磷对土壤-烟草系统镉有效性及生物累积的影响研究进展

王志军 邰孟雅 翟夜雨 袁岐山

摘 要 烟草是我国重要的经济作物，也是烟农主要的收入来源。镉是一种毒性很强的重金属，烟株叶片镉积累量较高时，不仅会降低烟叶品质，还会通过卷烟产品危害人体健康。烟叶中的镉主要来自土壤，随着环境污染的加剧，植烟土壤的生态系统遭到破坏，烟叶安全广受关注。磷是植物生长发育中不可或缺的大量元素之一，土壤中磷肥的施用会对镉产生一定影响，干扰镉在土壤-烟草系统中的吸收和转运。综述施用磷肥对土壤-烟草系统中重金属镉的有效性及生物积累的影响研究进展，从镉污染的来源和危害、磷的功能和施用方法、施磷对植烟土壤镉生物有效性的影响及施磷对烟株吸收积累镉的影响等方面进行了分析探讨。

关键词 镉污染;磷;土壤-烟草系统;生物累积

中图分类号：S572 文献标志码：C DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2022.15.029

随着科技不断发展进步，我国工业和农业的现代化程度越来越高，社会的发展为人们带来便利生活的同时，也带来了一系列问题，如工业三废的排放、采矿和冶炼的增加及农药化肥的滥用，都加剧了环境污染。镉是一种非氧化还原金属，在自然界中浓度较低，但在造成土壤污染的重金属中毒性相对较强[1]。虽然目前对烟草提取物的开发利用已取得较大成果，但叶片仍是烟草的主要收获对象[2]。伴随人们环境风险意识的提高，烟叶镉污染已然成为科研工作者们不得不关注的问题。

磷在自然界中广泛存在，适量的磷素供应可提高植物的抗逆性和对外界不良环境的适应能力[3]。研究表明，磷对植烟土壤中镉的有效性及烟草对镉的吸收累积有一定影响，但具体情况因土壤特性及施磷水平等因素的不同而存在差异。

基于镉污染加剧现状，本文着重讨论了不同施磷条件对镉在土壤中的有效性和烟草生物累积的影响，探究土壤中镉和磷的相互关系，尝试通过调节土壤中磷元素的含量来降低土壤镉的有效性及烟株对镉的吸收积累，为土壤-烟草系统镉污染防治提供一定参考。

1  镉污染的来源和危害

镉于1817年被德国的斯特罗迈尔发现并制得，是有色重金属元素之一，被确认为动植物生长发育的非必需元素。

1.1  镉污染的来源

土壤-烟草系统的镉污染是多方面因素综合作用的结果，污染物主要来自土壤、水体和大气。

土壤中的镉大致有两种来源。1）自然情况下重金属在土壤母质中普遍存在。一般来说，黏土因具有吸附金属离子的能力，镉含量相对较高，但不超标时不会产生较大危害。2）因采矿、冶金工业、农业污染、固体废弃物及交通污染等人类活动而引入的镉[4]。矿石是天然存在的矿物，过度的矿体开采产生了较多的污染废物，通过风或水的输送污染了矿山周围的土壤，这是土壤中镉的重要来源。生产磷肥的磷矿石富含重金属镉，在为作物补充生长所必需的磷元素时，不可避免地将镉带入土壤[5]。随着信息技术的不断发展，电子产品更新换代速度加快，固体废弃物的随意丢弃、金属的腐蚀均会导致土壤镉污染。高速公路两侧的土壤较其他位置而言镉污染情况更严重，主要是因为机动车行驶过程中的尾气和机械部件磨损均会排放一定的镉。

污水、污泥是处理生活和工业废水的残留物，含有大量的金属元素，来自工业区的污水通常比来自住宅区的污水金属元素含量更高，因此污水灌溉是土壤鎘污染的主要来源之一。空气中的镉污染主要来自人类活动，如工厂冶炼含重金属矿物排放的烟尘、工业企业废气的排放和化石燃料的燃烧等都会导致重金属扩散，镉被排放至空气中或积累在灰烬里，通过大气沉降污染土壤和水源[6]。

