贵州省遵义市主要烟区烟草中重金属含量及其来源研究

石陶然,赵 建,韩小斌,彭玉龙,刘 京,祝乾湘,谭 静,莫静静,马 瑾*

(1.中国环境科学研究院环境基准和风险评估国家重点实验室,北京100012；2.中国烟草总公司遵义市公司,贵州遵义 520300)

土壤中重金属主要受人类生产活动的影响，农事操作 (施肥、灌溉等) 是重金属在土壤中富集的主要来源之一[1]。烟草是一种对重金属富集作用很强的经济作物，因而即使土壤重金属含量未超过土壤环境质量标准，也会导致其烟叶中重金属含量升高，进而影响烟叶品质及其吸食安全性[2]。目前，我国农田土壤不同程度地存在As、Pb、Cd污染[3]，如何控制土壤环境重金属迁移到烟叶中是需要加以关注并亟待解决的问题。烟叶中的重金属主要包括Cd、Hg、Pb、As、Cu、Zn、Cr、Ni等[4]。自1980年代开始，Ni、Cr、Pb等重金属在烟叶中的含量就备受关注，特别是2010年的一份关于中国品牌卷烟重金属含量的检测报告引发了强烈反响[5]。有关重金属在烟草中的累积及对人体健康危害的研究日益受到重视。国内有关烟叶重金属的研究起步较晚，研究主要针对土壤、化肥、农药与烟叶重金属含量的关系以及降低烟叶中重金属含量的技术[6-7]。

遵义市位于贵州省北部，距贵阳市155 km，地理位置105°36′～108°13′ E，27°8′～29°12′ N，全市总面积30 762 km2。遵义市烤烟自1940年在遵义县团溪镇从贵定引进试种成功，至今已有近70年的种植历史，是全国烤烟种植区划最适宜的优质烤烟主产区之一，年烤烟种植面积5.6万hm2左右，生产、加工烟叶9 000万kg以上。全市植烟区域主要分布在务川、遵义、余庆、正安、道真、湄潭、绥阳、桐梓、凤冈、仁怀10个县和汇川。遵义市现有复烤厂2家 (汇川区、湄潭县) 和卷烟厂1家 (汇川区)。已有研究表明，云贵地区烟叶中的Cd含量均为3.021 mg/kg，是黄淮烟叶的2.3倍[8]。笔者对遵义3个植烟区烟苗和烟叶中重金属含量进行了调查分析，通过对烟苗、烟叶中8种重金属含量的比较，探讨重金属可能的来源，以期为当地烟田重金属控制及安全生产监控体系建立提供科学依据。

1 材料与方法

1.1样品采集与保存遵义地区共有10个烤烟种植县，该研究在遵义县、凤冈县、余庆县分别选择1块代表性植烟区采集样品。采样点位如图1所示。

图1 遵义市采样区县地理区位示意Fig.1 The geographical location of sampling sites in Zunyi City

该研究于2016年5月10—18日在遵义市余庆县、凤冈县和遵义县烟苗培育大棚采集整株烟苗。将烟苗从培养基质中取出，每个样品采集0.5 kg (湿重)，清洗干净后装入专用的采样袋，冷藏保存。共采集20株烟苗样品，每个样品3次重复，共计60株烟苗样品。

于2016年7月15—23日在遵义市余庆县松烟、凤冈县九龙和遵义县鸭溪烟草种植基地采集烟叶(为5月采集的烟苗移栽大田生产的烟叶)。采集烟叶后清洗干净，装入专用采样袋，冷藏保存。每个样品采集0.5 kg (湿重)。共采集20个烟叶样品，每样品3次重复样，共计60个烟叶样品。 样品采集完成后，以4 ℃低温尽快运至实验室进行分析。

1.2样品处理与分析烟苗和烟叶样品经真空冷冻干燥后研磨，并通过孔径为100 目 (0.154 mm)的尼龙筛网后测定重金属含量。称取0.1 g上述前处理样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 ℃下石墨炉消解仪中消解5 h，然后打开消解管的盖子赶酸，直至不再产生浓烈的褐色烟，待溶液几乎蒸干，残渣为灰白色。待消解残渣冷却至室温，加入1% HNO3溶解残留物并转移收集到25 mL容量瓶，用1% HNO3定容。取出10 mL溶液过0.45 μm玻璃纤维滤膜保存于10 mL离心管中，上机测定重金属含量。用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS,Agilent 7500a,Agilent,Santa Clara,California) 测试烟样消解液中的As、Cd、Cr、Cu、Pb、Ni、Zn和Hg含量。

1.3数据处理与质量保证数据分析过程中通过统计检验剔除异常值。采用分析的差异显著性水平为0.05。数据的计算和统计分析用Excel 2003和SPSS 13.0完成。

所有玻璃容器在试验前用酸浸泡，再用去离子水清洗3次，烘干。每个样品设3个重复消解样，空白对照和国家沉积物标准物质 (GBW07318) 与样品用同样的方法进行处理。每处理的相对标准偏差均小于10%,标准物质所有重金属的回收率在85%～110%。

