煙草對土壤鎘的響應及其防控措施研究進展

李 波，徐天養，徐幫雄，何光道

（云南省煙草公司文山州公司西疇縣分公司，云南 文山663000）

重金屬超標一直是煙草行業普遍關注的問題，其中尤以鎘超標最為嚴重[1]。煙草吸收較多鎘，會導致煙草生理代謝紊亂，煙葉產量和品質下降，更會威脅吸煙群體健康[2-3]。土壤是煙草生長的重要介質，卻也是煙葉吸收鎘的主要來源[4]。文章綜述了土壤鎘存在特性及煙草鎘累積特征，闡述了煙草對土壤鎘脅迫的響應，并總結了煙草鎘的防控措施，以期為煙草鎘污染治理提供一定的科學參考。

1 土壤鎘存在特性及煙草鎘累積特征

隨著工業發展及人類活動的影響，土壤中鎘含量呈增加趨勢，但并非所有鎘都是煙草易于吸收的。研究表明，土壤鎘大體可分為可吸收態、交換態和難吸收態3種類型[5]。可吸收態鎘在土壤中含量很少，但煙草能直接吸收。交換態鎘相對較多，隨著土壤理化環境的變化可以向可吸收態和難吸收態轉變。難吸收態鎘占土壤重金屬最高，很難被作物吸收利用或潛在遷移性很小。

隨著土壤理化環境的變化，包括酸堿性、氧化還原條件、有機質含量，鎘的有效性也會發生轉變。研究指出，土壤pH 值是影響煙草吸收土壤鎘最重要的因素。當土壤pH 值小于5.5 時，煙草鎘濃度與土壤鎘濃度顯著線性相關；而當土壤pH 值>5.5 時，兩者呈對數相關關系。由此可見，酸性環境下土壤鎘生物有效性更高，煙草更易吸收累積鎘元素[6]。煙草根系通常會產生酸性分泌物，降低局部環境內土壤pH 值，從而提高鎘有效性[7]。此外，酸性環境下土壤重金屬溶解性較高，導致植物可吸收的有效態鎘較多，這是南方地區煙葉鎘含量高于北方的原因[8]。土壤有機質含量也是影響煙草吸收鎘的重要因素，研究表明，煙草鎘濃度顯著負相關于土壤有機質[9]，這主要是由于土壤有機質中的活性基團與鎘螯合，降低了鎘的有效性所致。

土壤是煙草吸收鎘的主要來源，煙草從根系吸收鎘后，然后轉運至不同器官。研究表明，鎘在煙草不同部位的含量表現為葉＞莖＞根，說明鎘在煙株內具有很強的轉移能力[10]。吳玉萍等研究[11]也指出，煙株中的鎘80%以上分布在煙葉中，根部含量很少。鎘在煙葉中的分布以上部葉最多，其次為中部葉，這說明鎘在煙株中移動性較高，極易在煙草中富集[12]。

2 鎘對煙草生理、表觀形態及品質的影響

煙草攝入鎘后生理代謝水平有所變化，其變化情況與鎘的攝入量有關。鎘化合物是一種促氧化劑，可導致植物體內產生大量自由基，對細胞及組織造成傷害。在低濃度鎘脅迫環境下，煙草會出現自我保護現象，表現為超氧化物歧化酶、過氧化氫酶等自由基清除酶系統激活，丙二醛及脯氨酸含量升高等[13]。但當鎘濃度過高時，各自由基清除酶活性顯著下降，煙草生理代謝紊亂，嚴重時細胞組織受到傷害。李元等[14]研究表明，鎘脅迫處理（>250 ug/L）一周會明顯抑制煙草葉綠素合成及氧化酶系活性，煙草細胞出現畸形現象。在鎘脅迫環境下，植物細胞膜透性和亞顯微結構會發生變化，表現為葉肉細胞的細胞核畸形，線粒體脊空泡化，細胞器膜結構被破壞等[15]。

鎘攝入過多還會影響煙草的正常碳氮代謝過程。研究表明，各生育期煙葉鎘含量越多，煙葉總葉綠素含量（葉綠素a+b）及光合速率降低越明顯[16-17]，碳代謝過程有所降低。與碳代謝不同的是，在鎘脅迫環境下，氮代謝水平有升高的趨勢，表現為葉片氮含量、總氨基酸含量增加。而葉片的氨基酸含量與蛋白質含量呈正相關關系，這可能是由于鎘與DNA 結合誘導蛋白質合成增加，尤其是金屬硫蛋白和鎘硫蛋白的增加，這很可能是一種解毒機制[18]。