1.2  镉污染的危害

重金属污染具有长期性、累积性、潜伏性和损害不可逆等特点，治理成本高、周期长[7]。镉在环境中一般以无机离子的形态存在，在土壤中可稳定存在1～3年，进入动植物体后大部分镉可与巯基或其他小分子物质络合形成有机态镉，在人体内保留时间可超过20年，具有较长的生物半衰期[8-9]。镉的生态毒性主要是由于该元素及其化合物不能被生物降解，且镉的迁移能力很强，极易溶于水被植物吸收，还可通过呼吸道进入动物体内[10]。

不同植物对镉的耐受程度存在差异，少量镉对植物的生长发育影响不大，当镉含量超过一定限度时，植物生长减慢，产量和品质都有不同程度降低。镉在植物中的积累也是它进入食物链的主要途径。镉可通过增强膜脂过氧化作用、破坏细胞的抗氧化系统进而诱导组织氧化损伤，还可通过破坏各种酶系统进而影响正常代谢活动，对人体的危害主要集中在眼睛、肝肾、肺、骨组织和其他器官，长期的镉积累还会诱发骨质疏松、心血管疾病、神经系统疾病、肾功能障碍及癌症等急性或慢性疾病，如日本富山县曾出现因长期饮用镉污染水而导致的慢性镉中毒——“痛痛病”[11-13]。镉对其他动物的影响与人体类似。

2  磷的功能和施用方法

磷在生物圈内分布广泛，其含量在地壳中位于前十，海水中位于第二，大量存在于动植物组织中，也是人体含量较多的元素之一。

2.1  磷的功能

含磷物质种类很多，主要以磷酸盐的形式存在于自然界中[14]。除植酸等形式的磷之外，大都能被机体吸收利用，是动植物生长发育必不可少的大量元素之一。

在植物中，磷是许多重要化合物的组成成分之一：1）磷是核蛋白、核酸和磷脂的重要组成成分，对植物的生长发育和遗传变异有重要作用;2）磷是多种酶的组成成分，几乎参与所有生理生化反应，其中三磷酸腺苷（ATP）与能量的形成和释放有关，参与多条能量代谢途径;3）磷还是植物体内碳水化合物、脂肪等物质的合成、代谢和能量释放过程的参与者。

在动物体中磷大多存在于骨骼和牙齿，还有一部分在体液中，是维持动物生理功能的必要物质[15]。适量磷在维持心脏跳动、肾脏机能正常和传达神经刺激等方面发挥重要作用。

2.2  磷的施用方法

磷肥是以磷为主要养分的肥料，肥效受磷肥中有效五氧化二磷含量、土壤性质、作物种类和施肥方法等因素影响。磷肥的施用包括磷肥类型、施磷水平和施磷方式等。1）磷肥类型。按照所含磷酸盐的溶解性能划分，磷肥主要包括水溶性和枸溶性两种。常用磷肥有过磷酸钙、重过磷酸钙、钙镁磷肥、磷酸二氢钾和磷酸一铵等。2）施磷水平。不同施磷水平即为磷肥的不同施用量。一般来说，在一定限度内，施肥效果随施磷量的增加而增加。3）施磷方式。施肥方式包括磷肥施用时间、基肥和追肥比例等，可在植物的不同生育期采取不同的施肥方式和比例。

3  施磷对植烟土壤镉生物有效性的影响

土壤的基本性质包括土壤类型、土壤质地、有机质含量、酸碱度及养分状况等多个方面。磷肥经过不同的施用方法施入不同性质的土壤对不同种类植物会产生不同影响。我国土壤有效磷含量普遍偏低，是因为磷在土壤中极易被固定。施磷对土壤镉有效性的影响存在争议，目前对于磷降低或增加镉活性的论断都有相关研究成果支持[16]。

土壤中镉含量的高低并不能完全代表其危害性，只有有效态镉才会被植物吸收，并造成重金属损害。磷肥可以直接和土壤中的镉相互作用，也可通过改善土壤性质间接影响镉的有效性。土壤中的重金属可直接被磷吸附，也可通过磷酸根离子等被间接吸附;部分磷肥（如过磷酸钙等）可与镉络合形成沉淀，降低土壤中镉的有效性;磷酸氢二铵施入土壤后水解产生NH4+与镉络合，但此过程会使水溶态镉含量增加;磷肥中解离出的阳离子能与镉竞争土壤吸附位点，部分阴离子也可与镉发生络合反应影响有效态镉含量。

