烟草对土壤镉的响应及其防控措施研究进展

李 波，徐天养，徐帮雄，何光道

（云南省烟草公司文山州公司西畴县分公司，云南 文山663000）

重金属超标一直是烟草行业普遍关注的问题，其中尤以镉超标最为严重[1]。烟草吸收较多镉，会导致烟草生理代谢紊乱，烟叶产量和品质下降，更会威胁吸烟群体健康[2-3]。土壤是烟草生长的重要介质，却也是烟叶吸收镉的主要来源[4]。文章综述了土壤镉存在特性及烟草镉累积特征，阐述了烟草对土壤镉胁迫的响应，并总结了烟草镉的防控措施，以期为烟草镉污染治理提供一定的科学参考。

1 土壤镉存在特性及烟草镉累积特征

随着工业发展及人类活动的影响，土壤中镉含量呈增加趋势，但并非所有镉都是烟草易于吸收的。研究表明，土壤镉大体可分为可吸收态、交换态和难吸收态3种类型[5]。可吸收态镉在土壤中含量很少，但烟草能直接吸收。交换态镉相对较多，随着土壤理化环境的变化可以向可吸收态和难吸收态转变。难吸收态镉占土壤重金属最高，很难被作物吸收利用或潜在迁移性很小。

随着土壤理化环境的变化，包括酸碱性、氧化还原条件、有机质含量，镉的有效性也会发生转变。研究指出，土壤pH 值是影响烟草吸收土壤镉最重要的因素。当土壤pH 值小于5.5 时，烟草镉浓度与土壤镉浓度显著线性相关；而当土壤pH 值>5.5 时，两者呈对数相关关系。由此可见，酸性环境下土壤镉生物有效性更高，烟草更易吸收累积镉元素[6]。烟草根系通常会产生酸性分泌物，降低局部环境内土壤pH 值，从而提高镉有效性[7]。此外，酸性环境下土壤重金属溶解性较高，导致植物可吸收的有效态镉较多，这是南方地区烟叶镉含量高于北方的原因[8]。土壤有机质含量也是影响烟草吸收镉的重要因素，研究表明，烟草镉浓度显著负相关于土壤有机质[9]，这主要是由于土壤有机质中的活性基团与镉螯合，降低了镉的有效性所致。

土壤是烟草吸收镉的主要来源，烟草从根系吸收镉后，然后转运至不同器官。研究表明，镉在烟草不同部位的含量表现为叶＞茎＞根，说明镉在烟株内具有很强的转移能力[10]。吴玉萍等研究[11]也指出，烟株中的镉80%以上分布在烟叶中，根部含量很少。镉在烟叶中的分布以上部叶最多，其次为中部叶，这说明镉在烟株中移动性较高，极易在烟草中富集[12]。

2 镉对烟草生理、表观形态及品质的影响

烟草摄入镉后生理代谢水平有所变化，其变化情况与镉的摄入量有关。镉化合物是一种促氧化剂，可导致植物体内产生大量自由基，对细胞及组织造成伤害。在低浓度镉胁迫环境下，烟草会出现自我保护现象，表现为超氧化物歧化酶、过氧化氢酶等自由基清除酶系统激活，丙二醛及脯氨酸含量升高等[13]。但当镉浓度过高时，各自由基清除酶活性显著下降，烟草生理代谢紊乱，严重时细胞组织受到伤害。李元等[14]研究表明，镉胁迫处理（>250 ug/L）一周会明显抑制烟草叶绿素合成及氧化酶系活性，烟草细胞出现畸形现象。在镉胁迫环境下，植物细胞膜透性和亚显微结构会发生变化，表现为叶肉细胞的细胞核畸形，线粒体脊空泡化，细胞器膜结构被破坏等[15]。

镉摄入过多还会影响烟草的正常碳氮代谢过程。研究表明，各生育期烟叶镉含量越多，烟叶总叶绿素含量（叶绿素a+b）及光合速率降低越明显[16-17]，碳代谢过程有所降低。与碳代谢不同的是，在镉胁迫环境下，氮代谢水平有升高的趋势，表现为叶片氮含量、总氨基酸含量增加。而叶片的氨基酸含量与蛋白质含量呈正相关关系，这可能是由于镉与DNA 结合诱导蛋白质合成增加，尤其是金属硫蛋白和镉硫蛋白的增加，这很可能是一种解毒机制[18]。

