适宜贵州中度镉污染烟田安全生产的烤烟品种筛选

柴冠群，范成五，刘桂华，杨娇娇，文 雄，秦 松

(1.贵州省农业科学院土壤肥料研究所，贵阳 550006；2.贵州大学农学院，贵阳 550025)

【研究意义】土壤是保障农产品质量安全和人居环境安全的重要前提[1]。随着经济快速发展与农业高度集约化生产后，我国农业土壤污染问题逐渐凸显[2]，污染土壤中以Cd风险最高，点位超标率达7.0%[3]，Cd含量分布呈现出从西北到东南，从东北到西南方向逐渐升高的趋势[2]。贵州是我国典型的高Cd地质背景区[4-5]，其耕层土壤Cd含量的算数平均值为0.659 mg/kg，远远高于全国土壤Cd含量的算数平均值0.097 mg/kg[6]，这与成土母质和母岩等地球化学属性密切相关[2]。农业土壤污染问题亟需解决，植物修复重金属污染土壤具有环境友好、成本低廉、原位修复等优势，是解决农业土壤污染问题的有效措施之一。开展植物修复重金属污染土壤方面的研究具有重要现实意义。【前人研究进展】贵州作为我国烤烟主产区[7]，烤烟是其重要的经济作物之一，其在帮助当地烟农脱贫致富中发挥着重要作用[7]。烤烟属于易累积Cd的经济作物[9-10]，其富集系数可达5～10[11]。贵州高镉含量烟叶主要分布在福泉、水城等矿产资源富集区[12]，张艳玲等[13]采集贵州75个烟叶样品，其Cd平均含量为4.93 mg/kg，略低于贵州烟叶Cd限值(5.0 mg/kg)[14]。烟叶累积Cd的多少与土壤Cd含量密切相关[15]，在高镉地质背景区种植烤烟，可能存在超标风险。《中华人名共和国土壤污染防治法》[1]与《土壤污染防治行动计划》[16]均明确提出轻中度重金属污染农田应划为安全利用类土壤，可以采取种植结构调整与品种替代等措施实现土壤安全利用，并达到农产品质量安全的要求。【本研究切入点】在重金属污染土壤种植烤烟，将其不可利用部分(根、茎、叶脉)回收，集中无害化处理，可达到吸收土壤重金属，修复土壤重金属污染的目的。前人关于烤烟不同部位Cd含量分布的研究结果不尽相同[17-18]，若烤烟不可利用部分对重金属累积量较小，则会减弱其修复土壤的能力。烤烟因其生物量大，对Cd富集能力强，可以探索在烟叶Cd含量达标的前提下，通过种植烤烟实现轻中度Cd污染土壤安全利用，并达到土壤修复的目的。目前，相关研究鲜见报导。【拟解决的关键问题】分析贵州生物量较大的4个烤烟品种(贵烟8号、CF228、南江3号和毕纳1号)与常规品种(云烟87)对Cd的累积分配特征及对Cd中度污染土壤修复效果，以期为贵州轻中度Cd污染烟田土壤安全利用与治理修复提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 烤烟品种 选择贵州生物量较大的4个烤烟品种(贵烟8号、CF228、南江3号、毕纳1号)与常规品种(云烟87)，烟苗取自贵州省烟草科学研究院。

1.1.2 土壤及其他 供试土壤为黄壤，采自贵州某烤烟基地0～20 cm耕作层。其基本理化性质：pH 6.44，有机质26.03 g/kg，阳离子交换量15.3 cmol/kg，全氮、全磷和全钾分别为1.13、0.68和12.54 g/kg，碱解氮、有效磷和速效钾分别为65、47和165 mg/kg，全Cd含量(0.705±0.009) mg/kg。根据《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准》(GB15618—2018)[19]，土壤Cd含量在0.6～0.9 mg/kg为中度污染土壤，需要加强风险管控，则试验土壤为中度Cd污染土壤，属于安全利用类土壤。盆钵，直径与高度分别为36与34 cm，市购。

