植烟区土壤重金属污染现状及主要污染元素毒害效应

单 倩，凌 平，彭桃军，沈雪婷，苏鹏飞，郑 咪

(江西省吉安市烟草公司 安福分公司，江西 安福 343200)

植烟区土壤重金属污染现状及主要污染元素毒害效应

单 倩，凌 平，彭桃军，沈雪婷，苏鹏飞，郑 咪

(江西省吉安市烟草公司 安福分公司，江西 安福 343200)

综述了土壤重金属污染及其危害特征，植烟区重金属污染现状和植烟区重金属污染来源，并就植烟区存在的主要重金属污染元素(Cd、Hg、pb)的毒害效应、安全临界值进行了分析和总结，旨在为降低植烟区土壤重金属危害，提高烟叶安全性提供参考。

烟草；植烟土壤；重金属污染；毒害效应

随着健康理念的广泛传播，烟叶安全性问题备受关注，尤其是烟叶中重金属含量一直受到极大的关注。烟草属于易吸收和富集重金属的植物，烟叶中重金属含量与土壤相应元素的含量密切相关。当烟叶中重金属过量时，在抽吸过程中重金属就会以气溶胶或金属氧化物的形式通过主流烟气进入人体，对人体健康造成危害[1-2]。为此，笔者分析了当前植烟区土壤重金属的污染现状及来源，并就主要污染元素的毒害效应、安全临界值进行了归纳总结，旨在为降低植烟区土壤重金属危害，研究土壤修复保育技术，提高烟叶安全性提供参考。

1 土壤的重金属污染及其危害特征

重金属污染是指由重金属及其化合物引起的环境污染。重金属的危害程度取决于重金属在环境中存在的含量和化学形态。在20世纪全球的几大污染事件中，多起是由于重金属污染引起的，例如：(1)1953～1956年，日本九州水俣病，Hg污染，30000人中毒，60多人死亡。(2)1955～1972年，日本富山骨痛病，Cd污染，100多人死亡。(3)1961～1967年，日本四日哮喘病，SO2和重金属粉尘污染，10多人死亡，817人患病。(4)1996～1997年，玻利维亚伯托西伯尔科矿山，As、Pb、Zn污染，3名儿童死亡。

重金属的危害并不仅仅体现在短时性的死亡人数上，而且还会引发人体免疫系统疾病以及肝病、皮肤病、癌症等多种疾病。

化学意义上的重金属是指比重大于5.0 g/cm3的金属，但在土壤环境学领域，重金属不是以元素的密度来划分的。这是因为像砷和硒等非金属元素，对土壤的毒害机理和作用与重金属很相似，故也将其作为重金属来考虑，因此，污染土壤的重金属主要包括铅、铜、钴、锌、铬、镍、硒、汞、砷、锡等。根据《中华人民共和国土壤环境质量标准GB 15618—1995》，其中8种重金属为农业生态环境中重点监控的有害元素，分别为铅、铜、镉、锌、铬、镍、汞、砷[3]。

重金属元素在土壤环境中是广泛存在的。这是因为土壤是矿物和岩石经风化作用所形成的，而矿物岩石中各元素均有一定含量，重金属也不例外，因此在形成土壤后，各种重金属元素也有一定的背景含量值，即土壤的重金属元素背景值。但目前已很难找到绝对不受人类活动影响的土壤。所以土壤重金属元素背景值只能代表土壤某一发展阶段的相对意义上的数值，即按照土壤背景值研究方法所取得的尽可能不受或者少受人类活动影响的重金属元素的原始含量。

古代人类利用金属的规模很小，因此也不会造成大面积的土壤重金属污染。但随着人类采矿冶炼技术的不断发展，土壤的重金属污染愈加严重，已成为危害人类健康的重大隐患之一。土壤中的重金属污染具有其特有的危害特征。

1.1 隐蔽性、积累性和滞后性

土壤中的重金属污染不易被觉察，往往要等到生长在污染土壤中的植物表征发生变化，或者对周围人类的健康产生毒害后才会被发现。重金属进入人体之后是一种慢性毒理过程，在浓度较低时没有明显的中毒体征，随着重金属浓度的不断增加，发生化合、置换、协同、拮抗等反应后，影响到人体的代谢系统或酶系统，人体才会有所感应，往往需要经过几年甚至几十年才会显现出来。例如铅进入儿童体内后，即使铅的浓度保持在可接受水平，仍然会缓慢影响儿童的智力发育，这种现象很难被我们所察觉[4]。因此，土壤重金属污染从产生污染到出现问题通常会滞后很长时间。