重金屬脅迫會導致煙草生理代謝過程紊亂，最終在其形態建成上表現出來，如植株生長不良、各部分干物質累積量減少等[19-22]。另一方面，重金屬脅迫會影響煙葉品質，包括煙堿、還原糖及蛋白質的含量等[23-25]。鄧家軍等[26]研究指出，鎘可以提高煙葉氨基酸和蛋白質含量，同時降低葉片煙堿含量，導致煙葉品質下降。此外，煙葉可溶性糖對鎘的響應極其敏感，輕度鎘污染即會引起含量顯著下降，可作為鎘污染評價的指標[27]。

3 煙草鎘污染防控修復措施

對煙草鎘污染的治理，一方面要從源頭上減少鎘進入土壤，另一方面要設法減少土壤中鎘含量或者降低其生物有效性。肥料及農藥中往往含有較多重金屬，尤其以磷肥、鎂肥及硫酸鉀中鎘含量超標[28]。因此，要加強肥料的重金屬監測管理力度，合理控制農藥施用量，減少鎘進入土壤的途徑。此外，通過改變土壤理化環境，根據元素與鎘的互作規律來降低土壤鎘的有效性也是一種較好的方法。

元素與鎘的互作規律主要表現為兩類，一類是促進效應，如錳、鐵；另一類是抑制效應，如磷、硼、鋅、鎂、銅、鈣、硅等。研究表明，“鐵+鎘”處理中，各處理濃度下煙草葉片鎘含量均比單獨鎘處理時對應濃度高得多，這是由于鐵對煙草吸收運輸以的協同作用所致，因此建議在含鐵較多的地區減少煙草種植[29]。鎘與鋅間存在明顯的拮抗關系[30]，施加鋅肥可降低煙草鎘濃度，煙株中各部位鎘濃度也均有不同程度的下降，下降幅度為12.8%～30.0%。王曉敏等[31]研究表明，通過提高土壤對重金屬的固定作用，鈣肥可以降低煙草對鎘的吸收。此外，硅肥能夠減少煙草吸收鎘和砷，主要是因為細胞壁硅質化會導致重金屬侵入受阻，并在細胞壁與重金屬形成沉淀。添加鈍化修復材料會顯著影響土壤鎘的存在形態，表現為土壤有效態鎘濃度顯著降低，同時土壤中殘渣態鎘濃度顯著增加。添加骨粉及活性碳后，土壤膠體對鎘的吸附增加，鎘有效性下降，從而降低了烤煙對鎘的吸收[32]。與單個防治措施相比，多個防治措施復合使用的效果更具優勢，王衛研究表明，無機鈍化劑赤泥與富含巰基化合物油菜秸稈聯合應用并配施鋅肥是一種高效的、對環境友好的植煙土壤鎘污染田間消減方法之一[33]。

4 展 望

煙草重金屬防控一直是重點關注的問題，尤其是鎘。目前，關于重金屬鎘對煙草影響的相關研究較多，但還有待于更深入的研究，主要表現為以下幾點：（1）加強煙草宏觀基因組對鎘的響應研究，當前鎘對煙草生長、產量及品質的研究已有大量報道，但鎘脅迫環境下煙草基因表達調控的研究較少。在鎘脅迫環境下，與鎘相關的特異基因表達及翻譯過程會發生特異性變化，加之煙草基因全序列的完成及分子實驗技術（如高通量技術）的快速發展，更易找出與鎘代謝相關的特異基因，為轉基因煙草的研究打下堅實基礎，從轉基因角度防治煙草鎘污染將是未來研究的一大熱點。（2）在今后的煙草鎘污染防控過程中，應重點在肥料生產中加強對鎘含量的監測力度，同時研發去除重金屬的肥料生產流程。施肥是煙草生產中不可或缺的環節，應根據元素與鎘的互作規律來調整施肥種類及用量，從而減少煙草對重金屬的吸收。此外，煙草鎘污染的防治措施較多，在實際生產中，要注意多種防治措施的綜合應用。

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