1.2 方法

1.2.1 试验设计 通过盆栽试验研究贵州5个品种烤烟安全生产及其对中度Cd污染烟田的修复潜力。试验设5个处理，每个品种为1个处理，每个处理种植5盆(5次重复)，每盆装土20 kg，种植1株烤烟，共25盆。烤烟苗龄60 d移栽，参照文献[20]施用分析纯尿素(4.65 g/盆)、磷酸二氢钾(10.10 g/盆)和硫酸钾(8.20 g/盆)。整个试验过程中采用超纯水浇水，每盆浇水量一致，无水渗出。

1.2.2 样品预处理 ①烤烟样品采集与处理。烤烟叶片成熟后，一次性采收其根、茎、叶，用自来水冲洗干净后，以去离子水润洗，再用吸水纸吸干水分，然后用塑料刀按叶脉走向将叶脉与叶片分离，烤烟根、茎、叶片和叶脉在105 ℃杀青30 min，60 ℃烘干，分别称重。烤烟根、茎、叶片和叶脉烘干样单独粉碎，过60目尼龙筛备用。②土壤样品采集与处理。烤烟采收同时，采集盆中土壤，每盆土壤单独处理。土壤风干后，采用四分法采集1 kg土壤全部研磨过10目尼龙筛，对过10目尼龙筛的土壤继续采用四分法采集200 g土壤研磨，过100目尼龙筛备用。

1.2.3 指标测定 烤烟根、茎、叶片、叶脉样品采用HNO3-HClO4消解，稀HCl定容，土壤样品采用HNO3-HClO4-HF-HCl消解，稀HCl定容，消解液中Cd含量采用电感耦合等离子体质谱仪测定。所有试验用品均经稀酸浸泡，试验用水均为去离子超纯水。同时检测3个空白样品和标准物质(GBW07403和GBW10014)控制试验准确度。修复效率(土壤Cd去除率)[21]与烤烟植株对Cd的富集系数及不同器官转运系数[22]计算如下。

修复效率=[修复前土壤Cd浓度(mg/kg)-修复后土壤Cd浓度(mg/kg)]/修复前土壤Cd浓度(mg/kg)×100%

烤烟植株对Cd的富集系数(BCF)=整株Cd浓度/收获后土壤Cd浓度×100%

烤烟地上部对Cd的转运系数(TF1)=地上部Cd浓度/根Cd浓度×100%

茎对Cd的转运系数(TF2)=茎Cd浓度/根Cd浓度×100%

叶脉对Cd的转运系数(TF3)=叶脉Cd浓度/茎Cd浓度×100%

叶片对Cd的转运系数(TF4)=叶片Cd浓度/叶脉Cd浓度×100%

1.3 数据处理与分析

采用SPSS 20.0与Sigmaplot 12.5进行数据处理、分析和制图。

2 结果与分析

2.1 Cd胁迫不同品种烤烟的生物量与根冠比

从表1可知，5个烤烟品种各器官生物量均存在差异。

表1 不同品种烤烟的生物量与根冠比Table 1 The biomass and root-shoot ratio of different tobacco varieties (g/株)

2.1.1 根 各处理根的生物量为58.895～115.410 g/株，表现为CF228>贵烟8号>毕纳1号>南江3号>云烟87，各处理间差异显著。

2.1.2 茎 各处理茎的生物量为82.995～158.113 g/株，表现为CF228>毕纳1号>南江3号>贵烟8号>云烟87，其中，CF228与毕纳1号差异不显著，二者均显著高于其余处理；南江3号和贵烟8号二者差异不显著，但均显著高于云烟87。

2.1.3 叶脉 各处理叶脉的生物量为42.830～62.125 g/株，表现为毕纳1号>南江3号>CF228>贵烟8号>云烟87，其中，毕纳1号、南江3号和CF228三者差异不显著，但均显著高于贵烟8号和云烟87，贵烟8号与云烟87差异显著。