2 结果与分析

2.1各研究区烤烟种植概况及烟叶性质遵义县烤烟种植面积最大，达8 826.33 hm2。遵义市遵义县、凤冈县和余庆县烤烟总产量及烟叶物理性质见表1。3个县中遵义县烟草产量最高，烟叶最宽，单叶重最重，单位叶面积重最重。由于研究区域有限，3个研究区烤烟产量和烟叶指标差异不显著(P<0.05)，大气质量对烤烟产量及烟叶性质的影响需进一步证实。

表1 研究区烤烟种植概况及烟叶性质

2.2烟苗与烟叶中重金属分布特征从图2可以看出，烟苗样品中8种重金属元素含量水平差异很大，8种重金属浓度由高到低依次为Cu、Cr、Zn、As、Ni、Pb、Cd、Hg。烟苗中重金属含量代表烟苗在移栽大田前的重金属含量水平，不仅可以反映烟苗培育基质和培育环境对烟苗重金属含量的影响，还可以作为移栽大田前烟叶的背景或初始浓度。

图2 烟苗中重金属元素含量Fig.2 Heavy metal content in tobacco seedling

从图3可以看出，烟叶中8种重金属含量由高到低依次为Zn、Cu、Cr、Ni、Cd、Pb、As、Hg。烟叶中重金属含量反映了烟苗在移栽大田后整个生长周期内，从大气、雨水 (灌溉水)、土壤等环境介质中吸收的重金属含量水平。

图3 烟叶中重金属元素含量Fig.3 Heavy metal content in tobacco

对比图2、3可以发现，烟苗中大部分重金属含量明显高于烟叶样品，提示在烟苗培育过程中，烟苗会从培养基质及培育温室环境中吸收重金属元素。如果后期研究结果证实这一点，将会对遵义市烟苗培育基质的选择及其他细节产生重要影响。烟苗和烟叶中8种重金属元素含量高低及排序不同，说明在烟苗移栽到大田后，各种重金属源及暴露途径发生变化，每种途径的贡献量需要进一步研究。

对比遵义市和已有文献中贵州省烟叶样品中重金属含量(表2)可知，贵州烟叶Cd和As含量偏高。Cd 在土壤和烟叶中的含量呈显著正相关，说明烟叶中的 Cd 污染主要来源于土壤，土壤中 Cd 含量水平能够决定烟叶中Cd 含量[8,10]。烟叶中重金属的积累在不同年度间均存在很大变化，这种年度变化可能与环境变化一致。大气环境条件是影响烟叶重金属含量的重要因素之一[11]。

表2 贵州省烟叶样品中7种重金属平均含量

2.3不同植烟区烟叶重金属含量差异从图4可见，3个植烟区烟叶中8种重金属在重金属总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。烟叶中重金属的积累与当地气温、降雨量、成土母质、土壤酸碱度、有机质含量等有关[12]。有研究表明，余庆县土壤微量元素水平表现为高硼、中锌、高铜、中氯；凤冈县的特点是低硼、低锌、中铜、低氯；遵义县的特点是低硼、低锌、中铜、中氯[13]。

图4 不同植烟区烟叶中各重金属比例Fig.4 Heavy metal proportion in tobacco seedling of different tobacco planting areas

2.4聚类分析运用系统聚类分析了3个植烟区烟苗和烟叶重金属含量之间的关系。具有相似来源和性质的重金属会以近距离聚到一组，聚类结果见图5。

对于图5a所示的元素聚类，选取重新调整的联动距离为20，重金属元素被分成2类，第1类包括Pb、Ni、Cd、Hg和As，第2类包括Cr、Zn和Cu；对于图5b所示的元素聚类，选取重新调整的联动距离为20，重金属元素被分成2类，第1类包括As、Hg、Pb、Cd、Cr和Ni，第2类包括Cu和Zn。结果表明，烟苗重金属和烟叶重金属聚类结果基本一致。第1类重金属反映了工业污染的影响以及农业因素。Cd通常与田地使用化肥和农药有关[14]。研究表明，贵州省污灌区土壤Hg、Cd、Cr、Pb等含量逐年增加，进而影响烤烟重金属含量[15]。第2类与大气沉降有关。研究表明，土壤中很大一部分重金属(如Zn、Cr、Cu)是由工业生产、汽车尾气排放产生的有害气体和粉尘等经过自然沉降和降水进入土壤的[15]。

图5 烟苗重金属(a)和烟叶重金属(b)树状图Fig.5 Dendrogram showing cluster of heavy metal in tobacco seedling (a) and leave (b)

3 结论

该研究表明，烟苗中重金属元素含量明显高于烟叶，可能与烟苗培育基质有关。烟苗和烟叶中8种重金属含量高低及排序不同，说明在烟苗移栽到大田后，各种重金属源及暴露途径发生变化，每种途径的贡献量需要进一步研究。烟苗重金属和烟叶重金属聚类结果基本一致。重金属的来源与工业活动、农业活动和大气沉降有关。

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