1.2 区域性

在土壤环境中，重金属在某区域的污染程度与该区域的土壤类型密切相关，譬如该区域含有重金属矿产，其土壤重金属含量就会相应较高，同时在开采过程中会影响其临近区域土壤的重金属含量。此外，如果该区域含有大量的化工、冶炼、电镀、印染等与重金属相关的行业，其区域土壤内的重金属含量也会相应偏高。重金属元素在土壤中并不像在大气和水体中那样容易扩散和稀释，因此土壤重金属污染具有很强的区域性。

1.3 重金属在土壤中形态变化复杂，毒性大小也随之变化

重金属多为过渡性元素，价态变化较多，随着环境变化呈现不同的化合态和结合态，重金属的价态和化合物类型与其化学性质有着极其密切的关系，这也直接影响着重金属的毒性大小。一般来说，离子态比络合态的毒性大，络合物越稳定，毒性越小。有机态比无机态或者单质的毒性大，例如二甲基镉的毒性要大于氯化镉。

1.4 长期性

土壤中的重金属不会被降解，只能从一种形态转化为另一种形态，从一个地方转移到另一个地方。若要将土壤中的重金属恢复到污染前的水平，往往需要几十年甚至更长的时间。因此消除土壤中的重金属污染是一个长期艰巨的过程。

2 植烟区重金属污染的现状

对于植烟区土壤重金属污染现状的研究，已然成为国内烟草重金属污染研究的热点之一。李田等[5]对安徽省池州市烟区取样分析的结果表明，池州市现有潜在的植烟土壤尚处于“无污染”和“无污染风险”状态，但存在个别地区Cu接近轻微污染；As、Pb、Cr、Zn已接近生态低风险。雷丽萍等[6]对云南重要烟区玉溪地区烟草中的砷、汞等几种重金属元素含量进行了测定，发现该地区烟草中镉的含量仍然处于相对较高的水平。李玉美等[7]对贵州省主要烟区土壤中重金属污染情况进行取样分析得知，Hg、As和Pb在调查地区土壤中均有一定的积累，Cd含量高于土壤环境质量二级标准要求。王金金等[8]对贵州省遵义市不同县区植烟土壤取样调查发现，当地重金属含量处于较低水平，无明显的污染，仅湄潭县的Cd含量相对较高。闫慧峰等[9]研究表明，山东临朐烟区土壤重金属风险处于“安全”等级，个别区域重金属风险评价综合指数已接近“安全”等级上限，Hg是相对风险较高的土壤重金属元素。张鹏等[10]将四川省会理南阁植烟土壤中测定的Pb、Cd、Cr、As等4种重金属的百分比含量与土壤环境质量标准值比较得知，Cd严重超标，属于重度污染；Pb属于中度污染，这2种重金属元素应引起重视；As为轻微污染，Cr为无污染。魏益华等[11]通过对江西抚州烟区土壤测定结果分析知，Cd和Hg为抚州烟区土壤主要风险因子，部分烟区土壤中Cd、Hg、Zn、Cu含量超过了污染限量，呈现轻度污染。向鹏华等[12]对湖南省衡阳市植烟主产区的重金属污染状况分析得知，重金属镉的污染率最高，部分烟区土壤汞污染风险也较高，铅污染率最低。胡鑫等[13]研究也发现，湖南植烟区土壤土壤受到Cd和Hg污染。许跃奇等[14]对山西平陆县烟区土壤重金属污染评价结果表明，Hg是当地土壤环境质量影响最为严重的金属元素，与淘金江等[15]的研究结果一致。黄五星等[16]对辽宁植烟土壤重金属污染的研究了解到，当地植烟土壤处于清洁水平。

可见，近些年来，植烟土壤重金属污染问题依然存在，重金属Cd和Hg污染最为突出，部分烟区存在Pb中度污染，As、Cu和Zn呈现轻度污染。

3 植烟区重金属污染的来源

3.1 交通污染源

随着各国交通业的不断发展，交通所带来的环境污染逐渐成为国际上的重点研究领域。而交通给植烟区土壤带来的重金属污染也成为一项重要课题。调查显示，在公路两侧的植烟区土壤中，Pb、Zn、Cu、Cd等重金属含量均有超标现象，其中Pb污染尤其突出，并且土壤Pb、Zn、Cu的含量在远离公路时会迅速降低[17]。随着土壤的深度增加，Pb含量也会迅速降低，说明Pb污染主要保留在土壤表层。公路两侧植烟区土壤中的重金属超标现象，尤其是Pb污染，与机动车辆有直接关系[18]。