2.1.4 叶 各处理叶的生物量为80.985～131.490 g/株，表现为毕纳1号>CF228>南江3号>云烟87>贵烟8号，其中，CF228与南江3号和毕纳1号差异不显著，但均显著高于其余处理；云烟87显著高于贵烟8号。

2.1.5 总质量 各处理总质量为275.610～463.060 g/株，表现为CF228>毕纳1号>南江3号>贵烟8号>云烟87，其中，CF228显著高于其余处理；毕纳1号与南江3号差异不显著；云烟87显著低于其余处理。

2.1.6 根冠比 各处理根冠比为0.248～0.361，表现为贵烟8号>CF228>云烟87>毕纳1号>南江3号，其中，贵烟8号显著高于其余处理，且差异显著；云烟87、毕纳1号与南江3号差异不显著。

综上看出，烤烟CF228与毕纳1号茎、叶脉及叶生物量差异不显著，但均显著大于云烟87；烤烟CF228总质量最大，毕纳1号次之。烤烟各器官仅有叶为可利用部分，不同烤烟品种的叶生物量以毕纳1号最大。

2.2 Cd胁迫烤烟不同器官的Cd浓度

从表2可知，5个烤烟品种不同器官Cd浓度存在差异。

表2 烤烟不同器官的Cd浓度Table 2 Cd concentration in different tobacco parts (mg/kg)

2.2.1 根 各处理根的Cd浓度为0.304～0.462 mg/kg，表现为毕纳1号>云烟87>南江3号>贵烟8号>CF228，其中，毕纳1号根的Cd浓度显著高于其余处理；云烟87显著高于CF228，与其余处理差异不显著；其余处理间差异不显著。

2.2.2 茎 各处理茎的Cd浓度为0.523～0.926 mg/kg，表现为毕纳1号>云烟87>贵烟8号>CF228>南江3号，其中，毕纳1号显著高于云烟87，二者均显著高于其余处理；其余处理间差异不显著。

2.2.3 叶脉 各处理叶脉的Cd浓度为1.130～2.645 mg/kg，表现为毕纳1号>云烟87>CF228>贵烟8号>南江3号，其中，毕纳1号叶脉的Cd浓度显著高于其余处理；贵烟8号和南江3号差异不显著，但均显著低于其余处理；其余各处理间差异显著。

2.2.4 叶 各处理叶的Cd浓度为1.510～2.110 mg/kg，表现为贵烟8号>云烟87>CF228>南江3号>毕纳1号，各处理的Cd浓度均明显小于限值(5.0 mg/kg)[14]。其中，贵烟8号显著高于其余处理；云烟87与CF228差异不显著，但均显著高于其余处理；其余各处理间差异不显著。

2.2.5 整株 各处理整株的Cd浓度为0.878～1.382 mg/kg，表现为毕纳1号>云烟87>CF228>贵烟8号>南江3号，其中，毕纳1号显著高于其余处理；云烟87也显著高于其余处理；其余处理间差异不显著。

综上看出，毕纳1号根、茎、叶脉及整株中的Cd浓度均显著大于其他品种烤烟，但其叶中Cd浓度显著小于其他品种烤烟，且远小于贵州烟叶Cd限值(5.0 mg/kg)[14]，而烟叶在采收完毕后，烤烟其他部位要离田处理，从植物修复土壤重金属污染角度考虑，毕纳1号修复效果较好，且烟叶能够安全生产。

2.3 Cd胁迫烤烟不同器官Cd累积与分配

2.3.1 烤烟不同器官Cd的累积 从表3可知，5个烤烟品种各器官Cd累积量均存在差异。

表3 烤烟不同器官对Cd的累积量Table 3 Cd accumulation in different tobacco parts (μg/株)

(1)根:各处理的Cd累积量为21.120～40.466 μg/株，表现为毕纳1号>CF228>贵烟8号>南江3号>云烟87，其中，毕纳1号显著高于其余处理，差异显著；南江3号与云烟87差异不显著，显著低于其他处理。