重金属胁迫会导致烟草生理代谢过程紊乱，最终在其形态建成上表现出来，如植株生长不良、各部分干物质累积量减少等[19-22]。另一方面，重金属胁迫会影响烟叶品质，包括烟碱、还原糖及蛋白质的含量等[23-25]。邓家军等[26]研究指出，镉可以提高烟叶氨基酸和蛋白质含量，同时降低叶片烟碱含量，导致烟叶品质下降。此外，烟叶可溶性糖对镉的响应极其敏感，轻度镉污染即会引起含量显著下降，可作为镉污染评价的指标[27]。

3 烟草镉污染防控修复措施

对烟草镉污染的治理，一方面要从源头上减少镉进入土壤，另一方面要设法减少土壤中镉含量或者降低其生物有效性。肥料及农药中往往含有较多重金属，尤其以磷肥、镁肥及硫酸钾中镉含量超标[28]。因此，要加强肥料的重金属监测管理力度，合理控制农药施用量，减少镉进入土壤的途径。此外，通过改变土壤理化环境，根据元素与镉的互作规律来降低土壤镉的有效性也是一种较好的方法。

元素与镉的互作规律主要表现为两类，一类是促进效应，如锰、铁；另一类是抑制效应，如磷、硼、锌、镁、铜、钙、硅等。研究表明，“铁+镉”处理中，各处理浓度下烟草叶片镉含量均比单独镉处理时对应浓度高得多，这是由于铁对烟草吸收运输以的协同作用所致，因此建议在含铁较多的地区减少烟草种植[29]。镉与锌间存在明显的拮抗关系[30]，施加锌肥可降低烟草镉浓度，烟株中各部位镉浓度也均有不同程度的下降，下降幅度为12.8%～30.0%。王晓敏等[31]研究表明，通过提高土壤对重金属的固定作用，钙肥可以降低烟草对镉的吸收。此外，硅肥能够减少烟草吸收镉和砷，主要是因为细胞壁硅质化会导致重金属侵入受阻，并在细胞壁与重金属形成沉淀。添加钝化修复材料会显著影响土壤镉的存在形态，表现为土壤有效态镉浓度显著降低，同时土壤中残渣态镉浓度显著增加。添加骨粉及活性碳后，土壤胶体对镉的吸附增加，镉有效性下降，从而降低了烤烟对镉的吸收[32]。与单个防治措施相比，多个防治措施复合使用的效果更具优势，王卫研究表明，无机钝化剂赤泥与富含巯基化合物油菜秸秆联合应用并配施锌肥是一种高效的、对环境友好的植烟土壤镉污染田间消减方法之一[33]。

4 展 望

烟草重金属防控一直是重点关注的问题，尤其是镉。目前，关于重金属镉对烟草影响的相关研究较多，但还有待于更深入的研究，主要表现为以下几点：（1）加强烟草宏观基因组对镉的响应研究，当前镉对烟草生长、产量及品质的研究已有大量报道，但镉胁迫环境下烟草基因表达调控的研究较少。在镉胁迫环境下，与镉相关的特异基因表达及翻译过程会发生特异性变化，加之烟草基因全序列的完成及分子实验技术（如高通量技术）的快速发展，更易找出与镉代谢相关的特异基因，为转基因烟草的研究打下坚实基础，从转基因角度防治烟草镉污染将是未来研究的一大热点。（2）在今后的烟草镉污染防控过程中，应重点在肥料生产中加强对镉含量的监测力度，同时研发去除重金属的肥料生产流程。施肥是烟草生产中不可或缺的环节，应根据元素与镉的互作规律来调整施肥种类及用量，从而减少烟草对重金属的吸收。此外，烟草镉污染的防治措施较多，在实际生产中，要注意多种防治措施的综合应用。

[1]张 浩，陆 宁，钱晓刚，等.重金属胁迫对烟草生理特性及其生物量的影响[J].贵州农业科学，2013，41（11）：25-29.

[2]雷丽萍，陈世宝，夏振远，等.烟草对污染土壤中镉胁迫的响应机制及影响因素研究进展[J].中国烟草科学，2011，32（4）：87-93.

[3]李添华，陈添昌，钟 平，等.镉胁迫对烟草生理生化的影响[J].农技服务，2012，29（5）：604-605.

[4]张玉涛，杨兴平，李 琳，等.重金属Pb、Cr、Cd对烟草生长的影响及其分布规律[J].南方农业学报，2012，43（11）：1697-1702.

[5]郑小东，荣湘民，罗尊长，等.土壤重金属污染及修复方法研究进展[J].农学学报，2011，（8）：37-43.