3.2 工矿业污染源

自20世纪20年代以来，人类对重金属的开发、冶炼、加工及商业制造活动日益增多，植烟区周边有色金属矿山资源开发冶炼产生的烟尘和废水，造成原本固定在矿石中的重金属进入大气、水和土壤环境，成为了植烟区重金属污染的重要来源。植烟区周边的工业活动造成重金属污染呈现点污染源特征，以金属工矿业所在地为污染中心，向周围扩散。我国共有95个矿业城市，占全国城市总数的14%，其中开采有色金属的城市13个[19]。许多学者对矿业城市的大气环境质量、水环境质量和固体废弃物处理等问题进行过大量深入和系统的研究，发现这些矿业城市大气、土壤以及水环境的污染问题十分突出。

3.3 农业污染源

农业污染源主要包括种植烟叶时化肥和农药等的使用，以及污水灌溉、污泥施肥等。化肥中的磷肥会给植烟区土壤带来镉污染。农药会给植烟区土壤带来Cu、Hg、Pb、Cd等污染。我国水资源缺乏的烟叶产区存在污水灌溉，部分烟区使用污泥施肥、污水灌溉的同时，各种重金属离子会随着污水渗透到植烟区土壤中。污泥中含有丰富的有机质、N、P、K等营养物质，可满足烟叶生长需要，但它也含有不利于烟叶生长的有毒有害重金属，如Hg、Pb、Cd等。污泥施肥可使植烟区土壤重金属含量不同程度地增加。若对污泥的利用不加以限制，会造成植烟区土壤重金属超标准累积，通过烟叶富集，对人体构成危害。德国由于长期污泥农用，曾使一些土壤中Hg含量达到0.43～24 mg/kg[20]。

3.4 其他污染源

土壤不是一个封闭的系统，大气中的重金属也会沉降到植烟区土壤中，造成植烟区土壤的重金属污染。如比利时每年从大气进入土壤的重金属量包括Pb(250 g/hm2)、Cd(19 g/hm2)、As(15 g/hm2)、Zn(3750 g/hm2)[21]。另外，固体废物堆积处理过程中也会带来植烟区土壤的重金属污染。例如武汉市垃圾堆放场附近土壤中Cu、Hg、Zn、Pb、As等重金属含量均高于当地土壤背景值[22]。

4 植烟区存在的主要重金属污染元素及其毒害效应

烟草属于Cd强烈富集作物，对Cd和Hg的富集能较强，对Pb、Cr、As的富集能力相对较弱[23]。鲁黎明等[24]研究表明，烟草对不同重金属元素积累能力的强弱为Hg>Cr>As>Pb。郎思曼等[25]认为Cd和Pb很可能是当前我国烤烟叶中主要的重金属元素。结合上述对植烟区土壤重金属污染现状的综述，就植烟区存在的主要重金属污染元素(Cd、Hg、pb)及其毒害效应、安全临界值作简要分析和介绍。

4.1 镉污染

镉及其化合物具有较强的毒性，受镉污染的烟叶进入人体后，会导致人体胃脏功能失调、高血压、肺癌、胃癌等，对人体健康危害极大，且其在人体内的半衰期可达年10～30年[26]。雷丽萍等[6]分析认为，镉是烟叶中主要的重金属元素。

(1)镉对烟草的毒害主要表观症状为，烟株生长缓慢，烟叶发黄，叶片数量、叶绿素含量、生物量积累均明显降低[27]。研究发现，低浓度的镉处理在一定程度上能使烟草幼苗根部干物质重增加，叶片硝酸还原酶活性增强，促进烟草幼苗生长[28]；但高浓度镉处理则极显著地抑制烟草幼苗的生长，使其各项生理活动均降低，最终影响其正常生长[29]。

(2)在烟草整个生长期，烟株在现蕾期对镉的积累量最大，占总量的95%，吸收的镉90%以上储存在叶片中[30]。

(3)烟草镉积累速率随着镉浓度的增加而升高，烟草各部位的镉积累规律为:快速积累—快速降低—缓慢积累[31]。相比较而言，烟草对镉主要富集于叶片中，镉在烟株各器官的含量表现为下部叶>中部叶>上部叶>茎、根[30]。对于烟草幼苗，镉含量表现为茎>根>叶，且随着镉处理浓度的提高，烟草幼苗中镉更多的富集在烟苗的根、茎部[29]。

(4)贾洋洋[32]推算出烟草镉的最高允许浓度为5.79 mg/kg，对于3种烟草种植区土壤的安全临界值(DTPA提取的有效镉)分别为0.17 mg/kg(翠碧1号)、0.19 mg/kg(k326)、0.15 mg/kg(云烟87)。这些安全临界值可以作为制定植烟区土壤镉的安全临界参考值。贺远[28]的研究认为在64 mg/kg的镉浓度下，烟株在生长后期死亡率达到50%左右，为烟草的半致死浓度。