(2)茎:各处理茎的Cd累积量为60.037～139.060 μg/株，表现为毕纳1号>CF228>贵烟8号>南江3号>云烟87，其中，毕纳1号显著高于其余处理；CF228显著高于云烟87，其余处理间差异不显著。

(3)叶脉:各处理叶脉的Cd累积量为64.249～164.338 μg/株，表现为毕纳1号>CF228>云烟87>南江3号>贵烟8号，其中，毕纳1号显著高于其余处理；CF228与云烟87、南江3号与贵烟8号差异均不显著，但CF228与云烟87均显著高于南江3号与贵烟8号。

(4)叶:各处理叶的Cd累积量为166.728～239.238 μg/株，表现为毕纳1号>CF228>南江3号>贵烟8号>云烟87，其中，毕纳1号和CF228差异不显著，但均显著高于其余处理；其余各处理间差异不显著。

(5)整株:各处理整株的Cd累积量为329.047～583.102 μg/株，表现为毕纳1号>CF228>南江3号>贵烟8号>云烟87，其中，毕纳1号显著高于CF228，二者均显著高于其余处理；其余处理间差异不显著。说明，毕纳1号对土壤Cd的吸收量最大。2.3.2 烤烟不同器官Cd的分配 从图1可知，Cd在5个烤烟品种各器官的分配均存在差异。5个烤烟品种均表现为叶中分配率最大，根中分配率最小；贵烟8号和毕纳1号不同器官Cd的分配率表现为叶>叶脉>茎>根，云烟87、CF228与南江3号则表现为茎中Cd的分配率略高于叶脉。毕纳1号不可利用部分(叶脉、茎、根)Cd的分配率最大，可利用部分(叶)Cd的分配率最小，为41.03%；其他4个品种均大于50%。

图1 Cd在各品种烤烟不同器官的分配率Fig.1 Cd distribution in different parts of 5 tobacco varieties

2.4 不同烤烟品种对土壤Cd的修复效果

从表4可知，与原始土壤Cd浓度相比，烤烟收获后，土壤Cd浓度均有显著降低，降低幅度为0.016～0.029 mg/kg，其中种植毕纳1号的土壤Cd浓度降低最多，其次是南江3号，种植云烟87的土壤Cd含量降低最少。5个品种对土壤Cd污染的修复效率为2.269%～4.113%，表现为毕纳1号>CF228>南江3号=贵烟8号>云烟87，其中，毕纳1号最高，CF228其次(3.262%)，说明毕纳1号烤烟吸收土壤Cd的能力最强。

表4 烤烟收获前后土壤Cd含量的变化Table 4 Changes of Cd content in soil before and after tobacco harvest

2.5 不同烤烟品种对Cd的富集转运能力

从表5可知，5个烤烟品种各器官对Cd的富集转运能力存在差异。5个烤烟品种植株对土壤Cd的富集系数为127.695%～204.549%，表现为毕纳1号>云烟87>CF228>贵烟8号>南江3号，毕纳1号显著高于云烟87，二者均显著高于其余处理；其余处理间差异不显著；毕纳1号对土壤Cd富集能力最强，南江3号富集能力最弱。各品种地上部对Cd的转运系数为330.028%～402.216%，表现为云烟87>CF228>贵烟8号>毕纳1号>南江3号，云烟87和CF228显著高于南江3号，其余处理间差异不显著。各品种茎部对Cd的转运系数为169.806%～205.799%，表现为云烟87>毕纳1号>CF228>贵烟8号>南江3号，各品种差异不显著。各品种叶脉对Cd的转运系数为216.691%～285.683%，表现为毕纳1号>CF228>云烟87>贵烟8号>南江3号，毕纳1号显著高于南江3号，但与其余品种差异不显著。各品种叶对Cd的转运系数为74.299%～173.166%，表现为贵烟8号>南江3号>CF228>云烟87>毕纳1号，毕纳1号最弱，显著低于其余品种，说明毕纳1号可利用部位对Cd的累积能力比不可利用部位弱。综上，可以考虑将毕纳1号作为修复中度Cd污染土壤的植物修复材料。

