模擬降雨對煙葉重金屬含量的影響

王愛國，戴華鑫，楊 欣，張仕祥，梁太波，張曉娟，張艷玲*

1.中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術產業開發區楓楊街2 號 450001

2.廣東中煙工業有限責任公司，廣州市海珠區赤崗路62 號 510000

3.河南省煙草公司平頂山市公司，河南省平頂山市建設路西段 467000

近年來大氣污染物的環境效應已引起研究者和社會的廣泛關注。隨著我國工業化的快速發展，煤和石油等燃料的燃燒、建筑揚塵、汽車尾氣等人類活動產生污染物的排放所導致的大氣污染已對工業區和城市周圍農作物的食用安全性產生了明顯的影響［1-2］，包括重金屬在內的大氣污染物主要以干濕沉降的形式轉移到土壤—植物系統中［3-6］，其中濕沉降對清除大氣中的污染物并將大氣污染物向植物—土壤系統中轉移發揮了主要作用［7-9］。植物對于大氣濕沉降中的養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系統的重要養分來源［10-11］。有研究者對人工林內外雨水中的重金屬進行分析，根據林內雨水和林外雨水中重金屬含量的變化判斷雨水對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外降水中重金屬含量，發現楓香林內穿透的雨水中Fe、Zn 和Cd 等元素含量明顯低于林外雨水中這些元素含量，說明楓香林冠層對于雨水中的Fe、Zn 和Cd 有明顯的截留作用。然而對于一些粉塵較大的區域如礦區附近，降雨則對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］分析了欒樹林內雨水中的重金屬，發現林中穿透的雨水中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，同時雨水中的Pb 也會被樹冠層截留。雨水pH 是大氣濕沉降對植物重金屬積累的重要影響因素，研究顯示對于多數重金屬，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，極易截留環境中的污染物。降雨一方面可對沉降于煙葉表面的大氣污染物產生沖刷作用，可能會降低煙葉中包括重金屬在內的污染物含量；另一方面雨水中也含有一定量的重金屬，可能會增加煙葉對重金屬的積累。然而目前有關降雨對煙葉重金屬影響的研究甚少，降雨對于煙葉重金屬會產生何種影響尚不清楚。豫中煙區是我國重要的濃香型煙葉產區，同時也是大氣污染較為嚴重的地區之一，為此選取豫中煙區作為研究區域，探討降雨對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整提供依據。

1 材料與方法

1.1 “半葉法”煙葉清洗試驗

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

1.2 田間人工模擬降雨試驗

試驗于2016 年7—8 月在河南中部（豫中）植煙區進行。選擇長勢一致的植煙田塊，根據該地區煙葉生長中后期降水實際情況，設置不同降雨量和不同降雨次數對煙葉重金屬含量的影響試驗，試驗設計見表1。試驗田塊總面積為1.334 hm2，每處理設置3 次重復，試驗中降雨量處理的降雨間隔時間為7 d，降雨次數試驗中4×25 和2×50 處理間隔分別為7 和14 d。模擬降雨試驗日期及試驗期間當地降雨情況見圖1。第1 次人工模擬降雨至最后1 次人工模擬降雨期間，發生8 次自然降雨，降雨量共計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。在煙壟間鋪設噴淋管道，地下水從管道中呈細粒狀向上噴霧，降落于煙葉上，以模擬自然降雨。除人工模擬降雨處理外，其他田間管理按當地優質煙葉生產技術規范實施。于中部煙葉成熟時，采集新鮮中部煙葉樣品，烘干粉碎后用于測定Cr、Ni、As、Cd 和Pb 含量（質量分數）。

圖1 田間模擬降雨試驗處理時間及試驗期間自然降雨情況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

試驗于2017 年在河南農業大學試驗基地進行，供試品種為云煙87。煙苗在苗盤上長至6 葉1心時，移栽入規格為直徑10 cm、高15 cm 的盆缽中，以營養土和蛭石為基質繼續培養30 d 后進行模擬降雨試驗。設置3 個降雨量水平和2 個雨水pH 水平，在12 h 內模擬降雨量分別為0（對照）、5、20 和40 mm，雨水pH 分別為5.5 和6.5，共8 個處理。每處理設3 次重復，每2 盆為1 次重復。依據文獻［15-20］的自然雨水重金屬含量設置模擬雨水中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 溶液分別調節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行不同雨水pH 和降雨量的模擬降雨試驗。每5 d 處理1 次，共處理2 次，處理結束后第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，用于測定樣品Pb 含量。