[6]王 卫，梁振飞，李菊梅，等.土壤性质对烟草中镉富集的影响及预测模型研究[J].土壤，2014，46（1）：178-183.

[7]于会泳，申国明，高欣欣.烟草根系分泌物的GC-MS检测[J].中国烟草学报，2013，19（4）：64-72.

[8]潘文杰，姜超英，唐远驹，等.烤烟铅镉含量及其与环境的关系[J].土壤，2007，39（3）：369-374.

[9]林大松，徐应明，孙国红，等.土壤pH、有机质和含水氧化物对镉、铅竞争吸附的影响[J].农业环境科学学报，2007，26（2）：510-515.

[10]潘淑君，李无双，王荣琴.烟草中重金属含量防控途径探讨[J].科学观察，2010，（6）：96-97.

[11]吴玉萍，杨虹琦.重金属镉在烤烟中的累积分配[J].中国烟草科学，2008，29（5）：37-39.

[12]张 华.铬胁迫对烤烟生理特性和品质的影响[D].郑州：河南农业大学，2006.

[13]忠宏志，刘国顺，常思敏，等.烟草重金属研究现状及农业减害对策[J].中国烟草学报，2011，17（3）：89-94.

[14]李 元，王焕校，吴玉树.镉、铁及其复合污染对烟草生理的影响[J].环境科学学报，1990，10（4）：494-500.

[15]郭江波，唐 炳，王建英，等.镉胁迫对烟草生理特性的影响[J].浙江农业学报，2013，25（6）：1279-1283.

[16]马新明，李春明，刘海涛，等.Cd、Pb污染对烤烟ATP酶活性及烟叶品质的影响[J].农业环境科学学报，2006，26（2）：708-712.

[17]齐 敏.土壤-烟草系统中烟草叶绿素对Hg-Cd-Pb胁迫的响应[J].中国生态农业学报，2001，9（4）：82-84.

[18]李立芹，鲁黎明，卜贵鲜.镉胁迫对烟草幼苗生长和生理指标的影响[J].贵州农业科学，2010，38（5）：35-37.

[19]吴 坤，吴中红，邰付菊，等.镉胁迫对烟草激素水平、光合特性、荧光特性的影响[J].生态学报，2011，31（16）：4517-4524.

[20]石贵玉，秦丽凤，陈耕云.铬对烟草组培苗生长和某些生理指标的影响[J].广西植物，2007，27（6）：899-902.

[21]吴玉萍，杨虹琦，徐照丽，等.重金属镉在烤烟中的累积分配[J].中国烟草科学，2008，29（5）：37-39.

[22]陈耕云，石贵玉，徐美燕，等.重金属Cr6+对烟草组织培养的影响[J].河池学院学报，2006，26（2）：28-30.

[23]王学锋，师东阳，刘淑萍，等.烟草对土壤中环境激素铅的吸收及其相互影响的研究[J].农业环境科学学报，2006，25（4）：890-893.

[24]曹祥练，孙敬国，卢红良.重金属对烤烟产量及品质影响的研究进展[J].河北农业科学，2009，13（9）：3-6，9.

[25]王 淼，赵铭钦，腊贵晓.烟草中重金属镉污染及调控措施研究进展[J].中国农业科技导报，2011，13（2）：93-98.

[26]邓家军，张宇斌，胡继伟，等.重金属离子对烟叶SOD活性的影响[J].湖北农业科学，2009，48（5）：1171-1175.

[27]李荣春.镉、铅及其复合污染对烤烟叶片生理生化及细胞亚显微结构的影响[J].植物生态学报，2000，24（2）：238-242.

[28]武小净，李德成，庄 云，等.山东省典型烟区烟叶重金属的外源调查[J].土壤，2013，45（3）：513-516.

[29]丁 琼，杨俊兴，华 珞，等.不同钝化剂配施硫酸锌对石灰性土壤中镉生物有效性的影响研究[J].农业环境科学学报，2012，31（2）：312-317.

[30]段昌群，王焕校，胡 斌.镉、铁在烟草中的相互作用及对烟草品质的影响[J].云南大学学报，1994，16（3）：257-261.

[31]王晓敏，王书成，郞玉卓，等.重金属对烟草的影响及其治理[J].河北农业科学，2008，12（7）：15-17.

[32]张 华.铬胁迫对烤烟生理特性和品质的影响[D].郑州：河南农业大学，2006.

[33]王 卫.烟草中镉的富集规律与田间消减技术研究[D].北京：中国农业科学院，2013.