施磷会影响土壤有機质含量，进而影响镉活性。有机质不仅代表土壤的营养状况，还可与镉离子发生物理或化学反应。一般来说，有机质可与镉络合，降低土壤镉的有效性，减少植物对重金属镉的吸收和转运。但吸附和解吸是一个复杂的过程，涉及多个方面，不能一概而论。

施用不同类型磷肥会对土壤的酸碱度产生不同影响，可通过调节土壤酸碱度来影响镉的溶解度和镉不同形态之间的转化，进而影响镉活性[17]。王朋超等研究发现，施用过磷酸钙和钙镁磷肥的土壤pH值分别表现为降低和升高，与对照相比两种肥料均可降低有效镉含量，但钙镁磷肥效果更好，可能是酸性条件更有利于镉的活化和迁移，使其在土壤中的溶解度增加，导致土壤的潜在毒性增大[18]。但周佚群等的研究表明，过磷酸钙和磷酸二氢钾的施用对土壤pH值并没有显著影响，镉有效性主要受速效磷含量的调控，施磷后土壤速效磷含量越高，镉活性就越弱[19]。但需注意的是，磷肥自身在一定程度上即为镉污染的来源之一，因此施磷量并非越多越好，用量过多时不仅会造成资源浪费和环境污染，还会加重镉胁迫。

4  施磷对烟株吸收积累镉的影响

磷对烟草镉积累的研究不多，大多是对其他植物的研究，但由于这些植物都是以叶片为主要结构的植物，一定程度上可作参考。目前，施磷对植物吸收积累镉的影响结论也不一致。刘芳等研究表明，一定磷肥浓度下，施磷明显降低烟草中的镉含量;但由于镉磷交互作用具有复杂性，随着施磷量的增加，土壤镉的有效性不仅没有降低，反而促进了烟草对镉的吸收积累[20]。何小林研究发现，缺磷处理可减少拟南芥的镉积累，降低氧化损伤[21];而帅祖苹等对小白菜的研究则表明适量施用磷肥可抑制镉在小白菜中的积累[22]。

增加土壤中的磷含量在一定程度上可促进烟株的生长发育，增加烟草根、茎、叶的生物量。在一定范围内，随着施磷量的增加，烟草生物量也呈增加趋势[23]。烟株生物量增加，镉积累量也会随之增加，但增加的是镉总量而并非镉浓度，因此生物量增加存在一定的稀释效应，可降低镉胁迫对烟株的损伤。

施磷还能提高烟株抗逆性。镉主要通过氧化作用损伤影响烟草的正常生长发育，烟株自身抗性增强可在一定程度上缓解镉毒害。与土壤类似，镉积累量并不能代表烟株受损伤程度，因为并不是所有镉都会对生长代谢产生影响，有效镉含量才是研究人员关注的重点。例如，部分植物体内镉含量极高，但并没有影响其正常生长发育和生理代谢。据王岚等对白骨壤幼苗的研究，外源磷可促进镉向植物液泡转运，同时提升幼苗抗氧化能力[24];杨志敏等研究发现，镉胁迫下提高磷肥水平可减少小麦对镉的积累，并将大部分镉转移至细胞壁[25]。以上研究表明，液泡和细胞壁固存是植物降低镉生物有效性的重要途径，但关于磷肥对烟草体内镉的转运累积及生理毒性的影响还需进一步探索发现。

5  结语

自然环境是一个有机整体，绝对意义的单一污染是不存在的。镉污染对植物的影响总是伴随着其他不良因素，因此既要考虑问题的局部也要关注整体。磷肥和土壤-烟草体系之间的关系错综复杂，磷对镉的影响与磷肥施用量、土壤状况及重金属镉的含量等众多因素密切相关，所产生的影响可能是直接的也可能是间接的。当前关于磷和土壤-烟草系统镉关系的结论相对较少，其中缘由尚不能得到很好的解释。

另外，磷肥自身就存在一定含量的镉，磷肥的大量施用可能不利于烟株的生长发育和生理代谢。烟草的生长环境是动态变化的，因此在烟叶生产过程中要注意磷肥的施用情况，进一步探索不同施磷条件对土壤-烟草系统中镉的调控机制，在保证效果的同时减少镉对植株生长的副作用。

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（责任编辑：张春雨  丁志祥）