目（SHZH（湘F）2013-006）。