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(guó)環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境基準(zhǔn)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100012；2.中國(guó)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(chǎn)活動(dòng)的影響，農(nóng)事操作 (施肥、灌溉等) 是重金屬在土壤中富集的主要來(lái)源之一[1]。煙草是一種對(duì)重金屬富集作用很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)作物，因而即使土壤重金屬含量未超過(guò)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，也會(huì)導(dǎo)致其煙葉中重金屬含量升高，進(jìn)而影響煙葉品質(zhì)及其吸食安全性[2]。目前，我國(guó)農(nóng)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(guān)注并亟待解決的問(wèn)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(guān)注，特別是2010年的一份關(guān)于中國(guó)品牌卷煙重金屬含量的檢測(cè)報(bào)告引發(fā)了強(qiáng)烈反響[5]。有關(guān)重金屬在煙草中的累積及對(duì)人體健康危害的研究日益受到重視。國(guó)內(nèi)有關(guān)煙葉重金屬的研究起步較晚，研究主要針對(duì)土壤、化肥、農(nóng)藥與煙葉重金屬含量的關(guān)系以及降低煙葉中重金屬含量的技術(shù)[6-7]。

遵義市位于貴州省北部，距貴陽(yáng)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(tuán)溪鎮(zhèn)從貴定引進(jìn)試種成功，至今已有近70年的種植歷史，是全國(guó)烤煙種植區(qū)劃最適宜的優(yōu)質(zhì)烤煙主產(chǎn)區(qū)之一，年烤煙種植面積5.6萬(wàn)hm2左右，生產(chǎn)、加工煙葉9 000萬(wàn)kg以上。全市植煙區(qū)域主要分布在務(wù)川、遵義、余慶、正安、道真、湄潭、綏陽(yáng)、桐梓、鳳岡、仁懷10個(gè)縣和匯川。遵義市現(xiàn)有復(fù)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(duì)遵義3個(gè)植煙區(qū)煙苗和煙葉中重金屬含量進(jìn)行了調(diào)查分析，通過(guò)對(duì)煙苗、煙葉中8種重金屬含量的比較，探討重金屬可能的來(lái)源，以期為當(dāng)?shù)責(zé)熖镏亟饘倏刂萍鞍踩a(chǎn)監(jiān)控體系建立提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1樣品采集與保存遵義地區(qū)共有10個(gè)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(diǎn)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(zhì)中取出，每個(gè)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(gè)樣品3次重復(fù)，共計(jì)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(chǎn)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(gè)樣品采集0.5 kg (濕重)。共采集20個(gè)煙葉樣品，每樣品3次重復(fù)樣，共計(jì)60個(gè)煙葉樣品。 樣品采集完成后，以4 ℃低溫盡快運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。

1.2樣品處理與分析煙苗和煙葉樣品經(jīng)真空冷凍干燥后研磨，并通過(guò)孔徑為100 目 (0.154 mm)的尼龍篩網(wǎng)后測(cè)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(chǎn)生濃烈的褐色煙，待溶液幾乎蒸干，殘?jiān)鼮榛野咨４鈿堅(jiān)鋮s至室溫，加入1% HNO3溶解殘留物并轉(zhuǎn)移收集到25 mL容量瓶，用1% HNO3定容。取出10 mL溶液過(guò)0.45 μm玻璃纖維濾膜保存于10 mL離心管中，上機(jī)測(cè)定重金屬含量。用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS,Agilent 7500a,Agilent,Santa Clara,California) 測(cè)試煙樣消解液中的As、Cd、Cr、Cu、Pb、Ni、Zn和Hg含量。

1.3數(shù)據(jù)處理與質(zhì)量保證數(shù)據(jù)分析過(guò)程中通過(guò)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)剔除異常值。采用分析的差異顯著性水平為0.05。數(shù)據(jù)的計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析用Excel 2003和SPSS 13.0完成。

所有玻璃容器在試驗(yàn)前用酸浸泡，再用去離子水清洗3次，烘干。每個(gè)樣品設(shè)3個(gè)重復(fù)消解樣，空白對(duì)照和國(guó)家沉積物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì) (GBW07318) 與樣品用同樣的方法進(jìn)行處理。每處理的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于10%,標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)所有重金屬的回收率在85%～110%。

2 結(jié)果與分析

2.1各研究區(qū)烤煙種植概況及煙葉性質(zhì)遵義縣烤煙種植面積最大，達(dá)8 826.33 hm2。遵義市遵義縣、鳳岡縣和余慶縣烤煙總產(chǎn)量及煙葉物理性質(zhì)見表1。3個(gè)縣中遵義縣煙草產(chǎn)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(gè)研究區(qū)烤煙產(chǎn)量和煙葉指標(biāo)差異不顯著(P<0.05)，大氣質(zhì)量對(duì)烤煙產(chǎn)量及煙葉性質(zhì)的影響需進(jìn)一步證實(shí)。

表1 研究區(qū)烤煙種植概況及煙葉性質(zhì)

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(zhì)和培育環(huán)境對(duì)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(gè)生長(zhǎng)周期內(nèi)，從大氣、雨水 (灌溉水)、土壤等環(huán)境介質(zhì)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(duì)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(guò)程中，煙苗會(huì)從培養(yǎng)基質(zhì)及培育溫室環(huán)境中吸收重金屬元素。如果后期研究結(jié)果證實(shí)這一點(diǎn)，將會(huì)對(duì)遵義市煙苗培育基質(zhì)的選擇及其他細(xì)節(jié)產(chǎn)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(shuō)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(xiàn)量需要進(jìn)一步研究。

對(duì)比遵義市和已有文獻(xiàn)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(guān)，說(shuō)明煙葉中的 Cd 污染主要來(lái)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(gè)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(dāng)?shù)貧鉁?、降雨量、成土母質(zhì)、土壤酸堿度、有機(jī)質(zhì)含量等有關(guān)[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(diǎn)是低硼、低鋅、中銅、低氯；遵義縣的特點(diǎn)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(yùn)用系統(tǒng)聚類分析了3個(gè)植煙區(qū)煙苗和煙葉重金屬含量之間的關(guān)系。具有相似來(lái)源和性質(zhì)的重金屬會(huì)以近距離聚到一組，聚類結(jié)果見圖5。

對(duì)于圖5a所示的元素聚類，選取重新調(diào)整的聯(lián)動(dòng)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(duì)于圖5b所示的元素聚類，選取重新調(diào)整的聯(lián)動(dòng)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(jié)果表明，煙苗重金屬和煙葉重金屬聚類結(jié)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(nóng)業(yè)因素。Cd通常與田地使用化肥和農(nóng)藥有關(guān)[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(jìn)而影響烤煙重金屬含量[15]。第2類與大氣沉降有關(guān)。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(chǎn)、汽車尾氣排放產(chǎn)生的有害氣體和粉塵等經(jīng)過(guò)自然沉降和降水進(jìn)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(jié)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(zhì)有關(guān)。煙苗和煙葉中8種重金屬含量高低及排序不同，說(shuō)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(xiàn)量需要進(jìn)一步研究。煙苗重金屬和煙葉重金屬聚類結(jié)果基本一致。重金屬的來(lái)源與工業(yè)活動(dòng)、農(nóng)業(yè)活動(dòng)和大氣沉降有關(guān)。

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