表5 烤烟植株对Cd的富集能力及不同器官对Cd的转运能力Table 5 Cd accumulation of tobacco plants and transport ability of different parts from tobacco plants (%)

3 讨 论

利用超富集植物提取土壤重金属是一种环境友好、成本低廉的技术[23]。目前已发现的超富集植物多由于生物量小、生长缓慢等缺点不能大面积推广。因此，更应关注高生物量的重金属耐(抗)性植物[24]。烤烟是一种生物量较大，易累积Cd的经济作物[25]，烤烟毕纳1号对Cd的累积量最大，为583.102 μg/株，其种植密度按1.65 万株/hm2计算，每年烤烟可移除土壤Cd 9.621 g/hm2，土壤Cd浓度约可降低0.038 mg/kg，其对土壤Cd的修复效率可达4.113%。不同品种烤烟对Cd的累积特征存在差异，与其对土壤Cd的富集转运能力有关，烤烟毕纳1号对Cd的富集系数为204.529%，显著大于其他4种烤烟，而烤烟毕纳1号根、茎与叶脉中Cd浓度均显著大于其他4种烤烟，叶片中Cd浓度均显著小于其他4种烤烟，可能与叶脉部位汁液向叶片的流速与细胞中Cd形态有关。刘晓等[26]分析不同品种烟草忍耐Cd的机制发现，Cd胁迫可以抑制烤烟的伤流量，降低其运输速率。

烤烟作为一种经济作物，其收获的主要是叶片，该研究烤烟叶片Cd浓度为1.510～2.110 mg/kg，远低于贵州烤烟Cd限值[14](5.0 mg/kg)，说明在贵州Cd中度污染土壤上种植烤烟，其能够达到安全生产标准，并且烤烟可累积Cd 329.047～593.102 μg/株。烤烟不同器官中Cd分配率表现为叶片最大，根最小，与吴玉萍等[18，27]研究结果一致，与烤烟根系对Cd的吸收、茎和叶片中Cd的转运及再分配有关[28]。该研究毕纳1号烤烟茎与叶脉对Cd的转运能力与其他4种烤烟差异不显著，而其叶片对Cd的转运能力显著小于其他4种烤烟。

苏贤坤等[29]提出利用烤烟根、茎富集重金属的特点，对采摘过烟叶的根茎集中处理，达到提取土壤重金属与防止二次污染的目的。5个烤烟品种中毕纳1号的不可利用部分(根、茎、叶脉)对Cd的累积分配最大，其叶片中累积分配最小，毕纳1号叶片中Cd分配率最小，为41.03%，其他4个品种均大于50%，毕纳1号中Cd从叶脉向叶片的转移系数最小(74.299%)，毕纳1号将Cd主要储存在根、茎及叶脉等不可利用部分，较其他4种烤烟相比，降低了原料烟叶生产中的不利因素。毕纳1号对Cd的累积量最大，为583.102 μg/株。因此，从Cd污染土壤修复及其安全利用角度考虑，可以将种植毕纳1号作为贵州中度Cd污染烟田安全利用措施之一。

4 结 论

烤烟作为一种叶片类经济作物，本研究的5个烤烟品种中毕纳1号的单株叶片生物量最大，为131.490 g/株，其叶片Cd浓度显著小于其他品种，且远低于贵州烟叶Cd含量限值(5.0 mg/kg)，但其整株吸收Cd含量最大，对Cd污染土壤的修复效率为4.113%；其将Cd主要储存在根、茎及叶脉等不可利用部分，降低了原料烟叶生产中的不利因素。因此，可将种植毕纳1号作为贵州中度Cd污染烟田植物修复与安全利用的措施之一。