1.4 煙葉重金屬含量測定

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

1.5 數據處理

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

2 結果與分析

2.1 “半葉法”清洗對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煙葉重金屬含量的影響

田間人工模擬降雨試驗總降雨量為100 mm時，降雨次數對于煙葉重金屬含量的影響見圖3。與未進行降雨處理的對照相比，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%，人工降雨處理對煙葉Cd 和Pb 含量影響不大。總體來看，人工降雨處理對降低煙葉Cr、Ni和As 含量有一定作用，但人工降雨處理對降低煙葉Cr、Ni 和As 含量均沒有達到顯著水平。

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

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

圖3 降雨次數對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 溫室模擬降雨對煙草Pb 含量的影響

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

從圖5 中還可以看出，5 mm 降水量時的兩種pH 處理煙葉Pb 含量差異不大，但20 mm 和40 mm降水量處理時，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 處理間的差異達到極顯著水平（p＜0.01）。

煙莖中也表現出相似的結果（圖6），在Pb 人工降雨處理條件下，隨著降雨量的增加，煙莖Pb含量呈逐漸增加的趨勢，在40 mm 降水量處理的煙莖Pb 含量達到峰值，pH5.5 和pH6.5 降水量處理條件下煙葉鉛含量分別為對照的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，不同pH 間差異達到極顯著水平（p＜0.01）。可見，雨水pH 較低時有利于煙莖中Pb 的積累。

圖5 不同pH 條件下降雨量對煙葉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

本試驗結果表明，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 較對照顯著降低，與程柯等［24］對天津市東麗區某蔬菜基地的油菜、蔥、空心菜和生菜4 種蔬菜的研究結果基本一致。該研究中使用去離子水清洗后發現，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%，而本研究中煙葉經過清洗后As、Pb 和Ni 較對照分別降低18.19%、16.67%和15.62%，降低幅度明顯低于天津東麗區蔬菜上的研究結果［24］。這可能與研究區域不同有關，該研究的研究區域位于城郊，大氣污染較重，而本研究的區域位于一般農區，大氣污染情況相對較輕。其次該研究主要關注的是較為低矮、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，中部葉片受地面揚塵的影響較小。

田間人工模擬降雨試驗中，相同降雨次數不同降雨量處理時，煙葉Cr、Ni、As 和Pb 含量也隨著降雨量的增加呈現逐步降低的趨勢，煙葉Cd含量隨著降雨量的增加沒有表現出下降的趨勢，甚至小幅升高，可能與煙葉Cd 主要來源于土壤有關［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］，有研究報道植物鎘吸收與水分蒸騰成正相關關系［28］，因而降雨量的增加反而可能會增加煙葉Cd 含量。

田間試驗中降雨有降低煙葉Cr、Ni、As 和Pb含量的趨勢，而溫室試驗中隨著降雨量增加煙葉鉛含量則顯著升高，這主要由于兩個試驗模擬降雨中的重金屬含量不同所致。田間試驗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，而同期當地雨水中上述5 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地雨水，也低于北方地區的雨水中重金屬含量［15-17］。因此田間試驗中模擬降雨對煙葉主要起沖洗作用。而溫室試驗中模擬降雨的雨水Pb 含量參考了國內多個地區自然降雨中Pb含量后設置為10.0 μg/L［15-20］，約為田間試驗中模擬降雨雨水中Pb 含量的5 倍，因此溫室試驗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，初步研究了降雨量、降雨次數及雨水pH 對煙葉重金屬的影響，然而降雨對于煙葉重金屬的影響還受大氣干沉降、雨水化學成分等多種因素影響，因此降雨對煙葉重金屬的影響還需要進一步的深入研究。

4 結論

大田和溫室人工模擬降雨試驗表明：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行田間模擬降雨，相同降雨量時，不同降雨次數對煙葉重金屬含量影響不大；相同降雨次數時，煙葉Cr、Ni、As 和Pb 含量隨降雨量增加呈現降低的趨勢。④溫室模擬降雨試驗中，使用接近自然降雨Pb 含量的模擬雨水處理時，降雨處理可增加煙葉Pb 含量，且隨降雨量的增加煙葉Pb 含量也呈現增加趨勢；較低雨水pH處理時，煙葉Pb 含量提高。