4.2 汞污染

汞可通过生物的富集作用和食物链传递的生物放大作用，最后在人体内积累，以致中毒发病，严重者甚至死亡。烟叶汞污染也成为其传播危害人类健康的一种途径。从主要烤烟种植区土壤汞污染状况来看，目前的情况不容乐观，多地植烟区受到不同程度的汞污染[11-15]。

(1)研究显示，通过抑制细胞分裂和降低作物的根系活力[33]和对营养物质的吸收[34]，是汞抑制作物生长发育的主要原因之一。随着土壤中Hg浓度不断增加，烟草Hg含量也会逐渐增加，烟草株高、节距、茎围、有效叶数均显著地下降，各部位生物量也逐渐降低[35]，汞会严重地抑制烤烟的生长发育[36]。

(2)旺长期，Hg在烟株各部位的含量依次为下部叶片>中部叶片>根、上部叶片>茎[37]。鲁黎明等[24]的研究也表明，叶片中汞的含量显著高于根、茎。

(3)以国家粮食卫生标准，作为判定汞对烤烟生长产生毒害的依据，确定汞对烤烟生长毒害闽值为3.287 mg/kg[36]。

4.3 铅污染

当烟叶中的铅过量时，不仅会随主流烟气进入人体而造成危害[38-39]，还影响被动吸烟人群的身体健康，尤其是孕妇和胎儿，大脑和神经症处于发育阶段的儿童、婴儿，铅过量会导致脐血铅水平明显升高[40]，阻碍神经元的发育以及髓鞘的形成[41]。

(1)被铅毒害的烟草主要表征为植株变矮、叶面积减小、根长变短，明显抑制烟草的生长[42]。对于烟草幼苗，当铅浓度超过一定值后，幼苗生长的各项指标均随着铅浓度的升高而下降，当铅浓度达到200 mg/L时，已发芽的幼苗14 d后会死亡[43]。

(2)不同生长时期烟草对铅毒害的敏感性不同，生长中期较敏感[42]。在土壤铅浓度较低时，烟草体内铅较易向地上部分转运，旺长期至现蕾期阶段是烟草体内铅向地上部分转运的关键时期[44]。

(3)铅不易在植物体内迁移，较易累积在植株的根部、茎部[45]，从而对植株造成危害。对于不同部位烟叶对铅毒害的敏感性也不同，其含量表现为下部叶>中部叶>上部叶[46]。

(4)实验测定了3种烟草植烟土壤的安全临界值，分别为47.66 mg/kg(翠碧1号)、40.33 mg/kg(K326)、41.14 mg/kg(云烟87)[47]，这些安全临界值可作为制定植烟区土壤铅的安全临界参考值。

5 总结

本文从重金属污染物的危害出发，介绍了污染物中的主要重金属，并指出了其危害作用存在隐蔽性、区域性、复杂性以及长期性的特征。重点对烟草种植区产生重金属污染的主要源头进行了分析，包括交通工具、工矿企业、农业产生以及其他因素。并对植烟区重金属污染的现状研究进行了总结，结果表明：植烟区重金属污染依然存在，尤其镉和汞的污染非常突出。最后研究了3种典型重金属污染元素(Cd、Hg、Pb)对烟草生长过程的影响以及烟草生长的生物富集作用，提供了土壤重金属安全临界参考值，希望能为降低植烟区土壤重金属危害，研究土壤修复保育技术，提高烟叶安全性提供参考依据。

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(责任编辑：曾小军)

Status of Heavy Metal Pollution in Tobacco-planting Soil and Toxic Effects of Main Pollutive Elements

SHAN Qian, LING Ping, PENG Tao-jun, SHEN Xue-ting, SU Peng-fei, ZHENG Mi

(Anfu Branch, Ji’an Tobacco Company in Jiangxi Province, Anfu 343200, China)

In this paper, the pollution of heavy metals in soil and their damage characteristics, the status and source of soil heavy metal pollution in tobacco-planting areas, and the toxic effects and safety critical values of main pollutive heavy metal elements (Cd, Hg, and Pb) in tobacco-growing areas were analyzed and summarized. The aim of this article was to provide reference for reducing the harm of soil heavy metals and improving the safety of tobacco leaves.

Tobacco; Tobacco-planting soil; Heavy metal pollution; Toxic effect

2017-04-17

单倩(1990—)，女，硕士，主要从事烟草生产技术推广工作。

S159

A

1001-8581(2017)08-0068-05